Ukládání energie v buňkách Josef Fontana EB - 58
Obsah přednášky • Úvod do problematiky zásobních látek lidského organismu – Přehled zásobních látek v těle
• Metabolismus glykogenu – Struktura glykogenu – Syntéza a degradace glykogenu (glykogenózy)
• Syntéza mastných kyselin a TAG – Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin – Jak funguje synthasa mastných kyselin – Elongace a desaturace mastných kyselin – Syntéza TAG
Úvod do problematiky zásobních látek lidského organismu Přehled zásobních látek v těle
Přehled zásobních látek v těle • TAG • Glykogen • Neexistuje zásobní protein - degradaci každého proteinu tělo pocítí • TAG výhodné pro skladování – 1g bezvodého TAG má 6 x více energie než 1g hydratovaného glykogenu • Kompletní oxidací 1g MK se získá 38 kJ, z 1g sacharidů či proteinů jen 17 kJ
Přehled zásobních látek v těle • 70kg muž má: • 1) 420 000 kJ v TAG • 2) 10 000 kJ v proteinech (svaly) • 3) 2 500 kJ v glykogenu • 4) 170 kJ v glukóze • Zásoby glykogenu a glukózy vystačí na jeden den, TAG na týdny
Metabolismus glykogenu
Struktura glykogenu
Glykogen • Zásobárna sacharidů u živočichů • V játrech (100g), kosterních svalech (500g) a v malém množství v každé buňce • 1) jaterní glykogen: udržení glykémie • 2) svalový glykogen: využití jen ve svalu • Podkladem PAS reakce (fialové zbarvení)
Struktura glykogenu • Rozvětvený homopolymer • Většina zbytků vázána α 1→4 vazbou • Rozvětvení „kmene“ glykogenu α 1→6 vazbou • Větve se opět prodlužují α 1→4 vazbou a větví pomocí α 1→6 vazeb
Glykogen má dva konce • Reakce (prodlužování či zkracování) probíhají na neredukujících koncích • Redukující konec má poloacetalový hydroxyl - vazba glykogenu na tyrosin v glykogeninu
Metabolismus glykogenu Syntéza a degradace glykogenu
Glykogeneze (syntéza glykogenu) • Cytozol • Fosforylace Glc na Glc-6-P: glukokináza v játrech a hexokináza ve svalu • Izomerace Glc-6-P → Glc-1-P: glukózafosfátisomeráza • Reakce Glc-1-P s UTP → UDP-Glc (aktivovaná Glc, vazba na C1): UDP-glukózapyrofosforyláza • Vazba UDP-Glc na neredukující konec: glykogensyntáza
Glykogensyntáza • Připojení C1 z UDP-Glc na neredukující konec Glc (C4) v molekule glykogenu • Uvolnění UDP • Řetězec spojených glukóz narůstá, až dosáhne určité délky a dojde k větvení
Branching enzyme – větvící enzym • Přenos oligosacharidu (7 molekul Glc) z konce lineárního řetězce na -OH skupinu na C6 Glc • Vznik α 1→6 vazby • Nové větve prodlužovány glykogensyntázou • Větvící enzym = amylo-(1,4 – 1,6)transglykosyláza
Regulace syntézy glykogenu • Regulace glykogensyntázy fosforylací: – vazba fosfátu ji inaktivuje – defosforylovaná forma je aktivní
• Aktivována inzulínem • Inhibována glukagonem a adrenalinem
Fosforylace proteinů • Proteinkinázy fosforylují proteiny • Fosfoproteinfosfatázy defosforylují proteiny (odštěpují fosfát) • Protein může být fosforylován jen na tyrosinu, serinu a threoninu
Proteinkinázy (PK) • Proteinkináza A (PKA) je cAMP dependentní – aktivní po vazbě cAMP • Kalmodulin dependentní PK – aktivní po vazbě bílkoviny kalmodulin – kalmodulin se váže, jen když se na něj samotného váží čtyři Ca2+
Regulace syntézy glykogenu • Glukagon se váže na receptor spojený s G-proteinem • Vazba na receptor – aktivace adenylátcyklázy – tvorba cAMP z ATP • cAMP aktivuje PKA – fosforylace glykogensyntházy – inaktivace • Adrenalin i noradrenalin též zvyšují cAMP
