54.Розпад глікогену (глікогеноліз)
Відомо, що фосфоролітичний розпад відіграє ключову роль у мобілізації полисахаридів. Гормональна регуляція фосфоролітиного відщіплення залишку глюкози від глікогену.Фосфорилази переводять полисахариди (зокрема , глікоген) із запасної форми в метаболічно активну форму; за присутністю фосфорилази глікоген розпадається з утворенням фосфорного ефіру глюкози (глюкозо-1-фосфата) без попереднього розщеплення на більші уламки молекули полисахарида. У загальній формі цю реакцію можна представити в наступному виді:
(C6H10O5)n+ H3PO4-> (C6H10O5)n-1+ Глюкозо-1-фосфат,
Фермент фосфорилаза існує у двох формах, одна йз яких (фосфорилаза а) активна, у той час як інша (фосфорилаза b) звичайно неактивна. Обидві форми можуть диссоціювати на субодиниці. Фосфорилаза b складається із двох субодиниць, а фосфорилаза а - із чотирьох. Перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а здійснюється фосфорилюванням білку:
2 Фосфорилаза- b + 4 АТФ -> Фосфорилаза -а + 4 АДФ.
Каталізується ця реакція ферментом, що називається кіназою фосфорилази b. Установлено, що ця кіназа може існувати як в активній, так і в неактивній формі. Неактивна кіназа фосфорилази перетворюється в активну під впливом ферменту протеїнкінази (кіназа фосфорилази), і не просто протеїнкинази, а цАМФ-залежної протеїнкінази.
Активна форма останньої утвориться при участі цАМФ, що у свою чергу утвориться з АТФ під дією ферменту аденилатциклази, яка стиумулюється, зокрема , адреналіном і глюкагоном. Збільшення змісту адреналіну в крові приводить у цьому складному ланцюзі реакцій до перетворення фосфорилази b у фосфорилазу а й, отже, до звільнення глюкози у вигляді глюкозо-1-фосфата із запасного полисахариду до глікогену. Зворотне перетворення фосфорилази а у фосфорилазу b каталізується ферментом фосфатазою (ця реакція практично незворотня).
Утворений в результаті фосфоролітичного розпаду глікогену глюкозо-1-фосфат перетворюється під дією фосфоглюкомутази в глюкозо-6-фосфат. Для здійснення даної реакції необхідна фосфорильована форма фосфоглюкомутази, тобто її активна форма, що утвориться, як відзначалося, у присутності глюкозо-1,6-бисфосфата .
Жирними стрілкамі зазначений шлях розпаду, тонкими - шлях синтезу. Цифрамі позначені ферменти: 1 - фосфорилаза; 2 - фос-фоглюкомутаза; 3 - глюкозо-6-фосфатаза; 4 - гексокіназа (глюкокиназа); 5 - глюко-зо-1-фосфат-уридилтрансфераза; 6 - глікогенсинтаза.
Фосфорильована глюкоза на противагу неетерифікованій глюкозі не може легко дифундувати із клітин. Печінка містить гідролитичний фермент глюкозо-6-фосфатазу, що й забезпечує можливість швидкого виходу глюкози із цього органу. У м'язовій тканині глюкозо-6-фосфатаза практично відсутня
Можна вважати, що збереження сталості концентрації глюкози в крові є результатом одночасного протікання двох процесів: надходження глюкози в кров з печінки й споживання її із крові тканинами, де вона використається в першу чергу як енергетичний матеріал.
У тканинах (у тому числі в печінці) розпад глюкози відбувається двома основними шляхами: анаеробним (при відсутності кисню) і аеробним, для здійснення якого необхідний кисень.
