Обмін глюкози в печінці Mgr. Єва БАБУСІКОВА, к.е.н. Університет Коменського в Братиславі, кафедра медичної біохімії, медичний факультет Єсенія в Мартіні

κατέβασμα

- в аеробних умовах піровиноградна кислота, ГЛІКОЛІЗ - виділення енергії, накопиченої в глюкозі; - поступова деградація глюкози кількома суміжними метаболічними шляхами; - отриманим продуктом є: - в аеробних умовах піровиноградна кислота, - в анаеробних умовах молочна кислота; - організм також використовує глюкозу, яка утворюється в печінці з невуглеводних сполук - глюконеогенезу.

Гліколіз - метаболічний шлях, розташований у цитоплазмі клітин, а) виробництво енергії - виділення лише невеликої частини енергії глюкози, - утворення АТФ на рівні субстрату, б) утворення проміжних продуктів для інших метаболічних шляхів, - піровиноградна кислота, який перетворюється в ацетил-КоА, через який він потрапляє в цитратний цикл, де енергія глюкози, що залишилася, концентрується у відновлених коферментах, переносячи електрони і протони в кінцевий процес окислення, - основна умова запуску гліколізу: - перенесення глюкози з крові в клітини, ‒Трансфер у м’язові та жирові клітини тканина залежить від присутності інсуліну, - на перенесення глюкози в мозок та печінку інсулін не впливає

Гліколіз Транспорт глюкози: а) аеробний гліколіз - клітини з мітохондріями та достатнім надходженням кисню (O2 - повторне окислення NADH) - піровиноградна кислота - кінцевий продукт - окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти до ацетил CoA → KC b) анаеробний гліколіз - клітини без мітохондрій недостатнє постачання киснем - виробництво молочної кислоти (повторне окислення NADH) Транспорт глюкози: а) полегшена дифузія - після градієнта концентрації - транспортери для GLU (GLUT 1-5) - висока гомологія в первинній структурі, специфічна для тканин експресія GLUT - 1 - Ery GLUT - 4 - жирова тканина, м'язи (кількість та активність інсуліну) b) котранспорт - проти градієнта концентрації - котранспорт з Na + - клітини епітелію кишечника, ниркові канальці, хоріоїдне сплетення

Гліколіз Метаболічний шлях гліколізу можна розділити на дві фази: Перша фаза гліколізу - споживання енергії: а) утворення фосфорильованих форм вуглеводів (-2 АТФ), б) утворення 2 тріозів, реакції 1 - 5 Друга фаза гліколізу - вироблення енергії: а) утворення 4 АТФ, б) утворення 2 НАДН, в) утворення 2 молекул піровиноградної кислоти. реакції 6 - 10

Гліколіз - цитоплазма Пентозний цикл - цитоплазма Цикл Кребса - мітохондрії Дихальний ланцюг - внутрішня мембрана мотохондрій Окисне фосфорилювання - матрикс мітохондрій

Гліколіз глюкоза глюкоза-6-Р фруктоза-6-Р фруктоза-1,6-Р АТФ АТФ - фосфокіназні ферменти: перенесення фосфорної кислоти від АТФ до субстратів або від субстрату до АДФ - фосфофруктокіназа - найважливіший фермент у процесі гліколізу - каталізує утворення фруктози -1,6-бісфосфату - регуляторний фермент - активація або інгібування ферменту відповідно до вимог тканин прискорює або уповільнює утворення піровиноградної кислоти

Гліколіз 1-а реакція: фосфорилювання глюкоза → глюкоза-6-фосфат - глюкоза-6-фосфат не перетинає мембрану, гексокіназа - регуляторний фермент, різні тканини, фосфорилювання гексоз, - інгібування: глюкоза-6-фосфат, високе співвідношення АТФ/АДФ, - низький Км, глюкокіназа - печінка та ß клітини підшлункової залози, - фосфорилювання глюкози у фазі після резорбції, - ↑ рівні після прийому вуглеводів та вимивання інсуліну, - не інгібуються глюкозо-6-фосфатом, - високі Км. Реакція 2: ізомеризація глюкозо-6-фосфату ↔ фруктоза-6-фосфат глюкоза-6-фосфат-ізомераза (фосфоглюкозна ізомераза)

