GLYKOLYYSI! Riikka Kivelä, LitT Tutkijatohtori Wihurin tutkimuslaitos ja Translationaalisen syöpäbiologian tutkimusohjelma Helsingin yliopisto

Transkriptio

1 GLYKLYYSI! Riikka Kivelä, LitT Tutkijatohtori Wihurin tutkimuslaitos ja Translationaalisen syöpäbiologian tutkimusohjelma Helsingin yliopisto

2 LUENNN RAKENNE! Anaerobinen (hapeton) vs. Aerobinen (hapellinen) energiantuotto" " Glykolyysin reaktiot" Glykolyysin lopputuotteet" Glykolyysi / anaerobinen energiantuotto eri tilanteissa (mm. syöpäsoluissa ja liikunnassa)"

3 ATP:n ANAERBINEN JA AERBINEN UUDELLEENMUDSTUS

4 ENERGIA HIILIHYDRAATEISTA Hiilihydraa)en (HH) ensisijainen tehtävä on tuo6aa energiaa solujen työhön HH on ainoa energialähde, josta voidaan tuo6aa energiaa anaerobises; (muodostuu laktaa)a) HH on nopea tapa tuo6aa energiaa aerobises; verra6una rasvaan

5 Glykolyyttinen metaboliareitti!!!! Glukoosi metaboloituu pyruvaatiksi!!!!

6 Glykolyysi: kymmenen entsyymikatalysoidun reaktion sarja, jossa yksi glukoosimolekyyli hapetetaan kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi!!!! C 6 H 12 6 Glucose glycolysis 2CH 3 CC - Pyruvate + 2H + reaktiosarjan aikana 2 ADP:tä konvertoidaan 2 ATP:ksi! C 6 H ADP + 2P i 2CH 3 CC - + 2ATP Glucose Pyruvate

7 Viisi ensimmäistä! reaktiota!

8 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 1: α-d-glukoosin fosforylaatio! glykolyysin valmisteva vaihe! H H CH 2 H H α-d-glucose H + - -P--P--AMP - - ATP hexokinase Mg 2+ H H CH 2 P 3 2- H H α-d-glucose-6-phosphate + - -P--AMP - ADP

9 Glykolyysi reaktio 1! " Reaktiota katalysoi heksokinaasi, maksassa glukokinaasi" Substraatin sitoutuessa heksokinaasiin tapahtuu konformaatiomuutos" " "" " "" Heksokinaasi-glukoosi kompleksi" "

10 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 2: glukoosi-6-fosfaatin isomerisaatio fruktoosi-6-fosfaatiksi" 6 2- CH 2 P 3 H H 2 1 H H α-d-glucose-6-pho sphate pho sphoglucoisomerase 6 2- CH 2 P 3 1 CH 2 H H H 2 H H H H α-d-fr uctose-6-phosphate Reaktiota katalysoi fosfoglukoisomeraasi"

11 Glykolyysi reaktio 3! Reaktio 3: fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatio" 6 Reaktiota katalysoi fosfofruktokinaasi" 2- CH 2 P 3 1 CH 2 H phosphofructokinase H H + ATP H H Mg 2+ H H 6 2- α-d-fr uctose-6-phosphate CH 2 P CH 2 P 3 H H + ADP H H H H α-d-fr uctose-1,6-bisphosphate Glykolyysin tärkein kontrollivaihe!"

12 Glykolyysi reaktio 3! Fosfofruktokinaasi: glukoosimetabolian pääsäätelijä" rakenteeltaan tetrameeri" tetrameeri koostuu L ja M alayksiköistä" mahdollisia variaatioita eli isotsyymejä M 4, M 3 L, M 2 L 2, ML 3 ja L 4 " lihaksissa paljon M 4 -muotoa; maksassa paljon L 4 :ää" ATP on allosteerinen säätelijä; suuri konsentraatio inhiboi entsyymiä, alhainen pitoisuus aktivoi" fruktoosi-1,6-bisfosfaatti on myös allosteerinen säätelijä"

13

14 Glykolyysi reaktio 3! Phosfofruktokinaasi on allosteerinen entsyymi" - ATP inhiboi" (spesifinen efektorimolekyyli sitoutuu proteiinin allosteeriseen kohtaan eli" kohtaan, joka tarkoittaa jotain muuta kohtaa kuin proteiinin aktiivinen kohta)" " "

