of 52 /52
UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE Biochimie metabolica

Metabolismul glucidelor 1

Embed Size (px)

Text of Metabolismul glucidelor 1

  • UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI

    CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE

    Biochimie metabolica

  • Catabolismul principalelor tipuri de biomolecule (proteine, polizaharide si lipide) parcurge in celulele aerobe 4 faze

    I

    II

    III IV

    I hidroliza la unitati de baza: aminoacizi, monozaharide, acizi grasi - in citosol

    II scindarea unitatilor de baza la acetil CoA - in mitocondrie

    III oxidarea gruparii acetil la 2 moli de CO2 in ciclul Krebs (in prezenta NAD+, FAD) in mitocondrie

    IV - refacerea NADH si FADH2 in cadrul catenei transportoare de electroni mitocondriale (CTEM) proces exergonic cuplat cu fosforilarea ADP (fosforilarea oxidativa)

    3

  • 4

  • Glicogen

    Glucozo P glucoza

    Piruvat

    Acetil CoA

    CO2, H2O, ATP

    glicogenoliza

    glicoliza

    ATP

    Hexokinaza/ glucokinaza

    Complexul piruvat dehidrogenazei

    Ciclul Krebs + fosforilarea oxidativa

    Lactat Lactat DHaza

    Etanol

    CO2

    Alcool DHaza

    Pentozo P

    + NADPH

    suntul pentozo P

    zaharoza

    lactoza

    fructoza

    galactoza

    Catabolismul glucidelor

    5

  • GLICOLIZA

    Calea Embden Mayerhof Parnas 10-11 etape enzimatice

    Cea mai veche cale metabolica legatura cu fermentatiile

    In citoplasma animalelor, plantelor, majoritatii bacteriilor

    Viteza maxima in celulele musculare, unde furnizeaza energie (ATP) pt

    contractia musculara

    Glicoliza aeroba

    C6H12O6 + 2NAD+ + 2 (ADP + Pi) 2 PIRUVAT + 2 NADH+ 2 ATP

    Glicoliza anaeroba

    C6H12O6 + 2 (ADP + Pi) LACTAT + 2 ATP

    6

  • Prima faza a glicolizei C6 2 C3 consumatoare de 2 moli ATP cuprinde 5 etape enzimatice:

    4 % 96 %

    C6H12O6 + 2 ATP

    2 GAP + 2 ADP

    7

    Glucoza

    Glucozo 6-P

    Fructozo 6-P

    Fructozo 1,6-bisP

    Dihidroxiaceton P

    DHAP

    Gliceraldehid P

    GAP

    ATP

    ADP Hexokinaza/glucokinaza

    fosfoglucomutaza

    fosfofructokinaza

    1

    3

    2

    ATP

    ADP

    aldolaza

    fosfotriozoizomeraza

    4

    5

    Enzimele reglatoare catalizeaza reactii ireversibile 1 si 3

  • A doua faza a glicolizei este formatoare de ATP

    Coeficienti stoichiometrici X 2 deoarece C6 2 C3

    GAP

    1,3-difosfoglicerat

    1,3-DPG

    3-fosfoglicerat

    3-PG

    2-fosfoglicerat

    2-PG

    Fosfoenol piruvat

    PEP

    Piruvat

    NAD+

    NADH GAP DHaza

    H3PO4 6

    Fosfoglicerat kinaza 7

    8 Fosfoglicerat mutaza

    9 Enolaza H2O ADP ATP

    Piruvat kinaza 10

    Reactia 6

    R-CHO + NAD+ + H2O R-COOH + NADH+H+

    Go= 10,3 kcal/mol a

    R-COOH + H3PO4 R-CO~OPO3H2 + H2O

    Go= + 11,8 kcal/mol

    b

    Suma a + b Go= +1,5 kcal/mol

    aproape 0, reactie reversibila

    8

    ADP

    ATP

  • Suma reactiilor 1 - 6 Glucoza + 2 NAD+ + 2 ATP 2 x 1,3-DPG + 2 NADH+2H+ + 2 ADP + 2Pi

    Suma reactiilor 6 + 7 R-CHO + NAD+ + Pi + ADP R-COOH + NADH+H+ + ATP

    Componenta exergonica Componenta endergonica

    reprezinta o fosforilare oxidativa la nivel de substrat

    Bilantul total al glicolizei C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 (ADP + Pi) 2 PIRUVAT + 2 NADH+2H+ + 2 ATP

