Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

"ГликогенОВ8я

затравке"

Рис. 19.2. Уридиндифосфатглюкоза (UDPGlc).

(см. гл. 54):

UDPGIc + (сь)п -+ UDP + (С6)П+ ,.

Гликоген Гликоген

~еханизм ветвления

Присоединение остатка глюкозы к «затравоч­ ной» цепи гликогена происходит на внешнем, невос­

станавливающем конце молекулы; «ветви» гликоге­

нового «дерева» удлиняются путем последователь­

ного образования (1 -+ 4)-свизей (рис.. 19.3). После того как длина линейного участка цепи достигнет

как мmшмум II остатков гmoкозы, ветвlllllНЙ (бран­ чинг) фермент (амило-(I -+ 4)-+ (1 -+ 6)-трансглюкози­ даза) переносит фрагмент (1 -+ 4)-цепи (с минималь­

ной длиной в 6 остатков глюкозы) на соседнюю

цепь, присоединяя к ней переносимый фрагмент

(1 -+ б)-связью; таким образом образуется точка вет­ вления в молекуле. Ветви растут путем последова­ тельного присоединения (1 -+ 4)-IЛЮКОЗИЛЬНЫХ еди­ НИII и дальнейшего ветвления.

Действие ветвящего фермента изучалось на живот­

ных путем добавления в пищу 14 С-меченной глюко­

зы с последующим исследованием rликогена печени

через определенные интервалы времени (рис. 19.3).

ГЛИКОГЕНОЛИЗ

на цепь гликогена снова действует фосфорилаза. Со­ вместное действие фосфорилазы и других рассмо­ тренных выше ферментов приводит к полному ра­ спаду гликогена. Реакция, катализируемая фосфо­

глюкомутазой, обратима; поэтому из глюкозо­ l-фосфата может образовываться глюкозо­ б-фосфат. В печени и почках (но не в мышцах) имее­ тся специфический фермент l'люкозо-6-фосфатаза, отщепляющий фосфат от глюкозо-б-фосфата. Обра­ зовавшаяся глюкоза диффундирует из клеток в кровь. Это заключительная стадия гликогенолиза

Путь распада и расщепления в точках

ветвления (см. рис. 19.1)

Стадией, лимитирующей скорость гликогеноли­

за, является реакция, катализируемая фосфорилазой:

(С6)П + Р; -+ (С6)П-I + Глюкозо-I-фосфат

Гликоген Гликоген

Фермент специфично катализирует фосфоролитиче­ ское расщепление (фосфоролиз) (1 -+ 4)-связей глико­ гена, продуктом является глюкозо-l-фосфат. Остат­

ки глюкозы отщепляются от дальних концов моле­

кулы гликогена до тех пор, пока на ветвях, идущих

от точки ветвления ([1 -+ б}-связи), не останется при­

мерно по 4 остатка rлюкозы (рис. 19.4). Другой фер­ мент (<<-11 -+ 41-+ «-11 -+ 4)-глюкантрансфераза) пере­ носит трисахаридный фрагмент с одной цепи на дру­

гую, экспонируя (l -+ б)-пункт ветвления. Гидролити­

ческое расщепление (1 -+ б)-связей осуществляет де­

ветвящий (дебранчинг) фермент (амило-(I -+ 6)- глюкозидаза); по-видимому, это второй вид актив­

ности глюкантрансферазы 1. После удаления ветви

1 Поскольку (1 _ 6)-связъ расщепляется гидролитиче­ СJ:И~ путем, образуется 1 моль свободной глюкозы, а не 1 МQJIЬ глюкозо-l-фосфата. в результате содержаНllе глю­

козы в крови может повышаться даже в отсутствие глюко­

зо-6-фосфатазы~ lCаlC это наблюдается, например, в случае ГЛИJ:огено:,ш типа 1(болезнь фон Гирке, см. ниже) после вве­ дения гдюкагона или f!дреналина.

