Биосинтез и распад гликогена в тканях. Биологическая роль этих процессов.

Гликоген в клетках накапливается во время пищеварения и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется клетками в промежутках между приёмами пищи.

Было установлено, что гликоген может синтезироваться практически во всех органах и тканях. Однако наибольшая его концентрация обнаружена в печени (2-6%) и мышцах (0,5-2%). Поскольку мышечная масса организма человека велика, то большая часть гликогена организма содержится в мышцах. Глюкоза из крови проникает в клетки органов и тканей, проходя через биологические мембраны клеток. Как только глюкоза поступает в клетку, она метаболизируется в ней в результате первой химической реакции. Фосфорилирование глюкозы происходит в присутствии АТФ и фермента - гексокиназы. Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. Этот эфир глюкозы теперь будет использоваться в анаболических и катаболических реакциях.

Гликогенсинтаза катализирует образование α-1,4-гликозидных связей. В местах ветвления связь α-1,6-гликозидная. В её образовании принимает участие гликогенветвящий фермент. Ветвление происходит приблизительно у каждого 10 остатка глюкозы.

Синтез гликогена:

(С6Н12О5)n+1Гликоген   - УДФ

+(С6Н12О5)n Гликоген - УДФ   - УДФ

Гликогенсинтаза

Уридилтрансфераза

УДФ-глюкоза

+ УТФ - ФФН

 

 

Распад гликогена. Существуют 2 пути распада гликогена в тканях:1.) Фосфоролитический путь (основной путь). Протекает в печени, почках, эпителии кишечника.2.) Амилолитический путь (неосновной).Происходит в печени при участии 3 ферментов: альфа-амилазы, амило-1,6-гликозидазы, гамма-амилазы.

Распад гликогена. В рамке - фрагмент гликогена с точкой ветвления. Закрашенный кружок - глюкозный остаток, связанный α-1,6-гликозидной связью. Светлые и заштрихованные кружки - глюкозные остатки в линейных участках и боковых ветвях, связанные α-1,4-гликозидной связью. 1 - гликогенфосфорилаза; 2 - олигосахаридтрансфераза; 3 - α-1,6-глюкозидаза.

Синтез гликогена. 1 - глюкокиназа или гексокиназа; 2 - фосфоглюкомутаза; 3 – УДФ-глюкрпирофосфорилаза; 4 - гликогенсинтаза (глюкозилтрансфераза); 5 - фермент "ветвления" (амило-1,4 → 1,6-глюкозилтрансфераза), светлые и заштрихованные кружки - глюкозные остатки, закрашенные кружки - глюкозные остатки в точке ветвления.

Сравнение процессов распада и синтеза гликогена позволяет сделать следующие выводы: - синтез и распад гликогена протекают по разным метаболическими путям;- печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для собственных нужд, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови, и, следовательно, обеспечивает поступление глюкозы в другие ткани. Присутствие в печени глюкозо-6-фосфатазы обусловливает эту главную функцию печени в обмене гликогена;- функция мышечного гликогена заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии;- синтез гликогена - процесс эндергонический. Так на включение одного остатка глюкозы в полисахаридную цепь используется 1 моль АТФ и 1 моль УТФ;- распад гликогена до глюкозо-6-фосфата не требует энергии;- необратимость процессов синтеза и распада гликогена обеспечивается их регуляцией.

Структура гликогена. А.Строение молекулы гликогена: 1 - остатки глюкозы, соединённые α-1,4-гликозидной связью; 2 - остатки глюкозы, соединённые α-1,6-гликозидной связью; 3 - нередуцирующие концевые мономеры; 4 - редуцирующий концевой мономер. Б. Строение отдельного фрагмента молекулы гликогена.

38. Глюконеогенез. Возможные предшественники, последовательность реакций, биологическая роль. Химизм образования глюкозы из лактата.

Основными источниками глюкозы для организма человека являются: 1.) Углеводы пищи; 2.) Гликоген тканей; 3.) Глюконеогенез. Глюконеогенез - это биосинтез глюкозы из неуглеводных предшественников, главными из которых являются пируват, лактат, глицерин, метаболиты ЦТК, аминокислоты. Глюконеогенез возможен не во всех тканях. Главным местом синтеза глюкозы является печень, в меньшей степени процесс идёт в почках и слизистой кишечника.