15 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 4: fruktoosi-1,6-bisfosfaatin halkeaminen kahdeksi trioosifosfaatiksi! H H H CH 2 P 3 2- C= H H H CH 2 P 3 2- aldolase Fr uctose-1,6-bisphosphate H 2- CH 2 P 3 C= CH 2 H CH C H 2- CH 2 P 3 Dihydroxyacetone pho sphate D-Glyceraldehyde 3-pho sphate Reaktiota katalysoi aldolaasi"

16 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 5: trioosifosfaatin isomerisaatio! reaktiota katalysoi trioosifosfaatti-isomeraasi! tämän reaktion jälkeen glukoosista on muodostunut kaksi glyseraldehydi-3-fosfaattia! CH 2 H C= CH 2 P 3 2- Dihydroxyacetone pho sphate CHH C-H CH 2 P 3 2- An enediol intermediate H CH C H CH 2 P 3 2- D-Glyceraldehyde 3-pho sphate

17 Viisi viimeistä! reaktiota!

18 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 6: D-glyseraldehydi-3-fosfaatin CHryhmän hapettuminen! -CH (aldehydi) hapettuu karboksyyliryhmäksi! hapettava agenssi, NAD +, pelkistyy NADH:ksi! A two-electron oxidation G-C-H + H 2 G-C-H + + 2H + 2e - A two-electron reduction + + N AD + H + 2e - N AD H G-C-H + H 2 + N AD + G-C-H + H +

19 Glykolyysi reaktio 6! Reaktiota katalysoi glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi" Reaktio voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen! kokonaisreaktio käsittää energiaa tuottavan (exergonisen) hapettumisen ja energiaa käyttävän (endergonisen) fosforylaation! Reaktio on hivenen endergoninen! oxidation: C-H to C- - ΔG o' = kj mol -1 phosphorylation: C- - C-H to C--P- - - to C--P- - - ΔG o' = kj mol -1 ΔG o' = +6.2 kj mol -1

20 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 7: fosfaattiryhmän siirto 1,3- bisfosfoglyseraatilta ADP:lle! 2- C-P P--AM P ĀDP H H C H 2- CH 2 P 3 1,3-Bisphosphoglycerate phosphoglycerate kinase C - C H Mg 2+ CH 2 P P--P--AM P Pho sphogly cerate ATP Reaktiota katalysoi fosfoglyseraattikinaasi"

21 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 8: 3-fosfoglyseraatin isomerisaatio 2- fosfoglyseraatiksi! H C - C H CH 2 P Pho sphogly cerate phosphoglycerate mutase H C C - P 3 2- CH 2 H 2-Pho sphogly cerate Reaktiota katalysoi fosfoglyseromutaasi"

22 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 9: 2-fosfoglyseraatin dehydraatio! C - C - enolase 2-2- H C P 3 C P Mg H 2 CH 2 H CH 2 2-Phosphogly cer ate Pho sphoenolpyruvate Reaktiota katalysoi enolaasi"

23 Glykolyysin reaktiot! Reaktio 10: fosfaatin siirto ADP:lle! C - C P 3 2- CH 2 Pho sphoenolpyruvate + - -P--AM P - ADP C - C-H + CH 2 Enol of pyruvate pyruvate kinase Mg P--P--AM P - - ATP Reaktiota katalysoi pyruvaattikinaasi"

24 Glykolyysin nettoreaktio! C 6 H N AD + + 2HP ADP Glucose 2CH 3 CC - Pyruvate glyco lysis + 2NADH + 2ATP + 2H 2 + 2H +

25 HEXKINAASI! FSFFRUKT! KINAASI! PYRUVAATTIKINAASI!

26 Glykolyysin energetiikka! Glykolyysin 10 reaktion vapaan energian muutos, ΔG, on vaihdellen negatiivinen ja positiivinen, mutta lopputuloksena on suuri vapaan energian aleneminen" Erityisen suuri aleneminen tapahtuu kolmessa reaktiossa; näiden reaktioiden entsyymit ovat allosteerisesti säädeltyjä" heksokinaasi" fosfofruktokinaasi" pyruvaattikinaasi" Glukoosi pyruvaatiksi: vapaan energian nettomuutos -73 kj mol -1!

