Glykogenstoffwechsel und Gluconeogenese

Transkript

1 Glykogenstoffwechsel und Gluconeogenese 1. Glykogenabbau 2. Glykogensynthese 3. Kontrolle des Glykogenstoffwechsels 4. Gluconeogenese 5. Andere Biosynthesewege für Kohlenhydrate

2 Glykogen Stärke Speicherung von Glucose In Tieren: Gehrin und Erythrocyten -> Energieversorgung mit Glucose (Fettverbrennung in diesen Geweben nicht möglich). Leber speichert Glucose in Form von Glykogen -> Glucoseversorgung 1/2 Tag Fasten -> Gluconeogenese (aus Aminosäuren). Glykogenabbau defekt -> Muskelkrämpfe nach Anstrengung = McArdle-Krankheit

3 Übersicht über den Glucose Stoffwechsel

4 1. Glykogenabbau Freisetzung von Glucose beginnt hhier Viele nicht-red. Enden -> schnelle Mobilisierung von Glucose möglich Glykogen in Muskel und Leber Glykogengranula (mit Enzymen für Synthese und Abbau) Glykogenolyse: 1. Glykogen-Phosphorylase -> G1P bis zu 5 Einheiten vor branching 2. Glycogen Debranching Enzyme 3. Phosphoglucomutase G1P zu G6P

5 C-term A. Glykogen-Phosphorylase PLP-Bindungstelle Cofaktor Pyridoxalphosphat (PLP) katalytisches Zentrum Katalysiert kontrollierenden Schritt des Glykogenabbaus. Reguliert durch: allosterische Wechselwirkungen kovalente Modifikationen 2 Untereinheiten N-term Glykogenspeicherstelle allosterisches Zentrum (AMP) Inhibitoren: ATP, G6P, Glucose Aktivatoren: AMP Phosphorylierte Form -> Phosphorylase a Dephosphoform -> Phosphorylase b Spalt für vier- oder fünfgliedrige Kette -> Glucosereste näher als 5 Einheiten an branch nicht abgebaut Gleichzeitige phosphorylierung mehrerer Glucosereste eines Glykogens -> keine Dissoziation und Assoziation nötig.

6 Reaktionsmechanismus der Glykogen-Phosphorylase PLP 3 2

7 Konformationsänderungen in der Glykogen-Phosphorylase inaktiv Phosphorylase a aktiv Phosphoryl. Stelle Ser14 N-terminale Reste AMP Turmhelix PLP P Arg 569 Substratphosphat interakt. ATP stabilisiert T Form Phosphorylierung and Ser14 -> Aktiv auch ohne AMP (Phosphorylase a) Phosphorylase b dagegen braucht AMP um aktiv zu sein Doppelter Regulationsmechanismus->Feinregulation

8 B. Glykogen-Debranching Enzym 1. Glykosyltransferase Reaktion 2 unabhängige katalytische Aktivitäten in Glykogen-Entzweigungsentzym 2. Hydrolyse von Glucose -> ca. 10% der der Glykogenreste (Verzweigung) als Glucose und nicht als G1P freigesetzt. Phospohrylase-Reaktion viel schneller als Debranching -> äusserste Zweige von Glykogen sehr schnell abgebaut, dann langsam wegen Entzweigung -> Muskel kann nur für ein paar Sekunden maximale Anspannung aufrechterhalten.

9 C. Phosphoglucomutase Vrgl. Phospohglycerat-Mutase (phosphorylgruppe an His-Rest) Gleichgewichtsreaktion in beide Richtungen Wie wird G6P in andere Gewebe übertragen? In Leber Enzym Glucose-6-phosphatase -> G6P + H2O -> Glucose + Pi d.h. G6P wird in Glucose Umgewandelt da G6P Zellmembran nicht passieren kann. Glucose in Blut zu Gewebe. Muskel hat keine Glucose-6-phosphatase -> kann G6P nicht abgeben.

10 2. Glykogensynthese Synthese- und Abbauwege von Glykogen sind getrennt Physiologische Bedingungen für beide Wege etwa gleich D.h. können nicht Umkehrwege sein -> Synthese und Abbau getrennt McArdle Krankheit Keine Glykogen Phosphorylase -> Kein Glykogenabbau Jedoch findet man Glykogen in Muskel -> Synthese intakt und braucht keine Glykogen-Phospohrylase

11 A. UDP-Glucose-Pyrophospohorylase Umwandlung von G1P in Glykogen ist thermodynamisch ungünstig. -> exergoner Schritt nötig -> aktivieren von G1P unter Verbrauch von UTP es entsteht UDP-Glucose Von UDP-Glucose-Phospohorylase katalysierte Reaktion

