Глюкозен метаболизъм в черния дроб Mgr. Д-р Ева БАБУСИКОВА. Университет Коменски в Братислава, Катедра по медицинска биохимия, Медицински факултет на Йесений в Мартин

метаболизъм

- при аеробни условия пировиноградна киселина, ГЛИКОЛИЗ - освобождаване на енергия, натрупана в глюкоза; - постепенно разграждане на глюкозата по няколко съседни метаболитни пътища; - полученият продукт е: - при аеробни условия, пировиноградна киселина, - при анаеробни условия, млечна киселина; - тялото използва и глюкоза, която се образува в черния дроб от невъглехидратни съединения - глюконеогенеза.

Гликолиза - метаболитен път, разположен в цитоплазмата на клетките, а) производство на енергия - освобождаване само на малка част от глюкозната енергия, - образуване на АТФ на нивото на субстрата, б) образуване на междинни продукти за други метаболитни пътища, - пировиноградна киселина, който се превръща в ацетил-CoA, чрез който влиза в цитратния цикъл, където останалата глюкозна енергия се концентрира в редуцирани коензими, прехвърлящи електрони и протони към крайния процес на окисляване, - основно условие за започване на гликолиза: - прехвърляне на глюкоза от кръвта към клетките, ‒Трансферът на мускулни и мастни клетки тъкан зависи от наличието на инсулин, - трансферът на глюкоза в мозъка и черния дроб не се влияе от инсулина

Гликолиза Транспорт на глюкоза: а) аеробна гликолиза - клетки с митохондрии и достатъчно снабдяване с кислород (O2 - повторно окисляване на NADH) - пирувинова киселина - краен продукт - окислително декарбоксилиране на пировиноградна киселина до ацетил CoA → KC б) анаеробна гликолиза - клетки без митохондрии недостатъчно снабдяване с кислород - производство на млечна киселина (повторно окисляване на NADH) Транспорт на глюкоза: а) улеснена дифузия - след градиент на концентрация - транспортери за GLU (GLUT 1-5) - висока хомология в първичната структура, специфична за тъканите експресия на GLUT - 1 - Ery GLUT - 4 - мастна тъкан, мускули (брой и активност на инсулина) б) котранспорт - срещу концентрационен градиент - котранспорт с Na + - чревни епителни клетки, бъбречна тубула, хориоиден сплит

Гликолиза Метаболитният път на гликолизата може да бъде разделен на две фази: Първа фаза на гликолиза - консумация на енергия: а) образуване на фосфорилирани форми на въглехидрати (-2 АТФ), б) образуване на 2 триози, реакции 1 - 5 Втора фаза на гликолиза - производство на енергия: а) образуване на 4 АТФ, б) образуване на 2 NADH, в) образуване на 2 молекули пировиноградна киселина. реакции 6 - 10

Гликолиза - цитоплазма Пентозен цикъл - цитоплазма Цикъл на Кребс - митохондрии Дихателна верига - вътрешна мембрана на мотохондриите Окислително фосфорилиране - матриксни митохондрии

Гликолиза глюкоза глюкоза-6-Р фруктоза-6-Р фруктоза-1,6-Р АТФ АТФ - фосфокиназни ензими: трансфер на фосфорна киселина от АТФ към субстрати или от субстрат към АДФ - фосфофруктокиназа - най-важният ензим в процеса на гликолиза - катализира образуването на фруктоза -1,6-бисфосфат - регулаторен ензим - активиране или инхибиране на ензима, в съответствие с изискванията на тъканите ускорява или забавя образуването на пировиноградна киселина

Гликолиза 1-ва реакция: фосфорилиране глюкоза → глюкоза-6-фосфат - глюкоза-6-фосфатът не преминава през мембраната, хексокиназа - регулаторен ензим, различни тъкани, фосфорилиране на хексози, - инхибиране: глюкоза-6-фосфат, високо съотношение ATP/ADP, - ниско Km, глюкокиназа - чернодробни и ß клетки на панкреаса, - фосфорилиране на глюкоза във фаза след резорбция, - ↑ нива след прием на въглехидрати и измиване на инсулин, - не инхибирано от глюкозо-6-фосфат, - високо Km. Реакция 2: изомеризация на глюкозо-6-фосфат ↔ фруктоза-6-фосфат глюкоза-6-фосфат изомераза (фосфоглюкозна изомераза)

