Metabolicheskaia_biokhimiia

171

за счет гликозилтрансферазной активности гликогенина. Когда присоединится более 7 остатков глюкозы, гликогенсинтаза начинает удлинять синтезируемую цепь и отделяется от гликогенина (4). Гликогенсинтаза и браншинг-фермент (5) синтезируют молекулу гликогена. Гликогенин остается внутри молекулы гликогена ковалентно связанный с одним редуцирующим концом молекулы гликогена.

Распад гликогена (гликогенолиз)

Гликогенолиз – это процесс расщепления гликогена, приводящий к вовлечению глюкозных остатков этого запасного полисахарида в гликолиз.

Существует 2 пути распада внутриклеточного гликогена:

гидролитический или амилолитический (более древний) и

фосфоролитический. По гидролитическому пути распад гликогена катализируется ферментом γ-амилазой в печени млекопитающих в присутствии воды и выделяется свободная глюкоза.

Фосфоролитический путь является основным путем распада гликогена у животных и катализируется ферментом фосфорилазой:

(С6Н12О5)n + Н3РО4 → (С6Н12О5)n-1 + Глюкозо-1-фосфат Гликогенфосфорилаза является димером из двух идентичных

субъединиц с молекулярной массой 97 кДа. Каждая субъединица компактно уложена в N-терминальный домен (480 аминокислотных остатков, содержит гликогенсвязывающее место) и C-терминальный домен (360 аминокислотных остатков). Активный центр локализован в щели между двумя доменами белка. Для функционирования фермента необходимо производное витамина В6 пиридоксаль-5-фосфат. Альдегидная группа этого кофермента образует Шиффово основание с остатком лизина полипептидной цепи фермента. Этот небелковый фактор участвует в кислотно-основном каталитическом процессе, связанным с отщеплением конечного остатка глюкозы от цепи гликогена и его выделения в виде глюкозо-1-фосфата. Фосфоролитическое расщепление гликогена энергетически выгодно, т.к. высвобождается фосфорилированная глюкоза. Фосфорилированная глюкоза в мышечной ткани не может высвобождаться в кровь вследствие отсутствия фермента глюкозо-6-фосфатазы. Фосфоролитическое расщепление гликогена включает несколько стадий.

1.Фермент фосфорилаза специфично катализирует расщепление α- 1→4-гликозидных связей гликогена. Остатки глюкозы отщепляются от концов молекулы гликогена до тех пор, пока на ветвях, идущих от точки ветвления не останется примерно по 4 остатка глюкозы.

2.Фермент α-1,4→1,4-глюкантрансфераза переносит трисахаридный фрагмент с одной цепи на другую, открывая α-1→6-гликозидную связь.

3.Гидролитическое расщепление α-1→6-гликозидной связи осуществляет фермент амило-1,6-гликозидаза (деветвящий, дебраншингфермент), что приводит к отщеплению одной молекулы свободной глюкозы

иоткрывает для действия гликогенфосфорилазы новый участок, состоящий из остатков глюкозы, соединенных α-1→4-связями, на рисунке 48.

4.Из глюкозо-1-фосфата образуется глюкозо-6-фосфат. В печени

171

172

имеется специфический фермент глюкозо-6-фосфатаза, который отщепляет фосфат от глюкозо-6-фосфата. Образовавшаяся глюкоза диффундирует из клеток в кровь и поглощается преимущественно мозгом и мышцами. Это заключительная стадия гликогенолиза в печени, приводящая к повышению содержания глюкозы в крови.

Рисунок 48. – Действие дебраншинг фермента

Регуляция гликогенеза и гликогенолиза

Главные ферменты, контролирующие метаболизм гликогена

(гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза), регулируются аллостерически и ковалентной модификацией путем фосфорилирования и дефосфорилирования фермента.

1. В печени фосфорилаза находится в активной и неактивной форме.

Активная фосфорилаза (фосфорилаза а) – фосфорилированный тетрамер.

Под действием специфической фосфатазы фосфорилаза а переходит в неактивную фосфорилазу b (димер) в результате гидролитического отщепления фосфата от остатка серина. Переход неактивной фосфорилазы b в фосфорилазу а происходит путем фосфорилирования под действием киназы фосфорилазы.