    Etapa exergonica: C6H12O6 + 2 NAD+ 2 PIRUVAT + 2 NADH+2H+

    Go= 47 kcal/mol

    Etapa endergonica: 2 ADP + 2 Pi 2 ATP + 2 H2O Go= + 14,6 kcal/mol

    Gototal = 47 + 14,6= 32,4 kcal/mol reactie ireversibila

    Randamentul glicolizei: = 14,6/47 x 100 = 31 % tinand seama de valorile Go

    In realitate randamentul glicolizei ~ 53 % (in functie de valorile G)

    9

  • Reglarea glicolizei

    1) La nivelul transportorilor glucozei GLUT 2) La nivelul hexokinazei

    3) La nivelul fosfofructokinazei 4) La nivelul piruvat kinazei

    1) La nivelul transportorilor GLUT

    10

    Glucoza din sange patrunde in celula prin difuzie facilitata de proteinele transportor GLUT- codificate de gene distincte, expri- mati intr-o maniera tesut-specifica

    Glucoza este transporta- ta in sensul gradientului de concentratie, nu nece sita energie (ATP)

  • Schema structurii transporto-rilor GLUT catena polipeptidica de ~ 500 resturi de aminoacizi, 12 segmente de -helix

    sGLUT 1 exprimat majoritar in mucoasa intestinala si tubulii renali, co-transporta o molecula de Glc sau Gal impreuna cu 2 ioni Na+. Nu transporta Fru

    GLUT 1 exprimat in multe tipuri celulare (creier, eritrocite, celule endoteliale, testuri fetale); transporta Glc (cu o inalta afinitate) si Gal. Nu transporta Fru

    11

    sGLUT 1, GLUT 1, GLUT 2, GLUT 3, GLUT 4, GLUT 5

  • GLUT 2 exprimat de celule pancreatice, hepatocite, etc; are o mica afinitate si inalta capacitate de transport; KM ~ 15-20 mM; functioneaza ca un sensor al glicemiei in celulele pancreatice; transporta Glc, Gal si Fru Viteza de intrare a Glc proportionala cu nivelul glicemiei

    GLUT 4 exprimat de celule musculare si adipocite, sensibil la insulina, inalta afinitate pentru Glc; KM 5 mM; creste viteza preluarii glucozei

    Cand nivelul insulinei in sange creste, se leaga la IR care induce t r a n s l o c a r e a G L U T 4 ( s i fosforilarea) din citosol pe membrana favorizand preluarea de glucoza de catre celula din sange (efect hipoglicemiant)

    Cand nivelul insulinei scade transportori i GLUT 4 sunt translocati de la membrana in citoplasma

    12

  • GLUCOZA

    eritrocit

    creier

    ficat rinichi

    GLUCOZA

    INSULINA + + muschi cord adipocit

    13

    B. Transportul glucozei sensibil la insulina (GLUT-4)

    A. Transportul glucozei insensibil la insulina (GLUT 1 sau sGLUT1

  • Controlul glicolizei la nivelul enzimelor reglatoare

    14

  • 2) Reglarea glicolizei la nivelul hexokinazei

    hexokinaza/glucokinaza

    Glucoza + ATP Glucozo 6-P + ADP

    Hexokinaza Glucokinaza

    D-Glc,Fru, Man, GlcNH2 D-Glc

    Enzima reglatoare Enzima comuna

    Inhibata de Glc-6-P Neinhibata

    + Muschi Absenta in muschi

    + Ficat +++ Ficat

    KM 1 x 10-4 M (Glc) KM 1 x 10-2 M (Glc)

    In sange [Glc] 5 mM hexokinaza complet saturata;

    cand [Glc] creste - intervine glucokinaza hepatica

    In diabet glucokinaza insuficienta!!! 15

  • 16

    Hexokinaza enzima musculara, implicata in glicoliza aeroba sau anaeroba

    Glucokinaza enzima implicata in sinteza glicogenului in muschi sau ficat, atunci cand glicemia este crescuta

    Hexokinaza este inhibata de fondul metabolic de glucozo 6-P existent in muschi; glicoliza de la glicogen fiind mai avantajoasa energetic

    glicogen Glc-6-P Piruvat Lactat

  • 3) Reglarea glicolizei la nivelul fosfofructokinazei

    La nivelul ficatului, fosfofructokinaza 1 (PFK-1) este:

    i) Inhibata de [ATP]mari

    ATP se leaga la un situs reglator, diferit de centru catalitic activ, inhibitia este reversata de AMP

