Ο μεταβολισμός του γλυκογόνου στα ζώα Χριστίνα Πιπέρη, Αναπλ. καθηγήτρια Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή, Παν/ου Αθηνών Βιολογική Χημεία Ι

Μεταβολισμός ευκαρυωτικού κυττάρου: ένα πολυδιάστατο δίκτυο αντιδράσεων Ευκαρυωτικό κύτταρο: Συνθέτει ~30,000 πρωτεΐνες καταλύουν χιλιάδες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν χιλιάδες μεταβολίτες -Οι περισσότεροι μεταβολίτες είναι κοινοί σε περισσότερες από μια οδούς !

Γλυκόζη Γλυκογόνο (ζώα, μικροοργανισμούς) Άμυλο (φυτά) Γλυκογόνο: αποθηκευτική μορφή υδατανθράκων Ήπαρ:10% βάρους, Γραμμωτούς Μύες: 1-2% βάρους - Αν αποθηκεύονταν αντίστοιχη ποσότητα γλυκόζης στο κυτταροδιάλυμα, θα οδηγούσε σε ωσμωτική απορρύθμιση - 55,000 κατάλοιπα γλυκόζης σχημ. 1 β-σωματίδιο γλυκογόνου β-σωματίδια σχημ. 1 α-ροζέτα - Πολλές α-ροζέτες + ένζυμα που συνθέτουν/αποικοδομούν γλυκογόνο σχημ. κοκκία γλυκογόνου Μεταβολισμός του γλυκογόνου

Κοκκία γλυκογόνου στο ηπατοκύτταρο Ορατά σε ιστούς ζώων με καλή θρέψη, απουσιάζουν μετά από νηστεία 24 ωρών Περιλαμβάνουν συναθροίσματα γλυκογόνου και ενζύμων

Μηχανισμοί αποθήκευσης και κινητοποίησης γλυκογόνου–ίδιοι στους μυς, ήπαρ Διαφοροποιούνται τα ένζυμα Δυνατότητα πρόσληψης γλυκογόνου από διατροφή, αποδόμηση στο έντερο από υδρολυτικά ένζυμα Κατανομή γλυκογόνου στους ιστούς Το γλυκογόνο στους μυες αποτελεί εύχρηστη πηγή ενέργειας για αερόβιο και αναερόβιο μεταβολισμό Το γλυκογόνο στο ήπαρ λειτουργεί ως απόθεμα γλυκόζης για άλλους ιστούς όταν υπάρχει ένδεια γλυκόζης (π.χ. μεταξύ γευμάτων, νηστεία κλπ.)

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΓΛΥΚΟΓΟΝΟΥ Ι. ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ γλυκογόνο 6Ρ-γλυκόζη πυροσταφυλικό γλυκογονόλυση γλυκόλυση γλυκογονογένεση νεογλυκογένεση

Εγκάρσια τομή ενός μορίου γλυκογόνου -Κάθε αλυσίδα: κατάλοιπα γλυκόζης -Αλυσίδες γλυκογόνου εκτείνονται σε διαζώματα - Σύνολο 12 διαζώματα

- α-1,6 γλυκοζιτικός δεσμός στις διακλαδώσεις - α-1,4 γλυκοζιτικός δεσμός κατά την επιμήκυνση του γλυκογόνου Δομή γλυκογόνου

Επαναληπτική διαδικασία που σταματά στο 4 ο κατάλοιπο γλυκόζης από διακλάδωση Δράση 3 ενζύμων: - φωσφορυλάσης του γλυκογόνου (ήπαρ και μύες) - ένζυμο αποδιακλάδωσης του γλυκογόνου - φωσφογλυκομουτάσης Ι. Αποδόμηση γλυκογόνου I. Δράση φωσφορυλάσης: αφαίρεση τελικού καταλοίπου γλυκόζης από το μη αναγωγικό άκρο μιας αλυσίδας γλυκογόνου Επίθεση από ανόργανο Ρ στο α1-4 γλυκοζιτικό δεσμό

