ΝΕΟ-ΓΛΥΚΟ-ΓΕΝΕΣΗ Βιολογική Χημεία Ι Χριστίνα Πιπέρη Αναπλ. Καθηγήτρια Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών cpiperi@med.uoa.gr

Νεογλυκογένεση Σύνθεση της γλυκόζης από απλά οργανικά μόρια, μη υδατανθρακούχες ενώσεις: Γαλακτικό οξύ Πυροσταφυλικό οξύ Γλυκερόλη Αμινοξέα Ιδιαίτερα σημαντική η μεταβολική αυτή διεργασία για εγκέφαλο, νευρικό σύστημα, ερυθροκύτταρα, όρχεις – όταν τα αποθέματα γλυκογόνου δεν είναι επαρκή (π.χ. Μεταξύ γευμάτων, περιόδους νηστείας, εντατική άσκηση) - Κατά την μεταβολική αυτή διεργασία το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε γλυκόζη

Διαδικασία που λαμβάνει χώρα στο ΗΠΑΡ και λιγότερο στους νεφρούς Νεογλυκογένεση Διαδικασία που λαμβάνει χώρα στο ΗΠΑΡ και λιγότερο στους νεφρούς Το γαλακτικό οξύ προέρχεται από την αναερόβια καύση της γλυκόζης Η γλυκερόλη προέρχεται από την διάσπαση των τριγλυκεριδίων στα λιποκύτταρα Τα αμινοξέα προέρχονται από την πρωτεόλυση των σκελετικών μυών Τα πρόδρομα αυτά μόρια μετατρέπονται πρώτα σε πυροσταφυλικό ή εισέρχονται στην πορεία μετέπειτα σαν ενδιάμεσα μόρια

Σύνθεση υδατανθράκων από απλούστερα πρόδρομα μόρια

Νεογλυκογένεση : δαπανηρή διαδικασία Γλυκόλυση: Γλυκόζη + 2NAD+ + 2ADP +2 Pi  2 πυροσταφυλικό +2 NADH +2H+ +2ATP +2H2O Νεογλυκογένεση: 2 Πυροσταφυλικό + 2 NADH +2H+ + 4ATP + 2 GTP + 4H2O + 2H+  Γλυκόζη + 2NAD + 4ADP + 2GDP + 6 Pi Μεγάλο μέρος του υψηλού ενεργειακού κόστους είναι αναγκαίο για να διασφαλιστεί ο μη αντιστρεπτός χαρακτήρας της νεογλυκογένεσης

μη αντιστρεπτά βήματα της γλυκόλυσης παρακάμπτονται από μια Φωσφατάση 6Ρ-γλυκόζης Φωσφατάση 1,6 DP φρουκτόζης Καρβοξυκινάση ΡΕΡ Καρβοξυλάση πυροσταφυλικού Στη νεογλυκογένεση τα μη αντιστρεπτά βήματα της γλυκόλυσης παρακάμπτονται από μια ανεξάρτητη ομάδα ενζύμων (που καταλύουν εξεργονικές αντιδράσεις – μη αντιστρεπτές) 1η παρακαμπτήρια οδός: μετατροπή πυροσταφυλικού σε φωσφοενολοπυροσταφυλικό

2η παρακαμπτήρια οδός: μεταροπή 1,6 –Δι-Ρ- φρουκτόζης σε 6-Ρ φρουκτόζη 3η παρακαμπήρια οδός: μετατροπή 6-Ρ-γλυκόζης σε γλυκόζη (Φωσφατάση 6-Ρ-γλυκόζης) 2η παρακαμπτήρια οδός: μεταροπή 1,6 –Δι-Ρ- φρουκτόζης σε 6-Ρ φρουκτόζη (Φωσφατάση της 1,6 διφωσφορικής φρουκτόζης) Φωσφατάση 6Ρ-γλυκόζης Φωσφατάση 1,6 Δι-P φρουκτόζης Καρβοξυκινάση ΡΕΡ Καρβοξυλάση πυροσταφυλικού

Ειδικές αντιδράσεις νεογλυκογένεσης Εναλλακτικές οδοί σχηματισμού φωσφοενολοπυροσταφυλικού (ΡΕΡ) Ρυθμιστικοί παράγοντες: ύπαρξη γαλακτικού ανάγκες ΝΑDΗ

Ο κύκλος του Cori Το γαλακτικό οξύ που παράγεται από τους ενεργούς μυς μετατρέπεται σε γλυκόζη από το ήπαρ

Η σχέση νεογλυκογένεσης στο ήπαρ και γλυκόλυσης στο υπόλοιπο σώμα Κύκλος Cori Κύκλος Αλανίνης

