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 нуклеозиддифосфаткиназа УТФ
Ост. АТФ
При этом АТФ → АДФ

Т.о. строятся линейные отрезки гликогена, т.е. образуется 1→4 гликозидные сязи.
Образование разветвлений в молекуле гликогена происходит под действием специфического гликогенветвящего фермента амило(α1,4→α1,6)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, активная фосфорилир. 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 1→6 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
2
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.









Каскадный механизм мобилизации и синтеза 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.
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 α-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

1 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 реакции гликолиза включается только глицеральдегид-3-фосфат. По мере его потребления в ходе дальнейших превращений дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

2 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.