Zur Erinnerung…. -Die Kohlenstoffgerüste der 20 proteinogenen Aminosäuren werden in nur 7 simple Stoffwechselprodukte überführt: Pyruvat, Acetyl-CoA, Acetacetyl-CoA, Succinyl-CoA, a-Ketoglutarat, Fumarat und Oxalacetat. -As die zu Acetly-CoA und Acetacetyl-CoA abgebaut werden sind ketogene AS (zur Herstellung von Ketokörpern und Fettsäuren geeignet). -As die zu Pyruvat, Succinyl-CoA, a-Ketoglutarat, Fumarat oder OAA abgebaut werden, heiße glucogene AS (eine Nettosynthese von Glucose ist aus diesen Verbindungen möglich). -Glucose ist in Form von Glycogen in der Leber und im Skelettmuskel gespeichert. Die kontrollierte Freisetzung von Glucose aus diesen Speichern wird über eine komplexe Regulation der am Abbau von Glycogen beteiligten Enzyme sichergestellt.

Das Problem mit den Verzweigungsstellen -2 Enzyme machen das „debranching“

Das „Debranching Enzyme“ -Die Phosphorylase kann nicht a-1,6 glycosidsche Bindungen spalten. -Die Phosphorylase stoppt 4 Glucosereste vor dem Verzweigungspunkt!

Die Umwandlung von Glucose 1-Phosphat in -nur Glucose 6-Phosphat kann in den Stoffwechsel eingespeist werden, Glucose 1-Phosphat ist dagegen kein Substrat. -Die Glucosephosphat-Mutase katalysiert die Reaktion ein Phosphoserin im aktiven Zentrum

Die spezielle Rolle der Leber im Glycogenstoffwechsel Die Leber stellt dem Körper Glucose zur Verfügung

Die Leber kann aus Glucose-6-Phosphat Glucose machen -Eine der Hauptfunktionen der Leber: Die Aufrechterhaltung des Blut-Glucosespiegels. Im „Hunger-Zustand“ wird Glycogen in der Leber abgebaut und Glucose ins Blut zur Versorgung von Gehirn und Muskeln abgegeben. Problem: Phosphorylierte Glucose kann nicht aus der Zelle transportiert werden. Lösung: Die Leber hat ein spezielles Enzym, die Glucose-6-Phosphatase, die aus Glucose-6-P Glucose machen kann. Dies erfolgt im ER! 5 Faktoren sind für die Entfernung von einem P von Glucose notwendig!!!

Die Regulation des Glycogenstoffwechsels -Die Glucosefreisetzung ins Blut wird sehr genau kontrolliert. Das zentrale Enzym, welches kontrolliert wird ist die Phosphorylase. -Die Regulation der Phosphorylase erfolgt über verschiedene allosterische Regulatoren, die den Energiestatus der Zelle signalisieren. Darüber hinaus wird die Phosphorylase durch post-translationale Modifikation reguliert, die ihrerseits durch Hormoneinwirkung gesteuert ist. -Die Kontrolle verläuft unterschiedlich im Skelettmuskel (Glucose-Verbraucher) und in der Leber (Glucose-Erzeuger/Regulator)

Die Glycogen-Phosphorylase im Skelettmuskel (Muskelphosphorylase) 2 Formen: Phosphorylase a ist an einem Serinrest Phophoryliert. Dies begünstigt die R (active) Form. Die Dephosphorylierte Form b ist präferentiell in der T (inactiven) Form.

das Geleichgewicht liegt auf der Seite der T-Form das Gleichgewicht liegt auf der Seite der R-Form das katalyt. Zentrum wird teilw. blockiert

Die Regulation der Phosphorylase durch eine Kinase ATP ADP Phosphorylase b Phosphorylase a Phosphorylase- Kinase (vorw. inaktiv) (vorw. aktiv) Dieses Enzym wird durch andere Faktoren streng kontrolliert

Allosterische Regulation von Muskelphosphorylase b die Energieladung bestimmt, ob die Phosphyrylase b aktiv ist: Nur bei hohen AMP-Mengen ist sie aktiv!

Die Situation im Muskel A) normale physiologische Bedingungen -Phosphorylase b: Unter „normalen“ Verhältnissen inaktiv (ATP und G-6-P hemmen das Enzym). -Phosphorylase a : voll aktiv, da nicht durch ATP und G-6-P reguliert. Aber: So gut wie keine Phosphorylase a vorhanden, da aufgrund der wenig aktiven Phosphorylase-Kinase nahezu alle Phoporylasen in der b Form vorliegen. D.h. bei normaler Energieladung wird nur sehr wenig Glucose aus dem Glycogenspeicher abgebaut. B) bei Muskelbetätigung -ATP und G-6-P Level sinken (AMP-Level steigt), die Phosphorylase b wird dadurch aktiv. -Hormonausschüttung (hervorgerufen durch Muskelbetätigung) führt zur Aktivierung der Phosphorylase a durch eine Verstärkerkaskade.

Die Situation in der Leber -Die Phosphorylase der Leber ist zu 90% mit der Muskelphosphorylase identisch, wird aber anders reguliert (Isoenzym). -Die Phosphorylase a ist das Enzym, welches am stärksten reguliert wird: Glucose ist ein allosterischer Inhibitor!

Phosphorylase a in der Leber reguliert den Blutzuckerspiegel -die Phosphorylase in der Leber stellt bei bedarf Glucose aus dem Glycogenspeicher bereit. Wenn genügend Glucose in der Nahrung ist, wird das Enzym abgestellt. -Das Enzym wird nicht durch die Energieladung reguliert!