55 Гліколіз (від греч. glycys - солодкий і lysіs - розчинення, розпад) - це послідовність ферментативних реакцій, що приводять до перетворення глюкози в пируват з одночасним утворенням АТФ. Гліколіз є одним з самих древніх процесів енергозабезпечення клітини; він виник на ранніх стадіях еволюції, коли Світовий оке-
ан населяли прості організми, не пристосовані ні до фотосинтезу, ні до дихання. Кисню в атмосфері практично не було (він з’явився пізніше в результаті діяльності фотосинтезуючих організмів), а основним джерелом харчування були органічні продукти (вуглеводи), яківиникли випадково з неорганічних сполук. Ці вуглеводи (або цукри),
які містять 6 молекул вуглецю, в процесі гліколізу перетворюються в так звані трикарбонові кислоти, які містять 3 молекули вуглецю (наприклад, піровиноградна кислота – піруват або молочна − лактат).При цьому за рахунок надлишку вільної енергії, яку мають цукри в порівняні з трикарбоновими кислотами, в процесі гліколізу в клітині
утворюється АТФ – універсальна енергетична валюта. З точки зору ефективності утворення АТФ гліколіз сильно уступає диханню: в гліколізі при переробці однієї молекули 6-вуглеродного цукру утворюються дві молекули АТФ, в той час як при диханні та ж кількість органічних речовин дає 38 молекул АТФ.
Можна сказати, що ККД при гліколізі майже в 20 разів менший, ніж при диханні. Це природно, бо при диханні окислення органічних сполук іде до межі, тобто до утворення вуглекислоти та води, щоможливо лише при участі кисню. Гліколіз протікає при відсутності кисню (в анаеробних умовах), і продукти його ще дуже недоокисле-
ні. Той же піруват, який для гліколізу є кінцевим продуктом, ставляє собою початковий продукт в дихальному циклі реакцій, де він і допрацьовується до кінця, тобто до вуглекислоти та води.
При аеробних умовах пируват проникає в мітохондрії, де повністю окисляється до СО2 і Н2О. Якщо концентрація кисню недостатня для роботи м'яза, який активно скорочується, пируват перетворюється в лактат.
Отже, гліколіз - не тільки головний шлях утилізації глюкози в клітинах, але й унікальний шлях, оскільки він може використовувати кисень, якщо останній є в наявності (аеробні умови), але може протікати й при відсутності кисню (анаеробні умови).
Анаеробний гліколіз - складний ферментативний процес розпаду глюкози, що протікає в тканинах людини й тварин без споживання кисню. Кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота. У процесі гліколізу утвориться АТФ. Сумарне рівняння гліколізу можна представити в такий спосіб:
С6Н12О6+2АДФ+2Фн--------2СН3СН(ОН)СООН+2АТФ+Н2О
Глюкоза Молочна кислота
В анаеробних умовах гліколіз - єдиний процес у тваринному організмі, що поставляє енергію. Саме завдяки гліколізу організм людини й тварин певний період може здійснювати ряд фізіологічних функцій в умовах недостатності кисню. У тих випадках, коли гліколіз протікає в присутності кисню, говорять про аеробний гліколіз .
Послідовність реакцій анаеробного гліколізу, так само як і їхні проміжні продукти, добре вивчений. Процес гліколізу каталізується одинадцятьма ферментами, більшість із яких виділено в гомогенному, кристалічному або високоочищенному виді й властивості яких досить відомі. Помітимо, що гліколіз протікає в гіалоплазмі (цитозолі) клітини.
1.Першою ферментативною реакцією гліколізу є фосфорилювання, тобто перенос залишку ортофосфата на глюкозу за рахунок АТФ. Реакція каталізується ферментом гексокиназою:
Утворення глюкозо-6-фосфата в гексокіназній реакції супроводжується звільненням значної кількості вільної енергії системи й може вважатися практично незворотнім процесом.
Найбільш важливою властивістю гексокинази є її інгибірування глюкозо-6-фосфатом, тобто останній служить одночасно й продуктом реакції, і аллостеричним інгібітором.
Фермент гексокіназа здатний каталізувати фосфорилювання не тільки D-глюкози, але й інших гексоз, зокрема D-фруктози, D-маннози й т.д. У печінці, крім гексокинази, існує фермент глюкокіназа, що каталізує фосфорилювання тільки D-глюкози.
