Metabolismus sacharidů Glykolýza, glukoneogeneze, syntéza a odbourávání glykogenu Principy regulace metabolismu sacharidů Diabetes mellitus © Biochemický ústav LF MU 2018 (JG, HP, ET) Sacharidy •Hlavní živina lidského organismu •Denní příjem sacharidů činí 55–60 % z celkového energetického příjmu •Hlavním zdrojem sacharidů je… 2 3 •Polysacharidy •škrob (těstoviny, rýže, pudinky, brambory,...) •Oligosacharidy •sacharóza (sladká jídla, sladké nápoje, … ) •laktóza (mléko, mléčné výrobky, …) •maltóza (pivo, slad..) •Monosacharidy •glukóza (ovoce..) •fruktóza (med, ovoce..) •galaktóza (mléko, mléčné výrobky,…) • Využitelné sacharidy Nevyužitelné sacharidy •Polysacharidy • celulóza (ovoce, zelenina) • ß • VLÁKNINA Obsah škrobu v potravinách * Průměrné hodnoty * 4 •Tenké střevo •Pankreatická α-amyláza •Konečné produkty •Isomaltóza •Maltóza •Maltotrióza •Laktóza •Sacharóza •Disacharidázy (kartáčkový lem enterocytů) •Isomaltáza •Maltáza •Laktáza •Sacharáza •Treláza Trávení sacharidů Glukóza Fruktóza Galaktóza •Vzniklé monosacharidy jsou vstřebány do enterocytu •Z enterocytu jsou transportovány do portální žíly •Portální žilou jsou transportovány do jater 5 Lippincott's-Illustrated-Reviews-Biochemistry,-5th-Edition Vstřebávání sacharidů *https://www.google.cz/search?q=sglt&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjdwfXav_DZAhUjCcAKHWbdD4A Q_AUICigB&biw=1680&bih=925#imgrc=IOn8VfO1CDomMM Lippincott's-Illustrated-Reviews-Biochemistry,-5th-Edition: * 6 Proč tělo nedokáže využít celulózu jako zdroj energie? 7 Nejvýznamnějším sacharidem v metabolismu je: •Glukóza • •Fruktóza • • •Galaktóza • 8 •9 •Základní rysy metabolismu glukózy •10 Resorpční fáze (inzulín) Postresorpční fáze, hladovění (glukagon) •Sacharidy z potravy •Glykogenolýza (játra) •Glukoneogeneze (játra, ledviny) •3,9–5,5 mmol/l •Hladina glukózy v krvi •Glukóza v krvi Jednou z hlavních priorit metabolismu a jeho regulace je udržování hladiny glukosy v krvi v rozmezí 3,9-5,6 mmol/l. Hladina glukosy v krvi je zejména důležitá pro činnost CNS, pokles hladiny glukosy ohrožuje mozkové buňky nedostatečnou produkcí energie. Stav pod 3,3 mmol/l se označuje jako hypoglykemie. V závislosti na čase od posledního příjmu potravy je hladina glukos v krvi zajišťována různými procesy. Po jídle glukosa v krvi pochází z potravy, po 3-5 hodinách po jídle se zdrojem glukosy postupně stává glykogen z jater, po té co je vyčerpán, glukosa v krvi je doplňována glukoneogenezí v játrech, případně ledvinách. Metabolismus glukosy po jídle je řízen insulinem, při hladovění glukagonem. Za stresových podmínek se uplatňují další hormony. •11 •Přeměny glukózy v buňkách a jejich význam Metabolická dráha Význam Glykolýza Glukoneogeneze Syntéza glykogenu Glykogenolýza Pentosový cyklus Syntéza derivátů zisk energie, přeměna acetylCoA na mastné kyseliny doplnění glukosy při nedostatku tvorba zásob glukosy doplnění glukosy při nedostatku zdroj pentos, zdroj NADPH glykoproteiny, proteoglykany, konjugace kys. glukuronovou Tabulka uvádí přehled hlavních metabolických drah, do kterých vstupuje glukosa v eukaryontních buňkách a jejich význam. Játra – metabolicky