Glykogen

U. Albrecht BC1
Glykogenstoffwechsel und Gluconeogenese
1. Glykogenabbau
2. Glykogensynthese
3. Kontrolle des Glykogenstoffwechsels
4. Gluconeogenese
5. Andere Biosynthesewege für Kohlenhydrate
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Glykogen
Stärke
Speicherung von Glucose
In Tieren: Gehrin und Erythrocyten -> Energieversorgung mit Glucose (Fettverbrennung in
diesen Geweben nicht möglich).
Leber speichert Glucose in Form von Glykogen -> Glucoseversorgung 1/2 Tag
Fasten -> Gluconeogenese (aus Aminosäuren).
Glykogenabbau defekt -> Muskelkrämpfe nach Anstrengung = McArdle-Krankheit
Übersicht über den Glucose Stoffwechsel
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U. Albrecht BC1
1. Glykogenabbau
Freisetzung
von Glucose
beginnt hhier
Viele nicht-red.
Enden -> schnelle
Mobilisierung von
Glucose möglich
Glykogen in Muskel und Leber
Glykogengranula (mit Enzymen für Synthese
und Abbau)
Glykogenolyse:
1. Glykogen-Phosphorylase -> G1P
bis zu 5 Einheiten vor branching
2. Glycogen Debranching Enzyme
3. Phosphoglucomutase
G1P zu G6P
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A. Glykogen-Phosphorylase
PLP-Bindungstelle Cofaktor Pyridoxalphosphat (PLP)
2 Untereinheiten
C-term
katalytisches
Zentrum
Katalysiert kontrollierenden Schritt des
Glykogenabbaus.
Reguliert durch: allosterische Wechselwirkungen
kovalente Modifikationen
Glykogenspeicherstelle
allosterisches
Zentrum (AMP)
Inhibitoren: ATP, G6P, Glucose
Aktivatoren: AMP
N-term
Phosphorylierte Form -> Phosphorylase a
Dephosphoform
-> Phosphorylase b
Spalt für vier- oder fünfgliedrige Kette -> Glucosereste näher als 5 Einheiten an branch nicht
abgebaut
Gleichzeitige phosphorylierung mehrerer
Glucosereste eines Glykogens -> keine
Dissoziation und Assoziation nötig.
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Reaktionsmechanismus der Glykogen-Phosphorylase
PLP
3
2
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Konformationsänderungen in der Glykogen-Phosphorylase
Phosphorylase a
inaktiv
aktiv
Phosphoryl.
Stelle Ser14
N-terminale
Reste
AMP
Turmhelix
PLP
P
Arg 569
Substratphosphat interakt.
ATP stabilisiert T Form
Phosphorylierung and Ser14 ->
Aktiv auch ohne AMP (Phosphorylase a)
Phosphorylase b dagegen braucht AMP
um aktiv zu sein
Doppelter Regulationsmechanismus->Feinregulation
B. Glykogen-Debranching Enzym
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1. Glykosyltransferase Reaktion
2 unabhängige katalytische Aktivitäten in
Glykogen-Entzweigungsentzym
2. Hydrolyse von Glucose
-> ca. 10% der der Glykogenreste
(Verzweigung) als Glucose und nicht als
G1P freigesetzt.
Phospohrylase-Reaktion viel schneller als
Debranching -> äusserste Zweige von Glykogen
sehr schnell abgebaut, dann langsam wegen
Entzweigung -> Muskel kann nur für ein paar
Sekunden maximale Anspannung aufrechterhalten.
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C. Phosphoglucomutase
Vrgl. Phospohglycerat-Mutase
(phosphorylgruppe an His-Rest)
Gleichgewichtsreaktion in beide
Richtungen
Wie wird G6P in andere Gewebe übertragen?
In Leber Enzym Glucose-6-phosphatase -> G6P + H2O -> Glucose + Pi d.h. G6P wird in Glucose
Umgewandelt da G6P Zellmembran nicht passieren kann. Glucose in Blut zu Gewebe.