У м'язовій тканині цей фермент другою реакцією гліколізу є перетворення глюкозо-6-фос-фата під дією ферменту глюкозо-6-фосфат-изомерази у фруктозо-6-фосфат:
Ця реакція протікає легко в обох напрямках, і для неї не потрібно яких-небудь кофакторів.
Третя реакція каталізується ферментом фосфофруктокіназою; фруктозо-6-фосфат, що утворився, знову фосфорилюється за рахунок другої молекули АТФ
Дана реакція аналогічно гексокиназній практично незворотня, протікає в присутності іонов магнію і є найбільше повільно поточною реакцією гліколізу. Фактично ця реакція визначає швидкість гліколізу в цілому.
Фосфофруктокіназа належить до числа алостеричних ферментів. Вона інгібіруеться АТФ і стимулюється АМФ . При значних величинах відносна АТФ/АМФ активність фосфофруктокінази пригнічується й гліколіз уповільнюється. Навпаки, при зниженні цього коефіцієнту інтенсивність гліколізу підвищується. Так, у непрацюючому м'язі активність фосфофруктокінази низька, а концентрація АТФ відносно висока. Під час роботи м'яза відбувається інтенсивне споживання АТФ і активність фосфофруктокінази підвищується, що приводить до посилення процесу гліколізу.
Четверту реакцію гліколізу каталізує фермент альдолаза. Під впливом цього ферменту фруктозо-1,6-бисфосфат розщеплюється на дві фосфотриози:
Ця реакція зворотня. Залежно від температури рівновага встановлюється на різному рівні. При підвищенні температури реакція з убік більшого утворення триозофосфатів (дигідро-ксиацетонфосфата й гліцеральдегид-3-фосфата).
П'ята реакція - це з ізомеризації триозофосфатів. Каталізується ферментом триозофосфатизомеразой:
Рівновага даної ізомеразной реакції зрушено убік дигідроксиацетонфосфата: 95% дигідроксиацетонфосфата й близько 5% гліцеральдегид-3-фосфата. У наступні реакції гліколізу може безпосередньо включатися тільки один із двох що утворяться триозофосфатів, а саме гліцеральдегид-3-фосфат. Внаслідок цього в міру споживання в ході подальших перетворень альдегідної форми фосфотриози дигідроксиацетонфосфат перетворюється в гліцеральдегид-3-фосфат.
Утворенням гліцеральдегид-3-фосфата як би завершується перша стадія гліколізу.
Друга стадія - найбільш складна й важлива. Вона включає окислювально-відновну реакцію (реакція гліколитичноЇ оксидоредукції), сполучену із субстратним фосфорилированием, у процесі якого утвориться АТФ.
У результаті шостої реакції гліцеральдегид-3-фосфат у присутності ферменту гліцеральдегидфосфатдегідрогенази, коферменту НАД і неорганічним фосфатом піддається своєрідному окислюванню з утворенням 1,3-бисфосфогліцеринової кислоти й відновленої форми НАД (НАДН). Ця реакція блокується йод- або бромацетатом, протікає в кілька етапів:
1,3-бисфосфогліцерат представляє собою високоенергетичну сполуку (макроергичний зв'язок умовно позначений знайомий "тильда" ~). Механізм дії гліцеральдегидфосфатдегідрогенази зводиться до наступного: у присутності неорганічного фосфату НАД+ виступає як акцептор водню, який відщеплюється від гліцеральдегид-3-фосфату. У процесі утворення НАДН гліцеральдегид-3-фосфат зв'язується з молекулою ферменту за рахунок SH-груп останнього. Зв'язок, що утворився, багатий енергією, але він неміцний й розщеплюється під впливом неорганічного фосфату, при цьому утвориться 1,3-бисфосфогліцеринова кислота.
