Механизм фосфорилитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.
СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА
Наиболее важным углеводом организма человека является глюкоза. Она поступает с пищей, в глюкозу превращаются углеводы в печени, из глюкозы могут образоваться все остальные углеводы в организме. Она является универсальным топливом. Глюкоза превращается в гликоген в печени, и гликоген служит источником глюкозы в организме.
Биосинтез гликогена – гликогенез происходит в процессе пищеварения (в течении 1-2 часов после приема углеводной пищи). Особенно активно гликогенез происходит в печени и мышцах:
1– 2. Фосфорилирование глк
Катализирует реакцию фермент гексокиназа. В печени также есть фермент глюкокиназа класс Трансферазы.
Клеточная мембрана проницаема для глк, но не проницаема для фосфорилирования, глк как бы запирается в клетке.
3. Через фосфодиэфирную связь глюкоза соединяется с УДФ. УДФ–глк. является активированной формой глк, непосредственно включающейся в реакцию полимеризации. УДФ – глюкоза переносит глюкозный остаток на затравочное количество гликогена, уже имеющегося в мышцах или печени.
Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > УДФ-глюкоза + Н4Р2О7 (пирофосфат)
4.
5. УДФ + Н3РО4 нуклеозиддифосфаткиназаУТФ
Ост. АТФ
При этом АТФ АДФ
Т.о. строятся линейные отрезки гликогена, т.е. образуется 14 гликозидные сязи.
Образование разветвлений в молекуле гликогена происходит под действием специфического гликогенветвящего фермента амило(1,41,6)трансгликозилазы, который переносит короткие фрагменты (по 2-3 глюкозных остатка) с одного участка гликогена на другой и образует 1,6-гликозидные связи (точка ветвления). Путем чередования действия этих двух ферментов наращивается молекула гликогена.
Е гликогенсинтетаза находится в организме в двух формах: фосфорилированная или неактивная форма, которая называется гликогенсинтетаза Д; нефосфорилированная или активная гликогенсинтетаза I.
Переход этих форм друг в друга происходит с помощью двух ферментов:
Киназы гликогенсинтетазы
Фосфотазы гликогенсинтетазы АДФ
АТФ киназа
Нефосфорил-я, активнаяфосфорилир.неактивная
гликогенсинтетаза I фосфотаза гликогенсинтетаза Д
Среднее содержание гликогена в печени колеблется в пределах 5-7%
а) при нормальном смешанном питании глк превращается в
- гликоген 3%
- жиры 30%
- окисляется до СО2, Н2О – 70%
б) при обильном углеводном питании глк превращается в
- гликоген 10%
- жиры 40%
- окисляется до СО2, Н2О – 50%
в) при голодании в течении суток почти весь гликоген без остатка утилизируется и его не удается обнаружить в печени обычными биохимическими реакциями.
Содержание гликогена в печени зависит от его синтеза (гликогенеза) или распада (гликогенолиза).
Распад гликогена (гликогенолиз)
происходит двумя путями
гликоген
_______________________________________________________________
| | |
Фосфоролиз (+Фн) гидролиз (+Н2О)
Глюкоза-1-фосфат глюкоза
Глюкоза-6-фосфат
Лактат
(гликолиз)
Гидролиз гликогена (крахмала) происходит в ЖКТ под действием специфических амилаз.
Энергетически более выгодным является второй путь расщепления гликогена – фосфоролиз. Фосфоролитический распад играет ключевую роль в мобилизации полисахаридов.
гликогенфосфорилаза
(C6H10O5)n+ H3PO4 (C6H10O5)n–1+ Глюкозо-1-фосфат,
где (С6Н10О5)n означает полисахаридную цепь гликогена, а (С6Н10О5)n,– ту же цепь, но укороченную на один глюкозный остаток.
В этой реакции от нередуцирующего конца отщепляется один остаток глюкозы и соединяется в фосфорной кислотой, процесс повторяется многократно, пока весь полимер не будет расщеплен до точки ветвления. Образуется остаточный декстрин. Другой фермент изоамилаза, разрывает 16 гликозидные сязи, далее для действия фосфорилазы отрывается новый участок полисахаридной цепи. Фосфоролиз энергетически более выгоден, т.к. в результате образуется глюкоза уже в активированном состоянии – глюкоза-1-фосфат, которая легко вступает в различные реакции
Гликоген
 |
Фн 1
 |
Глюкоза-1-фоосфат
Глюкоза-6-фосфат
 |  |
Анаэробный гликолиз Синтез глюкозы
(лактат)
Синтез глюкозы из глицерина
1. глк-1-ф фосфоглюкомутаза глк-6-ф
2. глк-6-ф глк-6-фосфотаза печени глк + H3PO4
Механизм фосфорилитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.
Гликогенфосфорилаза или просто фосфорилаза существует в двух формах: А и В.
Форма А более активна, чем В.
Оличаются они друг от друга тем, что
фосфорилаза А это тетрамер, состоящий из 4-х субъединиц с Мr=360000Да
фосфорилаза В – димер, содержащий две субъединицы, его Мr=180000Да.
Превращение неактивной формы в активную протекает по схеме:
2 фосфорилазы В + 4 АТФ акт.киназа фосфорилазы В фосфорилаза А + 4 АДФ
Под действием адреналина и глюкогона запускается каскад реакций, который заканчивается распадом гликогена.
Неактивная киназа фосфорилазы превращается в активную под влиянием фермента цАМФ-зависимой протеинкиназы.
Активная форма последней образуется при участии цАМФ, которая в свою очередь образуется из АТФ под действием фермента аденилатциклазы, стимулируемой, в частности, адреналином и глюкагоном. Увеличение содержания адреналина в крови приводит в этой сложной цепи реакций к превращению фосфорилазы В в фосфорилазу А и, следовательно, к освобождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида гликогена. Обратное превращение фосфорилазы А в фосфорилазу В катализируется ферментом фосфатазой (эта реакция практически необратима).
