8. Metabolizam glikogena
Sveučilište u Splitu Prirodoslovno-matematički fakultet Odjel za kemiju prof. dr. sc. Maja Pavela- Vrančič
Glikogen
visokorazgranati visokorazgrana ti polimer glukoze
skladište glukoze: u citosolu stanica jetre i mišića, u obliku zrnaca
zrnca sadrže
visoko hidratiziranu molekulu glikogena i enzime za njegovu sintezu i razgradnju
svojstva:
grananje povećava
veći broj nereducirajući nereducirajućih h
topljivost glikogena krajeva osigurava efikasniju sintezu i razgradnju
zrnca glikogena
Struktura glikogena
Monomeri glukoze
koji čine jedan
ogranak povezani su -1,4 glikozidnom vezom,
dva ogranka povezana su -1,6 glikozidnom vezom, glikozidnom vezom,
kratki pobočni ogranci u razmaku od 8-10 podjedin podjedinica. ica.
glikogen podjedinica glukoze
-1,6 veza -1,4 veza
Nereducirajući krajevi su mjesta sinteze i razgradnje glikogena nereducirajući
nereducirajući kraj: kraj sa
kraj
slobodnom 4-OH skupinom
točka
reducirajući
grananja
kraj
R: reducirajući kraj
Procesi razgradnje i sinteze glikogena
u skeletnim mišićima: osiguravaju gorivo za potrebe pojačane mišićne aktivnosti
u jetri:
održavaju razinu glukoze u krvi, za potrebe cijelog
Prednost glikogena nad mastima
Mišići NE mogu jednako brzo mobilizirati masti kao glikogen,
masne kiseline se NE mogu metabolizirati anaerobno,
masne kiseline NE mogu poslužiti mozgu kao neposredni izvor energije,
životinje NE mogu masne kiseline prevesti u glukozu i tako nezavisno održavati razinu glukoze u krvi.
Prednost glikogena nad glukozom
Heksoze su snažni osmoliti
molekulska masa glikogena je 107
400 mM glukoze skladišti se kao 0,01 µM glikogena
visoka
a j i c a r t n e c n o k
Nakupljanje glukoze u stanici uzrokovalo bi smanjenje koncentracijskog gradijenta koji
omogućava unos glukoze u stanicu.
olakšana difuzija niz koncentracijski gradijent
niska
Uloga glikogena
Glikogen se sintetizira u sitosti nakon obroka pri visokim koncentracijama glukoze
služi kao izvor glukoze
u gladi
u stresnim “fight or flight” situacijama
Uloga skladišta glikogena
u jetri: opskrba ostalog tkiva glukozom
u mišiću: za potrebe mišićne aktivnosti
Biorazgradnja glikogena odvija se uz učešće nekoliko enzima
glikogen fosforilaza
fosforolitički cijepa α-1,4-glikozidnu vezu
glikozil transferaza i amilo-1,6-glukozidaza bifunkcionalni enzim katalizira skidanje ogranaka i prevodi razgranatu strukturu glikogena u linearnu
fosfoglukomutaza katalizira pregradnju fosfatne skupine
Glikogen fosforilaza katalizira fosforolitičko cijepanje -1,4-glikozidne veze
postupno odstranjuje glukozilne ostatke s nereducirajućeg kraja molekule glikogena
glikozidna veza cijepa se ORTOFOSFATOM
nereducirajući kraj
Pi
Pi
glikogen(n)
glukoza-1-fosfat
glikogen(n-1)
PREDNOST fosforolize
energetski povoljna, jer
je oslobođeni šećer već fosforiliran i spreman za uključivanje u metabolizam, bez utroška ATP fosforilirana glukoza ne može difundirati iz stanice (prednost kod mišićnih stanica)
Struktura glikogen fosforilaze
podjedinica glikogen fosforilaze G1P u aktivnom mjestu
