Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Биологическая химия / Биологическая химия - Березов, Коровкин

.pdf
Скачиваний:
5595
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
39.21 Mб
Скачать

вый комплекс–гликокаликс.В поверхностных слоях гликокаликса задерживаются крупные молекулы и бактерии. Полисахариды не проникают через гликокаликс и, оставшись нерасщепленными при полостном пищеварении, гидролизуются на поверхности энтероцитов. Мальтоза, сахароза и лактоза могут гидролизоваться в гликокаликсе. Такое переваривание получило название пристеночного, или внеклеточного, пищеварения.

Маловероятным представляется всасывание значительных количеств дисахаридов, так как из экспериментов с парентеральным их введением известно, что большая часть дисахаридов, поступивших в кровяное русло, выделяется с мочой неизмененной; это является тем единственным и притом нефизиологическим случаем, когда дисахариды появляются в моче.

Скорость всасывания отдельных моносахаридов различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моносахариды. Принято считать, что всасывание маннозы, ксилозы и арабинозы осуществляется преимущественно путем диффузии, всасывание же большинства других моносахаридов происходит за счет активного транспорта.

Щеточная каемка энтероцитов содержит системы переносчиков. Установлено существование переносчика, способного связывать различными своими участками глюкозу и Na+ и переносить их через плазматическую мембрану кишечной клетки. Считают, что глюкоза и Na+ высвобождаются затем в цитозоль, позволяя переносчику захватить новую порцию «груза». Na+ транспортируется по градиенту концентрации, стимулируя переносчик к транспорту глюкозы против указанного градиента. Свободная энергия, необходимая для этого активного транспорта, образуется благодаря гидролизу АТФ связанному с натриевым насосом, который «откачивает» из клетки Na+ в обмен на К+ . Динамика происходящих при этом процессов пока остается недостаточно ясной и в настоящее время обстоятельно изучается.

Судьба всосавшихся моносахаридов. Более 90% всосавшихся моносахаридов (главным образом глюкоза) через капилляры кишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с током крови через воротную вену доставляется прежде всего в печень. Остальное количество моносахаридов поступает по лимфатическим путям в венозную систему. В печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген, который откладывается в печеночных клетках в форме своеобразных, видимых под микроскопом блестящих гранул.

СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА

Гликоген–главнаяформа запасания углеводов у животных и человека. Накапливается гликоген главным образом в печени (до 6% от массы печени) и в скелетных мышцах, где его содержание редко превышает 1%. Запасы гликогена в скелетных мышцах ввиду значительно большей массы последних превышают его запасы в печени. Гликоген присутствует в цитозоле в форме гранул диаметром от 10 до 40 нм. На электронных микрофотографиях гликогеновые гранулы выглядят плотными. Установлено, что эти гранулы, кроме гликогена, содержат ферменты, катализирующие синтез и распад гликогена. Однако гликогеновые гранулы отличаются от мультиферментных комплексов (например, от пируватдегидрогеназного комплекса). Степень структурной организации гликогеновых гранул ниже, чем в мультиферментных комплексах. Следует подчеркнуть, что синтез и распад гликогена в клетке осуществляются разными метаболическими путями.

321

В частности, считалось, что гликогенфосфорилаза (фосфорилаза а) катализирует как распад гликогена, так и его синтез, потому что в опытах in vitro было показано, что гликогенфосфорилазная реакция обратима. Однако в дальнейшем было установлено, что в клетке (in vivo) фосфорилазаа катализирует только распад гликогена, синтез гликогена осуществляется при участии совершенно другого фермента. Оба эти процесса (синтез и распад гликогена) регулируют содержание глюкозы в крови и создают резерв глюкозы для интенсивной мышечной работы.

Синтез гликогена (гликогенез)

Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы, а в печени–иглюкокиназы. Далееглюкозо-6-фосфатпод влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит вглюкозо-1-фос-фат *:

АТФ

АДФ

 

 

Гексокиназа

Фосфоглюкомутаза

 

 

Глюкоза

Глюнозо-6-фосфат

Глюкозо-1-фосфат

Образовавшийся глюкозо-1-фосфатуже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой стадии синтезаглюкозо-1-фосфатвступает во взаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу(УДФ-глюкоза)и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментомглюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой(УДФГ-пирофосфорила-за):

Глюкозо-1-фосфат+ УТФ <=>УДФ-глюкоза+ Пирофосфат.

