Glukoneogenese og glykogensyntese

Transkript

1 1 Medisin stadium IA, Tonje S. Steigedal, IKM 2 Relevante læringsmål, Biokjemi: gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP beskrive syntesen av glukose og glykogen Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 14 og 15 Lippincott s; Biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 10 og 11 (Baynes; Medical biochemistry, 3 rd Ed., Kapittel 13) 1

2 3 Det store bildet 4 Glukoneogenese - kroppens egen syntese av glukose 1. Glukose (blodsukker) fra matinntak brukes opp etter ca 4 timer. Kilder til glukose ved faste (etter inntak av 100 g glukose) 2. Glykogenlagrene brukes opp etter ca timer. 3. Glukoneogenese begynner ca 4 timer etter matinntak og er på maksimal hastighet når glykogenlagrene er helt tomme. 2

3 5 Glukoneogenese = dannelse av nytt sukker Glukoneogenese Mange organ (hjernen, nervesystemet, erythrocytter, testikler, aktive muskler o.a.) er avhengige av glukose fra blodet som hovedenergikilde. jernen alene bruker ca 120 g glukose/dag av de ca 160g/dag hele kroppen trenger. Kroppen inneholder ca 190 g glykogen, som holder til ca 1 dags glukoseproduksjon. Når glukoseinnholdet i blodet synker, vil leveren og nyrene produsere glukose fra enklere molekyler, og transportere til blodet for å forsyne hjernen og andre organ. 6 Glukoneogenese Substrater for glukoneogenesen Glycerol (fra triacylglyceroler i fettvev) Omdannes til dihydroksyacetonfosfat (intermediat i glykolysen) vha glycerol kinase og glycerol fosfat dehydrogenase Laktat (pyruvat) Fra skjelettmuskulatur via Cori syklus Glukogene aminosyrer ydrolyserte proteiner omdannes til f.eks a -ketoglutarat videre til oksaloacetat i TCA PEP 3

4 7 Glukoneogenese Reversering av glykolysen Lever står for ca 90% av glukoneogenesen, og pyruvat er en viktig prekursor i tillegg til melkesyre, glycerol og flere aminosyrer. Glukoneogenesen er hovedsakelig en reversering av glykolysen, men det er lagt inn noen omveier for å unngå de irreversible trinnene i glykolysen. Disse er de samme trinnene som katalyseres av regulatorenzymene i glykolysen: eksokinase Fosfofruktokinase Pyruvat kinase Omvei 3 Omvei 2 Omvei av 10 glykolysereaksjonene er nær likevekt; rxn styrt av hexokinase, PFK-1 og pyruvat kinase er ikke det 4

5 9 Omvei 1 (fra pyruvat) Den første delen av denne omveien skjer inne i mitokondriene. Deretter blir både oksaloacetat og redusert NAD indirekte transportert til cytoplasma via en omdanning til malat. Avhengig av 2 exergone (spontane) reaksjoner Malate Omvei 1 NAD + NAD+ + Gjendannelse av NAD i cytosol. 1. Pyruvat transporteres til mitokondriene. 2. Omdannes til oksaloacetat vha pyruvat karboksylase. 2 NAD + + NAD + I mitokondriene Malate Malata -ketoglutarat transporter 4 I cytosol 3. Oksaloacetat og redusert NAD blir indirekte transportert til cytoplasma via omdanning til malat. 4. Dannelse av fosfoenolpyruvat vha PEP karboksykinase. Reaksjonen krever 1 ATP og 1 GTP pr pyruvat (2 ATP og 2 GTP pr glukosemolekyl). 5