в печени. приводящего к повышению содержания

глюкозы в крови.

Рис;. 19.4. Стадии гликоГенолизз.

МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ГЛИКОГЕНОЛИЗА

И ГЛИКОГЕНЕЗА

Главные ферменты, КОНТРОЛИРУ19щие метабо­

лизм гликогена.-гликогенфосфорилаза и гликоген­ синтаза- регулируются сложной серией реакций,

в которых используются как аллостерические меха­

низмы (см. с. 104). так и ковалентная модифика­

ция путем фосфорилирования и дефосфорилирова­

ния фермента (см. с. 108).

Активация и инактивация фосфорилазы (рис.

19.5)

та печени. Она может находиться в двух формах:

вформе фосфорилазы а- фосфорилированного

фермента, активного как в присутствии, так и в от­

сутствие АМР (ее аллостерического модулятора), и

вформе ~фОРИЛ8ЗЫ Ь. дефосфорилированной и ак­

тивной только в присутствии АМР. Фосфорилаза а является нормальной физиологически активной формой фермента. Она представляет собой димер,

каждый мономер которого содержит одну молекулу

пиридоксальфосфата.

Активация с участием сАМР

В мышце фосфорилаза активируется адренали­

ном (рис. 19.5). Однако он оказывает не прямой·

NH

I

Рис. 19.6. 3'. 5'-АдеНI1.10вая KI1C,lOTi1 (Цl1JС1ИчеСКI1Й АМР.

сАМР).

при участии специального глюкагонового рецептора.

сАМР разрушается при действии фосфодиэстеразы;

именно этот фермент поддерживает в норме концен­

трацию сАМР на низком уро"вне. Имеются данные о том, что инсулин повышает активность фосфо­

диэстеразы в печени; это приводит к понижению кон­

центрации сАМР.

Повышение концентрации сАМР активирует фермент, обладающий весьма широкой специфично­

стью - cAMP-зависимую протеинкиназу. Эта киназа

катализирует фосфорилирование при участии АТР

неактивной КИllазы фосфорилазы с образованием

активной киназы фосфорилазы, которая в свою оче­ редь, путем фосфорилирования, активирует фосфо­ рилазу Ь, переходящую в фосфорилазу а (рис. 19.5).

Неактивная cAMP-зависимая протеинкиназа со­ стоит из двух пар субъединиц; в каждую пару входят регуляторная субъединица (R), способная связывать две молекулы сАМР, и каталитическая субъединица

(С), структура которой включает активный центр.

Связывание сАМР с комплексом R2C2 вызывает дис­ социацию последнего. приводящую к освобождению активных С-мономеров (см. гл. 44):

R2C2 + 4сАМР +-~2C + 2(R-сАМР2).

Неактивный Активный фермент фермент

Активация ионами Са2 + и синхронизация

с мышечным сокращением

Сразу после начала сокращения мышцы гликоге­

нолиз возрастает в несколько сотен раз. Процесс

включает быструю активацию фосфорилазы благо­ даря активации киназы фосфорилазы ионами Са2 + -

тем же сигналом. который инициирует сокращение.

Мышечная киназа фосфорилазьi состоит из субъ­

единиц четырех типов: а. ~, у и б. Ее структура - (а

~ у б)4. Субъединицы а и ~ содержат остатки серина.

фосфорилируемые cAMP-зависимой протеинкина­

зой. ~-Субъединица связывает четыре иона Са2 + ,

она идентична Са2 + -связывающему белку кальмо­

дулину. Связывание ионов Са2 + активирует каталити­

ческий центр у-субъединицы, хотя молекула остает­ ся в дефосфорилированной Ь-конфигурации. В то же время полную активность фосфорилированная а­ форма приобретает только в присyrствии ионов Са:!.+.•

Важно отметить, что кальмодулин имеет структур­

ное сходство с мышечным Са2 + -связывающим бел­ ком тропонином С (ТрС). С киназой фосфорилазы может взаимодействовать вторая молекула кальмо­ дулина или ТрС, вызывая дополнительную актива­ цию фермента. Таким образом, активация мышеч­

ного сокращения и гликогенолиз осуществляются

одним и тем же Са2 + -связывающим белком. Каль­

модулин - белок, который участвует во многих ви­ дах воздействия кальция на клетку (см. гл. 44).

