Биосинтез гликогена

Значительная часть глюкозы, поступающей в клетки при пищеварении превращается в гликоген – животный крахмал −запасной полисахарид, который используется в интервалах между приёмами пищи. Он сходен по строению с крахмалом. Непосредственным донором глюкозных остатков при синтезе гликогена служит уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза)−продукт взаимодействия глюкозо-1-фосфата и УТФ.

УДФ-глюкоза

глюкозо-1-фосфат

При синтезе гликогена роль акцептора глюкозных остатков выполняют олигосахариды из 2-х и более глюкозных остатков, связанные 1,4-гликозидной связью, или уже имеющиеся молекулы гликогена:

У ДФ-глюкоза + (глюкоза)_n УДФ + (глюкоза)_n+1

Реакцию катализирует гликогенсинтетаза, при этом образуются 1,4-гликозидные связи в линейных участках молекулы гликоген. Ответвления возникают в результате действия фермента ветвления (амило-1,4-1,6-гликозилтрансферазы). Этот фермент переносит фрагмент из пяти-семи мономеров с конца линейного участка ближе к его середине, который присоединяется 1,6-гликозидной связью. Затем оба конца удлиняются при участии гликогенсинтазы, и на них вновь возникают ветвления.

Таким путем синтезируются огромные молекулы с молекулярной массой от 1млн до 200млн, содержащие до 1 млн глюкозных остатков.

В клетке гликоген находится не в растворённом состоянии, а в виде гранул диаметром 40- 200 нм, включающих одну или несколько молекул.

Необходимость превращения глюкозы в гликоген при запасании энергетического материала обусловлено тем, что накопление легко растворимой глюкозы в клетках могло бы привести к осмотическому шоку и разрушению клеточной мембраны. Запасание гликогена связано с расходом 2-х молекул АТФ на каждую молекулу глюкозы, которая включается в гликоген.

АТФ

Г люкоза

АДФ

Г люкозо-6-фосфат

Г

УТФ

люкозо-1-фосфат

УДФ

У ДФ-глюкоза

АТФ

Г

АДФ

ликоген

Гликоген образуется практически во всех клетках организма, однако наибольшая концентрация обнаруживается в печени − от 2 до 6 % и в мышцах − от 0,5 до 2 %. Поскольку общая масса мышц велика, больше всего по массе гликогена содержится в мышцах. Глюкоза, которая депонирована в форме гликогена, освобождается при помощи фермента гликогенфосфорилазы. Голодание в течениеи24 часов приводит к почти полному исчезновению гликогена в клетках печени. Однако при ритмичном питании каждая молекула гликогена может существовать неопределенно много времени.

Биосинтез жиров

Включает в себя биосинтез жирных кислот и триацилглицеридов (собственно, жиров).

Биосинтез жирных кислот.

Биосинтез жирных кислот происходит при высокой концентрации глюкозы в крови в основном в печени и в жировой ткани. В этот период активируется гликолиз, в результате которого образуются субстраты для синтеза жирных кислот: ацетил КоА, АТФ, (НАДФ·Н + Н⁺) и другие. Основным строительным блоком для биосинтеза жирных кислот служит ацетил КоА, а главным конечным продуктом является пальмитиновая кислота С15Н31СООН.

Другие жирные кислоты образуются, как правило, путём модификации молекулы пальмитиновой кислоты – наращиванием цепи и дегидрированием. В последнем случае образуются непредельные кислоты.

Синтез пальмитиновой кислоты происходит не в митохондриях, где происходит катаболизм жирных кислот, а в цитозоле. Основным ферментом этого биосинтеза служит мультиферментный комплекс пальметилсинтетаза. Так как мембрана митохондрии непроницаема для ацетил КоА, то начальным этапом биосинтеза является перенос ацетил КоА через митохондриальную мембрану с помощью цитратпируватного челночного механизма.

Известно, что первой реакцией цикла Кребса является конденсация ацетил КоА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом) с образованием цитрата (лимонной кислоты). Часть образовавшихся цитрат-ионов не вовлекается в дальнейшие реакции цикла Кребса, а переносятся через митохондриальную мембрану в цитозоль, где в присутствии цитратлиазы и при участии АТФ и HS-KoA вновь образует ацетил-КоА и ЩУК :

Цитрат + HS-KoA + АТФ → Оксалоацетат + Ацетил-КоА + АДФ + Н₃РО₄

Возвращение оксалоацетата в митохондрии осуществляется с помощью двух посредников − малата и пирувата

Восстановление оксалоацетата в малат в цитозоле является частью малатаспартатного челночного механизма переноса восстановленного (НАД∙Н + Н⁺) из цитозоля в митохондрии:

Оксалоацетат + НАД∙Н + Н⁺ ↔ Малат + НАД

Однако образовавшийся малат не переносится с\через мембрану, а сразу окисляется с одновременным декарбоксилированием в пируват:

Малат + НАДФ⁺ → Пируват + СО₂ + НАДФ∙Н + Н⁺

Все описанные превращения изображены на схеме:

Таким образом, перенос одной молекулы ацетил КоА из митохондрии в цитозоль сопровождается образованием одной молекулы восстановленной формы (НАДФ·Н + Н⁺), который необходим для многих биосинтезов, а пируват, который дифундирует в митохондрии, затем карбоксилируется с образованием оксалоацетата.