6 11 vorfor passere via mitokondriene? 1. [NAD] og [ + ]i mitokondriene er x høyere enn i cytosol. 2. Aktiv glukoneogenese tømmer raskt NAD-lagrene i cytosol. 3. Gjendannelse av malat fra oxalat leverer NAD til cytosol. 4. Nettoresultatet er at NAD + /NAD-balansen mellom mitokondriene og cytosol opprettholdes. 12 Pyruvat karboksylase Tetramer som er allosterisk aktivert av Acetyl-CoA øyt nivå av Acetyl-CoA i mitokondriene signaliserer at det trengs mer oksaloacetat: a) Som påfyll til glukoneogenesen b) Som påfyll i TCA Aktiv pyruvat karboksylase Lavt nivå av Acetyl-CoA Inaktiv pyruvat karboksylase Pyruvat omdannes i stedet til Acetyl-CoA og fores inn i TCA. 6

7 13 Pyruvat karboksylase Dette komplekse mitokondrielle enzymet har flere viktige seter. I det første bindes ATP og bikarbonat (fra biotin), og bikarbonatet aktiveres til karboksylfosfat. I det andre bindes pyruvat. Rxn drevet av hydrolyse av GTP. Mellom disse sitter den prostetiske gruppen biotin, som laster aktivert CO 2 over på pyruvat, og danner oksaloacetat. Merk at Acetyl-CoA er en positiv effektor for pyruvat karboksylase. (En prostetisk gruppe er en del av et protein som ikke består av aminosyrer) 14 Totalreaksjon Omvei 1 Pyruvat + ATP + GTP + CO 3 PEP + ADP + GDP + P i + CO 2 DG' ~ 0.9 kj.mol Under cellulære betingelser: DG ~ 25 kj/mol ettersom PEP omsettes raskt 7

8 15 Omvei 1: PEP kan også dannes fra laktat Videre glukoneogenese Laktat (melkesyre) som dannes fra glykolyse i erytrocytter og anaerobt i muskler under hardt arbeid kan også omsettes til PEP. I leverceller omdannes først laktat til pyruvat under dannelse av NAD. Derved trengs ikke malat-trinnet for å transportere NAD ut av mitokondriene. Oksaloacetat omsettes i stedet direkte til PEP, som transporteres ut av mitokondriene. vilken av disse to veiene for pyruvatomsetning som velges, er avhengig av NAD-behovet i cytosol. Rute fra laktat Pyruvat PEP foretrekkes når det er mye laktat tilgjengelig. 16 Omvei 2 P i 2 O Fruktose-1,6 bisfosfatase Fruktose-6-fosfat AMP F26BP Merk at fruktose-1,6- bisfosfatase reguleres omvendt av fosfofruktokinase (PFK-1), som katalyserer det tilsvarende trinnet i glykolysen (trinn 3). PFK-1 stimuleres av AMP og inhiberes av ATP. Sitronsyre Mg 2+ avhengig Fruktose-1,6-bisfosfat Dette reaksjonstrinnet er irreversibelt (-16.3 kj/mol). 8

9 17 Omvei 2: Fruktose-1,6-bisfosfatase og PFK-1 er omvendt regulert Omvendt allosterisk regulering ved adenin nukleotider. PFK-1 (glykolysen) hemmes av ATP og stimuleres av AMP. FBPase-1 (glukoneogenesen) hemmes av AMP. 18 Omvei 2: Fruktose-2,6-bisfosfat (F26BP) er en potent allosterisk regulator av PFK-1 og FBPase-1. Cellulær [F26BP] reguleres raskt av glukagon og insulin. Glukagon øker blodsukkernivået og insulin senker blodsukkernivået. F26BP utøver effekten av glukagon og insulin. 9

10 19 Fruktose-2,6-bisfosfat (F26BP) blir dannet og brutt ned av et bifunksjonelt enzym. PFK2/FBPase2 homodimer PDB 2BIF PFK-2 domain FBPase-2 domain with bound fructose-6-p vilken av de to katalytiske subenhetene som er aktiv avhenger av hvilken del som er fosforylert. PFK-2: Fosfofruktokinase-2 FBP-2: Fruktose bisfosfatase-2 20 Regulering av blodsukker via fruktose 2,6-bisfosfat Glukagon: senker [F26BP] Glykolyse GNG Blodsukker Insulin: øker [F26BP] Glykolyse GNG Blodsukker Bifunksjonelt protein En fosfatgruppe endrer enzymets form og endrer dermed substratbinding 10