172

173

Соотношение между неактивным Т-состоянием фосфорилазы b и активным R-состоянием фосфорилазы а определяется энергетическим зарядом мышечной клетки. Глюкозо-6-фосфат и АТФ стабилизируют неактивное Т-состояние фермента (фосфорилаза b). Фосфорилаза а всегда активна, независимо от концентраций АМФ, АТФ и глюкозо-6-фосфата. В покое преобладает фосфорилаза b, а при работе АМФ переводит фермент в активную форму а.

2.Киназа фосфорилазы существует в 2-х формах – активной – фосфорилированной и неактивной – дефосфорилированной. Переход активной формы в неактивную осуществляется при отщеплении фосфорной кислоты. Активация киназы фосфорилазы происходит при участии фермента

протеинкиназы.

3.Гликогенсинтаза может находиться в фосфорилированном и

нефосфорилированном состоянии. Активна дефосфорилированная форма фермента – гликогенсинтаза а, которая переходит в неактивную гликогенсинтазу b (зависима от концентрации глюкозо-6-фосфата) путем фосфорилирования гидроксильных групп остатков серина под действием протеинкиназы. Превращение гликогенсинтазы b в активную форму а происходит под действием протеинфосфатазы путем отщепления фосфатных групп от остатков серина.

4.Протеинкиназа состоит из 4-х субъединиц (тетрамер) – 2-х

регуляторных (R) и 2-х каталитических (С). В комплексе R2C2 фермент неактивен и активируется под действием циклического АМФ (цАМФ). 2 молекулы цАМФ присоединяются к каждой регуляторной субъединице протеинкиназы, что вызывает его диссоциацию с высвобождением каталитических субъединиц:

R2C2 + 4цАМФ → 2 С + 2 (R – 2 цАМФ)

Активная протеинкиназа переносит остаток фосфорной кислоты от АТФ на специфические белки (ферменты), что вызывает изменение их активности.

5.цАМФ (3′5′-АМФ) образуется из АТФ, реакция катализируется ферментом аденилатциклазой, который находится на внутренней поверхности мембраны и на внешней стороне мембраны связан с рецептором для гормонов, рисунок 49.

6.Фермент фосфодиэстераза разрушает цАМФ путем разрыва кольца

собразованием АМФ.

Общая схема регуляции синтеза и распада гликогена представлена на рисунке 50.

173

174

Рисунок 49. – Образование и разрушение цАМФ

При голодании или в стрессовых ситуациях увеличивается потребность в глюкозе.

1.В мышце под действием адреналина, а в печени – глюкагона и адреналина, происходит активация аденилатциклазы, которая из АТФ синтезирует цАМФ. Последний связывается с R-субъединицей протеинкиназы и активирует ее. Протеинкиназа фосфорилирует киназу фосфорилазу b и переводит ее в активную форму (киназу фосфорилазы а). Киназа фосфорилазы a фосфорилирует фосфорилазу b и переводит ее в фосфорилазу а, что активирует распад гликогена. Инсулин ингибирует аденилатциклазу и активирует фосфодиэстеразу, что уменьшает концентрацию цАМФ. Протеинкиназа, киназа фосфорилазы и фосфорилаза остаются в неактивной форме, что тормозит распад гликогена. Таким образом, происходит каскад ферментативных реакций, что создает высокую степень амплификации. При распаде гликогена – 3 ферментативных стадии контроля, при синтезе – 2.

2.В мышцах фосфорилаза b может активироваться аллостерически под действием АМФ, оставаясь при этом дефосфорилированной. АТФ действует как отрицательный аллостерический эффектор.

3.В мышцах сразу после мышечного сокращения гликогенолиз

возрастает в несколько сотен раз. Процесс включает быструю активацию фосфорилазы через ионы кальция. Ионы Са2+ активируют киназу

фосфорилазы, связываясь с субъединицей киназы фосфорилазы b, идентичной Са2+-связывающему белку – кальмодулину.

4.Гликогенсинтаза b может активироваться аллостерически под действием глюкозо-6-фосфата. Инсулин стимулирует синтез гликогена в мышце, способствуя дефосфорилированию и активации гликогенсинтазы.

174

175

Рисунок 50. – Регуляция синтеза и распада гликогена

Регуляция распада гликогена носит каскадный характер рисунок 51. Получены данные, свидетельствующие о важной роли

протеинфосфатаз в регуляции обмена гликогена. Эффекты протеинкиназ при фосфорилировании ферментов отменяют протеинфосфатазы, дефосфорилирующие фосфорилированные ферменты.