Собственно синтез пальмитиновой кислоты начинается с карбоксилирования ацетил КоА. Эта реакция протекает в присутствии фермента, простетической группой которого является биотин:

Эта реакция является ключевой в синтезе жирных кислот. Дальнейшие превращения объединяются в циклы по шесть реакций, и в результате завершения каждого цикла углеродная цепь будущей молекулы удлиняется на два углеродных атома.

Рассмотрим реакции, протекающие в первом цикле синтеза жирных кислот.

В первых двух реакциях происходит перенос ацетильного и малонильного фрагментов на ацилпереносящий белок (АПБ).

АПБ представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 77 аминокислотных остатков и бокового ответвления, повторяющую по существу структуру кофермента А:

Реакции переноса ацетильного и малонильного фрагментов с ацетил-КоА (1) и малонил-КоА (2) катализируются ацилтрансферазами.

3-ья реакция состоит в образовании ацетоацетил-АПБ из ацетил-АПБ и маонил-АПБ с одновременным декарбоксилированием.

В дальнейшем в три этапа (реакции 4-6) происходит восстановление образовавшегося ацетоацетил-АПБ.

В ходе 4-ой реакции одна из двух карбонильных групп восстанавливается до гидроксильной и образуется дегидроксибутерил-АПБ. Эта реакция является НАДФ–зависимой, т.е. восстановителем служит восстановленная форма НАДФ:

5-ая реакции - реакция дегидратации, ферментом этой реакции является гидроксиацил-АПБ-дегидратаза:

Следующая реакция восстановления (6) – реакция гидрирования – также требует участия НАДФ∙Н + Н⁺. Катализируется она еноил-АПБ-редуктазой, продуктом реакции являетотся бутирилАПБ:

Все реакции цикла элонгации (удлинения) цепи жирных кислот катализируются мультиферментным комплексом. Он состоит из двух полипептидных цепей. Одна из них (субъединица А) включает АПБ, оксоацил-АПБ-синтазу и оксоацил-редуктазу. В составе субъединицы Б находятся 4 других фермента. Согласованная работа мультиферментного комплекса обусловлена наличием в молекуле АПБ большого рычага – гибкой и достаточно длинной цепочки атомов, соединяющей «якорную» HS-группу с полипептидной цепью

Синтез пальмитиновой кислоты включает 7 циклов. Во второй цикл вместо ацетил-АПБ вступает уже бутирил-АПБ (С₄-ацил), и в результате образуется каприл-АПБ (С₆-ацил) и т.д. (схема):

1-ый цикл: малонил-АПБ + ацетил_АПБ

↓

2-ой цикл: малонил-АПБ + бутирил-АПБ

↓

3-ий цикл: малонил-АПБ + каприл-АПБ

↓

4-ый цикл: малонил-АПБ + С₈-ацил-АПБ

↓

5-ый цикл: малонил-АПБ + С₁₀-ацил-АПБ

↓

6-ой цикл: малонил-АПБ + С₁₂-ацил-АПБ

↓

7-ой цикл: малонил-АПБ + С₁₄-ацил-АПБ

↓

пальмитил-АПБ

Суммарное уравнение биосинтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА в результате реакций семи циклов записывается следующим образом:

8 ацетил-Коа + 7 АТФ + 14 (НАДФ∙Н + Н⁺) → пальмитат + 14 НАДФ⁺

+ 8 НS-КоА + 7 АДФ + 7 Н₃РО₄

Из пальмитиновой кислоты путем присоединения дополнительно одной или нескольких молекул ацетил-КоА синтезируюся молекулы с более длинными цепями, а путем дегидрирования – ненасыщенные кислоты. «Доработка» молекул пальмитиновой кислоты осуществляется с помощью ферментов эндоплазматической сети, но может проходить и в митохондриях. Дегидрирование насыщенной жирной кислоты происходит параллельно с окислением НАДФ под действием молекулярного кислорода:

С₁₅Н₃₁СОО-S-КоА + НАДФ∙Н + Н⁺ + О₂ →СН₃-(СН₂)₅-СН=СН-(СН₂)₇-СОО-S-КоА +НАДФ⁺ + 2 Н₂О

Дегидрирование насыщенных жирных кислот происходит в клетках печени и жировой ткани. В организме человека отсутствуют ферменты, позволяющие дегидрировать фрагменты –СН₂-СН₂-, находящиеся дальше С₉, поэтому диеновая линолевая кислота

С₁₈Н₃₂СООН и триеновая линоленовая кислота С₁₈Н₃₀СООН в организме не синтезируются.