Odbourávání a syntéza glukózy Josef Fontana EB - 54
Obsah přednášky • Glukóza – význam glukózy pro buňku, glykémie – role glukózy v metabolismu – transport glukózy přes buněčné membrány – enzymy fosforylující a defosforylující glukózu
• Jednotlivé dráhy metabolismu sacharidů – glykolýza a glukoneogeneze
Glukóza Význam glukózy pro buňku, glykémie
Glukóza • Centrální postavení v metabolismu sacharidů • Všechny vstřebané sacharidy se na ní mohou přeměnit • Každý sacharid v těle se z ní dá syntetizovat
Glukóza • Univerzální energetický substrát - je možno z ní získávat energii i za nepřítomnosti O2 • Některé tkáně striktně závislé na Glc: • 1) erytrocyty (žádné mitochondrie) • 2) buňky CNS (při dlouhodobém hladovění se přizpůsobí - z 50% využívají ketolátky)
Glykémie • Koncentrace glukózy v krvi • Normální hodnota nalačno: 3,3 – 5,6 mmol/l • Po jídle může přechodně být až 7,1 mmol/l • Citlivá regulace: • 1) inzulín - snižuje glykémii • 2) glukagon, adrenalin, růstový hormon, kortisol - zvyšují glykémii
Glukóza
Role glukózy v metabolismu
Role glukózy v metabolismu
Glc-6-P
Glukóza Transport glukózy přes buněčné membrány
Transport glukózy přes membrány • Dva odlišné mechanismy: – sekundárně aktivní transport pomocí SGLT-1,2: vstřebávání Glc z lumen GIT, či proximálního tubulu ledvin – facilitovaná difúze díky GLUT 1–7: přenos glukózy mezi krví a buňkami
Obrázek převzat z Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley‑Liss, Inc., New York, 1997.
GLUT 1 - 7 • GLUT 1 – erytrocyty, hematoencefalická bariéra • GLUT 2 – játra, ledviny, β-buňky pankreatu, enterocyty • GLUT 3 – mozek • GLUT 4 – tuková tkáň, kosterní svalovina, srdce; inzulin senzitivní – inzulin zvyšuje jejich množství
Glukóza Enzymy fosforylující a defosforylující glukózu
Fosforylace glukózy • Tvorba Glc-6-fosfátu za spotřeby ATP • První krok metabolismu Glc (přeměna neutrální molekuly Glc na anion) - takto modifikovaná Glc je aktivovaná a schopná se dále metabolizovat • Dva izoenzymy: glukokinasa a hexokinasa • Nevratná reakce: Glc se ale může z Glc-6-P tvořit odštěpením anorganického fosfátu
Fosforylace glukózy • Glukokinasa - hepatocyty a β-buňky pankreatu – aktivní při vyšších glykémiích (KM = 10 mM) – vysoké koncentrace Glc v portální krvi po jídle játra musí vychytat Glc – β-buňky reagují na vyšší glykémii sekrecí inzulínu
• Hexokinasa - ostatní tkáně – maximálně aktivní i při ↓ glykémii (KM = 0,1 mM) – inhibice produktem - Glc-6-P
Obrázek převzat z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html
Glukosa-6-fosfatasa • Mění Glc-6-P na glukózu • Přítomna v játrech, ledvinách, enterocytech • Vázaná na hladké endoplazmatické retikulum • Glc-6-P transportuje do ER translokáza • Kompartmentace slouží k tomu, aby vznikající Glc nebyla ihned zpět fosforylována na Glc-6-P
Jednotlivé dráhy metabolismu sacharidů Glykolýza a glukoneogeneze
Glykolýza • Přeměna glukózy na 2 molekuly pyruvátu/laktátu • Cytoplazma všech buněk • 1) Produkce energie – jediná dráha (pro zisk E), jež probíhá i anaerobně (erytrocyty, pracující sval) • 2) Zdroj AcCoA pro syntézu MK
G L
1. fáze
Y K O
2. fáze
L Ý Z A
3. fáze
Reakce glykolýzy
Metabolický osud pyruvátu • Větvící bod glykolýzy • Osud pyruvátu závisí na: – oxidačním stavu buňky (dostatek O2) – udržování stálého redoxního stavu buněk ↔ NADH musí být reoxidováno na NAD+
• Aerobní glykolýza produkuje mnohem více ATP než anaerobní glykolýza