Трета реакция на гликолиза: необратимо фосфорилиране фруктоза-6-фосфат → фруктоза-1,6-бисфосфат фосфофруктокиназа 1 (PFK 1) - реакция, ограничаваща скоростта, - регулаторен сайт. Регулация: енергиен статус на клетките, а) ↑ ниво на АТФ и ↑ ниво на цитрат → - PFK 1, б) ↑ ниво на АМР → + PFK 1, в) фруктоза-2,6-бисфосфат а) силен активатор на PFK 1, б) фруктоза инхибитор -1,6-бисфосфатази (глюконеогенеза), - реципрочен ефект върху гликолизата и глюконеогенезата, - метаболизъм: 1. образуване → фосфофруктокиназа 2 (PFK 2), 2. разграждане → фруктоза бисфосфатаза 2 (FBF 2), - киназна и фосфатазна активност - 2 домена в една бифункционална ензимна молекула

Реакция 5: изомеризация Гликолиза Реакция 4: разцепване на фруктоза-1,6-бисфосфат ↔ глицералдехид-3-фосфат + дихидроксиацетон фосфат алдолаза А Реакция 5: изомеризация на дихидроксиацетон фосфат ↔ глицералдехид-3-фосфат триосфосфосфосфат триошофат

Гликолиза - превръщане на фруктоза-1,6-бисфосфат (6 С, 2 Р) в 2 триози (3 С, 1 Р) - по време на превръщането на триозата в пировиноградна киселина се образуват междинни продукти на две места, към които се свързва фосфорната киселина чрез макроергична връзка - достатъчно голяма за образуването на фосфорилиране на субстрата на АТФ - трансфер на фосфорна киселина към ADP

Гликолиза - по време на реакцията на окисление във втората фаза на гликолиза се образува редуциран NADH + + H + - при аеробни условия водородът може да бъде прехвърлен към крайното окисление, като по този начин се създават условия за образуването на три АТФ (на триоза) в процес на окислително фосфорилиране - при анаеробни условия водородите от редуциран NADH + + H + се прехвърлят в пировиноградна киселина - полученият продукт на гликолиза по този начин е млечнокисела лактат дехидрогеназа

Реакция 6: окисление на глицералдехид-3-β → 1,3-бисфосфоглицерат гликолиза Реакция 6: окисление на глицералдехид-3-β → 1,3-бисфосфоглицерат глицералдехид-3-β-дехидрогеназа - коензим NAD + aH конверсия на киселина пировиноградна киселина в млечна киселина b) окисляване на NADH в дихателната верига - фосфорилиране на субстрата - окисление на алдехидна група → карбоксилна група - свързване на фосфат чрез макроергична връзка - синтез на 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-BFG) бисфосфоглицерат мутаза: високо ниво на разлагане на Ery: 3-фосфоглицерат

1,3-бисфосфоглицеринова киселина ↔ 3-фосфоглицеринова киселина Гликолиза 7-ма реакция: образуване на АТФ 1,3-бисфосфоглицеринова киселина ↔ 3-фосфоглицеринова киселина фосфоглицерат киназа - 2 молекули АТФ 8-ма реакция: вътрешномолекулен трансфер на фосфатна 3-фосфоглицеридна киселина -фосфоглицеринова киселина фосфоглицерат мутаза Реакция 9: дехидратация 2-фосфоглицеринова киселина ↔ фосфоенолпирувинова киселина енолаза - енергиен трансфер в молекулата - образуване на енол фосфатна връзка

- образуване на АТФ чрез субстратно фосфорилиране - регулиране на подаването напред Гликолиза 10. реакция: образуване на АТФ фосфоенолпирувинова киселина → пирувинова киселина пируват киназа - 2 молекули АТФ - образуване на АТФ чрез субстратно фосфорилиране - подаване напред регулиране на черния дроб: фруктоза-1,6 -бисфосфат активира пируват киназа 2 киназни дейности: ↑ фосфофруктокиназа 1 → ↑ пируват киназа) - ковалентна модификация на пируват киназа - фосфорилиране - cAMP зависима протеин киназа - черен дроб: ↑ глюкагон (ниска глюкоза) → ↑ c AMP → фосфорилиран протеин (фосфорилиран фосфорилиран фосфорил) неактивен) - дефосфорилиране → дефосфаторен активен) - фосфоенолпирувинова киселина - влизане в глюконеогенезата

