1 Integracja

2013-05-02

I. Integracja przemian metabolicznych na poziomie komórkowym •

Regulacja przepływu metabolitów pośrednich pomiędzy różnymi szlakami metabolicznymi na poziomie komórkowym.

•

Specjalizacja metaboliczna wybranych tkanek: wątroba, tkanka tłuszczowa, mięsień szkieletowy, erytrocyt, mózg.

•Glikoliza •Szlak pentozofosfosforanowy •Synteza kwasów tłuszczowych, cholesterolu

Kompartmentacja wewnątrzkomórkowa

•Cykl Krebsa •Fosforylacja oksydacyjna •β-oksydacja KT •Ketogeneza

II. Integracaja metabolizmu energetycznego organizmu Metabolizm energetyczny wybranych tkanek: • w stanie sytości • na czczo • w stanie głodu • w stanach patologicznych (cukrzyce, otyłość). Homeostaza glukozy. Hormony regulujące metabolizm energetyczny – mechanizm działania i efekt biologiczny.

Obydwa przedziały •Glukoneogeneza •Cykl mocznikowy

2012/2013

M echanizmy echanizmy kontrolujące kontroluj ce metabolizm 1. Rozdział reakcji syntez i utleniania - Skoordynowana regulacja cykli daremnych 2. Etapy determinujące szybkość ciągu reakcji (rate limiting steps) Wysoka wartość stałej równowagi, niskie Vmax. Nie są w równowadze w komórce Regulowane przez jeden z poniższych mechanizmów: 1. Modyfikacja kowalencyjna. Fosforylacja/defosforylacja - kinazy i fosfatazy 2. Regulacja allosteryczna - efektory aktywujące i hamujące 3. Stężenie enzymu - hormony lub metabolity mogą regulować transkrypcję niektórych genów. Ekspresja różnych izoenzymów. 4. Stężenie substratu - stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji 5. Kompartmentacja wewnątrzkomórkowa - np. cytozol i mitochondria 6. Specjalizacja narządowa - Różne narządy mają różne zapotrzebowanie na substraty i różną funkcję - Integracja metabolizmu narządów/integracja metabolizmu ustroju - Różne komórki mogą zawierać różne izoenzymy

INSULINA ZRÓWNOWAŻONE DZIAŁANIE OBU TYCH GLUKAGON HORMONÓW JEST KLUCZOWYM CZYNNIKIEM „CZUWAJACYM”, REGULUJĄCYM METABOLIZM m.in. GLUKOZY A TYM SAMYM METABOLIZM ENERGETYCZNY USTROJU ZASADNICZYM EFEKTEM ZMIANY WARTOŚCI [I]/[G] JEST ZMIANA UFOSFORYLOWANIA i w KONSEKWENCJI AKTYWNOŚCI KLUCZOWYCH ENZYMÓW m.in. (PRZEMIAN GLUKOZY i TŁUSZCZÓW WĄTROBA

[I]/[G] wysoki

[I]/[G] niski

MIĘŚNIE TKANKA TŁUSZCZOWA

1

2013-05-02

GLUKOZA

TKANKA TŁUSZCZOWA

Fosforylaza glikogenowa

GLU-6-P

GLIKOGEN

GLU-1-P

FRU-2,6-BP

Syntaza glikogenowa

FFK II/

F-1,6-Bis -fosataza II

FRU-6-P

KWASY TLUSZCZOWE

UDP-GLUKOZA

FRU-1,6-BP

MALONYLO-CoA

TRIGLICERYDY ALDEHYD—3-P-GLY

FOSFOENOLOPIROGRONIAN

WĄTROBA – STAN PO POSIŁKU I/G

ACETYLO-CoA

MLECZAN

Kinaza piogronianowa SZCZAWIOOCTAN

Kaboksylaza Acetylo-CoA

ACYLOCoA

ACYLOKARNITYNA

CYTRYNIAN

PIROGRONIAN

Deh. pirogronianowa AC-CoA

PIROGRONIAN

CYTRYNIAN

SZCZAWIOOCTAN CIAŁA KETONOWE

CK

ASPARAGINIAN

ASPARAGINIAN

MITOCHONDRIUM

ENZYMY NIEUFOSFORYLOWANE

GLIKOGENEZA GLIKOLIZA LIPOGENEZA

CYTOPLAZMA

MODYFIKACJE KOWALENCYJNE

Fosforylaza glikogenowa

GLUKOZA GLUKOZO-6-P

GLUKOZO-1-P

FRUKTOZO-2,6-BP

F-1,6-Bis-

UDP-GLUKOZA

FRUKTOZO-6-P

fosfataza II / FFK II

GLIKOGEN

TKANKA TŁUSZCZOWA

Mechanizmy kontrolujące metabolizm 1. Rozdział reakcji syntez i utleniania - Skoordynowana regulacja cykli daremnych 2. Etapy determinujace szybkość ciągu reakcji (rate limiting steps) Wysoka wartość stałej równowagi, niskie Vmax. Nie są w równowadze w komórce Regulowane przez jeden z poniższych mechanizmów: 1. Modyfikacja kowalencyjna. Fosforylacja/defosforylacja - kinazy i fosfatazy 2. Regulacja allosteryczna - efektory aktywujące i hamujące 3. Stężenie enzymu - hormony lub metabolity mogą regulować transkrypcję niektórych genów. Ekspresja różnych izoenzymów. 4. Stężenie substratu - stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji 5. Kompartmentacja wewnątrzkomórkowa - np. cytozol i mitochondria 6. Specjalizacja narządowa - Różne narządy mają różne zapotrzebowanie na substraty i różną funkcję - Integracja metabolizmu narządów/integracja metabolizmu ustroju - Różne komórki mogą zawierać różne izoenzymy