Гліколіз 3-ї реакції: незворотне фосфорилювання фруктоза-6-фосфат → фруктоза-1,6-бісфосфат фосфофруктокіназа 1 (PFK 1) - реакція, що обмежує швидкість, - регуляторний сайт. Регуляція: енергетичний статус клітин, а) ↑ рівень АТФ і ↑ рівень цитрату → - PFK 1, б) ↑ Рівень АМФ → + PFK 1, в) фруктоза-2,6-бісфосфат а) сильний активатор PFK 1, б) фруктоза інгібітор -1,6-бісфосфатази (глюконеогенез), - взаємний вплив на гліколіз і глюконеогенез, - метаболізм: 1. утворення → фосфофруктокіназа 2 (PFK 2), 2. деградація → фруктоза бісфосфатаза 2 (FBF 2), - кіназна та фосфатазна активність - 2 домени в одній біфункціональній молекулі ферменту

Реакція 5: ізомеризація гліколізу Реакція 4: розщеплення фруктоза-1,6-бісфосфату ↔ гліцеральдегід-3-фосфат + дигідроксиацетон фосфат альдолаза A Реакція 5: ізомеризація дигідроксиацетон фосфату ↔ гліцеральдегід-3-фосфат триосфосфосфосфат триосфосфат

Гліколіз - перетворення фруктозо-1,6-бісфосфату (6 С, 2 Р) у 2 тріози (3 С, 1 Р) - під час перетворення триози в піровиноградної кислоти в двох місцях утворюються проміжні продукти, до яких зв’язана фосфорна кислота макроергічним зв’язком, великим для утворення фосфорилювання субстрату АТФ - перенесення фосфорної кислоти в АДФ

Гліколіз - під час реакції окислення у 2-й фазі гліколізу утворюється відновлений НАДН + + Н + - в аеробних умовах водень може переноситися в кінцеве окислення, створюючи таким чином умови для утворення трьох АТФ (за триозу) в процес окисного фосфорилювання - в анаеробних умовах водні з відновленого НАДН + + Н + переносяться в піровиноградну кислоту - утворюється продукт гліколізу, таким чином, лактатдегідрогеназа молочної кислоти

Реакція 6: окислення гліцеральдегід-3-β → 1,3-бісфосфогліцерат Гліколіз Реакція 6: окислення гліцеральдегід-3-β → 1,3-бісфосфогліцерат гліцеральдегід-3-β-дегідрогеназа - кофермент NAD + aH перетворення кислоти піровиноградної кислоти в молочну кислоту b) окислення NADH у дихальному ланцюзі - фосфорилювання субстрату - окислення альдегідної групи → карбоксильна група - зв’язування фосфату макроергічним зв’язком - синтез 2,3-бісфосфогліцерату (2,3-BFG) бісфосфогліцерату мутаза: високий рівень розкладання Ері: 3-фосфогліцерат

1,3-бісфосфогліцеринова кислота ↔ 3-фосфогліцеринова кислота Гліколіз 7-а реакція: утворення АТФ 1,3-бісфосфогліцеринова кислота ↔ 3-фосфогліцеринова кислота фосфогліцерат-кіназа - 2 молекули АТФ 8-я реакція: внутрішньомолекулярний перенос фосфатної 3-фосфогліцеритної кислоти -фосфогліцеринові кислоти фосфогліцерат мутаза Реакція 9: дегідратація 2-фосфогліцеринової кислоти ↔ фосфоенолпіровиноградна кислота енолаза - передача енергії всередині молекули - утворення енолфосфатного зв’язку

- утворення АТФ шляхом субстратного фосфорилювання - регуляція зворотного руху Гліколіз 10. реакція: утворення фосфоенолпіровиноградної кислоти АТФ → піруваткіназа піровиноградної кислоти - 2 молекули АТФ - утворення АТФ фосфорилюванням субстрату - регуляція зворотного зв'язку печінка: фруктоза-1,6 -бісфосфат активує кіназну діяльність піруваткінази 2: ↑ фосфофруктокіназа 1 → ↑ піруваткіназа) - ковалентна модифікація піруваткінази - фосфорилювання - залежна від цАМФ білкова кіназа - печінка: ↑ глюкагон (низький вміст глюкози) → ↑ c АМФ → фосфорилювання білка → фосфоризація неактивний) - дефосфорилювання → активний дефосфатор) - фосфоенолпіровиноградна кислота - вступ у глюконеогенез