Regulace syntézy glykogenu • Ve svalu se během kontrakce zvyšuje množství IC Ca2+ • Vazba Ca2+ na kalmodulin – asociace s kalmodulin dependentní PK – fosforylace glykogensyntházy – inaktivace
Regulace syntézy glykogenu • Inzulin aktivuje fosfodiesterázu – štěpení cAMP na AMP – snížení IC koncentraci cAMP • Oslabení činnosti PKA – snížená fosforylace proteinů • Inzulin aktivuje fosfoproteinfosfatázy • Zvýšení aktivity glykogensyntázy
Glykogenolýza • Cytosol • 1) Fosforolytické štěpení (použije se volný anorganický P) pomocí glykogenfosforylázy – vznik Glc-1-P (Coriho ester) • 2) Izomerace Glc-1-P na Glc-6-P díky fosfoglukomutáze (glukózafosfátisomeráze)
Useknutí větévky • Odbourávání glykogenu končí u 4. Glc zbytku před místem větvení • Glukanotransferáza (transglykosidáza) oddělí od čtyř glukózového řetězce štěp 3 Glc – přenos na konec hlavního řetězce • Zbývá jedna molekula glukózy (α 1→6 vazba) – odštěpuje debranching enzyme (amylo-α1→6glukosidáza) • Vznik lineárního řetězce - glykogenfosforyláza
Regulace glykogenolýzy • Glykogenfosfofyláza je aktivní fosforylovaná • Fosforylázakináza • PKA a kalmodulin dependentní PK • Inhibuje inzulín • Aktivují kontraregulační hormony
Syntéza mastných kyselin a TAG Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK •
Syntéza MK v probíhá cytoplasmě, odbourávání v matrix mitochondrií
•
Meziprodukty syntézy MK jsou vázány na ACP (acyl carrier protein), meziprodukty degradace na CoA
•
Enzymy syntézy MK jsou spojeny do polypeptidového řetězce zvaného synthasa MK, enzymy degradace volně v matrix
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK • Řetězec MK se prodlužuje o 2 uhlíky z AcCoA – aktivovaným donorem dvou uhlíků je malonyl~CoA • Redukčním činidlem syntézy je NADPH, oxidačními činidly degradace jsou FAD a NAD+
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou MK • Prodlužování řetězce na synthase MK končí tvorbou palmitátu (C16) • Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech
Syntéza mastných kyselin a TAG
Tvorba malonyl~CoA
Tvorba malonyl~CoA • Vstupní látka pro syntézu MK: AcCoA • Karboxylace na malonyl-CoA AcCoA + ATP + HCO3- → malonyl~CoA + ADP + P i + H+ • AcCoA karboxylasa (biotin – vitamin H či B7) • Regulační enzym • CO2 odstraněn při kondenzaci s rostoucí MK
Syntéza mastných kyselin a TAG Jak funguje synthasa mastných kyselin
Savčí synthasa mastných kyselin • Homodimer 2 identických podjednotek (260 kDa) • Každá podjednotka má 3 domény spojené pohyblivými regiony: • 1) doména 1 – vstup substrátu a kondenzační jednotka – obě transferasy a β-ketoacylsynthasa (kondenzační enzym - CE) • 2) doména 2 – redukční jednotka – obsahuje ACP, β-ketoacylreduktasu, dehydratasu a enoylreduktasu • 3) doména 3 – thioesterasa odštěpující palmitát
Savčí synthasa mastných kyselin • Místa vazby meziproduktů na synthasu MK: • 1) thiolová skupina cysteinu CE • 2) thiolová skupina fosfopanteteinu, který se váže na serin v ACP
Jednotlivé kroky syntézy MK 1. Syntéza malonyl-CoA: acetyl-CoA karboxylasa 2. Navázání AcCoA na CE: acetyltransacylasa 3. Navázání malonyl-CoA na ACP: malonyltransacylasa 4. Kondenzační reakce: kondenzační enzym Acetyl-CE + malonyl-ACP → acetoacetyl-ACP + CE + CO2