Inhibicja przez sprzężenie zwrotne Pierwszy regulowany etap na szlaku A - F

KWASY TLUSZCZOWE Syntaza glikogenowa

Produkt F jest allosterycnym inhibitorem enzymu 3

FRUKTOZO-1,6-BP MALONYLO-CoA

Kaboksylaza Acetylo-CoA

ALDEHYD—3-P-GLICERYNOWY ACYLOCoA FOSFOENOLOPIROGRONIAN

MLECZAN

Kinaza piogronianowa SZCZAWIOOCTAN

ACETYLO-CoA

ACYLOKARNITYNA

Produkt końcowy CYTRYNIAN

PIROGRONIAN

Produkt końcowy

WĄTROBA STAN GŁODU ASPARAGINIAN

PIROGRONIAN

CYTRYNIAN

SZCZAWIOOCTAN

CK

CIAŁA KETONOWE

Pierwszy regulowany etap na szlaku A – J

ASPARAGINIAN

I/G ENZYMY UFOSFORYLOWANE

ACETYLO-CoA

MITOCHONDRIUM CYTOPLAZMA

MODYFIKACJE KOWALENCYJNE

Produkt J jest allosterycnym inhibitorem enzymu 6

GLIKOGENOLIZA GLUKONEOGENEZA KETOGENEZA

2

2013-05-02

Allosteryczne efektory GLUKOZA GLIKOGEN

Glikoliza Synteza glikogenu Synteza KT Kwasy tłuszczowe

ACYLO-CoA

1. Rozdział reakcji syntez i utleniania - Skoordynowana regulacja cykli daremnych 2. Etapy determinujace szybkość ciągu reakcji (rate limiting steps) Wysoka wartość stałej równowagi, niskie Vmax. Nie są w równowadze w komórce Regulowane przez jeden z poniższych mechanizmów: 1. Regulacja allosteryczna - efektory aktywujące i hamujące 2. Modyfikacja kowalencyjna. Fosforylacja/defosforylacja - kinazy i fosfatazy

Acylotransferaza karnitynowa I

ACYLO-KARNITYNA FOSFOENOLOPIROGRONIAN CYTRYNIAN

PIROGRONIAN

Ciała ketonowe

WĄTROBA STAN PO POSIŁKU

Mechanizmy kontrolujące metabolizm

Allosteryczne efektory GLUKOZA

WĄTROBA STAN GŁODU

3. Stężenie enzymu - hormony lub metabolity mogą regulować transkrypcję niektórych genów. Ekspresja różnych izoenzymów. 4. Stężenie substratu - stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji 5. Kompartmentacja wewnątrzkomórkowa - np. cytozol i mitochondria 6. Specjalizacja narządowa - Różne narządy mają różne zapotrzebowanie na substraty i różną funkcję - Integracja metabolizmu narządów/integracja metabolizmu ustroju - Różne komórki mogą zawierać różne izoenzymy

