UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE. Biochimie metabolica

Transcript

1 UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE Biochimie metabolica

2

3 Catabolismul principalelor tipuri de biomolecule (proteine, polizaharide si lipide) parcurge in celulele aerobe 4 faze 3 III I II 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)

4 4

5 zaharoza fructoza Catabolismul glucidelor lactoza galactoza Glicogen glucoza ATP Hexokinaza/ glucokinaza glicogenoliza Glucozo P glicoliza suntul pentozo P Pentozo P + NADPH Piruvat Lactat DHaza Lactat Alcool DHaza Complexul piruvat dehidrogenazei Acetil CoA Etanol CO2 Ciclul Krebs + fosforilarea oxidativa CO2, H2O, ATP 5

6 GLICOLIZA 6 Calea Embden Mayerhof Parnas 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 C 6 H 12 O 6 + 2NAD+ + 2 (ADP + Pi) 2 PIRUVAT + 2 NADH+ 2 ATP Glicoliza anaeroba C6H12O6 + 2 (ADP + Pi) LACTAT + 2 ATP

7 Prima faza a glicolizei C6 5 etape enzimatice: è 2 C3 consumatoare de 2 moli ATP cuprinde Glucoza 1 ATP ADP Glucozo 6-P Hexokinaza/ glucokinaza C6H12O6 + 2 ATP 2 Fructozo 6-P fosfoglucomutaza 2 GAP + 2 ADP 3 ATP fosfofructokinaza 4 ADP Fructozo 1,6-bisP aldolaza Enzimele reglatoare catalizeaza reactii ireversibile 1 si 3 Dihidroxiaceton P DHAP 96 % fosfotriozoizomeraza Gliceraldehid P GAP 4 % 5 7

8 A doua faza a glicolizei este formatoare de ATP Coeficienti stoichiometrici X 2 deoarece C6 2 C3 8 6 NAD+ NADH GAP H3PO4 GAP DHaza Reactia 6 R-CHO + NAD + + H 2 O R-COOH + NADH+H + ΔGo = 10,3 kcal/mol a 7 ADP ATP 1,3-difosfoglicerat 1,3-DPG Fosfoglicerat kinaza 3-fosfoglicerat R-COOH + H 3 PO 4 R-CO~OPO 3 H 2 + H 2 O ΔGo = + 11,8 kcal/mol Suma a + b ΔGo = +1,5 kcal/mol b 3-PG aproape 0, reactie reversibila 8 Fosfoglicerat mutaza 2-fosfoglicerat 2-PG 9 H2O Enolaza ADP ATP Fosfoenol piruvat PEP Piruvat kinaza 10 Piruvat

9 Suma reactiilor 1-6 Glucoza + 2 NAD ATP 2 x 1,3-DPG + 2 NADH+2H ADP + 2Pi 9 Suma reactiilor reprezinta o fosforilare oxidativa la nivel de substrat R-CHO + NAD+ + Pi + ADP R-COOH + NADH+H + + ATP Componenta exergonica Componenta endergonica Bilantul total al glicolizei C6H12O6 + 2 NAD (ADP + Pi) Etapa exergonica: C6H12O6 + 2 NAD+ 2 PIRUVAT + 2 NADH+2H ATP 2 PIRUVAT + 2 NADH+2H+ ΔGo = 47 kcal/mol Etapa endergonica: 2 ADP + 2 Pi 2 ATP + 2 H2O ΔGo = + 14,6 kcal/mol ΔGo total = ,6= 32,4 kcal/mol reactie ireversibila Randamentul glicolizei: η = 14,6/47 x 100 = 31 % tinand seama de valorile ΔGo In realitate randamentul glicolizei ~ 53 % (in functie de valorile ΔG)

10 Reglarea glicolizei 10 1) La nivelul transportorilor glucozei GLUT 2) La nivelul hexokinazei 3) La nivelul fosfofructokinazei 4) La nivelul piruvat kinazei 1) La nivelul transportorilor GLUT Glucoza din sange patrunde in celula prin difuzie facilitata de proteinele transportor GLUT- codificate de gene distincte, exprimati intr-o maniera tesut-specifica Glucoza este transportata in sensul gradientului de concentratie, nu nece sita energie (ATP)

