Metabolismul glucozei în ficat Mgr. Dr. Eva BABUSIKOVA. Universitatea Comenius din Bratislava, Departamentul de Biochimie Medicală, Facultatea de Medicină Jessenius din Martin

metabolismul

- în condiții aerobe acid piruvic, GLICOLIZĂ - eliberare de energie acumulată în glucoză; - degradarea treptată a glucozei prin mai multe căi metabolice adiacente; - produsul rezultat este: - în condiții aerobe, acid piruvic, - în condiții anaerobe, acid lactic; - organismul folosește și glucoza, care se formează în ficat din compuși fără carbohidrați - gluconeogeneză.

Glicoliza - o cale metabolică situată în citoplasma celulelor, a) producerea de energie - eliberarea doar a unei mici părți din energia glucozei, - formarea de ATP la nivelul substratului, b) formarea intermediarilor pentru alte căi metabolice, - acid piruvic CoA, prin care intră în ciclul citratului, unde energia rămasă a glucozei este concentrată în coenzime reduse care transferă electroni și protoni în procesul de oxidare terminală, - condiție de bază pentru glicoliză: - transferul glucozei din sânge în celule, ‒ transfer în mușchi și grăsime țesutul celular depinde de prezența insulinei, - transferul glucozei în creier și ficat nu este afectat de insulină

Glicoliză Transportul glucozei: a) glicoliză aerobă - celule cu mitocondrie și aport suficient de oxigen (O2 - reoxidarea NADH) - acid piruvic - produs final - decarboxilare oxidativă a acidului piruvic la acetil CoA → KC b) glicoliză anaerobă - celule fără mitocondrie oxigen insuficient aprovizionare - producția de acid lactic (reoxidarea NADH) Transportul glucozei: a) difuzarea facilitată - după gradientul de concentrație - transportori pentru GLU (GLUT 1-5) - omologie ridicată în structura primară, expresie tisulară specifică a GLUT - 1 - Ery GLUT - 4 - țesut adipos, mușchi (numărul și activitatea insulinei) b) cotransport - împotriva gradientului de concentrație - cotransport cu Na + - celule epiteliale intestinale, tubul renal, plex corioid

Glicoliza Calea metabolică a glicolizei poate fi împărțită în două faze: Prima fază a glicolizei - consum de energie: a) formarea formelor fosforilate de carbohidrați (-2 ATP), b) formarea a 2 trioze, reacții 1 - 5 A doua fază a glicolizei - producerea de energie: a) formarea a 4 ATP, b) formarea a 2 NADH, c) formarea a 2 molecule de acid piruvic. reacții 6-10

Glicoliză - citoplasmă Ciclu pentoză - citoplasmă Ciclul Krebs - mitocondrii Lanț respirator - membrana interioară a motocondriilor Fosforilarea oxidativă - mitocondriile matricei

Glicoliză glucoză glucoză-6-P fructoză-6-P fructoză-1,6-P ATP ATP - enzime fosfokinază: transferul acidului fosforic de la ATP la substraturi sau de la substrat la ADP - fosfofructokinază - cea mai importantă enzimă în procesul de glicoliză - catalizează formarea fructozei -1,6-bifosfat - enzimă de reglare - activarea sau inhibarea enzimei, conform cerințelor țesuturilor, accelerează sau încetinește formarea acidului piruvic

Glicoliza prima reacție: fosforilare glucoză → glucoză-6-fosfat - glucoză-6-fosfat nu traversează membrana, hexokinază - enzimă de reglare, diferite țesuturi, fosforilarea hexozelor, - inhibare: glucoză-6-fosfat, raport ATP/ADP ridicat, - Km scăzut, glucokinază - ficat și celule ß ale pancreasului, - fosforilarea glucozei în faza post-resorbție, - ↑ niveluri după aportul de carbohidrați și spălarea insulinei, - neinhibat de glucoză-6-fosfat, - Km ridicat. Reacția 2: izomerizarea glucozei-6-fosfat ↔ fructoză-6-fosfat glucoză-6-fosfat izomerază (fosfoglucoză izomerază)

