Распад гликогена (глюкогенез)

В мобилизации гликогена ключевую роль играет фосфоролитический распад. Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности гликоген) из запасной формы в метаболически активную форму; в присутствии фосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы (глюкозо-1-фосфата) без предварительного расщепления на более крупные части молекулы полисахарида. Большую роль в процессе образования глюкозо-1-фосфата играет аденилатциклазный механизм.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат превращается под действием фосфоглюкомутазы в глюкозо-6-фосфат. Для осуществления данной реакции необходима фосфорилированная форма фосфоглюкомутазы, т.е. ее активная форма, которая образуется, как уже указывалось, в присутствии глюкозо-1,6-бифосфата.

Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени происходит под влиянием глюкозо-6-фосфатазы, которая катализирует гидролитическое отщепление фосфата.

H₃PO₄ (C₆H₁₀O₅)_n-1

(C₆H₁₀O₅)_n

1.активная фосфорилаза

Глюкозо-1-ф

3.фосфоглюкомутаза

2.глюкозо-6-фосфотаза

Глюкоза Глюкозо-6-ф

H₃PO₄ H₂O

1 и 3 ферменты – ключевые. Фосфорилаза «а» активируется адреналином и глюкагоном. Смысл активирования заключается в фосфатной модификации ферментов. На каждом этапе происходит многократное усиление гормонального сигнала. Одна молекула адреналина способна отщепить от гликогена 40 млн. молекул глюкозы.

Рис. 3 Обшая схема путей распада и синтеза гликогена.

1. фосфорилаза

2. фосфоглюкомутаза

3. глюкозо-6-фосфоаза

4. гексокиназа

5. глюкозо-1-фосфатУТФ

6. гликогенсинтетаза

Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является резуль-татом одновременного протекания двух процессов: поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями,где она используется в первую очередь как энергети-ческий материал. В тканях (в том числе и в печени) существуют два основных пути распада глюкозы:

• анаэробный (при отсутствии кислорода)

• аэробный (для осуществления которого необходим кислород).

Гликолиз.

Гликолиз (от греч. Glycys - сладкий и lysis - растворение, распад) – сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно изобразить следующим образом:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2Ф_H 2СН₃СН(ОН)СООН + 2АТФ + 3Н₂O

Глюкоза Молочная кислота

В анаэробных условиях гликолиз - единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря процессу гликолиза организм человека и животных определенный период времени может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе.

Последовательность реакций гликолиза, также как и их промежуточные продукты, хорошо изучены. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде, и свойства которых достаточно известны. Необходимо также заметить, что гликолиз протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

АТФ АДФ

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

гексокиназа

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции связано с освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством фермента гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только Б-глюкозы, но и других гексоз, в частности Б-фруктозы, Э-маннозы и др. В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только Б-глюкозы. В мышечной ткани этот фермент отсутствует.

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

глюкозо-6-фосфат-изомераза

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой, образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

АТФ АДФ

Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бифосфат

Фосфофруктокиназа

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом. Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. 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. Так, внеработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы.

Фруктозо-1,6-бифосф Диоксиацетон-фосфат+Глицеральдегид-3-фосфат альдолаза альдолаза

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. В целом же при повышении темпеатуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция - реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой.

H

CH₂OH C

O

CO HC OH

CH₂OPO₃H₂ CH₂OPO₃H₂

Диоксиацетон-фосфат Глицероальдегид-3-фосфат

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону диоксиацетонфосфата: 95% диоксиацетонфосфата и около 5%глицеральдегид-3-фосфата. Однако в последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия - наиболее сложная и важная. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (реакцию гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-биофосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН2). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает в несколько этапов. Суммарно данную реакцию можно изобразить в следующем виде.

H O

C НАД,Н₃РО₄ НАДН₂ C

O O PO₃H₂

HC OH HC OH

CH₂OPO₃H₂ CH₂OPO₃H₂

Глицероальдегид-3-фосфат 1,3-бифосфоглицерат

1,3-бифосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда»—). Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД+ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН2 глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет 8Н-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и расщепляется под влиянием неорганического фосфата. При этом образуется 1,3-бифосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):

О O

C АДФ АТФ C

O PO₃H₂ OН

HC OH HC OH

CH₂OPO₃H₂ CH₂OPO₃H₂

1,3-бифосфоглицерат 3-фосфоглицерат

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

В восьмой реакции происходит внутримолекулярный перенос оставшейся фосфатной группы и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Реакция протекает в присутствии ионов Мg, легкообратима.

В девятой реакции 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту. При этом фосфатная связь в положении 2 становится высокоэнергетической. Фермент реакции - енолаза активируется двухвалентными катионами Мg или Мn и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэнергетической связи и переносом фосфатного остатка фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

COOH COOH

АДФ АТФ

C O PO₃H2 C O

CH₃ CH₃

Фосфоенолпируват Пировиноградная кислота

Для действия пируваткиназы необходимы ионы Мg, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К⁺ или др.) внутри клети, реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН2, образовавшегося в шестой реакции:

COOH COOH

НАДН₂ НАД

C O ОНCН

CH₃ CH₃

Фосфоенолпируват Молочная кислота

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАДH⁺ при этом играет роль лишь промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (шестая реакция) на пировиноградную кислоту (одиннадцатая реакция), при этом сам он регенерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, получившем название гликолитической оксидоредукции.

Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего заключается в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ (гексокиназая и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Известно, что изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:

C₆H₁₂O₆ 2C₃H₆O₃ + 210кДж/моль

Глюкоза Лактат

Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж (максимально) накапливается в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ, так как макроэргическая связь в молекуле АТФ соответствует примерно 33,6-42,0 кДж/моль. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного гликолиза близок к 0,4 (84/210).

Величины изменения свободной энергии точно определены для отдельных реакций гликолиза в интактных эритроцитах человека. Установлено, что восемь реакций гликолиза близки к равновесию, а три реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная, пируваткиназная) сопровождаются значительным уменьшением свободной энергии, т.е. практически являются необратимыми.

В целом последовательность протекающих при гликолизе реакций может быть представлена в следующем виде:

Рис. 4 Общая схема гликолиза.