Σηµειώσεις Βιοχηµείας Α 2007-2008 Μεταβολισµός του γλυκογόνου

Α) Κύρια σηµεία

1. Το γλυκογόνο είναι µια άµεσα κινητοποιούµενη αποθήκη ενέργειας στο ήπαρ και τους µυς 2. Το γλυκογόνο αποτελείται από µόρια γλυκόζης που συνδέονται µεταξύ τους µε

γλυκοζιτικούς δεσµούς α-1,4 και α-1,6 (διακλαδώσεις) 3. Στο ήπαρ, το γλυκογόνο ρυθµίζει τα επίπεδα γλυκόζης του αίµατος. Στους µυς, το

γλυκογόνο προµηθεύει τον ιστό µε γλυκόζη που µέσω της γλυκόλυσης, θα δώσει το ΑΤΡ που απαιτείται για την µυϊκή δραστηριότητα.

4. Η σύνθεση και η αποικοδόµηση του γλυκογόνου γίνονται από διαφορετικά ένζυµα για την

αποτελεσµατικότερη ρύθµιση των δυο αντίθετων διεργασιών.

5. Για την αποικοδόµηση του γλυκογόνου απαιτείται η φωσφορυλάση του γλυκογόνου καθώς και ένα ένζυµο αποδιακλάδωσης.

6. Για την σύνθεση του γλυκογόνου απαιτείται η συνθάση του γλυκογόνου και ένα ένζυµο

διακλάδωσης. Για την σύνθεση του γλυκογόνη είναι επίσης απαραίτητη η «ενεργοποίηση» της γλυκόζης σε UDP-γλυκόζη.

7. Η συµµετοχή νουκλεοτιδίων για την ενεργοποίηση πρόδροµων µορίων σε βιοσυνθέσεις

αποτελεί ένα επαναλαµβανόµενο µοτίβο στον µεταβολισµό.

8. Οι διακλαδώσεις συµβάλλουν στην διαλυτότητα του γλυκογόνου καθώς και στην αύξηση των µη-αναγωγικών άκρων µε σκοπό την ταχύτερη χρησιµοποίησή του.

9. Η ρύθµιση της δραστικότητας της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου γίνεται οµοιοπολικά (µε

φωσφορυλίωση-αποφωσφορυλίωση) και αλλοστερικά (πρόσδεση αλλοστερικών ενεργοποιητών και αναστολέων).

10. Η οµοιοπολική ρύθµιση γίνεται ως απόκριση σε εξωκυττάρια ερεθίσµατα (ορµόνες) µέσω

καταρρακτών αντιδράσεων στις οποίες συµµετέχει το κυκλικό ΑΜΡ.

11. Τα επίπεδα της γλυκόζης στο αίµα είναι ο βασικότερος ρυθµιστής του µεταβολισµού του γλυκογόνου

a. Χαµηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίµα σηµατοδοτούν την έκκριση επινεφρίνης

(αδρεναλίνης) και γλυκαγόνης οι οποίες ενισχύουν την διάσπαση του γλυκογόνου και την απελευθέρωση γλυκόζης στο αίµα.

b. Υψηλά επίπεδα γλυκόζης στο αίµα προκαλούν την έκκριση ινσουλίνης η οποία προκαλεί την µεταφορά της γλυκόζης στους ιστούς και την αποθήκευσή της σε γλυκογόνο.

12. Ελλειψη ή µειωµένη δραστικότητα των ενζύµων που συµµετέχουν στον µεταβολισµό του

γλυκογόνου προκαλούν νοσήµατα (νόσοι αποθήκευσης γλυκογόνου)

1

Β) Βασικές έννοιες Το γλυκογόνο είναι πολυµερές της γλυκόζης µε α1-4 και α1-6 γλυκολυτικούς δεσµούς. Η σύνθεση και η αποικοδόµηση του γλυκογόνου γίνονται µε διαφορετικά ένζυµα:

PLP

Η φωσφορική πυριδοξάλη αποτελεί την προσθετική οµάδα της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου και συµβολίζεται µε PLP. Η φωσφορική πυριδοξάλη είναι συνδεµένη οµοιοπολικά, µέσω βάσης Schiff, µε µια λυσίνη της φωσφορυλάσης η PLP συµµετέχει σε συνδυασµένη οξεοβασική κατάλυση στην φωσφορόλυση του γλυκογόνου.

Η UDP-γλυκόζη είναι µια ενεργοποιηµένη µορφή γλυκόζης που χρησιµοποιείται στις αλληλοµετατροπές εξοζών. Το ανωµερικό υδροξύλιο της γλυκόζης σχηµατίζει δεσµό υψηλής ενέργειας µε το φώσφορο του UDP.