Αμινοξέα : υποστρώματα για νεογλυκογένεση Μερικά ή όλα τα άτομα άνθρακα των περισσοτέρων αμινοξέων που προέρχονται από τις πρωτεΐνες τελικά καταβολίζονται προς πυροσταφυλικό ή ενδιάμεσα του κύκλου του Krebs  Νεογλυκογόνα αμινοξέα

Πυροσταφυλικό α-κετογλουταρικό Αμινοξέα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για νεογλυκογένεση, ομαδοποιημένα σύμφωνα με το σημείο εισόδου Πυροσταφυλικό (ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs) Αλανίνη Κυστείνη Γλυκίνη Σερίνη Θρεονίνη Τρυπτοφάνη α-κετογλουταρικό (ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs) Αργινίνη Γλουταμινικό Γλουταμίνη Ιστιδίνη Προλίνη

Ηλεκτρυλο-CoA Φουμαρικό Ο ξαλοξικό Φαινυλαλανίνη Ισολευκίνη Τυροσίνη Αμινοξέα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για νεογλυκογένεση, ομαδοποιημένα σύμφωνα με το σημείο εισόδου Ηλεκτρυλο-CoA (ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs) Ισολευκίνη Μεθειονίνη Θρεονίνη Βαλίνη Φουμαρικό (ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs) Φαινυλαλανίνη Τυροσίνη Ο ξαλοξικό (ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs) Ασπαραγίνη Ασπαρτικό

Λιπαρά οξέα μπορούν να μετατραπούν σε γλυκόζη ;;; Δεν καταλύει την αντίστροφή αντίδραση Λιπαρά οξέα (καταβολισμός)

Νεογλυκογένεση : δαπανηρή αλλά απαραίτητη διαδικασία Γλυκόλυση: Γλυκόζη + 2NAD+ + 2ADP +2 Pi  2 πυροσταφυλικό +2 NADH +2H+ +2ATP +2H2O Νεογλυκογένεση: 2 Πυροσταφυλικό + 2 NADH +2H+ + 4ATP + 2 GTP + 4H2O + 2H+  Γλυκόζη + 2NAD + 4ADP + 2GDP + 6 Pi Μεγάλο μέρος του υψηλού ενεργειακού κόστους είναι αναγκαίο για να διασφαλιστεί ο μη αντιστρεπτός χαρακτήρας της νεογλυκογένεσης - απαιτείται συντονισμένη ρύθμιση των 2 οδών

Ρύθμιση της Γλυκόλυσης και Νεογλυκογένεσης

Ποιά είναι τα ένζυμα-κλειδιά της γλυκόλυσης?   Ποιά είναι τα ένζυμα-κλειδιά της γλυκόλυσης? (Τα ένζυμα που καταλύουν τις μη αντιστρεπτές αντιδράσεις)

Σημεία ρύθμισης της γλυκόλυσης

Η γλυκολυτική πορεία ελέγχεται αυστηρά Οι ενδοκυττάριες και εξωκυττάριες συνθήκες καθορίζουν τον ρυθμό ροής της γλυκολυτικής πορείας Δύο είναι οι ουσιαστικές κυτταρικές ανάγκες : Η παραγωγή ενέργειας (ΑΤΡ) Ο εφοδιασμός δομικών μονάδων για συνθετικές αντιδράσεις, όπως είναι ο σχηματισμός λιπαρών οξέων ΤΡΙΑ ένζυμα αποτελούν θέσεις ελέγχου - Πώς ελέγχονται αυτά? Ρύθμιση της δραστικότητάς τους από προϊόντα με ανατροφοδότηση, αλλοστερικά, ομοιοπολική τροποποίηση (φωσφορυλίωση/κινάσες, αποφωσφορυλίωση / φωσφατάσες) σε απάντηση ορμονικών ερεθισμάτων

1ο σημείο ρύθμισης : Εξοκινάση - Ένζυμο κλειδί της γλυκολυτικής οδού - Όμως δεν είναι ο κύριος ρυθμιστής της γλυκόλυσης - Η 6-φωσφορική γλυκόζη δεν είναι μόνο ένα γλυκολυτικό ενδιάμεσο, αλλά είναι σε θέση να μετατραπεί σε γλυκογόνο ή να οξειδωθεί μέσω της πορείας των φωσφορικών πεντοζών σε ΝΑDPH

Εξοκινάση 4 ΙΣΟΕΝΖΥΜΑ (I, II, III, IV) • Μύες: εξοκινάση Ι, ΙΙ - Υψηλή συγγένεια για τη γλυκόζη - Υφίστανται αλλοστερική αναστολή (παροδική και αντιστρεπτή) από την 6-φωσφορική γλυκόζη • Ήπαρ : εξοκινάση ΙV = ΓΛΥΚΟΚΙΝΑΣΗ - Διαφορετικά ισοένζυμα = Διαφορετικός ρόλος των οργάνων αυτών στο μεταβολισμό της γλυκόζης - Διαφορές εξοκινάσης Ι-ΙΙΙ με εξοκινάση ΙV -

