Распад гликогена

Между приемами пищи гликоген печени расщепляется и превра­щается в глюкозу, которая выходит в кровь. Этот распад идет с уча­стием фосфорной кислоты и называется фосфоролизом. Под дейст­вием фосфорной кислоты от наружных цепей гликогена поочередно отщепляются остатки глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата. Полно­стью гликоген не расщепляется. Оставшиеся небольшие молекулы гликогена служат в дальнейшем «затравкой» при его синтезе из глю­козы.

Фосфоролиз гликогена протекает по следующему уравнению:

Исходный гликоген +

Н₃Р0₄

 Гл – 1 - Ф + Гликоген- « затравка »

Последующее превращение глюкозо-1-фосфата в свободную глюко­зу осуществляется в две стадии. На первой стадии глюкозо-1-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат; на второй стадии происходит гидролиз глюкозо-6-фосфата и образуется свободная глюкоза и фосфорная ки­слота:

Гл-1-Ф  Гл-6Ф  Глюкоза + Н₃РО₄

Распад гликогена в печени до глюкозы часто обозначается терми­ном глнжогенез, он ускоряется гормонами глюкагоном и адренали­ном.

Благодаря протеканию в печени двух противоположных процессов: синтеза гликогена из глюкозы и его распада снова на глюкозу, ее кон­центрация в крови изменяется только в небольшом диапазоне, поэтому кровь постоянно снабжает все органы глюкозой.

В мышцах расщепление гликогена обычно наблюдается при выпол­нении физической работы. Однако свободная глюкоза здесь не образу­ется, так как в мышечных клетках нет фермента, вызывающего гидро­лиз глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-1-фосфат и глюкозо-6-фосфат из-за наличия фосфатного остатка через стенку мышечных клеток проходить не могут, поэтому все дальнейшие превращения этих соединений про­текают непосредственно в мышцах и направлены на обеспечение их энергией.

Распад гликогена в мышцах стимулирует гормон адреналин, кото­рый выделяется в кровь как раз во время мышечной работы.

Метаболизм глюкозы

Использование глюкозы в организме осуществляется двумя путями:

• Большая часть глюкозы (90-95%) подвергается распаду по гексозодифосфатному пути (ГДФ-путь), который является для организма главным источником энергии (гликолиз).

• Незначительная часть глюкозы (5-10%) распадается по гексозомонофосфатному пути (ГМФ-путь), имеющему анаболическое назначение и обеспечивающему различные синтезы рибозой и водородом в форме НАДФ-Н₂.

Гексозодифосфатный путь (гдф-путь)

ГДФ-путь (гликолиз) может протекать аэробно и анаэробно. Аэробный ГДФ-путь функционирует постоянно, а анаэробный распад углеводов на­блюдается только при повышенной потребности клеток в энергии, в основном в скелетных мышцах.

Аэробный распад углеводов

Аэробный распад углеводов по ГДФ-пути - сложный, многоста­дийный процесс, включающий десятки промежуточных реакций, при­водящих в конечном счете к образованию углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии. Этот процесс можно разде­лить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап ГДФ-пути происходит в цитоплазме клеток. На этом этапе глюкоза превращается в пировиноградную кислоту (пируват). Этот этап часто называют гликолизом.

Н

СН₂РО₃Н₂

а первой стадии глюкоза путем взаимодействия с АТФ переходит в активную форму - глюкозо-6-фосфат:

СН₂ОН

ОН

НО

ОН

Глюкозо-6-фосфат

Это единственная реакция, которой подвергается в организме глюкоза. Поэтому все превращения глюкозы в организме начинаются с образования глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат вступает в различные пути метаболизма глюкозы (например, рассмотренный вы­ше синтез гликогена).

На следующих стадиях глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который, взаимодействуя с АТФ, далее превращается во фруктозо-1,6-дифосфат. (Этим объясняется название данного пути рас­пада углеводов - гексозодифосфатный путь, поскольку фруктоза со­держит шесть атомов углерода и относится к гексозам.)

Перечисленные реакции можно описать следующими уравнениями:

СН₂ОРО₃Н₂

С Н₂ОРО₃Н₂

+

СН₂ОРО₃Н₂

АТФ _|

ОН

он

НО

ОН

ОН

он Фруктозо-1,6-дифосфат

ОН

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон,

которые являются изомерами и легко переходят друг в друга:

НС=О

!

СН₂ОРО₃Н₂

СНОН -

!

СН₂ОРО₃Н₂

Фосфоглицериновый альдегид

О=С - СН₂ОН

+ !

СН₂ОРО₃Н₂

он

он

Фруктозо-1,6-дифосфат

Фосфодиоксиацетон

В последующих реакциях данного этапа участвует только фосфог­лицериновый альдегид, и по мере его использования в него превраща­ется фосфодиоксиацетон:

Поэтому можно считать, что из глюкозы образуется две молекулы фосфоглицеринового альдегида.

