13. Ukládání energie v lidském těle – metabolismus glykogenu a tvorba mastných kyselin a triacylglycerolů

Náplň podkapitoly:

1. Úvod do ukládání energie v lidském těle
2. Metabolismus glykogenu
3. Tvorba mastných kyselin a triacylglycerolů

_

Úvod do ukládání energie v lidském těle

Energie v lidském těle se převážně ukládá ve dvou zásobních látkách – TAG (triacylglycerolech) a glykogenu. TAG jsou pro skladování výhodnější – 1 g bezvodého TAG má 6x více energie než 1 g hydratovaného glykogenu. Kompletní oxidací 1 g TAG se získá přibližně 38 kJ (9 kcal), z 1 g sacharidů či proteinů jen 17 kJ (4,1 kcal).

U žádného proteinu se nedá říci, že by byl zásobní, protože degradaci každého proteinu tělo pocítí. Za „zásobní” proteiny můžeme považovat například svalové proteiny či některé proteiny krevní plazmy (např. albumin) – ty se během hladovění odbourávají nejdříve.

Celkově tedy muž o průměrné váze 70 kg vstupuje do hladovění s:

1) 400 000 kJ v TAG (souhrnně asi 10,5 kg, tvoří kolem 15 % hmotnosti těla)

2) 100 000 kJ v proteinech (svaly)

3) 2 500 kJ v jaterním glykogenu. Svalový glykogen přidává více než dvojnásobek dohromady s jaterním to činí asi 8 000 kJ uložených v glykogenu

4) 170 kJ v glukóze

Pokud počítáme, že denně spotřebuje naše tělo přibližně 2 000 kcal, vystačily by zásoby jaterního glykogenu a glukózy maximálně na jeden den. TAG ale dovedou tyto nároky krýt po dobu týdnů.

_

Metabolismus glykogenu

Glykogen je rozvětvený homopolymer molekul glukózy. Většina glukózových zbytků je vázána pomocí α 1→4 vazeb. Každý 12. glukózový zbytek je připojen k dalšímu zbytku  pomocí α 1→6 vazby – vzniká místo rozvětvení molekuly glykogenu. Tyto větve jsou prodlouženy dalšími glukózovými zbytky spojenými α 1→4 vazbami. Vytvářejí se tak nerozpustné molekuly glykogenu připomínající svou strukturou větve stromu. Veškeré reakce při metabolismu glykogenu probíhají pouze na neredukujících koncích jeho molekuly – ty mohou být zkracovány či prodlužovány.

Glykogen slouží u živočichů jako zásobárna sacharidů, ze které se mohou štěpením uvolňovat estery glukózy. Bohatě hydratovaná glykogenová granula se nacházejí v cytoplazmě všech buněk. V histochemii se jeho přítomnost dokazuje tzv. PAS-reakcí (oxidace sousedních dvou hydroxylových skupin kyselinou jodistou a následná reakce takto vzniklých aldehydových skupin se Schiffovým činidlem).

Lidské tělo může skladovat přibližně 450 g glykogenu. Z tohoto množství se 80-100 g nalézá v játrech (tzv. jaterní glykogen), asi 300 g ve svalových buňkách (tzv. svalový glykogen) a zbytek připadá na ostatní buňky lidského těla. Jak již bylo uvedeno výše, glykogen není hlavní energetickou zásobou organismu (jaterní glykogen se vyčerpá během 12-24 hodin hladovění). Jde totiž o polární, bohatě hydratovanou molekulu a vázaná voda jen „zabírá místo” a nepřináší energetický zisk. Zásoba energie v tukové tkáni je mnohem úspornější – není totiž hydratovaná (TAG mají hydrofobní charakter) a současně jsou mastné kyseliny tvořeny redukovanějším uhlíkatým skeletem -CH2 proti sacharidům -CH(OH)-. Jejich oxidací se uvolní větší množství energie. Glykogen nicméně představuje zásobárnu glukózy, což je důležité například pro buňky na glukóze závislé (př. mozek, erytrocyty). Jaterní glykogen se dá využít k udržování stálé hladiny glukózy v krvi (glykémie). Svalový glykogen zase slouží jako interní svalová energetická zásoba při konání svalové práce. Svalové buňky neobsahují glukóza-6-fosfatázu, a proto svaly nemohou uvolňovat čistou glukózu do krevního oběhu.