12 B. Glykogen-Synthase UDP-Glucose wird auf C4-OH des nicht reduzierenden Endes von Glykogen Übertragen -> eine α(1->4) glykosidische Bindung entsteht (-13.4 kj/mol) Bei erster Reaktion wird UTP verbraucht -> nach Synthase Reaktion 1 UDP frei- Gesetzt. UDP +ATP <-> UTP + ADP -> UTP verbrauch entspricht ATP verbrauch Glykogen-Synthase in 2 Konformationen: a-form (aktiv, dephospohoryliert) b-from (inaktiv, phosphoryliert) Konvention für Enzyme: a -> aktive From b -> inaktive Form Ist nicht gleichzusetzen mit Phosphorylierungsstatus -> ist umgekehrt in Phosphorylase! Hemmung von Synthase durch Gluconolacton -> imitiert Oxonium ion Glykogensynthese wird von Glykogenin (Protein) initiert. Tyrosin-Glucosyltransferase Bindet Glucose and Tyr 194. Bis zu 7 Glucose Moleküle -> Starter = Primer -> Glykogen-Synthase verlängert den Starter.

13 C. Glykogen-Verzweigungsenzym Glykogen-Synthase -> α Amylose Verzweigungen werden durch Amylo(1,4->1,6)-Transglykosylase (=branching enzyme) gemacht. 7 Reste einer mindestens 11 Reste Langen Kette werden auf gleiche oder andere Kette übertragen mit Einem Abstand von mindestens 4 Resten zu einer Verzweigung

14 3. Kontrolle des Glykogenstoffwechsels Glykogensynthese und Abbau nicht gleichzeitig, da sonst verschwendung von UTP-hydrolyse. Regulation des Glykogenstoffwechsels auf 2 Ebenen: 1. Allosterische Kontrolle (AMP,ATP, G6P) 2. Hormonelle Kontrolle (Glucagon, Adrenalin) führt zu kovalenter Modifikation A. Direkte allostersiche Kontrolle von Glykogen-Phosphorylase und -Synthase Nettofluss = V for - V rück Gleichgewichtsreaktion -> lim 0 -> nicht kontrollierbar -> 2 Reaktionen -> V for und V rück verändern sich unabhängig voneinander -> Kontrolle der Reaktionsrate und der Reaktionsrichtung. Phosphorylase aktiviert durch AMP gehemmt durch ATP G6P aktiviert Synthase -> hoher Bedarf and ATP -> Aktivierung der Phosphorylase und Hemmung der Synthase Zusätzlich überlagertes Kontrollsystem das Ansprechempfindlichkeit reguliert (Phosphorylierung)

15 B. Kovalente Modifikation der Glykogen-Phosphorylase und der -Synthase PKA Regulatorsiche Kaskade -> 1. Reaktion auf verschiedene metabolische Signale 2. Verstärker Effekt Zu beachten: Phosphorylierung und Enzymaktiviät (aktiv oder Inaktiv) ist von Enzym zu Enzym verschieden). Glkogenphosphorylase wird durch Phosphorylierung aktiviert. 3 Enzyme: 1. Phosphorylase-Kinase -> P an Ser14 von Glykogenphosphorylase b 2. camp abh. Proteinkinase (PKA) -> P an Phosphorylase kinase führt zu aktivierung 3. Phosphoprotein-Phospohatase 1->Phosphorylase a + Phosphorylase-Kinase dephosph. -> Inaktivierung

16 Phosphorylase b reagiert empfindlicher als Phosphorylase a auf allosterische Effektoren In ruhenden Zellen -> ATP, G6P Hoch -> Phosphorylase b gehemmt. -> Aktiviät der Phosphorylase stark Von Menge an Phosphoryase a Abhängig -> Diese Menge abhängig von relativen Aktivitäten von Phosphorylase-Kinase PKA und Phosphoprotein-Phosphatase1

17 camp-abhängige Proteinkinase (PKA) Primäres intrazelluläres Signal für die Aktivierung der Glykogen-Phosphorylase Durch Phosphorylase-Kinase ist camp. Abhängig von Adenylat Cyclase (AC) und Phospohdiesterase (PDE) Adenylat Cyclase ist Transmembranprotein Das durch Hormonrezeptoren an der Zell- Oberfläche aktiviert wird -> camp Synthese -> Aktivierung von PKA PKA phosphoryliert Ser und Thr-Reste zellulärer Proteine. Kinase erkennungssequenz Arg-Arg-X-Ser/Thr-Y (wobei X=kleine AS und Y= grosse hydrophobe AS) PKA 4 Untereinheiten (2 regulatorische, 2 catalytische). camp bindet regulatorische -> dissoziation -> aktive catalytische Monomere R2C2 + 4 camp <-> 2C + R2(cAMP)4 -> camp bestimmt Substratphosphorylierung

18 Adenylatcyclase Signalsystem Hormone, Wachstumsfaktoren Neurotransmitter, Toxine AC PDE PKA z.b. Phosphorylase-Kinase Glykogen-Phosphorylase a -> Glykogenabbau

19 Struktur der C-Untereinheit der Maus PKA ATP Konservierte AS in allen PKA Auf Zielsequenz übertragenes Phosphat Konsensussequenz für Phosphorylierung Peptid 10% aller Proteine in Säugern sind phosphoryliert!!

