10 Stoffwechsel - Jelezarov

Das Angebot von Glucose ist hoch: Insulin wird ausgeschüttet. Über ChREBP wird die Produktion von PFK-2/FBPase-2 hochreguliert. In der nichtphosphorylierten Form (hohe PP-2A Aktivität, weil [Xy-5-P] hoch ist) wird F-6-P zu F-2,6-BP umgesetzt (Kinase-Aktivität). 

Es herrscht Glucose-Mangel: Glucagon wird ausgeschüttet. PFK-2/FBPase-2 wird phosphoryliert. Sie hydrolysiert F-2,6-BP zu F-6-P (Phosphatase-Aktaivität).

Pyruvatkinase hat mindestens 3 Isoformen; wichtig sist der unterscheid zwischen:
- den extrahepatischen Isoformen (z. B. Muskel; PK-M)
- Leber-Isovorm (PK-L)

PK-M und PK-L werden beide durch ATP, Acetyl-CoA, freie Fettsäuren (langkettig) und Alanin allosterisch inhibiert 
-> Diese Substanzen stehe für eine hohe Energiladung

Pyruvatkinase wird durch Fructose-1,6-Bisphosphat allosterisch aktiviert. Diese Verbindung signalisiert, dass Glucose in die Glykolyse eingeflossen ist

PK-L, nicht jedoch PK-M, ist zusätzlicher Regulation mittels chemischer Modifikation unterworfen. Bei tiefem Blutglucosespiegel und nach Ausschüttung von Glucagon wird PK-L durch eine cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) phosphoryliert und in die inaktive Form überführt 

PD katalysiert die Produktion von Acetyl-CoA aus Pyruvat; Dort wird über das Schicksal von Pyruvat entschiede
-> Decarboxylierung zu Acetyl-CoA und Einschleusung in den Citratzyklus
-> Carboxylierung zu Oxalacetat und Verwendung für Glucosesynthese (Gluconeogenese).

Die Regulation der PD erfolgt sowohl durch kovalente Modifikation (Phosphorylierung) als auch (indirekt) allosterisch.

PC arbeitet nur in Gegenwart von Acetyl-CoA, seinem allosterischen Aktivator (Abb. 5.23). Das heisst, die Leberzellen betreiben nur dann Gluconeogenese, wenn sie genügend Energie zur Verfügung haben; Acetyl-CoA signalisiert diesen Zustand.

Muskelzellen enthalten in der Membran spezifische Rezeptorproteine für Adrenalin. Leberzellen enthalten in der Membran das Rezeptorprotein für Glucagon und dasjenige für Adrenalin.

Bei jedem dieser Hormonrezeptoren führt das Binden des Hormons zu einer Konformationsänderung des Rezeptorproteins. Diese wird durch die Membran weitergeleitet. Durch Vermittlung von G-Proteinen (GTP-bindenden Proteine) wird auf der cytosolischen Seite das membranständige Enzym Adenylylcyclase aktiviert, welche aus ATP zyklisches AMP (cAMP) synthetisiert. cAMP reguliert darauf als intrazellulärer Überträger (second messenger) des Hormonsignals die Stoffwechselprozesse. cAMP wirkt über allosterische Aktivierung der Proteinkinase A (PKA), dem Enzym, das über eine Phosphorylierungs-Kaskade Zielenzyme aktiviert oder hemmt. Die Phosphorylierung der Enzyme erfolgt durch Bildung von Phosphatestern mit ganz bestimmten Serin- oder Threoninresten.

Zielenzym der Regulation der Glykogenolyse ist die Glykogen-Phosphorylase (GP)
GP liegt in zwei Formen vor: GPa ist die aktive Form, GPb ist weniger aktiv. 

Der Anstieg der Konzentration des Second Messengers cAMP aktiviert PKA (s. Abb. 5-24). Die aktivierte PKA phosphoryliert und aktiviert Phosphorylase-Kinase, die die Phosphorylierung von GPb an zwei Serin-Reste katalysiert (ein Ser in jeder der beiden identischen Untereinheiten) und sie dadurch in die aktive GPa Form überführt.

