Principi metaboličke regulacije

Question 1

Zašto je metabolička regulacija bitna?

Answer 1

Zbog integracije signalnih puteva -> npr. kada se glukoza-6-fosfat koristi za neku svrhu, to utječe na sve metaboličke puteve gdje je glukoza-6-fosfat prekursor, međuprodukt, modulat i slično

Question 2

Gdje se događa regulacije glikolize i glukoneogeneze?

Answer 2

Kod ireverzibilnih reakcija tih dva procesa

Reguliraju se enzimi -> heksokinaza, fosfofruktokinaza-1 (PFK1) / fruktoza-1,6-bisfosfataza, piruvat kinaza i piruvat karboksilaza

Question 3

Kako se regulira heksokinaza?

Answer 3

Heksokinaza ima 4 izozima, I, II i III imaju visok afinitet za glukozu te su alosterički inhibirani produktom -> glukoza-6-fosfatom

Heksokinaza IV - nalazi se u jetri, ima niski afinitet za supstrat i nije inhibirana produktom reakcije, ali se inhibiria vezanjem regulatornog proteina specifičnog za jetru

Question 4

Kako se regulira heksokinaza IV (u jetri)?

Answer 4

Glukoza i fruktoza-6-fosfat (koji nastaje iz glukoze-6-fosfat) se natječu vezanje na heksokinazu -> glukoza vraća heksokinazu IV u citosol te uzrokuje disocijaciju regulatornog proteina, dok fruktoza-6-fosfat potiče interakcije s regulatornim proteinom u jezgri stanice

Kada su koncentracije glukoze niske, malo glukoze ulazi u citosol iz kapilara pomoću GLUT2 transportera te se više veže fruktoza-6-fosfat te se tako inhibira heksokinaza IV

Također je regulirana na razini sintezi proteina (transkripcije gena) -> npr. kada je niska c(ATP), a visoka c(AMP), dovodi do povećane transkripcije gena za sintezu heksokinaze IV

Question 5

Kako se regulira fosfofruktokinaza-1?

Answer 5

PFK1 se regulira omjerom ATP/AMP -> što je više ATP-a to je veća inhibicija (ima i katalitičko i alosteričko mjesto za ATP) jer pokazuje da nije potrebno generirati još ATP-a glikolizom, dok AMP i ADP stimuliraju aktivnost PFK1

Isto tako, citrat alosterički inhibira PFK1 jer je on međuprodukt ciklusa limunske kiseline što pokazuje da stanica dobiva dovoljno energije oksidativnom razgradnjom masti

Regulatorna podjedinica (gdje se vežu alosterički modulatori) se nalazi na dodiru dviju podjedinica

Question 6

Kako se recipročno reguliraju PFK1 i F26BPaza (FBP-1)?

Answer 6

Pomoću AMP-a, aktivira PFK1 i inhibira F26BPazu jer signalizira da je potrebno trošiti glukozu za dobivanje ATP-a

Fruktoza-2,6-bisfosfat regulira i PFK1 i F26BPazu -> aktivira PFK1 i inaktivira F26BPazu

Question 7

O čemu ovisi koncentracija fruktoza-2,6-bisfosfata?

Answer 7

O aktivnosti bifunkcionalnog enzima -> fosfofruktokinaza-2 (PFK2) / frukto-2,6-bisfosfataza (FBPaza2)

PFK2 stvara fruktozu-2,6-bisfosfat a razgrađuje ga fruktoza-2,6-bisfosfataza

Ovisno o regulaciji izulinom i glukagonom, bit će aktivni PFK2, odnosno FBPaza2

Question 8

O čemu ovisi aktivnost PFK2 / FBPaze2?