20 Phosphorylase Kinase Aus 4 Untereinheiten α, β, γ, δ γ Untereinheit -> katakytisches Zentrum α und β Phosphorylierung -> Aktivierung δ Bindungstelle für Ca2+ (=Calmodulin CaM) Kinasedomäne der Phospohrylase-Kinase Blau = N-term Orange = C-term ATP Sequenz stimmt zu36% mit PKA überein Diese γ-untereinheit wird aber nicht phosphoryliert -> Glu-Rest imitiert Anwesenheit von Phosphatgr. Im C-terminalen Bereich Pseudosubstrat (Peptid- Kette, nicht gezeigt in Abbildung) -> kinase blockiert -> Aktvierung -> wird weggezogen.

21 Calmodulin (CaM), δ-ue Phosphorylase kinase 10^-7 M Ca2+ aktiviert CaM -> Pseudosubstrat aus γ-ue wird Abgezogen -> Kinase wird aktiviert. In Lösung nicht Helical Zielpeptid Ca2+ Freisetzung nach Muskelkontraktion -> Phospohrylase Kinase Aktiviert -> Glykogenabbau Abbaurate von Glykogen ist an Muskelkontraktion gekoppelt.

22 Phosphoprotein Phosphatase 1 (PP1) Regulation der PP1 im Muskel und Leber Verschieden. Im Muskel -> PP1 via G Untereinheit an Glykogen gebunden. G UE wird reguliert. Insulin -> Phospohrylierung G UE -> PP1 aktiver -> weniger Phospohorylierung Der Glykogen-Phosphorylase -> mehr Glykogen Synthese Adrenalin -> Phosphorylierung an 2. Stelle -> PP1 dissoziert -> inaktiv -> Mehr P an Glykogen-Phospohryase -> Glykogenabbau In Leber -> PP1 durch Bindung an Phosphorylase a kontrolliert. PP1 bindet an R und T form. Dephos- Phorylierung aber nur im T-Zustand da nur dann Ser14-P für hydrolyse zugänglich -> Übergang von Phospohrylase a in T-Zustand -> dephospohrylierung -> Phosporylase b (niedere Affinität zu PP1) Phosphorylase 10 x mehr als PP1 -> 90% muss als Phosphorylase b vorliegen bis PP1 freigesetzt wird. Glucose -> Phospohrylase a in T-Form -> Glucose in Leber wichtige Kontrollfunktion.

23 Glykogenstoffwechsel im Muskel Synthase Inhibitor

24 C. Hormonelle Einflüsse auf den Glykogenstoffwechsel Wirken auf Membranrezeptoren und lösen Signalkaskaden über Sekundäre Botenstoffe (second messengers) aus. = Adrenalin, Noradrenalin

25 Adenylatcyclase Signalsystem Hormone, Wachstumsfaktoren Neurotransmitter, Toxine AC PDE PKA z.b. Phosphorylase-Kinase Glykogen-Phosphorylase a -> Glykogenabbau

26 Glucagonrezeptoren, α und β adrenerge Rezeptoren Adrenalin Adrenalin

27 4. Gluconeogenese Bei Fasten -> keine Glucoseaufnahme -> Glucose wird aus Vor- Läufermolekülen synthetisiert (Pyruvat, Lactat, Zwischenprodukte des Citratzyklus, C-Gerüst der Aminosäuren). -> umgewandelt in Oxalacetat. Leucin, Lysin und Fettsäuren können in Tieren nicht in Glucose Umgewandelt werden. Viele Enzyme der Glykolyse arbeiten in der Gluconeogenese in umgekehrter Richtung mit Ausnahme der Enzyme die in rot Dargestellt sind.