Glykogeneze (syntéza glykogenu)

Proces syntézy glykogenu probíhá v cytozolu (intenzivní hlavně v játrech a kosterní svalovině). Syntéza glykogenu vychází z molekul glukózy a vyžaduje navíc tzv. primer – tj. molekulu, která obsahuje řetězec několika glukóz spojených glykosidovými vazbami (nejčastěji jím je zbytek glykogenu přítomný v buňce, případně protein glykogenin).

Prvním krokem je fosforylace glukózy na Glc-6-P – v játrech katalyzuje tuto reakci glukokináza, ve svalech hexokináza. Následuje přeměna Glc-6-P na Glc-1-P katalyzovaná glukózafosfátisomerázou. Glc-1-P dále reaguje s UTP za katalýzy UDP-glukózapyrofosforylázou, čímž vzniká UDP-Glc, neboli aktivovaná forma glukózy (UDP se váže na C1). Tvorba glykosidových vazeb mezi molekulami glukózy je endergonický proces, a proto se vyžadují energeticky bohaté substráty. Přenos glukózových zbytků z UDP-Glc je přímý (ΔG < 0). UDP-Glc se svým C1 připojuje na C4 neredukujícího konce glykogenu za katalýzy enzymem glykogensyntázou, souběžně se uvolní UDP. Vzniká tedy α 1→4 vazba O-glykosidová vazba. Jakmile dosáhne rostoucí řetězec určité délky (> 11 glukózových zbytků), dojde k větvení molekuly. Z řetězce se pomocí tzv. větvícího enzymu (branching enzyme, amylo-(1,4-1,6)-transglykosyláza) odstraní oligosacharidový štěp složený ze 6-7 glukózových zbytků, který se následně připojí na -OH skupinu umístěnou na C6 molekuly glukózy lokalizované uvnitř řetězce glykogenu – vzniká α 1→6 vazba. Tyto větve mohou být nově prodlužovány pomocí akce glykogensyntázy (viz výše).

Regulace syntézy glykogenu

Syntéza glykogenu probíhá v době, kdy má organismus dostatečný přísun energetických substrátů z potravy, tj. může tvořit energetické zásoby na horší časy. Hlavním regulačním enzymem je glykogensyntáza. Její aktivita se reguluje pomocí fosforylacepokud je enzym fosforylován, inaktivuje se, defosforylace naopak vede k aktivaci enzymu. Fosforylaci ovlivňuje poměr inzulin / glukagon (např. skrze intracelulární koncentraci cAMP). Zvýšení poměru aktivuje syntézu glykogenu (inzulin je anabolický hormon). Snížení poměru či katecholaminy ji naopak inhibují.

Glykogenolýza (degradace glykogenu)

Glykogen není nikdy úplně degradován, jeho degradace probíhá v cytosolu buněk. Děje se tak postupně formou tzv. fosforolytického štěpení (fosforolýza, navázání anorganického fosfátu), kdy se pomocí enzymu glykogenfosforylázy (zkráceně fosforyláza) z neredukujících konců uvolňují jednotlivé monomerní jednotky glukózy ve formě Glc-1-P. Ta se nazývá Coriho ester. Při štěpení molekuly glykogenu tedy rovnou vzniká fosforylovaná glukóza, a to bez spotřeby ATP:

N zbytků glukózy + HPO42- → Glc-1-P + (N-1) zbytků glukózy

Glykogenfosforyláza dovede štěpit pouze α 1→4 glykosidové vazby. Bohatě rozvětvená molekula glykogenu má mnoho neredukujících konců, a proto se glykogen odbourává rychle. Na tomto místě je užitečné zmínit, že štěpení polysacharidů v trávicím traktu probíhá zcela odlišně. Polysacharidy jsou zde nejdříve štěpeny uvnitř svých řetězců za vzniku kratších poly- a oligosacharidů. Následně se uvolňuje volná (nikoli fosforylovaná) glukóza. Bližší informace viz: Kapitola 9.