Answer 8

PFK2 je aktivan kad je bifunkcionalni enzim nefosforiliran, a FBPaza2 je aktivna kad je enzim fosforiliran

Glukagon (izlučuje se u stanju gladovanja) stimulira adenilil-ciklazu pomoću G proteina -> nastaje cAMP koji aktivira PKA koja fosforilira enzim te je onda FBPaza2 aktivna i dolazi do smanjenja konc fruktoze-2,6-bisfosfata, tj. inhibicije glikolize i aktivacije glukoneogeneze -> oslobađa se više glukoze te se nadoknađuje razina glukoze u krvi

Inzulin stimulira fosfoprotein fosfatazu koja prevodi enzim u aktivno stanje za PFK2 te dolazi do veće količine fruktoze-2,6-bisfosfat te pojačanja glikolize, tj. oslabljenja glukoneogeneze

Question 9

Kako se regulira piruvat kinaza?

Answer 9

Piruvat kinaza ima više izoenzima (bar 3)

ATP, acetil-CoA i dugolančane masne kiseline alosterički inhibiraju sve izoenzime

Izozim u jetri (L oblik) se regulira alosteričk i reverzibilnom kovalentnom modifikacijom - fosforilacija

Izozim u drugim tkivima (M oblik) se regulira samo alosterički

U jetri smanjenja koncentracija glukoze potiče glukagon zbog kojeg nastaje cAMP i aktivira protein kinazu A koja fosforilira piruvat-kinazu i tako ju inaktivira -> inhibira glikolizu u jetri -> zbog toga se glukoza ne troši u jetri nego se preusmjerava dalje

Question 10

Kako se regulira glukoneogeneza?

Answer 10

Prva kontrolna točka koja određuje sudbinu piruvata je određivanje hoće piruvat postati oksaloacetat ili acetil-CoA

Acetil-CoA aktivira piruvat karboksilazu kojom nastaje oksaloacetat i započinje glukoneogeneza, a inhibira kompleks piruvat-dehidrogenaze -> acetil-CoA nastao iz oksidacije masnih kiselina signalizira da nije potrebna daljnja oksidacija glukoze

Kada stanica ima puno ATP-a, usporava se oksidativna fosforilacija, raste omjer NADH/NAD+ što inhibira ciklus limunske kiseline te se povećava koncentracija acetil-CoA što aktivira glukoneogenezu gdje se troše ATP i NADH

Question 11

Kako se regulira sinteza i razgradnja glikogena?

Answer 11

Glikogen fosforilaza (koja razgrađuje glikogen) se može naći u dvije konformacije

A konformacija - aktivna i fosforilirana
B konformacija - manje aktivna i defosforilirana

Kinaza glikogen-fosforilaze b pretvara b konformaciju u a konformaciju fosforiliranjem serina, a ona je regulirana hormonalno preko PKA (epinefrinom ili glukagonom) -> adrenalin iziskuje veću količinu glukoze zbog potrebe za brzom energijom, a glukagon iziskuje veću količinu glukoze zbog gladovanja

Kada takvi uvjeti više nisu prisutni, fosfataza glikogen-fosforilaze a (fosfoprotein-fosfataza a / PP1) hidrolizira fosforilnu skupinu te inaktivira enzim

Question 12

Kako epinefrin (adrenalin) i glukagon utječu razgradnju glikogena?

Answer 12

1. Obje molekule aktiviraju G protein koji se veže na adenilil ciklazu, koji proizvodi cAMP iz ATPa
2. cAMP aktivira PKA koja fosforilira inaktivnu kinazu fosforilaze b u aktivno stanje
3. aktivna kinaza glikogen fosforilaze b fosforilira glikogen fosforilazu b u a konformaciju -> Ca(2+) se veže na kalmodulinsku podjedinicu kinaze glikogen fosforilaze b te olakšava fosforilazu, tj. pretvorbu u aktivni oblik a
4. glikogen fosforilaza a sada fosforilira glikogen te nastaje glukoza-1-fosfat koja može ići dalje u glikolizu ili postaje glukoza -> AMP se veže na glikogen fosforilazu (jer se nakupio u mišićima koji aktivno rade) te potiče dobivanje glukoze-1-fosfata

Question 13

Kako glukoza utječe na glikogen-fosforilazu u jetri

Answer 13

Glikogen fosforilaza u jetri se ponaša kao senzor za glukozu

Glukoza se veže na alosteričko mjesto koje vodi do promjene u konformaciju koja izlaže fosforilirane serina enzimu fosfataza glikogen-fosforilaze a (PP1) te dolazi do lakše inaktivacije glikogen fosforilaze

Veća količina glukoze rezultira smanjenjem razgradnje glikagona

Question 14

Kako se regulira aktivnost glikogen-sintaze?