Αποικοδόµηση του γλυκογόνου:

2. Ενζυµα που συµµετέχουν στην αποικοδόµηση του γλυκογόνου:

α) φωσφορυλάση του γλυκογόνου* (προκαλεί την φωσφορόλυση του γλυκοζιτικού δεσµού,

συµµετέχει η φωσφορική πυριδοζάλη σε συνδυασµένη οξεοβασική κατάλυση). Το ένζυµο είναι

µοντέλο αλλοστερικής τροποποίησης. Αλλοστερικοί τροποποιητές είναι το ΑΤΡ (-), η Γλυκόζη (-), η

6-Ρ Γλυκόζη (-) και η ΑΜΡ (+) (+ σηµαίνει θετικός, - σηµαίνει αρνητικός τροποποιητής). Επίσης

είναι µοντέλο οµοιοπολικής τροποποίησης µε φωσφορυλίωση που µετατοπίζει την ισορροπία Τ

προς R

Νόσοι: McArdle (γλυκογονίαση τύπου V) για το ένζυµο των µυών και Νόσος Hers (γλυκογονίαση

τύπου VΙ) για το ένζυµο του ήπατος.

β) Φωσφογλυκοµουτάση (µετατροπή της 1ΡΓλυκόζης σε 6ΡΓλυκόζη)

2

γ) Ένζυµο αποδιακλάδωσης (έχει δράση µεταφοράσης α1-4 δεσµών από µια διακλάδωση στην

κύρια αλυσίδα του γλυκογόνου και α1-6 γλυκοζιτάσης). Η α1-6 γλυκοζιτάση ελευθερώνει ένα µόριο

γλυκόζης για κάθε διακλάδωση. Η έλλειψη του ενζύµου αποδιακλάδωσης προκαλεί τη νόσο του

Cori (γλυκογονίαση τύπου ΙΙΙ). Η έλλειψη της α 1-4 γλυκοζιτάσης που δρα στο λυσοσώµα όλων

των ιστών προκαλεί τη νόσο του Pompe (γλυκογονίαση τύπου ΙΙ) που είναι λυσοσωµατιακή νόσος

και προκαλεί θάνατο σε ηλικία ~ 2 ετών από καρδιοαναπνευστική ανεπάρκεια.

Σύνθεση γλυκογόνου.

Έχουµε προσθήκη Γλυκόζης (Γ) σε µια τυροσίνη της γλυκογενίνης. Η γλυκογενίνη

αυτογλυκοζυλιώνεται στη θέση Tyr, η γραµµική α1-4 αλυσίδα, που δηµιουργείται χρησιµοποιείται

εν συνεχεία ως εκκινητής για την έναρξη των διακλαδώσεων.

Η συνθάση είναι ενεργή µόνο όταν συνδεθεί µε τη γλυκογενίνη, η γλυκογενίνη επίσης περιορίζει το

µέγεθος των κόκκων γλυκογόνου.

Ενζυµα που συµµετέχουν στην αποικοδόµηση του γλυκογόνου:

α) Πυροφωσφορυλάση της UDP~Γ: 1ΡΓ + UTP --- > UDP~Γ + PPi

β) Συνθάση γλυκογόνου: Γλυκογόνο (η) + UDP~Γ --- > γλυκογόνο (n+1) + UDP

γ) Ένζυµο διακλάδωσης (α1-6 → α1-4) Μεταφέρει µικρές αλυσίδες γλυκόζης (συνήθως επταµερή

γλυκόζης) από αλυσίδα που ξεκινά από α1-6 διακλάδωση περίπου 4 σάκχαρα πιο κάτω για να

ξεκινήσει µια νέα α1-6 αλυσίδα. Η διακλάδωση που έχασε το επταµερές διατηρεί 5

τουλάχιστον σάκχαρα.

Η έλλειψη του ενζύµου διακλάδωσης προκαλεί τη νόσο Andersen (γλυκογονίαση τύπου IV) που

προκαλεί κίρρωση µε του ήπατος και οδηγεί σε θάνατο σε ηλικία ~ 2 ετών

Σηµασία των διακλαδώσεων: Το γλυκογόνο που περιέχει διακλαδώσεις είναι συµπαγές, έχει

αυξηµένη διαλυτότητα και αυξηµένη ταχύτητα σύνθεσης και αποικοδόµησης. Όταν το γλυκογόνο

δεν έχει διακλαδώσεις όπως στη νόσο του Anderson, είναι τοξικό για το ήπαρ. Όταν η

συγκέντρωση γλυκογόνου υπερβεί 50-60 gr γλυκογόνου/Kgr αναστέλλεται η σύνθεση του

γλυκογόνου.

Η έλλειψη της φωσφατάσης της 1ΡΓ προκαλεί τη νόσο του Von Gierke (γλυκογονίαση τύπου Ι) και

η έλλειψη της φωσφοφρουκτοκινάσης προκαλεί γλυκογονίαση τύπου VII.

