METABOLISMUS GLYKOGENUMETABOLISMUS GLYKOGENU1. Odbourávání glykogenu1. Odbourávání glykogenu2. Úloha fosforylasy 2. Úloha fosforylasy 3. Adrenalin a glukagon – 3. Adrenalin a glukagon – hormony nutné k odbourávání hormony nutné k odbourávání glykogenuglykogenu4. Syntéza a odbourávání 4. Syntéza a odbourávání glykogenu probíhá různými glykogenu probíhá různými drahami drahami 5. Obě dráhy jsou vzájemně 5. Obě dráhy jsou vzájemně regulovány regulovány

Glykogen je mobilní skladovatelná Glykogen je mobilní skladovatelná glukosa.glukosa.

• Vazby -1,4-glykosidové a větvení po každé desáté glukosové molekule -1,6-glykosidové.

- glykosidové vazby formují otevřené helikální polymery, zatímco -glykosidové formují rovné řetězce –fibrily jako např. celulosa.

Proč skladují živočichové energii ve Proč skladují živočichové energii ve formě glykogenu ??formě glykogenu ??

• Kontrolované štěpení glykogenu poskyuje rychle glukosu mezi jídly.Glykogen má funkci „pufru“ hladiny krevní glukosy.

• Glukosa je nutná zvláště pro funkci mozku. • Glukosa z glykogenu je pohotově k dispozici při

zátěži organismu, zvláště za anaerobních podmínek. Hlavními místy kde je glykogen skladován jsou játra a svalstvo skeletu (v játrech 10%, ve svalech 2% na váhu). Celkově více ve svalech. Glykogen je skladován v cytosolu ve formě granulí o rozměrech od 10 do 40 nm.

Cesty glukosa-6-fosfátuCesty glukosa-6-fosfátu..

Glykogenfosforylasa (Fosforolýza)Glykogenfosforylasa (Fosforolýza)

Enzym štěpící větvení glykogenuEnzym štěpící větvení glykogenu

• Fosforylasa štěpí jen po místo vzdálené 4 glukosové jednotky od větvení !

• Dva další enzymy: transferasa – posunuje skupinu tří glukosových jednotek z jednoho řetězce na druhý.

-1,6-glukosidasa (odvětvující enzym – debranching enzyme) hydrolyzuje vazbu 1 – 6 za tvorby volné molekuly glukosy.

Fosfoglukomutasa – převádí glukosa-1-P na Fosfoglukomutasa – převádí glukosa-1-P na glukosa-6-P (obdoba glykolytického enzymu glukosa-6-P (obdoba glykolytického enzymu

fosfoglycerátmutasyfosfoglycerátmutasy).).

Jaterní glukosa-6-fosfatasaJaterní glukosa-6-fosfatasa..• Hlavní funkcí jater je udržovat konstantní hladinu

krevní glukosy. Děje se tak uvolňováním glukosy do krve.

• Glukosa-6-fosfát z glykogenu do krve nevstupuje, jen glukosa.

• Glukosa-6-fosfát slouží k tvorbě ATP.

• Glukosa-6-fosfatasa je lokalizována na vnitřní starně membrány endoplasmatického retikula.

• Enzym je přítomen prakticky jen v játrech.

•

Struktura glykogenfosforylasy (homodimer) Struktura glykogenfosforylasy (homodimer) PLPjako prosthetická skupina vázaný na PLPjako prosthetická skupina vázaný na

Lys 680Lys 680

Mechanismus fosforylasyMechanismus fosforylasy

Regulace svalové fosforylasyRegulace svalové fosforylasy

• Fosforylasa je regulována řadou allosterických efektorů, které signalizují energetický stav buňky a reversibilní fosforylací, která je reakcí na hormony insulin, adrenalin a glukagon.

• Budeme se zabývat dvěma fosforylasami: jaterní a svalovou. Proč?

• Svaly využívají produkovanou energii pro sebe, kdežto játra pro celý organismus.

