Glukoneogenese - kroppens egen syntese av glukose

Transkript

1 1 Medisin stadium IA, Tonje S. Steigedal, IKM 2 Glukoneogenese - kroppens egen syntese av glukose Kilder til glukose ved ulike tidspunkt etter matinntak 1

2 3 Glukoneogenese Glukoneogenese = dannelse av nytt sukker Mange organ (hjernen, nervesystemet, erythrocytter 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. 4 Glukoneogenese Substrater for glukoneogenesen Glycerol (fra triacylglyceroler i fettvev) Omdannes til dihydroksyacetonfosfat (intermediat i glykolysen) vha glycerol kinase og glycerol fosfat dehydrogenase Laktat Fra skjelettmuskulatur via Cori syklus Glukogene aminosyrer ydrolyserte proteiner omdannes til f.eks -ketoglutarat videre til oksaloacetat i TCA PEP 2

3 5 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; hexokinase, PFK-1 og pyruvat kinase er ikke 3

4 7 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 8 1 Omvei 1 3 Malate 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 Malat- -ketoglutarat transporter 4 I cytosol 3. Oksaloacetat og redusert NAD blir indirekte transportert til cytoplasma via omdanning til malat. 4. Dannelse av fosfoenolpyruvat. Reaksjonen krever 1ATP og 1 GTP pr pyruvat (2 ATP og 2 GTP pr glukosemolekyl). 4

5 9 vorfor passere via mitokondriene? NAD og + -konsentrasjonen i mitokondriene er x høyere enn i cytosol. Aktiv glukoneogenese tømmer raskt NADlagrene i cytosol. Gjendannelse av malat fra oxalat leverer NAD til cytosol. Nettoresultatet er at NAD + /NAD-balansen mellom mitokondriene og cytosol opprettholdes. 10 Pyruvat karboksylase Dette komplekse mitokondrielle enzymet har flere viktige seter. I det første bindes ATP og bikarbonat, og bikarbonatet aktiveres til karboksylfosfat. I det andre bindes pyruvat. 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) 5

6 11 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. 12 PEP kan også dannes fra laktat Laktat (melkesyre) som dannes fra glykolyse i erytrocytter og anaerobt i muskler under hardt arbeid kan også omsettes til PEP. Videre glukoneogenese I leverceller omdannes først laktat til pyruvat under dannelse av NAD. Derved trengs ikke malat-trinnet for å transportere NAD ut av mitokondriene. Ac-CoA 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. 6

7 13 Omvei 2 P i 2 O Fruktose-6-fosfat Merk at fruktose-1,6- bisfosfatase reguleres AMP F26BP Sitronsyre omvendt av fosfofruktokinase (PFK-1), som katalyserer det tilsvarende trinnet i glykolysen (trinn 3). Fruktose-1,6 bisfosfatase PFK-1 stimuleres av AMP og inhiberes av ATP. Fruktose-1,6-bisfosfat Mg 2+ avhengig Dette reaksjonstrinnet er irreversibelt (-16.3 kj/mol). 14 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. 7

8 15 Omvei 2: Fruktose-2,6-bisfosfat (F26BP) er en potent allosterisk regulator av PFK-1 og FBPase-1. PFK-2: Fosfofruktokinase-2 FBP-2: Fruktose bisfosfatase-2 Cellulær F26BP reguleres av glukagon og insulin. Glukagon øker blodsukkernivået og insulin senker blodsukkernivået. 16 Regulering 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 8

9 17 P i 2 O Omvei 3 Glukose Glukose-6 fosfatase Glukose-6-fosfat G 0 =(-13.8 kj/mol). 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. Enkelte mennesker har en arvelig defekt i glukose-6- fosfatase, som kan resultere i hypoglykemi, fettlever mm (von Gierkes sykdom). Mg 2+ avhengig 18 Glukoneogenesen er energikrevende Produksjon av ett glukosemolekyl koster altså 4ATP + 2 GTP, mens en ren reversering av glykolysen ville ha krevd kun 2ATP. 9

10 19 Aminosyrer, men ikke fettsyrer, 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. 20 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. 10

11 21 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 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: 22 11

12 23 Glykogensyntese 24 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. 12

13 25 Strategi for karbohydratpolymerisering Anomerisk C av et sukker blir aktivert ved binding av et nukleotid via en fosfatesterbinding. * 1. Netto reaksjon gir stor negativ endring i fri energi. 2. Nukleotid bidrar til bindingssete for enzymer (glycogenin og glycogensyntase). 26 Sciencephotolibrary.com Fotomikrografi av levercelle (hepatocytt) med glykogenkorn farget lilla. Mitokondriene er farget grønne. Glykogeninnholdet i leveren kan utgjøre opptil 10% av leverens totalvekt. 13

14 27 Glykogenet er en forgrenet polymer av D-glukose,1-4 glykosidbindinger Ikke-reduserende ende 6 C 2 O 6 C 2 O 5 4 O O 3,1-4 O O O O O O 6 C 2 O O 5 O 4 1 O O 3 2 O Reduserende ende Forgrening 6 C 2 O 5 4 O O 3 O O C 2,1-6 6 C 2 O,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 28 Glykogenin vorfor lagres ikke glukose direkte i cellene, i stedet for å bygges inn i glykogen? Glykogen gir et mye mindre bidrag til osmolaliteten enn glukose, noe som muliggjør lagring av store mengder glukose uten at cellenes osmotiske trykk forstyrres. 14

15 29 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 forårsaker 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. 30 glucose-1-p + UTP UDP-glucose + 2P i 4. I det neste trinnet adderes en nukleotid til glukose-1-fosfat for å aktivere glukosen til innbygging i glykogen. 15

16 31 5. Glukose overføres til ikkereduserende ende av glykogenet vha glykogen syntase. 1 4 binding Endring i fri energi fra glukose-1-fosfat til glykogen polymeren favoriserer dannelse av glykogen. 32 Et sett glukoseenheter overføres for å danne 1 6 binding fra den voksende 1 4 kjeden ved et forgreningsenzym. 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. 16

17 33 Glykogenkjeden starter rundt glykogeninmolekylet. ver glykogenkjede er på enheter. De innerste kjedene har to 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. 34 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 17

18 35 Glykogenolyse 36 Et avgreningsenzym (oligo ( 1 6) til ( 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. 18

19 37 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) 38 Andre karbohydrater kan også brytes ned i glykolysen Kan omdannes til glyserol og glyserol-1-fosfat, som er precursor for fettsyntese os mennesker er stivelse den viktigste karbohydratkilden i dietten. -amylase i spytt starter nedbrytningen og danner korte oligosakkarider. Disse brytes videre ned av -amylase fra bukspyttkjertelen til maltose og dekstriner, som igjen omdannes til glukose. Glykogen har en struktur svært lik stivelse, og glykogen fra kosten brytes ned på samme måte som stivelse. 19

20 39 Laktasemangel fører til laktoseintoleranse Mennesket danner laktase i tynntarmen i spebarnsalderen, men de fleste taper denne evnen under oppveksten (unntatt hos nord-europeere og i deler av Afrika). os disse vil ikke laktose fra melkeprodukter kunne omdannes til glukose og galaktose, men omdannes i stedet av bakterier til toksiske produkter som gir magekrampe og diaré. Tilsvarene mangler i andre sukkernedbrytende enzym i tynntamen finnes i mindre utbredelse. Laktase i tynntarmen hos laktosetolerant person påvist med gullmerkede antistoff Tilsvarende fra laktoseintolerant person 20