Zur Erinnerung….

-Die Kohlenstoffgerüste der 20 proteinogenen Aminosäuren werden in nur 7 simple Stoffwechselprodukte überführt:Pyruvat, Acetyl-CoA, Acetacetyl-CoA, Succinyl-CoA, -Ketoglutarat,Fumarat und Oxalacetat.-As die zu Acetly-CoA und Acetacetyl-CoA abgebaut werden sindketogene AS (zur Herstellung von Ketokörpern und Fettsäuren geeignet).-As die zu Pyruvat, Succinyl-CoA, -Ketoglutarat, Fumarat oder OAAabgebaut werden, heiße glucogene AS (eine Nettosynthese von Glucoseist aus diesen Verbindungen möglich).-Glucose ist in Form von Glycogen in der Leber und im Skelettmuskelgespeichert. 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 -1,6 glycosidsche Bindungen spalten.-Die Phosphorylase stoppt 4 Glucosereste vor dem Verzweigungspunkt!

Die Umwandlung von Glucose 1-Phosphat in Glucose 6-Phosphat

-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 stelltdem Körper Glucose

zur Verfügung

Die Leber kann aus Glucose-6-PhosphatGlucose machen

-Eine der Hauptfunktionen der Leber: Die Aufrechterhaltung desBlut-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 transportiertwerden.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 fürdie Entfernung von einem P von Glucosenotwendig!!!

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 allosterischeRegulatoren, 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. Diesbegünstigt die R (active) Form. Die Dephosphorylierte Form b istpräferentiell in der T (inactiven) Form.

das Gleichgewichtliegt auf der Seiteder R-Form

das Geleichgewichtliegt auf der Seiteder T-Form

das katalyt. Zentrumwird teilw. blockiert

Die Regulation der Phosphorylase durch eine Kinase

Phosphorylase b Phosphorylase aPhosphorylase-

Kinase

ATP ADP

(vorw. inaktiv) (vorw. aktiv)

Dieses Enzym wird durch andereFaktoren streng kontrolliert

Allosterische Regulation von Muskelphosphorylase b

die Energieladung bestimmt, ob die Phosphyrylase baktiv ist: Nur bei hohen AMP-Mengen ist sie aktiv!

Die Situation im Muskel

A) normale physiologische Bedingungen-Phosphorylase b: Unter „normalen“ Verhältnissen inaktiv (ATPund 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 derwenig aktiven Phosphorylase-Kinase nahezu alle Phoporylasen in derb Form vorliegen. D.h. bei normaler Energieladung wird nur sehr wenigGlucose 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) führtzur Aktivierung der Phosphorylase a durch eine Verstärkerkaskade.

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

Phosphorylase a in der Leber reguliert denBlutzuckerspiegel

-die Phosphorylase in der Leber stellt bei bedarf Glucose aus demGlycogenspeicher 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 diePhosphorylase-Kinase (ß)4, 1,2 Mda.-Die -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 derEffekte.-Die Beteiligung von mehreren Enyzmen bei der Aktivierung erlaubenkomplexe Regulationsmöglichkeiten

Hormone aktivieren den Glycogenabbau

-mehrere Hormone beeinflussen den Glykogenstoffwechsel: In derLeber 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 -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.

-Einheit: Nucleotid-bindend, hat NTPase Aktivitätß und Einheiten haben regulatorische Funktion und sind i.d.R. über kovalent gebundene Fettsäuren an die Membran gebunden.

Die -Einheiten übermitteln dasSignal.Kann stimulatorisch (Gs)oder inhibitorisch (Gi)sein.

Die Regulationskaskade zur Aktivierung der Phosphorylase

Das Hormonsignal induziertStrukturveränderungen amRezeptor.

Die Strukturänderung induziertden Austausch von GDP gegenGTP und die Dissoziation von den ß-Untereinheiten G-Protein

Heterotrimer

-Die Überführung der -Einheit desG-Proteins in seine GTP-gebundene Formist das Signal für die Aktivierung derAdenylatzyklase

Der „second Messenger“ cAMP

second Messenger: „trägt das Hormonsignal in die Zelle“

Die G-Untereinheit hat eine intrinsische GTPase-Aktivität und inaktiviert sich selbst

aktiv inaktiv

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 aufMuskel und/oder Leberzelle.- Der Rezeptor aktiviert dei Gs Einheit des heterotrimeren G-Proteins(Dissoziation von Gß und GTP Bindung). -Die Adenylatzyklase wird durch Gs aktiviert, was zur Bildung dessecond 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 Sekundenzur Verfügung gestellt werden.Die Aktivierungsvorgänge in der Leber werden noch durch eineweiter Kaskade ermöglicht, die das intrazellulären Calcium kontrolliert.(Phosphoinosititkaskade, die sparen wir uns heute).

Zusammenfassung der Aktivierungskaskade-Die Hormone (Adrenalin und Glucagon) binden an Rezeptor aufMuskel und/oder Leberzelle.- Der Rezeptor aktiviert dei Gs Einheit des heterotrimeren G-Proteins(Dissoziation von Gß und GTP Bindung). -Die Adenylatzyklase wird durch Gs aktiviert, was zur Bildung dessecond 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 Sekundenzur Verfügung gestellt werden.Die Aktivierungsvorgänge in der Leber werden noch durch eineweiter 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 Gs von GTP-Form in die GDP-FormEine Phosphodiesterase hydrolysiert cAMPDie 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 diegleichen Reaktionen gesteuert (allgemeines Prinzip, da es so einegrößere Kontrollmöglichkeit für die Zelle gibt).

UDP-Glucose istdie aktivierte Vorstufe der Glycogensynthese