Glükóz metabolizmus a májban Mgr. BABUSIKOVA Éva, PhD. Comenius Egyetem Pozsonyban, Jessenius Orvostudományi Kar, Orvosi Biokémia Tanszék, Martin

Glikolízis reakció

- aerob körülmények között piroszav, GLIKOLÍZIS - glükózban felhalmozódott energia felszabadulása; - a glükóz fokozatos lebontása több összefüggő anyagcsere út révén; - a kapott termék: - aerob körülmények között piroszav, - anaerob körülmények között tejsav; - a szervezet glükózt is használ, amely a májban nem szénhidrátos vegyületekből képződik - glükoneogenezis.

Glikolízis - a sejtek citoplazmájában elhelyezkedő anyagcsere út, a) energiatermelés - a glükózenergia csak egy kis részének felszabadulása, - ATP képződése a szubsztrát szintjén, b) köztitermékek képződése más anyagcsere útvonalakhoz, - pironsav, amely átalakul acetil-CoA-vá, amelyen keresztül belép a citrátciklusba, ahol a fennmaradó glükózenergia koncentrálódik redukált koenzimekben, amelyek elektronokat és protonokat visznek át a terminális oxidációs folyamatba, - a glikolízis megkezdésének alapvető feltétele: - glükóz transzfer a vérből a sejtekbe, Muscleaz izom- és zsírsejtekre való átadás az inzulin jelenlététől függ, - az inzulin nem befolyásolja a glükóz átjutását az agyba és a májba

Glikolízis Glükóztranszport: a) aerob glikolízis - sejtek mitokondriumokkal és elegendő oxigénellátással (O2 - a NADH reoxidációja) - pironsav - végtermék - piroszavsav oxidatív dekarboxilezése acetil CoA → KC b) anaerob glikolízis - sejtek elégtelen oxigén nélkül ellátás - tejsavtermelés (NADH reoxidáció) Glükóztranszport: a) megkönnyített diffúzió - koncentrációgradiens után - transzporterek a GLU számára (GLUT 1-5) - magas homológia az elsődleges struktúrában, a GLUT szövetspecifikus expressziója - 1 - Ery GLUT - 4 - zsírszövet, izom (inzulinszám és aktivitás) b) társszállítás - koncentrációgradienssel szemben - Na + -hordozás - bélhámsejtek, vese tubulus, chorioid plexus

Glikolízis A glikolízis metabolikus útja két fázisra osztható: A glikolízis első fázisa - energiafogyasztás: a) foszforilált szénhidrátformák (-2 ATP) képződése, b) 2 trióza képződése, 1-5 reakciók glikolízis - energiatermelés: a) 4 ATP képződése, b) 2 NADH képződése, c) 2 piroesavmolekula képződése. 6. - 10. reakció

Glikolízis - citoplazma Pentóz ciklus - citoplazma Krebs ciklus - mitokondriumok Légzési lánc - motokondriumok belső membránja Oxidatív foszforiláció - mátrix mitokondrium

Glikolízis glükóz-glükóz-6-P fruktóz-6-P fruktóz-1,6-P ATP ATP - foszfokináz enzimek: foszforsav átvitel ATP-ből szubsztrátokba vagy szubsztrátokból ADP-be - foszfofruktokináz - a legfontosabb enzim a glikolízis folyamatában - katalizálja a fruktóz -1,6-biszfoszfát képződését - szabályozó enzim - az enzim aktiválása vagy gátlása a szövetek igényeinek megfelelően felgyorsítja vagy lelassítja a pironsav képződését

Glikolízis 1. reakció: foszforilációs glükóz → glükóz-6-foszfát - a glükóz-6-foszfát nem lép át a membránon, hexokináz - szabályozó enzim, különféle szövetek, hexózok foszforilezése, - gátlás: glükóz-6-foszfát, magas ATP/ADP arány, - alacsony Km, glükokináz - a hasnyálmirigy máj- és ß sejtjei, - a glükóz foszforilezése a reszorpció utáni szakaszban, - ↑ szint a szénhidrátbevitel és az inzulinmosás után, - nem gátolja a glükóz-6-foszfát, - magas Km. 2. reakció: glükóz-6-foszfát-fruktóz-6-foszfát-glükóz-6-foszfát-izomeráz (foszfoglükóz-izomeráz) izomerizációja