II. Δράση ενζύμου αποδιακλάδωσης (ολιγο α1→6 προς α1→4 γλυκανοτρανσφεράση): διπλή ενεργότητα (τρανσφεράσης και γλυκοζιδάσης) Η δράση της φωσφορυλάσης σταματά σε απόσταση 4 καταλοίπων γλυκόζης από ένα (α1→6) σημείο διακλάδωσης στο γλυκογόνο Διάσπαση γλυκογόνου κοντά σε α1 →6 σημείο διακλάδωσης Μετατόπιση 3 καταλοίπων γλυκόζης Απελευθέρωση ελεύθερης γλυκόζης

Η 1-φωσφορική γλυκόζη πρέπει να μετατραπεί σε 6-φωσφορική γλυκόζη Φωσφορυλίωση σε Ser Δωρίζεται στην 1Ρ-γλυκόζη Ρ επιστρέφει στο ένζυμο ΙΙΙ. Δράση φωσφογλυκομουτάσης: Η 1Ρ-γλυκόζη πρέπει να γίνει 6Ρ-γλυκόζη με τη φωσφογλυκομουτάση για να εισέρθει στους ιστούς (μύες ή ήπαρ)

Γραμμωτοί μύες γλυκογόνο→6Ρ γλυκόζη→γλυκόλυση → πηγή ενέργειας για μυϊκή συστολή Ήπαρ (όταν ελαττωθούν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα, π.χ. μεταξύ γευμάτων) Γλυκογόνο →6Ρ γλυκόζη → μεταφορά στον αυλό του ΕΔ → υδρόλυση από φωσφατάση 6Ρ-γλυκόζης → Γλυκόζη και Ρi → μεταφορά γλυκόζης μέσω GLUT2 στο αίμα ΕΔ: Ενδοπλασματικό δίκτυο Η 6-φωσφορική γλυκόζη μπορεί να εισέλθει στη γλυκόλυση (μύες) ή στο ήπαρ για να αναπληρώσει τη γλυκόζη του αίματος

Ήπαρ Γλυκογόνο →γλυκόζη όταν ελαττωθούν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα, πχ. μεταξύ γευμάτων Η 6Ρ-γλυκόζη μετατρέπεται σε γλυκόζη και Ρ από φωσφατάση «καθηλωμένη» σε εσωτερική μεμβράνη ενδοπλασματικού δικτύου (αυλό). Έτσι το ηπατο-κύτταρο «ξεχωρίζει» αυτή τη γλυκόζη από εκείνη που θα μπει σε γλυκόλυση * Μύες, λιπώδης ιστός: δεν έχουν φωσφατάση της 6Ρ-γλυκόζης, άρα δε συνεισφέρουν γλυκόζη στο αίμα Υδρόλυση της 6Ρ γλυκόζης από τη φωσφατάση της 6Ρ γλυκόζης στο ΕΔ Ενδοπλασματικό δίκτυο

Γενετικές διαταραχές στα ένζυμα και στους μεταφορείς της γλυκόζης ή Ρi: Νοσήματα αποθήκευσης του γλυκογόνου

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΓΛΥΚΟΓΟΝΟΥ ΙΙ. ΑΝΑΒΟΛΙΣΜΟΣ γλυκογόνο 6Ρ-γλυκόζη πυροσταφυλικό γλυκογονόλυση γλυκόλυση γλυκογονογένεση νεογλυκογένεση

Μορφές σακχάρων, υποστρώματα για αντιδράσεις πολυμερισμού ή μετασχηματισμού, π.χ.πολυμερισμό μονοσακχαριτών σε δισακχαρίτες, γλυκογόνο, άμυλο, κυτταρίνη Νουκλεοτιδοσάκχαρα (σάκχαρο + νουκλεοτίδιο) προσφέρουν γλυκόζη για σύνθεση γλυκογόνου Τριφωσφορικό νουκλεοσίδιο Σύνθεση νουκλεοτιδοσακχάρων