Die Leber und die Skelettmuskulatur exprimieren unterschiedliche GP.
-> sprechen ganz unterschiedlich auf allosterische Regulatoren an

2 Formen:
- gering aktive T-Form (engl. tense)
- die aktivere R-Form (engl. relaxed)

Muskel-Phosphorylase wird über die intrazelluläre Energieladung reguliert.
- AMP wirkt als allosterischer Aktivator der Phosphorylase b.
- ATP und Glucose-6-Phosphat wirken als allosterische Hemmer der Phosphorylase
- Ohne allosterische regulatoren überwiegt die T-Form
  -> AMP verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der aktiveren R-Form. 
    -> Steigerung der Glykogenolyse
  -> ATP und Gluose stabilisiern die aktive T-Form

Leber-Phosphorylase wird bei genügendem Angebot von Glucose inaktiviert.
- GPb (die nicht-phosphorylierte Form) in der Leber ist wenig aktiv und kann nicht allosterisch reguliert werden
- GPa hat eine allosterische Bindungsstelle für Glucose.
  -> Dadurch wird GPa in die inaktive GPb übergeführt. 
    -> bei hoher Blut-Glucose kann dadurch die Glykogenolyse gedrosselt werden.

Die cAMP-abhängige Aktivierung des Glykogenabbaus wird durch Insulin gehemmt

Erhöhung BLutglucose -> Insulinauschüttung -> Verlangsamung der Glykogenolyse
- Zielenzym der Hemmung ist die Glykogenphosphorylase; Hemmung geschieht über 2 Mechanismen:
1. Insulin stimuliert PP1, die GPa (aktiv) in GPb (inaktiv) überführt
2. INsulinbindung am Rezeptor -> Signalkaskade -> Aktivierung der Phosphodiesterase 3B -> hydrolyse voncAMP

Glykogensynthese wird bei einem hohen Blutglucosespiegel unter dem Einfluss von Insulin durch Änderung der Aktivität der Glykogensynthase reguliert

Schlüsselenzyme der Regulation der Glykogensynthase (GS) sind GSK-3 (Glykogensynthase-Kinase-3), CKII (Caseinkinase-II) und PP-1 (Phosphoproteinphosphatase-1).

Glykogensynthase (GS) kann in einer phosphorylierten und einer nicht phosphorylierten Form vorkommen.
- aktive Form GSa; nicht phosphoryliert. 
- inaktive Form GSb; phosphoryliert

In Abwesenheit von Insulin phosphoryliert GSK-3 drei Serin-Reste nahe des N-Terminus von GSa -> es Ensteht GSb
-> GSK-3 kann GS nur dann phosphorylieren, wenn GS zuvor schon durch CKII phosphoryliert wurde (priming)
In Anwesenheit von Insulin wirddiese phosphorylierung aufgehoben: Insulin aktiviert PKB -> PKB inaktiviert GSK3

Phosphoproteinphosphatase-1 (PP1) spielt eine zentrale Rolle im Glykogenmetabolismus.

Alle 3 Enzyme, welche bei der gesteuerten Regulation des Glykogenabbaus und der Glykogensynthese phosphoryliert werden, d.h. Phosphorylasekinase, Glykogenphosphorylase und Glykogensynthase, werden durch ein einziges Enzym dephosphoryliert: Phosphoproteinphosphatase-1 (PP1).

• Die Aktivierung von PP1 hemmt die Glykogenolyse via Dephosphorylierung von Phosphorylasekinase und Glykogen-Phosphorylase. Dadurch werden beide inaktiv.
• Die Aktivierung von PP1 fördert die Glykogensynthese via Dephosphorylierung der Glykogensynthase. Diese ist in der dephosphorylierten Form aktiv.

Insulin und Glucagon/Adrenalin regulieren reziprok die Glykogensynthese und -abbau mittels Änderung der Aktivität von PP1.

PP1 wirkt zusammen mit Gm:
- Gm positioniert PP1 auf der oberfläche von Glykogengranula
  -> Nur möglich wenn Gm phosphoryliert an position 1
    -> phosphorylierung ist Insulinabhängig
  => Glykogenolyse ist gehemmt, während die Glykogensynthese aktiv ist
- Glucagon und Adrenalin führen zu PP1 phosphorylierung an position 2
  -> dissozazion von PP1 vom Granula