6.! 7. ERY: HbO2 + 2,3-BPG → → Hb-2,3-BPG + O2

Метаболізм глюкози в печінці GLUT 2 LIVER GLU GLUCOSE PC GLU 6 GLYCOGEN P GLUCURONIDES PYRUVATE LACTATE ACETYL CoA H + FATS TCA ATP

Метаболізм глюкози-6-Р в еритроцитах

Перетворення піровиноградної кислоти → лактатдегідрогеназа молочної кислоти (LD) a) анаеробний гліколіз в клітинах еукаріотів b) Ery, Leu, кришталик, рогівка, нирковий мозок, яєчка 1. утворення молочної кислоти в м’язах - під час фізичних вправ, вироблення енергії в анаеробних умовах - ↑ виробництво НАДН (гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа) + цикл Кребса - ↓ рН → біль у м’язах - молочна кислота в кров 2. споживання молочної кислоти - протилежний ефект лактатдегідрогенази - печінка: а) Лак → Пір → Глю (глюконеогенез ) б) Lac → Pyr → цикл Кребса - міокард: Lac → Pyr → цикл Кребса

Перетворення молочної кислоти 1. окисне декарбоксилювання молочної кислоти - піруватдегідрогенази (комплекс) - утворення ацетил-КоА 2. карбоксилювання молочної кислоти - піруват-карбоксилази - утворення оксалату ацетату 3. відновлення молочної кислоти до етанолу (мікроорганізми) а) декарбоксилювання пірувату - піруватдекарбоксилаза б) етанол

ПІРУВАТОВИЙ ДЕГІДРОГЕНАЗНИЙ КОМПЛЕКС ЛАКТАТНИЙ ДЕГІДРОГЕНАЗА, важливий для еритроцитів, лейкоцитів (та інших клітин з/без мітохондрій) та в скелетних м’язах під час скорочення), фізіологічно оборотний у тканинах з ↓ НАДН/НАД +, наприклад печінка, серцевий м’яз, локалізований у цитозолі. СИНТЕЗ ЕТАНОЛУ зустрічається у дріжджах, деяких бактеріях (включаючи кишкову флору) тіамін-пірофосфатно-залежний шлях, розташований у цитозолі СО2 Етанол Ацетальдегід ПІРУВАТ Лактат (Тіамін-ПП) НАД НАД + НАДН + Н + НАДН + H + оксалат ацетил-КоА ПІРУВАТ КАРБОКСИЛАЗА біотин використовується як протетична група активованого ацетил КоА у печінці, поповнює проміжні продукти циклу ТСА, забезпечує субстрати для незворотної реакції глюконеогенезу, локалізовану в мітохондріях. і незворотна реакція синтезу жирних кислот, локалізована в мітохондріях

Енергетичний баланс гліколізу: 1. анаеробний гліколіз Glu + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O а) утворення ATP - 2 молекули ATP на 1 молекулу глюкози - невеликий приріст енергії - клітини та тканини без, відп. . з невеликою кількістю мітохондрій: Ery, Leu, k. кістковий мозок, нирки b) Продукція NADH - відсутність чистого приросту - 1x NADH + (гліцеральдегіддегідрогеназа) - 1x NADH - (лактатдегідрогеназа)

Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O 2-й аеробний гліколіз Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 Н + + 2 Н2О - споживання 2 АТФ (реакції фосфорилювання) - утворення 4 АТФ (2 х 2 АТФ) - чистий приріст 2 АТФ - 2 х НАДН → 6 АТФ (3 АТФ/НАДН в циклі Кребса) Порівняння приросту енергії - від глюкози після утворення молочнокислого гліколізу: 2 АТФ (на рівні субстрату) - при спалюванні глюкози до СО2 та Н2О в аеробному середовищі гліколіз + цитратний цикл + кінцеве окислення: 38 АТФ (з них 34 окислювальним фосфорилювання)

Короткочасне регулювання гліколізу (хв. Або год.) - алостерична активація/гальмування - тривале фосфорилювання/дефосфорилювання (години - дні) - гормональне (інсулін, глюкагон) - 10 - 20x підвищення ферментативної активності ферментів а) глюкокіназа b) фосфофруктокіназа в) піруваткінази

