Lehninger Principles of Biochemistry 4e D.L. Nelson, M. M. Cox

Transcript

1 Βιοχημεία ΙΙ Γ. Τσιώτης Γ , 5069 Biochemistry 7e J.M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer Lehninger Principles of Biochemistry 4e D.L. Nelson, M. M. Cox

2 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΙΙ 1. Μεταβολισµός του γλυκογόνου 2. Μεταβολισµός των λιπαρών οξέων 3. Αποικοδόµηση αµινοξέων και ο κύκλος της ουρίας 4. Βιοσύνθεση αµινοξέων 5. Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων 6. Βιοσύνθεση µεµβρανικών λιπιδίων, χολεστερόλης και στεροειδών 7. Ολοκλήρωση του µεταβολισµού 8. Αντιγραφή, επιδιόρθωση και ανασυνδυασµός του DNA, Αντισώµατα 9. Σύνθεση και µάτισµα του RNA 10. Σύνθεση πρωτεϊνών & έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης

3 Βαθμολογία I. Test 40% (8 Test) Εξετάσεις 60% Τα test θα υπολογίζονται μόνο όταν στις εξετάσεις > 50% II. Εξετάσεις 100%

4 Γλυκογόνο

5 Γλυκογόνο Απαραίτητα ένζυμα για την αποικοδόμηση του γλυκογόνου Ρύθμιση της Φωσφορυλάσης: αλλοστερικός έλεγχος αναστρέψιμη φωσφοριλύωση Ορμονική ρύθμιση επινεφρίνη και γλυκαγόνη σηματοδοτουν την αποικοδομηση του H σύνθεση και η αποικοδόμηση του γλυκογόνου γίνεται μεσω διαφορετικών μονοπατιών H σύνθεση και η αποικοδόμηση του γλυκογόνου ρυθμίζονται αντίρροπα

6 Γλυκογόνο Το γλυκογόνο είναι ενα διακλαδισμένο ομοπολυμερές γλυκόζης που βρίσκεται σε όλους τους ιστούς. Οι μεγαλύτερες αποθήκες γλυκογόνου είναι το ήπαρ (10%) και μυς (2%). Το συκώτι διασπά το γλυκογόνο και απελευθερώνει γλυκόζη στο αίμα για την παροχή ενέργειας στον εγκέφαλο και ερυθρά αιμοσφαίρια. Οι αποθήκες γλυκογόνου στους μυείς: παροχή ενέργειας για την σύσπαση των μυών.

7 Γλυκογόνο G=γλυκογονίνη

8 Γλυκογόνο-Δομικές Μονάδες

9 Γλυκογόνο

10 Ο μεταβολισμός του γλυκογόνου είναι η ελεγχόμενη απελευθέρωση και αποθήκευση της γλυκόζης Η αποικοδόμηση του γλυκογόνου αποτελείται από τρία στάδια: απελευθέρωση 1-φωσφορικής γλυκόζης από γλυκογόνο αναδιαμόρφωση του γλυκογόνου για να επιτρέπει τη συνεχή αποικοδόμηση μετατροπή της 1-φωσφορικής γλυκόζης σε 6-φωσφορική γλυκόζη Η τύχη της 6-φωσφορική γλυκόζης: επεξεργασία μέσω της γλυκόλυσης μετατροπή σε ελεύθερη γλυκόζη και απελευθέρωση στο αίμα επεξεργασία από το μονοπάτι φωσφορικής πεντόζης

11 Μεταβολισμός γλυκαγόνου

12 ένζυμα Φωσφορυλάση γλυκογόνου διασπα τα μη αναγωγικά άκρα του γλυκογόνου. Η φωσφορυλάση καταλύει μία αντίδραση φωσφορόλυσης που παράγει 1- φωσφορική γλυκόζη. Λόγος ευνοεί την φωσφορόλυση [Pi] / [1-ΦΓ ]=100 Φωσφορυλάση του γλυκογόνου (ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΚΟ ΕΝΖΥΜΟ) Πλεονέκτημα: φωσφορυλιωμένο προιόν Η φωσφορόλυση είναι διαφορετική από την υδρόλυση του γλυκοσιδικού δεσμού του γλυκογόνου και άμυλου της τροφής στο εντερο απο την αμυλάση.