mjesto
skladištenja
piridoksal fosfat
glikogena
mjesto vezanja nukleotidnog G1P u inhibitora aktivnom mjestu
Ser-14 mjesto fosforilacije
glikogen fosforilaza je dimerni enzim
Prostetička skupina glikogen fosforilaze: piridoksal fosfat
piridoksal fosfat (PLP)
preteča PLP: piridoksin (vitamin B6)
Piridoksal fosfat je kovalentno vezan na glikogen fosforilazu putem Schiffove baze s Lys679
Razgradnja glikogena - GLIKOGENOLIZA srž
Glikogen fosforilaza katalizira fosforolitičku razgradnju -1,4glikozidne veze do 4 ostatka od
glikogen fosforilaza
točke grananja
glukoza-1-fosfat
srž
produkt: glukoza-1-fosfat
transferaza
Bifunkcionalni enzim za
skidanje bočnih ogranaka
-1,6-glukozidaza katalizira hidrolitičku razgradnju 1,6-glikozidne veze produkt: glukoza
srž -1,6-glukozidaza glukoza
srž supstrat za daljnje djelovanje fosforilaze
Glukoza-6-fosfat je ključni međuprodukt metabolizma ugljikohidrata Omjer
-1,4: -1,6 glikozidnih veza je oko 10:1 glikogen
glukoza ~ 10%
G1P ~ 90%
ATP
MUTAZA
KINAZA ADP G6P
G6P
Fosfoglukomutaza prevodi G1P u G6P i obrnuto enzim
enzim
enzim
Pi
Pi Pi
Pi Pi
Pi glukoza-1-fosfat G1P
G1,6P
OH
glukoza-6-fosfat G6P
Katalitičko mjesto aktivne enzimske molekule sadrži fosforilirani serinski ostatak
Sudbina glukoza-6-fosfata glikogenn glikogen fosforilaza
glikogenn-1
glukoza-1-fosfat fosfoglukomutaza
glukoza-6-fosfat glikoliza
MIŠIĆI, MOZAK
piruvat
laktat
CO2 + H2O
JETRA glukoza 6-fosfataza glukoza
krvotok
pentoza fosfatni put riboza + NADPH
Glukoza-6-fosfataza katalizira ireverzibilnu hidrolizu glukoza-6-fosfata u glukozu i Pi
MIŠIĆ
JETRA glikogen
glikogen
G6P
G6P
glukoza-6fosfataza glukoza + Pi Krvotok Enzim se nalazi u jetri, bubrezima i u crijevima: omogućava glukozi napuštanje tih stanica.
glikoliza piruvat
Glukoza-6-fosfataze nema u mozgu i u mišićima
(tkiva koja pretežno koriste glukozu kao izvor energije): G6P se zadržava u tim stanicama gdje služi kao gorivo.
Glukoza-6-fosfataza nalazi se u membrani ER (na luminalnoj strani) G6P
glukoza-6-fosfataza
prijenosnik G6P (T1)
prijenosnik glukoze (T3)
G6P
glukoza
Pi
kapilara
glukoza
Pi GLUT 2
lumen ER prijenosnik Pi (T2)
glukoza
citosol hepatocit
krvotok
Objasnite kako se krv opskrbljuje glukozom iz jetre.
Biosinteza glikogena
biosinteza glikogena nije obrat biorazgradnje biosinteza i biorazgradnja ne koriste iste enzime
ograničen je kapacitet jetre za skladištenje
glikogena
ENZIMI biosinteze
glikogen sintaza
dodaje glikozilne ostatke: stvara glikozidnu vezu
amilo-(1,4
1,6)-transglikozilaza
gradi bočne ogranke
-1,4-
Uridin-difosfat-glukoza (UDP-glukoza) je aktivirani oblik glukoze glukoza-1-fosfat
G6P
UTP
UDP-glukoza pirofosforilaza
UDP-glukoza
+
Go (kJ mol-1) __________________________ G1P + UTP UDPG + PPi 0 H2O + PPi 2Pi - 33,5 __________________________ G1P + UTP UDPG + 2P i - 33,5
PPi
Pokretačka snaga reakcije:
anorganska pirofosfataza
ireverzibilna hidroliza pirofosfata 2 Pi