SvSvalová fosforylasa – dvě vzájemně alová fosforylasa – dvě vzájemně převeditelné formy: obvykle převeditelné formy: obvykle aktivníaktivní

fosforylasa fosforylasa aa a a inaktivníinaktivní fosforylasa fosforylasa bb.. • Každá z těchto forem existuje v rovnováze mezi

stavy: aktivní – R-uvolněný (relaxed) a méně aktivní T –pevný (tense).

• Rovnováha pro fosf. a je na straně R, kdežto rovnováha pro fosf. b je na straně T.

• Fosforylasu b lze převést na fosforylasu a fosforylací Ser 14 !!!

• Regulačním enzymem je fosforylasakinasa, která katalyzuje fosforylaci. Ji aktivuje např. adrenalin.

Jaterní fosforylasaJaterní fosforylasa

• Na rozdíl od svalové, je u jaterní fosforylasy forma fosf. a více ovlivňována pro přechod R – T.

• Vazba glukosy na fosforylasu a posouvá rovnováhu ke stavu T – inaktivace enzymu.

• Proč glukosa? Účelem odbourávání glykogenu v játrech je udržování hladiny glukosy v krvi. Dostatek glukosy zastavuje odbourávání glykogenu.

Inhibitory jako např. chloroindolkarboxamid se váží mezi obě podjednotky a stabilizují inaktivní formu. Mohou sloužit jako léky proti diabetu ?

• Jaterní enzym nereaguje na hladinu AMP. • Proč ?

5-chlorindol-2-karboxamid– inhibitor fosforylasy5-chlorindol-2-karboxamid– inhibitor fosforylasy

Aktivace fosforylasakinasy.Aktivace fosforylasakinasy. • Svalová je velký protein (1 200 kd –

heterotetramer ()4). Katalytickou aktivitu má podjednotka , ostatní jsou regulační.

• Enzym je aktivován fosforylací proteinkinasou A (PKA) v jednotce . PKA je spouštěna cyklickým AMP.

• Vápenaté ionty o koncentracích řádově 1 M se váží na podjednotku , což je calmodulin (CaM). Ca2+ se uvolňuje ze sarkoplasmatického retikula.

Pro spuštění a regulaci odbourávání Pro spuštění a regulaci odbourávání glykogenu jsou nutné hormony glykogenu jsou nutné hormony

adrenalin adrenalin a glukagon.a glukagon.

• Adrenalin stimuluje odbourávání glykogenu hlavně ve svalech, v játrech výrazně méně.

• Glukagon ovlivňuje odbourávání glykogenu v játrech. Vysoká hladina glukagonu je signálem hladovění.

Biosyntéza ADRENALINU Z Phe. Biosyntéza ADRENALINU Z Phe.

Glucagon-29 aminokyselin,Glucagon-29 aminokyselin,

mol. hmotnost 3 485 daltonů.mol. hmotnost 3 485 daltonů.

• NH2-His-Ser-Gln-Gly-Thr-Phe- Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln-Asp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu- Met-Asn-Thr-COOH Produkován a nebo A buňkami Langerhansových ostrůvků pankreatu.

Přenos signálu v játrech.Přenos signálu v játrech.

• Přenos je složitější než ve svalech. • Adrenalin také může vyvolat degradaci glykogenu

vazbou na -adrenergní receptor, ale váže se také na -adrenergní receptor, který aktivuje fosfolipasu C a tím se iniciuje fosfoionosidová kaskáda. To vede ke zvýšení produkce ionositol-1, 4, 5-trisfosfátu s následným uvolněním Ca2+ ze sarkoplasmatického retikula.

• Zvýšená koncentrace Ca2+ aktivuje podjednotku fosforylasakinasy (calmodulin).

Terminace odbourávání glykogenu.Terminace odbourávání glykogenu. • GTPasová aktivita G proteinů převede GTP

na GDP.• Buňky obsahují také fosfodiesterasy, které

převádí cAMP na AMP. • PKA je fosforylována na podjednotce

(podjednotka je už fosforylována) a nastupuje proteinfosfatasa 1 (PP1), která inaktivuje PKA. Inaktivuje současně fosforylasu a která se tak převede na inaktivní fosforylasu b.