nejvýznamnější orgán v těle vzásobování ostatních tkání glukózou vmetabolismus glukózy: Ødegradace glukózy Øvznik energie Øtvorba prekurzorů pro syntézu různých molekul v syntéza glykogenu v játrech glykogen zásoba glukózy v syntéza glukózy v játrech glukoneogeneze doplňování hladiny glukózy v krvi JÁTRA Játra a sacharidy 12 Ø Hlavní metabolická dráha pro metabolismus glukózy Ø Lokalizace: cytoplasma ØVýznam: ü produkce energie ve formě ATP ü produkce intermediátů pro ostatní metabolické dráhy ü zahrnuje metabolismus galaktózy a fruktózy Ø Typy: üza aerobních podmínek: aerobní glykolýza üza anaerobních podmínek: anaerobní glykolýza Glykolýza Hlavní rysy glykolýzy 13 Glykolýza Glukóza Fosforylace Glukóza-6-fosfát Pyruvát Anaerobní podmínky Aerobní podmínky Laktát AcetylCoA Citrátový cyklus 14 http://files.kabinet-chemie.webnode.cz/200000190-812858180e-public/Glykolýza.png Glykolýza v 3 fáze glykolýzy •Zachycení glc v buňce a destabilizace fosforylací •Štěpení bis-fosfátu na dvě triózy •Oxidativní fáze – zisk energie 15 http://files.kabinet-chemie.webnode.cz/200000190-812858180e-public/Glykolýza.png Aerobní a anaerobní glykolýza Aerobní podmínky reoxidace v DŘ Anaerobní podmínky reoxidace s laktátem 16 Anaerobní glykolýza LD NADH je reoxidováno v reakci katalyzované LD Vznik laktátu: ØAnaerobní podmínky: NADH nemůže být reoxidováno v respiračním řetězci pyruvát laktát Coriho cyklus Laktát z periferních tkání putuje do jater – zde je reoxidován na pyruvát 17 SVAL Glukóza Pyruvát Laktát LD JÁTRA Laktát LD Pyruvát Glukóza KREV Odstraňování laktátu z tkání do jater, kde se využívá pro tvorbu glukózy Coriho cyklus 18 •Uhlíkatý skelet glukózy může být na základě cirkulace mezi svalem a játry opakovaně využit pro částečnou produkci energie •Pracující sval – svalový glykogen je hlavním zdrojem glukózy •Coriho cyklus tak představuje možnost, jak využít glukózu získanou štěpením svalového glykogenu pro jiné tkáně (přestože ve svalech není glukóza-6-fosfatáza a svaly nemohou uvolňovat glukózu přímo do krve) • Laktát vznikající ve svalu při anaerobní glykolýze je krví transportován do jater. Zde proběhne laktátdehydrogenasová reakce v opačném směru za vzniku pyruvátu. Ten je využitý pro glukoneogenezi a glukóza je po uvolnění do krevního řečiště utilizována řadou tkání, v některých opět za vzniku laktátu. Význam tohoto cyklu je v tom, že uhlíkatý skelet glukosy může být na základě cirkulace mezi svalem a játry opakovaně využit pro částečnou produkci energie. Protože pro pracující sval je hlavním zdrojem glukosy svalový glykogen, představuje Coriho cyklus současně možnost, jak využít glukosu získanou štěpením svalového glykogenu pro jiné tkáně (přestože ve svalech není glukosa-6-fosfatasa a svaly nemohou uvolňovat glukosu přímo do krve). V jakých buňkách probíhá anaerobní glykolýza? 