Συμπύκνωση ενός τριφωσφορικού νουκλεοτιδίου με μια 1-φωσφορική εξόζη → νουκλεοτιδοσάκχαρο Απελευθέρωση ΡΡι Υδρολύεται εύκολα από πυροφωσφατάση (εξεργονική αντίδραση) To νουκλεοτιδοσάκχαρο UDP-γλυκόζη προσφέρει γλυκόζη για τη σύνθεση του γλυκογόνου

Καταλληλότητα νουκλεοτιδοσακχάρων για βιοσυνθετικές αντιδράσεις λόγω: ► ► 1. O σχηματισμός τους είναι μη αντιστρεπτός (λόγω άμεσης διάσπασης του πυροφωσφορικού, PPi) ► ► 2. Διαθεσιμότητα «ποικιλίας» ομάδων από νουκλεοτιδική ρίζα που συνεισφέρει ενεργειακά με διάφορες μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις ► ► 3. Η νουκλεοτιδική ομάδα «προσφέρεται» για αντιδράσεις αφαίρεσης μέσω πυρηνόφιλης προσβολής ► ► 4. Με τη χρήση διαφορετικών νουκλεοτιδικών ομάδων «σημαδεύονται» συγκεκριμένες εξόζες για συγκεκριμένη λειτουργία

ΙΙ. Σύνθεση γλυκογόνου Γλυκόζη + ΑΤΡ ( ελεύθερη) 6Ρ-Γλυκόζη + ΑDΡ Εξοκινάσες (Eξοκινάση Ι, ΙΙ – μύες Εξοκινάση ΙV – ήπαρ) 6Ρ-Γλυκόζη1Ρ-Γλυκόζη Φωσφογλυκομουτάση 1Ρ-Γλυκόζη + UTPUDΡ-Γλυκόζη + PPi Πυροφωσφορυλάση UDP-γλυκόζης Προσθήκη καταλοίπων γλυκόζης (α1-4) Συνθάση γλυκογόνου Διακλαδώσεις σε κατάλοιπα γλυκόζης (α1-6) Γλυκοζυλοτρανσφεράση Σε όλους τους ζωικούς ιστούς, κυρίως ήπαρ και γραμμωτούς μύες: Αφετηρία : 6Ρ-Γλυκόζη Ένζυμα

Σύνθεση γλυκογόνου (επιμήκυνση α1→4) από συνθάση του γλυκογόνου - Μεταφορά γλυκόζης από UDP–γλυκόζη στο μη αναγωγικό άκρο ενός διακλαδισμένου μορίου γλυκογόνου Συνθάση γλυκογόνου

Δημιουργία διακλάδωσης (α1 → 6) στο γλυκογόνο Οι διακλαδώσεις οδηγούν σε: α. Αύξηση διαλυτότητας του γλυκογόνου β. Αύξηση μη αναγωγικών άκρων ώστε ταχύτερη σύνθεση/διάσπαση Δράση ενζύμου διακλάδωσης του γλυκογόνου: αμυλο (α1 →4) προς (α1→6) τρανσγλυκοζυλάση ή γλυκοζυλο (4→6) τρανσφεράση Μεταφορά 6 ή 7 καταλοίπων γλυκόζης από ένα γλυκογόνο με 11 κατάλοιπα στο ΟΗ C-6 γλυκόζης στην εσωτερική θέση της ιδίας ή μιας άλλης αλυσίδας γλυκογόνου δημιουργώντας ένα νέο κλάδο

Γλυκογενίνη: εκκινητής σύνθεσης γλυκογόνου (μοναδικό αναγωγικό άκρο) καθώς η συνθάση του γλυκογόνου δεν κάνει de novo σύνθεση. - Διαθέτει ενδογενή ενεργότητα γλυκοζυλοτρανσφεράσης και προσθέτει 7 κατάλοιπα γλυκοζών από UDP-γλυκόζη Πώς αρχίζει η σύνθεση ενός νέου μορίου γλυκογόνου ; Διμερές, προσδένει UDP-γλυκόζη μέσω φωσφορικών ομάδων σε ιόντα Mn 2+ Tyr