гликогенолиз в печени

Установлено, что при стимуляции гликогенолиза

катехоламинами в печени в качестве главных посред­

ников выступают "I-рецепторы. При этом происхо­ дит cAl\IP-незаВИСИМ8Я мобилизация ионов Са2 + и пе­

реход их из митохондрий В цитозоль, где они стиму­

лируют Са2+/каЛЬМОДУЛИllчувствительную КИllазу фосфорилазы. Фосфорилаза скелетных мышц в отли­ чие от фосфорилазы печени не активируется rлюка­ гоном. Отметим. что фосфорилаза сердечной мыш­ цы активируется этим гор~·юном. Другим важным отличием является ингибирование печеночной про­

теинфосфатазы-I активной формой фосфорилазы.

Инактивация фосфорилазы

Фосфорилаза а и киназа фосфорилазы а дефосфо­

рилируются и инактивируются протеинфосфатазоЙ-l.

Ингибитором протеинфосфатазы-I является белок. который называют ингибитором-l; последний стано­ вится активным только после фосфорилирования cAMP-зависимой протеинкиназоЙ. Таким образом, сАМР контролирует как активацию, так и инактива­

цию фосфорилазы (рис. 19.5).

Активация и инактивация гликогенсинтазы (рис. 19.7)

Подобно фосфорилазе. гликогенсинтаза может находиться либо в фосфорилированном, либо в не­ фосфорилированном состоянии. Однако в отличие от фосфорилазы в этом случае активна дефосфори­ лированная форма (гликогенсиитаЗ8 а), которая мо­ жет быть инактивирована с образованием гликогеll­ синтазы Ь путем фосфорилирования семи остатков

серина, осуществляемого не менее чем пятью раз­

личными протеинкиназами. Все семь мест фосфори­

лирования находятся на каждой из четырех идентич­

ных субъединиц. Две из протеинкиназ являются

Са2 + jкальмодулинзависимыми. Одна из них - это

киназа фосфорилазы, другая киназа является cAMP-зависимой протеинк.иназоЙ; имеИl10 эта проте­

иикииаза обеспечивает реализацию опосредованных

сАМР ГОРМOIlальиых возде~ствий, СИIIХРОННО иигиби­

рующих СИllтез гликогеllа и активацию гликогеllOлиза.

Оставшиеся киназы известны как киназы гликоген­

синтазы-З. -4 и -5.

Глюкозо-б-фосфат является аллостерическим ак­ тиватором гликогенсинтазы Ь, вызывая снижение КМ дЛЯ UDР-глюкозы И обеспечивая тем самым возмо­

щейся под контролем cAMP-зависимой протеинки­

назы (рис. 19.7). .

Другие аспекты р~гуляции метаболизма глико­

гена будут обсуждаться на с. 219.

БОЛЕЗНИ, СВЯЗАННЫЕ С НАКОПЛЕНИЕМ ГЛИКОГЕНА (ГЛИКОГЕНОЗЫ)

Термин «гликогеноз» является общим для груп­

пы наследственных заболеваний, характеризую­ щихся отложением в тканях либо ненормально боль­

ших количеств гликогена, либо необычных его ви­

дов.

При гликогенозе 1 Тl:lпа (болезнь Гирке) клетки пе­

чени и извитых почечных канальцев заполнены гли­

н:'~\\~OMax.

1".lикогеIIOЗ 111 типа (лимитдеКСТРИIIOЗ: БШlеЗllЬ

Форбса или болеЗllЬ Кори) характеризуется отсут­

ствием деветвящего фермента; в результате нака­ пливается характерный разветвленный полисахарид

(остаточный декстрин).