19 •V buňkách, které postrádají mitochondrie •Erytrocyty, leukocyty • V buňkách při nedostatečném přísunu kyslíku •hypoxie • V intenzivně pracujícím svalu •bílá svalová vlákna •intenzivní svalová činnost → akumulace laktátu → pokles intracelulárního pH → svalová bolest • 20 Glukóza AcetylCoA Pyruvát CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ → CH3-CO-SCoA + CO2 + NADH + H+ Aerobní glykolýza NADH je reoxidováno v respiračním řetězci (mitochondrie) ATP irreversibilní reakce ß Citrátový cyklus Respirační řetězec Respirační řetězec ATP 21 Energetická bilance anaerobní glykolýzy: Glukóza 2 ATP Energetická bilance aerobní glykolýzy: 38 ATP Glukóza Pyruvát Laktát Pyruvát AcetylCoA citrátový cyklus NADH DŘ Sumárně aerobní glykolýza: Glukóza + 6 O2 + 38 ADP+Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP 22 Průběh glykolýzy v kosterním svalu Dostatečný přívod O2 Nedostatečný přívod O2 Mírná práce (klid) Intenzivní práce Vytrvalostní běh Sprint červená svalová vlákna bílá svalová vlákna Aerobní glykolýza Anaerobní glykolýza Práce na kyslíkový dluh Vznik laktátu laktát →do krve→do jater →pyruvát 23 Souhrn glykolýzy Aerobní glykolýza •Dostatečný přívod kyslíku •Význam: produkce energie •Produkt: AcetylCoA Anaerobní glykolýza •Nedostatečný přívod kyslíku •Význam: produkce energie ve specifických případech: ü tkáně za hypoxie ü buňky nemající mitochondrie (erytrocyty, leukocyty,..) ü při potřebě šetřit laktát pro glukoneogenezi • Produkt: Laktát ß ß 38 ATP ß 2 ATP 24 https://www.youtube.com/watch?v=EfGlznwfu9U&t=3s Regulace glykolýzy oFosfofruktokináza • Allosterické efektory •Aktivace: AMP Fruktóza-2,6-bisfosfát •Inhibice: ATP • citrát • •Hormonální ovlivnění •Aktivace: Inzulín (po jídle) •Inhibice: Glukagon (hladovění) • • oPyruvátkináza • Allosterický efektor: •Aktivace: Fruktóza-1,6-bisP •Hormonální ovlivnění •Inhibice: Glukagon • Syntéza glukózy de novo Glukoneogeneze Nesacharidové sloučeniny 26 Glukóza glykolýza glukoneogeneze reversibilní enzymové reakce 3 irreversibilní reakce Hexokináza Fosfofruktokináza Pyruvátkináza pyruvát laktát glycerol glukogenní aminokyseliny (Ala, Gln,..) Glukoneogeneze Glukóza-6-P NENÍ jednoduchá zpětná glykolýza 3 nevratné reakce glykolýzy jsou nahrazeny jinými reakcemi (enzymy) Fosfoenolpyruvát 27 Glukóza-6-fosfatáza Fruktóza-1,6-bisfosfatáza Fosfoenolpyruvátkarboxykináza (PEPCK) •Pyruvát •transaminace alaninu (ALT) •dehydrogenace laktátu (LD) •Laktát •vznik v tkáních •transport krví do jater • laktát + NAD+ ® pyruvát+ NADH + H+ ……(Coriho cyklus) •Glycerol •vznik v adipocytech štěpením triacylglycerolů (TAG) •transport krví do jater •Glukogenní AK •tvorba pyruvátu nebo meziproduktů citrátového cyklu (tvorba oxalacetátu) • •!!!! AcetylCoA není substrátem pro glukoneogenezi!!!! •Mastné kyseliny nemohou být přeměněny na glukózu (u živočichů) • • • • • Původ substrátů pro glukoneogenezi 29 •2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+® • glukóza + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi •Bilanční sumární rovnice glukoneogeneze •-6 ATP •Spotřeba •Glukoneogeneze je energeticky náročný pochod •Zdrojem energie je hlavně b-oxidace MK. •Vysoký výdej energie na glukoneogenezi vysvětluje efektivitu nízkosacharidových diet. 30 •Diety založené na sníženém příjmu sacharidů a zvýšeném příjmu proteinů (Atkonsonova, low-carb dieta) • •Při čistě proteinovém jídle zvýšená hladina aminokyselin stimuluje v pankreatu uvolnění glukagonu, který