Glicoliză a treia reacție: fosforilare ireversibilă fructoză-6-fosfat → fructoză-1,6-bisfosfat fosfofructokinază 1 (PFK 1) - reacție de limitare a vitezei, - situs de reglare Reglare: starea energetică a celulei, a) ↑ nivel ATP și ↑ nivel citrat → - PFK 1, b) ↑ nivel AMP → + PFK 1, c) fructoză-2,6-bifosfat a) activator puternic al PFK 1, b ) inhibitor de fructoză -1,6-bisfosfataze (gluconeogeneză), - efect reciproc asupra glicolizei și gluconeogenezei, - metabolism: 1. formare → fosfofructocinază 2 (PFK 2), 2. degradare → fructoză bisfosfatază 2 (FBF 2), - kinază și activitatea fosfatazei - 2 domenii într-o moleculă enzimatică bifuncțională

Reacția 5: izomerizare Glicoliză Reacția 4: scindarea fructozei-1,6-bisfosfat ↔ gliceraldehidă-3-fosfat + dihidroxiacetonă fosfat aldolază A Reacția 5: izomerizarea dihidroxiacetonă fosfat ↔ gliceraldehidă-3-fosfat triosfat izomerază

Glicoliză - conversia fructozei-1,6-bisfosfatului (6 C, 2 P) în 2 trioze (3 C, 1 P) - în timpul conversiei triozei în acid piruvic se formează intermediari în două locuri, la care este legat acidul fosforic printr-o legătură macroergică - suficient de mare pentru formarea fosforilării substratului ATP - transferul acidului fosforic la ADP

Glicoliză - în timpul reacției de oxidare în a doua fază a glicolizei, se formează NADH + + H + redus - în condiții aerobe, hidrogenul poate fi transferat la oxidarea terminală, creând astfel condiții pentru formarea a trei ATP (per trioză) în procesul de fosforilare oxidativă - în condiții anaerobe, hidrogenii din NADH + + H + redus sunt transferați în acid piruvic - produsul rezultat al glicolizei este, astfel, acidul lactic lactatul dehidrogenaz

Reacția 6: oxidarea gliceraldehidei-3-β → 1,3-bisfosfogliceratului Glicoliză Reacția 6: oxidarea gliceraldehidei-3-β → 1,3-bisfosfogliceratului gliceraldehidă-3-β-dehidrogenazei - coenzima NAD + a) oxidarea NADH → conversia acidului acid piruvic în acid lactic b) oxidarea NADH în lanțul respirator - fosforilarea substratului - oxidarea grupării aldehidă → gruparea carboxil - legarea fosfatului prin legătură macroergică - sinteza 2,3-bisfosfogliceratului (2,3-BFG) bisfosfogliceratului mutază: nivel ridicat în descompunerea Ery: 3-fosfoglicerat

Acid 1,3-bisfosfogliceric ↔ Acid 3-fosfogliceric Glicoliză a 7-a reacție: formarea ATP Acid 1,3-bisfosfogliceric ↔ Acid 3-fosfogliceric fosfoglicerat kinază - 2 molecule ATP 8a reacție: transfer intra-molecular de fosfat Acid 3-fosfogliceric ↔ 2 -acizi fosfoglicerici fosfoglicerat mutaza Reacția 9: deshidratare Acid 2-fosfogliceric ↔ acid fosfoenolpiruvic enolază - transfer de energie în moleculă - formarea legăturii enol fosfat

- formarea ATP prin fosforilarea substratului - reglarea feed-forward Glicoliza 10. reacție: formarea ATP acid fosfoenolpiruvic → acid piruvic piruvat kinază - 2 molecule ATP - formarea ATP prin fosforilarea substratului - reglarea feed-forward ficat: fructoză-1,6 -bisfosfatul activează activitățile piruvat kinazei 2 kinazei: ↑ fosfofructocinază 1 → ↑ piruvat kinază) - modificare covalentă a piruvat kinazei - fosforilare - proteină kinază dependentă de AMPc - ficat: ↑ glucagon (glucoză scăzută) → ↑ c AMP → fosforilare → proteină fosforilată inactiv) - defosforilare → activ defosforator) - acid fosfoenolpiruvic - intrare în gluconeogeneză