Приводим структурную формулу УДФ-глюкозы:

Уридиндифосфатглюноза (УДФ-глюкоза)

*Роль кофакторов в данной реакции выполняет глюкозо-1,6-бисфосфат,образующийся

вреакции, катализируемой фосфоглюкокиназой: глюкозо-1-фосфат+АТФ<=>глюкозо-1,6-бис-фосфат + АДФ.

322

На второй стадии – стадии образования гликогена – происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы,на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество). При этом образуетсяα-(1–>4)-связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и4-гидроксильнойгруппой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Необходимо еще раз подчеркнуть, что реакция, катализируемая гликогенсинтазой, возможна только при условии, что полисахаридная цепь уже содержит более 4 остатковD-глю-козы.

УДФ-глюкоза

Гликоген (n остатков)

+ УДФ

Гликогенсинтаза

Гликоген (n+1 остатков)

Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ,

и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфатаначинается сначала.

В целом образование α-1,4-глюкозиднойветви («амилозной» ветви) гликогена можно представить в виде следующей схемы:

Глюкозо-1-фосфат

 

 

УТФ

 

АДФ

Глюкозо-1-фосфат-

 

 

-уридилилтрансфераза

 

 

 

 

Нуклеозид-

Пирофосфат

дифосфат-

УДФ-глюкоза

 

киназа

 

 

Гликоген

УДФ

АТФ

6Н10О5)n

Гликоген-синтаза

Гликоген

6Н10О5)n+1

323

Установлено, что гликогенсинтаза неспособна катализировать образование α-(1–>6)-связи,имеющейся в точках ветвления гликогена. Этот процесс катализирует специальный фермент, получивший название гликогенветвящего фермента, илиамило-(1–>4)–>(1–>6)-трансглюкозидазы.Последний катализирует перенос концевого олигосахаридного фрагмента, состоящего из 6 или 7 остатков глюкозы, с нередуцирующего конца одной из боковых цепей, насчитывающей не менее 11 остатков, на6-гидроксиль-ную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена. В результате образуется новая боковая цепь.

Ветвление повышает растворимость гликогена. Кроме того, благодаря ветвлению создается большое количество невосстанавливающих концевых остатков, которые являются местами действия гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы.

Таким образом, ветвление увеличивает скорость синтеза и расщепления гликогена.

Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах и в меньшей степени в других органах и тканях) создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов. При повышении энерготрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходят усиление распада гликогена и образование глюкозы.

Помимо непосредственной передачи нервных импульсов к эффекторным органам и тканям, при возбуждении ЦНС повышаются функции ряда желез внутренней секреции (мозговое вещество надпочечников, щитовидная железа, гипофиз и др.), гормоны которых активируют распад гликогена, прежде всего в печени и мышцах (см. главу 8).

Как отмечалось, эффект катехоламинов в значительной мере опосредован действием цАМФ, который активирует протеинкиназы тканей. При участии последних происходит фосфорилирование ряда белков, в том числе гликогенсинтазы и фосфорилазы b – ферментов, участвующих в обмене углеводов. Фосфорилированный фермент гликогенсинтаза сам по себе малоактивен или полностью неактивен, но в значительной мере активируется положительным модуляторомглюкозо-6-фосфатом,который увеличивает Vmax фермента. Эта форма гликогенсинтазы называетсяD-формой,или зависимой (dependent) формой, поскольку ее активность зависит отглюкозо-6-фосфата.Дефосфорилированная форма гликогенсинтазы, называемая такжеI-формой,или независимой (independent) формой, активна и в отсутствиеглюкозо-6-фосфата.

Таким образом, адреналин оказывает двойное действие на обмен углеводов: ингибирует синтез гликогена из УДФ-глюкозы,поскольку для проявления максимальной активностиD-формыгликогенсинтазы нужны очень высокие концентрацииглюкозо-6-фосфата,и ускоряет распад гликогена, так как способствует образованию активной фосфорилазыа. В целом суммарный результат действия адреналина состоит в ускорении превращения гликогена в глюкозу.

Распад гликогена (гликогенолиз)

Известно, что фосфоролитический распад играет ключевую роль в мобилизации полисахаридов *.

* В тканях человека и животных отечественными биохимиками Е.Л. Розенфельд и И.А. Поповой обнаружен также фермент α-амилаза,катализирующий отщепление остатков глюкозы от молекулы гликогена поα-1,4-связи.Однако ведущая роль в расщеплении гликогена в клетках принадлежит фосфорилазам.