zvyšuje vychytání AK játry a glukoneogenezi z nich (glukóza chybí) •Je stimulováno i uvolnění inzulinu, avšak ne v takové míře jako po jídle s vysokým obsahem sacharidů •Hladina inzulinu je dostatečná na to, aby byly AK vychytány svalem a byla zahájena proteosyntéza, avšak glukoneogeneze v játrech není inhibována •Pod vlivem glukagonu také dochází k mobilizaci zásob, zejména uvolnění mastných kyselin z adipocytů. V játrech se za těchto podmínek mohou tvořit i ketonové látky, jejich hladina v krvi stoupá a jsou tkáněmi využívány jako zdroj energie. •Jejich nadbytek je pří zvýšeném množství vylučován močí • Nízkosacharidové diety oZásobní forma glukózy v buňkách •Játra •Sval oZdroj energie •Možnost rychlého uvolnění oDegradace, pokud hladina glukózy klesne pod určitou hodnotu v krvi oSyntéza a odbourání glykogenu probíhá v cytozolu řady buněk Glykogen 31 32 oGlykogen se ukládá v cytoplazmatických granulích buněk oEnzymy odbourávání a syntézy se váží na povrchu granulí oMolekuly glykogenu mají hmotnost Mr ~108 •Granule glykogenu Způsob uložení glykogenu oGlykogenolýza není opakem syntézy oJátra: •~ 5–10 % hmotnosti jater (po jídle) oSval: •~ 1–2% hmotnosti svalu (degradace při svalové činnosti nebo stresu) Zásoby glukózy v těle Tkáň* % hmotnosti tkáně Hmotnost tkáně (kg) Hmotnost glukosy (g) Játra 5,0 1,8 90 (glykogen) Sval 0,1 35 245 (glykogen) 33 * Zásoby glukosy v těle (70 kg muž) Glukóza Glukóza → Glukóza-6-P → Glukóza-1-P → UDP-glukóza Syntéza glykogenu oPo jídle oAktivace insulinem Syntéza glykogenu o vznik lineárního řetězce s a-1,4-glykosidovými vazbami (Glykogensynthasa) o větvení (a-1,6-glykosidová vazba)(Větvící enzym) Glykogen Po jídle 34 oHladovění •Játra oSvalová činnost •Sval oStres •Játra, sval oAktivace oGlukagon oAdrenalin oFosforolytické štěpení a-1,4 glykosidových vazeb enzymem glykogenfosforylázou Glukózové jednotky Hladovění Stres Svalová činnost Odbourání glykogenu Odbourání glykogenu fosforolýza 35 https://www.youtube.com/watch?v=xkqblRutFPQ Glykogen Odbourání glykogenu v játrech a ve svalu játra: Glukóza-6-P → Glukóza sval: Glukóza-6-P Fosforolytické štěpení a-1,4-glykosidové vazby (Glykogenfosforyláza) Odstranění a-1,6-větvení (Debranching enzyme) Glukóza-1-P Glukóza-6-P Enzym glukóza-6-fosfatáza je pouze v játrech a ledvinách, nenachází se ve svalech. Přeměny glukóza-6-P Glukóza-6-P Glukóza Glukóza-6-fosfatáza játra, ledviny 36 Štěpení svalového glykogenu poskytuje glukózu-6-P, která je dále metabolizována přímo v buňce (glykolýzou). Význam degradace glykogenu játra vs. sval Glukóza v krvi je doplňována pouze štěpením jaterního glykogenu, nikoliv štěpením svalového glykogenu. 37 Syntéza glykogenu Odbourání glykogenu oStimulace inzulinem oInhibice glukagonem Hormonální regulace oJátra •Stimulace glukagonem, adrenalinem (hladovění, stres) oSval •Stimulace adrenalinem (svalová práce, stres) 38 •INZULÍN ↓Snižuje glukózu v krvi ↑Stimulace glykolýzy xInhibice glukoneogeneze ↑Zvyšuje syntézu glykogenu • 39 Hormonální regulace metabolismu glukózy •GLUKAGON ↑Zvyšuje glukózu v krvi ↑Stimuluje glukoneogenezi ↑Zvyšuje odbourání jaterního glykogenu ↑ • Anabolické