Обмен веществ. Регуляция углеводного обмена. (Лекция 2) презентация

с геном кальцитонина

Пища

Блуждающий нерв, ХЦК

Грелин, инсулин, дофамин, бомбезин, секретин, ВИП, вещество P, гастрин

PP, соматостатин, CGRP

Ингибиторы дисахаридаз: антидиабетическое действие

глюкозы GLUT4

SGLT2-3: низкое сродство, высокая емкость; субстрат – глюкоза

SGLT1: высокое сродство, низкая емкость; субстраты – глюкоза, галактоза

SGLT - sodium/glucose cotransporter

(адипоциты, скелетные мышцы)

Глюкоза, мМ

0

20

5

3

9

Физиологический диапазон

max

0

GLUT-3

Транспорт глюкозы

GLUT-2

Сродство транспортеров к глюкозе адаптировано к типу клеток

В крови глюкоза находится в плазме и эритроцитах в приблизительно равной концентрации. Эритроциты – «циркулирующие гепатоциты» (гипогликемия → выход свободной глюкозы и гликогенолиз)

GLUT-1,4

Независимый от инсулина транспорт

Поступление глюкозы в большинство клеток организма ( кроме клеток кишечника и почек)
происходит по градиенту концентрации путем диффузии, облегчаемой транспортерами GLUT – 14 изоформ

Инсулин стимулирует встраивание в мембрану
адипоцитов GLUT-1 и GLUT-4, а в скелетной мышце только GLUT-4
(через активацию PI3K и ПК-В)

почках, очень незначительно – в кишечнике
Пентозо-фосфатный путь активен в тканях с интенсивным биосинтезом липидов
(печень, жировая ткань, гонады)

А

пируватдегидрогеназа

гексокиназа

оксалацетат

Киназа пируватдегидрогеназы

пируваткарбоксилаза

фосфоенолпируваткарбоксикиназа

Фруктозо- 1,6 - бифосфатаза

Глюкозо– 1-фосфат

УДФ-
глюкоза

гликоген

гликогенсинтаза

Гликоген-
фосфорилаза

Киназа фосфорилазы

Киназа 3
гликогенсинтазы

+АТФ

CO2 + HAДФН

Пентозо-фосфатный путь
Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа,
6-фосфоглюконатдегидрогеназа

Фруктозо – 2,6-бифосфат

PFK2
FBPase2

кишечник, мозг, β-клетки п/ж)

Доменная организация гексокиназ

Мышца

Покой

Работа

Глюкоза

Проникновение в клетку (GLUT)

Образование Г-6-Ф (гексокиназа II)

Лимитирующая стадия

Лимитирующая стадия

CRE - cAMP-чувствительный элемент
C/EBP – белок, связывающий ССААТ/энхансер

В скелетной мышце экспрессия гексокиназы II однонаправленно регулируется инсулином и адреналином

[экспрессия]

цАМФ

возрастает
в 15 – 30 раз
«Нейроэндокринный промотор» работает в бета- и альфа-клетках поджелудочной железы,
определенных нейронах гипоталамуса, энтероцитах тонкого кишечника.

«Нейроэндокринный промотор» в клетках островков Лангерганса работает конститутивно.
Влияние инсулина или повышенных концентраций глюкозы на этот промотор - менее, чем
в 1,5 раза. Действие, в основном, - на уровне стабилизации мРНК глюкокиназы.

глюкокиназы.
HIF – индуцируемый гипоксией фактор; HNF – ядерный фактор гепатоцитов; SREBP – белок, взаимодействующий со стеринчувствительным элементом (SRE) ; PKB – протеинкиназа B; PI3K – фосфатидилинозитид-3-киназа; Fru-2,6-P2 – фруктозо-2,6-бифосфат

GK

GKRP

Ядро

[глюкоза]

GK

GKRP

Ядро

глюкоза

глюкозо-6-Ф

А

Б

Регуляция активности глюкокиназы (GK) на посттрансляционном уровне путем обратимой инактивации регулирующим глюкокиназу белком (GKRP). А: натощак; Б: после приема пищи

Глюкоза

Г-6-Ф

Гексокиназа

Глюкокиназа

эугликемия

GKRP →↓толерантности к глюкозе

Глюкокиназа -
печень, кишечник,
мозг, β-клетки п/ж)

фосфофруктокиназу (PFK1) и ингибирующего фруктозобифосфатазу (PBPase1)

PFKM

PFKL

PFKL

PFKL

PFKL

PFKL

PFKL

PFKL

PFKM

PFKM

PFKM

PFKL

PFKL

PFKL

мышца

печень

эритроциты

PFKM

779

PFKL

779

PFKP

784

Субъединицы фосфофруктокиназы (PFK) мышечного (M), печеночного (L) и тромбоцитарного (P) типа с сайтами фосфорилирования

Fru-1,6-P2

Fru-2,6-P2

человека

Варианты L и M альтернативного сплайсинга

Отсутствие в мышце

Изозимы отличаются
по соотношению
киназной и фосфосфатазной
активностей. При фосфорилировании PFKFB1 активность смещается с киназной на фосфатазную.