Glc-1-P se přeměňuje na Glc-6-P činností glukózafosfátisomerázy. Odbourávání glykogenu se zastaví u 4. glukózového zbytku před místem větvení, kde se vyskytuje α 1→6 vazba. Zde nastupuje tzv. odvětvovací enzym (glukanotransferáza, transglykosidáza), který oddělí od postranního řetězce štěp tvořený třemi glukózovými zbytky a přenese jej na konec lineárního (hlavního) řetězce. Tam ho napojí pomocí α 1→4 vazby. V místě původního větvení zbývá již jen jeden zbytek vázaný α 1→6 vazbou, jenž je odštěpen pomocí enzymu amylo-α1→6-glukosidázy. Výsledně se vytváří nerozvětvený řetězec s možností dalšího štěpení prostřednictvím glykogenfosforylázy.

Glc-6-P se přeměňuje na glukózu pomocí glukóza-6-fosfatázy (katalyzuje odštěpení fosfátu). Tento enzym se vyskytuje v jaterních a ledvinných buňkách a v enterocytech, kde se váže na membrány hladkého endoplazmatického retikula. Glc-6-P je do ER transportována pomocí enzymu translokázy. Toto oddělení do ER slouží k tomu, aby vznikající glukóza nebyla ihned zpětně fosforylována na Glc-6-P. Volná glukóza je následně vypuštěna do krve, kde může sloužit jako zdroj energie.

Regulace glykogenolýzy

Klesne-li koncentrace glukózy v krvi, dochází ke snížení poměru inzulin / glukagon v plazmě. Jaterní glykogen je za těchto podmínek odbouráván. Sníží-li se při hladovění nebo za stresových podmínek organismu obsah glykogenu v játrech, je glukóza syntetizována de novo reakcemi glukoneogeneze z necukerných zdrojů. Hlavním regulačním enzymem glykogenolýzy je glykogenfosforyláza, patřící mezi ty enzymy, jejichž aktivitu reguluje kovalentní modifikace molekuly. Přitom platí, že fosforyláza je aktivní fosforylovaná. Aktivovaná fosforyláza se označuje jako fosforyláza a, neaktivní fosforylázu (nemá navázanou fosfátovou skupinu) nazýváme fosforyláza b. Fosforylaci glykogenfosforylázy katalyzuje enzym fosforylázakináza, defosforylaci oproti tomu katalyzují proteinfosfatázy. Glykogenolýzu aktivují kontraregulační hormony glukagon, katecholaminy a glukokortikoidy (např. kortizol), inzulin ji oproti tomu inhibuje.

Ve svalových buňkách se regulace glykogenolýzy spojuje i se změnou koncentrace Ca2+ iontů. Zvýšení jejich intracelulární koncentrace vyústí v aktivaci fosforylázykinázy a glykogenfosforylázy – aktivace glykogenolýzy. Prostředníky jejich účinku jsou jednak vazebná bílkovina kalmodulin, jednak kalmodulin-dependentní proteinkinázy.

Klinická korelace:

Vrozené poruchy metabolismu glykogenu se nazývají glykogenózy. Dochází při nich ke hromadění glykogenu v buňkách (hlavně v jaterních a svalových), což může vyústit v pestré spektrum příznaků – např. zvětšení jater, hypoglykémie či zaostávání ve vývoji. Jejich incidence činí přibližně 1:10 000. Nejznámějším typem je typ I – tzv. von Gierkeho choroba, kdy je defektní glukóza-6-fosfatáza.

