Glikogén metabolizmus (I-II.)

• 2012. október 16-17.
• Előadó: Mandl József

Vércukorszint fenntartása – anyagcsere központja a glükóz. 24 óra: glikogén bontása tartja fenn a glukóz-szintet, ezután glukoneogenezis indul meg. 24 óra alatt: máj glikogén-tartalma napszak (étkezések) szerint változik.

Fénymikroszkóposan is látható óriási molekula – alapszerkezet: 1,4-kötéssel kapcsolódó D-glukóz egységek, 1,6-kötéssel elágazási pontok (glukózláncok közötti kapcsolat). Nem redukáló végek száma fontos paraméter: felépítés-lebontás sebességét meghatározza

• glu-6-P – glu-1-P átalakulás: foszfoglukomutáz enzim katalizálja, szerin az aktív centrumban (inhibitora: DIPF - diizopropilfluorofoszfát)
• glu-1-P + UTP – UDP-glukóz (aktivált glukóz, bioszintézis prekurzora) UDP-glukóz pirofoszforiláz katalizálja a folyamatot. Pirofoszfát hidrolízise teszi exergonikussá a folyamatot
• glikogén-szintáz enzim: elkötelező lépést katalizál, primer szükséges – glukogenin fehérje, autokatalitikus glikoziláló enzim. Két génje van: izomra és májra, sejt glikogén-szintjét a glikogenin mennyisége határozza meg. Négy glukóz egység mindig kötve van hozzá (Tyr-on keresztüli kötés) – adott méret után a granulum (partikulum) nem nő tovább (lezáró mechanizmus nem ismert!).
• glikogén elágaztató enzim (glikozil-4,6-transzferáz aszparaginsavhoz kapcsolt funkciós csoporttal rendelkezik): kb. 11 glukózegység után 7 egységet levág – 1,6 kötéssel a másik lánchoz kapcsolja a rezidumot – több redukáló vég lesz, a reakciósebesség fokozódik

Jóllakott állapot: májban a glukóz tárolása glikogén formájában, glikogénraktárak feltöltése, majd ezután glikolízis.

Glukozilálás 2 ATP-t igényel, glu-glu-6-P átalakulás illetve UDP-glu létrehozása energiaigényes.

• glikogén-foszforiláz: piridoxal-foszfát kofaktorral működik, ez lizinhez kapcsolódik (Schiff-bázis kötés), foszforolízis: glukóz foszforilálva válik le a glikogénláncról, 1,4-kötés mellett bont
• elágazást megszüntető enzim: transzferáz áthelyezi az elágazó láncot az egyenes lánc végére, egy glukózt hagy elágazásként (1,6 kötést nem bontja)
• alfa-glikozidáz: nem foszforiláltan, hidrolízissel távolítja el az egyetlen visszamardó glukózt az elágazó lánc végéről
• glukóz-6-foszfatáz: eltávolítja a Pi-ot a glu-6-P-ról, a glukóz már kiléphet a májsejtből

célpontok: máj – vércukorszint szabályozása, egész szervezet energetikai szükségleteinek hátteret ad (glukóz-homeosztázis sérül, hipoglikémia, hepatomegália – májmegnagyobbodás) és izom – energetikai szükségletek biztosítása (ATP termelés sérül, izomgörcsök, izomgyengeség)

von Gierke-kór: glukóz-6-foszfatáz hiány – ER membránban helyezkedik el (transzporterekhez kötött enzim, néha az enzim mutálódik, néha a transzporterek hibásak). Glikogén szoros kapcsolatban az ER-mal! Glu-6-P – glu + Pi reakció nem megfelelő lejátszódása: glikogén mennyisége megnő, mert glukóz nem tud foszforilálva kilépni a májsejtből

McArdle-kór: nincs glikogén lebontás, mivel hiányzik a glikogén-foszforiláz. Elégtelen izommunka – mutatja az ADP szint emelkedése (nincs ATP utánpótlás!)