регуляция ПК-А

действует
в качестве киназы, что ведет к синтезу Ф-2,6-Ф2. Аналогично действует протеинфосфатаза 2А.
При снижении уровня инсулина и повышении концентрации глюкагона фермент фосфорилируется,
киназная активность утрачивается, появляется фосфатазная активность.

Инсулин

6-фосфофрукто-2-киназы/фруктозо-2,6-бифосфатазы-2 (PFK2/FBPase2) в гепатоцитах.
Обозначения: GR – рецептор глюкокортикоидов; GRU – глюкокортикоидчувствительная единица; Ex1(2) – экзон 1(2); P – фосфат; PP2A – протеинфосфатаза 2A; ChREBP – белок, связывающий углеводчувствительный элемент;
PKA – протеинкиназа A ; Xu5P – ксилулозо-5-фосфат .

GR

и повышению его связывания с ДНК, в результате интенсивность транскрипции чувствительных
генов возрастает.

ChREBP экспрессируется везде, но наиболее интенсивно – в печени, буром и белом жире, тонкой кишке, почках и мышцах. Экспрессия в печени стимулируется глюкозой, в адипоцитах стимулируется инсулином, глюкозой, подавляется жирными кислотами.

Локализация сайтов фосфорилирования в молекуле ChREBP.
NLS – сигнал ядерной локализации; DBD – структура спираль-петля-спираль (ДНК-связывающий домен);
ZIP – лейциновая «застежка-молния»; PKA – протеинкиназа A; AMPK – АМФ-зависимая протеинкиназа.

экспрессии пируваткиназы печеночного типа (LPK)
Xu5P – ксилулозо-5-фосфат; PP2A - протеинфосфатаза

мРНК LPK

Mlx - family of basic helix-loop-helix leucine zipper (bHLH-Zip) transcription factors

Кребса

(экспрессия)

пируват

глюкоза

ацетил-КоА

пируватдегидрогеназа
активная

НАДH

CO2

липосинтез

эугликемия

пируват

глюкоза

ацетил-КоА

пируватдегидрогеназа
неактивная

НАДH

CO2

цикл Кребса

голодание
диабет

глюкокортикоиды (ГК-Рц)
жирные кислоты (PPARα)

P

АТФ

инсулин

липосинтез

киназа пируватдегидрогеназы (экспрессия)

Сайты различаются по доступности для разных изозимов киназы и фосфатаз

[блок использования пирувата
для глюконеогенеза]

Множественность сайтов
фосфорилирования
пируватдегидрогеназы обеспечивает
тканеспецифичность регуляции
активности

(PDK 4) человека. А: в присутствии глюкокортикоидов; Б: в присутствии глюкокортикоидов и инсулина

FOXO

инсулин

PI3K

PI-3,4-P2

PKB

коактиваторный
комплекс

инактивирующее
фосфорилирование

фосфорилированный
транскрипционный фактор, содержащий вилкоголовый блок О (Forkhead box O).

выход из ядра
в цитоплазму,
снижение
связывания с ДНК
и коактиваторами

ингибируются инсулином

через транспорт ацетил-CoA в цитоплазму и через малат – поставщик НАДФH (печень,жир)

Образование нейромедиаторов глутамата и ГАМК (ЦНС)

Стимуляция секреции инсулина (поджелудочная железа)

глюкокортикоиды (стресс)
глюкагон (голодание)
катехоламины (работа, стресс)

Инсулин (прием пищи)

В органах глюконеогенеза и липосинтеза
активен проксимальный промотор,
а в β-клетках поджелудочной железы –
дистальный

ЖК в кровь

Митохондриальный фермент
экспрессируется конституитивно,
цитозольный изозим регулируется
гормонами.