GLUKOZA

Glukokinaza

LIPOGENEZA

Deh. 6Pglukonianu

Deh.G6P

RYBULOZO-5-FOSFORAN

6-FOSFOGLUKONIAN

GLUKOZO-6-P

FRUKTOZO-6-P

ACYLO-CoA

FFK I

KWASY TLUSZCZOWE

Syntaza kw. tłuszczowych

FRUKTOZO-1,6-BP

FFK I

CYTRYNIAN

Tkanka tłuszczowa Kwasy tłuszczowe

MALONYLO-CoA

NIENASYCONEACYLO-CoA

GLIKOLIZA LIPOGENEZA

Karboksylaza AcetyloCoA

LIPOGENEZA

TRIGLICERYDY Kinaza pirogronianowa

SZCZAWIOOCTAN ACYLO-CoA

Mleczan FOSFOENOLOPIROGRONIAN

ACYLO-KARNITYNA

ACETYLO-CoA

FOSFOENOLOPIROGRONIAN

Kwasy tłuszczowe

Karboksylaza AcetyloCoA

PIROGRONIAN

Deh. jabłczanowa

JABŁCZAN

Liaza cytrynianowa CYTRYNIAN

CYTRYNIAN

PIROGRONIAN PIROGRONIAN

ACETYLO-CoA

CYTRYNIAN

Szczawiooctan SZCZAWIOOCTAN

CYTOPLAZMA Asparaginian

MITOCHONDRIUM

Ciała ketonowe

WĄTROBA STAN PO POSIŁKU

Glikoliza Szlak PP Synteza KT

INDUKCJA EKSPRESJI ENZYMÓW

3

2013-05-02

Glukozo-6-fosfatazaa

Wątroba

WĄTROBA STAN GŁODU

GLUKOZA

GLUKONEOGENEZA

GLUKOZO-6-P

GLIKOGEN

GLU

INDUKCJA EKSPRESJI ENZYMÓW

MLE+ALA

FRUKTOZO-6-P F-1,6-Bisfosfataza 1

GLUKONEOGENEZA

MLECZAN

KRĄśENIE

TRIGLICERYDY

WKT

Transaminazy

FRUKTOZO-1,6-BP

Ciała ketonowe

AMINOKWASY

PIROGRONIAN

GLICEROL

FOSFOENOLOPIROGRONIAN PIROGRONIAN

Karboksykinaza PEP SZCZAWIOOCTAN

WĄTROBA GLUKONEOGENEZA

ASPARAGINIAN

ASPARAGINIAN

VLDL

α-KETOGLUTARAN

SZCZAWIOOCTAN

GLUKOZA TŁUSZCZE GLU

CYTOPLAZMA

MITOCHONDRIUM

CHYLOMIKRONY

DIETA

JELITO

Mechanizmy kontrolujące metabolizm 1. Rozdział reakcji syntez i utleniania - Skoordynowana regulacja cykli daremnych 2. Etapy determinujace szybkość ciągu reakcji (rate limiting steps) Wysoka wartość stałej równowagi, niskie Vmax. Nie są w równowadze w komórce Regulowane przez jeden z poniższych mechanizmów: 1. Regulacja allosteryczna - efektory aktywujące i hamujące 2. Modyfikacja kowalencyjna. Fosforylacja/defosforylacja - kinazy i fosfatazy 3. Stężenie enzymu - hormony lub metabolity mogą regulować transkrypcję niektórych genów. Ekspresja różnych izoenzymów. 4. Stężenie substratu - stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji 5. Kompartmentacja wewnątrzkomórkowa - np. cytozol i mitochondria 6. Specjalizacja narządowa - Różne narządy mają różne zapotrzebowanie na substraty i różną funkcję - Integracja metabolizmu narządów/integracja metabolizmu ustroju - Różne komórki mogą zawierać różne izoenzymy

!

glukuronidy

Glukoza

Szlak pentozofosforanowy

! Glikogen

! glukuronidy Glukozo-6-fosfataza ! Glukozo-

! Pirogronian

Ciała Cia a ketonowe

Aminokwasy cholesterol Triglicerydy

!

Łańcuch oddechowy

VLDL

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

mocznik

4

2013-05-02

Metabolism UDP-Glukuronianu 1. 2.

3.

Metabolizm wątroby - jest odpowiedzialna za utrzymanie stałego poziomu glukozy we krwi

Główna droga przemian UDP-glukozy Tworzy się przez utlenienie grupy alkoholowej przy węglu C6 glukozy w dwóch etapach utleniania zależnego od NAD+ (powstaje 2x NADH) Wiązanie glikozydowe tworzy się pomiędzy OH glukuronianu i grupą OH związku niepolarnego. Grupa karboksylowa zwiększa rozpuszczalność w wodzie pozwala na wydalenie z organizmu w żółci lub moczu.

• Metabolizm weglowodanów – glikoliza, glukoneogeneza, synteza i rozpad glikogenu, regulacja stęŜenia glukozy we krwi. dehydrogenaza UDP-glukozowa

transferaza UDP-glukuronianowa (mikrosomalna)

• Metabolizm lipidow - β-oksydacja kwasów tłuszczowych, synteza cholesterolu, triglicerydów, ciał ketonowych, powstawanie VLDL. • Szlak pentozofosforanowy dla uzyskania zredukowanej formy NADPH oraz substratów do syntezy nukleotydów. • Produkcja kwasów Ŝółciowych • Synteza białek: transportujących metale (ceruloplazminy, transferyny), czynników krzepnięcia krwi, α-1-antytrypsyny albuminy • Detoksykacje i metabolizm leków. • Cykl mocznikowy • Synteza kreatyny • Synteza karnityny

Metabolism UDP-Glukuronianu TKANKA GLU

GLIKOGEN

TŁUSZCZOWA

MLE+ALA

KRĄśENIE

TRIGLICERYDY

WKT WKT + albuminy

C.ketonowe GLICEROL

GLU TAG

1. 2. 3.

4.

Wbudowywanie do glikozaminoglikanów Glukuronian może ulegać przemianom do ksylulozo 5-fosforanu – metabolitu cyklu pentozowego Prekursor glukuronidów - przeniesienie glukuronianu na grupę karboksylową bilirubiny, lub alkoholową sterydów, leków i ksenobiotyków tworząc “glukuronidy” (glikozydy) = główna droga służąca zwiększeniu rozpuszczalności w wodzie

WĄTROBA

VLDL

WKT GLICEROL

GLUKOZA TŁUSZCZE DIETA

GLU

CHYLOMIKRONY

JELITO

TKANKA TŁUSZCZOWA

TŁUSZCZE

Niezdolność wątroby do magazynowania lub sprzęgania bilirubiny prowadzi do żółtaczki powstającej w wyniku gromadzenia się niesprzęgniętej bilirubiny w stężeniach >2-2.5 mg/dL. Nadmiar przenika do tkanek powodując żółtaczkę.

5

2013-05-02

TKANKA TŁUSZCZOWA

Po posiłku

Główny tkanka magazynująca materiał zapasowy w postaci triacylogliceroli - przeciętnie około 565,000 kJ (135,000 kcal) (wystarczajco duŜo aby przetrwac kilka miesięcy bez dodatkowego Ŝródła kalorii).

TAG

1.Ciągła synteza i rozpad triglicerydów •

Synteza triglicerydów z glukozy i kwasów tłuszczowych importowanych głównie z wątroby (w stanie dobrego oddŜywienia).

•

W czasie głodu – hydroliza triglicerydów do glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych przez lipazę „hormonozaleŜną”.

jelito wątroba

TAG

AcyloCoA

! KT

KT

2.Glikoliza i szlak pentozofosforanowy – dostarczają komórkom ATP i substratów do syntezy triglicerydów.Glicerol nie jest wykorzystywany – brak kinazy glicerolowej.

LPL = Lipaza lipoproteinowa

VLDLe Chylomikrony

Mięsień szkiletowy - Glikogen i białka są

Transport glukozy zaleŜy od insuliny !!!

materiałem zapasowym w mięśniach

LPL LPL = Lipaza lipoproteinowa

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY

! ! Brak kinazy glicerolowej

GLIKOLIZA

DHAP

Kwasy t łuszczowe uszczowe

glycerol-3-phosphate

!