Andersen betegség: nincsenek elágazások a glikogénben, nem alakulnak ki megfelelő glikogén-granulumok, nem tartható fenn a vércukorszint – halálos kórkép

Pompe-kór: alfa-1,4-glukozidáz hiány – lizoszómában felszaporodó glikogén a károsodott lebontás következtében

izomban:

glikogén-foszforiláz: izomban - dimer vagy tetramer, egyetlen Ser aminosav foszforilációja befolyásolja az aktivitását, allosztérikusan az AMP szabályoz (glikogén lebontás célja: ATP szintézis, ha sok az AMP, szükség van a lebontás fokozására). Foszforiláltan aktívabb, kevéssé érzékeny az AMP/ATP arányra. Májban – enzim glukózt tud kötni („glukóz-szenzor”), foszforiláció is szabályozza – foszforiláltan R (relaxed), aktív állapot, kevésbé aktív a T (tense) állapot.

Foszforilációt a foszforiláz-kináz végzi. Béta alegység: foszforilálható, homronhatásra: adrenalin (izomban), delta alegység: kalmodulin, Ca2+ szenzor, hormonhatásra: adrenalin (májban) - aktiválható hormonálisan és allosztérikusan.

glikogén-szintáz: 9 foszforilációs hely, PKA és egyéb protein kinázok foszforilálhatják – aktív: foszforilálatlan forma (a), inaktív: foszforilált (b), glukóz-6-P allosztérikus aktivátor ami a glikogén-foszforilázt aktiválja, a glikogén-szintázt gátolja: egy effektor – két támadáspont! – adrenalin modulált PP1 – protein foszfatáz 1, foszforiláz a-t inaktivál, glikogén-szintázt aktivál. PP1 aktív, ha asszociál a glikogénhez egy regulátorfehérjén keresztül. protein kináz A foszforilálja a regulátort, PP1 disszociál. Inhibitor foszforilálásával inhibitor köti a PP1-et – kettős gátlás inzulin: tirozin-kináz egy protein-kinázt aktivál, amely máshol foszforilálja a regulátort – PP1 köt, glikogénszintézis felé tolódik el a folyamat

Májban: legfontosabb szabályozó szer: glukóz enzimek a glikogénhez asszociáltak – glükóz kötés befolyásolja őket: glikogén-foszforilázhoz való kötéssel PP1 disszociál: glikogénszintáz b a formába alakul át Szignál amplifikáció: 1 glukagon – 10000 glukóz vérbe jutása (Gs fehérje, adenilát-cikláz aktiválása, cAMP szint nő, aktív PKA, aktív glikogén-foszforiláz, glikogén bontása)

• HIPERGLIKÉMIA: MÁJBAN - fokozott glukózfelvétel (GLUT2), glukokináz jelenléte, fokozott glikogenezis (inzulin, PP1-glikogén szintáz), csökkent glikogén lebontás

PANCREASBAN – GLUT2, fokozott glukózfelvétel, inzulin szekréció IZOM, ADIPOCYTA – GLUT4 transzlokáció, emelkedett glukózfelvétel hosszú távú hatás: PEPCK szint csökken

• HIPOGLIKÉMIA: újszülöttek – korlátozott ketontest-szintézis (glukóz mellett fontos energia-forrás). Agy/test arány agy felé eltolt, emiatt fokozott glukózigény , de PEPCK nem indukált, glukoneogenezis nem megfelelő, glikogén raktár nem elegendő, glukokináz, glu-6-P-áz nem indukált – ezeknek még ki kell alakulnia

Vércukorszint fenntartása: nem szénhidrát prekurzorok segítségével is lehetséges

Glicerin: tartalékok a zsírszövetben, lipáz enzim bontja le a neutrális zsírokat: zsírsavak és glicerin – glicerin-kinázzal glicerin-3-P-tá alakul (ez már a glikolízis része)

Laktát: Cori-kör, vvt, kontrakcióban lévő izomsejt laktátot termel, májban glukóz-6-P majd glukóz keletkezik belőle

Szénhidrátok: hidrolázok, pl. amiláz (keményítő, glikogén – dextrin), dextrináz, maltáz. Csak alfa 1,4 és alfa 1,6 kötést tudnak bontani az enzimek – béta-glikozidos kötést nem (cellulóz bonthatatlan) – végtermék: glukóz, fruktóz, galaktóz

