HT09 Institutionen för medicinsk biokemi och biofysik (MBB) Tandläkarutbildningen, Termin 1, Människokroppens kemi. Skapat av Hans-Erik Claesson 020903 Modifierat av ÅRö 09 09 14, ÅRö+BiA 030903 VÄTTERNRUNDAN Seminarieuppgifter i medicinsk kemi för tandläkarstuderande seminarium 4-5 Instuderingsfrågor
Innehåll Seminarium 4 Kolhydratmetabolism: Glykolys, citronsyracykeln, och oxidativ fosforylering. Metabolism av glykogen. Signaltransduktion Instuderingsfrågor till seminarium 4. Seminarium 5 Lipidmetabolism: Bildning av fettsyror och triacylglyceroler (triglycerider). Kolesterol. Lipolys, ß-oxidation och ketonkroppsbildning Instuderingsfrågor till seminarium 5. Några tips: Börja inte med instuderingsfrågorna direkt! Det går mycket lättare om Du först har gått igenom det aktuella avsnittet översiktligt i boken. De bifogade instuderingsfrågorna är till för din egen skull och kommer inte att gås igenom på seminarierna. Glöm därför inte att titta ordentligt på själva seminarieuppgifterna! Kom förberedd till seminariet så att du kan föra en diskussion med din lärare och diskutera kring frågorna på seminariet. OBS - det är inget förhör men ej heller en miniföreläsning men ett utmärkt tillfälle att i grupp diskutera sådant som kan vara speciellt svårt. Lycka till!! 2
SEMINARIEUPPGIFT 4: KOLHYDRATMETABOLISM Litt.: Champe, P.C., Harvey, R.A. & Ferrier, D.R., 4th edt, 2008. Kapitel 6, 8, 9, 10, 11,delar av kap 13 samt kap 23. Knubbiga Lasse och hans bror Torsten har bestämt sig för att cykla Vätternrundan som går av stapeln i mitten av juni. Torsten säger att det är en smal sak att cykla de 30 milen runt Vättern medan Lasse undrar om han verkligen kommer att klara av det. Här gäller det att börja träna direkt, tänker Lasse. Första passet flyter fint på platta landsvägen men efter första rejäla motlutet så är benen fulla av mjölksyra och Lasse vinglar till och slår ansiktet i styrstången. Aj aj, säger Lasse och noterar att två kariesangripna framtänder är avslagna. Lasse ger sig dock inte och efter ett par veckors träning så rullar det riktigt fort och långt, ja närmare 5 mil en söndagsmorgon. Det måste bero på att vi äter pasta som gör att vi orkar cykla så långt, läspar Lasse fram. Glukos är en viktig energikälla för muskulaturen vid fysisk ansträngning. Varför känns benen stumma efter uppförsbacken? Vilken förening orsakar symtomen, och hur bildas den från glukos? Gå igenom alla viktiga steg från glukos till föreningen i fråga. (ATP konsumerande/producerande steg samt reglering av nyckelenzymen). Märkligt nog så spelar denna förening antagligen även en roll för kariesutvecklingen. Hur då? När Lasse och Torsten börjar bli mera vältränade så förbättras syreupptagningsförmågan och blodförsörjningen till benen. En annan cykel, citronsyracykeln, producerar energi till benmusklerna under aeroba förhållanden. Beskriv översiktligt med summaformel vad som händer i citronsyracykeln, översiktligt hur den regleras och varför den är en så effektiv energiproducent i cellen. Förklara också kortfattat den process som omvandlar energin i NADH/FADH 2 till ATP. Blodsockret måste alltid vara minst ca 3 mm, annars svartnar det för ögonen och man ramlar av cykeln. Beskriv kortfattat funktionen av nyckelenzymerna (GFK, GF, Debranching enzyme ) som deltar i nedbrytning av glykogen (som är den viktigaste källan till blodsockret under träningspassen). En annan källa till blodsockret är via omvandling av bl.a. laktat till glukos. Vad heter processen och i vilka organ sker den? Det är mycket viktigt att vårt blodsocker hålls inom ett ganska snävt intervall för att vi inte skall svimma eller drabbas av exempelvis diabetes. Denna blodsockerkontroll utövas på många olika sätt, men framförallt genom frisättning av två hormoner (ett efter födointag och ett vid fasta). Vilka är hormonerna, och hur förmedlar dessa hormoner sina respektive effekter från utsidan av cellen (receptorprotein) till insidan där olika metabolismvägar påverkas genom kovalent modifiering och/eller genom genreglering. 3