Answer 14

Pomoću fosforilacije i defosforilacije

Glikogen sintaza je aktivna u nefosforiliranom obliku - a oblik, a neaktivna u fosforiliranom, b obliku

Glikogen sintaza može biti fosforilirana pomoću 11 različitih kinaza

Glikogen sintaza je senzor glukoza-6-fosfata u jetri -> glukoza-6-fosfat izaziva konformacijsku promjenu koja potiče defosforilaciju od strane PP1 i aktivira ju

Question 15

Opiši hijerarhijsku aktivnost kinaze glikogen-sintaze (GSK3)

Answer 15

Hijerarhijsko djelovanje kinaze 3 glikogen sintaze (GSK3) znači da GSK3 ne može fosforilirati glikogen sintazu ukoliko prvo kazein-kinaza II (CKII) nije fosforilirala glikogen sintazu -> “započinjanje” / “priming”

Question 16

Objasni inhibiciju GSK3 pseudosupstratom

Answer 16

1. Inzulin se veže na receptor i fosforilira IRS-1
2. IRS-1 se veže na fosfoinozitid-3-kinazu koji pretvara fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat (PIP3) u fosfatidilinozitol-3,4,5-trisfosfat (PIP3)
3. PIP3 aktivira PDK-1 (protein kinazu) koji aktivira PKB koji zatim fosforilira GSK3 koji onda postaje inaktivan (pseudosupstrat) te ne može fosforilirati glikogen sintazu i inaktivirati ju

Inzulin dovodi do toga da ne dolazi do inaktivacije glikogen sintaze, tj. kontinuira se sintetiziranje glikogena

Question 17

Kako fosfoprotein-fosfataza 1 (PP1) utječe na metabolizam glikogena?

Answer 17

Enzim fosfoprotein fosfataza 1 može hidrolizirati sva tri enzima fosforilirana kao odgovor na vezanje glukagona (u jetri) i epinefrina (u jetri i mišićima) -> kinaza glikogen fosforilaze, glikogen fosforilaza i glikogen sintaza

Inzulin stimulira sintezu glikogena i vodi aktivaciji PP1 i inaktivaciji GSK3 (pseudosupstratna inhibicija)

PP1 nije slobodna u citosolu nego je u kompleksu s : kinazom glikogen-fosforilaze, glikogen fosforilazom i glikogen sintazom te GM proteinom (glycogen targeting protein) te može djelovati na njih -> defosforilira ih

Question 18

Kako se regulira PP1?

Answer 18

Vezanje inzulina fosforilira GM što aktivira PP1 koji onda može djelovati na ostale enzim -> inhibira razgradnju glikogena

Vezanje adrenalina aktivira PKA koja fosforilira GM na drugom mjestu zbog kojeg PP1 disocira i ne može više djelovati na te proteine -> stimulira razgradnju glikogena

PP1 je podložan kovalentnoj i alosteričkoj regulaciji - inaktivira se fosforilacijom PKA, a alosterički ga aktivira glukoza-6-fosfat

PKA isto može fosforilirati protein inhibitor 1 koji se veže na PP1 i inhibira ga

Question 19

Kako povećana koncentracija glukoze sve utječe na metabolizam ugljikohidrata u stanicama jetre?