13 Η αποικοδόμηση χρειάζεται διαφορετικά ένζυμα Η φωσφορυλάση του γλυκογόνου χρειάζεται ως συνπαράγοντα. φωσφορική πυριδοξάλη (PLP) Η PLP σχηματίζει μία βάση Schiff με ένα κατάλοιπο λυσίνης στην ενεργό θέση της φωσφορυλάσης. Το φωσφορικό ως υπόστρωμα προάγει την διάσπαση ενός α-1,4-γλυκοζιτικού δεσμού του γλυκογόνου με την παραχή ένος πρωτόνιο στον διασπώμενη γλυκόζη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ενδιαμέσου καρβοκατιόντος. Το καρβοκατιόν και το φωσφορικό συνδυάζονται για να σχηματίσουν 1- φωσφορική γλυκόζη.

14 Φωσφορύλαση του γλυκογόνου

15 Η αποικοδόμηση χρειάζεται διαφορετικά ένζυμα Περιορισμοί Δεν διασπάει κοντά σε σημεία διακλάδωσης Διασπά μόνο α-1,4-γλυκοσιδικούς δεσμούς Λύση Μεταφοράση: μετατοπίζει ένα μικρό ολιγοσακχαρίτη απο το σημείο διακλάδωσης στην κυρια αλυσίδα, καθιστώντας έτσι τα τμήματα γλυκόζης προσιτά στη φωσφορυλάση. α-1,6-γλυκοσιδάση: διασπά το α-1,6 δεσμό στο σημείο διακλάδωσης, απελευθερώνοντας γλυκόζη.

16 Η αποικοδόμηση χρειάζεται διαφορετικά ένζυμα Ευκαρυωτικοί οργανισμοί Μεταφοράση, Γλυκοζιδάση μια πρωτείνη

17 Η αποικοδόμηση χρειάζεται διαφορετικά ένζυμα Μια σερίνη στηνενεργό θέση της φωσφογλυκομουτάσης είναι φωσφορυλιωμένη. Η φωσφογλυκομουτάση σχηματίζει 1,6 διφωσφορική γλυκόζη ως ενδίαμεσο με την πρόσδεση της φωσφωρικής ομάδος στην 1- φωσφορική γλυκόζη Η φωσφορικήομάδα προσδένεται με το ένζυμο με την δημιουργεία 6-φωσφορικής γλυκόζης.

18 1-φωσφορική γλυκόζη μετατρέπεται σε 6- φωσφορική γλυκόζη Εισαγωγή της γλυκοζης στο μεταβολισμό φωσφογλυκομουτάση 1-φωσφορική γλυκόζη μετατρέπεται σε 6-φωσφορική γλυκόζη από την φωσφογλυκομουτάση

19 Ρόλος της φωσφατάσης στο ήπαρ Αποφωσφορυλύωση της 6-φωσφορικής γλυκόζης παράγωγή ελεύθερης γλυκόζη στο ήπαρ. εισαγωγή στο αίμα για χρήση από άλλους ιστούς φωσφατάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης δεν υπάρχεi στους περισσότερους άλλους ιστούς.

20 Ρύθμιση της φωσφορυλάσης Pυθμίζεται από αλλοστερικες αλληλεπιδράσεις Αντιστρεπτή φωσφορυλίωση Η φωσφορυλάση υπάρχει σε δύο μορφές: μια λιγότερο δραστική μορφή b και την πιο ενεργό μορφή α. Η α μορφή διαφέρει από τη μορφή b κατά το ότι ένα κατάλοιπο σερίνης είναι φωσφορυλιωμένο. Τόσο η α και η b μορφή υπάρχουν σε ισορροπια R<->T. Στη b μορφή ευνοείται η Τ κατάσταση Στην α μορφή ευνοείται η R κατάσταση

21 Ηπατική φωσφορυλάση Βασικός ρόλος του ήπατος είναι να διατηρήσει επαρκή επίπεδα γλυκόζης στο αίμα. Η προεπιλεγμένη κατάσταση του ήπατικής φωσφορυλάσης α είναι η κατάσταση R Η ηπατική φωσφορυλάση είναι έτοιμη να παράγει γλυκόζη για το αίμα εκτός αν υπάρχει αλλο σήμα Η γλυκόζη είναι ένας αρνητικός ρυθμιστής της ήπατικής φωσφορυλάσης Διευκόλυνση της μετάβασης από την κατάσταση R στην T. Η φωσφορυλάση του ήπατος και των μυών είναι ισοένζυμα.