INSTUDERINGSFRÅGOR TILL SEMINARIUM 4 KOLHYDRATMETABOLISM GLYKOLYS OCH GLUKONEOGENES 1. Var i cellen äger glykolysen rum? 2. Glykolysens första steg innebär en fosforylering av glukosmolekylen, varvid glukos-6-fosfat bildas. Denna förening är en av knutpunkterna i intermediärmetabolismen. Reaktionen kan katalyseras av två olika enzymer. Vilka är dessa? Hur skiljer sig enzymerna åt vad gäller förekomst i kroppen, substratspecificitet och affinitet för glukos? 3. Glukos-6-fosfat kan, förutom att metaboliseras vidare i glykolysen, även omvandlas via två andra viktiga syntesvägar. Vilka (se metabola schemat)? 4. Även glykolysens tredje steg är en fosforylering. Varifrån kommer fosfatgruppen? Vad heter enzymet som katalyserar reaktionen? De båda fosforyleringsreaktionerna leder bland annat till frisättning av en stor energimängd i form av värme. Vad får detta för konsekvens vad gäller jämvikten hos reaktionerna? 5. I glykolysen sker klyvning av en hexosbisfosfat till två triosfosfater. Vad heter enzymet som katalyserar denna reaktion? Namnge reaktionens substrat och produkter 6. I en reaktion i glykolysen sker en fosforylering av en intermediär utan att ATP deltar. Vilken reaktion åsyftas? Förklara hur detta är möjligt 7. I två reaktioner i glykolysen bildas ATP direkt (till skillnad mot oxidativ fosforylering) när en intermediär omvandlas till en annan. Vilka reaktioner åsyftas? Vad är den fysiologiska betydelsen av dessa reaktioner? 8. Röda blodkroppar omvandlar 1,3-bisfosfoglycerat till en förening som har stor betydelse för syrgastransporten. Vilken är föreningen och vad har den för funktion? Hur bildas och nedbryts föreningen? 9. Under aeroba förhållanden sker en nettosyntes av NADH i glykolysen. I vilken reaktion bildas NADH? 10. Vid anaerob glykolys bildas laktat. Vad är syftet med reaktionen? 11. Vad heter enzymet som omvandlar pyruvat till laktat? Varför kan det vara intressant att analysera detta enzym kliniskt? 12. Bakterier metaboliserar glukos till olika organiska syror (t.ex. laktat) som bidrar till utvecklingen av karies. Tänk själv ut verkningsmekanismen för något oralt läkemedel som skulle kunna minska risken för karies. 13. Vad kallas den metabola cykel som bidrar till musklernas förmåga att producera energi under anaeroba förhållanden och hur är denna cykel uppbyggd? Processen har betydelse även för andra celler i kroppen. Förklara! 4
14. Sammanfatta glykolysens energiförhållanden genom att besvara följande: a. Hur många ATP konsumeras per oxiderad molekyl glukos? b. Hur många ATP genereras per oxiderad molekyl glukos? c. Hur många reducerade coenzymer produceras under aeroba förhållanden per oxiderad molekyl glykos? Hur många ATP kan erhållas per molekyl glukos genom återoxidation av dessa ekvivalenter? d.vilken blir den maximala nettoproduktionen av ATP i glykolysen per molekyl glukos under aeroba respektive anaeroba förhållanden? 15. Den metabola regleringen av glykolysen är koncentrerad till tre reaktionssteg.vilka är reaktionerna och vad har de gemensamt? Vilka enzymer katalyserar dessa reaktioner? 16. Vid reglering av glykolysen förekommer såväl feed-back-hämning som feed-forward stimulering. Vilket enzym regleras: a. med hjälp av feed-back-hämning? b. via feed-forward-stimulering? 17. Fruktos-2,6-bisfosfat har stor betydelse för regleringen av glykolysen. Beskriv syntesen av fruktos-2,6-bisfosfat. Vilket enzym katalyserar bildningen. Vilken annan reaktion katalyserar enzymkomplexet? 18. Vilket enzym aktiveras av fruktos-2,6-bisfosfat? Beskriv mekanismen. Enzymets aktivitet regleras allostert också av andra effektorer. Vilka? 19. Vilka hormoner påverkar det aktuella enzymet? Beskriv signaltransduktionen för dessa hormoner. 20. I glukoneogenesen omvandlas olika metaboliter till glukos. När är denna process aktiv? I vilka organ förekommer glukoneogenesen huvudsakligen? 21. Vilka är de viktigaste substraten för glukoneogenesen? 