- ключовий регуляторний фермент: фосфофруктокіназа Регуляція гліколізу - ключовий регуляторний фермент: фосфофруктокіназа - каталізує перетворення фруктозо-6-фосфату у фруктозо-1,6-бісфосфат - швидкість метаболічного шляху гліколізу буде залежати головним чином від енергетичного заряду клітина - якщо в клітині достатньо АТФ → піровиноградна кислота зменшується - висока концентрація АТФ алостерично знижує активність фосфофруктокінази - висока концентрація АМФ → сигнал для прискореного гліколізу (АТФ витрачався для покриття енергетичних потреб організму) - АМФ є алостеричним активатором фосфофруктокіназа

- активність фосфофруктокінази, а отже, прискорення спалювання глюкози, суттєво збільшує алостерично фруктозу-2,6-бісфосфат - висока концентрація глюкози в крові - вимивання інсуліну - інсулін прискорює: а) проникнення глюкози в клітини б) гліколіз через фруктозо-2,6-бісфосфат - низький вміст глюкози в крові - глюкагон виводиться з підшлункової залози - глюкагон уповільнює гліколіз через фруктозо-2,6-фосфат (захист низького вмісту глюкози в крові для роботи мозку) - обидві трансформації призводять до повернення глікемії до норми

Клінічне застосування 1. Вроджений дефіцит ферментів гліколізу а) піруваткіназа (95%) б) фосфоглюкоза ізомераза (4%) - диференціальна експресія в клітинах і тканинах - піруват кіназа - Leu, Ery - триоза фосфат ізомераза - Ery, Leu, м’язи, Прояви ЦНС: гемолітична анемія: без терапії відповідно. фолієва кислота 2. Молочнокислий ацидоз - анаеробний гліколіз - вироблення енергії при дефіциті кисню (ІМ, легенева емболія, кровотеча) - молочна кислота в крові - інформація про "кисневий борг" - оцінка тяжкості шоку - моніторинг лікування та реконвалесценції

- розпад запасів глікогену, глюконеогенез - нестача глюкози в раціоні - зниження рівня глюкози в крові. - спроба замінити глюкозу в крові з внутрішніх джерел. - необхідне постійне надходження глюкози - мозок, ера, нирковий мозок, кришталик, рогівка, яєчка, працюючий м’яз. Два механізми: - розпад запасів глікогену, - утворення глюкози з невуглеводних джерел. - глюконеогенез, який знаходиться на 90% у печінці та 10% у нирках під час тривалого голодування - основні несахаридні субстрати (альфа-оксокислоти, гліцерин, молочна кислота) - через піровиноградну кислоту - вступ у реакції, дуже схожі на гліколіз

Глюконеогенез - оборотні реакції глюконеогенезу каталізують ті самі ферменти, що і оборотні реакції при гліколізі, - ферменти, що каталізують незворотні реакції при гліколізі (фосфокінази), замінюються в глюконеогенезі ферментами з протилежним ефектом (фосфатази), - фосфатаза має особливе значення перенесення глюкози з клітин до крові. Процес глюконеогенезу прискорює глюкагон, а інсулін має протилежний ефект. Процес глюконеогенезу посилюється інгібуванням ферментів гліколізу.

Метаболічний шлях глюконеогенезу: - глюконеогенез не є оборотним гліколізом - три реакції незворотні: 1. перетворення фосфоенолпіровиноградної кислоти в піровиноградної кислоти піруваткінази а) піровиноградна кислота - карбоксилювання → оксалооцтова кислота піруват карбоксилат - канцерогенне лікування активація - ацетил-КоА б) оксалооцтова кислота → фосфоенолпіровиноградна кислота фосфоенолпіруваткарбоксикіназа (цитоплазма) оксалооцтова кислота - транспорт з мітохондрій до цитоплазми - малат - реоксидація до оксалооцтової кислоти

2. дефосфорилювання фруктозо-1,6-бісфосфату фруктоза-1,6-бісфосфатаза - незворотна реакція: фосфофруктокіназа 1 (гліколіз) - регуляторна ділянка: а) енергетичний статус клітини + ↓ АМФ; ↑ АТФ - ↑ АМФ б) регуляція фруктозо-2,6-бісфосфатом - інгібування фруктозо-1,6-бісфосфатази алостерично 3. дефосфорилювання глюкози-6-фосфату глюкоза-6-фосфатази - локалізація: печінка, нирки Резюме 2Pyr + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 6H2O → Glu + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 6H+