22 Δομή της φωσφορυλάσης Allosteric site Storage site

23 Ομοιοπολική τροποποίηση - φωσφορυλίωση

24 Ηπατική φωσφορυλάση

25 Μυική φωσφορυλάση Στους μυς η προεπιλεγμένη μορφή της φωσφορυλάσης είναι η μορφή b στην κατάσταση Τ. Όταν απαιτείται ενέργεια που σηματοδοτείται από μια αύξηση στη συγκέντρωση του ΑΜΡ, η φωσφορυλάση δεσμεύει ΑΜΡ, και σταθεροποιειται στην κατάσταση R. Η κατάσταση Τ της φωσφορυλάσης σταθεροποιείται με ΑΤΡ και 6- φωσφορική γλυκόζη. P i θετικός ομοτροπικός τελεστής AMP θετικός αλλοστερικός τελεστής 6-φωσφορική γλυκόζη, ATP αρνητικός αλλοστερικός τελεστής

26 Μυική φωσφορυλάση Όταν τα αποθέματα ενέργειας ειναι υψηλά: [ΑΤΡ] και [G-6-P] είναι άφθονα, η διάσπαση του γλυκογόνου αναστέλλεται. Όταν τα αποθέματα ενέργειας είναι χαμηλα: υψηλο [AMP] & χαμηλο [ATP] και [G-6-P], ο καταβολισμός του γλυκογόνο διεγείρεται.

27 Κινάση της φωσφορυλάσης Κινάση της φωσφορυλασης (αβγδ) 4, Το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή της φωσφορυλάσης γλυκογόνου από την β κατάσταση στην α κατάσταση με πρόσδεση μιας ομάδας φωσφορικού. Αλλαγή της δομής Η κινάση της φωσφορυλασης ενεργοποιείται από i) δέσμευση Ca 2+ ii) φωσφορυλίωση Η δ υπομονάδα της φωσφορυλάσης είναι η ασβεστιοτροποποιητίνη (αισθητήρας ασβεστίου). Φωσφορυλιώνεται από την πρωτεΐνική κινάση Α (PKA) Η κινάση της φωσφορυλάσης είναι στο μέγιστο ενεργή όταν εχει προσδέσει ασβέστιο και είναι φωσφορυλιώμένη

28 Κινάση της φωσφορυλάσης

29 Νόσος Hers Η νόσος Hers είναι αποτελέσματα ανεπάρκειας στο ήπαρ της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου. Αποτελέσμα: Το γλυκογόνο συσσωρεύεται στο ήπαρ Υπογλυκαιμία Αδυναμία διάσπασης του γλυκογόνου

30 Ορμονικός έλεγχος Γλυκαγόνη & επινεφρίνη Γλυκαγόνη (ήπαρ) και επινεφρίνη (μυς η ηπαρ) ξεκινουν τον καταρράκτη μέσω των G-πρωτεΐνων που οδηγούν στην παραγωγή του camp. Ca2+ απελευθερώνεται στους μυς για την διέγερση της μυϊκής συστολής. Ενεργοποίηση της κινάσης της φωσφορυλάσης Στο ήπαρ, το ασβέστιο εισέρχεται μεσω σύνδεση της επινεφρίνης σε εναν α- αδρενεργικό υποδοχέα: Ενεργοποιεί μία G-πρωτεΐνη, υποκινώντας τον καταρράκτη φωσφοϊνοσιτιδίου cαμρ ενεργοποιεί την πρωτεΐνική κινάση Α (PKA), που φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί την κινάση της φωσφορυλάσης. Η κινάση της φωσφορυλάσης φωσφορυλυώνει την β φωσφορυλάση: Μετατροπή στην α μορφή. Αποικοδόμηση του γλυκογόνου.