účinky „Stresové“ hormony: Adrenalin (zvyšuje odbourání glykogenu) Kortizol (zvyšuje glukoneogenezi z AK) ↑ glykémii 40 Schéma metabolických drah glukózy Glukóza Pentózy (DNA, RNA ...) Glykogen (játra, svaly) CO2 + H2O + energie Pyruvát AcetylCoA glykolýza oxidační dekarboxylace (nevratná!) citrátový cyklus + dýchací řetězec Glukóza-6-P pentosový cyklus NADPH Fruktóza glukoneogeneze syntéza glykogenu glykogenolýza Laktát anaerobní glykolýza pouze v játrech (a ledvinách) Mastné kyseliny Lipidy 41 Zdroje glukózy v různých fázích metabolismu Při popisu metabolismu se rozlišují dva základní metabolické stavy nazvané absorpční (resorpční) fáze a postabsorpční (postresorpční) fáze. Absorpční fáze trvá přibližně 4 hodiny a zahrnuje dobu jídla a po ní. Pokud po této době nesníme další jídlo, metabolismus přechází do postabsorpční fáze. Typický stav postabsorpční fáze je stav v průběhu a po nočním lačnění. Je-li přísun potravy zastaven déle než 12–14 hodin, přechází metabolismus do fáze hladovění (krátkodobého hladovění od desítek hodin až po několik dní, dlouhodobého hladovění více než dva až tři týdny). Časové údaje jednotlivých fází jsou orientační, závisí na množství přijaté potravy, velikosti energetických zásob a dalších faktorech. STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukózy po jídle glukóza glukóza glykogen Acetyl-CoA MK MK TG glukóza glukóza glykogen Inzulín 42 STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukózy v postresorpční fázi glukóza glykogen MK TG glukóza MK Glukagon 43 STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukózy při hladovění glukóza glykogen MK TG glukóza MK Glukagon glukoneogeneze AK proteiny 44 45 Patologické stavy při poruše metabolismu sacharidů Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (např. deficit enzymů – disacharidáz) Diabetes mellitus 46 •NEDOSTATEK INZULÍNU •Absolutní nedostatek Relativní nedostatek •nedostatečná produkce inzulínu •(destrukce b-buněk pankreatu) •porucha působení inzulinu v periferních tkáních • „Inzulinová resistence“ •Glukóza nevstupuje do svalových buněk a adipocytů •GLUT 4 je inzulin dependentní •Diabetes mellitus (DM) •Nejčastější porucha sacharidového metabolismu • 47 •Nadbytek glukagonu üzvýšená degradace glykogenu v játrech üzvýšená glukoneogeneze üzvýšená lipolýza v tukové tkáni • ⇒ zvýšené uvolnění MK do krve • ⇒ zvýšená β-oxidace MK v játrech • ⇒ zvýšená produkce acetylCoA • ⇒ kapacita CC je převýšena vzhledem k nedostatku oxalacetátu ⇒ syntéza ketolátek → zvýšené uvolnění ketolátek do krve •DM – inzulín a glukagon •Nedostatek inzulínu üabsolutní nebo relativní nedostatek inzulínu üsnížený transport glukózy do buněk přes GLUT 4 (svaly, tuková tkáň) • •Hyperglykemie •Hyperglykemie •Ketoacidóza 48 •Klasifikace DM Znak DM 1.typu DM 2. typu Prevalence ~ 15–20 % diabetiků ~ 80–85 % diabetiků Dřívější označení Inzulin-dependentní Non-inzulin dependentní Příčina Autoimunitní destrukce β-buněk Inzulinová resistence (a/nebo porucha sekrece insulinu) Nedostatek inzulinu Absolutní Relativní Koncentrace inzulinu Nízká nebo nulová Normální, často i zvýšená Nástup choroby Dětství, mládí