Metabolický osud pyruvátu • Aerobně: přenos pyruvátu do matrix MIT přeměna na AcCoA (KC, tvorba MK) • Anaerobně a erytrocyty: pyruvát → laktát (laktátdehydrogenáza) – uvolnění do oběhu Pyr + NADH + H+ → laktát + NAD+ – reversibilní reakce - poměr lac/pyr odráží poměr NADH + H+ / NAD+ – obnovené NAD+ je koenzymem pro Gra-3fosfátDH, bez níž by se glykolýza zastavila
2,3-BPG shunt
V erytrocytech: 2,3-BPG ↓ afinitu Hb ke O2
Obrázek byl převzat z Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley‑Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0‑471‑15451‑2
Regulace glykolýzy • Regulační body v glykolýze: – 6-fosfofrukto-1-kináza (PFK-1) – pyruvátkináza – hexokináza (tvorba Glc-6-P) – katalyzují nevratné exergonní reakce
• Hlavním regulačním bodem je 6fosfofrukto-1-kináza
6-fosfofrukto-1-kináza • Allosterický enzym • ↑ ATP / AMP vede k inhibici glykolýzy • Inhibuje citrát a kyselé pH (protony) • Fruktóza-2,6-bisfosfát (Fru-2,6-P) je aktivátor glykolýzy • Aktivace inzulínem, inhibice kontraregulačními hormony (glukagon)
Glukoneogeneze • Tvorba Glc z necukerných substrátů • Po vyčerpání zásob jaterního glykogenu je jediným zdrojem Glc pro tkáně, jež ji nezbytně potřebují • Umožňuje přežít delší hladovění • Aktivuje se už ráno po nočním hladovění
Glukoneogeneze • C3 a C4 prekurzory: laktát, pyruvát, glycerol, glukogenní AK: Ala, Gln, …, propionát • Hepatocyty, tubulární buňky ledvin a enterocyty - mají Glc-6fosfatázu • Lokalizována v matrix mitochondrie a cytozolu
Glukoneogeneze • Mohla by probíhat obrácením glykolýzy • Některé reakce glykolýzy jsou ale nevratné a v glukoneogenezi je obcházíme použitím odlišných enzymů = bypass 1, 2 a 3. • Tři ireversibilní reakce v glykolýze katalyzují: – pyruvátkináza – 6-fosfofrukto-1-kináza – hexokináza/glukokináza
Bypass 1 • Transport Pyr do matrix mitochondrie • Karboxylace Pyr na OAA pomocí pyruvátkarboxylázy (spotřeba ATP)
Bypass 1 • Přenos vzniklého OAA do cytozolu (transaminace na Asp či redukce na malát) • Přeměna OAA na PEP pomocí PEPkarboxykinázy (spotřeba GTP při dekarboxylaci OAA)
• Bypass 2: hydrolýza Fru-1,6bisP na Fru-6-P (fruktóza-1,6bisfosfatáza) • Bypass 3: Hydrolýza Glc-6-P na Glc (Glc6-fosfatáza)
• Glukoneogeneze je energeticky vysoce náročný děj • Bilanci vyjadřuje rovnice: • 2 Pyr + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O → Glc + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+
Substráty pro glukoneogenezi - Coriho cyklus
and muscle
Obrázek byl převzat z Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley‑Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0‑471‑15451‑2
Substráty pro glukoneogenezi Glukóza-alaninový cyklus
Substráty pro glukoneogenezi • Aminokyseliny – uhlíkaté skelety všech AK (kromě Leu a Lys) se degradují buď přímo na Pyr či na meziprodukty KC
• Glycerol – fosforylace glycerolu na glycerol-3-P (glycerolkináza) → následuje dehydrogenace na dihydroxyaceton-P (glycerolfosfátDH)
Regulace glukoneogeneze • Aktivní při nedostatku Glc - hladovění • Patologické stavy (stres v důsledku sepse, polytraumat, popálenin, …) • Aktivují stresové hormony, inhibuje inzulin • Hlavní regulační enzymy: – pyruvátkarboxyláza – Fru-1,6-bisfosfatáza a Glc-6-fosfatáza
Regulace glukoneogeneze • 1) Pyruvátkarboxylázu aktivuje AcCoA • 2) PEP karboxykinázu, Fru-1,6bisfosfatázu a Glc-6-fosfatázu regulují stejné vlivy jako reakce glykolýzy, pouze v opačném směru • Např. Fru-1,6-bisfosfatázu aktivuje glukagon a citrát, inhibuje AMP a Fru-2,6bisP