ГJIИКОI"еIIOЗ IV типа (амилопеКТИIIOЗ; болезнь AII- дерсеll) характеризуется отсутствием ветвящего фер­

мента. в результате чего накапливается полисаха­

рид. содержащий незначительное число ветвей.

Обычно летальный исход наступает из-за сердечной или печеночной недостаточности в первый год жи­

зни.

Отсутствие мышечной фосфорилазы (миофосфо­

рилазы) является причиной гликогеllOза V типа

(МИОфСОфОРИJlаЗllаи Ilедостаточность; СИIЩРОМ Мак­

Ардли). У больных наблюдается пониженная выно­ сливость к физическим нагрузкам. Хотя в их скелет­

ных мышцах имеется аномально высокое содержа­

ние гликогена (2.5--4.1 %). в крови после выполне­ ния физической работы почти или вообще не обнару­

живается лактат.

B.I. Some iпЬоl"П errors of carbohydrate metabolism. Page 391. In: МТР International Review of Sсiспсе. Vol. 5. Whеlап W. J. (ed.). Butterworth. 1975.

Cohen Р. Control of Enzyme Activi\y. 2nd ed.. Chapman and НаН. 1983.

СО/1еn Р. The role protcin phosphorylation in the hогпюпаl со­ ntrol of еП7уте activity. Eur. J. Biochem.. 1985. 151.439.

Exton J. Н. Molecular mechanism involved in a-adrenergic rcsponses. Моl. СеН. Endocrinol.. 1981.23.233.

Hers Н. G. The cOl1trol of glycogen me\abolism in the livcr. дп­ nu. Rev. Biochem.. 1976. 45. 167.

Rand/e P.J., Steiner D.F., Whelan U'.J. ('{i,'i). Carbohydra\e Metabolism and Its Disorders. Vol. 3. Academic Prcss. 1981.

Sper/ing О., de Vries А. (ed<;). Inborn Errors of Me\abolism in Мап. Karger. 1978.

Stanbury J. В. et а/. (ed,'i). The Мctabolic Basis оГ Iпhегitеd Disease. 5th ed.• МсGгаw-НilI. 1983.

обеспечивающие образование глюкозы и гликогена

из неуглеводных компонентов. Главными субстрата­

ми глюконеогенеза служат глюкогенные аминоки­

слоты. лактат, глицерол и (у жвачных) пропионат.

Гликонеогенез происходит главным образом в пече­

ни и почках, поскольку именно в этих органах имее­

тся полный набор необходимых ферментов.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Глюконеогенез обеспечивает потребности орга­

низма в глюкозе в тех случаях, когда диета содержит

недостаточное количество углеводов. Постоянное

поступление глюкозы в качестве источника энергии

особенно необходимо для нервной системы и эри­

троцитов. При понижении концентрации глюкозы

вкрови ниже определенного критического уровня

нарушается функционирование мозга; при тяжелой

гипогликемии возникает коматозное состояние и мо­

жет наступить летальный исход. Глюкоза необходи­

ма также для жировой ткани как источник глицеро­

ла, входящего в состав глицеридов; она играет, ве­

роятно, существенную роль в поддержании эффек-

тивных концентраций интермедиатов цикла лимон­ ной кислоты во многих тканях. Из этого следует, что

даже в условиях, когда большая часть потребностей

организма в калориях обеспечивается за счет жира, всегда сохраняется определенная потреб.юсть в глю­ козе. Кроме того, глюкоза служит единственным ви­

дом топлива для работы скелетной мышцы в анаэробных условиях. Она является предшествен­

ником молочного сахара (лактозы) в молочных же­ лезах и активно потребляется плодом в период раз­

вития. Следует отметить также, что механизм глю­

конеогенеза используется для удаления из крови

том глюконеогенеза у этих животных.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗЕ

(рис. 20.1)

Эти пути являются модификациями путей глико­ лиза и цикла лимонной кислоты. Кребс отметил, что

простому обращению гликолиза препятствуют эне­ ргетические барьеры на ряде стадий: 1) между пиру­

ватом и фосфоенолпируватом. 2) между фруктозо­ l,б-бисфосфатом и фруктозо-б-фосфатом. 3) между

глюкозо-б-фосфатом и глюкозой. а также 4) между

глюкозо-l-фосфатом и гликогеном. Эти барьеры об­

ходятся с помощью специальных реакций.