Сьома реакція каталізується фосфогліцераткиназой, при цьому відбувається передача богатого енергією фосфатного залишку (фосфатної групи в положенні 1) на АДФ із утворенням АТФ і 3-фосфогліцеринової кислоти (3-фосфогліцерат):
Таким чином, завдяки дії двох ферментів (гліцеральде-гидфосфатдегідрогенази й фосфогліцераткинази) енергія, що вивільняється при окислюванні альдегідної групи гліцеральдегид-3-фосфата до карбоксильной групи, запасається у формі енергії АТФ. На відміну від окисного фосфорилювання утворення АТФ із високоенергетичних сполук називається субстратним фосфорилюванням.
Восьма реакція супроводжується внутрішньомолекулярним переносом фосфатної групи, що залишилася, і 3-фосфогліцеринова кислота перетворюється в 2-фосфогліцеринову кислоту (2-фосфогліцерат).
Реакція зворотня, протікає в присутності іонов Mg2+. Кофактором ферменту є також 2,3-бисфосфогліцеринова кислота аналогічно тому, як у фосфоглюкомутазной реакції роль кофактора виконує глюкозо-1,6-бисфосфат:
Дев'ята реакція каталізується ферментом енолазою, при цьому 2-фосфогліцеринова кислота в результаті відщіплення молекули води переходить у фосфоенолпировиноградну кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатний зв'язок у положенні 2 стає високоергичним:
Десята реакція характеризується розривом высокоергичного зв'язку й переносом фосфатного залишку від фосфоенолпирувату на АДФ (субстратное фосфорилювання). Каталізується ферментом пируваткиназой:
Для дії пируваткінази необхідні іони Mg2+, а також одновалентні катіони лужних металів (К+ або ін.). Усередині клітини реакція є практично незворотньою.
У результаті одинадцятої реакції відбувається відновлення пировиноградної кислоти й утвориться молочна кислота. Реакція протікає при участі ферменту лактатдегідрогенази й коферменту НАДН, що утворився в шостій реакції:
Вся послідовність реакцій дихотомічного розщеплення глюкози виглядає так:
Енергетичний баланс дихотомічного шляху, який включає витрати на активацію молекули і вилучення енергії з активованих продуктів, складає +ЗАТФ для молекули ендогенного глюкозо-1-фосфату та +2АТФ для екзогенної молекули глюкози, на активацію якої затрачено додатково 1 молекулу АТФ. Необхідно врахувати також утворення НАДН, який є джерелом відновних еквівалентів для анаболічних реакцій, або може стати джерелом різних форм енергії при аеробному окисненні в дихальному ланцюгу мітохондрій. З врахуванням енергетичного балансу сумарне рівняння дихотомічного розпаду для глюкозофосфату можна записати так:
Г-6-Ф + З AДФ + 2 Фн + 2 НАД+ =2 ПК + З АТФ + 2 НАДН + 2Н+,
а для глюкози:
Г + 2 AДФ + 2 Фн + 2 НАД+ ® 2 ПК + 2 АТФ + 2 НАДН + 2Н+.
Інтенсивність дихотомічного розщеплення глюкози може змінюватись в сотні разів завдяки алостеричній регуляції ферментів. Фосфофруктокіназа активується АДФ, АМФ, Фн , тобто субстратами дихотомічного шляху, і інгібується його продуктами: АТФ і лимонною кислотою (один з метаболітів дальшого перетворення піровиноградної кислоти). Аналогічно, піруваткіназа інгібується АТФ і ацетил-КоА, які накопичуються при дальшому окисленні піровиноградної кислоти.
Крім глюкози дихотомічним шляхом можуть окиснюватись і інші моносахариди. Галактоза за участю УТФ перетворюється в глюкозо-1-фосфат, а маноза і фруктоза, які фосфорилюються під дією гексокінази, перетворюються у фруктозо-6-фосфат (маноза попередньо ізомеризується), які і підлягають дальшим перетворенням, спільним з глюкозою.