Laktáz: galaktóz és glukóz közti kötést hidrolizál – laktáz a születési érték 5-10%-ára csökken felnőtt korra (laktóz intolerancia) Monoszacharidok felszívódása: Na/glu szimport, GLUT transzporterek segítségével

Galaktóz felhasználása: májban galaktokinázzal Galaktóz felhalmozódik valamely enzim hiány miatt: katarakta a szemlencsében. Galaktozémia: galaktóranyagcsere veleszületett defektusa, ált. galaktóz-1-P-uridiltranszferáz hiánya

Fruktóz: májban specifikus fruktokináz enzim, más sejtekben hexokináz kezdi meg a folyamatot. Metabolizmus speciális jelentősége: csak belőle képződő metabolitok: fruktóz-1-p – glicerinaldehid (beléphet a glikolízisbe) + dihidroxiaceton-foszfát (ez már glikolízis intermedier), aldoláz B katalizálja

Fruktóz kikerüli a glikolízis sebesség meghatározó (szabályozó) lépését: kontrollálatlan szubsztrátbelépés, energiabevitel – minden fruktóz felhasználásra kerül a májsejtben, limitáló tényező a mennyiség – mint az etil-alkohol esetében („hedonikus út”). Édesítőszer (édesebb, mint a glükóz) – civilizációsan nő a bevitele. Magas fruktózbevitel kontrollálatlan zsírsavszintézist hoz létre: megtelt glikogénraktárak: zsírszövetben raktározás, zsírmáj

Esszenciális fruktozúria (fruktokináz hiány), fruktóz intolerancia (aldoláz B hiány) – második esetben a fruktóz-1-P ATP szintet csökkent, nem tud tovább alakulni, toxikus állapotot okoz (hasgörcs, hiperurikémia)

Szorbitol: édesítőszerként szintén használt

Laktózszintézis, glikoproteinszintézis: UDP-galaktóz + glu – laktóz + UDP laktóz szintetáz (galaktozil transzferáz) segítségével alfa laktalbumin jelenlétében a laktáló emlőben

UDP-glukóz: aktivált, bioszintetikus folyamatok kiinduló lépése. UDP-glukuronsav UDP-glukóz-dehidrogenáz segítségével, glükózaminoglikánok keletkezése felé való reakcióút. Glukuronsavas konjugáció: sejtbe bekerülő anyagok, melyek nem metabolikus szubsztrátok (nem rendelkeznek elvonható hidrogénnel) kivonása szükséges – biotranszformáció (biokémiai detoxikáció) – ehhez glükóz szükséges. Például: bilirubin, gyógyszerek kivonása glukuronsavval való konjugálással.

C-vitamin szintézis: UDP glukuronsavból indul ki, szintézisfolyamat utolsó enzimatikus lépése: gulonolakton-oxidáz által katalizált folyamat emberben nem zajlik le, nem képes termelni. C-vitamin a redoxhomeosztázis alapja (a glutation mellett), gulonolakton-oxidáz enzim másik mellékterméke a H₂O₂ – szabadgyök keletkezne, magyarázhatja a lépés kiesésének hasznos mivoltát.

Redoxhomeosztázis: oxigén egy lépésben vesz fel 4 e—t – tökéletlenül redukált oxigén-származékok is keletkezhetnek, spontán vagy enzimregulált folyamatban reakcióképes szabadgyökök keletkezhetnek – antioxidáns homeosztázis ellensúlyozza a káros következményeit, két legfontosabb komponens: C-vitamin és glutation.

glukóz direkt oxidációja reduktív bioszintézis kofaktora: NADPH (zsírsavak, koleszterin, neurotranszmitter, nukleotid szintézise, glutation redukciója) citoplazmai izocitrát-dehidrogenáz, almasav (malát) enzim, G6PDH, 6P-glukonát dehidrogenáz enzimek képesek NADPH-t termelni – homeosztázisa: mitokondriumból citrát kilépése esetén a katabolikus folyamatból anabolikus folyamat lesz, acetil-KoA lesz belőle, majd oxálacetát, belőle keletkezhet malát: képes átlépni mindekét irányba a mitokondrium membránt. Malátból keletkezhet piruvát NADPH keletkezése mellett, piruvát visszaléphet a mitokondriumba. Citrátból izocitrát: belőle izocitrát-dehidrogenáz segítségével NADPH keletkezés mellett alfa-ketoglutarát – NADPH szintézise a mitokondriális metabolizmus terhére történik – ezáltal oxigénhez kötött – nem közvetlenül, de hiányában NINCS MITOKONDRIÁLIS MŰKÖDÉS!