Muskel hat keine Glucose-6-phosphatase -> kann G6P nicht abgeben.
2. Glykogensynthese
Synthese- und Abbauwege von Glykogen sind getrennt
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Physiologische Bedingungen für
beide Wege etwa gleich
D.h. können nicht Umkehrwege sein
-> Synthese und Abbau getrennt
McArdle Krankheit
Keine Glykogen Phosphorylase ->
Kein Glykogenabbau
Jedoch findet man Glykogen in Muskel
-> Synthese intakt und braucht keine
Glykogen-Phospohrylase
A. UDP-Glucose-Pyrophospohorylase
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Umwandlung von G1P in Glykogen ist thermodynamisch
ungünstig.
-> exergoner Schritt nötig
-> ‚aktivieren‘ von G1P unter Verbrauch von UTP
es entsteht UDP-Glucose
Von UDP-Glucose-Phospohorylase katalysierte Reaktion
B. Glykogen-Synthase
UDP-Glucose wird auf C4-OH des
nicht reduzierenden Endes von Glykogen
Übertragen -> eine α(1->4) glykosidische
Bindung entsteht (-13.4 kJ/mol)
Bei erster Reaktion wird UTP verbraucht
-> nach Synthase Reaktion 1 UDP freiGesetzt.
UDP +ATP <-> UTP + ADP
-> UTP verbrauch entspricht ATP verbrauch
Glykogen-Synthase in 2 Konformationen:
a-Form (aktiv, dephospohoryliert)
b-From (inaktiv, phosphoryliert)
Konvention für Enzyme:
a -> aktive From
b -> inaktive Form
Ist nicht gleichzusetzen mit Phosphorylierungsstatus -> ist umgekehrt in
Phosphorylase !
Hemmung von Synthase durch Gluconolacton
-> imitiert Oxonium ion
Glykogensynthese wird von Glykogenin (Protein) initiert. Tyrosin-Glucosyltransferase
Bindet Glucose and Tyr 194. Bis zu 7 Glucose Moleküle -> Starter = Primer
-> Glykogen-Synthase verlängert den Starter.
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C. Glykogen-Verzweigungsenzym
Glykogen-Synthase -> α−Amylose
Verzweigungen werden durch
Amylo(1,4->1,6)-Transglykosylase
(=branching enzyme) gemacht.
7 Reste einer mindestens 11 Reste
Langen Kette werden auf gleiche
oder andere Kette übertragen mit
Einem Abstand von mindestens 4
Resten zu einer Verzweigung
3. Kontrolle des Glykogenstoffwechsels
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Glykogensynthese und Abbau nicht gleichzeitig, da sonst verschwendung von UTP-hydrolyse.
Regulation des Glykogenstoffwechsels auf 2 Ebenen: 1. Allosterische Kontrolle (AMP,ATP, G6P)
2. Hormonelle Kontrolle (Glucagon, Adrenalin)
führt zu kovalenter Modifikation
A. Direkte allostersiche Kontrolle von Glykogen-Phosphorylase und -Synthase
Nettofluss = V for - V rück
Gleichgewichtsreaktion -> lim 0 -> nicht kontrollierbar
-> 2 Reaktionen -> V for und V rück verändern sich unabhängig voneinander
-> Kontrolle der Reaktionsrate und der Reaktionsrichtung.
Phosphorylase
aktiviert durch
gehemmt durch
AMP
ATP
G6P
aktiviert
Synthase
-> hoher Bedarf and ATP -> Aktivierung der Phosphorylase und Hemmung der Synthase
Zusätzlich überlagertes Kontrollsystem das Ansprechempfindlichkeit reguliert (Phosphorylierung)
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B. Kovalente Modifikation der Glykogen-Phosphorylase und der -Synthase
Regulatorsiche Kaskade ->
PKA
1. Reaktion auf verschiedene
metabolische Signale
2. Verstärker Effekt
Zu beachten:
Phosphorylierung und Enzymaktiviät
(aktiv oder Inaktiv) ist von Enzym zu Enzym
verschieden).