HZL

HZL = hormono – zależna lipaza

•Dodatkową rezerwą energetyczną jest fosfokreatyna (odtwarzanie ATP) w czasie wysiłku fizycznego.

glicerol kwasy tłuszczowe t uszczowe muscle

6

2013-05-02

GLIKOGEN

WKT

BIAŁKA

MIĘŚNIE MUSCLE

BIAŁKA TG+WKT

CK

GLU

LAK+ALA

WKT (albuminy) GLU

GLIKOGEN

MLE+ALA TRIGLICERYDY

WKT

KRĄśENIE

TKANKA TŁUSZCZOWA

c. ketonowe GLICEROL

VLDL

WĄTROBA

GLUKOZA TŁUSZCZE

Cykl glukozowo-alaninowy - mechanizm eliminowania azotu z mięśni szkieletowych. Grupy aminowe transportowane w formie alaniny z mięśni do wątroby są włączane do syntezy mocznika i wydalane z organizmu.

GLU CHYLOMIKRONY

DIETA

JELITO

Transport glukozy zaleŜy od insuliny !!!

Zapasy glikogenu w mięśniach szkieletowych stanowią 2/3 całkowitej ilości magazynowanej w tkankach ludzkich

MIĘŚNIE SZKIELETOWE

Mięsień spoczynkowy Wątroba

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY

!

Glikogen

!

GLIKOLIZA

Pirogronian

TKANKA TŁUSZCZOWA

Kwasy tłuszczowe

Ciała ketonowe

! Mleczan

Glukoza

! Mleczan

!

brak glukozo-6-fosfatazy

Cykl Krebsa

Kwasy tłuszczowe t uszczowe Ciała Cia a ketonowe

Wysiłek fizyczny Glikogen

TKANKA MIĘŚNIOWA

Łańcuch oddechowy

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

7

2013-05-02

MÓZG

Transport glukozy nie zaleŜy od insuliny

1.Posiada bardzo małe rezerwy energii („paliwa”) – musi być zaopatrywany w sposób ciągły w składniki odŜywcze

MIĘŚNIE SZKIELETOWE 1. Biosynteza i degradacja glikogenu. DuŜe zapasy glikogenu jako źródło glukozy 2. Degradacja glukozy do dwutlenku węgla i wody przy dostatecznym dopływie tlenu

!

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY

Glukozo-6-P GLIKOLIZA Pirogronian

3. Degradacja glukozy do mleczanu przy niedostatecznym zaopatrzeniu w tlen - eksport mleczanu do wątroby

AcetyloCoA

4. Szlak pentozofosforanowy – źródło NADPH 5. Utlenianie kwasów tłuszczowych

Cykl Krebsa

6. Utlenianie ciał ketonowych importowanych z wątroby

!

Łańcuch oddechowy

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

2.Metabolizm zaleŜny od dopływu tlenu 3.Degradacja glukozy do dwutlenku węgla i wody 4.Szlak pentozofosforanowy – źródło NADPH

5. Biosynteza kwasów tłuszczowych i lipidów membranowych 6. Utlenianie ciał ketonowych importowanych z wątroby, szczególnie w czasie głodu

GLIKOGEN

WKT

BIAŁKA

MIĘŚNIE

Erytrocyty

BIAŁKA TG+WKT

CK

GLU

LAK+ALA

GLU CK GLU

GLIKOGEN

OUN

MLE+ALA

WKT GLU

TRIGLICERYDY

WKT

KRĄśENIE

MLE CK

CK

M. SERCOWY

GLICEROL

GLU TRIGLICERYDY

VLDL

• Miejsce powstawania – szpik kostny • Czas Ŝycia 60-120 dni • Nie maja mitochondriów, aparatu Golgiego, jądra komórkowego • Główne białko wewnątrzkomórkowe – hemoglobina – 1416 g% (g/100 ml krwi) = ok. 300mg/1 ml erytrocytów • Rola erytrocytów w transporcie tlenu i usuwaniu CO2 (H+)

WKT

WĄTROBA

GLICEROL

GLUKOZA TŁUSZCZE DIETA

AKW

GLU

CHYLOMIKRONY

JELITO

TKANKA TŁUSZCZ.

TŁUSZCZE

8

2013-05-02

Rola GSH w silnie utlenowanym środowisku czerwonych ciałek krwi

ERYTROCYTY •

Prawidłowe funkcjonowanie krwinek zależy od skuteczności regeneracji GSH z GSSG poprzez reduktazę glutationową używającą NADPH produkowanego w cyklu pentozowym

•

Utrzymuje on grupy boczne cysteiny w hemoglobinie i innych białkach w stanie zredukowanym, jest niezbędny dla utrzymania prawidłowej struktury czerwonych krwinek

•

GSH jest niezbędny dla stabilizacji hemoglobiny w stanie zredukowanym i zdolnym do wiązania tlenu Hb-Fe++

•

Zredukowany glutation również unieszkodliwia nadtlenki wg reakcji Peoksydaza glutationowa 2GSH + ROOH → GSSG + H2O + ROH

•

Komórki z niską zawartością glutationu są bardziej podatne na hemolizę,

•

Osobnicy z niską zawartością GSH w osoczu są podatni na anemię,

•

Objawem tego stanu jest w pewnych sytuacjach oddawanie ciemnego moczu,

RBC

!

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY

Glukozo-6-P GLIKOLIZA ANAEROBOWA

!

Mleczan

ERYTROCYTY - metabolizm 1. Degradacja glukozy do mleczanu (regeneracja NAD+) - 80-90% glukozy w erytrocycie

Hemolityczne działanie reaktywnych form tlenu (RFT) w erytrocytach Osoby z deficytem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej nie mogą produkować wystarczającej ilości GSH dla ochrony przed RFT

2. Biosynteza allosterycznego efektora hemoglobiny-2,3 DPG.

Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej

3. Szlak pentozfosforanowy – zapewnia wysokie stęŜenie NADPH 10-20% przemian glukozy w erytrocycie -

Stres oksydacyjny •Infekcje •Leki •fasola fava

zapewnia wysokie stęŜenie zredukowanej formy glutationu (GSH)

Hemoliza

dla zabezpieczenia Ŝelaza hemoglobiny przed utlenieniem dla zabezpieczenia lipidów i białek przed reaktywnymi formami tlenu.