6.! 7. ERY: HbO2 + 2,3-BPG → → Hb-2,3-BPG + O2

Metabolizarea glucozei hepatice GLUT 2 FICAT GLU GLUCOZĂ PC GLU 6 GLICOGEN P GLUCURONIDI PIRUVAT LACTAT ACETIL CoA H + GRASI TCA ATP

Metabolizarea glucozei-6-P în eritrocite

Conversia acidului piruvic → acid lactic lactat dehidrogenază (LD) a) glicoliză anaerobă în celulele eucariote b) Ery, Leu, cristalin, cornee, măduvă renală, testicule 1. formarea acidului lactic în mușchi - în timpul exercițiului, producerea de energie sub anaerob condiții - ↑ producție NADH (gliceraldehidă-3-fosfat dehidrogenază) + ciclul Krebs - ↓ pH → durere musculară - acid lactic în sânge 2. consum de acid lactic - efect opus al lactatului dehidrogenază - ficat: a) Lac → Pyr → Glu ( gluconeogeneză) b) Lac → Pyr → ciclul Krebs - miocard: Lac → Pyr → ciclul Krebs

Conversia acidului lactic 1. decarboxilarea oxidativă a acidului lactic - piruvat dehidrogenază (complex) - formarea acetil-CoA 2. carboxilarea acidului lactic - piruvat carboxilază - formarea acetatului de oxalat 3. reducerea acidului lactic la etanol (microorganisme) a) decarboxilarea piruvatului - piruvat decarboxilaza b) etanol

COMPLEX DE DEHIDROGENAZĂ PIRUVAT DEHIDROGENAZĂ LACTATĂ importantă în RBC, WBC (și alte celule cu/fără mitocondrie) și în mușchiul scheletic în timpul contracției) reversibil fiziologic în țesuturi cu ↓ NADH/NAD +, de ex. ficat, mușchiul inimii localizat în citosol SINTEZA ETANOLULUI apare în drojdie, unele bacterii (inclusiv flora intestinală) tiamină pirofosfat-cale dependentă în citosol CO2 Etanol Acetaldehidă PIRUAT Lactat (tiamină-PP) NAD NAD + NADH + H + NADH + H + Oxalat Acetil-CoA PYRUVATE CARBOXYLASE biotina este utilizată ca o grupă protetică activată acetil CoA în ficat completează intermediari ai ciclului TCA oferă substraturi pentru gluconeogeneză reacție ireversibilă localizată în mitocondrii PYRUVATE DEHIDROFADAMINA THYTHROLEXADAS a și sinteza acizilor grași reacție ireversibilă localizată în mitocondrii

Bilanțul energetic al glicolizei: 1. glicoliza anaerobă Glu + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lac + 2 ATP + 2 H2O a) formarea ATP - 2 molecule ATP per 1 moleculă de glucoză - câștig mic de energie - celule și țesuturi fără, resp. . cu un număr mic de mitocondrii: Ery, Leu, k. măduvă, rinichi b) Producție de NADH - fără câștig net - 1x NADH + (gliceraldehidă dehidrogenază) - 1x NADH - (lactat dehidrogenază)

Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O a 2-a glicoliză aerobă Glu + 2 Pi + 2 NAD + + 2 ADP → 2 Pyr + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O - consum de 2 ATP (reacții de fosforilare) - formarea a 4 ATP (2 x 2 ATP) - câștig net de 2 ATP - 2 x NADH → 6 ATP (3 ATP/NADH în ciclul Krebs) Comparația câștigului de energie - din glucoză după formarea glicolizei acidului lactic: 2 ATP (la nivelul substratului) - la arderea glucozei la CO2 și H2O într-un mediu aerob glicoliză + ciclu citrat + oxidare terminală: 38 ATP (din care 34 prin oxidare) fosforilare)

Reglarea glicolizei pe termen scurt (min sau h) - activare/inhibare alosterică - fosforilare/defosforilare pe termen lung (ore - zile) - hormonale (insulină, glucagon) - creștere de 10 - 20x a enzimelor de reglare a activității enzimatice a) glucokinază b) fosfofructocinază c) piruvat kinaza