28 A. Vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat 2 spezifische Enzyme: Pyruvatcarboxylase Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Pyruvat-Carboxylase trägt Biotin als prosthetische Gruppe reversibles Binden von CO2

29 Pyruvat-Carboxylase Reaktion verläuft in zwei Phasen

30 PEP-Carboxykinase

31 Gluconeogenese erfordert den Transport von Metaboliten zwischen Mitochondrien und Cytosol Synthese von Oxalacetat aus Pyruvat in Mitochondrien. Gluconeogenese aber in Cytosol -> Transport durch Mitochondrienmembran Umwandlung von Oxalacetat entweder zu Malat oder Aspartat. PEP mittels spezifischen Transportprotein verschoben. Unterschied Weg1 zu2: Reduktionsäquivalente -> NADH für Gluconeogenese gebraucht -> Weg2 Läuft normalerweise ab. Ausser Lactat Wird verbraucht -> Weg1 Alles Gelichgewichtsreaktionen -> Malat-Aspartat Schuttle kann auch umge- Kehrt werden -> NADH in Mitochondrien -> für oxidative Phosphorylierung

32 B. Hydrolytische Reaktionen 2 Pyruvat + 6ATP äquivalente -> Glucose Glucose -> 2 Pyruvat + 2 ATP -> unabhängige Regulation der 2 Wege kostet 4 ATP

33 C. Regulation der Gluconeogenese 3 Substratzyklen -> 3 potentielle Regulationspunkte F2,6P aktiviert Phosphofructokinase (PFK) und hemmt die Fructose-1,6-Bisphosphatase (FBPase) Nettofluss durch diesen Substratzyklus wird durch die Konzentration von F2,6P (FBP) bestimmt. F2,6P -> allosterischer Aktivator der PFK und gleichzeitig Inhibitor der FBPase.

34 Balance zwischen Synthese und Abbau: Beide Enzymaktivitäten im selben Protein -> homodimeres bifunktionelles Enzym. -> allosterischer Effektor beeinflusst beide Aktivitäten gleichzeitig. Auch Regulation durch phosphorylierung (PKA, Ppase) -> hormonelle Kontrolle des Gelichgewichts Zwischen Gluconeogenese und Glykolyse.

35 Niedriger Glucosespielgel in der Leber Achtung: In Muskel läuft keine Gluconeogenese ab, da anderes PFK-2 Isoenzym. Skelettmuskel: keine Phosphorylierungsstelle -> keine camp abh. Kontrolle Herzmuskel: andere Phosphorylierungsstelle -> Aktivierung statt Hemmung der PFK-2 durch phosphorylierung als Antwort zu Hormonen die Glykogenabbau im Herzmuskel fördern.

36 Andere allosterische Effektoren beeinflussen den Fluss durch die Gluconeogenese Insulinspiegel (niedrig) und camp (hoch) beeinflussen Langfristig die Mengen an Enzymen. Transkription gefördert Nur durch Substratkonzentration Reguliert -> kein wichtiger Kontrollpunkt für Gluconeogenese Pyruvat-Kinase durch Alanin gehemmt Alanin wird durch Transaminierung zu Pyruvat Pyruvat-Kinase durch phosphorylierung inaktiviert

37 5. Andere Biosynthesewege für Kohlenhydrate Nucleotidzucker ermöglichen die Bildung glykosidischer Bindungen Bildung glykosidischer Bindungen erfordert Zufuhr von freier Enthalpie. Diese Energie wird durch Spaltung von Nucleotidzuckern geliefert. Nucleotidzucker = aktivierter Zucker Wozu werden Oligosaccharide im Körper gebraucht?

38 Glykosylierung von Proteinen O-verknüpfte Oligosaccharide (z.b. an Serin) N-verknüpfte Oligosaccharide (z.b. an Asparagin) O-verknüpfte Oligosaccharide werden im Golgi-Apparat Über ein mehrfaches Anfügen von Monosaccharideinheiten an eine bestehende Polypeptidkette gebildet. GalNAc transferase katalysiert Verknüpfung an Serin.

39 N-verknüpfte Oligosaccharide werden an Dolichol-Trägern synthetisiert Synthese von N-verknüpften Oligosacchariden erfolgt ein einem Lipidträger, Dolicholphosphat Verankert wachsendes Oligosaccharid in der Membran des Endoplasmatischen Reticulums

40 Stoffwechsel der Dolichol-PP-Oligosaccharidsynthese Dolichol-P-Derivate über- Tragen Oligosaccharid auf Asn-X-Ser/Thr Oligosaccharid an Dolichol-P findet teilweise in der cytosolischen Seite, teilweise in der luminalen Seite des ER Statt. Entstehender Oligosaccharid Baum flippt von einer Seite Der Membran zur anderen. Glykoprotein wird dann im Golgi Apparat prozessiert wo spezifische Glykosylasen bestimmte Mono- Saccharide abspalten und Glykosyltransferasen spezifische Reste angefügt werden. (siehe Vorlesung Zucker und Polysaccharide, Kapitel Glyco- Proteine). Bacitracin verhindert dies -> keine normale Zellwandbiosynthese in Bakterein. Es kann aber tiereische Zellmembranen nicht über- Winden -> Bacitracin als Antibiotikum gebraucht