4. Defekty enzymatyczne przemian metabolicznych erytrocyta prowadzące do hemolizy

Szlak pentozofosforanowy

Ciałka Heinza

Niekontrolowane usieciowanie białek prowadzące do powstawania ciałek Heinza (strątów białkowych)

9

2013-05-02

Ciałka Heinza

FAWIZM • Osobnicy z deficytem G6PD nie mogą jeść fasoli fava, • Historyczny przykład – Grek Pitagoras • Liza erytrocytów = ciemny lub czarny mocz, • Ciekawostka – Wzrost pasożyta wywołującego malarię Plasmodium falciparium nie jest możliwy u osób z deficytem aktywnej G6PD

Anemia hemolityczna związana z deficytem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD) • Znanych jest pow. 300 wariantów genetycznych białka enzymatycznego G6PD, • Wynikające stąd jest bardzo znaczne zróżnicowanie postaci klinicznych (fenotyp), • Deficyt G6PD jest dziedziczony w sposób recesywny związany z chromosomem X, • Około 10-14% męskiej populacji Afro-Amerykanów jest nim obciążonych, • Występuje również u rasy kaukaskiej w basenie Morza Śródziemnego, Leki, które mogą wywołać reakcje chorobowe (stymulujące powstawanie nadtlenków bądź reaktywnych form tlenu (ROS): • Środki przeciwmalaryczne, • sulfonamidy (antybiotyki) • Aspiryna, • Niesterydowe leki przeciwzapalne (NSLPZ) • Chinina. A także: • Glikozydy purynowe z fasoli fava • Niektóre środki zwalczania owadów – np.kulki przeciw molom

Metabolizm energetyczny wybranych tkanek: • w stanie sytości • na czczo • w stanie głodu • w stanach patologicznych (cukrzyce, otyłość). Homeostaza glukozy. Hormony regulujące metabolizm energetyczny – mechanizm działania i efekt biologiczny.

Nosiciele defektywnych genów nie mają zwykle niedokrwistości i innych objawów chorobowych dopóty ich krwinki czerwone nie są narażone na utleniacze lub stres,

10

2013-05-02

Potrójne Trio : 3 Tkanki, 3 Materiały energetyczne, 3 Hormony • Tkanki – Watroba – Tkanka tłuszczowa – Mięśnie

• Materiały energetyczne – Węglowodany – Aminokwasy – Tłuszcze

• Hormony – Glukagon – Epinefryna – Insulina

• Oraz co się dzieje w….. – Mózg – Krew…

JELITO

Wysokie lub niskie stężenie glukozy we krwi, twój organizm wie co robić…….

GLIKOGENICZNA GLIKOLITYCZNA LIPOGENICZNA CHOLESTEROGENICZNA

TRZUSTKA

I/G

GLUKOZA AMINO KWASY

WĄTROBA

INSULINA

GLC

ŻYŁA WROTNA

GLIKOGEN

AMINO KWASY PIR.

SYNTEZA BIAŁEK

mocznik

TŁ.

MLECZAN

TRIGLICERYDY

SYNTEZA BIAŁEK/ TKANKI

MÓZG

LIMFA CHYLOMIKRONY

Cykl Cori przerwany

MLECZAN TRIGLICERYDY

TKANKA TŁUSZCZOWA

ERYTROCYTY

FAZA SYTOŚCI – PO POSIŁKU

GLIKOGEN

LIPOGENICZNA

MIĘŚNIE

11

2013-05-02

TRZUSTKA GLUKAGON

JELITO

GLIKOGENOLITYCZNA GLUKONEOGENICZNA

GLIKOGEN

WĄTROBA

GLUKOZA

ŻYŁA WROTNA

Wymóg:

Mózg i tkanka nerwowa

HOMEOSTAZA GLUKOZY Stały poziom glukozy we krwi 4mM – 6mM stężenia

MLECZAN

MÓZG

Mięśnie

Wątroba Rdzeń nerki

Kora nerki

LIMFA

Erytrocyty Jądra

ERYTROCYTY ALANINA Cykl Cori MLECZAN

TKANKA TŁUSZCZOWA

Cykl glukozowo-alaninowy

PIROGRONIAN

FAZA GŁODU – KRÓTKOTRWAJĄCA 12 – 24 GODZ.

MIĘŚNIE

GLUKONEOGENICZNA KETOGENICZNA !!!!! PROTEOLITYCZNA

TRZUSTKA

I/G

GLUKAGON

AMINOKWASY

ŻYŁA WROTNA

GLU

mocznik

ALA GLICEROL

!!!!! KETOGENEZA LIMFA 1.ZABEZPIECZA ZAPOTRZEBOWA NIE na ENERGIĘ 2.OSZCZĘDZA GLUKOZĘ 3.HAMUJE ERYTROCYTY PROTEOLIZĘ

FAZA GŁODU – DŁUGOTRWAJĄCA - KILKA DNI

ALANINA

MLECZAN

STYMULACJA SYNTEZY GLIKOGENU

WYSOKI POZIOM GLUKOZY

CIAŁA KETON

ALANINA

IMPERATYW: UTRZYMANIE STAŁEGO POZIOMU Glc

GLICEROL

MLECZAN

ENTEROCYTY

Tkanki, które wykorzystują glukozę jako główne żródło energii

WĄTROBA

BIAŁKA

JELITO

Tkanki, które syntetyzują glukozę

MÓZG

KWASY TŁUSZCZOWE

POZIOM Glc WZRASTA

I

TRZUSTKA

I/G

WĄTROBA

TRIGLICERYDY

G

GLUTAMINA

AMINO KWASY

BIAŁKA

MIĘŚNIE PROTEOLITYCZNE

TKANKA TŁUSZCZOWA

NISKI POZIOM GLUKOZY

STYMULACJA POZIOM Glc ROZKŁADU SPADA GLIKOGENU

LIPOLITYCZNA

METABOLIZM JEST PODPORZĄDKOWANY OSIĄGNIĘCIU TEGO CELU

12

2013-05-02

C U K R Z Y C A

FAZA

Diabetes mellitus – „duŜo słodkiego moczu” PIERWOTNA – GENETYCZNIE UWARUNKOWANA WTÓRNA – NABYTA, NIEDZIEDZICZNA