Jednotlivé kroky syntézy MK 5. První redukce: β-ketoacylreduktasa Acetoacetyl-ACP + NADPH + H+ → D-3hydroxybutyryl-ACP + NADP+ 6. Dehydratace: 3-hydroxyacyldehydratasa D-3-Hydroxybutyryl-ACP → krotonyl-ACP + H2O 7. Druhá redukce: enoylreduktasa Krotonyl-ACP + NADPH + H+ → butyryl-ACP + NADP+
Synthasa MK funguje jako dimer • Kondenzace mezi malonylem CE zavěšeným na S ACP jedné C O podjednotky a H C acetylem na H C kondenzačním C S enzymu druhé podjednotky ACP 3
ACP SH
O C
2
• Nový acyl zůstává na ACP
CE
O
ACP SH
HS
CH3
KONDENZACE
-
O SH
CE
H2C
CO2 S
ACP
C
C
O
O SH
CE
První redukce
H3C
O
O
C
C
C H2
S
Acetoacetyl-ACP
ACP
REDUKCE
H+ + NADPH
HO H3C
NADP+
O
H C
C H2
C
S
ACP
D-3-Hydroxybutyryl-ACP
Dehydratace
HO H3C
O
H C
C H2
C
DEHYDRATACE S
ACP
D-3-Hydroxybutyryl-ACP
H3C H2O
O
H C
C
C
S
H Krotonyl-ACP
ACP
Druhá redukce
O
H H3C
C
C
C
S
H Krotonyl-ACP
ACP
REDUKCE
H+ + NADPH
H3C NADP+
H2 C
O C H2
C
S
Butyryl-ACP
ACP
• Přenos řetězec z ACP na SH skupinu kondenzačního enzymu stejné podjednotky CE
ACP
CE SH
HS CH3 H2C S
ACP
C
SH
HS CH3
TRANSLOKACE
H2C
CH2
O
SH
CE
ACP
SH
ACP
O
CH2 C
S
CE
• Nový malonyl se váže na ACP 2. podjednotky
CE
• Kondenzace na HS protilehlou podjednotku dimeru, než bylo při první kondenzaci • Podjednotky se tedy střídají
ACP
CE SH
S
HS
O
CH3 H2C
SH
ACP
O
ACP
C
CH3 H2C
CH2 C
Malonyl-CoA S
CE
CoA SH
ACP
O
CH2 O C CH2 C
S
CE
O
Další postup syntézy MK • Střídání podjednotek a prodlužování řetězce • Ukončení při délce C16 – palmitát je koncovým produktem • Thioesterasa odštěpí palmitát z ACP - hydrolýza thioesterové vazby na fosfopanteteinu
Tvorba palmitátu vyžaduje • 8 AcCoA, 14 NADPH a 7 ATP • AcCoA vzniká v matrix mitochondrie – vnitřní membrána MIT ho nepropouští – přenos pomocí citrátu • 8 NADPH se získá transportem citrátu do cytoplasmy a zbylých 6 v pentosovém cyklu
Citrát jako nositel acetylů • Vysoká hladina citrátu v matrix – transport do cytosolu – štěpení ATPcitrátlyasou: Citrát + ATP + HSCoA + H2O → AcCoA + ADP + Pi + OAA • Do cytosolu vstoupí AcCoA i OAA
Návrat OAA do matrix MIT • Vnitřní membrána MIT je pro OAA nepropustná • Redukce OAA na malát cytosolovou malátdehydrogenasou: OAA + NADH + H+ → malát + NAD+ • Oxidační dekarboxylace malátu NADP+malátovým enzymem (jablečný enzym): Malát + NADP+ → Pyr + CO2 + NADPH
Návrat OAA do matrix MIT • Vstup Pyr do mitochondrie karboxylace pyruvátkarboxylasou: Pyr + CO2 + ATP + H2O → OAA + ADP + Pi + 2 H+ • Sumární rovnice: NADP+ + NADH + ATP + H2O → NADPH + NAD+ + ADP + Pi + H+
Regulace tvorby MK • Dostatek substrátů (sacharidů/AK) a energie • AcCoA-karboxylasa: • 1) insulin aktivuje • 2) glukagon a adrenalin inhibují • 3) aktivuje citrát – znak dostatku substrátu a energie • 4) inhibuje palmitoyl-CoA – feedback inhib. • 5) inhibuje AMP
Syntéza mastných kyselin a TAG Elongace a desaturace mastných kyselin
Vznik ostatních mastných kyselin • Prodlužování řetězce – elongace – elongasy • Tvorba nenasycených MK – desaturace – desaturasy • Strana membrány ER přivrácená do cytosolu
Desaturace • Savci postrádají enzymy katalyzující vstup dvojné vazby za C-9 MK • Nové dvojné vazby jsou vždy zaváděny mezi existující dvojnou vazbu a karboxylovou skupinu • Savci nemohou syntetizovat linoleát (18 : 2 cis D9, D12) a linolenát (18 : 3 cis D9, D12, D15) – obě esenciální
Syntéza mastných kyselin a TAG
Syntéza TAG
Syntéza TAG