324

Аденилатциклаза

 

(неактивная)

 

Адреналин, глюкагон

Аденилатциклаза

 

(активная)

 

АТФ

цАМФ

Н4Р2О7

 

цАМФ-зависимая

цАМФ-зависимая

протеинкиназа

протеинкиназа

(активная)

(неактивная)

Киназа фосфорилазы b (неактивная)

 

 

+ АТФ

 

 

 

+ Мg2+

 

Киназа фосфорилазы b

 

Гликоген

 

6Н10О5)n

 

(активная)

 

 

 

 

Н3РO4

Фосфорилаза b

 

Фосфорилаза а

(неактивная)

4АТФ 4АДФ

(активная)

Глюкозо-1

 

 

 

 

 

Фосфат

3РO4

 

2O

Гликоген

 

(C6H10O5)n-1

 

Фосфатаза

 

 

 

 

Рис. 10.1. Гормональная регуляция фосфоролитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.

Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности, гликоген) из запасной формы в метаболически активную форму; в присутствии фосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы (глюкозо-1-фосфата)без предварительного расщепления на более крупные обломки молекулы полисахарида. В общей форме эту реакцию можно представить в следующем виде:

(C6H10O5)n + H3PO4 >(C6H10O5)n1 +Глюкозо-1-фосфат,

где (С6Н10О5)n означает полисахаридную цепь гликогена, а (С6Н10О5)n,– ту же цепь, но укороченную на один глюкозный остаток.

На рис. 10.1 изображены процесс распада гликогена до глюкозо-1-фосфатаи участие в этом процессе цАМФ. Фермент фосфорилаза существует в двух формах, одна из которых (фосфорилазаа) активна, в то время как другая (фосфорилазаb) обычно неактивна. Обе формы могут диссоциировать на субъединицы. Фосфорилазаb состоит из двух субъединиц, а фосфорилазаа–изчетырех. Превращение фосфорилазыb в фосфорилазуа осуществляется фосфорилированием белка:

325

2 Фосфорилаза b + 4 АТФ>Фосфорилазаа + 4 АДФ.

Катализируется эта реакция ферментом, который называется киназой фосфорилазы b. Установлено, что эта киназа может существовать как в активной, так и в неактивной форме. Неактивная киназа фосфорилазы превращается в активную под влиянием фермента протеинкиназы (киназа киназы фосфорилазы), и не просто протеинкиназы, ацАМФ-зависимойпротеинкиназы.

Активная форма последней образуется при участии цАМФ, которая в свою очередь образуется из АТФ под действием фермента аденилатциклазы, стимулируемой, в частности, адреналином и глюкагоном. Увеличение содержания адреналина в крови приводит в этой сложной цепи реакций к превращению фосфорилазы b в фосфорилазуа и, следовательно, к освобождению глюкозы в видеглюкозо-1-фосфатаиз запасного полисахарида гликогена. Обратное превращение фосфорилазыа в фосфорилазуb катализируется ферментом фосфатазой (эта реакция практически необратима).

Образовавшийся в результате фосфоролитического распада гликогена глюкозо-1-фосфатпревращается под действием фосфоглюкомутазы вглюкозо-6-фосфат.Для осуществления данной реакции необходима фосфорилированная форма фосфоглюкомутазы, т.е. ее активная форма, которая образуется, как отмечалось, в присутствииглюкозо-1,6-бисфосфата*.

Фосфоглюкомутаза

Глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-6-фосфат

 

Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфатав печени происходит под влияниемглюкозо-6-фосфатазы.Данный фермент катализирует гидролитическое отщепление фосфата:

Н2OPi

Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкозо-6-фосфат

Глюкоза

* В настоящее время установлено, что в каталитическом центре активной формы молекулы фосфоглюкомутазы присутствует фосфорилированный остаток серина. Во время катализа эта фосфорильная группа, вероятно, переносится на гидроксильную группу при С-6глюкозо-1-фосфатас образованиемглюкозо-1-бисфосфата.Далее фосфорильная группа указанного промежуточного продукта переносится на остаток серина в активном центре. В результате происходят образованиеглюкозо-6-фосфатаи регенерирование фосфорилированного фермента.

326

 

Гликоген

УДФ

 

 

 

Н3РО4

 

 

 

УДФ-глюкоза

 

 

Пирофосфат

 

Глюкозо-1-фосфат

УТФ

 

 

Рис. 10.2. Распад и синтез гликогена

Глюкозо-6-фосфат

 

(схема).