GLUKOZA z DIETY

ZESPÓŁ ZABURZEŃ METABOLIZMU WĘGLOWODANÓW (HIPERGLIKEMIA) i TOWARZYSZĄCYCH MU ZABURZEŃ PRZEMIAN TŁUSZCZOWO-BIAŁKOWYCH (KETONEMIA, UJEMNY BILANS AZOTOWY) GLIKOGEN z WĄTROBY

GLUKONEOGENEZA

GODZINY

FAZA

GLUKOZA we KRWI

TYPU I – INSULINOZALEśNA; (bezwzględny brak INSULINY); NIEWYDOLNOŚĆ lub USZKODZENIE TRZUSTKI TYPU II – NIEINSULINOZALEśNA; (niedobór lub utrata wraŜliwości na INSULINĘ); OTYŁOŚĆ

DNI

TKANKI UśYWAJĄCE GLUKOZĘ

METABOLIT ZUśYWANY PRZEZ MÓśG

WSZYSTKIE

GLUKOZA

KONSEKWENCJE: MIAZDśYCA NACZYŃ, SCHORZENIA UKŁADU KRĄśENIA, ZABURZENIA FUNKCJONOWANIA NEREK (NEFROPATIE), ZAĆMA, ZMIANY NEUROLOGICZNE, ŁATWOŚĆ ZAKAśEŃ

TRZUSTKA GLIKOGEN

EGZOGENNA, z DIETY

GLUKOZA

GLUKOZA

GLIKOGEN, WĄTROBOWA GLUKONEOGENEZA

AMINO KWASY

WSZYSTKIE bez WĄTROBY MIĘŚNIE i TKANKA TŁUSZCZOWA MNIEJ

GLUKOZA

WĄTROBA

INSULINA

AMINO KWASY

ŻYŁA WROTNA

MLECZAN

GLUKOZA AKUMULACJA CIAŁA KETONOWE

TRIGLICERYDY

AKUMULACJA

WĄTROBOWA GLUKONEOGENEZA, GLIKOGEN GLUKONEOGENEZA WĄTROBA, NERKI GLUKONEOGENEZA WĄTROBA, NERKI

WSZYSTKIE bez WĄTROBY MIĘŚNIE i TKANKA TŁUSZCZOWA MNIEJ MÓZG, ERYTROCYTY, RDZEŃ NERKI i NIEWIELKIE ILOŚCI MIĘŚNIE MÓZG MNIEJSZĄ ILOŚĆ ERYTROCYTY, RDZEŃ NERKI

GLUKOZA

GLUKOZA, CIAŁA KETONOWE CIAŁA KETONOWE, GLUKOZA

JELITO

ALANINA

TRIGLICERYDY

KWASY TŁUSZCZOWE

AKUMULACJA TRIGLICERYDY AKUMULACJA

CHYLOMIKRONY BIAŁKA

MIĘŚNIE

CUKRZYCA insulinozaleŜna

TRIGLICERYDY

TKANKA TŁUSZCZOWA LIPOLITYCZNA BARDZO NASILONA (NIEHAMOWANA) LIPOGENEZA

13

2013-05-02

ZMNIEJSZONA INSULINOWRAśLIWOŚĆ

TRZUSTKA

JELITO INSULINA

WĄTROBA GLUKOZA

GLUKOZA AMINOKWASY

AMINO KWASY

ŻYŁA WROTNA

MLECZAN

TŁUSZCZ

ERYTROCYTY

TŁUSZCZE

• związki wytwarzane przez organizm, niezbędne dla procesów przemiany materii, • związki, których zadaniem jest koordynowanie procesów chemicznych zachodzących w organizmie.

TŁUSZCZ CHYLOMIKRONY

LIMFA

TKANKA TŁUSZCZOWA

OTYŁOŚĆ

TRZUSTKA

TKANKA TŁUSZCZOWA

WĄTROBA JELITO

HORMONY

INSULINA

The Endocrine System

GLIKOGEN TŁUSZCZE

GLUKOZA AMINOKWASY

GLUKOZA ŻYŁA WROTNA

KWASY TŁUSZCZE

GLUKOZA AKUMULACJA TŁUSZCZE

TŁUSZCZE

CHYLOMIKRONY Rdzeń nadnerczy

LIMFA

CUKRZYCA nieinsulinozaleŜna

MIĘŚNIE UTRATA INSULINOWRAśLIWOŚCI

Kora nadnerczy

Regulacja metabolizmu energetycznego

Figure 18.1

14

2013-05-02

Transport glukozy do komórek mięśni i tkanki tłuszczowej

Degradacja białek mięśnie i inne tkanki

Synteza glikogenu wątroba, mięsień tkanka tłuszczowa Glukoneogeneza, Glikogenoliza wątroba

antidiuretic hormone adrenocorticotropin

Klasyfikacja hormonów ze względu na budowa chemiczną

HORMONY REGULUJĄCE METABOLIZM Insulina hormon polipeptydowy, 5,8 kDa (stan sytości)

wydzielany przez β komórki trzustki w odpowiedzi na wysoki poziom glukozy we krwi

LICZNE EFEKTY

Glukagon

hormon polipeptydowy, 3,5 kDa

(stan głodu)

wydzielany przez α komórki trzustki w odpowiedzi na niski poziom glukozy we krwi.