31 Ορμονικός έλεγχος

32 Ορμονικός έλεγχος Γλυκαγόνη & επινεφρίνη

33 Ορμονικός έλεγχος Γλυκαγόνη & επινεφρίνη Η διαφορά... Και οι δύο είναι γλυκογονολυτικά, αλλά για διαφορετικούς λόγους! Η επινεφρίνη είναι ορμόνη άσκησης, άγχους ή φυγής κινητοποιεί γρήγορα μεγάλες ποσότητες ενέργειας Η γλυκαγόνη είναι για τη μακροπρόθεσμη διατήρηση των επιπέδων της γλυκόζης σε σταθερή συγκέντρωση στο αίμα ενεργοποιεί τη διάσπαση του γλυκογόνου ενεργοποιεί γλυκονεογένεση στο ήπαρ

34 Ορμονικός έλεγχος Γλυκαγόνη & επινεφρίνη Τερματισμός της αποικοδόμησης του γλυκογόνου με διάφορους μηχανισμούς 1. Οι ορμόνες δεν είναι παρών για μεγάλο χρονικό διάστημα 2. Η δραστικότητα GΤΡάσης της Gα πρωτείνης καθιστά αυτές οι πρωτεΐνες ανενεργές με την υδρόλυση του GTP σε GDT. 3. Φωσφοδιεστεράσες μετατρέπουν το camp σε ΑΜΡ, το οποίο δεν διεγείρει την πρωτεϊνική κινάση Α 4. Πρωτεϊνική φωσφατάση 1 αφαιρεί τις φωσφορικές ομάδες από την κινάση της φωσφορυλάση και φωσφορυλάσης του γλυκογόνου και έτσι απενεροποιεί τα ένζυμα.

35 Γλυκογόνο Η εμφάνιση της κόπωσης συμπίπτει με την εξάντληση των αποθεμάτων γλυκογόνου. Ωστόσο, δεν είναι σαφές εάν η μείωση του γλυκογόνου είναι μια πραγματική αιτία της κούρασης

36 H σύνθεση και η αποικοδόμηση του γλυκογόνου γίνεται μεσω διαφορετικών μονοπατιών Αποικοδόμηση 1-φωσφορική γλυκόζη. Σύνθεση UDP-γλυκόζη είναι το μονομερές που χρησιμοποιείται για επιμύκηνση της αλυσίδα του γλυκογόνου.

37 Σύνθεση γλυκογόνου Η ουριδίνοδιφωσφορική γλυκόζη είναι ο δότης γλυκόζης στην σύνθεση γλυκογόνου. Η UDP-γλυκόζη συντίθεται απο την πυροφωσφορυλάση της UDPγλυκόζης. Η αντίδραση καθίσταται μη αναστρέψιμη με την υδρόλυση του πυροφωσφορικού.

38 Σύνθεση γλυκογόνου Συνθάση του γλυκογόνου Βασικό ρυθμιστικό ένζυμο στη σύνθεση του γλυκογόνου Καταλύει την μεταφορά γλυκόζης σε μια αυξανόμενη αλυσιδα Mεταφέρει την γλυκόζη από UDP-γλυκόζη στον C4 μιας αλυσίδας γλυκογόνου σχηματισμός ενός α-1,4-γλυκοσιδικό δεσμό.

39 Σύνθεση γλυκογόνου Εναρξη Η συνθάση του γλυκογόνου απαιτεί έναν ολιγοσακχαρίτη γλυκόζης ως εκκινητή Ο εκκινητής συντίθεται απο την γλυκογονίνη, ομοδιμερές Κάθε υπομονάδα της γλουκογονίνης συνθέτει έναν ολιγοσακχαρίτη αποτελούμενο απο μόρια γλυκόζης Επιμήκυνση Η συνθάση του γλυκογόνου επεκτείνει τον ολιγοσαγχαρίτη

40 Εγκάρσια τομή του γλυκογόνου Γλυκογονίνη (37 kda dimer) Αυτογλυκοζυλιώση

41 Σύνθεση γλυκογόνου Εισαγωγή διακλάδωσης Περιορισμοί Συνθάση γλυκογόνου συνθέτει μόνο α-1,4 γλυκοζιτικούς δεσμούς. Λύση Ενζυμο διακλαδώσης παράγει διακλαδώσεις με διάσπαση ενός α-1,4- δεσμού και λαμβάνοντας ένα αλυσίδα από περίπου επτά γλυκόζες και σύνθεση ενός α-1,6-δεσμό. Στη συνέχεια η συνθάση του γλυκογόνου μπορεί να επεκτείνει το διακλαδισμένο πολυμερές.

