GLYKOGEENIMETABOLIA JA GLYKOGEENIN KERTYMÄTAUDIT. Tiina Immonen BLL Biokemia ja kehitysbiologia

Transkriptio

1 GLYKOGEENIMETABOLIA JA GLYKOGEENIN KERTYMÄTAUDIT Tiina Immonen BLL Biokemia ja kehitysbiologia

2 Glykogeenimetabolia Glykogeeni energialähteenä Glykogeenin synteesi Glykogeenin hajotus Glykogeenimetabolian säätely Glykogeenin kertymätaudit

3 Glykogeeni on nopean energian varasto Hajotus tuottaa glukoosia ja energiaa sekä aerobisissa että anaerobisissa olosuhteissa Energiantuotto nopeampaa kuin rasvoja poltettaessa Rasvojen poltto vaatii energiaa ja happea Rasvoista ei saada sokeria

4 Glykogeenia on maksassa ja lihaksissa Maksassa 10 paino-%, lihaksissa 1-2 paino-% 2/3 elimistön glykogeenivarannosta on lihaksissa Maksan glykogeenivarasto riittää h Lihasten glykogeeni tuottaa energiaa lihastyöhön; kovassa rasituksessa varastot riittävät tunniksi

5 Maksan glykogeeni puskuroi elimistön energiantarvetta Glykogeenijyväsiä rotan maksassa ruokittu 24 h paasto

6 Elimistön energiavarat

7 Energialähteet säätelevät maksimaalista suoritusta Anaerobinen Glykolyysi + kreatiinifosfaatti Glykolyysi + rasvahapot

8 Glykogeeni varastoituu soluliman jyväsiin Yhdessä jyväsessä on β- partikkelia Jokaisessa noin glukoosiyksikköä

9 Glykogeeni on glukoosiyksiköistä koostuva homopolymeeri Glukoosiyksiköt liittyvät toisiinsa α-1,4-sidoksin muodostaen ketjuja. Ketjut haarautuvat α-1,6-sidoksien välityksellä.

10 Glykogeenin synteesi l. glykogeneesi

11 Glukoosin aktivaatio glykogeneesiin Pyrofosforylaasi katalysoi UDP-glukoosin synteesiä. UDPglukoosiin varastoitunutta metabolista energiaa käytetään glykogeenin synteesissä. 2 P i aktivoitu glukoosi

12 Glykogeenin synteesi vaatii alukkeen: glykogeniini UDP-glc

13 Glykogeniini on entsyymi 1. glukoosiyksikön liittäminen glykogeniiniin Seuraavien glukoosiyksiköiden liittäminen, kunnes glykogeenisyntaasi pystyy jatkamaan

14 Glykogeenisyntaasi tekee α-1,4 sidoksia n > 4 UDP UTP + Glukoosi-1P + glykogeeni (n+1) UDP + 2P i + glykogeeni (n+1)

15 Haarojaentsyymi Haarat lisäävät glykogeenin liukoisuutta Haarat lisäävät terminaalisten glukoositähteiden määrää nopeuttaen glykogeenin synteesiä ja hajotusta

16 Haarojaentsyymin puutos GSD IV eli Andersenin tauti (GSD = glycogen storage disease) α-1,6 sidoksia tekevän haarojaentsyymin puutos. Tuloksena on tärkkelyksen amylopektiiniä muistuttava, niukasti haaroittunut rakenne. Johtaa yleensä maksan laajentumiseen ja maksakirroosiin. Ilmiasussa on kuitenkin suurta vaihtelua.

17 Glykogeenin pilkkominen l. glykogenolyysi

18 Suorien ketjujen pilkkominen: fosforolyysi Glykogenolyysin ensimmäisessä vaiheessa glukoosiketjun vapaasta päästä irroitetaan glukoosiyksiköitä yksi kerrallaan ortofosfaatin (P i ) avulla. Reaktiota katalysoi glykogeenifosforylaasi.