1) В митохондриях имеется фермент пируваткар­ боксилаза. который при участии АТР, биотина (вита­ мина группы В) и С02 превращает пируват в окса­ лоацетат. Функция биотина заключается в присоеди­

нении СО2 (из бикарбоната) к ферменту. далее СО2

переносится на пируват (см. ниже). Во внемитохонд­ риальной среде клетки имеется второй фермент­ фосфоенолпируваткарбоксикиназа, который катали­

зирует превращение оксалоацетата ~ фосфоенолпи­

руват. Для этой реакции требуется высокоэнергети­

ческий фосфат в форме GTP или ITP; в результате реакции освобождается С02• Таким образом. с по­ мощью этих двух ферментов и лактатдегидрогеназы

лактат может преврашаться в фосфоенолпируват.

Существенное препятствие, однако, заключается

втом, что выход оксалоацетата из митохондрии

весьма затруднен. Оно преодолевается следующим

образом: оксалоацетат превращается в соединение,

легко диффундирующее из митохондрии во внеми­

тохондриальный компартмент клетки, где это соеди-

нение снова превращается в оксалоацетат. Таким со­ единением служит малат: его образование из окса­

лоацетата внутри митохондрий и превращение

обратно в оксалоацетат вне митохондрий катализи­

руются малатдегидрогеназоЙ.

2) Превращение фруктозо-I,б-бисфосфата во фруктозо-б-фосфат, необходимое для обрашения

гликолиза на рассматриваемой стадии, катализи­

руется специфическим ферментом фруктозо- 1,6-бисфосфатазоЙ. Это - ключевой фермент в том

смысле, что именно его присутствием определяется,

способна ли ткань ресинтезировать гликоген И1 пи­ рувата и триозофосфатов. Этот фермент имеется в печени и почках, он был также обнаружен в попе­ речнополосатых мышцах. Считают, что в сердечной

мышце и гладких мышцах он отсутствует.

3) Превращение глюкозо-б-фосфата в глюкозу катализируется другой специфической фосфата­ зой- глюкозо-6-фосфатазоЙ. Она присутствует в пе­

чени и почках, но отсутствует в мышцах и жировой

ткани. Наличие этого фермента позволяет ткани по­

ПРОПИOllат, главный источник глюкозы у жвач­

ных животных, вступает на путь глюконеогенеза че­

рез цикл лимонной кислоты после превращения в сукцинил-СоА. Сначала пропионат активируется

при взаимодействии с АТР и СоА с помощью соот­

ветствующей аQил-СоА-СИllтазы. Продукт этой реак­

ции, пропионил-СоА. присоединяет СО2 в реакции.

катализируемой пропиоиил-СоА-кар60ксилазой

и превращается в D-метилмалонил-СоА (рис. 20.2). Эта реакция аналогична реакции присоединения СО:!

к ацетил-СоА. катализируемой ацетил­

CoA-карбоксилазой (гл. 23). в том отношении, что

продуктом ее является малонильное производное и

в качестве кофермента требуется БИОТИII. о­ Метилмалонил-СоА сначала превращается под дей­ ствием метилмалоиил-СоА-рацемазы в свой стереои­ зомер L-метилмалонил-СоА. а затем последний изо­ меризуется в сукцинил-СоА при участии метилмало­ иил-СоА-изомеразы, ИСJ10льзующей в качестве ко­ фермента витамин 812. Недостаток витамина

BI2 в организме человека и животных приводит

почки способны превращать глицерол в глюкозу, по­

ступающую в кровь; при этом наряду с упомянуты­

ми выше ферментами используются ряд ферментов

гликолиза и специфические ферменты глюконеогене­

за - фруктозо-l.б-бисфосфатаза и глюкозо-б-фосфа­ таза (рис. 20.1).