11 11 Schema structurii transportorilor GLUT catena polipeptidica de ~ 500 resturi de aminoacizi, 12 segmente de α-helix sglut 1, GLUT 1, GLUT 2, GLUT 3, GLUT 4, GLUT 5 sglut 1 exprimat majoritar in mucoasa intestinala si tubulii renali, cotransporta 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

12 GLUT 2 exprimat de celule β pancreatice, hepatocite, etc; are o mica afinitate si inalta capacitate de transport; KM ~ mm; functioneaza ca un sensor al glicemiei in celulele β 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 translocarea GLUT 4 (si fosforilarea) din citosol pe membrana favorizand preluarea de glucoza de catre celula din sange (efect hipoglicemiant) Cand nivelul insulinei scade transportorii GLUT 4 sunt translocati de la membrana in citoplasma 12

13 A. Transportul glucozei insensibil la insulina (GLUT 1 sau sglut1 GLUCOZA eritrocit creier ficat rinichi B. Transportul glucozei sensibil la insulina (GLUT-4) muschi cord INSULINA + + GLUCOZA adipocit 13

14 Controlul glicolizei la nivelul enzimelor reglatoare 14

15 2) Reglarea glicolizei la nivelul hexokinazei Glucoza + ATP hexokinaza/glucokinaza Glucozo 6-P + ADP Hexokinaza Glucokinaza D-Glc,Fru, Man, GlcNH2 Enzima reglatoare Inhibata de Glc-6-P D-Glc Enzima comuna 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 16

17 3) Reglarea glicolizei la nivelul fosfofructokinazei 17 ATP Fru-6-P Pi PFK-2 PS-fosfataza specifica hipoglicemie PS iii) Inhibata de [citrat] mari Fru-2,6 P2 H2O ADP 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, formarea excesva de lactat scade ph sangvin produce acidoza 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 1 32 Domeniu reglator PFK2 250 PS 470 Enzima bifunctionala de 55 kda, cu ambele activitati PFK2 si PS

18 Glucagonul (ficat) sau epinefrina (muschi) cresc nivelul camp, activeaza PKA. In ficat aceasta conduce la scaderea [Fru-2,6-P2] si inhiba glicoliza. PFK-1" PFK-2! Fru-6-P" +! F-2,6-P 2! Fru-1,6-P 2 " glicoliza" 18 In muschi, epinefrina are un efect opus activeaza glicoliza!!!!!!

19 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 Hiperglicemie Fru 2,6 bis P Fru 6-P Creste glicoliza Scade glicoliza Insulina scade nivelul camp, creste nivelul Fru-2,6 P2. stimuleaza glicoliza 19

20 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 ADP PKA ATP PEP + ADP PyrK (L)-OP PyrK (L)-OH H2O Pi PYR + ATP Fru-1,6-bis P ATP, ALA Efectori alosterici

21 Transformarile piruvatului

22 1) Transformarea piruvatului in lactat 22 Reactia 11 a glicolizei, catalizata de lactat dehidrogenaza Piruvat L-lactat Izoenzime Cord Lac Pyr Acetil CoA H4 Muschi Pyr Lac M4 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

23 Glucoza Glc-6-P Fermentatia lactica 23 Fru-6-P Fru-1,6-P2 DHAP 6 GAP 1,3-DPG NAD+ NADH+ Lactat Pyr Etanol 12 Acetaldehida 3-PG 2-PG PEP Fermentatia alcoolica

24 24 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

25 2) Transformarea piruvatului in etanol 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+ Piruvat decarboxilaza are tiamin pirofosfatul (TPP) ca grupare prostetica Alte TPP enzime: Transcetolaza Componenta A a piruvat dehidrogenazei

26 Piruvat decarboxilaza - prezenta la microorganisme - absenta la om si animale 26 Alcool dehidrogenaza prezenta la - drojdii α4 1 Zn2+/mer - om (ficat) α2 2 Zn2+/mer metabolizeaza alcoolul ingerat NAD+ NADH NAD NADH ATP AMP,Pi CO2,H2O, ATP CH3-CH2-OH CH3-CHO CH3-COOH CH3-CO~SCoA alcool aldehid acetil CoA dehidrogenaza dehidrogenaza sintetaza Grasimi

27 3. Transformarea piruvatului in acetil CoA v.p piruvat NAD+ CoASH Complexul piruvat dehidrogenazei Acetil CoA NADH CO2 Va fi discutat ulterior!

