SJEDNOCENÍ (integrace) METABOLISMU

1. SJEDNOCENÍ (integrace) METABOLISMU Metabolismus je sestaven z s vysoce efektivně propojených drah. Každý tělesný orgán má jedinečný metabolický profil. Jídlo a hladovění indukují metabolické změny. Výběr energetického zdroje během cvičení je dán jeho intenzitou a trváním. Ethanol ovlivňuje energetický metabolismus v játrech.

2. ATP je univerzální energetické platidlo. • A) Svalová kontrakce, aktivní transport, zesílení signálů a biosyntézy. • B) Hydrolýza ATP mění rovnovážný poměr mezi produkty a reaktanty ve spřažené reakci faktorem 108. • Thermodynamicky nevýhodné reakce jsou tak posouvány ve prospěch produktů.

3. ATP je produkován při oxidaci molekul obsahujících energii jako jsou glukosa, mastné kyseliny a aminokyseliny. • Společným meziproduktem většiny těchto reakcí je acetylCoA. • Citrátový cyklus, oxidatívní fosforylace. • Glukosa je také oxidována v glykolýze – pouze 2 ATP, kdežto v citrátovém cyklu 30 ATP.

4. NADPH je hlavním donorem elektronů při reduktivních biosyntézách. • Většinu potřebného NADPH poskytuje pentosafosfátová dráha. • Biomolekuly jsou syntetizovány z malých atomových jednotek. • Katabolické reakce poskytují stavební jednotky pro biosyntézy. Např. C2 – acetylCoA je prekurzorem biosyntézy mastných kyselin, prostaglandinů, ketolátek a cholesterolu.

5. Nejčastější motivy metabolické regulace. • Allosterické interakce – aktivity enzymů katalyzujících klíčové reakce, spíše než dostupnost substrátů je regulačním prvkem metabolické dráhy. • Jako příklad. fosfofruktokinasa při glykolýze a acetylCoAkarboxylasa při syntéze mastných kyselin.

6. Kovalentní modifikace.Řada enzymů je vedle allosterické regulace ještě regulována fosforylací nebo adenylací, proč ?? Příklad – glykogenfosforylasa je fosforylcí aktivována, kdežto glykogensynthasa deaktivována.

7. Hladina enzymů. • Rychlost syntézy a odbourávání mnoha regulačních enzymů je ovlivňována hormony. • Kompartmentace – metabolický model eukaryotních buněk je významně ovlivňován přítomností kompartmentů. Osud mnoha molekul závisí na jejich přítomnosti v mitochondrii nebo v cytoplasmě. • Příklad – mastné kyseliny jsou transportovány do matrix v době potřeby energii, kdežto mastné kyseliny v cytoplasmě jsou esterifikovány nebo transportovány.

9. Hlavní metabolické dráhy a kontrolní místa.GLYKOLÝZA

10. Rychlost glykolýzy závisí na poměru ATP/AMP (potřebě energie) a stavebních jednotek což signalizuje hladina citrátu. • V játrech je nejdůležitějším regulátorem aktivity fosfofruktokinasy fruktosa-2,6-bisfosfát. • Hladina fruktosa-2,6-bisfosfátu je dána aktivitou kinasy, která ji tvoří z fruktosa-6-fosfátu a fosfatasy, která hydrolyzuje fosfát z 2-OH skupiny. • V době, kdy je hladina glukosy v krvi nízká, glukagonová kaskáda aktivuje fosfatasu a inhibuje kinasu. • Glykolýza je zpomalována a glukosa je použita prostřednictvím krve v jiných orgánech.

11. Citrátový cyklus a oxidativní fosforylace • Respirační kontrola – donory elektronů (NADH a FADH2) jsou reoxidovány a vraceny zpět do cyklu jen za situace, kdy je ADP simultánně fosforylován na ATP. • Dostatek ATP snižuje aktivitu dvou enzymů cyklu – isocitrátdehydrogenasy a a-oxoglutarátdehydrogenasy.