Биотин

Биотин - один из водорастворимых витаминов группы В. Он является производным имидазола

ишироко распространен в натуральных пищевых

продуктах (рис. 20.3). Значительную долю потребно­

стей человека в биотине. вероятно, обеспечивают

бактерии кишеЧllика.

Биотин функционирует как компонент специфи­ ческих мультисубъединичных ферментов (табл. 20.1), катализирующих реакции карбоксилирования. Он связан с апоферментом амидной связью, обра­

зуемой с в-аминогруппой остатка лизина.

На первой стадии реакции, катализируемой пиру­

ваткарбоксилазой, карбоксилатный ион связывается

с атомом N' биотина. в результате образуется акти­ вированный инт~рмедиат карбоксибиотин-фермент (рис. 20.4). Для протекания этой стадии необходимы

НСОз, АТР. Mg2+ и ацетил-СоА (последний в ка­

честве аллостерического эффектора). Далее активи­ рованная карбоксильная группа переносится с ин­ термедиата (карбоксибиотин-фермента) на пируват,

при этом образуются оксалоацетат и биотинсодер­

жащий холофермент. Длинная гибкая «ручка» (це­ почка атомов) между биотином и ферментом, по­

видимому, позволяет простетической группе (биоти­ ну) перемещаться от одного активного центра муль­

тисубъединичного фермента к другому (например, с -фосфокарбонатобразующего центра на пируват­

связывающий центр).

Для всех апоферментов карбоксилаз имеется. по­ видимому. единственный фермент, катализирующий присоединение биотина к специфическому остатку лизина. Этот фермент был назван синтетазой холо­ карбоксилазы. При отсутствии фермента субстраты биотинзависимых ICaрбоксилаз накапливаются и мо­ гут быть обнаружены в моче. К числу этих метабо­

литов относятся лактат, J3-метилкротонат, 13-

Н-С-С-Н

I I

Н2С........ СН- (СН2).СООН

S

Рис. 20.3. Биотин.

гидроксиизовалерат и J3-гидроксипропионат. У де­

тей с недостаточностью этого фермента развивается дерматит, замедлен рост, наблюдаются алопеция,

расстройство мышечной деятельности и, в некото­

рых случаях, заболевания, связанные с ослаблением функции иммунной системы.

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ИЛИ ГЕКСОЗОМОНОФОСФАТНЫЙ ШУНТ

ВВЕДЕНИЕ

Пентозофосфатный путь является альтернатив­

ным пу:гем окисления глюкозы. Он включает неско­ лько циклов, в результате функционирования кото­ рых из трех молекул глюкозо-б-фосфата образуются три молекулы СО2 и три молекулы пентоз. Послед­

ние используются для регенерации двух молекул

глюкозо-б-фосфата и одной молекулы глицеральде­ гид-3-фосфата. Поскольку из двух молекул глицера­

льдегид-3-фосфата можно регенерировать молекулу

глюкозо-б~фосфата, глюкоза может быть полно­

стью окислена при превращении по пентозофосфат­

НОМУ пути:

3 Глюкозо-б-фосфат + б NADP+ -+ 3 СО2 + 2 Глю­ козо-б-фосфат + Глицеральдегид-З-фосфат +

б NADPH + б Н+.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Пентозофосфатный цикл не приводит к синтезу

АТР, он выполняет две главные функции: 1) образо­ вание NADPH дЛЯ восстановительных синтезов, та­ ких, как синтез жирных кислот и стероидов; 2) обе­ спечение рибозой синтеза нуклеотидов и нуклеино-