Syntéza glykogenu je odlišná od Syntéza glykogenu je odlišná od

odbourávání.odbourávání. • Syntetickou

jednotkou je uridindifosfátglukosa (UDP) a ne glukosa-1-fosfát jak by se dalo předpokládat. UDP je aktivovaná forma glukosy.

Syntéza UDP-glukosy.Syntéza UDP-glukosy.Reakce je reversibilní. Směr k syntéze je Reakce je reversibilní. Směr k syntéze je

poháněn štěpením difosfátu difosfatasou.poháněn štěpením difosfátu difosfatasou.

Glykogensynthasa. Přidává glukosové jednotky jen Glykogensynthasa. Přidává glukosové jednotky jen na řetězec, který má už minimálně čtyři glukosové na řetězec, který má už minimálně čtyři glukosové

jednotky. Potřebuje primer !!! Primer poskytuje jednotky. Potřebuje primer !!! Primer poskytuje protein GLYKOGENIN – vždy osm glukosových protein GLYKOGENIN – vždy osm glukosových

jednotek.jednotek.

GLYKOGENINGLYKOGENIN • Protein, dimer, dvě identické podjednotky,

každá 37 kd. • Obsahují oligosacharid -1,4-glukosové

jednotky. • Uhlík číslo jedna redukujícího konce je

vázán na fenolický hydroxyl specifického Tyr glykogeninové podjednotky.

• Jak je oligosacharid tvořen ? • Každá z podjednotek glykogeninu

katalyzuje adici osmi glukosových jednotek na sousední podjednotku.

• Donorem glukosových jednotek je UDP-glukosa.

• Proces je autokatalytický.

Větvící enzym.Větvící enzym.

• Glykogensynthasa spojuje jen -1,4-glykosidové vazby.

• Větvící enzym spojuje vazby -1,6-glykosidové. • Nejprve se syntetizuje dlouhý řetězec -1,4-

glykosidový. Větvící enzym ho štěpí a přenáší jednotku sedmi glukos dovnitř -1,4-glykosidového řetězce.

• Řetězec musí být dlouhý minimálně 11 jednotek. Větvící místo musí být minimálně 4 jednotky od již existujícího větvení.

• Výrazně odlišné od odvětvení ! Odvětvení - dva enzymy.

• Větvení je důležité neboť se tak zvyšuje rozpustnost glykogenu.

• Vzniká tak velké množství koncových skupin což jsou místa pro působení glykogensynthasy a glykogenfosforylasy. Zvyšuje se rychlost syntézy a degradace.

Glykogensynthasa je klíčový enzym syntézy Glykogensynthasa je klíčový enzym syntézy

glykogenu.glykogenu.

• Fosforylace glykogensynthasy vede k inaktivaci.

• Aktivátorem je glukosa-6-fosfát

Glykogen je efektivní skladovatelná forma Glykogen je efektivní skladovatelná forma

glukosy.glukosy. • Za jakou cenu se převádí glukosa-6-fosfát na glykogen a poté

zpět na glukosa-6-fosfát? Nejprve izomerace: • Glukosa-6-fosfát = glukosa-1-fosfát• Poté:

• Glukosa-1-fosfát + UTP = UDP-glukosa + PPi

• PPi + H2O = 2 Pi

• UDP-glukosa + glykogenn = glykogenn + 1 + UDP

• UDP + ATP = UTP + ADP enzym:nukleosiddifosfokinasa.

• Suma: Glukosa-6-fosfát + ATP + glykogenn + H2O = glykogenn + 1 + ADP + 2 Pi

• Při vstupu jedné glukosy do glykogenu se hydrolyzuje jedno ATP.

• Kompletní oxidace glukosa-6-fosfátu vede ke tvorbě 31 molekul ATP.

• Skladovací efekt je téměř 97 % !!