Glikolízis 3. reakció: irreverzibilis foszforiláció fruktóz-6-foszfát → fruktóz-1,6-biszfoszfát-foszfofruktokináz 1 (PFK 1) - sebességkorlátozó reakció, - szabályozási hely. Szabályozás: a sejt energiaállapota, a) ↑ ATP szint és ↑ citrát szint → - PFK 1, b) ↑ AMP szint → + PFK 1, c) fruktóz-2,6-biszfoszfát a) a PFK 1 erős aktivátora, b ) fruktóz inhibitor -1,6-biszfoszfatázok (glükoneogenezis), - kölcsönös hatás a glikolízisre és a glükoneogenezisre, - anyagcsere: 1. képződés → foszfofruktokináz 2 (PFK 2), 2. lebomlás → fruktóz-biszfoszfatáz 2 (FBF 2), - kináz és foszfatáz aktivitás - 2 domén egy bifunkcionális enzim molekulában

5. reakció: izomerizáció Glikolízis 4. reakció: fruktóz-1,6-biszfoszfát ↔ glicerinaldehid-3-foszfát + dihidroxi-aceton-foszfát-aldoláz A hasítása

Glikolízis - a fruktóz-1,6-biszfoszfát (6 C, 2 P) átalakulása 2 triózzá (3 C, 1 P) - a trióz piroszavsá történő átalakítása során két helyen képződnek köztitermékek, amelyekhez foszforsav kötődik makroerg kötéssel - elég nagy az ATP szubsztrát foszforilezéséhez - a foszforsav átkerül az ADP-be

Glikolízis - a glikolízis 2. fázisában zajló oxidációs reakció során redukált NADH + + H + képződik - aerob körülmények között a hidrogén átkerülhet a terminális oxidációba, ezáltal feltételeket teremthet három ATP képződésére (triózonként). oxidatív foszforilezési folyamat - anaerob körülmények között a redukált NADH + + H + hidrogénjeit piroszavra viszik át - a glikolízis eredményeként kapott termék tejsav-laktát-dehidrogenáz

6. reakció: gliceraldehid-3-β → 1,3-biszfoszfo-glicerát oxidációja Glikolízis 6. reakció: glicerinaldehid-3-β → 1,3-biszfoszfo-glicerát-glicerinaldehid-3-β-dehidrogenáz - NAD koenzim + a) NADH oxidációja → savkonverziós pironsav tejsavvá b) NADH oxidációja a légzőszervi láncban - szubsztrát foszforiláció - aldehidcsoport oxidációja → karboxilcsoport - foszfát kötése makroerg kötéssel - 2,3-biszfoszfoglicerát (2,3-BFG) biszfoszfoszlicerát szintézise mutáz: magas szint Ery-bontásban: 3-foszfoglicerát

1,3-biszfoszfo-glicerinsav ↔ 3-foszfoglicerinsav Glikolízis 7. reakció: ATP képződése 1,3-biszfoszfoszlicerinsav ↔ 3-foszfoglicerinsav-foszfoglicerát-kináz - 2 molekula ATP 8. reakció: foszfát-3-foszfoglicerinsav molekuláris transzferje ↔ 2 -foszfoglicerinsavak foszfoglicerát-mutáz 9. reakció: dehidráció 2-foszfoglicerinsav ↔ foszfoenol-pironsav-enoláz - energiaátadás a molekulán belül - enol-foszfátkötés képződése

- ATP képződése szubsztrát foszforilációval - előremenő szabályozás Glikolízis 10. reakció: ATP foszfoenolpirohasav képződése → pironsav piruvát kináz - 2 molekula ATP - ATP képződés szubsztrát foszforilációval - előtolás szabályozó máj: fruktóz-1,6 -biszfoszfát aktiválja a piruvát kináz 2 kináz aktivitásokat: ↑ foszfofruktokináz 1 → ↑ piruvát kináz) - a piruvát kináz kovalens módosítása - foszforiláció - cAMP-függő protein kináz - máj: ↑ glükagon (alacsony glükózszint) → ↑ c AMP → foszforiláció → foszforilezett protein kináz ( inaktív) - defoszforilezés → defoszfatáló aktív) - foszfoenol-pironsav - belépés a glükoneogenezisbe