28 INTRAREA OLIGOZAHARIDELOR, FRUCTOZEI SI GALACTOZEI IN GLICOLIZA 28 Invertaza-zaharaza-sucraza lactaza-β galactozidaza

29 Fructoza 29 Adipocit [Fru] >>> [Glc] ATP ATP Ficat [Glc] >>> [Fru] hexokinaza fructokinaza Fru 6-P Fru 1-P Fru 1-P aldolaza (tip B) DHAP Gliceraldehida ATP Gliceraldehid kinaza GAP G L I C O L I Z A

30 30 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

31 31

32 Intoleranta la fructoza 32 Maladie genetica, deficienta in aldolaza tip B, acumulari de Fru 1-P, bolnavii nu suporta glucide, Fru nu alimenteaza glicoliza Galactozemie 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

33 UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE Biochimie metabolica

34

35 3

36 4

37 Glicogenul 5 Resturi de α-glucoza Legaturi α-1,4 si α-1,6 glucozidice O ramificare la 8-10 resturi glucoza legate α-1,4 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

38 Glicogenul organizat in granule citoplasmatice cu un diametru de Å, pe care sunt sorbite enzimele si proteinele neenzimatice implicate in metabolismul glicogenului. Dupa masa >10% greutatea ficatul reprezinta glicogen 6

39 7 Glicogen fosforilaza Scindeaza legaturi α-1,4 Fosforoliza Stopeaza actiunea la 5 resturi inaintea ramificatiei ENZIMELE GLICOGENO- LIZEI Enzima de deramificare Scindeza legaturi α-1,6 Are 2 activitati catalitice: hidrolazica si transferazica fosfoglucomutaza Catalizeaza izomerizarea Glc-1-P Glc-6-P

40 Glicogenoliza in muschi si ficat 8 Muschi Glicogen Glc 1-P Glc 6-P Glicoliza ATP contractie Ficat Alte tesuturi Glicogen Glc 1-P Glc 6-P Glucoza Reglarea glicemiei Glucoza Glucoza Insulina Lactat Lipide CO 2 + H 2 O Fat Lactat Glicogen

41 Glicogen fosforilaza (GP) 9 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 α2, Mα 97 kda, 1 mol PALP/subunitate, unde PALP catalizator acido-bazic

42 Glicogen fosforilaza exista in doua forme convertibile a si b In situsul catalitic activ este un rest de Ser per fiecare monomer 2ATP 2 ADP Fosforilaza kinaza GPb (Ser-OH) GPa (Ser-O-P) AMP Putin activa Total activa Activator alosteric 2 Pi 2 H2O Fosfoprotein fosfataza 1 (PP 1) 10

43 11 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 R T

44 Fosforilaza kinaza 12 Fosforileaza Ser-14 din GP si activeaza GPb GPa In muschii scheletici, enzima are o structura (αβγδ)4 si are 1200 kda αβ - sunt subunitati tinta pentru PKA γ - subunitatea catalitica δ- calmodulina, se leaga tranzitoriu la enzima si-i confera sensibilitate la Ca2+

45 Fosforilaza kinaza este activata partial de Ca2+ si total prin fosforilare (PKA) Impuls nervos Fosf kinaza Ca2+ Ca2+ Fosf kinaza PKA camp Hormon Fosf kinaza inactiva Partial activa Total activa 13

46 Reglarea glicogenolizei la nivelul fosfoprotein fosfatazei 1 14 Exista mai multe Ser/Thr fosfoprotein fosfataze: PP-1, PP-2A, PP-2B si PP-2C care se deosebesc prin specificitate 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

47 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

48 Insulina inhiba glicogenoliza actionand tot asupra PP-1 16 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

49 Enzima de deramificare 17 o singura catena polipeptidica de 160 kda, cu dubla specificitate: transferaza si α-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 α-1,6 glucozidaza scindeaza legatura α-1,6-glucozidazica conducand la o structura lineara care poate fi metabolizata total de fosforilaza

50 Actiunea α-1,6 glucozidazica 18

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