19 Fosfoglukomutaasi: fosfaattiryhmän siirto Fosfaattiryhmä siirretään 1-asemasta 6- asemaan Energiaa ei kulu

20 Haarakohtien (α-1,6-sidokset) purkaminen Glykogeenifosforylaasi pysähtyy 4 glukoositähdettä ennen haarautumiskohtaa. Glykogeenin glukoositähteistä n. 1/10 on kiinni α-1,6- sidoksella. 4 4 Haarojenpoistajaentsyymi siirtää 3 glukoositähdettä pois tieltä ja katkaisee α-1,6- sidoksen hydrolyyttisesti.

21 Lihaksissa tarvitaan energiantuottoon Glc-6P Haarojen poistossa syntyy vapaata glukoosia, joka lihaksissa fosforyloidaan ATP:n avulla -> glykolyysi (α-1,4 sidosten purkaminen glc-1p glc-6p)

22 Maksassa glc-6p hydrolysoidaan glukoosiksi ja vapautetaan verenkiertoon Endoplasmakalvosto

23 Miten glukoosilla voi olla eri kohtalo maksa- ja lihassolussa? Lihaksen heksokinaasi on aktiivinen jo hyvin alhaisilla glc-pitoisuuksilla -> kaikki glc fosforyloidaan Maksan heksokinaasi aktivoituu vasta korkeilla glcpitoisuuksilla-> glc ehtii vapautua solusta Lihaksissa Maksassa

24 Corin sykli Nopea anaerobinen energiantuotto lihaksissa maitohappoa Kuljetetaan maksaan ja toipumisvaiheessa siitä syntetisoidaan glukoosia lihasten glykogeenivarastojen täydennys!

25 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1947 Gerty Theresa Cori, née Radnitz Carl Ferdinand Cori "for their discovery of the course of the catalytic conversion of glycogen"

26 Varastoinnin hyötysuhde UDPglucose UTP glycogen

27 Glykogeenin hajotuksen ja synteesin säätely

28 Glykogenolyysi Maksassa glykogeenin pilkkomista (kuten synteesiäkin) säädellään veren sokeripitoisuuden säilyttämiseksi sopivalla tasolla. Lihaksissa glykogeenin pilkkomista sen sijaan ohjaa niiden oma energiatarve. HAJOTUS

29 Glykogeenifosforylaasi Glykogeeni n glukoosi 1P + glykogeeni n-1 monta isotsyymiä Lihaksessa M (myofosforylaasi) Maksassa L Aivoissa ja sydämessä B ja M Koentsyyminä pyridoxaalifosfaatti PLP (B 6 -vitamiinin johdannainen) HAJOTUS

30 Glykogeenifosforylaasi on keskeinen säätelykohta fosforylaatio R inaktiivinen aktiivinen

31 Fosforylaasin aktiivisuuden säätelijät Solunsisäiset allosteeriset efektorit glukoosi, glc-6-p, ATP/AMP välittävät tietoa solun energiataseesta Hormonit (epinefriini, glukagoni, insuliini) välittävät tietoa elimistön energiatilasta ja säätelevät fosforylaasin aktiivisuutta kovalenttisen modifikaation (fosforylaation) avulla HAJOTUS

32 Lihaksissa solun energiatase säätelee fosforylaasi b:n aktiivisuutta Lepotilassa melkein kaikki fosforylaasi on inaktiivisessa b- muodossa. Rasituksessa muodostuu aktiivista fosforylaasi HAJOTUS A:ta.