3

Ρύθµιση του µεταβολισµού του γλυκογόνου.

Ορµόνες που κινητοποιούν Ca++ και αυξάνουν τη συγκέντρωση του στο κυτταρόπλασµα

προκαλούν αποικοδόµηση του γλυκογόνου. π.χ. κατά την έναρξη µυϊκής άσκησης Ca++

ελευθερώνεται στο κυτταρόπλασµα, ενεργοποιεί την κινάση της φωσφορυλάσης που τη

φωσφωρυλιώνει και ενεργοποιεί την φωσφορυλάση του γλυκογόνου

Παρουσία ινσουλίνης, έχουµε σύνθεση γλυκογόνου, παρουσία επινεφρίνης συµβαίνει το αντίθετο:

η σύνθεση γλυκογόνου σταµατά και ενεργοποιείται η αποικοδόµηση του.

Αποφωσφορυλίωση της συνθάσης και της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου αναστέλλει τη

διάσπαση και ενεργοποιεί τη σύνθεση του γλυκογόνου

Ρύθµιση του µεταβολισµού του γλυκογόνου µε έλεγχο σύνθεσης και αποικοδόµησης του

1. Χρήση διαφορετικών ενζύµων για σύνθεση και αποικοδόµηση

2. Αλλοστερική ρύθµιση. Η φωσφορυλάση έχει θέσεις πρόσδεσης υποστρώµατος γλυκογόνου

και αλλοστερικών τροποποιητών όπως ΑΜΡ, ΑΤΡ, Γ, 6ΡΓ. Η µη φωσφορυλιωµένη µορφή

της φωσφορυλάσης ενεργοποιείται από ΑΜΡ και αναστέλλεται από ΑΤΡ και 6ΡΓ.

3. Αντίθετος ορµονικός έλεγχος σύνθεσης-διάσπασης

Π.χ. Στους µύες η επινεφρίνη (αδρεναλίνη) που παράγεται από τα επινεφρίδια και στο ήπαρ η

Γλυκαγόνη (που παράγεται από τα α κύτταρα του παγκρέατος) προκαλούν ένα καταρράκτη

φωσφορυλιώσεων που επάγει την διάσπαση του γλυκογόνου και αναστέλει την σύνθεση του. Η

ρύθµιση της σύνθεσης και της αποικοδόµησης γίνεται µε το ίδιο ορµονικό σήµα. Πχ. Αδρεναλίνη ή

γλυκογόνη φωσφορυλιώνει τόσο τη φωσφορυλάση όσο και τη συνθάση του γλυκογόνου. Η

φωσφορυλίωση της φωσφορυλάσης γίνεται σε ser – OH – 14 και έχει σαν αποτέλεσµα την αλλαγή

στην στερεοδοµή του ενζύµου (Τ → R) και στα σηµεία επαφών των υποµονάδων.

4

Ρύθµιση της φωσφορυλάσης από την αδρεναλίνη στους µύες

Αδρεναλίνη

Υποδοχέας αδρεναλίνης στα µυϊκά κύτταρα

Αδενινική κυκλάση ↓

cAMP ↓

Πρωτεϊνική κινάση (ΡΚΑ) ↓

Κινάση φωσφορυλάσης ~ Ρ

5

ΑΜΡ Rβ Tβ Τα Rα ΑΤΡ ΟΗ 6ΡΓ ΟΗ Ρi Ρi

Σε αυξηµένη συγκέντρωση γλυκόζης η γλυκόζη προσδένεται στην R~P µορφή της

ορυλάσης του ήπατος και µετατοτ

φωσφ πίζει ην ισορροπία προς την Τ ~ P µορφή

Φωσφορυλάση ~ P Αναστολέας φωσφατάσης 1 ~ P

ενεργός ενεργός

Ακριβώς το ίδιο µονοπάτι ακολουθείται στο ήπαρ µε την πρόσδεση της γλυκαγόνης στον υποδοχέα

της γλυκαγόνης.

Με τον καταρράκτη φωσφορυλιώσεων η φωσφωρυλάση α (E ~ ΟΗ) που είναι ανενεργός → γίνεται

φωσφορυλάση β (Ε~P) και ενεργοποιείται. Με το ίδιο ορµονικό σήµα η ενεργή συνθάση του

γλυκογόνου (Ε-ΟΗ) φωσφορυλιώνεται (E~P) και απενεργοποιείται.

Επίσης µε το ίδιο ορµονικό σήµα (αδρεναλίνης-γλυκαγόνης), φωσφορυλιώνεται (E~P) και

ενεργοποιείται ο αναστολέας της φωσφατάσης.