Shrnutí regulací metabolismu glykogenu

Z výše uvedeného jasně vyplývá, že regulace obou procesů, syntézy i degradace glykogenu, je protichůdná. Jednotlivé efekty shrnuje následující tabulka:

Regulační enzym

Aktivace

Inhibice

Glykogenfosforyláza (glykogenolýza) Glukagon, adrenalin (fosforylace) Snížení poměru ATP / AMP Ca2+ (ve svalu) Zvýšení poměru ATP / AMP Inzulin
Glykogensyntáza (syntéza glykogenu) Inzulin (indukce) Glukagon, adrenalin (fosforylace)

_

Tvorba mastných kyselin a triacylglycerolů

Tvorbu mastných kyselin a triacylglycerolů vnímáme jako energeticky vysoce náročný proces lokalizovaný převážně v buňkách jater, tukové tkáně, CNS či laktující mléčné žlázy. Probíhá především v postprandiálním období.

Proces tvorby mastných kyselin je v mnoha ohledech obrácenou β-oxidací – oxidace je vystřídána redukcí, hydratace dehydratací. Oba procesy se ale v mnoha významných ohledech odlišují a toto si ukážeme dříve, než si popíšeme jednotlivé reakce.

Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin

1) Syntéza MK probíhá v cytoplazmě, odbourávání v matrix mitochondrie

2) Meziprodukty syntézy MK jsou vázány na tzv. acyl carrier protein (ACP, protein přenášející acyly), meziprodukty degradace na molekulu koenzymu A

3) Enzymy syntézy MK jsou spojeny do polypeptidového řetězce zvaného syntáza MK (multienzymový komplex), enzymy degradace jsou uloženy volně v matrix

4) Řetězec mastné kyseliny se prodlužuje vždy o dva uhlíkové atomy – výchozím substrátem je AcCoA (aktivovaným donorem je malonyl~CoA)

5) Redukčním činidlem syntézy je NADPH, oxidačními činidly degradace jsou FAD a NAD+

6) Prodlužování řetězce na syntáze MK končí tvorbou palmitátu (C16), další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá účinkem jiných enzymů v ER a v mitochondriích

Nyní se podíváme na jednotlivé reakce syntézy mastných kyselin.

Tvorba malonyl~CoA

Vstupní látkou pro syntézu mastných kyselin je AcCoA. V prvním kroku dochází za spotřeby ATP k jeho karboxylaci na malonyl-CoA:

AcCoA + ATP + HCO3 → malonyl~CoA + ADP + Pi + H+

Tuto reakci katalyzuje regulační enzym AcCoA-karboxyláza, jejímž kofaktorem je biotin – vitamin H či B7 (obecně jde o kofaktor karboxyláz). Tvorba malonyl~CoA se odehrává ve dvou stupních. Nejdříve probíhá ATP-dependentní karboxylace biotinu:

Biotin-enzym + ATP + HCO3 → CO2-biotin-enzym + ADP + Pi

Následně dojde k přenosu karboxylu na acetyl-CoA:

CO2-biotin-enzym + AcCoA → malonyl-CoA + biotin-enzym

Biotin je s enzymem spojen amidovou vazbou mezi karboxylem biotinu a ε-aminoskupinou lysinu. CO2 se z molekuly opět odstraní při kondenzaci s rostoucím řetězcem mastné kyseliny.

Syntáza mastných kyselin

Syntáza mastných kyselin u savců má strukturu homodimeru složeného ze dvou identických podjednotek (260 kDa). Každá podjednotka sestává ze tří domén spojených pohyblivými regiony:

1) Doména 1vstup substrátu a kondenzační jednotkaobě transferázy (acetyltransferáza a malonyltransferáza) a β-ketoacylsyntáza (kondenzační enzym CE)

2) Doména 2 redukční jednotka – obsahuje ACP, β-ketoacylreduktázu, dehydratázu a enoylreduktázu

3) Doména 3thioesteráza odštěpující palmitát

Místa vazby meziproduktů na syntázu MK představují:

1) Thiolová skupina cysteinu CE

2) Thiolová skupina fosfopanteteinu, který se váže na serin v ACP. Fosfopanteteinové raménko nalezneme i v molekule koenzymu A. Toto flexibilní raménko umožňuje přesun meziproduktů mezi jednotlivými katalytickými místy syntázy