Answer 19

Glukoza se prenosi unutar stanice GLUT transporterima te se pojačava glikoliza

Dolazi do lučenja inzulina koji utječe :

Sintezom heksokinaze, PFK1 i piruvat kinaze -> stimulacija glikolize

Aktivacija PKB -> Inaktivacija GSK3 -> nema inaktivacija glikogen sintaze -> stimulacija sinteze glikogena

Aktivacija protein kinaze osjetljive na inzulin -> aktivacija PP1 -> defosforilira glikogen sintazu (aktivira sintezu glikogena), kinazu glikogen fosforilaze i glikogen fosforilazu ( inhibira razgradnju glikogena)

Question 20

Kako niska razina glukoze utječe na metabolizam u stanicama jetre?

Answer 20

Dolazi do lučenja glukagona koji aktivira adenilil ciklazu G proteinom te nastaje cAMP koji aktivira PKA koji fosforilira sljedeće enzime :

Kinazu glikogen fosforilaze -> aktivira se glikogen fosforilaza -> događa se razgradnja glikogena

Glikogen sintazu -> inaktivira se te ne dolazi do sinteze glikogena

Piruvat kinazu L (u jetri) -> inaktivira se te ne dolazi do glikolize

PFK2/FBPazu2 -> aktivira se FBPaza2 koja razgrađuje fruktozu-2,6-bisfosfat te dolazi do inhibicije glikolize (PFK1) i stimulacije glukoneogeneze (fruktoza-1,6-bisfosfataza)

Question 21

Koja je razlika u regulaciji metabolizma ugljikohidrata u jetri i mišićima?

Answer 21

U jetri glukagon i epinefrin imaju učinak maksimiziranja otpuštanja glukoze u krvotok

U mišićima, epinefrin povećava razgradnju glikogena i glikolizu, koji zajedno daju metabolite za dobivanje ATPa potrebnog za kontrakciju mišića

Question 22

Kako se kontrolira sinteza glikogena u mišićima?

Answer 22

Povećanjem koncentracije glukoze u krvi, inzulin djeluje na miocite tako da:

1. inkorporira GLUT4 u membranu te potiče prijenos glukoze u stanicu
2. Inducira sintezu heksokinaze -> regulacija na razini transkripcije gena
3. aktivira glikogen sintazu pomoću PKB i inhibicije GSK3
4. i 2. povećavaju protok glukoze kroz metabolički put, a treći osigurava da se ne akumulira previše glukoze u miocitu

Question 23

Objasni Corijev ciklus

Answer 23

To je ciklus u kojem laktat nastao u anaerobnim uvjetima u mišićima i eritrocitima prelazi u jetru gdje se prevodi u glukozu glukoneogenezom

U Corijevom ciklusu se troši 4 molekule ATP-a, 2 se dobivaju iz glikolize, a 6 se troši u glukoneogenezi

Ovaj ciklus je važan jer prevenira acidozu tijekom anaerobnog metabolizma

Question 24

Kako se može utjecati na aktivnost enzima?

Answer 24

Promjenom njegove koncentracije :

Utjecaj na transkripciju i translaciju gena -> veća koncentracija
Degradacija proteina -> niža koncentracija
Prijenos enzima u drugi organel -> niža koncentracija (npr. heksokinaza IV u jetri

Moduliranje aktivnosti:

Vezanje supstrata
Vezanje alosteričkog modulatora
Fosforilacija/defosforilacija
Interakcija s regulatornim proteinom

Question 25

Kako utječe omjer c(ATP)/c(AMP) na metabolizam?

Answer 25

Ako je koncentracija ATP-a niska, smanjit će se brzine reakcija ovisnih o ATPU -> stanica umire

Koncentracija AMP-a se povećava smanjenom ishranom i povećanom fizičkom aktivnošću -> u tom slučaju se aktiviraju protein kinaze aktivirane AMPom (AMPK) koji fosforilira ključne proteine i regulira njihove aktivnosti

AMPK povećava transport glukoze, aktivira glikolizu i oksidaciju masnih kiselina, a inhibira sitnezu masnih kiselina, kolesterola i slično