42 Σύνθεση γλυκογόνου Εισαγωγή διακλάδωσης

43 Σύνθεση και αποικοδόμηση γίνεται μεσω διαφορετικών μονοπατιών Η συνθάση είναι μη ενεργή στην φωσφορυλιωμένη b μορφή και ενεργή στην αποφωσφορυλιώμένη a μορφή Η πρωτεινική κινάση Α (PKA) τροποποιεί την συνθάση Μία άλλη ρυθμιστική διαδικασία για συνθάση γλυκογόνου Η πρόσδεση της 6-φωσφορική γλυκόζης μετατρέπει την κατάσταση Τ της μορφής β στην στη δραστική κατάσταση R. Ηφωσφορυλίωση έχει αντίθετα αποτελέσματα στην συνθάση του γλυκογόνου σε σύγκριση με την φωσφορυλάση του γλυκογόνου.

44 Κόστος μετατροπής Μόνο δύο μόρια ΑΤΡ απαιτούνται για την ενσωματώση της γλυκόζης της διατροφής σε γλυκογόνο. Η πλήρης οξείδωση της γλυκόζης που προέρχεται από γλυκογόνο αποδίδει 31 μόρια ΑΤΡ.

45 Ελεγχος του μεταβολισμού του γλυκογόνο Οργανωμένη διαδικασία, η οποία συνεπάγεται αμοιβαίο έλεγχο της φωσφορυλάσης του γλυκογονου και της συνθάσης του γλυκογόνου Φωσφορυλάση του γλυκογόνου ενεργοποιείται αλλοστερικά από ΑΜΡ αναστέλλεται από ΑΤΡ, 6-Ρ-γλυκόζη και καφεΐνη Συνθάση του γλυκογόνου ενεργοποιείται από 6-Ρ-γλυκόζη Τα δύο ένζυμα ρυθμίζονται από ομοιοπολική τροποποίηση φωσφορυλίωση

46 Αποικοδόμηση και σύνθεση ρυθμίζονται αντίροπα Η σύνθαση του γλυκογόνου αναστέλλεται από τα ίδια σηματοδότικα μονοπάτια (επινεφρίνη, γλυκαγόνη) που διεγείρουν τη αποικοδόμηση του γλυκογόνου. Η φωσφορυλίωση της συνθάσης του γλυκογόνου α απο την πρωτείνική κινάση Α την απενεργοποιεί (συνθάση γλυκογόνου β) Αναστολη της σύνθεση του γλυκογόνου. Η κινάση της συνθάσης του γλυκογόνου φωσφορυλιώνει επίσης την συνθάση του γλυκογόνου. Αναστολη της σύνθεση του γλυκογόνου

47 Συντονισμένος έλεγχος

48 Αποικοδόμηση και σύνθεση ρυθμίζονται αντίροπα Πρωτεΐνική φωσφατάση 1 (ΡΡ1) αλλάζει τον μεταβολισμό του γλυκογόνου από την αποικοδόμηση στην σύνθεση. ΡΡ1 αφαιρεί φωσφορικές ομάδες από την συνθάση του γλυκογόνου β, μετατρέποντάς την σε συνθάση του γλυκογόνου α. ΡΡ1 αφαιρεί φωσφορικές ομάδες από την κινάση της φωσφορυλάσης και της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου, αναστέλλοντας την αποικοδόμηση του γλυκογόνου.

49 Δράση της πρωτεινικής φωσφατάσης 1

50 Ρύθμιση της πρωτεινικής φωσφατάσης 1 Πρωτεϊνική φωσφατάση 1 αποτελείται από μία καταλυτική υπομονάδα (ΡΡ1) και δύο ρυθμιστικές υπομονάδες. Μια βασική ρυθμιστική υπομονάδα είναι η υπομονάδα G (G L στο ήπαρ και G M στους μυς) που δεσμεύει το γλυκογόνο και την ΡΡ1 Σε μύες, φωσφορυλίωση της G M οδηγεί σε διαχωρισμό της ΡΡ1 από το γλυκογόνο και μείωση της δραστικότητας του ενζύμου. Μια δεύτερη ρυθμιστική υπομονάδα, όταν φωσφορυλιώνεται, συνδέεται και αναστέλλει περαιτέρω ΡΡ1.