22. Markera i ditt metabola schema de steg i glukoneogenesen som skiljer processen från en omvänd glykolys. Vilka cellkompartment deltar i glukoneogenesen? 23. Bildningen av fosfoenolpyruvat från laktat sker via oxaloacetat. Vad heter enzymet som katalyserar bildningen av oxaloacetat och hur regleras enzymet? 24. Hur regleras glukoneogenesen hormonellt? [25. Fruktos-2,6-bisfosfat har inte bara betydelse för glykolysens reglering, utan även för regleringen av glukoneogenesen. Förklara! (se även fråga 18).] 26. Det sista steget i glukoneogenesen leder till bildning av glukos, som frisätts ut i blodet. Vilket enzym katalyserar steget, och i vilka vävnader förekommer enzymet? CITRONSYRACYKELN OCH OXIDATIV FOSFORYLERING 27. Huvuddelen av cellens energiproduktion sker i mitokondrien. Karakteristiskt för denna cellorganell är att den omges av dubbla membraner. Speciellt det inre mitokondriemembranet är av avgörande betydelse för mitokondriens funktion. Beskriv 5
detta membran. Hur skiljer sig membranet från andra membraner vad gäller struktur och permeabilitet? 28. Pyruvat kan slussas in i citronsyracykeln via olika vägar. Vilka är dessa och vilken subcellulär lokalisation har reaktionerna? 29. Vad heter multienzymkomplexet som katalyserar den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat till acetyl-coa. 30. I citronsyracykelns första steg sker en kondensation (sammanslagning) av två föreningar. Vilka? Vad gäller för de två substratmolekylernas respektive produktens förmåga att passera mitokondriemembranet? 31. Under den fortsatta metabolismen i citronsyracykeln avspjälkas CO 2 i två oxidativa dekarboxyleringsreaktioner. Vilka enzymer katalyserar dessa reaktioner? En av dessa två reaktioner är analog till bildningen av acetyl-coa från pyruvat. Vilken? 32. I citronsyracykeln sker bildning av reducerade coenzymer i fyra reaktioner. Vilka är reaktionsstegen? Vilka coenzymer används vid de olika redoxreaktionerna? 33. I ett av stegen i citronsyracykeln sker en direkt fosforylering (jämför med oxidativa fosforyleringen). Ange substrat och produkter i denna reaktion. Varifrån kommer den nödvändiga energin? 34. Varför kan inte citronsyracykeln förlöpa baklänges? 35. Hur regleras citronsyracykelns aktivitet? 36. Vilket samspel föreligger mellan glykolysen och citronsyracykeln för regleringen av glukosnedbrytningen? 37. NADH som bildas i cytoplasman kan inte passera det inre mitokondriemembranet. Hur kan NADH-syntes i t.ex. glykolysen ändå ge upphov till substrat för elektrontransportkedjan? 38. Elektrontransportkedjan (=andningskedjan)är uppbyggd av ett antal redoxreaktioner. I dessa deltar, förutom NADH och FADH 2, också FMN, cytokromer, FeSproteinkomplex ("non-heme iron proteins") och coenzym Q. Beskriv dessa föreningar kortfattat. 39. Hur är de ingående red-oxparen organiserade i elektron-transportkedjan? Vad är förklaringen till att elektroner flödar genom elektrontransportkedjan till molekylärt syre? 40. Varför är de många red-oxreaktionerna att föredra jämfört med en direkt reaktion mellan väte och syre? 41. Elektrontransportkedjan katalyseras av en rad enzymkomplex. Vad heter dessa och var är de lokaliserade? Hur möjliggörs "kommunikationen" mellan enzymkomplexen? 42. Vad gör "uncoupling protein" och var i kroppen finns detta protein? Ange några föreningar som kan blockera elektrontransportkedjan. 43. Hur används den i red-oxreaktionerna frisatta energin och vilket samband har detta med den oxidativa fosforyleringen? 6