1) Χαμηλή συγγένεια = Υφίσταται ημικορεσμό σε πολύ υψηλότερη συγκέντρωση (10mΜ) από τη συνηθισμένη συγκέντρωση γλυκόζης στο ήπαρ Σύγκριση των κινητικών ιδιοτήτων της εξοκινάσης Ι και ΙV (γλυκοκινάσης)

2ο σημείο ρύθμισης: Φωσφοφρουκτοκινάση Καταλύει την αντίδραση: 6-Ρ-φρουκτόζη  1,6 Διφωσφορική φρουκτόζη Ρυθμίζεται από: Το ενεργειακό φορτίο του κυττάρου ΑΤΡ (-), ADP και ΑΜΡ (+) Κιτρικό (-) πρώιμο ενδιάμεσο του κύκλου του Κrebs = επάρκεια δομικών μονάδων, επάρκεια ενέργειας 2,6-διφωσφορική φρουκτόζη (+) – σημαντικότερος αλλοστερικός ρυθμιστής

3ο σημείο ρύθμισης: Κινάση του πυροσταφυλικού (ισοένζυμα L και Μ) Αλλοστερική αναστολή - Οι φωσφορυλιώσεις που επάγονται από ορμονικά ερεθίσματα εμποδίζουν το ήπαρ από το να καταναλώνει γλυκόζη όταν αυτή χρειάζεται από τον εγκέφαλο και τους μυς - Τα ισοένζυμα συνεισφέρουν στην μεταβολική διαφοροποίηση των διαφόρων οργάνων

Ρύθμιση της νεογλυκογένεσης 1ο σημείο ρύθμισης Δυο εναλλακτικά πεπρωμένα για το πυροσταφυλικό -Ρυθμιστής: τα επίπεδα του ακετυλο-CoA

2ο σημείο ρύθμισης: Φωσφατάση-1 της 1,6 Δι-Ρ- φρουκτόζης Αντίστροφη ρύθμιση γλυκόλυσης/νεογλυκογένεσης Φωσφο-φρουκτοκινάση-1 (PFK-1) Φωσφατάση-1 της 1,6 Δι-Ρ-φρουκτόζης (FBP-1)

Όλες οι ρυθμιστικές δράσεις που προαναφέρθηκαν: - πυροδοτούνται από αλλαγές στο εσωτερικό του κυττάρου και - διαμεσολαβούνται από πολύ ταχείς αλλοστερικούς μηχανισμούς

Ρύθμιση μέσω ορμονών Μηνύματα από το εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου διαμεσολαβούν την επάρκεια ή την ένδεια σε γλυκόζη ή την άμεση ανάγκη για καύσιμα, μέσω ορμονών (ινσουλίνη, γλυκαγόνη, επινεφρίνη) Αυτές οι ορμόνες προκαλούν ομοιοπολική τροποποίηση (φωσφορυλίωση-αποφωσφορυλίωση πρωτεϊνών στόχων)

Η 2,6 διφωσφορική φρουκτόζη είναι ισχυρός ρυθμιστής της γλυκόλυσης και της νεογλυκογένεσης Φωσφο-φρουκτοκινάση-1 (PFK-1) Φωσφατάση-1 της 1,6 Δι-Ρ-φρουκτόζης (FBP-1) Μόλις η 2,6 διφωσφορική φρουκτόζη (F2,6BP) προσδεθεί στην αλλοστερική θέση της πάνω στην PFK-1 αυξάνει τη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμά του, δηλ. την 6 –φωσφορική φρουκτόζη, ενώ ελαττώνει τη συγγένειά του για τους αλλοστερικούς αναστολείς ΑΤΡ και κιτρικό

Ρύθμιση των επιπέδων 2,6-δι-Ρ-φρουκτόζης από ινσουλίνη/γλυκαγόνη Όταν ελαττωθεί η γλυκόζη στο αίμα, η γλυκαγόνη δίνει σήμα στο ήπαρ να παράγει περισσότερη γλυκόζη: - Η γλυκαγόνη ελαττώνει τα επίπεδα της 2,6-δι-Ρ-φρουκτόζης, αναστέλλοντας τη γλυκόλυση και διεγείροντας τη νεογλυκογένεση Η ινσουλίνη έχει το αντίθετο αποτέλεσμα: - Η ινσουλίνη αυξάνει τα επίπεδα της 2,6-δι-Ρ-φρουκτόζης, διεγείροντας τη γλυκόλυση και αναστέλλοντας τη νεογλυκογένεση

Ινσουλίνη Γλυκαγόνη/επινεφρίνη (-) (+) Χ

Προτεινόμενη βιβλιογραφία Harper’s Κεφ. 20 Lehninger Κεφ. 14.4, 15.3 Devlin: Τόμος ΙΙ Κεφ. 15