11 21 Omvei 2 P i 2 O Fruktose-1,6 bisfosfatase Fruktose-6-fosfat AMP F26BP Merk at fruktose-1,6- bisfosfatase (FBase-1) reguleres omvendt av fosfofruktokinase (PFK-1), som katalyserer det tilsvarende trinnet i glykolysen (trinn 3). PFK-1 stimuleres av AMP og inhiberes av ATP. Sitronsyre Fruktose-1,6-bisfosfat FBase-1 inhiberes av AMP og F26BP og stimuleres av sitronsyre. F26BP er en viktig allosterisk regulator. 22 Omvei 3 P i 2 O Glukose Glukose-6 fosfatase DG 0 =-13.8 kj/mol. Glukose-6-fosfat Enzymet glukose-6-fosfatase finnes forankret i ER-membranene i lever og nyreceller, med den katalytiske siden vendt mot ER-lumen. Enzymet finnes ikke i f. eks. hjerne eller muskler. Glukoneogenesen foregår derfor ikke i sistnevnte organ. I stedet vil glukose produsert i lever og nyre transporteres til hjernen og musklene via blodet. Aktivt sete inn mot ER-lumen adskiller glukoneogenesen fra glykolysen i cytosol. Enkelte mennesker har en arvelig defekt i glukose-6-fosfatase, som kan resultere i hypoglykemi, fettlever mm (von Gierkes sykdom). Mg 2+ avhengig 11

12 23 Glukoneogenesen er energikrevende Produksjon av ett glukosemolekyl koster altså 4ATP + 2 GTP, mens en ren reversering av glykolysen ville ha krevd kun 2ATP. 24 Glukoneogenesen er energikrevende Totalreaksjon: Gluconeogenese (GNG) 2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NAD O glukose + 4 ADP + 2 GDP + 6 P i + 2 NAD DG' = 16 kj/mol (irreversibel) Merk: Dette er ikke en reversering av glykolysen den høye energikostnaden sikrer at glukoneogenesen bare kjøres ved behov Glykolyse Glukose + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + 2 pyruvat + 2 ATP + 2NAD O DG' = 63 kj/mol 12

13 25 Glukogene aminosyrer kan gå inn i glukoneogenesen På samme måte som intermediater i glykolysen kan benyttes til syntese av flere aminosyrer, kan mange aminosyrer kanaliseres rett inn i glukoneogenesen og omdannes til glukose. Dette skjer etter at aminosyrenes aminogruppe er fjernet i mitokondriene. 26 Aminosyrer, men ikke fettsyrer, kan gå inn i glukoneogenesen Andre aminosyrer kan kanaliseres indirekte til glukoseproduksjon, ved at de omdannes til ulike intermediater i Krebs-syklus, og deretter til glukoneogenese via oksaloacetat. Pattedyr kan ikke bruke fettsyrer til dannelse av glukose pga at pyruvat dehydrogenase rxn er irreversibel. Små mengder glycerol fra nedbrytning av triacylglycerol kan gå inn i GNG. 13

14 27 Regulering av glukoneogenesen vis glykolyse og glukoneogenese skulle ha foregått samtidig, ville dette ha betydd et netto forbruk av ATP til ingen nytte. Glykolysen og glukoneogenesen er omvendt regulert. Mye av denne reguleringen foregår på hormonelt nivå som respons på blodsukkernivået. Dette vil bli tatt nærmere opp på egen forelesning. Lokalt i cellene ligger et viktig kontrollpunkt i den videre omsetningen av pyruvat, som kan gå i to retninger: Allosterisk regulering med Acetyl-CoA