12. Pentosafosfátová dráha. • Probíhá v cytoplasmě. Oxidační a neoxidační fáze. • Klíčový enzym – glukosa-6-fosfátdehdrogenasa. Aktivita závisí na hladině NADP+. • Neoxidační fáze – převádí tři ribosy na dvě hexosy a jednu triosu – vstup pentos do glykolýzy.

14. Glukoneogeneze. • Syntéza sacharidů v játrech a ledvinách z necukerných prekurzorů – laktát, glycerol a aminokyseliny. • Hlavním vstupem je pyruvát karboxylován na oxaloacetát • v matrix. • Oxaloacetát je v cytoplasmě metabolizován na fosfoenolpyruvát. • Důležité jsou dva hydrolytické stupně – obchází ireversibilní stupně glykolýzy. . • Glukoneogeneze a glykolýza jsou recipročně regulované dráhy. Jedna nebo druhá !! • Např. AMP inhibuje a citrát aktivuje fruktosa-1,6-bisfosfatasu (glukoneogeneze). Obě molekuly mají opačný vliv na fosfofruktokinasu (klíčový enzym glykolýzy). • Fruktosa-2,6-bisfosfát inhibuje fruktosa-1,6-bisfosfatasu. • Dostatek glukosy – vysoká hladina F-2,6-BP inhibuje glukoneogenezi a aktivuje glykolýzu.

16. Syntéza a degradace glykogenu • Glykogenfosforylasa – tvorba glukosa-1 –P a izomerace na glukosa-6-fosfát. • Syntéza glykogenu – aktivovaná glukosa – UDP-glukosa. UDP-glukosa se tvoří z glukosa-1-fosfátu a UTP. • Degradace glykogenu a syntéza jsou koordinováně kontrolovány hromonálně řízenou kaskádou tak, že fosforylasa je aktivní kdy synthasa je inaktivní a naopak.

17. Granule glykogenu v jaterní buňce

18. Syntéza a odbourávání mastných kyselin. • Syntéza v cytoplasmě, degradace v matrix. • Citrát v cytoplasmě aktivuje acetylCoAkarboxylasu. Při vysoké hladině ATP a acetylCoA, roste hladina citrátu, která urychluje syntézu mastných kyselin. • Při odbourávání mastných kyselin hraje klíčovou roli hladina NAD+ a FAD (podobně jako u CC). • MalonylCoA inhibuje tvorbu acylkarnitinu karnitinacyltransferasou 1 a tím odbourávání mastných kyselin.

21. Klíčové metabolity: Glukosa-6-fosfát, Pyruvát a AcetylCoA. • Glukosa-6-P:

22. Pyruvát a acetylCoA.

23. Každý tělesný orgán má svůj jedinečný metabolický profil. • MOZEK. Jediným zdrojem energie pro mozek je glukosa. Výjimku tvoří delší doba hladovění. Mozek denně spotřebuje 120g glukosy (60% celkové spotřeby těla). Větší díl této energie se spotřebuje na transport na membránách vedoucí k vytvoření Na+ K+ membránového potenciálu pro přenos nervových vzruchů. Glukosa je do mozku transportována glukosovým transportérem GLUT3. Koncentrace glukosy v mozku je 1 mM. Při delším hladovění nahrazují glukosu ketolátky !!!