Odbourávání a syntéza glykogenu jsou Odbourávání a syntéza glykogenu jsou recipročně regulovány.recipročně regulovány.

• Oba procesy jsou recipročně regulovány hormonální kaskádou s cAMP a proteinkinasou A.

• Regulace zajišťuje, že při syntéze glykogenu nemůže probíhat současně jeho odbourávání.

Glykogensynthasa – klíčový enzym syntézy Glykogensynthasa – klíčový enzym syntézy glykogenu. glykogenu.

• Regulace kovalentní modifikací. • Fosforyluje proteinkinasa A a řada jiných kinas. • Fosforylace vede k inaktivaci. • Fosforylace převádí aktivní a formu synthasy na

inaktivní b formu. • Aby byla fosforylovaná glykogensynthasa b

aktivní je třeba vysoká koncentrace glukosa-6-fosfátu, kdežto na aktivitu a formy nemá přítomnost glukosa-6-fosfátu vliv.

Proteinfosfatasa 1 (PP1) obrací Proteinfosfatasa 1 (PP1) obrací regulační efekt proteinkinas regulační efekt proteinkinas

metabolismu gykogenu. metabolismu gykogenu.

• Enzym hydrolyzuje fosfáty z Ser a Tyr proteinů. • PP1 inaktivuje fosforylasakinasu a fosforylasu a. • Enzym snižuje rychlost odbourávání glykogenu a

zvyšue rychlost syntézy tím, že převádí glykogensynthasu b na aktivnější glykogensynthasu a

• PP1 je složena ze tří složek. PP1 samotná (37 kd), RG1 podjednotka (123 kd) s vysokou afinitou ke glykogenu a inhibitor 1 (malá podjednotka), který fosforylován, inhibuje PP1.

• Podjednotka RG1 je aktivní jen ve spojení s glykogenem

• Aktivace cAMP kaskády vede k inaktivaci PP1

Jak je regulována aktivita PP1 ?Jak je regulována aktivita PP1 ?

• PP1 vytváří komplex ze tří komponent. Samotná PP1 (37 kd katalytická podjednotka), 123 kd RG1 podjednotka mající vysokou afinitu ke glykogenu a inhibitor 1, malá regulační podjednotka, která fosforylována, inhibuje PP1.

• Předpoklad úvahy: převládá odbourávání glykogenu. • PKA je aktivní. • Dvě složky PP1 jsou substráty PKA. • Fosforylace RG1 zabraňje vazbě podjednotky PP1.

Z toho plyne: • Aktivace cAMP kaskády vede k inaktivaci PP1. • Fosforylace inhibitoru 1 PKA vede k inhibici PP1. • Závěr: Probíhá-li degradace glykogenu aktivovaná cAMP

kaskádou je glykogensynthasa v inaktivní formě.

Insulin stimuluje syntézu glykogenu Insulin stimuluje syntézu glykogenu aktivací PP1 – je stimulována syntéza aktivací PP1 – je stimulována syntéza glykogenu a inhibována degradaceglykogenu a inhibována degradace

Metabolismus glykogenu v játrech reguluje hladinu Metabolismus glykogenu v játrech reguluje hladinu krevní glukosy.krevní glukosy. Infůze glukosy vede k inaktivaci Infůze glukosy vede k inaktivaci

fosforylasy a aktivaci glykogensynthasy.fosforylasy a aktivaci glykogensynthasy.

Regulace metabolismu glykogenu Regulace metabolismu glykogenu v játrech hladinou glukosy.v játrech hladinou glukosy.

• Glukosa se váže a inhibuje v játrech glykogenfosforylasu a, oddisociuje a aktivuje se PP1.

• Volná PP1 defosforyluje glykogenfosforylasu a a glykogensynthasu b, což vede k inaktivaci odbourávání glykogenu a aktivaci jeho syntézy.

Regulace metabolismu glykogenu Regulace metabolismu glykogenu

v játrech hladinou glukosy.v játrech hladinou glukosy.