15 29 Glykogensyntese 30 Karbohydrater lagres i kroppen som glykogen Etter et måltid vil glukosekonsentrasjonen i blodet være høy, og flere vev vil lagre glukosen i form av glykogen. Den totale mengden glykogen i kroppen er omtrent 190 g. Det meste av dette finnes i muskelvev og i leveren. Glykogenet i musklene brukes kun lokalt, siden muskler ikke har enzymet glukose-6-fosfatase. Musklene kan derfor ikke tibakedanne glukose fra glykogen, men forer i stedet glukose-6-fosfat direkte inn i glykolysen. Enzymet finnes imidlertid i lever, som kan danne glukose fra glykogen, og eksportere dette til blodet for å sikre en jevn glukosetilførsel til andre organ i kroppen. Glukose-6- Glykogen Glukose-6-fosfat fosfatase Glukose (Lever) Glykolyse (Muskel) 15

16 31 Glykogen i lever Sciencephotolibrary.com Fotomikrografi av levercelle (hepatocytt) med glykogenkorn farget lilla. Mitokondriene er farget grønne. Glykogeninnholdet i leveren kan utgjøre opptil 10% av leverens totalvekt. 32 Glykogen er en forgrenet polymer av D-glukose a 1-4 glykosidbindinger Ikke-reduserende ende 6 C 2 O 6 C 2 O 5 4 O O 3 a 1-4 O O O O O O O 6 C 2 O 5 4 O 3 O 1 2 O Reduserende ende O Forgrening 6 C 2 O 5 4 O O 3 O O C 2 a C 2 O a 1-6 glykosidbindinger i forgreiningspunktene ovedkjede O 5 4 O O 3 O 1 2 O 5 4 O O 3 O 1 2 O O 16

17 33 Strategi for karbohydratpolymerisering Sukkernukleotider er godt egnet for polymerisering 1. Netto reaksjon for dannelse av sukkernukleotid har liten positiv DG, men hydrolyse gir stor negativ DG. * 2. Nukleotider har mange grupper som kan binde i spesifikke bindingsseter i enzymer (glykogenin og glykogensyntase). 3. Anomerisk C av et sukker blir aktivert ved binding av et nukleotid via en fosfatesterbinding. Nukleotidylgruppen (UMP eller AMP) fungerer utmerket til å forlate karbonet det er bundet til (anomerisk C). 4. «Merking» av heksoser med nukleotidylgrupper reserverer dem til spesifikke prosesser som f.eks glykogensyntese i stedet for glykolyse (heksosefosfatmerket). 34 Glykogenstruktur Glykogenin vorfor lagres ikke glukose direkte i cellene, i stedet for å bygges inn i glykogen? Glykogen gir et mye mindre bidrag til osmolariteten enn glukose, noe som muliggjør lagring av store mengder glukose uten at cellenes osmotiske trykk forstyrres. 17

18 35 To ulike enzymer starter glykogensyntesen 1. Starten på glykogensyntesen foregår ved fosforylering av glukose med ATP. Dette katalyseres av heksokinase i hjerne, muskler og andre vev, og av glukokinase i lever og nyrer (dette er identisk med det første trinnet i glykolysen, og er irreversibelt). 2. Den lavere affiniteten av glukokinase mot glukose gjør at leveren ikke konkurrerer med f. eks hjernen når glukosekonsentrasjonen i blodet er lav. 3. Enzymet fosfoglukomutase flytter fosfatgruppen over i 1-posisjon for å klargjøre til neste reaksjon. Fosfogluko mutase Glukose-1-fosfat 36 Dannelse av sukkernukleotid Glukose-1-P + UTP UDP-Glukose + 2P i 4. I det neste trinnet adderes en nukleotid til glukose-1-fosfat for å aktivere glukosen til innbygging i glykogen. UDP-Glukose donerer glukoseenheten videre til ikke-reduserende ende på glykogen. 18

19 37 Overføring av glukoseenhet til glykogen 5. Glukose overføres til ikkereduserende ende av glykogenet vha glykogen syntase. a 1 4 binding Endring i fri energi fra glukose- 1-fosfat til glykogen polymeren favoriserer dannelse av glykogen. 38 Glykogenet forgreines vha et forgreiningsenzym Et sett glukoseenheter overføres for å danne a 1 6 binding fra den voksende a 1 4 kjeden ved et forgreningsenzym (amylo-a (1 4) a (1 6) transglucosidase). Når 11 enheter er bundet sammen, overføres 6-7 til en forgrening. Siden glykogen syntase trenger en primer for å starte, hvordan starter da syntesen av det første glykogenmolekylet? Svaret ligger i et protein som heter glykogenin, som binder den første glukosen kovalent og sammen tjener som primer. Glykogeninet forblir inne i glykogen-partikkelen etterhvert som den vokser. 19