44. Var är ATP-syntas lokaliserat och hur är det uppbyggt? 45. Vad blir energiutbytet vid återoxidation av en molekyl NADH respektive en molekyl FADH 2 via andningskedjan? 46. Beräkna energiutbytet (antal ATP som bildas) vid fullständig oxidation av glukos till CO 2 och vatten? METABOLISM AV GLYKOGEN Glykogendepåerna räcker ett par timmar vid hård fysisk ansträngning (i vila 12-24 timmar). Därefter förbränns fettsyror av muskulaturen. 47. Kroppens stora bränslereserv är triacylglycerolerna (triglyceriderna). Varför är det nödvändigt att också lagra glykogen? 48. Vilka vävnader i kroppen innehåller mest upplagrat glykogen? Vilket organ kan innehålla den högsta glykogenkoncentrationen? I vilken vävnad lagras den största mängden glykogen? 49. Varför är det fysiologiskt fördelaktigt att glykogenet är grenat? 50. Vilket enzym katalyserar den initiala nedbrytningen av glykogenmolekylen? Vad kallas denna typ av klyvning och vilka blir produkterna? Vilket vitamin behövs? 51. Hur omvandlas det bildade glukosderivatet till fritt glukos? Varför fungerar inte denna omvandling hos barn med von Gierke s sjukdom? 52. Enzymet som katalyserar den initiala spjälkningen av glykogen kan inte spjälka hela glykogenmolekylen. Förklara! 53. Vid spjälkningen av glykogen förflyttas de korta grenarna inom glykogenmolekylen. Vad heter enzymet som katalyserar denna reaktion och vilken annan funktion har enzymet. Vilka blir produkterna vid detta enzyms verkan? 54. Hur regleras glykogenolysen hormonellt och allostert? 55. Vilket glukosderivat används vid glykogensyntesen? Beskriv bildningen av detta derivat från fritt glukos. Varför är reaktionen irreversibel? 56. Vilka substrat använder glykogensyntaset? Beskriv den katalyserade reaktionen. 57. Vilka två typer av glykosidbindningar påträffas i glykogenet? Hur förgrenas glykogenmolekylen? 58. Hur regleras glykogensyntas hormonellt, respektive allostert? HMP-shunten 59. Sammanfatta HMP-shuntens viktigaste funktioner. 7
SEMINARIEUPPGIFT 5: LIPIDMETABOLISM Litt.: Champe, P.C., Harvey, R.A. & Ferrier, D.R., 4th edt, 2008. Kapitel 15, 16 och 18. Träningen har varit intensiv under våren men allt har inte blivit som planerat. Lasse har fått diabetes och behandlas nu med insulin. Torsten har mot alla odds ökat i vikt och fått en bilring runt magen, trots all cykling. Dessutom upptäckte man vid senaste hälsokontrollen att han hade förhöjda nivåer av kolesterol i blodet. Han funderar på om det är alla bakelser efter träningspassen som är orsaken. Men, i gryningen den 14 juni står Lasse och Torsten vid starten i Motala. Den första delen av loppet går i rasande fart och Torsten är riktigt ansträngd när bröderna kommer ner till Jönköping. Efter lite mat och dryck i depån så kvicknar Torsten till igen, och efterföljande 10 mil är en ren fröjd att cykla. Lasse är pigg och Torsten får ligga på rulle de sista milen intill Motala. Dagen efter så visar vågen att både Lasse och Torsten gått ner ett par kilo i vikt. Det här var kul och nyttigt, vi gör om det nästa år, ropar Lasse och Torsten i kör. Torsten ökade i vikt under våren. Med utgångspunkt från en intermediär i glykolysen respektive i citronsyracykeln, redogör för hur glukos kan omvandlas till glycerol-3-fosfat resp. till fettsyror (OBS översiktligt). Med utgångspunkt från glycerol/glycerol-3-fosfat och fettsyror redogör för syntesen av triacylglyceroler (TAG; triglycerider) i leverceller (hepatocyter) respektive fettceller. En del fettsyror är essentiella. Vad menas med detta begrepp? Vad heter de essentiella fettsyrorna? Cellerna i kroppen innehåller också andra lipider såsom fosfolipider (FL). Beskriv schematiskt hur dessa är uppbyggda och vilken funktion de har i kroppen. FL bildas på delvis likartat sätt som TAG. Vad är specifikt för FL-syntesen relativt TAG-syntesen. Under senare delen av loppet täcktes muskulaturens energibehov huvudsakligen av fettsyror. Beskriv hur triacylglyceroler i fettväven kan brytas ner till fettsyror och hur fettsyrorna i sin tur omvandlas till acetyl-coa som kan omsättas i citronsyracykeln i muskelcellen. Under Vätternrundan bildas inga större mängder ketonkroppar men Lasse hade insulinberoende diabetes och bildade ketonkroppar innan han fick behandling. Beskriv hur ketonkroppar bildas i levern och sedan kan omsättas i hjärnan. Kolesterol är en annan viktig lipid i kroppen men för mycket kolesterol (i form av LDL), som Lasse hade, anses öka risken för åderförkalkning (ateroskleros). Beskriv schematiskt hur acetyl-coa kan omvandlas till mevalonsyra (första stegen vid bildning av kolesterol) och hur nyckelenzymet i denna process regleras. 8