Główne efekty

glikogenoliza glukoneogeneza synteza glikogenu glikoliza synteza kwasów tłuszczowych zużywanie kwasów tłuszczowych

Synteza białek wątroba, mięsień tkanka tłuszczowa i inne tkanki

Lipogeneza wątroba, tkanka tłuszczowa

Transport aminokwasów do komórek wątroba, mięsień tkanka tłuszczowa Lipoliza tkanka tłuszczowa

Figure 18.2

HORMONY REGULUJĄCE METABOLIZM Adrenalina noradrenalina (stan głodu) (stres)

Główne efekty

Kortyzol (stan głodu)

Główne efekty

katecholaminy, wydzielane przez rdzeń nadnerczy w odpowiedzi na niski poziom glukozy i kwasów tłuszczowych we krwi. Działają poprzez receptory dwóch klas: α i β glikogenoliza glukoneogeneza lipoliza uwalnianie glukagonu uwalnianie insuliny glukokortykoid, wydzielany przez korę nadnerczy lipoliza glukoneogeneza proteoliza długoterminowy efekt przez syntezę białka

15

2013-05-02

Klasyfikacja ze względu na miejsce syntezy Sygnalizacja endokrynowa

Komunikacja poprzez sygnały pozakomórkowe odbywa się zazwyczaj w kilku etapach:

Naczynie krwionośne

1) synteza cząsteczek sygnałowych 2) wydzielenie cząsteczek sygnałowych poza komórkę Hormon wydzielany do krwi przez gruczoły dokrewne

Odległe komórki docelowe

Sygnalizacja parakrynowa

3) transport cząsteczek sygnałowych do komórek docelowych 4) odczytanie sygnału przez specjalne białko receptorowe 5) zmiana metabolizmu komórkowego, zmiana funkcji spowodowana wytworzeniem kompleksu sygnału z receptorem

Komórka sekrecyjna

Bliska komórka docelowa

6) usunięcie sygnału, co zazwyczaj jest związane z zakończeniem odpowiedzi komórkowej.

Sygnalizacja autokrynna

OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI HORMONÓW: •działają w niskich stężeniach – 10-12 M do 10-6M

Celem działania jest ta sama komórka Sygnalizacja poprzez białka membrany komórkowej

Komórka wysyłająca sygnał

•tworzą kompleksy ze specyficznymi białkami receptorowymi, które znajdują się na powierzchni komórki (hormony hydrofilne) albo w cytoplazmie lub w jądrze komórkowym (hormony lipofilne) •mogą zmieniać stężenie wewnątrzkomórkowych przekaźników „drugiego rzędu”, którymi są cykliczne nukleotydy, fosfoinozytydy, diacylglicerol, Ca++ , tlenek azotu

Komórka odbierająca sygnał

16

2013-05-02

Właściwość

Steroidy

Tyroksyna

Sprzężenie zwrotne syntezy

Tak

Tak

Przechowywanie wytworzonego hormonu

Bardzo krótkie

Kilka tygodni

Mechanizm sekrecji

Dyfuzja przez błonę komórkową Tak

Proteoliza tyreoglobuliny

Czas trwania we krwi

Godziny

Dni

Okres działania

Godziny, dni

Dni

Receptory

Cytosolowe lub jądrowe

Jądrowe

Mechanizm działania

Kompleks hormon-receptor kontroluje transkrypcję

Kompleks hormon-receptor kontroluje transkrypcję

Wiązanie z białkami osocza

swoiste CBG – Corticosteroid Binding Globulin SHBG – Sex Hormone Binding Globulin

•

NIEAKTYWNY RECEPTOR JĄDROWY

Jądrowy kompleks hormon-receptor

Tak

Białka surowicy wiążące hormony steroidowe: •

NIEAKTYWNY GEN

Jądro komórkowe

Dimer kompleksu

AKTYWNY GEN

synteza mRNA

Krew

KONTROLA TRANSKRYPCJI GENU PRZEZ HORMONY STEROIDOWE

Nadrodzina receptorów jądrowych Strukturalna i funkcjonalna organizacja wielodomenowych receptorów jądrowych

nieswoiste Albumina

Białka surowicy wiążące hormony tarczycy: •

swoiste: TBG – Thyroxine Binding Protein TBPA - Thyroxine Binding Prealbumin

Działanie T3:

Zwiększenie podstawowej przemiany materii (do 100%) niemal wszystkich tkanek (poza mózgiem i jądrami), szczyt wzrostu ~12 dni - wzrost metabolizmu węglowodanów (a więc zużycia tlenu) - wzrost metabolizmu lipidów - rozkojarzenie fosforylacji w mitochodndriach (wzrost produkcji ciepła)

Receptor hormonów steroidowych homodimer Glukokortykoid Aldosteron Androgen Estradiol Progesteron

Receptor kwasu retinolowego heterodimer Hormon tarczycy Kwas całkowicie transretinolowy Dihydroksy-D3 Ikozanoidy

Motywy „paluszków cynkowych” w domenie wiążącej DNA

17

2013-05-02

Właściwość

Peptydy I białka

Aminy katecholowe

Sprzężenie zwrotne syntezy

Tak

Tak

Przechowywanie wytworzonego hormonu

Jeden dzień

Kilkanaście dni, w rdzeniu nadnerczy

Mechanizm sekrecji

Egzocytoza z pęcherzyków wydzielniczych

Egzocytoza z pęcherzyków wydzielniczych

Wiązanie z białkami osocza

Rzadko

Nie

Czas trwania we krwi

Minuty

Sekundy

Okres działania

Minuty, godziny

Sekundy lub krócej

Receptory

Membrana komórkowa

Membrana komórkowa

Mechanizm działania

Wiązanie hormonu włącza syntezę przekaźników drugiego rzędu lub /i aktywuje kinazy białkowe w cytosolu.