Glkogenphosphorylase wird durch Phosphorylierung aktiviert.
3 Enzyme:
1. Phosphorylase-Kinase -> P an Ser14 von
Glykogenphosphorylase b
2. cAMP abh. Proteinkinase (PKA) -> P an
Phosphorylase kinase führt zu aktivierung
3. Phosphoprotein-Phospohatase 1->Phosphorylase a + Phosphorylase-Kinase dephosph.
-> Inaktivierung
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Phosphorylase b reagiert empfindlicher als Phosphorylase a auf allosterische Effektoren
In ruhenden Zellen -> ATP, G6P
Hoch -> Phosphorylase b gehemmt.
-> Aktiviät der Phosphorylase stark
Von Menge an Phosphoryase a
Abhängig ->
Diese Menge abhängig von relativen
Aktivitäten von Phosphorylase-Kinase
PKA und
Phosphoprotein-Phosphatase1
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cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA)
Primäres intrazelluläres Signal für die
Aktivierung der Glykogen-Phosphorylase
Durch Phosphorylase-Kinase ist cAMP.
Abhängig von Adenylat Cyclase (AC) und
Phospohdiesterase (PDE)
Adenylat Cyclase ist Transmembranprotein
Das durch Hormonrezeptoren an der ZellOberfläche aktiviert wird -> cAMP Synthese
-> Aktivierung von PKA
PKA phosphoryliert Ser und Thr-Reste zellulärer Proteine.
Kinase erkennungssequenz Arg-Arg-X-Ser/Thr-Y (wobei X=kleine AS und
Y= grosse hydrophobe AS)
PKA 4 Untereinheiten (2 regulatorische, 2 catalytische).
cAMP bindet regulatorische -> dissoziation -> aktive catalytische Monomere
R2C2 + 4 cAMP <-> 2C + R2(cAMP)4
-> cAMP bestimmt Substratphosphorylierung
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Adenylatcyclase Signalsystem
Hormone, Wachstumsfaktoren
Neurotransmitter, Toxine
AC
PDE
PKA
z.B. Phosphorylase-Kinase
Glykogen-Phosphorylase a
-> Glykogenabbau
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Struktur der C-Untereinheit der Maus PKA
ATP
Konservierte AS in allen
PKA
Auf Zielsequenz übertragenes Phosphat
Konsensussequenz
für Phosphorylierung
Peptid
10% aller Proteine in Säugern sind
phosphoryliert !!
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Phosphorylase Kinase
Aus 4 Untereinheiten α, β, γ, δ
γ Untereinheit -> katakytisches Zentrum
α und β Phosphorylierung -> Aktivierung
δ Bindungstelle für Ca2+ (=Calmodulin CaM)
Kinasedomäne der Phospohrylase-Kinase
Blau = N-term
Orange = C-term
ATP
Sequenz stimmt zu36% mit PKA überein
Diese γ-Untereinheit wird aber nicht phosphoryliert
-> Glu-Rest imitiert Anwesenheit von Phosphatgr.
Im C-terminalen Bereich Pseudosubstrat (PeptidKette, nicht gezeigt in Abbildung) -> kinase blockiert
-> Aktvierung -> wird weggezogen.
Calmodulin (CaM), δ-UE Phosphorylase kinase
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10^-7 M Ca2+ aktiviert CaM
-> Pseudosubstrat aus
γ-UE wird Abgezogen ->
Kinase wird aktiviert.
In Lösung nicht Helical
Zielpeptid
Ca2+ Freisetzung nach
Muskelkontraktion ->
Phospohrylase Kinase
Aktiviert -> Glykogenabbau
Abbaurate von Glykogen
ist an Muskelkontraktion
gekoppelt.
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Phosphoprotein Phosphatase 1 (PP1)
Regulation der PP1 im Muskel und Leber
Verschieden.