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

A máj glükóz-anyagcseréje GLUT 2 MÁJ GLU GLUKÓZ PC GLU 6 GLIKOGÉN P-GLUKURONIDOK PYRUVÁT-LAKTÁT-ACETIL-COA H + Zsírok TCA ATP

Glükóz-6-P metabolizmus az eritrocitákban

Piroszavsav → tejsav-laktát-dehidrogenáz (LD) átalakulása a) anaerob glikolízis eukarióta sejtekben b) Ery, Leu, lencse, szaruhártya, vesevelő, herék 1. Tejsav képződése az izomban - testmozgás közben, energiatermelés anaerob körülmények között feltételek - ↑ termelés NADH (gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz) + Krebs-ciklus - ↓ pH → izomfájdalom - tejsav a vérbe 2. tejsavfogyasztás - a laktát-dehidrogenáz ellentétes hatása - máj: a) Lac → Pyr → Glu ( b) Lac → Pyr → Krebs-ciklus - szívizom: Lac → Pyr → Krebs-ciklus

Tejsav átalakulása 1. tejsav oxidatív dekarboxilezése - piruvát-dehidrogenáz (komplex) - acetil-CoA képződése piruvát - piruvát dekarboxiláz dekarboxilezése b) etanol

A PYRUVATE DEHYDROGENASE KOMPLEX LAKTÁT DEHYDROGENASE fontos a vörösvértestekben, a fehérvérsejtekben (és más sejtekben mitokondriummal vagy anélkül) és a vázizomzatban összehúzódás során), fiziológiailag reverzibilis a szövetekben ↓ NADH/NAD + -val, pl. máj, szívizom, amely a citoszolban található. Az etanol szintézise élesztőben fordul elő, egyes baktériumok (beleértve a bélflórát is) tiamin-pirofoszfát-függő útvonalak a citoszolban találhatók CO2 Etanol Acetaldehid PYRUVATE Lactate (Thiamine-PP) NAD NAD + NADH + H + NADH + A H + Oxalate Acetyl-CoA PYRUVATE CARBOXYLASE biotint protetikus csoportként aktivált acetil CoA-ként alkalmazzák a májban. A TCA ciklus közbenső termékei pótolják a mitokondriumokban lokalizálódó, visszafordíthatatlan glükoneogenezis reakció szubsztrátjait. és a mitokondriumokban lokalizálódó irreverzibilis zsírsavszintézis reakció

A glikolízis energiamérlege: 1. anaerob glikolízis Glu + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O a) ATP - 2 molekula ATP képződése 1 glükózmolekulára - kicsi az energia-nyereség - sejtek és szövetek, ill. . kis számú mitokondriummal: Ery, Leu, k. velő, vese b) NADH termelés - nincs nettó nyereség - 1x NADH + (glicerinaldehid-dehidrogenáz) - 1x NADH - (laktát-dehidrogenáz)

Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O 2. aerob glikolízis Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O - 2 ATP fogyasztása (foszforilációs reakciók) - 4 ATP képződése (2 x 2 ATP) - 2 ATP nettó nyeresége - 2 x NADH → 6 ATP (3 ATP/NADH a Krebs-ciklusban) Az energia nyereségének összehasonlítása - a tejsavglikolízis képződése után keletkező glükózból: 2 ATP (szubsztrát szinten) - amikor a glükózt CO2-ként és H2O -vá égetik aerob környezetben glikolízis + citrát ciklus + terminális oxidáció: 38 ATP (ebből 34 oxidatív úton) foszforilezés)

Rövid távú glikolízis szabályozás (perc vagy óra) - alloszterikus aktiváció/gátlás - hosszú távú foszforiláció/defoszforiláció (órák - napok) - hormonális (inzulin, glukagon) - az enzimaktivitást szabályozó enzimek 10 - 20-szoros növekedése a) glükokináz b) foszfofruktokináz c) piruvát-kináz

- kulcsfontosságú szabályozó enzim: foszfofruktokináz A glikolízis szabályozása - kulcsfontosságú szabályozó enzim: foszfofruktokináz - katalizálja a fruktóz-6-foszfát fruktóz-1,6-biszfoszfáttá való átalakulását - a glikolízis metabolikus útjának sebessége elsősorban a a sejt - ha a sejtben van elegendő ATP → csökken a pironsav mennyisége - az ATP magas koncentrációja alloszterikusan csökkenti a foszfofruktokináz aktivitást - az AMP magas koncentrációja → szignál a gyorsított glikolízishez (ATP-t a szervezet energiaigényének fedezésére fogyasztottak) - az AMP az foszfofruktokináz