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

Метаболизъм на чернодробната глюкоза GLUT 2 LERER GLU GLUCOSE PC GLU 6 GLYCOGEN P GLUCURONIDES PYRUVATE LACTATE ACETYL CoA H + FATS TCA ATP

Метаболизъм на глюкоза-6-Р в еритроцитите

Превръщане на пировиноградна киселина → млечнокисела лактат дехидрогеназа (LD) a) анаеробна гликолиза в еукариотни клетки b) Ery, Leu, леща, роговица, бъбречен мозък, тестиси 1. образуване на млечна киселина в мускула - по време на тренировка, производство на енергия под анаеробна условия - ↑ производство NADH (глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа) + цикъл на Кребс - ↓ pH → мускулна болка - млечна киселина в кръвта 2. консумация на млечна киселина - противоположен ефект на лактат дехидрогеназа - черен дроб: а) Lac → Pyr → Glu ( глюконеогенеза) б) Lac → Pyr → цикъл на Krebs - миокард: Lac → Pyr → цикъл на Krebs

Превръщане на млечна киселина 1. окислително декарбоксилиране на млечна киселина - пируват дехидрогеназа (комплекс) - образуване на ацетил-КоА 2. карбоксилиране на млечна киселина - пируват карбоксилаза - образуване на оксалат ацетат 3. редукция на млечна киселина до етанол (микроорганизми) а) декарбоксилиране на пируват - пируват декарбоксилаза б) етанол

ПИРУВАТЕН ДЕХИДРОГЕНАЗЕН КОМПЛЕКС ЛАКТАТНА ДЕХИДРОГЕНАЗА, важен в еритроцитите, левкоцитите (и други клетки с/без митохондрии) и в скелетните мускули по време на контракция) физиологично обратим в тъкани с ↓ NADH/NAD +, напр. черен дроб, сърдечен мускул, локализиран в цитозола СИНТЕЗ НА ЕТАНОЛ се появява в дрожди, някои бактерии (включително чревна флора) тиамин пирофосфат-зависим път, разположен в цитозола СО2 Етанол Ацеталдехид ПИРУВАТ Лактат (Тиамин-PP) NAD NAD + NADH + H + NADH + H + Oxalate Acetyl-CoA PYRUVATE CARBOXYLASE биотин се използва като протетична група активиран ацетил CoA в черния дроб попълва междинни продукти от цикъла TCA осигурява субстрати за необратима реакция на глюконеогенеза, локализирана в митохондрии PYRUVATE DEHYDROPHADAMINE THYTHATHYA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHA THYTHATHYA THYTHA и необратима реакция на синтез на мастни киселини, локализирана в митохондриите

Енергиен баланс на гликолиза: 1. анаеробна гликолиза Glu + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O а) образуване на ATP - 2 молекули ATP на 1 молекула глюкоза - малък енергиен прираст - клетки и тъкани без, респ. . с малък брой митохондрии: Ery, Leu, k. костен мозък, бъбреци б) Производство на NADH - няма нетна печалба - 1x NADH + (глицералдехид дехидрогеназа) - 1x NADH - (лактат дехидрогеназа)

Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O 2-ра аеробна гликолиза Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O - консумация на 2 ATP (реакции на фосфорилиране) - образуване на 4 ATP (2 x 2 ATP) - нетна печалба от 2 ATP - 2 x NADH → 6 ATP (3 ATP/NADH в цикъла на Кребс) Сравнение на енергийната печалба - от глюкоза след образуване на млечнокисела гликолиза: 2 ATP (на ниво субстрат) - при изгаряне на глюкоза до CO2 и H2O в аеробна среда гликолиза + цитратен цикъл + крайна окисленост: 38 ATP (от които 34 чрез окислителна фосфорилиране)

Краткосрочно регулиране на гликолизата (мин или h) - алостерично активиране/инхибиране - дългосрочно фосфорилиране/дефосфорилиране (часове - дни) - хормонално (инсулин, глюкагон) - 10 - 20 пъти повишаване на ензимната регулаторна активност ензими а) глюкокиназа б) фосфофруктокиназа в) пируват киназа