При отсутствии потребности организма в дополнительной глюкозе распад гликогена прекращается.
Каскадный механизм мобилизации и синтеза гликогена
Под действием специфических ферментов происходит инактивирование фосфорилазы А и активирование гликогенсинтазы I, начинается синтез гликогена.
Т.о. активирование 1-го фермента каскада – аденилатциклазы приводит к увеличению распада гликогена и подавлению его синтеза.
Гликолиз
В клетках человека и других высших организмов образование энергии происходит не только в просе окислительного фосфорилирования (аэробным путем), но и в ходе распада питательных веществ без участия О2 (анаэробным путем). Главным источником получения энергии анаэробным путем служат гексозы, прежде всего -Д-глюкоза.
Гликолиз – это анаэробный распад глк до 2-х молекул молочной кислоты (лактата), протекающих в гиалоплазме клетки.
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза
Это экзергонический процесс (выделяется энергия). Освобождающаяся в результате гликолиза энергия аккомулируется в фосфатных связях АТФ.
По имени авторов, изучавших этот процесс более проблемно, гликолиз называют путем Элебдена-Мейергофа-Парнаса.
Отдельные стадии гликолиза катализируются 11-ю ферментами.
Анаэробный гликолиз можно подразделить на две стадии:
| 1 стадия - | активирование глюкозы и дальнейший ее распад на две триозы (5-я р-ция) |
| 2 стадия - | Включает окислительно-восстановительную реакцию (р-цию оксиредукции) сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ |
СТАДИЯ
1. Р-ция фосфорилирования глк, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:
Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы и практически необратимым процессом.
Глк-6-ф в отличии от глк, не проходит через мембрану и как бы «запирается в клетке».
Гексокиназа существует в виде четырех изомеров. Первые три преобразуют различные виды гексоз, включая глк.
Гексокиназа IV (глюкокиназа) фосфорилирует только глк, имеется в печени, включается в работу при значительных концентрациях глк в крови воротной вены. Остальные изоформы существуют во всех органах и тканях.
Гексокиназыа ингибируется глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.
2. Превращение (изомеризация) глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо- 6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат:
Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов.
3. Образовавшийся фруктозо-6-фосфат фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза, так как здесь происходит резкое падение свободной энергии.
Фермент фосфофруктокиназа по своей природе аллостерический фермент. Она ингибируется АТФ и стимулируется АМФ . При значительных величинах отношения АТФ/АМФ активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.
4. Под влиянием фермента альдолаза фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:
Эта реакция обратима. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид -3-фосфата).
5.Реакция изомеризации триозофосфатов.
Равновесие данной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата. Образуется 95% дигидроксиацетонфосфата и 5% глицеральдегид-3-фосфата. В последующие реакциигликолиза включается только глицеральдегид-3-фосфат. По мере его потребления в ходе дальнейших превращений дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.
СТАДИЯ
6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата в присутствии фермента глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата (гликолитическая оксидоредукция) с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН).
Реакция обратима, продукты реакции блокируют фермент, поэтому необходимо использовать их непрерывно в ходе реакции.
7. Передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновойокислоты (3-фосфоглицерат):
Р-ция экзергоническая, происходит значительное падение свободной энергии, равновесие сдвинуто влево.
Реакция обратима – это первая реакция гликолиза где образуется АТФ.В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.
8. Реакция изомеризации. Сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы.
Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+.
9. Реакция дегидратации. Катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). В результате образуется еще 1 макроэргическая связь. Реакция обратима.
Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+ или Мn2+ и ингибируется фторидом.
10. 2-ая реакция гликолитического фосфорилирования. Реакция необратима. Характеризуется резким падением свободной энергии, разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Синтезируется еще одна молекула АТФ.
Активируется в присутствии ионов Mg2+, одновалентных катионыов щелочных металлов (К+ или др.). Ингибируется продуктами реакции ПВК и АТФ.
11. Восстановление пировиноградной кислоты до молочной кислотаы. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:
Продукт реакции лактат является «тупиком» в обмене веществ, т.к. не вступает ни в один биохимический процесс, кроме обратного превращения в ПВК. При накоплении лактата в клетке нарушается ее рН и останавливается гликолиз.
Т.о. Анаэробный гликолиз – это распад глюкозы до ПВК (с 1-ой до 10 р-ции). При потребности в большем количестве энергии происходит дальнейшее окисление ПВК (ее окислительное декарбоксилирование, преобразование в ацетил-КоА и полное окисление в ЦТК.
Энергетический баланс и биологическая функция гликолиза.
Распад АТФ происходит в 1-ой и 3-ей реакцих, на стадии фосфорилирования глк и фрк.
Если учесть, что весь дигидроксиацетон (5-я реакция), превращается в альдегид, то дальше происходят биохимические превращения двух триоз, а значит образование 4-х молекул АТФ в двух стадиях гликолитического фосфорилирования.
Т.е. Энергетическая ценность гликолиза – образование двух молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.
Три фермента – гексокиназа, фосфофруктокиназа, пируваткиназа (три необратимые реакции) лимитируют скорость гликолиза. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами. Воздействуя на них можно регулировать эту скорость.
Хотя анаэробный гликолиз дает малый выход энергии (2 молекулы АТФ на 1 мол глк), это единственный процесс в клетках организма, образующий энергию в отсутствии кислорода.
Поэтому в кризисных ситуациях (гипоксия) роль анаэробного гликолиза неоценимо велика, т.к. гликолиз протекает во всех клетках и тканях. В этом биологическая роль гликолиза.