33 Hormonit ja hermoimpulssit aktivoivat fosforylaasikinaasia Fosforylaasikinaasi

34 Adrenaliini aktivoi PKA:n ja glykogeenin hajotuksen (PKA) Glykogeenifosforylaasi aktivoituu glykogenolyysi Glykogeenisyntaasi inaktivoituu

35 Maksassa glukoosi estää hajotuksen ja käynnistää synteesin PP1 = proteiinifosfataasi 1 [ PP1] << [fosforylaasi a] syntaasi aktivoituu vasta kun lähes kaikki fosforylaasi on inaktivoitu

36 Insuliini stimuloi glykogeneesiä proteiinifosfataasin välityksellä

37

38 Hajotus ja synteesi eivät tapahdu samaan aikaan

39 Hepatosyytin hiilihydraattiaineenvaihdunta: Kun verensokeri on korkea

40 Hepatosyytin hiilihydraattiaineenvaihdunta: Kun verensokeri on matala

41

42 Glykogeenin kertymätaudit Johtuvat useimmiten joko glykogeenin synteesiin tai hajotukseen liittyvien entsyymien virheistä Voivat aiheutua myös glukoosin tai glukoosi-6-fosfaatin kuljetusproteiinien virheistä GSD = glycogen storage disease

43 Glykogeeniaineenvaihdunnan häiriöitä lihaksessa LYSOSO ME DiMauro S, Spiegel R. Progress and problems in muscle glycogenoses. Acta Myol Oct;30(2): II, acid α-glucosidase (AAG) III, debrancher IV, brancher V, myophosphorylase VI, liver phosphorylase VII, muscle phosphofructokinase (PFK) VIII, phosphorylase b kinase (PHK) IX, phosphoglycerate kinase (PGK) X, phosphoglycerate mutase (PGAM) XI, lactate dehydrogenase (LDH) XII, aldolase XIII, β-enolase IV, triosephosphate isomerase (TPI)

44 Haarojenpoistajaentsyymin häiriöitä a: sekä maksan että lihasten isotsyymit viallisia b: vain maksaentsyymi viallinen GSD IIIa,b,d GSD IIIa,b,c c: viallinen glukosidaasiaktiivisuus d: viallinen transferaasiaktiivisuus

45 Fosforylaasin puute lihaksissa GSD V (McArdle n tauti) Myofosforylaasin puute johtaa lihasrasituksen huonoon sietoon (tuskallisia kramppeja) ja B6-vitamiinin (PLP) puutokseen lihaksissa

46 Oireet esiintyvät lyhytkestoisessa, intensiivisessä rasituksessa (taakkojen nosto) tai jatkuvassa rasituksessa (ylämäkeen kävely) kevyt rasitus (tasaisella kävely) parempi Voimien palaaminen (rasituksen sieto paranee) lyhyen levon jälkeen: glukoosia ja vapaita rasvahappoja verestä

47 GSD I (Von Gierken tauti) Kuvattu 1929, taustalla oleva entsyymipuutos identifioitu 1952 (Cori & Cori) Glykogeeni rakenteeltaan normaalia, mutta kertyy maksaan ja munuaisiin Ensioireet suurentunut maksa (munuaiset), verensokerin alhaisuus aterioiden välillä

48 Kertymisen syy: Glc-6P:stä ei saada glukoosia GSD Ib GSD Ia (T3) GSD Ic (T2)

49 GSD II: glykogeenin kertyminen lysosomeihin Lapsuusiässä puhkeava muoto (Pompen tauti) johtaa yleensä varhaiseen kuolemaan (< 2v.) Aikuisiällä puhkeava muoto lievempi Esiintyvyys n. 1/ Ensioireita lihasheikkous, laajentunut sydän Kishnani & Howell, (2004) J. Pediatrics 144, S35

50 Glykogeenin hajotus lysosomeissa estynyt Molecular Genetics and Metabolism 92 (2007) Lysosomaalisen α-1,4-glukosidaasin l. happaman α- glukosidaasin (GAA) puute Glykogeeni kertyy kaikkiin elimiin; normaali rakenne

51 Development of gene therapy for Pompe disease. Byrne B J et al. Hum. Mol. Genet. 2011;20:R61-R68 The Author Published by Oxford University Press. All rights reserved. For Permissions, please journals.permissions@oup.com