25. Sval. Hlavním zdrojem energie pro sval jsou glukosa, mastné kyseliny a ketolátky. • Svaly mají velkou zásobu glykogenu – 5 000 kJ. Sval, stejně jako mozek, nemá glukosa-6-fosfatasu a neexportuje glukosu. Při intenzívní svalové práci je rychlost glykolýzy větší než CC a vzniklý pyruvát je převáděn na laktát. • Tento přesun – Coriho cyklus- přenáší část metabolismu svalu do jater. Část pyruvátu je transaminována na Ala !!! Sval nemůže převést amoniak na močovinu ! Ve svalu se transaminují větvené aminokyseliny • Pro odpočívající sval jsou hlavním zdrojem energie mastné kyseliny (85 % potřebné energie). • Srdeční sval je bohatý na mitochondrie a nemá zásoby glykogenu. POUZE AEROBNÍ !! Hlavním zdrojem energie srdečního svalu jsou mastné kyseliny (také acetoacetát + laktát). Srdeční sval preferuje acetoacetát před glukosou.

27. Adiposní tkáně. • Skladovací místo triacyglycerolů. Typický 70 kg muž má 15 kg triacylglycerolů (565 000 kJ energie). • Mastné kyseliny se syntetizují u člověka v játrech. Poté jsou esterifikovány s glycerolem a transportovány jako triacylgylceroly do adiposních tkání VLDL. • Na povrchu adiposních buněk jsou hydrolyzovány lipoproteinlipasami. Mastné kyseliny vstupují do adiposních buněk. Tam jsou znova esterifikovány. Glycerol se tvoří glykolýzou z glukosy. • K ukládání triacylglycerolů je tedy nutná glukosa !!! • Při nedostatku glukosy jsou mastné kyseliny transportovány do plasmy. Hlavním ukazatelem pro uvolnění mastných kyselin do plasmy je hladina glycerolu uvnitř adiposních buněk.

28. Syntéza a degradace triacylglycerolů v adiposních buňkách. Mastné kyseliny jsou do adiposních buněk transportovány ve formě triacylglycerolů obsažených ve VLDL.

29. Ledviny. • Hlavním úkolem ledvin je vylučování moči, která slouží jako nosič odpadních metabolických produktů a udržování osmolarity tělesných tekutin. Denně se vylučuje 1 až 2 L moči. Krevní plasma je 60x denně filtrována. Reabsorbce spotřebuje velké množství energie - na váhu mají ledviny asi 0, 5% tělesné hmotnosti, spotřebují 10 % kyslíku z buněčné respirace. Glukosa je reabsorbována Na+-glukosovým přenašečem. Během hladovění jsou ledviny místem glukoneogeneze (polovina krevní glukosy).

30. JÁTRA • Metabolická aktivita jater je důležitá pro zásobování energií mozku, svalů, a ostatních periferních orgánů. • Játra odebírají 2/3 glukosy z krve a všechny zbývající monosacharidy. Glukosa-6-fosfát je ukládána jako glykogen (v játrech 1 700 kJ), ostatní je metabolizována na acetylCoA – tvorba mastných kyselin, cholesterolu a žlučových kyselin. Glukoneogeneze a uvolňování glukosy z glykogenu zásobuje krev a udržuje hladinu glukosy. • Játra také hrají centrální roli při regulaci metabolismu lipidů. • Při dostatku energie jsou mastné kyseliny z potravy a syntetizované v játrech uvolňovány do krve formou VLDL(very low density lipoproteins). Při hladovění převádí játra mastné kyseliny na ketolátky. Klíčovým krokem je možnost vstupu mastných kyselin do matrix. • Reguluje hladina malonylCoA – pokud je ho dostatek, neprobíhá b-oxidace a tvorba ketolátek. Mastné kyseliny jsou transportovány do adiposních buněk.

31. Játra shromažďují aminokyseliny – priorita biosyntéza proteinů. • Proč ? • Km aminokyselin pro aminoacyltRNAsynthetasu je nižší než pro enzymy katabolismu aminokyselin. • Při katabolismu se první odděluje dusík. Játra uvolňují 20 až 30g močoviny denně. • Játra nedokáží odstraňovat dusík z větvených aminokyselin – transaminace probíhá ve svalech. • Zdrojem vlastní energie jater jsou a-oxokyseliny. • Účelem glykolýzy v játrech je tvorba stavebních jednotek pro biosyntézu. Játra také nedokáží využít acetoacetát jako zdroj energie – nemají transferasu nutnou k aktivaci acetoacetátu na acetylCoA.