- a foszfofruktokináz aktivitás, és ezáltal a glükózégés gyorsulása jelentősen megnöveli az alloszterikusan fruktóz-2,6-biszfoszfátot - a magas vércukor koncentráció - az inzulin kimosódása - az inzulin felgyorsítja: a) glükóz behatolását a sejtekbe b) glikolízist fruktóz-2,6-biszfoszfáton keresztül - alacsony vércukorszint - glükagon a hasnyálmirigyből kiválasztódik

Klinikai alkalmazás 1. Glikolízis enzimek veleszületett hiánya a) piruvát-kináz (95%) b) foszfoglükóz-izomeráz (4%) - differenciál expresszió sejtekben és szövetekben - piruvát-kináz - Leu, Ery - trióz-foszfát-izomeráz - Ery, Leu, izom, CNS megnyilvánulások: hemolitikus anaemia: terápia nélkül ill. folsav 2. Tejsavas acidózis - anaerob glikolízis - energiatermelés oxigénhiány esetén (IM, tüdőembólia, vérzés) - tejsav a vérben - információ az "oxigénadósságról" - a sokk súlyosságának értékelése - a kezelés és a lábadozás monitorozása

- a glikogénkészletek lebontása, glükogenogenezis - a glükóz hiánya az étrendben - a vércukorszint csökkentése. - kísérlet a vércukorszint belső forrásokból történő pótlására. - szükséges folyamatos glükózellátás - agy, korszak, vesevelő, lencse, szaruhártya, herék, működő izom. Két mechanizmus: - a glikogénkészletek lebontása, - glükóz képződése nem szénhidrátforrásokból. - a glükoneogenezis 90% -ban a májban és 10% a vesében helyezkedik el hosszú távú éhezés során - bázikus, nem szacharid szubsztrátok (alfa-oxosavak, glicerin, tejsav) - piroszavval - a glikolízishez nagyon hasonló reakciókba való belépés

Glükoneogenezis - a glükoneogenezis reverzibilis reakciói ugyanazokat az enzimeket katalizálják, mint a glikolízisben reverzibilis reakciók, - a glikolízisben irreverzibilis reakciókat katalizáló enzimeket (foszfokinázok) a glükoneogenezisben ellentétes hatású enzimek (foszfatázok) helyettesítik, - a foszfatáznak különös jelentősége van a sejtek glükóztranszferjéből vérig. A glükoneogenezis folyamata felgyorsítja a glükagont, az inzulin pedig éppen ellenkezőleg hat. A glükoneogenezis folyamatát fokozza a glikolízis enzimek gátlása.

A glükoneogenezis metabolikus útja: - a glükoneogenezis nem reverzibilis glikolízis - három reakció irreverzibilis: 1. a foszfoenol-pironsav átalakulása pironsav-piruvát-kinázgá aktiváció - acetil-CoA b) oxaloecetsav → foszfoenolpiruvosavak foszfoenolpyruvatecarboxykinase (citoplazma) oxaloecetsav - szállítás a mitokondriumokból a citoplazmába - malát - reoxidáció oxaloecetsavvá

2. fruktóz-1,6-biszfoszfát fruktóz-1,6-biszfoszfatáz defoszforilezése - irreverzibilis reakció: foszfofruktokináz 1 (glikolízis) - szabályozási hely: a) a sejt energiaállapota + ↓ AMP; ↑ ATP - ↑ AMP b) szabályozás fruktóz-2,6-biszfoszfáttal - fruktóz-1,6-biszfoszfatáz gátlása alloszterikusan 3. glükóz-6-foszfát-glükóz-6-foszfatáz defoszforilezése - lokalizáció: máj, vesék Összefoglaló reakció 2Pyr + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 6H2O → Glu + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 6H+