Αντιδράσεις κατάλυσης της Γλυκογενίνης: «προετοιμασία» των αρχικών καταλοίπων γλυκόζης του γλυκογόνου 1. Μεταφορά καταλοίπου γλυκόζης από την UDP-γλυκόζη στο ΟΗ της Tyr της γλυκογενίνης 2. Το C-1 ενός άλλου μορίου UDP- γλυκόζη ς αντιδρά με τη C-4 ΟΗ του τελικού καταλοίπου γλυκόζης 3. Επανάληψη 6Χ, δημιουργία γλυκογόνου με 8 κατάλοιπα γλυκόζης

Δομή σωματιδίου του γλυκογόνου - Αρχίζοντας από τη γλυκογενίνη, οι αλυσίδες γλυκογόνου εκτείνονται σε «διαζώματα» - Κάθε εσωτερική αλυσίδα: 2 κλάδους (α1 →6) - Οι εξωτερικές αλυσίδες δεν είναι διακλαδισμένες

Συντονισμένη ρύθμιση της σύνθεσης και διάσπασης του γλυκογόνου Χριστίνα Πιπέρη, Αναπλ. καθηγήτρια Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή, Παν/ου Αθηνών Βιολογική Χημεία Ι

Συντονισμένη ρύθμιση σύνθεσης/διάσπασης γλυκογόνου γλυκογόνο 6Ρ-γλυκόζη πυροσταφυλικό γλυκογονόλυση γλυκόλυση γλυκογονογένεση νεογλυκογένεση

H ύπαρξη πολλών (ανά μόριο γλυκογόνου) μη αναγωγικών άκρων δίνει τη δυνατότητα για γρήγορη σύνθεση/διάσπαση του γλυκογόνου (ρύθμιση)

Φωσφορυλάση α (Ενεργή μορφή) Δράση φωσφορυλάσης στον καταβολισμό (διάσπαση) του γλυκογόνου Ρύθμιση με φωσφορυλίωση Αλλοστερικό ένζυμο 2 μορφές: α (ενεργή μορφή) b (ανενεργή μορφή) Φωσφορυλάση b ( Λιγότερο ενεργή μορφή) Γλυκαγόνη (ήπαρ) Επινεφρίνη (έντονη μυϊκή άσκηση) Φωσφορυλίωση σε Ser Α. Φωσφορυλάση του γλυκογόνου: ρυθμίζεται αλλοστερικά και ορμονικά Φωσφορυλάση του γλυκογόνου

Έλεγχος της δράσης της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου με αντιστρεπτή φωσφορυλίωση Φωσφορυλάση του γλυκογόνου: υφίσταται σε 2 αλληλομετατρεπόμενες μορφές, a, b Ενεργή μορφή

Καταρράκτης δράσης επινεφρίνης/γλυκαγόνης Με την παραγωγή cAMP (από ΑΤΡ) και τη διαδοχική ενεργοποίηση ενδιάμεσων στο μονοπάτι ενζύμων (π.χ. κινάση φωσφορυλάσης) επιτυγχάνεται πολλαπλασιασμός αρχικού σήματος και είναι συνηθισμένη διαδικασία σε μονοπάτια που σχετίζονται με το μεταβολισμό Αντίθετα σε μονοπάτια που ελέγχουν διαφοροποίηση συχνά διατηρείται η 1:1 στοιχειομετρία αρχικού σήματος: αποτελέσματος 2. G πρωτεΐνη, προσδένει GTP -Ενεργοποιεί την ΡΚΑ Κατά την έντονη μυϊκή δραστηριότητα Σε χαμηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα 1. Υποδοχείς

Κατάσταση μυϊκής ηρεμίας: δράση φωσφατάσης της φωσφορυλάσης α Αφαίρεση φωσφορικών ομάδων από τη φωσφορυλάση α