34. Jídlo a hladovění vyvolávají metabolické změny. • Budeme sledovat cyklus nasycení a noční hladovění: • Nejdůležitějším úkolem metabolismu je udržet glukosovou homeostázu – konstantní hladinu glukosy v krvi. • a) Nasycenost. Glukosa a aminokyseliny jsou transportovány ze střeva do krve. Tuky z potravy jsou transportovány do krve cestou lymfatického systému ve formě chylomikronů. Zvýšená hladina glukosy vede k uvolnění insulinu, který je signálem nasycení. Stimuluje skladování energetických látek a syntézu proteinů. Insulin iniciuje proteinkinasovou kaskádu – stimulace syntézu glykogenu ve svalech i játrech a potlačuje glukoneogenezi v játrech. Urychluje také glykolýzu v játrech, která vede ke zvýšení syntézy mastných kyselin.

35. Jak je odstraněna nadbytečná glukosa po nasycení ? • Insulin urychluje vstup glukosy do jater – GLUT2. • V játrech se zvyšuje tvorba glukosa-6-fosfátu rychleji než v krvi, pouze zde je glukokinasa (porovnej KM s hexokinasou) nasycena glukosou. • Tvoří se glykogen. • Vysoká hladina glukosy vede k její vazbě na fosforylasu a. Vzniklý adukt je substrátem fosfatasy, která ji přemění na fosforylasu b , která neodbourává glykogen. • Vysoká hladina insulinu po nasycení podporuje vstup glukosy do svalů a adiposní tkáně. • Insulin podporuje absorbci větvených aminokyselin ve svalu. Dále podporuje proteosyntézu a inhibuje odbourávání proteinů.

36. Počáteční stav hladovění. • Několik hodin po jídle hladina glukosy klesne. Dochází k sekreci glukagonu. • Glukagon signalizuje hladovění. Hlavním orgánem působnosti glukagonu jsou játra. Stimuluje štěpení glykogenu, inhibuje syntézu, spuštěním hormonální kaskády vedoucí k fosforylaci a aktivaci fosforylasy a inhibici syntézy glykogenu. Inhibuje také syntézu mastných kyselin snížením produkce pyruvátu a snížením aktivity actylCoAkarboxylasy (je ponechána v nefosforylovaném stavu). • Glukagon stimuluje glukoneogenezi v játrech a blokuje glykolýzu snížením hladiny F-2,6-bisP. • Všechny reakce glukagonu jsou zprostředkovány proteinkinasou aktivovanou cAMP. • Uvolněná glukosa se dostává krví do periferních tkání. Snížená spotřeba glukosy svaly a adiposní tkání vede také ke zvýšení hladiny glukosy v krvi.

37. Když klesne hladina glukosy, využívají svaly i játra mastné kyseliny jako zdroj energie. • Závěr: • Hladina glukosy v krvi na 80mg/dl se udržuje třemi faktory: • a) Mobilizací glykogenu a uvolňováním glukosy do krve. • b) Uvolňováním mastných kyselin z adiposních tkání. • c) U jater a svalů - posunem využívané energie od glukosy k mastným kyselinám

38. Jaký je efekt silné snídaně ? • Tuk je utilizován stejně jako za stavu nasycení. • Jinak je to s glukosou. Játra z počátku neabsorbují glukosu z krve – ponechávají ji pro periferní tkáně. Navíc jsou ve stavu glukoneogeneze. Nově syntetizovaná glukosa v první řadě nahrazuje vyčerpaný glykogen. • Pokud hladina glukosy v krvi dále roste, játra doplnila glykogen, začínají nadbytečnou glukosu využívat k syntéze mastných kyselin (glycerol).