Obvykle po 40. roce Nástup choroby Akutní Postupný Tělesná stavba Astenický typ Často obézní 49 oKrev oHyperglykemie (chronická hyperglykemie) oKetoacidóza oMoč oGlukosurie oKetonurie •Biochemický nález u DM •Klinické příznaky u DM üPolyurie üPolydipsie (pocit žízně) üMetabolický syndrom üObezita üDyslipidemie üHypertense (DM 2. typu) Diagnostika DM •FPG (Fasting Plasma Glucose) •Stanovení hladiny glukózy nalačno •oGTT (orální glukózový toleranční test) 50 51 •Diabetes je potvrzen, jestliže glykemie přesáhne: oPři náhodném stanovení glukózy v plasmě ≥ 11,1 mmol/l společně s kombinací klinických symptomů oFPG ≥ 7 mmol/l oPři oGTT koncentrace glukózy ≥ 11,1 mmol/l •Fyziologická hodnota glykemie FPG 3,9–5,5 mmol/l •Diagnostika diabetu •Stanovení glukózy oGlukometry (kapilární krev) oDiagnostické proužky (kapilární krev) oBiochemické analyzátory (plazma) 52 • Orální glukózový toleranční test (oGTT) •Prediabetes: oFPG 5,6–7 mmol/l üověření účinnosti regulace sacharidového metabolismu pomocí funkčního testu (oGTT) •Postup oGTT: • Po nočním lačnění (10–14 hodin) je vyšetřovanému odebraná krev. • Pak se podá 75 g glukózy v 300 ml čaje a odebere se krev za 2 hodiny po vypití čaje a stanoví se glykemie. • Hodnotí se glykemie po 2 hodinách po podání glukózy. Glukosová tolerance Glykemie 2 hodiny po zátěži Normální (vyloučení DM) < 7,8 mmol/l Porušená glukózová tolerance 7,8–11 mmol/l Diabetes mellitus > 11,1 mmol/l 53 •Další stanovení u DM •Glykovaný hemoglobin ovzniká neezymovou reakcí mezi hemoglobinem a glukózou v krvi ohladina glykovaného hemoglobinu odráží koncentraci glukózy v krvi během celé doby života erytrocytů ovyužívá se k posouzení účinnosti úspěšnosti léčby/kompenzace diabetu v období 4–8 týdnů před vyšetřením •Srovnej: •Glykemie vs. glykovaný hemoglobin milk smutny+smajlik+bily Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (Př. deficience disacharidáz) 54 Fruktóza „Rychlý“ zdroj energie Fruktóza Fruktóza-1-fosfát oZdroj fruktózy: Sacharóza HFCS-High-Fructose Corn Syrup oŠtěpení sacharózy: Tenké střevo oPřeměny fruktózy: Játra ß Glykolýza Nezávisle na inzulínu Metabolismus fruktózy Slazení fruktózou v současné době není doporučováno 55 56 Fruktóza Fruktóza-6P Fruktokináza Glyceraldehyd + Dihydroxyaceton-3P Aldoláza B Glyceraldehyd-3-P Glykolýza Glyceraldehyd-3-P Glykolýza Glycerol Glycerol-3-P TAG AcetylCoA AcetylCoA Zdroj energie CC Syntéza MK TAG Zdroj energie CC Syntéza MK TAG 57 oZdroj galaktózy: Laktóza oŠtěpení laktózy: Tenké střevo oPřeměny galaktózy: Játra Galaktóza Aktivovaná glukóza (UDP-glukóza) ß Metabolismus glukózy Galaktóza Glykoproteiny Glykolipidy Laktóza Metabolismus galaktózy Galaktóza je rychle metabolizována a zapojena do glykolytické dráhy Pentózový cyklus oTkáňová lokalizace: většina tkání (játra, tuková tkáň, erytrocyty,..) oKompartment buňky: cytoplasma oVýznam: •zdroj NADPH (redukční syntézy, redukce glutathionu) •zdroj ribóza-5-P (nukleové kyseliny, nukleotidy) • 58 Glukóza Zdroj NADPH a pentóz Pentózový cyklus NADPH Ribóza-5-fosfát ß ß Redukční syntézy Syntézy nukleových kyselin a nukleotidů Zdroj energie Glukóza-6-P Pentózový cyklus 59