    [ATP]/[AMP] scazut stimuleaza PFK-1, stimuleaza glicoliza

    ii) Inhibata de [H+] crescuta, forma-rea excesva de lactat scade pH sangvin produce acidoza

    iii) Inhibata de [citrat] mari iv) Activata de Fru-2,6-bis fosfat, creste afinitatea PFK-1 pentru Fru-6-P, scade efectul inhibitor al ATP, deplaseaza echilibrul T R

    Fru-6-P Fru-2,6 P2 hipoglicemie

    PFK-2

    PS

    PS-fosfataza specifica

    ATP ADP

    H2O Pi

    1 32

    Domeniu reglator PFK2

    250

    PS

    470 Enzima bifunctionala de 55 kDa, cu ambele activitati PFK2 si PS

    17

  • Fru-6-P"

    Fru-1,6-P2"

    F-2,6-P2!

    glicoliza"

    +!

    PFK-2!

    PFK-1"

    Glucagonul (ficat) sau epinefrina (muschi) cresc nivelul cAMP, activeaza PKA. In ficat aceasta conduce la scaderea [Fru-2,6-P2] si inhiba glicoliza.

    In muschi, epinefrina are un efect opus activeaza glicoliza!!!!!! 18

  • Enzima bifunctionala este fosforilata de PKA la nivelul unui rest Ser din domeniul reglator:

    activitatea PS creste

    activitatea PFK-2 scade

    Hipoglicemie glucagon cAMP PKA

    Enzima bifunctionala

    Fru 2,6 bis P Fru 6-P

    Scade glicoliza

    Hiperglicemie Creste glicoliza 19

    Insulina scade nivelul cAMP, creste nivelul Fru-2,6 P2. stimuleaza

    glicoliza

  • La nivelul muschilor, fosfofructokinaza este inhibata de concentratii mari de:

    ATP, citrat, acizi grasi superiori, H+

    4) Reglarea glicolizei la nivelul piruvat kinazei (PyrK)

    Constructii tetramerice din monomeri L (liver) ce predomina in ficat, M (muscle) ce predomina in muschi si A (other tissues)

    Hipoglicemie Glucagon cAMP PKA PyrK (L)-OH PyrK (L)-OP

    inactiveaza

    PEP + ADP PYR + ATP

    PyrK (L)-OH

    PyrK (L)-OP H2O

    Pi ATP

    ADP

    PKA

    + - ATP, ALA Fru-1,6-bis P Efectori alosterici

    20

  • Transformarile piruvatului

    1

    21

    2

    3

  • 1) Transformarea piruvatului in lactat

    Reactia 11 a glicolizei, catalizata de lactat dehidrogenaza

    Piruvat L-lactat

    Cand ecuatia totala a glicolizei devine:

    Glucoza + 2 ADP + 2 P1 2 Lactat + 2 ATP

    In ecuatie nu mai intervine NAD+/NADH datorita cuplarii reactiilor 6-11 care permite refacerea NAD+

    In lipsa etapei 11 a glicolizei refacerea NAD+ se realizeaza prin oxidarea NADH in cadrul CTEM

    22

    Izoenzime

    Cord Lac Pyr Acetil CoA H4 Muschi Pyr Lac M4

  • 23 Glucoza

    Glc-6-P

    Fru-6-P

    Fru-1,6-P2

    DHAP GAP

    6

    1,3-DPG

    3-PG 2-PG PEP

    Pyr

    Lactat

    11

    NAD+

    NADH+

    Acetaldehida

    Etanol

    11 12

    Fermentatia alcoolica

    Fermentatia lactica

  • Muschi

    Contractia musculara necesita mult ATP care sustine contractia musculara

    Lactatul format poate produce dureri musculare, poate fi transportat in ficat unde participa la glucogeogeneza

    Bacterii lactice

    Realizeaza fermentatia homolactica

    24

  • 2) Transformarea piruvatului in etanol

    11 12

    Ecuatia totala a glicolizei este:

    C6H12O6 + 2 (ADP + Pi) 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP

    In ecuatie nu mai intervine NAD+/NADH datorita cuplarii reactiilor 6-12 care permite refacerea NAD+