(сохранение жирных кислот
в виде ТАГ в адипоцитах)

PPARγ; R = RXR; G = GR; C = COUP-TF; H = HNF4; ASE = специфичный для адипоцитов энхансер; GRU = глюкокортикоидчувствительная единица; BTC = базальный транскрипционный комплекс; Ex1 = экзон 1 PEPCK. Стрелками указаны направления прямых повторов PPRE

жирная кислота

глюкокортикоид

Конечные эффекты:

Блокада глицеронеогенеза → выход жирных кислот в кровь

Стимуляция глюконеогенеза → выход глюкозы в кровь

специфичный для мышц

счет
наличия в промоторе цАМФ-чувствительных элементов,
глюкокортикоиды оказывают небольшой стимулирующий эффект.

Инсулин оказывает ингибирующее действие.

мембрану ЭР,
работающий в кооперации с транспортерами субстрата и продукта.

Обнаруживается в печени, почках, кишечнике.

Глюкозо -6-фосфат

Глюкоза

гена,
препятствуют действию
инсулина

инсулина , FXR – рецептор Х фарнезоидов,
SHP-малый партнер гетеродимеризации, PGC-1 – коактиватор PPARγ (усиливает
транскрипционную активность HNF-4, FOXO и др.)

Адреналин глюкагон

цАМФ

PGC1

Инсулин

с
интенсивным биосинтезом
липидов: печень, адипоциты,
гонады

PI3K

PI3K

Xu-5-P
стереоизомер

эугликемия до
12 – 24 ч.

Гликогенсинтаза – 2 изозима
мышечного (активация инсулином
более важна) и печеночного типа
(активация глюкозой)

гл-6-Ф

глюкозо – 6 - фосфат

Киназа
фосфорилазы

гормоны

Регуляция активности гликогенфосфорилазы

Фосфатаза

Мутации субъединиц киназы гликогенфосфорилазы – наиболее частая причина гликогенозов

Фосфорилаза b
неактивная

Фосфорилаза a
активная -гомотетрамер

построена из трех регуляторных (α,β и δ) и каталитической (γ)
субъединиц, причем каждая из них в ферменте представлена 4 молекулами, а каждая из субъединиц
представлена несколькими изоформами, что обеспечивает тканеспецифичность регуляции.

В отсутствие стимулов α- и β- субъединицы ингибируют активность γ.
Фосфорилирование α- и β- субъединиц ПК-А или в результате аутокатализа (аллостерическая
активация под действием АДФ в отсутствие внешних стимулов) снимает ингибирование.
Субъединица δ – конститутивно ассоциированный с ферментом кальмодулин, активирующий Phk
в присутствии кальция. В α- и β- субъединицах тоже есть участки зависимого от кальция связывания
«внешнего» кальмодулина (или тропонина С в мышцах), активирующего фермент в отсутствие ПК-А.
γ- субъединица включает каталитический (N) и регуляторный (С) домены. В регуляторном домене –
два сайта связывания кальмодулина.

питания и физической нагрузкой

глюкагоноподобный пептид 1, вазоактивный интестинальный пептид, глюкагон, PACAP

Инсулин

Зависимый от инсулина механизм: встраивание GLUT-1 и GLUT-4 в мембрану (в мышце 75%→95%)

Независимый от инсулина механизм: ненасыщенность большинства GLUTs

Голодание

↓Глюкозы крови ниже 3,3 мМ

СТГ, глюкагон, катехоламины, глюкокортикоиды

↓Захвата глюкозы

Гематопоэтические клетки

Регуляция режимом питания

при сохранении соотношения глюкоза/жирные кислоты

AMPK

Повышение потребления
мышцей ЖК и глюкозы

Интенсивная физическая
нагрузка

глюкоза – основной поставщик
энергии в мышцах

сенсор энергообеспечения

скелетной мышцей

каталитическая
субъединица

Активность регулируется
фосфорилированием и
аллостерической регуляцией
АМФ(+) и АТФ, креатинфосфатом (-)

Cardiovasc Pharm Open Access. 2015 August ; 4(3): .

и ускорения деградации малонил-CoA AMPK снимает его ингибирующее действие на транспорт жирных кислот в митохондрии. MCD - малонил-CoA-декарбоксилаза; ACC - ацетил-CoA-карбоксилаза; CPT - карнитинпальмитоилтрансфераза

малонил-CoA - ингибитор фермента CPT-1 - карнитинпальмитоилтрансферазы

и окисления жирных кислот, белков транспорта электронов

Повышение энергообеспеченности

– matunity onset diabetes of the young

гистосовместимости человека HLA класса II, участвующие в презентации антигенов

альфа,
Ген разобщающего белка (UCP-1),
Ген транспортера глюкозы GLUT-4

Ген субстрата инсулинового рецептора (IRS-1),
Гены других компонентов сигнальных каскадов инсулина

Полигенный характер развития инсулинорезистентности