Im Muskel -> PP1 via G Untereinheit an
Glykogen gebunden.
G UE wird reguliert.
Insulin -> Phospohrylierung G UE ->
PP1 aktiver -> weniger Phospohorylierung
Der Glykogen-Phosphorylase -> mehr
Glykogen Synthese
Adrenalin -> Phosphorylierung an 2.
Stelle -> PP1 dissoziert -> inaktiv ->
Mehr P an Glykogen-Phospohryase ->
Glykogenabbau
In Leber -> PP1 durch Bindung an Phosphorylase a kontrolliert. PP1 bindet an R und T form. DephosPhorylierung aber nur im T-Zustand da nur dann Ser14-P für hydrolyse zugänglich -> Übergang von
Phospohrylase a in T-Zustand -> dephospohrylierung -> Phosporylase b (niedere Affinität zu PP1)
Phosphorylase 10 x mehr als PP1 -> 90% muss als Phosphorylase b vorliegen bis PP1 freigesetzt wird.
Glucose -> Phospohrylase a in T-Form -> Glucose in Leber wichtige Kontrollfunktion.
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Glykogenstoffwechsel im Muskel
Synthase
Inhibitor
C. Hormonelle Einflüsse auf den Glykogenstoffwechsel
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Wirken auf Membranrezeptoren und lösen Signalkaskaden über
Sekundäre Botenstoffe (second messengers) aus.
= Adrenalin,
Noradrenalin
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Adenylatcyclase Signalsystem
Hormone, Wachstumsfaktoren
Neurotransmitter, Toxine
AC
PDE
PKA
z.B. Phosphorylase-Kinase
Glykogen-Phosphorylase a
-> Glykogenabbau
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Glucagonrezeptoren, α− und β−adrenerge Rezeptoren
Adrenalin
Adrenalin
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4. Gluconeogenese
Bei Fasten -> keine Glucoseaufnahme -> Glucose wird aus VorLäufermolekülen synthetisiert (Pyruvat, Lactat, Zwischenprodukte des Citratzyklus, C-Gerüst der Aminosäuren).
-> umgewandelt in Oxalacetat.
Leucin, Lysin und Fettsäuren können in Tieren nicht in Glucose
Umgewandelt werden.
Viele Enzyme der Glykolyse arbeiten in der Gluconeogenese
in umgekehrter Richtung mit Ausnahme der Enzyme die in rot
Dargestellt sind.
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A. Vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat
2 spezifische Enzyme:
Pyruvatcarboxylase
Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK)
Pyruvat-Carboxylase trägt Biotin als prosthetische Gruppe
reversibles Binden von CO2
Pyruvat-Carboxylase Reaktion verläuft in zwei Phasen
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PEP-Carboxykinase
Gluconeogenese erfordert den Transport von Metaboliten
zwischen Mitochondrien und Cytosol
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Synthese von Oxalacetat aus Pyruvat
in Mitochondrien.
Gluconeogenese aber in Cytosol ->
Transport durch Mitochondrienmembran
Umwandlung von Oxalacetat entweder
zu Malat oder Aspartat.
PEP mittels spezifischen Transportprotein
verschoben.
Unterschied Weg1 zu2:
Reduktionsäquivalente -> NADH für
Gluconeogenese gebraucht -> Weg2
Läuft normalerweise ab. Ausser Lactat
Wird verbraucht -> Weg1
Alles Gelichgewichtsreaktionen ->
Malat-Aspartat Schuttle kann auch umgeKehrt werden -> NADH in Mitochondrien
-> für oxidative Phosphorylierung
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B. Hydrolytische Reaktionen
2 Pyruvat + 6ATP äquivalente -> Glucose
Glucose -> 2 Pyruvat + 2 ATP
-> unabhängige Regulation der 2 Wege kostet 4 ATP
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C. Regulation der Gluconeogenese
3 Substratzyklen -> 3 potentielle Regulationspunkte
F2,6P aktiviert Phosphofructokinase (PFK) und hemmt die
Fructose-1,6-Bisphosphatase (FBPase)
Nettofluss durch diesen
Substratzyklus wird durch
die Konzentration von
F2,6P (FBP) bestimmt.