- enzimă de reglare cheie: fosfofructokinază Reglarea glicolizei - enzimă de reglare cheie: fosfofructocinază - catalizează conversia fructozei-6-fosfat în fructoză-1,6-bisfosfat - rata metabolică a glicolizei va depinde în principal de sarcina energetică a celulei - dacă celula are suficient ATP → acidul piruvic scade - concentrația ridicată de ATP reduce alosteric activitatea fosfofructokinazei - concentrație mare de AMP → semnal pentru glicoliză accelerată (ATP a fost consumat pentru a acoperi necesarul de energie al organismului) - AMP este un activator alosteric al fosfofructokinazei

- activitatea fosfofructokinazei și, astfel, accelerarea arderii glucozei, crește semnificativ alosteric fructoza-2,6-bisfosfat - concentrația ridicată de glucoză din sânge - leșierea insulinei - insulina accelerează: a) penetrarea glucozei în celule b) glicoliza prin fructoză-2,6-bisfosfat - glicemie scăzută - glucagon excretat din pancreas - glucagon încetinește glicoliza prin fructoză-2,6-fosfat (protecția glicemiei scăzute pentru funcția creierului) - ambele transformări duc la revenirea glicemiei la normal

Aplicație clinică 1. Deficiența congenitală a enzimelor glicolizei a) piruvat kinază (95%) b) fosfoglucoză izomerază (4%) - expresie diferențială în celule și țesuturi - piruvat kinază - Leu, Ery - trioză fosfat izomerază - Ery, Leu, mușchi, Manifestări ale SNC: anemie hemolitică: fără terapie resp. acid folic 2. Acidoza lactică - glicoliză anaerobă - producția de energie în caz de deficit de oxigen (IM, embolie pulmonară, sângerare) - acid lactic în sânge - informații despre „datoria de oxigen” - evaluarea severității șocului - monitorizarea tratamentului și convalescenței

- defalcarea stocării glicogenului, Gluconeogeneza - lipsa glucozei în dietă - reducerea glicemiei. - o încercare de a înlocui glicemia din surse interne. - aportul continuu necesar de glucoză - creier, epocă, măduvă renală, cristalin, cornee, testicule, mușchi care lucrează. Două mecanisme: - defalcarea depozitelor de glicogen, - formarea de glucoză nouă din surse non-glucidice. - gluconeogeneză situată la 90% în ficat și 10% în rinichi în timpul postului pe termen lung - substraturi bazice non-zaharidice (acizi alfa-oxo, glicerol, acid lactic) - prin acid piruvic - intrarea în reacții foarte asemănătoare cu glicoliza

Gluconeogeneza - reacțiile reversibile ale gluconeogenezei catalizează aceleași enzime ca reacțiile reversibile în glicoliză; - enzimele care catalizează reacțiile ireversibile în glicoliză (fosfokinaze) sunt înlocuite în gluconeogeneză cu enzime cu efect opus (fosfataze), - fosfataza are o importanță deosebită transferul de glucoză din celule la sânge. Procesul de gluconeogeneză accelerează glucagonul și insulina are efectul opus. Procesul de gluconeogeneză este îmbunătățit prin inhibarea enzimelor glicolizei.

Calea metabolică a gluconeogenezei: - gluconeogeneza nu este glicoliză reversibilă - trei reacții sunt ireversibile: 1. conversia acidului fosfoenolpiruvic în acid piruvic piruvat kinază a) acid piruvic - carboxilare → acid oxaloacetic piruvat carboxilat - tratament cancerigen activare - acetil-CoA b) acid oxaloacetic → acizi fosfoenolpiruvici fosfoenolpiruvatecarboxicinază (citoplasmă) acid oxaloacetic - transport din mitocondrii în citoplasmă - malat - reoxidare în acid oxaloacetic

2. defosforilarea fructozei-1,6-bisfosfat fructozei-1,6-bisfosfatazei - reacție ireversibilă: fosfofructocinază 1 (glicoliză) - situs de reglare: a) starea energiei celulare + ↓ AMP; ↑ ATP - ↑ AMP b) reglarea prin fructoză-2,6-bisfosfat - inhibarea fructozei-1,6-bisfosfatazei alosteric 3. defosforilarea glucozei-6-fosfat glucozei-6-fosfatazei - localizare: ficat, rinichi Reacție sumară 2Pyr + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 6H2O → Glu + 2NAD + + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 6H+