) όταν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα επανέλθουν στο κανονικό Ήπαρ: ηπατική φωσφορυλάση α απενεργοποιείται από τη φωσφατάση-1 της φωσφορυλάσης α (ΡΡ1) όταν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα επανέλθουν στο κανονικό Η γλυκόζη συνδέεται αλλοστερικά στη φωσφορυλάση α με αποτέλεσμα να αλλάξει η στερεοδιαμόρφωση του ενζύμου, να «αποκαλυφθούν» οι φωσφορικές ομάδες (Ser), να δράσει η ΡΡ1 και η φωσφορυλάση α να μετατραπεί σε φωσφορυλάση b. Λόγω της αλλοστερικής θέσης για τη γλυκόζη, η φωσφορυλάση α λειτουργεί σαν αισθητήρας γλυκόζης Φωσφατάση της φωσφορυλάσης α (ΡΡ1)

Β. Ρύθμιση συνθάσης του γλυκογόνου Όπως η φωσφορυλάση, η συνθάση του γλυκογόνου βρίσκεται σε 2 μορφές: α, ενεργή και β, ανενεργή Αντίθετα με φωσφορυλάση η ενεργή μορφή (α) της συνθάσης είναι μη φωσφορυλιωμένη Η συνθάση είναι στόχος απενεργοποίησης από πολλαπλές κινάσες (τουλάχιστον 11, σημαντικότερη η κινάση 3 συνθάσης γλυκογόνου (GSK3), άρα πολλαπλή (πολυπαραγοντική) ρύθμιση Αποφωσφορυλίωσή της γίνεται από την φωσφατάση-1 των φωσφοπρωτεινών, (ΡΡ1) Η 6Ρ-γλυκόζη είναι αλλοστερικός ενεργοποιητής της συνθάσης του γλυκογόνου

Ρύθμιση συνθάσης του γλυκογόνου αλλοστερικά και ορμονικά GSK3: Κινάση 3 της συνθάσης του γλυκογόνου CKII: Κινάση 2 της καζείνης 1 2 ΡΡ1: Φωσφατάση-1 των φωσφοπρωτεινών

Μηχανισμός δράσης ινσουλίνης Στα ηπατοκύτταρα: ινσουλίνη απενεργοποιεί τη GSK-3, ενεργοποιεί τη φωσφατάση PP1 → σταματά τη διάσπαση του γλυκογόνου

Ρύθμιση μεταβολισμού υδατανθράκων στο ηπατοκύτταρο: σε υψηλή γλυκόζη αίματος Πλούσιο γεύμα σε υδατάνθρακες Ορμονική ρύθμιση

Ρύθμιση μεταβολισμού υδατανθράκων στο ηπατοκύτταρο: σε χαμηλή γλυκόζη αίματος Μεταξύ γευμάτων, ή παρατεταμένη νηστεία 6Ρ- γλυκόζη γλυκογόνο Γλυκόζη στο αίμα

Διαφορές στη ρύθμιση του μεταβολισμού των υδατανθράκων στο ήπαρ και μύες ► Οι μύες χρησιμοποιούν το αποθηκευμένο γλυκογόνο μόνο για τις δικές τους ανάγκες ► Κατά τη μετάβαση από την ηρεμία στην έντονη συστολή, οι ανάγκες των μυών σε ΑΤΡ αυξάνονται πολύ ► Οι μύες δεν διαθέτουν τον ενζυμικό μηχανισμό για νεογλυκογένεση Έκτακτη ανάγκη μυϊκής δραστηριότητας Χαμηλή γλυκόζη αίματος

Η ινσουλίνη μεταβάλει την έκφραση πολλών γονιδίων που εμπλέκονται στο μεταβολισμό των υδατανθράκων και των λιπών

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία ► Harper’s, Κεφ. 19 ► ► Lehninger, Τόμος ΙΙ Κεφ. 15.1, 15.4 ► ► Devlin: Τόμος ΙΙ Κεφ. 15