7.2. Обмен гликогена
Гликоген – главный резервный гомолисахарид человека, мономером которого является глюкоза. Остатки глюкозы соединены в линейных участках -1,4-гликозидными связями, в местах разветвления - -1,6-гликозидными связями. Разветвленная структура гликогена создает много концевых мономеров, способствующих работе ферментов при его распаде или синтезе. Гликоген депонируется в печени и скелетных мышцах и хранится в цитозоле в форме гранул. Метаболические пути синтеза и распада гликогена различны.
Синтез гликогена (гликогенез) происходит в течение 1-2 часа после приема углеводной пищи и требует затрат АТФ.
1). Фосфорилирование глюкозы при участии гексокиназы (в печени – глюкокиназы) с образованием глюкозо-6-фосфата, который переходит в глюкозо-1-фосфат (фермент – фосфоглюкомутаза):
2). При участии глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазы глюкозо-1-фосфат с УТФ образует УДФ-глюкозу и пирофосфат:
глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ-глюкоза + РРi.
3). Перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество), фермент - гликогенсинтаза:
Гликогенсинтаза катализирует образование -1,4-гликозидной связи.
Образование -1,6-гликозидной связи обеспечивает гликогенветвящий фермент, который переносит олигосахаридный фрагмент (6-7 остатков глюкозы) на 6-гидроксильную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена.
Распад гликогена (гликогенолиз) – процесс перехода гликогена из запасной формы в метаболическую (глюкоза).
В присутствии фосфорилаз гликоген распадается на глюкозо-1-фосфат без предварительного расщепления на более крупные остатки.
Фосфорилаза существует в двух формах – фосфорилаза а (активна) и фосфорилаза b (неактивна). Обе формы могут диссоциировать на субъединицы. Фосфорилаза b состоит из 2 субъединиц, фосфорилаза а – из 4. Превращение фосфорилазы а в фосфорилазу b осуществляется фосфорилированием белка при участии киназы фосфорилазы:
2 фосфорилаза в + 4 АТФ → фосфорилаза а + 4 АДФ.
Неактивная киназа фосфорилазы превращается в активную под влиянием фермента цАМФ-зависимой протеинкиназы. цАМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклазы, активируемой адреналином и глюкагоном. В результате гликоген распадается и образуется глюкозо-1-фосфат.
Глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат. В печени из глюкозо-6-фосфата образуется глюкоза путем гидролитического отщепления фосфата (фермент – глюкозо-6-фосфатаза).
7.3. Гликолиз
Гликолиз – последовательность ферментативных реакций, приводящих к расщеплению глюкозы с образованием ПВК, сопровождающихся образованием АТФ (в цитозоле клетки).
Аэробный гликолиз: образуется ПВК, поступающая в митохондрии, и далее, в общем пути катаболизма, распадающаяся до СО2 и Н2О. Аэробный гликолиз – часть аэробного распада глюкозы.
Анаэробный гликолиз: образуется ПВК, которая затем превращается в лактат. Анаэробный распад глюкозы и анаэробный гликолиз – синонимы. Анаэробный гликолиз протекает в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (нет митохондрий), при недостаточном поступлении кислорода.
Реакции гликолиза:
1). Фосфорилирование глюкозы. Реакцию катализирует гексокиназа, в паренхиматозных клетках печени - глюкокиназа. Образование глюкозо-6-фосфата в клетке - ловушка для глюкозы, т.к. мембрана для фосфорилированной глюкозы непроницаема. Глюкозо-6-фосфат - аллостерический ингибитор реакции.
2). Реакция изомеризации при участии глюкозо-6-фосфатизомеразы:
3) - лимитирующая. Реакция фосфорилирования, катализируемая 6-фосфофруктокиназой. Этот фермент ингибируется АТФ и цитратом, активируется - АМФ.
4). Реакция альдольного расщепления при участии альдолазы.
5). Изомеризация диоксиацетонфосфата, фермент – триозофосфатизомераза:
1 молекула глюкозы превращается в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата (реакции 4, 5).
6). Реакция окисления, фермент - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа:
7). Субстратное фосфорилирование при участии фосфоглицераткиназы:
8). Внутримолекулярный перенос фосфатной группы, фермент - фосфоглицеромутаза:
9). Реакция дегидратации при участии енолазы:
10). Субстратное фосфорилирование, фермент - пируваткиназа:
11) В анаэробных условиях протекает реакция восстановления пирувата в лактат под действием фермента лактатдегидрогеназы:
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза:
Анаэробный гликолиз не нуждается в дыхательной цепи.
Выход АТФ при анаэробном гликолизе: АТФ образуется за счет двух реакций субстратного фосфорилирования, где на 1 молекулу глюкозы образуется 4АТФ (реакции 7 и 10 гликолиза, расчет на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата), 2АТФ расходуется (реакции 1 и 3 гликолиза) и
4АТФ - 2АТФ = 2АТФ.
Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы:
- три реакции субстратного фосфорилирования (7-я, 10-я - гликолиз; 5-я - ЦТК) = 3АТФ;
- пять реакций дегидрирования с образованием НАДН (6-я - гликолиз; 3-я - окислительное декарбоксилирование ПВК; 3-я, 4-я, 8-я - ЦТК) 3х5 = 15АТФ;
- одна реакция дегидрирования с участием ФАД (6 - ЦТК) - образуется ФАДН2 = 2 АТФ;
итого: 3АТФ + 15 АТФ + 2АТФ = 20 АТФ.
Из реакций 4 и 5 гликолиза следует, что из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата, тогда 2х20АТФ = 40 АТФ.
В реакциях 1 и 3 гликолиза расходуется 2АТФ, и
40АТФ - 2АТФ = 38АТФ.