INSTUDERINGSFRÅGOR TILL SEMINARIUM 5 LIPIDMETABOLISM BILDNING AV FETTSYROR OCH TRIACYLGLYCEROLER (TRIGLYCERIDER) 60. I vilka organ bildas frmförallt fettsyror respektive kolesterol? Motivera! 61. Vilken intracellulär lokalisation har: a. Nysyntes av fettsyror? b. Nysyntes av kolesterol? 62. Vid nysyntesen av fettsyror behövs två enzymsystem. Vilka? Vilket är det hastighetsreglerande enzymet samt hur regleras enzymaktiviteten? 63. Vilken fettsyra är den vanligaste slutprodukten i biosyntesen av fettsyror? 64. Vid biosyntesen av fettsyror används ett reducerat coenzym. Vilket? 65. Vid syntesen av fettsyror används cytosolärt acetyl-coa. Vid kolhydratmetabolismen bildas dock mitokondriellt acetyl-coa. Hur kan denna förening "transporteras ut" ur mitokondrien? Hur och varför hämmas citronsyracykeln, om ett överskott av kolhydrater intagits i dieten? 66. Enzymsystem finns för att införa dubbelbindningar i fettsyror. Humana celler har dock begränsad förmåga att införa dubbelbindningar. Förklara! 67. Ange namn och beskriv strukturen för de två essentiella fettsyrorna. 68. Beskriv syntesen av triacylglyceroler i lever och fettväv. Utgå från glycerol-3-fosfat och fria fettsyror. FOSFOLIPIDER 69. Sök upp fosfolipidsyntesen i ditt metabolismschema och besvara följande frågor: a. Från vilken glykolysintermediär bildas glycerolskelettet som ingår i triacylglyceroler (triglycerider) och fosfolipider? b. Vilken är den gemensamma lipidprekursorn till triacylglyceroler och alla fosfolipiderna? KOLESTEROL 70. Kolesterol är en livsnödvändig lipid som ingår i membraner och lipoproteiner. Vilket är det huvudreglerande steget i kolesterolbiosyntesen? Hur regleras enzymet? 71. Redogör formelmässigt för omvandlingen av acetyl-coa till mevalonsyra. Vilket coenzym behövs vid bildningen av kolesterol? 72. Hur många acetyl-coa behövs för att bilda en molekyl kolesterol? 73. Redogör formelmässigt för kolesterols uppbyggnad och kemiska egenskaper. Hur många kol finns det i kolesterol? 9
LIPOLYS, ß-OXIDATION OCH KETONKROPPSBILDNING 74. Vilka produkter bildas vid lipolysen, det vill säga nedbrytningen av triacylglyceroler i fettväven? 75. Den ökade lipolysen vid svält (och diabetes) respektive stress beror på insöndring av vissa hormoner. Vilka? Beskriv signaltransduktionen för dessa. 76. Vilka organ kan inte använda fettsyror som energikälla? 77. För att fettsyrorna ska kunna oxideras måste de först transporteras via blodet för att i olika vävnader aktiveras och sedan transporteras in i mitokondrierna: a. Hur transporteras fettsyror i blodet? b. Hur sker aktiveringen? c. Redogör för transporten in i mitokondrien. d. Hur regleras denna transport? Hur förhindrar kroppen att nysyntetiserade fettsyror direkt ß-oxideras? 78. Vad menas med -oxidation av fettsyror? Vilken är slutprodukten vid -oxidationen? 79. Redogör för de olika reaktionsstegen vid -oxidationen av en mättad fettsyra med jämnt antal kol. 80. Vid svält och obehandlad diabetes uppstår ett ökat inflöde av fettsyror till levern. Varför kan inte allt det acetyl-coa som bildas vid -oxidationen av fettsyrorna metaboliseras i citronsyracykeln? Vad händer med överskottet av acetyl-coa? 81. Vilka är ketonkropparna? 82. Varför kan det lukta aceton om en obehandlad diabetiker? 83. I vilket organ sker ketonkroppsbildning? Vilken intracellulär lokalisation har biosyntesen? 84. Sök upp HMG-CoA i metabola schemat och tag reda vilka föreningar som är beroende av HMG-CoA för sin syntes? Varför finns det två olika pooler av HMG-CoA? 85. Redogör för biosyntesen av ketonkroppar. 86. Nämn några organ som kan använda ketonkroppar som energikälla. Varför kan inte levern bryta ner ketonkropparna? 87. En person som svälter använder bland annat ketonkroppar som energikälla. Redogör för hur denna person kan erhålla energi från ketonkropparna i de extrahepatiska vävnaderna (t.ex. hjärnan). 88. Redogör för hur plasmanivåerna av fettsyror och ketonkroppar varierar under svält. 10