Важную роль в регуляции обмена гликогена в печени играет концентрация глюкозы в крови. После еды, богатой углеводами, в крови повышается уровень глюкозы, что ведет к активации синтеза гликогена в печени. Этот эффект опосредуется действием инсулина и особыми механизмами регуляции в печени. Печень отслеживает уровень глюкозы в крови и изменяет активность регуляторных ферментов. Так, количество активной фосфорилазы а быстро уменьшается после введения раствора глюкозы в кровь. Через некоторое время (лаг-период) количество гликогенсинтазы а повышается, что и определяет синтез гликогена. Считают, что фосфорилаза служит сенсором уровня глюкозы в клетках печени. Связывание глюкозы с фосфорилазой а сдвигает равновесие от активного R состояния в неактивное Т-состояние. Эти конформационные изменения облегчают связь фермента с протеинфосфатазой и перевод фосфорилазы в неактивное состояние.

175

176

Рисунок 51. – Регуляторный каскад распада гликогена

Неактивная фосфорилаза b не связывается с протеинфосфатазой. Протеинфосфатаза освобождается и получает возможность дефосфорилировать гликогенсинтазу b и перевести ее в активное состояние гликогенсинтазы а. Смотри рисунок 52. В норме на 10 молекул фосфорилазы а приходится одна молекула протеинфосфатазы. Поэтому лаг-период для начала синтеза гликогена связан с необходимостью перевода большого количества молекул фосфорилазы а в фосфорилазу b для освобождения необходимого количества молекул протеинфосфатазы I. Отметим, что равновесие R-Т состояние для мышечной фосфорилазу а не зависит от концентрации глюкозы в крови.

Рисунок 52. – Глюкоза крови регулирует метаболизм гликогена в печени

176

177

Отметим, что некоторые исследователи неактивную гликогенсинтазу b называют гликогенсинтазой D, а активную гликогенсинтазу а – гликогенсинтазой I.

Гликогенозы - заболевания, связанные с накоплением гликогена, носят врожденный характер и зависят от недостаточности ферментов обмена гликогена или глюкозы, таблица 9.

Таблица 29. – Врожденные заболевания накопления гликогена в органах

177

178

Раздел 5. ОБМЕН ЛИПИДОВ

Тема 5.1 Основные пути катаболизма липидов

5.1.1 Расщепление и всасывание липидов в желудочно-кишечном тракте

Липиды являются обязательной составной частью сбалансированного пищевого рациона человека. В среднем в организм взрослого человека с пищей ежесуточно поступает 60–80 г жиров животного и растительного происхождения. В пожилом возрасте, а также при малой физической нагрузке потребность в жирах снижается, в условиях холодного климата и при тяжелой физической работе – увеличивается. Значение жиров как пищевого продукта весьма многообразно. Жиры в питании человека прежде всего имеют важное энергетическое значение. Энергетическая ценность жиров выше, чем белков и углеводов. Известно, что при окислении 1 г жиров организм получает 38,9 кДж (9,3 ккал), тогда как при окислении 1 г белков или углеводов – 17,2 кДж (4,1 ккал). Кроме того, жиры являются растворителями витаминов A, D, Е и К, в связи с чем обеспеченность организма этими витаминами в значительной степени зависит от поступления жиров в составе пищи. С жирами в организм вводятся и некоторые полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые относят к категории незаменимых (эссенциальных) жирных кислот, так как ткани человека и ряда животных потеряли способность синтезировать их. Эти кислоты условно объединены в группу под названием витамин F . Известно также, что жир обеспечивает вкусовые качества пищи; кроме того, он необходим для ее приготовления и хранения. Все это привело к тому, что потребление жира в высокоразвитых странах столь велико, что за его счет покрывается более 35%, а во многих странах более 40% энерготрат организма. Это в свою очередь очень часто ведет к тому, что прием обогащенной жирами пищи перекрывает физиологические потребности организма в энергии. Отсюда такие неблагоприятные явления, как ожирение значительной части населения. Поэтому знание метаболизма липидов нормального организма необходимо и для понимания причин многих болезней. Известно, что нарушения метаболизма липидов возникают, например, как при избыточном, так и при недостаточном приеме жиров, дефиците тех или иных ферментов, при дисбалансе гормонов и т.д.