    25

    Piruvat decarboxilaza are tiamin pirofosfatul (TPP) ca grupare prostetica

    Alte TPP enzime:

    Transcetolaza Componenta A a piruvat dehidrogenazei

  • Piruvat decarboxilaza

    - prezenta la microorganisme

    - absenta la om si animale

    26

    Alcool dehidrogenaza prezenta la

    - drojdii 4 1 Zn2+/mer

    - om (ficat) 2 2 Zn2+/mer metabolizeaza alcoolul ingerat

    CH3-CH2-OH CH3-CHO CH3-COOH CH3-CO~SCoA

    CO2,H2O, ATP

    Grasimi

    NAD+ NADH NAD NADH ATP AMP,Pi

    alcool aldehid acetil CoA

    dehidrogenaza dehidrogenaza sintetaza

  • 27 v.p.20 3. Transformarea piruvatului in acetil CoA

    piruvat NAD+ CoASH

    Acetil CoA CO2

    NADH

    Complexul piruvat

    dehidrogenazei

    Va fi discutat ulterior !

  • INTRAREA OLIGOZAHARIDELOR, FRUCTOZEI SI GALACTOZEI IN GLICOLIZA

    Invertaza-zaharaza-sucraza lactaza- galactozidaza

    28

  • Fructoza

    Adipocit

    [Fru] >>> [Glc]

    Fru 6-P Fru 1-P

    DHAP Gliceraldehida

    GAP

    Ficat

    [Glc] >>> [Fru]

    hexokinaza

    ATP ATP

    fructokinaza

    Fru 1-P aldolaza (tip B)

    ATP Gliceraldehid kinaza

    G L I C O L I Z A

    29

  • galactokinaza

    Gal + ATP Gal-1-P + ADP

    uridilil transferaza

    Gal 1-P + UDP-Glc Glc 1-P + UDP-Gal

    4-epimeraza

    UDP-Gal UDP-Glc

    Fosfoglucomutaza

    Glc 1-P Glc 6-P

    Gal + ATP Glc 6-P + ADP

    30

  • 31

  • Intoleranta la fructoza

    Maladie genetica, deficienta in aldolaza tip B, acumulari de Fru 1-P, bolnavii nu suporta glucide, Fru nu alimenteaza glicoliza

    Galactozemie

    32

    Maladie genetica, poate lipsi orice enzima din calea de alimentare a glicolizei cu Gal, mai frecvent uridilil transferaza, Gal nu alimenteaza glicoliza

    Acumularea de Gal toxica

    aldozo reductaza

    Galactoza galactitol (toxic, acumulari in ochi, cataracta)

    Simptome

    Cataracta, crestere lenta, retardare mentala, insuficienta hepatica, voma, diaree, icter, moarte

    Se impune scoaterea Gal (laptelui) din dieta

  • UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI

    CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE

    Biochimie metabolica

  • 3

  • 4

  • 5 Glicogenul

    Forma de stocare a energiei metabolice

    Structura ramificata care expune capetele nereducatoare la nivelul carora actioneaza enzimele metabolismului glicogenului

    Muschi: 1-2 % din greutate

    Ficatul: 10 % din greutate

    Resturi de -glucoza

    Legaturi -1,4 si -1,6 glucozidice

    O ramificare la 8-10 resturi glucoza legate -1,4

  • Glicogenul organizat in granule citoplasmatice cu un diametru de 100-400 , pe care sunt sorbite enzimele si proteinele neenzimatice implicate in metabolismul glicogenului. Dupa masa >10% greutatea ficatul reprezinta glicogen

    6

  • 7

    Scindeaza legaturi -1,4

    Fosforoliza

    Stopeaza actiunea la 5 resturi inaintea ramificatiei

    Glicogen fosforilaza

    Scindeza legaturi -1,6

    Are 2 activitati catalitice: hidrolazica si transferazica

    Catalizeaza izomerizarea Glc-1-P Glc-6-P

    Enzima de deramificare

    fosfoglucomutaza

    ENZIMELE GLICOGENO-LIZEI

  • Glicogenoliza in muschi si ficat

    Muschi

    Glicogen Glc 1-P Glc 6-P Glicoliza ATP

    contractie

    Ficat

    Glicogen Glc 1-P Glc 6-P Glucoza Reglarea glicemiei

    Glucoza

    Insulina Lipide

    Glicogen Lactat

    Lactat CO2 + H2O

    Fat

    Alte tesuturi

    Glucoza

    8

  • Glicogen fosforilaza (GP)