Pentóz-5-P keletkezése (nukleotid-anyagcsere miatt fontos):

• oxidatív fázis (NADPH keletkezik): glukóz-6-P dehidrogenáz által katalizált lépés: glu-6-P – 6-P-glukono-delta-lakton keletkezik NADPH keletkezése mellett, majd laktonázzal 6-P-glukonát, majd 6-P-glukonát dehidrogenázzal (oxidatív dekarboxilezés) D-ribulóz-5-P és CO₂ – DIREKT OXIDÁCIÓ! ribulóz különböző pentózok szintézisének kiindulópontja (ezek ősi, növényekben is lezajló reakciók)
• nem oxidatív fázis (cukrok átalakulása, glikolízishez kapcsol): transzketoláz (két szénatomos töredéket helyez át) és transzaldoláz (három szénatomos töredéket helyez át) katalizál: különböző szénatomszámú termékek

Pentóz-foszfát út jelentősége:

1. biztosítja a NADPH képződését (mitokondrium metabolimustól függetlenül, tehát oxigén hiányában is működőképes!), ribóz-5-P képződését (nukleotid-szintézishez)
2. oxidatív fázist NAD⁺ szint szabályoz, nem oxidatív fázist a szubsztrátok szintje

Gyorsan osztódó sejtek: nem oxidatív fázis dominál, mert nagyobb a pentóz-P igény, mint a NADPH igény

Ribóz-5-P és NADPH egyaránt szükséges: működik az oxidatív fázis is, NADPH felhasználásra kerül valamilyen bioszintetikus folyamatban, ribóz a nukleotidszintézisben Több NADPH kell, mint ribóz-5-P: pl. zsírszövetben – oxidatív és nem oxidatív fázis is működik, glukóz direkt oxidáción megy keresztül egy ciklikus folyamatban (mitokondriumtól függetlenül, citoplazmában zajlik le)

NADPH és ATP igény is magas: glukóz-6-P úgy alakul piruváttá (NADPH és 2 ATP keletkezése mellett), ogy nem érinti a fruktóz-6-P és fruktóz-1,6bP állapotokat! – pentóz sönt

Aktív pentóz-foszfát út: mellékvese szteroidszintézise, máj zsírsav (50-60%-ban itt zajlik!) és koleszterinszintézise, testis szteroidszintézise, zsírszövetben zsírsavszintézis, ovarium szteroidszintézise, mamma zsírsavszintézise, vörösvértest redukált GSH szint fenntartása

Glukóz-6-P dehidrogenáz hiánya: elsősorban afroamerikaiakban jellemző, csökkent enzimexpresszió – véd a malária ellen

Glutation redukciós-oxdációs ciklusa: antioxidáns működés alapja, glutation reduktáz, glutation peroxidáz katalizál. Glutation reduktáz redukált glutation szintet tart fenn, ehhez NADPH szükséges – ha nincs mitokondrium/oxigén (anaerob a környezet), csak a pentóz-foszfát út tartja fenn a NADPH szintet, ha ez csökkent mértékben működik (G6PDH) – vörösvértest nem tudja fenntartani a NADPH szintet, hemolitikus anémia alakul ki Állapot fenntartható, ameddig nem éri a szervezetet oxidáló környezeti hatás – drog, lóbab nagy mennyiségű fogyasztása Transzketoláz hiánya: Wernicke-Korsakoff szindróma – elsősorban B vitamin hiány mellett (alkoholizmusban, alultápláltságban) mutatkozik meg, neuropszichiátriai zavart okoz