Глюкоза-6-фосфат Глюкоза Глюкоза-6-фосфатаза Глюкоза-6-фосфат Глюкоза Фруктоза-6-П Фруктоза-1,6-бісфосфатаза Фруктоза-1,6-бісфосфат Гліцеральдегід-3-Р Дигідроксиацетонфосфат 1,3-бісфосфосфосфат фосфогліцеринова кислота 2-фосфогліцеринова кислота Фосфоенолпіровиноградна кислота Піруват Молочна кислота Фосфоенолпіруват-Піруват карбоксилаза (MIT) карбоксикіназа (CYT) Оксалооцтова кислота CO2

Глюконеогенез Субстрати для глюконеогенезу: 1. гліцерин - продукт ліполізу (ТАГ) в жировій тканині - транспорт до печінки - фосфорилювання → гліцерин фосфат (окислення) → дигідроксиацетон фосфат 2. цикл молочної кислоти Корі - глюкоза (печінка) → кров → м’язи → молочна кислота (кров) → печінка (глюконеогенез) 3. α-кетокислоти - піруват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат - глюкогенні амінокислоти - Ala, Ser, Gly, Cys, Thr (піруват); Asp (оксалоацетат); Глю (альфа-кетоглутарат)

Корі і глюкозо-аланіновий цикл

Регуляція глюконеогенезу Глюкагон - стимуляція глюконеогенезу а) знижує рівень фруктозо-2,6-бісфосфату - активація фруктозо-1,6-бісфосфатази - інгібування фосфофруктокінази 1 (гліколіз) б) ковалентна модифікація активності ферменту - цАМФ → активний протеїнкіназа P → неактивна протеїнкіназа A → неактивна) => накопичення фосфоенолпіровиноградної кислоти Доступність субстрату ↓ інсулін → мобілізація білка → глюкогенна АК Алостерична активація ацетил-КоА ↑ ацетил КоА → стимуляція піруват-карбоксилази (печінка)

Активація декількох ферментів Глюкагон (↓) Інсулін (↑) рецептор Клітинна мембрана Клітинна мембрана Аденилатциклаза Активація декількох ферментів АТФ-цАМФ 2. Знижена активність протеїнкінази А сприяє дефосфорильованій формі комплексу FFK-2/FBF-2 1. Високий інсулін/співвідношення глюкагону спричинює зменшення цАМФ та знижує рівні активної протеїнкінази А Активна протеїнкіназа А (↓) FBF-2 = фруктоза бісфосфат фосфатаза-2 FFK-2 = фосфофруктокіназа-2 Фруктоза-6-фосфат ATP ADP PP ATP FFK- 2 бездіяльний. FBF-2 бездіяльний. Акт FBF-2. Акт ФФК-2. Фосфофруктокіназа-2 Пі АДФ + Фруктоза-2,6-бісфосфат (↑) 4. Підвищена концентрація фруктози 2,6-бісфосфат активує FFK 1, що призводить до збільшення швидкості гліколізу Фруктоза-1,6-бісфосфат 3. Дефосфорильований FFK -2 активний, тоді як FBF-2 неактивний; який сприяє утворенню фруктози 2,6-бісфосфату

Глюкагон (↑) Інсуліновий (↓) рецептор Клітинна мембрана Клітинна мембрана Аденилатциклаза ATP cAMP + PPi 2. Підвищена активність протеїнкінази А сприяє фосфорильованій формі комплексу FFK-2/FBF-2 1. Низьке співвідношення інсулін/глюкагон спричиняє зменшення цАМФ і підвищує рівень активної протеїнкінази А; піруваткіназа-P неактивна Активна протеїнкіназа A (↑) FBF-2 = фруктоза бісфосфат фосфатаза-2 FFK-2 = фосфофруктокіназа-2 Pi Фруктоза-6-фосфат АТФ ADP P Pi P FFK-2 дію. Акт FBF-2. FBF-2 бездіяльний. FFK-2 бездіяльний. Фруктоза бісфосфат-1 Пі Н2О - Фруктоза-2,6-бісфосфат (↓) 4. Зниження концентрації фруктози 2,6-бісфосфату уповільнює активацію FFK 1, що призводить до збільшення швидкості глюконеогенезу Фруктоза-1,6- бісфосфат 3. Фосфорильований ФФ неактивний, тоді як ФБФ-2 активний; який запобігає утворенню фруктози 2,6-бісфосфату