В клетках организма всегда есть потребность в глюкозе: 1.) Для эритроцитов – единственный источник энергии. 2.) Нервная ткань потребляет примерно 120г глюкозы в сутки. 3.) Поддержка метаболизма.

Значение глюконеогенеза: • Важнейший источник глюкозы при низком содержании углеводов в пище, голодании, длительной физической работе. • Утилизация лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе, и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.

Ключевые ферменты глюконеогенеза: • Пируваткарбоксилаза; • Фосфоенолпируваткарбоксикиназа; • Фруктозо-1,6-дифосфатаза; • Глюкозо-6-фосфатаза.

Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах (особенно в белых мышечных волокнах, которые бедны митохондриями по сравнению с красными) или в клетках с преобладающим анаэробным путем катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение NADH/NAD⁺ ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами.

Большинство реакций глюконеогенеза представляют собой обратные реакции гликолиза, за исключением трёх термодинамически необратимых: ПИРУВАТКИНАЗНОЙ, ФОСФОФРУКТОКИНАЗНОЙ, ГЕКСОКИНАЗНОЙ. Эти реакции при глюконеогенезе имеют обходные пути и связаны с образованием 2-фосфоенолпирувата, фруктозо-6-фосфата и глюкозы.

1.) Обходной путь пируваткиназной реакции. Превращение пирувата в фосфоенолпируват. Первоначально пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО₂ и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата: СН₃-С(=О)-СООН + СО₂ + АТФ НООС-СН₂-С(=О)-СООН + АДФ + ФН. Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Реакция обратима. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ): НООС-СН₂-С(=О)-СООН + ГТФ СН₂=С(О~РО₃Н₂)-СООН + СО₂ + ГДФ.

2.) Обходной путь фосфофруктокиназной реакции. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата во фруктозо-6-фосфат. Фосфоенолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций глюконеогенеза превращается во фруктозо-1,6-бифосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идёт в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специальной фосфатазой – фруктозобифосфатазой.

Обходные реакции глюконеогенеза:

Образование глюкозы из пирувата:

3.) Обходной путь гексокиназной реакции. Образование глюкозы из глюкозо-6 фосфата. Фермент – глюкозо-6-фосфатаза.

 

Полная схема глюконеогенеза из пирувата:

Синтез глюкозы из лактата. Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори).

Эту последовательность событий называют "глюкозо-лактатным циклом", или "циклом Кори". Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции: 1.) Обеспечивает утилизацию лактата, предотвращает накопление лактата и, как следствие этого, опасное снижение рН (лактоацидоз). 2.) Часть пирувата, образованного из лактата, окисляется печенью до СО₂ и Н₂О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций глюконеогенеза.

Синтез глюкозы из аминокислот. В условиях голодания часть белков мышечной ткани распадается до аминокислот, которые далее включаются в процесс катаболизма. Гликогенные и смешанные аминокислоты могут использоваться для глюконеогенеза. Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, которые вступают в реакцию переаминирования с пируватом. Аминогруппа переносится на пируват с образованием аланина. Аланин из мышц транспортируется кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюконеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл): глюкоза в мышцах → пируват вмышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → пируват в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает превращение пирувата в лактат, накопление которого опасно развитием лактацидоза.

Аланиновая аминотрансфераза

Синтез глюкозы из аминокислот (глюкозо-аланиновый цикл):

Синтез глюкозы из глицерола:

Синтез глюкозы из глицерола. Глицерол образуется при гидролизе триацил-глицеролов, главным образом в жировой ткани. Использовать его могут только те ткани, в которых имеется фермент глицеролкиназа, например печень, почки. Этот АТФ-зависимый фермент катализирует превращение глицерола в α-глицерофосфат (глицерол-3-фосфат). При включении глицерол-3-фосфата в глюконеогенез происходит его дегидрирование NAD-зависимой дегидрогеназой с образованием дигидроксиацетонфосфата, который далее превращается в глицеральдегид-3-фосфат и включается в глюконеогенез.