F2,6P -> allosterischer
Aktivator der PFK und
gleichzeitig Inhibitor der
FBPase.
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Balance zwischen Synthese und Abbau:
Beide Enzymaktivitäten im selben Protein -> homodimeres bifunktionelles Enzym.
-> allosterischer Effektor beeinflusst beide Aktivitäten gleichzeitig.
Auch Regulation durch phosphorylierung (PKA, Ppase) -> hormonelle Kontrolle des Gelichgewichts
Zwischen Gluconeogenese und Glykolyse.
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Niedriger Glucosespielgel in der Leber
Achtung: In Muskel läuft keine Gluconeogenese ab, da
anderes PFK-2 Isoenzym.
Skelettmuskel: keine Phosphorylierungsstelle
-> keine cAMP abh. Kontrolle
Herzmuskel: andere Phosphorylierungsstelle
-> Aktivierung statt Hemmung der
PFK-2 durch phosphorylierung
als Antwort zu Hormonen die
Glykogenabbau im Herzmuskel
fördern.
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Andere allosterische Effektoren beeinflussen den Fluss durch die Gluconeogenese
Insulinspiegel (niedrig) und
cAMP (hoch) beeinflussen
Langfristig die Mengen an
Enzymen.
Transkription gefördert
Nur durch Substratkonzentration
Reguliert -> kein wichtiger
Kontrollpunkt für Gluconeogenese
Pyruvat-Kinase durch Alanin
gehemmt
Alanin wird durch Transaminierung
zu Pyruvat
Pyruvat-Kinase durch phosphorylierung inaktiviert
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5. Andere Biosynthesewege für Kohlenhydrate
Nucleotidzucker ermöglichen die Bildung glykosidischer Bindungen
Bildung glykosidischer Bindungen erfordert Zufuhr von freier Enthalpie. Diese Energie wird durch Spaltung von
Nucleotidzuckern geliefert.
Nucleotidzucker = aktivierter Zucker
Wozu werden Oligosaccharide im Körper gebraucht?
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Glykosylierung von Proteinen
O-verknüpfte Oligosaccharide (z.B. an Serin)
N-verknüpfte Oligosaccharide (z.B. an Asparagin)
O-verknüpfte Oligosaccharide werden im Golgi-Apparat
Über ein mehrfaches Anfügen von Monosaccharideinheiten
an eine bestehende Polypeptidkette gebildet.
GalNAc transferase katalysiert Verknüpfung an Serin.
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N-verknüpfte Oligosaccharide werden an Dolichol-Trägern synthetisiert
Synthese von N-verknüpften Oligosacchariden erfolgt ein einem Lipidträger, Dolicholphosphat
Verankert wachsendes Oligosaccharid in der Membran des Endoplasmatischen Reticulums
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Stoffwechsel der Dolichol-PP-Oligosaccharidsynthese
Dolichol-P-Derivate überTragen Oligosaccharid auf
Asn-X-Ser/Thr
Oligosaccharid an Dolichol-P
findet teilweise in der cytosolischen Seite, teilweise in
der luminalen Seite des ER
Statt.
Entstehender Oligosaccharid
Baum flippt von einer Seite
Der Membran zur anderen.
Glykoprotein wird dann im Golgi
Apparat prozessiert wo spezifische
Glykosylasen bestimmte MonoSaccharide abspalten und
Glykosyltransferasen spezifische
Reste angefügt werden.
(siehe Vorlesung Zucker und
Polysaccharide, Kapitel GlycoProteine).
Bacitracin verhindert dies -> keine normale Zellwandbiosynthese in
Bakterein. Es kann aber tiereische Zellmembranen nicht überWinden -> Bacitracin als Antibiotikum gebraucht