Wiązanie hormonu do receptora powoduje zmiany potencjału membranowego lub/i włącza syntezę przekaźników drugiego rzędu.

Receptory związane z trimerycznymi białkami G (ligandy: adrenalina. glukagon, serotonina)

RECEPTORY NA POWIERZCHNI KOMÓRKI

Receptor

Nieaktywny enzym efektorowy: cyklaza Aktywna adenylowa, forma fosfolipaza C i inne

białka G

Nieaktywne białko G

Aktywny enzym efektorowy katalizuje powstawanie przekaźników drugiego rodzaju

RECEPTOR ZWIĄZANY Z TRIMERYCZNYMI BIAŁKAMI G

Ligandy w kompleksie z receptorami

Receptory powierzchniowe

Ligandy

Niskie stężenie „przekażników drugiego rzędu”

Wysokie stężenie „przekażników drugiego rzędu”

18

2013-05-02

Heterotrimeryczne białko G Białko wiążące nukleotydy guanylowe (GDP lub GTP)

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

Lipidowa kotwica (farnezyl)

Stan spoczynkowy

Rodziny heterotrimerycznych białek G ssaków RECEPTORY

amin β − adrenergiczne

RODZINA G

Gs

Aktywacja receptora

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

BIAŁKA EFEKTOROWE

cyklaza adenylowa

glukagonu sensory zapachów

kanały wapniowe

opsyna (widzenie)

fosfodiesteraza

amin α 2 − adrenergiczne

Gi

dopaminy acetylocholina

amin α 1 − adrenergiczne angiotensyna

cyklaza adenylowa kanały wapniowe kanały potasowe

Gq

fosfolipaza C kanały wapniowe

Aktywacja receptora

Dysocjacja podjednostek na α oraz βγ

19

2013-05-02

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

Fosforylacja białek komórkowych zależna od białek G kaskada

AKTYWACJA!

HAMOWANIE!

białko-Ser

Dyfuzja białek sygnałowych w błonie

Kinza białek A (nieaktywna)

Kinza białek A (aktywna)

białko-Ser-

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

Synteza cAMP katalizowana przez cyklazę adenylową. Enzym ten jest aktywowany lub hamowany przez α − GTP

Hydroliza 4,5-P2-fosfatydyloinozytolu do diacylglicerolu (DAG) i trifosfoinozytolu (IP3)

Aktywacja kinaz A zależnych od cAMP

podjednostka regulatorowa

nieaktywna podjednostka katalityczna

aktywne podjednostki katalityczne

katalizowana jest przez fosfolipazę C, aktywowaną przez dimer βγ.

Regulacja aktywności białka efektorowego

20

2013-05-02

Fosforylacja i defosforylacja białek biorących udział w transdukcji sygnału

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

Kinaza białek

Fosfataza fosfoproteinowa Hydroliza GTP przez podjednostkę α

Stężenie cAMP zależy również od aktywności fosfodiesterazy cAMP

Stan spoczynku

Aktywacja i deaktywacja białek G i receptorów współdziałających z białkami G

fosfodiesteraza hamowana jest przez cGMP lub egzogenną metylksantynę

Kinaza białek*

fosfodiesteraza fosfodiesteraza aktywowana jest przez fosforylację zaincjowaną przez insulinę

Fosfataza fosfoproteinowa Regulcja receptora/odczulenie

*kinaza A, kinaza C, G-zależna kinaza receptora(GRK)

21

2013-05-02

Wpływ toksyn bakteryjnych na transdukcję sygnału

STRUKTURA RECEPTORÓW CZYNNIKÓW WZROSTOWYCH Domena wiążąca ligand

Domena zewnątrzkomórkowa

Domena transbłonowa

ADP-rybozylacja reszty argininy Gα α s. Zahamowana aktywność GTPAzowa, Gαs „zamrożona” w aktywnym, monomerycznym stanie.

ADP-rybozylacja reszty cysteiny Gα α i. Niezdolne do zahamowania aktywacji cyklazy adenylanowej

Domena wewnątrzkomórkowa o aktywności katalitycznej - kinazy tyrozynowej

Niezmiennie wysokie [cAMP] pobudza komórki nabłonka jelitowego do transportu Na+ i H2O do światła jelita
biegunka

Fosforylacja białek komórkowych zależna od białek G

1.

Kinaza białkowa B

Kalmodulino-zależne kinazy białek (nieaktywne)

kinazy białek C (nieaktywne) kinazy białek C (aktywne)

Wiązanie insuliny do receptora powoduje zmianę konformacyjną domeny cytosolowej, prowadzącą do aktywacji kinazy tyrozynowej. Kinaza tyrozynowa fosforyluje białko IRS-1. Białko IRS-1, poprzez utworzenie kompleksu, aktywuje kinazę PI-3, która katalizuje fosforylację fosfoinozytydów błonowych.

Kalmodulino-zależne kinazy białek (aktywne)

22

2013-05-02

2. Fosfoinozytydy, przez interakcję z domeną kinazy białkowej B, kotwiczą to białko przy błonie komórkowej, umożliwiając jego fosforylację przez kinazy związane z membraną komórkową. Fosforylacja nieaktywnej kinazy białkowej B powoduje jej aktywację.

•3. Aktywność kinazy białkowej B umożliwia: •translokację membranowego transportera glukozy z wnętrza komórki do błony komórkowej •fosforylację kinazy syntazy glikogenowej, co powoduje utratę jej aktywności •w efekcie nieufosforylowana forma syntazy glikogenowej (czyli aktywna) katalizuje reakcję syntezy glikogenu.

23