Upload
doankhanh
View
257
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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
è
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+
ΔGo’= ─ 10,3 kcal/mol a
R-COOH + H3PO4 → R-CO~OPO3H2 + H2O
ΔGo’= + 11,8 kcal/mol
b
Suma a + b ΔGo’= +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+
ΔGo’= ─ 47 kcal/mol
Etapa endergonica: 2 ADP + 2 Pi 2 ATP + 2 H2O ΔGo’= + 14,6 kcal/mol
ΔGo’total = ─ 47 + 14,6= ─ 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)
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 α-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 β pancreatice, hepatocite, etc; are o mica afinitate si inalta capacitate de transport; KM ~ 15-20 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 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 α4 1 Zn2+/mer
- om (ficat) α2 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-β 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 α-glucoza
Legaturi α-1,4 si α-1,6 glucozidice
O ramificare la 8-10 resturi glucoza legate α-1,4
Glicogenul organizat in granule citoplasmatice cu un diametru de 100-400 Å, pe care sunt sorbite enzimele si proteinele neenzimatice implicate in metabolismul glicogenului. Dupa masa >10% greutatea ficatul reprezinta glicogen
6
7
Scindeaza legaturi α-1,4
Fosforoliza
Stopeaza actiunea la 5 resturi inaintea ramificatiei
Glicogen fosforilaza
Scindeza legaturi α-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 α2, Mα 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 (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+
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 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 meta-bolizata total de fosforilaza
17
Actiunea α-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