Η φωσφορυλίωση και ενεργοποίηση του αναστολέα της φωσφατάσης εγγυάται ότι η ενεργή

φωσφορυλιωµένη φωσφορυλάση και η ανενεργή φωσφορυλιωµένη συνθάση δεν θα

αποφωσφορυλιωθούν.

Εξήγηση του διεγερτικού ρόλου της καφεΐνης

Οι φωσφοδιεστεράσες διασπούν το cAMP.

Η καφεΐνη είναι αναστολέας των φωσφοδιεστερασών παρατείνει τη δράση του cΑΜΡ.

Ρύθµιση της δράσης της φωσφορυλάσης από τη Γλυκόζη

Όπως ανεφέρθη προηγουµένως, η µη φωσφορυλιωµένη µορφή της φωσφορυλάσης ενεργοποιείται

από ΑΜΡ και αναστέλεται από ΑΤΡ και 6ΡΓ.

Αυτό έχει σαν συνέπεια να εκτεθεί ο P της φωσφορυλιωµένης φωσφατάσης Ε~P στην φωσφατάση 1

που είναι προσδεδεµένη πάνω στη φωσφορυλιωµένη φωσφορυλάση (σηµειωτέων ότι η συγκέντρωση

της φωσφατάσης είναι το 1/10 αυτής της φωσφορυλάσης) Μετά την υδρόλυση του P, το σύµπλεγµα

φωσφατάσης-φωσφορυλάσης διασπάται (η φωσφατάση δεν µπορεί να προσδεθεί στη µη

φωσφορυλιωµένη φωσφωρυλάση). Η φωσφατάση προσδένεται µε τη φωσφορυλιωµένη συνθάση,

υδρολύει τον P και την ενεργοποιεί.

Η επινεφρίνη φωσφορυλιώνει τον αναστολέα της φωσφατάσης – 1 και τον ενεργοποιεί. Επίσης

προάγει την πρόσδεση της φωσφατάσης στους κόκκους του γλυκογόνου µε την φωσφορυλίωση της

G υποµονάδος της.

Η ινσουλίνη ενεργοποιεί την φωσφατάση –1 µε φωσφορυλίωση σε άλλη θέση της G υποµονάδος και

προκαλεί προσκόλληση στο γλυκογόνο.

Ενεργειακό κόστος αποθήκευσης της γλυκόζης υπό µορφή γλυκογόνου: Παραγονται 37 µόρια

ΑΤΡ για αποικοδόµηση 1 µορίου γλυκόζης που παράγεται από το γλυκογόνο. Για τη σύνθεση του

γλυκογόνου από γλυκόζη καταναλίσκουµε λίγο παραπάνω από ένα ΑΤΡ. Γιατί;

6

7

Ο ορµόνες ινσουλίνης γλυκαγόνου επινεφρίνη (αδρεναλίνη και το µόριο ενδοκυττάριας

µεταβίβασης σήµατος (cAMP) ελέγχουν τον µεταβολισµό του γλυκογόνου.

ΙΝΣΟΥΛΙΝΗ Η ινσουλίνη είναι µια ορµόνη που εκκρίνεται από τα β κύτταρα του παγκρέατος όταν η συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίµα είναι υψηλή. Η ινσουλίνη προσδένεται στον υποδοχέα της ινσουλίνης και µέσω ενός καταρράκτη φωσφορυλιώσεων, ενεργοποιεί την σύνθεση του γλυκογόνου και την είσοδο της γλυκόζης στο κύτταρο µέσω ειδικών υποδοχέων που ονοµάζονται Glut-4. Η ινσουλίνη συντίθεται σαν προ-ορµόνη που περιέχει ένα προπεπτίδιο από 35 αµινοξέα που αποµακρύνεται µε πρωτεόλυση πριν από την έκκριση της ινσουλίνης.

8

Γ) Ερωτήσεις κατανόησης 1. Ποιός είναι ο φυσιολογικός ρόλος του γλυκογόνου στο ήπαρ και τους µυς;

2. Ποιά είναι η φυσιολογική σηµασία της ύπαρξης διακλαδώσεων στο µόριο του γλυκογόνου

και από ποιά ένζυµα επιτελείται η δηµιουργία και η αποικοδόµηση των διακλαδώσεων;

3. Ποια είναι η συµµετοχή νουκλεοτιδίων στον µεταβολισµό του γλυκογόνου; Γράψτε την

χωρίς χηµικούς τύπους.

ψτε συνοπτικά τον µηχανισµό ρύθµισης του µεταβολισµού του γλυκογόνου από την

ν

αντίδραση

4. Περιγρά

επι εφρίνη στα µυϊκά κύτταρα.

5. Αναφέρατε δυο νοσήµατα αποθήκευσης του γλυκογόνου, την µοριακή τους βάση και τα

κυριότερα κλινικά τους χαρακτηριστικά.

9