- ключов регулаторен ензим: фосфофруктокиназа Регулиране на гликолизата - ключов регулаторен ензим: фосфофруктокиназа - катализира превръщането на фруктоза-6-фосфат във фруктоза-1,6-бисфосфат - скоростта на метаболитния път на гликолиза ще зависи главно от енергийния заряд на клетката - ако клетката има достатъчно АТФ → пирувиновата киселина намалява - висока концентрация на АТФ алостерично намалява фосфофруктокиназната активност - висока концентрация на АМФ → сигнал за ускорена гликолиза (АТФ е изразходван за покриване на енергийните нужди на организма) - АМФ е алостеричен активатор на фосфофруктокиназа

- активността на фосфофруктокиназата и по този начин ускоряването на изгарянето на глюкозата значително увеличава алостерично фруктозата-2,6-бисфосфат - висока концентрация на глюкоза в кръвта - извличане на инсулин - инсулинът ускорява: а) проникването на глюкоза в клетките б) гликолиза чрез фруктоза-2,6-бисфосфат - ниска кръвна глюкоза - глюкагон, екскретиран от панкреаса - глюкагон забавя гликолизата чрез фруктоза-2,6-фосфат (защита на ниската кръвна глюкоза за мозъчната функция) - и двете трансформации водят до връщане на гликемията към нормалното

Клинично приложение 1. Вроден дефицит на гликолиза ензими а) пируват киназа (95%) б) фосфоглюкоза изомераза (4%) - диференциална експресия в клетките и тъканите - пируват киназа - Leu, Ery - триоза фосфат изомераза - Ery, Leu, мускули, Прояви на ЦНС: хемолитична анемия: без терапия респ. фолиева киселина 2. Лактатна ацидоза - анаеробна гликолиза - производство на енергия при недостиг на кислород (IM, белодробна емболия, кървене) - млечна киселина в кръвта - информация за „кислороден дълг“ - оценка на тежестта на шока - наблюдение на лечението и възстановяването

- разбивка на съхранението на гликоген, глюконеогенеза - липса на глюкоза в диетата - намаляване на кръвната глюкоза. - опит за заместване на кръвната глюкоза от вътрешни източници. - необходимо непрекъснато снабдяване с глюкоза - мозък, ера, бъбречен мозък, леща, роговица, тестиси, работещ мускул. Два механизма: - разграждане на запасите от гликоген, - образуване на глюкоза от невъглехидратни източници. - глюконеогенеза, разположена на 90% в черния дроб и 10% в бъбреците по време на продължително гладуване - основни несахаридни субстрати (алфа-оксокиселини, глицерол, млечна киселина) - чрез пировиноградна киселина - влизане в реакции, много подобни на гликолизата

Глюконеогенеза - обратимите реакции на глюконеогенезата катализират същите ензими като обратимите реакции при гликолизата, - ензимите, които катализират необратими реакции при гликолизата (фосфокинази), се заместват в глюконеогенезата с ензими с противоположен ефект (фосфатази), - фосфатазата е от особено значение глюкозният трансфер от клетките до кръв. Процесът на глюконеогенеза ускорява глюкагона и инсулинът има обратен ефект. Процесът на глюконеогенеза се засилва чрез инхибиране на гликолизните ензими.

Метаболитен път на глюконеогенезата: - глюконеогенезата не е обратима гликолиза - три реакции са необратими: 1. превръщане на фосфоенолпирови киселина в пирувинова киселина пируват киназа а) пировинокиселина - карбоксилиране → оксалооцетна киселина пируват карбоксилат - канцерогенно лечение активиране - ацетил-КоА б) оксалоцетна киселина → фосфоенолпирови киселини фосфоенолпируваткарбоксикиназа (цитоплазма) оксалооцетна киселина - транспорт от митохондрии до цитоплазма - малат - реоксидация до оксалооцетна киселина

2. дефосфорилиране на фруктоза-1,6-бисфосфат фруктоза-1,6-бисфосфатаза - необратима реакция: фосфофруктокиназа 1 (гликолиза) - регулаторен сайт: а) клетъчен енергиен статус + ↓ АМФ; ↑ ATP - ↑ AMP б) регулиране чрез фруктоза-2,6-бисфосфат - инхибиране на фруктоза-1,6-бисфосфатаза алостерично 3. дефосфорилиране на глюкоза-6-фосфат глюкоза-6-фосфатаза - локализация: черен дроб, бъбреци Обобщена реакция 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-Р Фруктоза-1,6-бисфосфатаза Фруктоза-1,6-бисфосфат Глицералдехид-3-Р Дихидроксиацетон фосфат 1,3-бис фосфоглицеринова киселина 2-фосфоглицеринова киселина Фосфоенолпирувинова киселина Пируват Млечна киселина Фосфоенолпируват-Пируват карбоксилаза (MIT) карбоксикиназа (CYT) Оксалооцетна киселина CO2