Jednotlivé kroky syntézy MK

1) Syntéza malonyl-CoA: acetyl-CoA karboxyláza – neprobíhá na syntáze MK

2) Navázání AcCoA na CE: acetyltransacyláza

3) Navázání malonyl-CoA na ACP: malonyltransacyláza

4) Kondenzační reakce: kondenzační enzym

Syntáza MK funguje jako dimer. V tomto kroku dochází ke kondenzaci mezi malonylem zavěšeným na ACP jedné podjednotky a acetylem na kondenzačním enzymu druhé podjednotky. Nový acyl zůstává navázán na ACP:

Acetyl-CE + malonyl-ACP → acetoacetyl-ACP + CE + CO2

5) První redukce: β-ketoacylreduktáza

Acetoacetyl-ACP + NADPH + H+ → D-3-hydroxybutyryl-ACP + NADP+

6) Dehydratace: 3-hydroxyacyldehydratáza

D-3-Hydroxybutyryl-ACP → krotonyl-ACP + H2O

7) Druhá redukce: enoylreduktáza

Krotonyl-ACP + NADPH + H+ → butyryl-ACP + NADP+

8) Přenos řetězce z ACP na SH skupinu kondenzačního enzymu stejné podjednotky

9) Nový malonyl se váže na ACP druhé podjednotky. Následně dojde ke kondenzaci na protilehlou podjednotku dimeru, než bylo při první kondenzaci. Podjednotky se tedy při syntéze pravidelně střídají.

Další postup syntézy MK

Postupně dochází k prodlužování řetězce nové syntetizované mastné kyseliny. Při délce C16 nastává ukončení koncovým produktem syntázy MK je tedy palmitát. Thioesteráza ho odštěpí z vazby na ACP (hydrolýza thioesterové vazby na fosfopanteteinu).

Tvorba palmitátu souhrnně vyžaduje 8 molekul AcCoA, 14 molekul NADPH a 7 molekul ATP:

8 AcCoA + 7 ATP + 14 NADPH + 6 H+ → palmitát + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi

AcCoA vzniká v matrix mitochondrie, syntéza MK probíhá v cytoplazmě. Vnitřní mitochondriální membrána ale je pro AcCoA nepropustná, do cytoplazmy se proto transportuje ve formě citrátu (viz dále). 8 molekul NADPH se získá transportem citrátu do cytoplazmy, zbylých 6 v pentózovém cyklu.

Citrát jako nositel acetylů z matrix mitochondrie do cytosolu

Pokud je v matrix mitochondrie dostatek AcCoA, reaguje s OAA za vzniku citrátu (katalyzuje citrátsyntáza). Ten se transportuje do cytoplazmy, kde je štěpen pomocí ATPcitrátlyázy (spotřeba ATP):

Citrát + ATP + HSCoA + H2O → AcCoA + ADP + Pi + OAA

Do cytosolu tak spolu vstoupí AcCoA i OAA. AcCoA se využije v cytoplazmě, kdežto OAA se musí zpětně navrátit do matrix. Jaký je jeho osud?

Vnitřní membrána mitochondrie je pro něj znamená nepropustnou hráz. OAA je proto redukován za účasti NADH na malát cytosolovou malátdehydrogenázou:

OAA + NADH + H+ → malát + NAD+

Malát je následně oxidačně dekarboxylován NADP+-malátovým enzymem (tzv. jablečný enzym) na pyruvát:

Malát + NADP+ → Pyr + CO2 + NADPH

Pyruvát může vstoupit do mitochondrie, kde je karboxylován pyruvátkarboxylázou:

Pyruvát + CO2 + ATP + H2O → OAA + ADP + Pi + 2 H+

Sumární rovnice transportu:

NADP+ + NADH + ATP + H2O → NADPH + NAD+ + ADP + Pi + H+

Regulace tvorby MK

Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy tělo disponuje dostatkem substrátů i dostatkem energie. Klíčovou regulační roli hraje AcCoA-karboxyláza:

1) Inzulin stimuluje syntézu MK aktivací karboxylázy

Insulin se chce za každou cenu zbavit glukózy. Když nestačí glykolýza ani tvorba glykogenu, je přebytek glukózy přeměněn na pyruvát, jejž pyruvátdehydrogenázovou reakcí nevratně změníme na AcCoA. Z toho se tvoří mastné kyseliny. Inzulin posiluje i aktivitu pyruvátdehydrogenázového komplexu.