39. Metabolická adaptace při prodlouženém hladovění minimalizuje degradaci proteinů. • Jaká je adaptace metabolismu na půst až k hladovění ? • Typický 70 kg muž má celkové energetické rezervy 670 000 kJ. Energetická potřeba na 24 hod činí kolem 6 700 kJ (závisí na tělesné aktivitě). • Zásoba energie je na 1 až 3 měsíce. • POZOR! Zásoby sacharidů se vyčerpanjí za jeden den ! • I při hladovění musí být minimální hladina glukosy v krvi 2, 2 mM ( 40 mg/dl). • Prvořadou funkcí metabolismu při hladovění je zásobit glukosou mozek a červené krvinky. • Jediným zdrojem energie jsou triacylglyceroly Jediným potenciálním zdrojem glukosy aminokyseliny (odhlédneme-li od minortního množství glycerolu z triacylglyceorolu).

40. Výběr zdroje energie během hladovění. Hladiny ketolátek a mastných kyselin se zvyšují, hladina glukosy klesá.

41. Proteiny nejsou skladovány ! • Odbouráváním ztrácí funkci. • Druhou prioritou metabolismu při hladovění je ochrana proteinů, což se uskutečňuje posunem odběru energie od glukosy k mastným kyselinám a ketolátkám ! • Metabolické změny během prvního dne hladovění jsou shodné s nočním hladověním. • Dominantními metabolickými pochody je mobilizace triacylglycerolů v adiposních tkáních glukoneogeneze v játrech. Játra získávají energii pro svoji vlastní potřebu oxidací mastných kyselin z adiposních tkání. • Roste koncentrace acetylCoA a citrátu, což vypíná glykolýzu. • Spotřeba glukosy svaly klesá (nízká hladina insulinu), mastné kyseliny vstupují volně.

42. Svaly přesunují zdroj energie od glukosy k mastným kyselinám. b-oxidace mastných kyselin ve svalech zastavuje převod pyruvátu na acetylCoA, protože acetylCoA stimuluje fosforylaci pyruvátdehydrogenasového komplexu, který zůstává inaktivní. • Pyruvát, laktát a alanin se transportují do jater – resyntéza glukosy (+ glycerol z triacylglycerolů). • Pro glukoneogenezi se využívají i aminokyseliny. Nejdříve se odbourávají proteiny, které mají rychlý obrat, jako střevní epithel a sekrety pankreatu. Svalové proteiny se odbourávají až nakonec (dlouhé hladovění) – odbouráváním ztrácí funkci (srdeční sval).

43. Jak se zabrání ztrátě svalstva ? • Po 3 dnech hladovění produkují játra velké množství acetoacetátu a D-3-hydroxybutyrátu. • Syntéza z acetylCoA roste – CC cyklus nestačí zpracovat acetylCoA. Glukoneogeneze snižuje hladinu oxaloacetátu. • V této chvíli se mozek orientuje na acetoacetát. Po třech dnech až 1/3 potřeby energie mozku je z acetoacetátu. Taktéž srdce využívá ketolátky. • Po několika týdnech se stávají ketolátky hlavním zdrojem energie mozku. • K využití acetoacetátu je nutný přenos CoA z sukcinylCoA.

44. Vstup ketolátek do CC.

45. Ketolátky jsou ekvivalentem mastných kyselin, které prochází bariérou do mozku. • Mozek potřebuje denně jen 40 g glukosy ve srovnáni se 120 g na začátku hladovění. • Takto se velmi snižuje potřeba glukosy. • Je odbouráváno méně svalstva než v prvním dnu hladovění. • Odbourává se jen 20 g svalstva ve srovnání s prvními dny hladovění – 75 g. To je důležité pro přežití. • Po vyčerpání zásob triacylglycerolů – jediným zdrojem energie jsou proteiny. Jejich odbourávání se zrychluje – smrt nastane ztrátou funkce srdce, jater a ledvin.

46. Syntéza ketolátek v játrech.