20 39 Glykogenstruktur Glykogenkjeden starter rundt glykogeninmolekylet. ver glykogenkjede er på enheter. De innerste kjedene har to a 1 6) forgreninger hver. De ytterste kjedene er uforgrenet. Det er ca 12 rader i en komplett glykogenpartikkel (bare 5 i figuren) bestående av ca 55,000 glukoseenheter. Forgreiningen medfører høyere løselighet, og gir flere ikke-reduserende ender for evt bygge ut eller degradere glykogenpartikkelen. 40 Glykogenolyse Når cellens energistatus er dårlig, vil en omvendt prosess inntre: Glykogenolyse Denne starter ved at glykogen fosforylase spalter av og fosforylerer ett og ett glukosemolekyl i form av glukose-1-fosfat. Dette omdannes raskt til glukose-6- fosfat av fosfoglukomutase, og kan så fores rett inn i glykolysen etter trinn 1. Glykogen fosforylase vil bare spalte av glukoseenheter som sitter minst 5 trinn fra et forgreningspunkt, og for å avhjelpe dette trer et såkalt avgreiningsenzym i kraft Avgereiningsenzym flytter sammen ukuttede rester - og kapper i tillegg 1-6 bindinger Glykogenmolekylet kan kappes videre av glykogen fosforylase Glykogenmolekylet etter spalting av glykogen fosforylase 20

21 41 Glykogenolyse 1. Glykogen brytes ned av glykogen fosforylase i en prosess med P i. Dette fører til dannelse av glukose-1-fosfat ( glukose-6-p). 2. Dette forsetter inntil man er 4 enheter fra et forgreiningspunkt. 3. Da kommer et forgreiningsenzym og overfører resten av «grenen». 42 Nedbrytning av glykogen (glykogenolyse) Et avgreningsenzym (oligo (a 1 6) til (a 1 4) glukantransferase) katalyserer to påfølgende reaksjoner for overføring av glykogengrener. Fosfoglukomutase omdanner glukose-1- fosfat til glukose-6-fosfat som kan inngå i glykolysen (muskel). I lever omdannes glukose-6-fosfat til glukose ved glukose-6-fosfatase og frigir glukose til blodet. 21

22 45 Arvelige sykdommer forbundet med defekter i glykogenmetabolismen Von Gierkes sykdom (defekt glukose-6-fosfatase forstørret lever, nyresvikt) Andersens sykdom (mangler forgreiningsenzym i lever og skjelettmuskulatur forstørret lever samt myoglobin i urinen) McArdle s sykdom (mangler glykogen fosforylase i muskler trening fører til kramper) Type VII glykogenlagringssykdom (defekt fosfofruktokinase 1 i muskel trening fører til kramper. Medfører også hemolytisk anemi.) ers sykdom (Defekt lever glykogen fosforylase forstørret lever) Type IX glykogenlagringssykdom (nedsatt lever glykogen syntase) Glukose-6-fosfat dehydrogenase-mangel (hemolytisk anemi, øker erytrocyttenes sårbarhet ovenfor oxidativt stress, ca 400 mill rammet) Coris sykdom (defekt avgreiningsenzym forstørret lever hos nyfødte samt myopati) 46 Kilder til blodsukker i løpet av en dag Fra kosten etter måltid. ovedsakelig fra glykogen mellom måltider. Etter at glykogenlagrene er tømt (nattestid) dominerer glukoneogenesen. Regulering av disse prosessene medfører relativt stabilt blodsukkernivå til enhver tid. 22

23 47 Relevante læringsmål, Biokjemi: gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP beskrive syntesen av glukose og glykogen 23