2) Glukagon a adrenalin mají opačný účinek – inhibují karboxylázu (skrze její fosforylaci)

3) Citrát ji aktivuje – značí dostatek stavebních jednotek a energie

4) Palmitoyl-CoA ji inhibuje – ten je produktem syntézy MK, a pokud není odváděn, není potřeba tvořit další – feedback inhibice

5) AMP ji inhibuje

Elongace a desaturace mastných kyselin

Syntáza MK dovede nasyntetizovat jen palmitát. Ostatní MK se syntetizují prostřednictvím jiných enzymů. Prodlužování řetězce (elongace) a tvorba nenasycených MK (desaturace) probíhá na straně membrány ER přivrácené do cytosolu a v mitochondriích.

Popis přesného průběhu elongace přesahuje rozsahové možnosti tohoto textu. Omezíme se jen na konstatování, že je katalyzován elongázami.

Desaturázy zavádějí dvojné vazby do řetězce MK (v konfiguraci cis). Savci postrádají enzymy katalyzující vstup dvojné vazby za C9 mastné kyseliny. Nové dvojné vazby jsou vždy zaváděny mezi již existující dvojnou vazbou a karboxylovou skupinou. Savci tedy nemohou syntetizovat kyselinu linolovou (18:2 cis Δ9, Δ12, patří mezi ω-6 MK) ani α-linolenovou (18:3 cis Δ9, Δ12, Δ15, patří mezi ω-3 MK) – obě jsou esenciální. Naopak dovedeme syntetizovat kyselinu arachidonovou (20:4 cis Δ5, Δ8, Δ11 a Δ14, ω-6 kyselina – vzniká desaturací a elongací kyseliny linolové), kyselinu eikosapentaenovou (20:5 cis Δ5, Δ8, Δ11, Δ14a Δ17, ω-3 – vzniká z kyseliny linolenové) či kyselinu dokosahexaenovou (22:6 cis Δ4, Δ7, Δ10, Δ13, Δ16a Δ19, ω-3 – vzniká opět z kyseliny linolenové). Jako příklad si můžeme uvést tvorbu oleoyl-CoA (cis Δ9) ze stearoyl-CoA:

Stearoyl-CoA + NADH + H+ + O2 → oleoyl-CoA + NAD+ + 2 H2O

Popis přesného průběhu opět přesahuje rámec tohoto textu.

Syntéza triacylglycerolů (TAG)

Aby mohly nově nasyntetizované mastné kyseliny plnit úlohu energetických zásob, musí být nejdříve převedeny na triacylglyceroly. Podobně jako v případě mastných kyselin se většina TAG tvoří v buňkách jater a v adipocytech. K jejich syntéze potřebuje jednak aktivovaný glycerol – glycerol-3-P, jednak aktivované mastné kyseliny. Tvorba se uskutečňuje v endoplazmatickém retikulu.

Glycerol-3-P vzniká převážně redukcí dihydroxyacetonfosfátu, reakci katalyzuje glyceraldehyd-3-P-dehydrogenáza. Druhým zdrojem může být glycerol uvolněný lipolýzou. Ten je aktivován fosforylací katalyzovanou glycerolkinázou. Glycerol-3-P se následně postupně spojí se dvěma molekulami acyl-CoA (katalyzují acyltransferázy), tvoří se kyselina fosfatidová. Z ní se odštěpí fosfátová skupina za vzniku 1,2-diacylglycerolu, který se esterifikuje pomocí poslední molekuly acyl-CoA – vzniká triacylglycerol. TAG vytvořené v játrech se transportují do tukové tkáně zabalené v lipoproteinových částicích VLDL – blíže viz:  Kapitola 5.

Autoři podkapitoly: Josef Fontana a Petra Lavríková

cc-by-sa