Glikogen sintaza katalizira prijenos glukoze s UDP-glukoze na lanac glikogena UDP-glukoza + glikogenn UDP-glukoza je donor glukoze u biosintrezi glikogena
glikogenn+1 + UDP
nereducirajući kraj
UDP-glukoza
glikogen sintaza UDP
novi
nereducirajući kraj
UDP + ATP
UTP (regeneracija) + ADP
Glikogen sintaza treba klicu (početnicu) - ne započinje sintezu de novo
Reducirajući kraj glikogena vezan je na Tyr-OH skupinu glikogenina
glikogenin
autokataliza
protein glikogenin je integralna komponenta glikogena
autokataliza
Glikogenin autokatalitički produljuje lanac do 5-13 (najčešće 8-10) glukoznih podjedinica: klica
glikogenin
glikogenin
glikogen sintaza
Glikogen sintaza nastavlja sintezu lanca glikogena
enzim grananja
glikogenin
Stvaranje bočnih ogranaka
Enzim grananja prenosi s
(1
4)-terminalni lanci
nereducirajućeg kraja najčešće 7 podjedinica
s lanca od najmanje 11 podjedinica na udaljenost od najmanje 4 podjedinice
enzim grananja
Glikogen je vrlo uspješan skladišni oblik glukoze
G6P + ATP + glikogenn + H2O glikogenn+1 + ADP + Pi
potpuna oksidacije G6P daje oko 31 ATP
za skladištenje glukoza -6-fosfata utroši se nešto više od jedne molekule ATP
efikasnost uskladištenja: 97%
Kamenica zimi stvara velike količine glikogena
Svijetle je boje, ugodna mirisa i slatkog okusa,
u kasno proljeće postaje mršava, žilava i tamne boje, zbog
razmnožavanja,
kamenica je najizdašnija u veljači.
Komercijalni glikogen dobiva se
ekstrakcijom iz kamenica i iz jetre zečeva
Glikogen kao standard: mjerenje koncentracije glikogena kao biomarkera kemijskog stresa (Cd, Pb, As),
mjerenje aktivnosti glikogen fosforilaze
kao dijagnostičkog kriterija kod akutnih koronarnih sindroma.
Dodatak kozmetičkim proizvodima (“morski glikogen” u kremama za njegu kože) kao sredstvo za vezanje vode.
Sinteza i razgradnja glikogena nalaze se pod koordiniranom kontrolom
Glikogen sintaza je inaktivna kada je fosforilaza posve aktivna i obrnuto
recipročna alosterička kontrola
inhibitori aktivatori
regulacija kovalentnom preinakom (fosforilacija/defosforilacija): hormonska regulacija
Glikogen fosforilaza može postojati u aktivnom R (relaxed ) stanju i manje aktivnom T (tense) stanju FOSFORILAZA b
FOSFORILAZA a kinaza
nefosforilirani enzim:
ravnoteža na strani
fosfataza
T stanja
fosforilirani enzim:
ravnoteža na strani R stanja
FOSFORILAZA b KINAZA katalizira fosforilaciju Ser-14 u svakoj podjedinici dimernog enzima
FOSFORILAZA a FOSFATAZA katalizira hidrolizu fosforilne skupine na Ser-14
Glikogen fosforilaza b je dominantan oblik
u mišiću koji se odmara
T oblik (neaktivan)
Alosterička regulacija fosforilaze b
ATP AMP G6P
aktivna je samo u prisutnosti visokih koncentracija AMP
negativni alosterički efektori: ATP, G6P
R oblik (aktivan)
fosforilaza b
U stanicama jetre, glikogen fosforilaza a je senzor za glukozu P T oblik (neaktivan)
Aktivnost fosforilaze a NE ovisi o koncentraciji AMP, ATP i G6P,
udio aktivnog enzima prvenstveno ovisi o brzini fosforilacije i defosforilacije.
Razgradnja glikogena pri niskim koncentracijama glukoze u krvi, radi opskrbe organizma glukozom.