Wer reguliert die Phosphorylase? -Das Enzym, welches die Phosphorylase phosphoryliert ist die Phosphorylase-Kinase (aßgd)4, 1,2 Mda. -Die g-Untereinheit ist die Kinase, die anderen Einheiten sind regulatorische Einheiten. -Wird doppelt kontrolliert: Durch die Kinase PKA und durch Ca2+

Zusammenfassung der intrazellulären Regulation der Phosphorylase -Die Aktivierung in einer Kaskade führt zu einer Verstärkung der Effekte. -Die Beteiligung von mehreren Enyzmen bei der Aktivierung erlauben komplexe Regulationsmöglichkeiten

Hormone aktivieren den Glycogenabbau -mehrere Hormone beeinflussen den Glykogenstoffwechsel: In der Leber wird der Glycogenabbau primär durch das Peptidhormon Glucagon stimuliert. Im Muskel wird diese Reaktion primär durch das Stresshormon Adrenalin ausgelöst. -Diese Hormone werden im Nebennierenmark (Adrenalin) bzw. in den a-Zellen des Pankreas(Glucagon) gebildet und gelangen über die Blutbahn zu den Zielorganen.

Die Regulationskaskade zur Aktivierung der Phosphorylase Glucagon Glucagon- rezeptor G-Protein

Die heterotrimeren G-Proteine -wichtige Informationsvermittler bei Signaltransduktions-Prozessen. a-Einheit: Nucleotid-bindend, hat NTPase Aktivität ß und g Einheiten haben regulatorische Funktion a und g sind i.d.R. über kovalent gebundene Fettsäuren an die Membran gebunden. Die a-Einheiten übermitteln das Signal. Kann stimulatorisch (Gas) oder inhibitorisch (Gai) sein.

Die Regulationskaskade zur Aktivierung der Phosphorylase Das Hormonsignal induziert Strukturveränderungen am Rezeptor. Die Strukturänderung induziert den Austausch von GDP gegen GTP und die Dissoziation von den ßg-Untereinheiten G-Protein Heterotrimer -Die Überführung der a-Einheit des G-Proteins in seine GTP-gebundene Form ist das Signal für die Aktivierung der Adenylatzyklase

Der „second Messenger“ cAMP second Messenger: „trägt das Hormonsignal in die Zelle“

Die Ga-Untereinheit hat eine intrinsische GTPase- Aktivität und inaktiviert sich selbst inaktiv aktiv

Aktivierung von PKA durch cAMP -cAMP ist ein heterotropher allosterischer Aktivator -die inhibitorische Einheit blockiert die aktive Tasche des Enzyms

Zusammenfassung der Aktivierungskaskade -Die Hormone (Adrenalin und Glucagon) binden an Rezeptor auf Muskel und/oder Leberzelle. - Der Rezeptor aktiviert dei Gas Einheit des heterotrimeren G-Proteins (Dissoziation von Gßg und GTP Bindung). -Die Adenylatzyklase wird durch Gas aktiviert, was zur Bildung des second Messengers cAMP führt. -Der erhöhte cAMP-Spiegel aktiviert die PKA. -PKA phosphoryliert die Phosphorylase-Kinase, die zusammen mit Ca2+ die Phosphorylase aktiviert. -Diese Kaskade führt zu einer extremen Verstärkung der Wirkung von ein paar Hormonmolekülen. Wenn hier nicht gegenreguliert würde, könnte über diese Kaskade der gesamte Glycogenspeicher in Sekunden zur Verfügung gestellt werden. Die Aktivierungsvorgänge in der Leber werden noch durch eine weiter Kaskade ermöglicht, die das intrazellulären Calcium kontrolliert. (Phosphoinosititkaskade, die sparen wir uns heute).

Zusammenfassung der Aktivierungskaskade -Die Hormone (Adrenalin und Glucagon) binden an Rezeptor auf Muskel und/oder Leberzelle. - Der Rezeptor aktiviert dei Gas Einheit des heterotrimeren G-Proteins (Dissoziation von Gßg und GTP Bindung). -Die Adenylatzyklase wird durch Gas aktiviert, was zur Bildung des second Messengers cAMP führt. -Der erhöhte cAMP-Spiegel aktiviert die PKA. -PKA phosphoryliert die Phosphorylase-Kinase, die zusammen mit Ca2+ die Phosphorylase aktiviert. -Diese Kaskade führt zu einer extremen Verstärkung der Wirkung von ein paar Hormonmolekülen. Wenn hier nicht gegenreguliert würde, könnte über diese Kaskade der gesamte Glycogenspeicher in Sekunden zur Verfügung gestellt werden. Die Aktivierungsvorgänge in der Leber werden noch durch eine weiter Kaskade ermöglicht, die das intrazellulären Calcium kontrolliert. (Phosphoinosititkaskade, die sparen wir uns heute).

Das Abschalten der Aktivierungskaskade -Prozesse, die zur Inaktivierung der Kaskade führen sind: Umwandlung von Gas von GTP-Form in die GDP-Form Eine Phosphodiesterase hydrolysiert cAMP Die Proteinphosphatase 1 (PP1) dephosphoryliert sowohl die Phosphorylase-Kinase als auch die Phosphorylase a

Der Aufbau des Glycogenspeichers Wie üblich: Glycogen-Aufbau und -Abbau sind nicht über die gleichen Reaktionen gesteuert (allgemeines Prinzip, da es so eine größere Kontrollmöglichkeit für die Zelle gibt). UDP-Glucose ist die aktivierte Vorstufe der Glycogensynthese