Расщепление триглицеридов в пищеварительном тракте. Слюна не содержит расщепляющих жиры ферментов. Следовательно, в полости рта жиры не подвергаются никаким изменениям. У взрослых людей жиры проходят через желудок также без особых изменений. В желудочном соке содержится липаза, получившая название желудочной, однако роль ее в гидролизе пищевых триглицеридов у взрослых людей невелика. Во-первых, в желудочном соке взрослого человеа и других млекопитающих содержание липазы крайне низкое. Во-вторых, рН желудочного сока далек от оптимума

178

179

действия этого фермента (оптимальное значение рН для желудочной липазы 5,5–7,5). Напомним, что значение рН желудочного сока около 1,5. В-третьих, в желудке отсутствуют условия для эмульгирования триглицеридов, а липаза может активно действовать только на триглицериды, находящиеся в форме эмульсии. Поэтому у взрослых неэмульгированные триглицериды, составляющие основную массу пищевого жира, проходят через желудок без особых изменений. Вместе с тем расщепление триглицеридов в желудке играет важную роль в пищеварении у детей, особенно грудного возраста. Слизистая оболочка корня языка и примыкающей к нему области глотки ребенка грудного возраста секретирует собственную липазу в ответ на сосательные и глотательные движения (при кормлении грудью). Эта липаза получила название лингвальной. Активность лингвальной липазы не успевает проявиться в полости рта, и основным местом ее воздействия является желудок. Оптимум рН лингвальной липазы в пределах 4,0–,5; он близок к величине рН желудочного сока у таких детей. Лингвальная липаза наиболее активно действует на триглицериды, содержащие жирные кислоты

скороткой и средней длиной цепи, что характерно для триглицеридов молока. Иными словами, жир молока – самый подходящий субстрат для этого энзима.

После того как химус попадает в двенадцатиперстную кишку, прежде всего происходит нейтрализация попавшей в кишечник с пищей соляной кислоты желудочного сока бикарбонатами, содержащимися в панкреатическом и кишечном соках. Выделяющиеся при разложении бикарбонатов пузырьки углекислого газа способствуют хорошему перемешиванию пищевой кашицы с пищеварительными соками. Одновременно начинается эмульгирование жира. Наиболее мощное эмульгирующее действие на жиры оказывают соли желчных кислот, попадающие в двенадцатиперстную кишку

сжелчью в виде натриевых солей. Большая часть желчных кислот конъюгирована с глицином или таурином. По химической природе желчные кислоты являются производными холановой кислоты:

Холановая кислота Желчные кислоты представляют собой основной конечный продукт метаболизма холестерина. В желчи человека в основном содержатся холевая (3,7,12-триоксихола- новая), дезоксихолевая (3,12диоксихолановая) и хенодезоксихолевая (3,7- диоксихолановая) кислоты (все гидроксильные группы имеют α-конфи- гурацию и поэтому обозначены пунктирной линией):

179

180

Кроме того, в желчи человека в малых количествах содержатся литохолевая (3α-оксихолановая) кислота, а также аллохолевая и уреодезоксихолевая кислоты –стереоизомеры холевой и хенодезоксихолевой кислот. Как отмечалось, желчные кислоты присутствуют в желчи в конъюгированной форме, т.е. в виде гликохолевой, гликодезоксихолевой, гликохенодезоксихолевой (около 2/3 –4/5 всех желчных кислот) или таурохолевой, тауродезоксихолевой и таурохенодезоксихолевой (около 1/5 – 1/3 всех желчных кислот) кислот. Эти соединения иногда называют парными желчными кислотами, так как они состоят из двух компонентов – желчной кислоты и глицина или таурина. Соотношения между конъюгатами обоих видов могут меняться в зависимости от характера пищи: в случае преобладания в ней углеводов увеличивается относительное содержание глициновых конъюгатов, а при высокобелковой диете – тауриновых конъюгатов. Строение парных желчных кислот может быть представлено в следующем виде:

Считают, что только комбинация соль желчной кислоты + ненасыщенная жирная кислота + моноглицерид придает необходимую степень эмульгирования жира. Соли желчных кислот резко уменьшают поверхностное натяжение на поверхности раздела жир/вода, благодаря чему они не только облегчают эмульгирование, но и стабилизируют уже образовавшуюся эмульсию. Известно, что основная масса пищевых глицеридов подвергается расщеплению в верхних отделах тонкой кишки при действии липазы панкреатического сока. Этот фермент был впервые обнаружен известным французским физиологом С. Bernard в середине прошлого века.

180