Глюконеогенеза Субстрати за глюконеогенеза: 1. глицерол - продукт на липолиза (TAG) в мастната тъкан - транспорт до черния дроб - фосфорилиране → глицерол фосфат (окисление) → дихидроксиацетон фосфат 2. млечна киселина Кори цикъл - глюкоза (черен дроб) → кръв → мускул → млечна киселина (кръв) → черен дроб (глюконеогенеза) 3. α-кетокиселини - пируват, оксалоацетат, алфа-кетоглутарат - глюкогенни аминокиселини - Ala, Ser, Gly, Cys, Thr (пируват); Asp (оксалоацетат); Glu (алфа-кетоглутарат)

Цикъл на кори и глюкоза-аланин

Регулиране на глюконеогенезата Глюкагон - стимулиране на глюконеогенезата а) намалява нивото на фруктоза-2,6-бисфосфат - активиране на фруктоза-1,6-бисфосфатаза - инхибиране на фосфофруктокиназа 1 (гликолиза) б) ковалентна модификация на ензимната активност - цАМФ → активен протеин киназа P → неактивна протеин киназа A → неактивна) => натрупване на фосфоенолпирувинова киселина Наличност на субстрат ↓ инсулин → мобилизация на протеини → глюкогенна АК Алостерично активиране на ацетил-КоА ↑ ацетил КоА → стимулация на пируват карбоксилаза (черен дроб)

Активиране на множество ензими Глюкагон (↓) Инсулин (↑) рецептор Клетъчна мембрана Клетъчна мембрана Аденилат циклаза Активиране на множество ензими ATP cAMP 2. Намалена активност на протеин киназа А благоприятства дефосфорилираната форма на FFK-2/FBF-2 комплекс 1. Висок инсулин/съотношението на глюкагон причинява намаляване на сАМР и намалява нивата на активна протеин киназа А Активна протеин киназа А (↓) FBF-2 = фруктоза бисфосфат фосфатаза-2 FFK-2 = фосфофруктокиназа-2 Фруктоза-6-фосфат ATP ADP PP ATP FFK- 2 бездейства. FBF-2 бездейства. Акт FBF-2. Акт FFK-2. Фосфофруктокиназа-2 Pi ADP + Фруктоза-2,6-бисфосфат (↑) 4. Повишената концентрация на фруктоза 2,6-бисфосфат активира FFK 1, което води до повишена скорост на гликолиза Фруктоза-1,6-бисфосфат 3. Дефосфорилиран FFK -2 е активен, докато FBF-2 е неактивен; което благоприятства образуването на фруктоза 2,6-бисфосфат

Глюкагон (↑) Рецептор на инсулин (↓) Клетъчна мембрана Клетъчна мембрана Аденилат циклаза ATP cAMP + PPi 2. Повишена активност на протеин киназа А благоприятства фосфорилираната форма на комплекс FFK-2/FBF-2 1. Ниското съотношение инсулин/глюкагон причинява намаляване на cAMP и повишава нивата на активна протеинкиназа А; пируват киназа-P неактивен Активен протеин киназа А (↑) FBF-2 = фруктоза бисфосфат фосфатаза-2 FFK-2 = фосфофруктокиназа-2 Pi Фруктоза-6-фосфат ATP ADP P Pi P FFK-2 акт. Акт FBF-2. FBF-2 бездейства. FFK-2 бездейства. Фруктоза бисфосфат фосфатаза-1 Pi H2O - Фруктоза-2,6-бисфосфат (↓) 4. Намалената концентрация на фруктоза 2,6-бисфосфат забавя активирането на FFK 1, което води до повишена скорост на глюконеогенеза Фруктоза-1,6- бисфосфат 3. Фосфорилираният FF е неактивен, докато FBF-2 е активен; което предотвратява образуването на фруктоза 2,6-бисфосфат