Следующая стадия - окисление фосфоглицеринового альдегида, протекающее непосредственно в цитоплазме. В ходе этой реакции от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и временно присоединяются к коферменту НАД. За счет выделяющейся при окис­лении энергии в продукт реакции включается еще один фосфатный ос­таток, который присоединяется макроэргической связью:

НС=О НС - 0~Р0₃Н₂

+ НАД + Н₃РО₄ 

+ НАД-Н₂

I

I

НСОН

I

НСОН

СН₂ОРО₃Н₂

I

С

Фосфоглицериновый альдегид 1,3-дифосфоглицерат

Н₂ОРО₃Н₂

При невысокой скорости распада углеводов (в покое или при работе умеренной мощности) весь образовавшийся НАД-Н₂ передает атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где эти атомы связывают­ся с молекулярным кислородом и превращаются в воду. За счет выде­ляющейся при этом энергии осуществляется синтез АТФ. Как уже от­мечалось, перенос двух ато­мов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

Таким образом, в данных условиях первый этап ГДФ-пути протека­ет аэробно. Поскольку из глюкозы образуется две молекулы фосфог­лицеринового альдегида и соответственно две молекулы восстановлен­ного НАД, то в расчете на одну молекулу глюкозы в процессе тканево­го дыхания осуществляется синтез шести молекул АТФ.

На следующей стадии фосфатный остаток, благодаря наличию мак­роэргической связи, легко передается на молекулу АДФ с образовани­ем АТФ:

Такой способ синтеза АТФ, осуществляющийся без участия тканевого дыхания и, следовательно, без потребления кислорода, обеспеченный за­пасом энергии субстрата, называется анаэробным, или субстратным, фосфорилированием. Это самый быстрый путь получения АТФ.

На последующих стадиях образовавшийся 3-фосфоглицерат изоме-зуется в 2-фосфоглицерат, от которого затем отщепляется молекула воды, что приводит к перераспределению энергии в молекуле и воз­никновению макроэргической связи:

соон

I

НСОРО₃Н₂

_!

СН₂ОН

О=С- ОН

!

С-О-РО_ЭН₂

8) . 9)

-нон

соон

!

СН₂

Фосфоенолпируват

I

НСОН —>

I

СН₂ОРО₃Н₂

3-фосфоглицерат

2-фосфоглицерат

Завершается первый этап ГДФ-пути реакцией анаэробного фосфорилирования, в ходе которой синтезируется еще одна молекула АТФ:

О=СОН

!

C=О

!

CН₃

СООН

+ АТФ

С-О~РО₃Н₂ +АДФ 

II

СН₂

Фосфоенолпируват

Пируват (Пировиноградная кислота)

Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется две молеку­лы фосфоглицеринового альдегида, всего синтезируется десять моле­кулы АТФ (шесть - аэробно и четыре - анаэробно). При этом следует учесть, что на первых стадиях расходуется две молекулы АТФ на акти­вацию глюкозы и фруктозо-б-фосфата. В итоге превращение глюкозы в пируват сопровождается синтезом восьми молекул АТФ.

Суммируя уравнения всех стадий, можно получить итоговое урав­нение первого этапа:

С₆Н₁₂О₆ +

Глюкоза

О ₂ + 8 АДФ + 8 Н₃РО₄

2С₃Н₄0₃ + 2Н₂0

Пируват

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из лактата (см. ниже) может синтезироваться глюкоза, а из нее затем гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути протекают в митохондриях с участием дыхательной цепи и поэтому обязательно требуют О_2. Эти этапы, в отличие от первого, необратимы.

В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляется уг­лекислый газ и два атома водорода. Отщепленные атомы водорода по дыхательной цепи передаются на кислород с выделением воды и од­новременным синтезом АТФ, а образовавшаяся из пирувата уксусная кислота присоединяется макроэргической связью к коферменту А - I переносчику остатков кислот.

Кофермент А содержит в своей молекуле остаток витамина B₃ (пантотеновой кислоты) -- и имеет свободную SН-группу. В сокращен­ном виде он обозначается – НS-КоА.

Образовавшийся комплекс уксусной кислоты и кофермента А назы­вается ацетилкофермент А. Уксусная кислота, связанная с кофермен-том А, обладает высокой химической активностью, поэтому ацетилко­фермент А часто называют активной уксусной кислотой.

В одной из реакций этого этапа еще участвует в качестве кофер­мента производное витамина B ₁- тиаминдифосфат.

'4

Пируват

Итоговое уравнение второго этапа ГДФ-пути:

С₃Н₄О₃ + 1/2 О₂ + HS-КоА + 3 АДФ + 3 Н₃РО₄ —>

КоферментА

H SКоА + СО₂ + Н₂О + 3 АТФ + Ацетил-КоА

На третьем этапе остаток уксусной кислоты, входящий в состав ацетилкофермента А, подвергается дальнейшему окислению и пре­вращается в СО₂ и Н₂О. Этот этап носит циклический характер и назы­вается циклом трикарбоновых кислот (ЦТК), или циклом Кребса. За счет выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется син­тез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) - это завершающий этап ката­болизма не только углеводов, но и всех остальных классов органиче­ских соединений. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жи­ров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт - ук­сусная кислота, связанная со своим переносчиком - коферментом А -в форме ацетилкофермента А.

Вышесказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

У глеводы Жиры

Белки

(аминокислоты)

Ацетил-КоА

цтк

СО₂

Н₂О

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным потребле­нием кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

COOH

COOH

I

O

II

СН₃С~HSkoA+

HS-ko A

Лимонная к-та