P
glukoza
P R oblik (aktivan)
P
fosforilaza a
Ključni hormoni koji reguliraju metabolizam glikogena
GLUKAGON potiče glikogena u jetri
razgradnju
potiče razgradnju glikogena u mišiću, manje u jetri ADRENALIN
INZULIN povećava kapacitet za sintezu glikogena - potiče sintezu glikogena
Niska razina glukoze u krvi
glukoza
glukagon
glikogen
inzulin
jetre Visoka razina glukoze u krvi
gušterača
Aktivacija glikogen fosforilaze adrenalin/glukagon receptor
adenilat adenilat ciklaza ciklaza ATP
G
cAMP
cAMP-zavisna protein kinaza A
Drugi glasnik
G1P
protein kinaza A
P
fosforilaza kinaza
glikogen
fosforilaza kinaza
X
P
glikogen fosforilaza b
glikogen fosforilaza a
X fosfoprot. fosfataza
fosfoprot. fosfataza
P
PP Inhibitor
X PP Inhibitor
P PP Inhibitor
Inaktivacija glikogen fosforilaze G1P
cAMP-zavisna protein kinaza A
P
fosforilaza kinaza
fosforilaza kinaza
glikogen glikogen P fosforilaza a
glikogen fosforilaza
P
fosfoprot. fosfataza
fosfoprot. fosfataza
inzulin-osjetljiva protein kinaza
inzulin-osjetljiva protein kinaza
receptor inzulin
Regulacija aktivnosti glikogen sintaze adrenalin/glukagon adenilat adenilat ciklaza ATP
receptor receptor G
cAMP
protein kinaza A
protein kinaza A
P glikogen sintaza a
glikogen sintaza b
P Glikogen
fosfoprot. fosfataza
fosfoprot. fosfataz
inzulin-osjetljiva protein kinaza
inzulin-osjetljiva protein kinaza
receptor receptor inzulin
Fosforilacija izaziva suprotne učinke na enzimsku aktivnost glikogen fosforilaze i glikogen sintaze
P glikogen fosforilaza b
glikogen fosforilaza a
kinaza fosfataza glikogen sintaza a
P glikogen sintaza b
GLIKOGEN FOSFORILAZA: aktivira se fosforilacijom GLIKOGEN SINTAZA: inaktivira se fosforilacijom
Glukagon i adrenalin aktiviraju razgradnju glikogena
X
SINTEZA GLIKOGENA
Pi
glikogen sintaza a
glikogen sintaza b
adrenalin
mišić glukagon jetra
protein kinaza A
Pi fosforilaza kinaza
fosforilaza kinaza
Pi glikogen fosforilaza b
glikogen fosforilaza a
RAZGRADNJA GLIKOGENA
Inzulin aktivira sintezu glikogena, a obustavlja razgradnju glikogena SINTEZA GLIKOGENA glikogen sintaza a
Pi glikogen sintaza b
protein fosfataza-1
inzulin
Pi fosforilaza kinaza
fosforilaza kinaza
Pi glikogen fosforilaza b
glikogen fosforilaza a
X
RAZGRADNJA GLIKOGENA
defosforilacija
Aktivacija “FIGHT or FLIGHT” odaziva Povratak u normalno stanje
Vanjski događaj koji ugrožava pojedinca
“FIGHT or FLIGHT” Snizuje se razina adrenalina, noradrenalina i kortizola
ubrzani rad srca ubrzano disanje
oslobađanje glukoze mišić: aktivacija glikolize radi
Luči se adrenalin, noradrenalin i kortizol
acetilkolin
Uklonjena prijetnja
otpuštanje glukoze u krvotok
krvotok se usmjerava s nebitnih
dijelova tijela prema mišićima i mozgu
Oslobađa se
energije jetra: inhibicija glikolize,
pojačano znojenje potisnut imunološki sustav
Emocionalni ili fizički stres i potreba za energijom uzrokuje otpuštanje adrenalina adrenalin
glukagon
-adrenergički receptor
-adrenergički receptor
fosfolipaza C
PIP2
adenilat ciklaza
Jetra
receptor za glukagon
adenilat ciklaza
ADRENALIN preko -adrenergičkog receptora aktivira fosfolipazu C
fosfolipaza C pokreće
IP3 potiče otpuštanje Ca2+ iz ER
-podjedinica fosforilaza kinaze je kalmodulin – veže Ca2+ razgradnja glikogena
DG IP3
ATP
cAMP
ATP
Ca2+ glikogen ER
glikogen fosforilaza G1P G6P
Jetra
glukoza
glukoza
Otpuštanje glukoze osigurava potrebnu energiju
fosfoinozitolnu kaskadu