51 Eλεγχος της φωσφωρικής φωσφατάσης Ι

52 Ορμονικός έλεγχος ινσουλίνη Ινσουλίνη (και γλυκαγόνη) εκκρίνοντι από το πάγκρεας στο ήπαρ ως απόκριση σε μια αύξηση της γλυκόζης στο αίμα Διεγείρει τη σύνθεση του γλυκογόνου και αναστέλλει τη αποικοδόμηση του. Ενεργοποίηση μοναπατιου σήματος που οδηγεί στη φωσφορυλίωση και απενεργοποίηση της κινάσης της συνθάσης γλυκογόνου ΡΡ1 αποφωσφορυλιώνει την συνθάση του γλυκογόνου (ενεργό μορφή). Ινσουλίνη διευκολύνει επίσης τη σύνθεση γλυκογόνου με την αύξηση του αριθμού των μεταφορέων γλυκόζης (GLUT4) στην μεμβράνη του πλάσματος.

53 Ορμονικός έλεγχος

54 Η γλυκόζη ρυθμίζει το μεταβολισμό του γλυκογόνου στο ήπαρ Υψηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίμα: αναστολή αποικοδόμησης γλυκογόνου και διεγερση της σύνθεσης του γλυκογόνου. Η μετατροπή της φωσφορυλάσης γλυκογόνου α από την κατάσταση R στην κατάσταση Τ με την σύνδεση της γλυκόζης εχει ως αποτελεσμά την ενεργοποίηση της ΡΡ1 που είναι δευσμευμένη με την φωσφορυλάση. ΡΡ1 αλλάζει το μεταβολισμό του γλυκογόνου από την κατάσταση της αποικοδόμησης στην κατάσταση σύνθεσης. Απενεργοποιήση της φωσφορυλάσης ενεργοποίηση της συνθάσης του γλυκογόνου με αποφωσφορυλίωση

55 Φωσφορυλάση γλυκογόνου αισθητήρας γλυκόζης στο ήπαρ

56 Η γλυκόζη ρυθμίζει το μεταβολισμό του γλυκογόνου στο ήπαρ

57 Διαταραχές του μεταβολισμού υδατανθράκων Διαβήτης χαρακτηρίζεται από την παρουσία περίσσειας γλυκόζης και μη εκμετάλλευση του καυσίμου. Η περίσσεια γλυκόζης απεκκρίνεται στα ούρα. Στο διαβήτη τύπου 1 δεν παράγεται ινσουλίνη Στον διαβήτη τύπου 2, η ινσουλίνη παράγεται αλλά δεν ενεργοποιεί το σηματοδοτικό μονοπάτι

58 Ασθένειες Ασθένειες αποθήκευσης του γλυκογόνου μπορούν να προκύψουν από ελαττώματα στον μεταβολισμό του γλυκογόνου. Νόσος McCardle: ελαττωματική φωσφορυλάση γλυκογόνου στους μυείς. Στη νόσο του Pompe, τα λυσοσώματα διογκωμένα με γλυκογόνο: στέρηση λυσοσωμικού ενζύμου που απαιτείται για να αποικοδόμηση του γλυκογόνο.

59

60 Σύνοψη Απαραίτητα ένζυμα για την αποικοδόμηση του γλυκογόνου Ρύθμιση της Φωσφορυλάσης: αλλοστερικός έλεγχος αναστρέψιμη φωσφοριλύωση Ορμονική ρύθμιση επινεφρίνη και γλυκαγόνη σηματοδοτουν την αποικοδομηση του H σύνθεση και η αποικοδόμηση του γλυκογόνου γίνεται μεσω διαφορετικών μονοπατιών H σύνθεση και η αποικοδόμηση του γλυκογόνου ρυθμίζονται αντίρροπα