АДФ

 

Жирными стрелками указан путь распада,

Н2О

 

тонкими - путь синтеза. Цифрами обозна-

 

 

чены ферменты: 1 - фосфорилаза; 2 - фос-

 

АТФ

фоглюкомутаза; 3 - глюкозо-6-фосфатаза;

 

 

 

4 - гексокиназа (глюкокиназа); 5 - глюко-

 

Глюкоза

зо-1-фосфат-уридилтрансфераза;6- глико-

 

Н3РО4

 

генсинтаза.

 

 

 

Заметим, что фосфорилированная глюкоза в противоположность неэтерифицированной глюкозе не может легко диффундировать из клеток. Печень содержит гидролитический фермент глюкозо-6-фосфатазу,который

иобеспечивает возможность быстрого выхода глюкозы из этого органа.

Вмышечной ткани глюкозо-6-фосфатазапрактически отсутствует.

На рис. 10.2 отражены представления о путях распада и синтеза гликогена в печени *.

Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является результатом одновременного протекания двух процессов: поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями, где она используется в первую очередь как энергетический материал.

В тканях (в том числе в печени) распад глюкозы происходит двумя основными путями: анаэробным (при отсутствии кислорода) и аэробным, для осуществления которого необходим кислород.

ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз (от греч.glycys–сладкийиlysis–растворение,распад)–этопоследовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ.

При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2 и Н2О. Если содержание кислорода недостаточно, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат.

Итак, гликолиз–нетолько главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если

* Как отмечалось, в отличие от печени в мышечной ткани глюкозо-6-фосфатазаотсутствует. Пути распада и синтеза гликогена в печени в целом подобны таковым в мышце, однако имеются существенные различия в структуре печеночных и мышечных ферментов метаболизма, а также в механизмах регуляции их активности.

327

последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода (анаэробные условия).

Анаэробный гликолиз –сложныйферментативный процесс распада глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН >2СН3СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н2О.

Глюкоза Молочная кислота

В анаэробных условиях гликолиз–единственныйпроцесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об

аэробном гликолизе *.

Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, клисталлическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

АТФ

АДФ

Гексокиназа

Глюкоза

Глюкозо-6-фосфат

Образование глюкозо-6-фосфатав гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом,т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы,но и других гексоз, в частностиD-фруктозы,D-маннозыи т.д. В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование толькоD-глюкозы.В мышечной ткани этот фермент отсутствует (подробнее см. главу 16).

* В аэробных условиях гликолитический распад глюкозы до пировиноградной кислоты можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого

процесса - СО2 и Н2О.

328

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фос-фата под действием ферментаглюкозо-6-фосфат-изомеразывофруктозо-6-фосфат:

Глюкозо-6-фосфат-изомераза

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либокофакторов.

Третья р е а к ц и я катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфатвновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

АТФ

АДФ

6-Фосфофруктокиназа

Фруктозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АМФ *. При значительных величинах отношения АТФ/АМФ активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфатрасщепляется на две фосфотриозы:

* Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз. В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом.

329

 

Альдолаза

 

 

Диоксиацетон-

Глицеральде-

Фруктозо-1,6-бисфосфат

фосфат

гид-3-фосфат

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата)*.

Пятая р е а к ц и я–этореакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Триозофосфатизомераза

Диоксиацетон-

Глицеральдегид-

фосфат

3-фосфат

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глице- ральдегид-3-фосфата.В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов,

аименно глицеральдегид-3-фосфат.Вследствие этого по мере потребления

входе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфатакак бы завершается первая

стадия гликолиза. Вторая стадия–наиболеесложная и важная. Она включаетокислительно-восстановительнуюреакцию (реакция гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфатв присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием1,3-бисфосфоглицериновойкислоты ** и восстановленной формы НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йодили бромацетатом, протекает

внесколько этапов:

*Животные ткани содержат по меньшей мере три различные альдолазы, характерные для мышцы, печени и мозга соответственно. Все альдолазы расщепляют фруктозо-1,6-бисфосфатдо диоксиацетонфосфата иглицеральдегид-3-фосфатаи могут катализировать обратную конденсацию диоксиацетонфосфата с различными оксиальдегидами, хотя и с неодинаковой

скоростью.

** Глицеральдегид-3-фосфат- последний углевод в цепи превращений глюкозы. Дальнейшим превращениям подвергаются органические кислоты, которые находятся в диссоциированной форме, поэтому наряду с названием свободных кислот используют также название их анионов, например3-фосфоглицерат,пируват и др.

330

Соседние файлы в папке Биологическая химия