Glükóz-6-foszfát glükóz glükóz glükóz-6-foszfatáz glükóz-6-foszfát glükóz fruktóz-6-P fruktóz-1,6-biszfoszfatáz fruktóz-1,6-biszfoszfát-gliceraldehid-3-P-dihidroxi-aceton-foszfát-1,3-biszfoszfoszlicilsav - foszfoglicerinsav 2-foszfoglicerinsav Foszfoenol-pironsav Piruvát Tejsav Foszfoenol-piruvát-Piruvát-karboxiláz (MIT) karboxikináz (CYT) Oxalecetsav CO2

Glükoneogenezis A glükoneogenezis szubsztrátjai: 1. glicerin - a lipolízis (TAG) terméke a zsírszövetben - a májba történő szállítás - foszforiláció → glicerin-foszfát (oxidáció) → dihidroxi-aceton-foszfát 2. tejsav Cori-ciklus - glükóz (máj) → vér → izom → tejsav (vér) → máj (glükoneogenezis) 3. α-keto savak - piruvát, oxaloacetát, alfa-ketoglutarát - glükogén aminosavak - Ala, Ser, Gly, Cys, Thr (piruvát); Asp (oxaloacetát); Glu (alfa-ketoglutarát)

Cori és glükóz-alanin ciklus

A glükagonogenezis szabályozása Glükagon - a glükoneogenezis stimulálása a) csökkenti a fruktóz-2,6-biszfoszfát szintjét - a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz aktiválása - a foszfofruktokináz 1 gátlása (glikolízis) b) az enzimaktivitás kovalens módosítása - cAMP → aktív protein-kináz P → inaktív protein-kináz A → inaktív) => a foszfoenol-pironsav felhalmozódása Szubsztrátum rendelkezésre állása ↓ inzulin → fehérje mobilizálása → glükogén AK acetil-CoA alloszterikus aktiválása oster acetil CoA → piruvát-karboxiláz (máj) stimulálása

Több enzim aktiválása Glükagon (↓) Inzulin (↑) receptor Sejtmembrán Sejtmembrán Adenilát-cikláz Több enzim aktiválása ATP cAMP 2. A csökkent protein-kináz A-aktivitás kedvez az FFK-2/FBF-2 komplex defoszforilezett formájának 1. Magas inzulin/a glükagon arány a cAMP csökkenését okozza és csökkenti az aktív protein kináz A szintjét. Aktív protein kináz A (↓) FBF-2 = fruktóz-biszfoszfát-foszfatáz-2 FFK-2 = foszfofruktokináz-2 Fruktóz-6-foszfát ATP ADP PP ATP FFK- 2 inaktív. Az FBF-2 inaktív. FBF-2 törvény. FFK-2 törvény. Foszfofruktokináz-2 Pi ADP + Fruktóz-2,6-biszfoszfát (↑) 4. A megnövekedett fruktóz-2,6-biszfoszfát-koncentráció aktiválja az FFK 1-t, ami a glikolízis megnövekedett sebességéhez vezet. Fruktóz-1,6-biszfoszfát 3. Defoszforilezett FFK -2 aktív, míg az FBF-2 inaktív; amely kedvez a fruktóz-2,6-biszfoszfát képződésének

Glükagon (↑) inzulin (↓) receptor Sejtmembrán Sejtmembrán Adenilát-cikláz ATP cAMP + PPi 2. A megnövekedett protein-kináz A-aktivitás kedvez az FFK-2/FBF-2 komplex foszforilált formájának 1. Az alacsony inzulin/glükagon arány a cAMP csökkenését okozza és növeli az aktív protein-kináz A szintjét; piruvát-kináz-P inaktív Aktív protein-kináz A (↑) FBF-2 = fruktóz-biszfoszfát-foszfatáz-2 FFK-2 = foszfofruktokináz-2 Pi Fruktóz-6-foszfát ATP ADP P Pi P FFK-2 hat. FBF-2 törvény. Az FBF-2 inaktív. Az FFK-2 inaktív. Fruktóz-biszfoszfát-foszfatáz-1 Pi H2O - Fruktóz-2,6-biszfoszfát (↓) 4. A csökkent fruktóz-2,6-biszfoszfát koncentráció lassítja az FFK 1 aktiválódását, ami megnövekedett glükoneogenezishez vezet. Fruktóz-1,6-biszfoszfát 3 A foszforilezett FF inaktív, míg az FBF-2 aktív; amely megakadályozza a fruktóz-2,6-biszfoszfát képződését