    Actioneaza la capatul nereducator al moleculei glicogenului

    Reactie reversibila in vitro

    Fosforoliza ireversibila in vivo, evita consumul de energie (ATP), celula capteaza Glc 1-P

    GP din muschii scheletici are structura 2, M 97 kDa, 1 mol PALP/subunitate, unde PALP catalizator acido-bazic

    9

  • Glicogen fosforilaza exista in doua forme convertibile a si b

    GPb (Ser-OH) GPa (Ser-O-P)

    2ATP 2 ADP

    Fosforilaza kinaza

    Putin activa Total activa

    2 H2O 2 Pi Fosfoprotein fosfataza 1 (PP 1)

    In situsul catalitic activ este un rest de Ser per fiecare monomer

    10

    AMP

    Activator alosteric

  • Reglarea activitatii glicogen fosforilazei

    In cazul GP din muschi

    Concentratii mari de ATP si Glucozo 6-P favorizeaza trecerea GPb intr-o forma total inactiva T (tense)

    Concentratii mari de AMP stare energetica mica favorizeaza trecerea GPb intr-o forma partial activa R (relaxed)

    Activarea GPb de catre AMP are o importanta fiziologica in conditii cu pO2 mici

    In cazul GP din ficat

    AMP nu activeaza GPb

    niveluri mari de glucoza favorizeaza inactivarea GPa, deplasand echilibrul RT

    11

  • Fosforilaza kinaza

    In muschii scheletici, enzima are o structura ()4 si are 1200 kDa

    - sunt subunitati tinta pentru PKA

    - subunitatea catalitica

    - calmodulina, se leaga tranzitoriu la enzima si-I confera sensibilitate la Ca2+

    Fosforileaza Ser-14 din GP si activeaza GPb GPa

    12

  • Fosforilaza kinaza este activata partial de Ca2+ si total prin fosforilare (PKA)

    Fosf kinaza

    inactiva

    Fosf kinaza

    Partial activa

    Impuls nervos Ca2+ Ca2+

    Fosf kinaza PKA

    cAMP Hormon

    Total activa

    13

  • 14 Reglarea glicogenolizei la nivelul fosfoprotein fosfatazei 1

    Exista mai multe Ser/Thr fosfoprotein fosfataze: PP-1, PP-2A, PP-2B si PP-2C care se deosebesc prin specifici-tate si efectori

    PP-1 are:

    o subunitate catalitica PP-1c (37 kDa) si

    o subunitate reglatoare PP-1G (160 kDa)

    PP-1G (glycogen binding subunit)creste capacitatea de legare la glicogen, creste capacitatea catalitica a subunitatii PP-1c

    PKA fosforileaza PP-1G previne asocierea cu PP-1c inhiba activitatea PP-1

  • Epinefrina (adrenalina) semnalizeaza cresterea fluxului glicogenolizei prin inhibitia PP-1 (doua mecanisme)

    Al doilea mecanism:

    PKA fosforileaza un inhibitor al PP-1, activandu-l.

    I-P creste gradul de inhibitie al PP-1

    15

  • Insulina inhiba glicogenoliza actionand tot asupra PP-1

    Insulina semnalizeaza la nivelul celulelor insulin sensibile care contin receptorul IR

    IR activat are activitate tirozin kinazica si induce activarea unei protein kinaze insulin-sensibile care fosforileaza PP-1G la un alt situs, activand PP-1

    Insulina stimuleaza reactiile de defosforilare ale glicogen fosforilazei a si fosforilazei kinazei a

    16

  • Enzima de deramificare

    o singura catena polipeptidica de 160 kDa, cu dubla specificitate: transferaza si -glucozidaza

    Actiunea fosforilazei este stopata cu 5 resturi inaintea unui punct de ramificatie

    Dextrina limita este substratul transferazei catalizeaza transferul unui grup de 3 resturi Glc de pe un brat pe altul

    -1,6 glucozidaza scindeaza legatura -1,6-glucozidazica conducand la o structura lineara care poate fi meta-bolizata total de fosforilaza

    17

  • Actiunea -1,6 glucozidazica 18

  • Fosfoglucomutaza

    Glicogenoliza este o cale catabolica de scindare a glicogenului la glucozo 6-P

  • Amplificarea semnalului in cascada de activare a glicogen fosforilazei

    20