27 Glykolyysi tiivistettynä! movie-flash.htm"

28 Pyruvaatti metaboloidaan edelleen pääasiassa kolmella eri tavalla riippuen organismista ja hapen läsnäolosta " Jos happea ei ole läsnä, glykolyysi tarvitsee jatkuvan NAD + -lähteen " " Glykolyysin lopputuote - PYRUVAATTI! aerobic conditions plants and animals 3C 2 + 2H 2 CH 3 CC - Pyruvate anaerobic conditions contracting muscle anaerobic conditions fermentation in yeast H CH 3 CHC - Lactate CH 3 CH 2 H + C 2 Ethanol

29 Laktaatin muodostuminen! Selkärankaisilla anaerobisissa olosuhteissa tärkein väylä NAD + :n regeneraatioon on pyruvaatin pelkistyminen laktaatiksi" " " " " " CH 3 CC - + NADH + H + Pyruvate lactate dehydrogenase CH 3 CHC - + NAD + laktaattidehydrogenaasi (LDH) on tetrameerinen isoentsyymi, joka voi koostua H- ja M-alayksiköistä; H 4 on valtamuoto sydämessä ja M 4 raajalihaksissa" H Lactate

30 Glukoosi laktaatiksi! Laktaatin muodostuminen sallii glykolyysin jatkumisen, seurauksena laktaatin ja H + -ionien konsentraatio kasvaa lihaskudoksessa ja veressä" Johtaa lopulta lihasten uupumukseen" makohtaisia kokemuksia?" " C 6 H 12 6 lactate fermentation H 2CH 3 CHC - + 2H + Glucose Lactate

31 Glukoosi laktaatiksi! Laktaatin muodostumiseen liittyy huomattava vapaan energian lasku" Glucose + 2ADP + 2P i + 2NAD + 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH ΔG ' (kj mol- 1 ) Pyruvate + 2NADH + 2H + 2Lactate + 2NAD Glucose + 2ADP + 2P i 2Lactate + 2ATP

32 Pyruvaatti etanoliksi! Hiivat ja useat muut organismit regeneroivat NAD + :n seuraavalla kaksivaiheisella reaktiolla" pyruvaatin dekarboksylaatio asetaldehydiksi" " " " CH 3 CC - + H + Pyruvate asetaldehydin pelkistyminen etanoliksi" CH 3 CH + NAD H + H + Acetaldehyde pyruvate decar boxylase CH 3 CH + C 2 Acetaldehyde alcohol dehydrogenase Fermentaatio!! CH 3 CH 2 H + NAD + Ethanol

33 Pyruvaatti asetyyli-coa:ksi! hapellisissa olosuhteissa pyruvaatille tapahtuu oksidatiivinen dekarboksylaatio" karboksyyliryhmä konvertoidaan C 2 :ksi" jäljelle jäävät kaksi hiiltä konvertoidaan asetyyli-coa:n asetyyliryhmäksi" CH 3 CC - + NAD + + CoASH oxidative decar boxylation Pyruvate CH 3 CSCoA + C 2 + NADH Acetyl-CoA

34 Energiantuotto liikunnan aikana!

35 LAKTAATIN MUDSTUS LIHAKSESSA Heart! Brain!

36 Syntyvä maitohappo (C 3 H 6 3 ) esiintyy aina elimistön nesteissä laktaatti-ioniksi (C 3 H 5 3- ) ja vetyioniksi (H + ) jakaantuneena!

37 Laktaatin kertyminen vereen lisääntyy merkittävästi, kun muut" kudokset eivät enää pysty käyttämään laktaattia energiaksi yhtä nopeasti kuin lihakset sitä tuottavat"

38 Monien syöpäsolujen aineenvaihdunta muuttuu! The Warburg Effect!

39 Syöpäsolujen muuttunutta aineenvaihduntaa voidaan! hyödyntää syöpädiagnostiikassa PET-kuvantamisen avulla! Syöpäsolujen glukoosinotto soluihin on moninkertaista verrattuna terveisiin " kudoksiin (primäärituumori + metastaasit)" PET-kuvauksissa käytetään glukoosianalogia (FDG), joka on leimattu radioaktiivisella leimalla (18F)"

40 Glykolyysi säätelee verisuonten kasvua! eli angiogeneesia! DeBock et al. Cell 2013, Jang&Arany Nature 2013"

41 Glykolyysin säätelyn terapeuttiset mahdollisuudet! Syöpäkudosten metabolian muuttaminen syöpäsolujen nälkiinnyttäminen" Eri syöpäsolut käyttävät eri mekanismeja" Verisuonten kasvun edistäminen iskeemisissä sydän- ja verenkiertoelimistön sairauksissa" Syöpäkudosten verisuonten tuhoaminen endoteelisolujen metaboliaa muuttamalla" Suositeltavaa lukemista: Zhao et al. Targeting cellular metabolism to improve cancer therapeutics, Cell Death & Disease 2013!

42 Zhao et al. 2013"