Glucoză-6-fosfat Glucoză Glucoză-6-fosfatază Glucoză-6-fosfat Glucoză Fructoză-6-P Fructoză-1,6-bisfosfatază Fructoză-1,6-bisfosfat Gliceraldehidă-3-P Dihidroxiacetonă fosfat Acid 1,3-bisfosfoglicic acid fosfogliceric Acid 2-fosfogliceric Acid fosfoenolpiruvic Piruvat Acid lactic Fosfoenolpiruvat- Piruvat carboxilază (MIT) carboxicinază (CYT) Acid oxaloacetic CO2

Gluconeogeneză Substraturi pentru gluconeogeneză: 1. glicerol - produs al lipolizei (TAG) în țesutul adipos - transport în ficat - fosforilare → fosfat de glicerol (oxidare) → dihidroxiacetonă fosfat 2. acid lactic Ciclul Cori - glucoză (ficat) → sânge → mușchi → acid lactic (sânge) → ficat (gluconeogeneză) 3. α-cetoacizi - piruvat, oxaloacetat, alfa-cetoglutarat - aminoacizi glucogeni - Ala, Ser, Gly, Cys, Thr (piruvat); Asp (oxaloacetat); Glu (alfa-cetoglutarat)

Cori și ciclul glucoză-alanină

Reglarea gluconeogenezei Glucagon - stimularea gluconeogenezei a) reduce nivelul fructozei-2,6-bisfosfat - activarea fructozei-1,6-bisfosfatazei - inhibarea fosfofructokinazei 1 (glicoliză) b) modificarea covalentă a activității enzimei - cAMP → activ protein kinaza P → inactiv) => acumularea acidului fosfoenolpiruvic Disponibilitatea substratului ↓ insulină → mobilizarea proteinelor → glucogen AK AK Activarea alosterică a acetil-CoA ↑ acetil CoA → stimularea piruvat carboxilazei (ficat)

Activarea mai multor enzime Glucagon (↓) Insulin (↑) receptor Membrana celulară Membrana celulară Adenilat ciclază Activarea mai multor enzime ATP cAMP 2. Scăderea activității protein kinazei A favorizează forma defosforilată a complexului FFK-2/FBF-2 1. Insulină înaltă/raportul glucagon determină o scădere a AMPc și scade nivelurile de proteină kinază activă A Proteina kinază activă A (↓) FBF-2 = fructoză bifosfat fosfatază-2 FFK-2 = fosfofructocinază-2 Fructoză-6-fosfat ATP ADP PP ATP FFK- 2 inact. FBF-2 inact. FBF-2 act. FFK-2 act. Fosfofructocinază-2 Pi ADP + Fructoză-2,6-bisfosfat (↑) 4. Concentrația crescută de fructoză 2,6-bisfosfat activează FFK 1, ceea ce duce la o rată crescută de glicoliză Fructoză-1,6-bisfosfat 3. FFK defosforilat -2 este activ în timp ce FBF-2 este inactiv; ceea ce favorizează formarea fructozei 2,6-bisfosfat

Glucagon (↑) Receptor de insulină (↓) Membrana celulară Membrana celulară Adenilat ciclază ATP cAMP + PPi 2. Activitatea crescută a protein kinazei A favorizează forma fosforilată a complexului FFK-2/FBF-2 1. Raportul insulină/glucagon scăzut determină scăderea cAMP și crește nivelurile de proteină kinază A activă; piruvat kinază-P inactiv Proteina kinază activă A (↑) FBF-2 = fructoză bisfosfat fosfatază-2 FFK-2 = fosfofructocinază-2 Pi Fructoză-6-fosfat ATP ADP P Pi P FFK-2 acționează. FBF-2 act. FBF-2 inact. FFK-2 inact. Fructoză bifosfat fosfatază-1 Pi H2O - Fructoză-2,6-bifosfat (↓) 4. Concentrația scăzută de fructoză 2,6-bifosfat încetinește activarea FFK 1, ducând la o rată crescută de gluconeogeneză Fructoză-1,6-bifosfat 3 FF fosforilat este inactiv în timp ce FBF-2 este activ; care previne formarea fructozei 2,6-bisfosfat