Каскадный механизм мобилизации и синтеза гликогена

Неактивная киназа фосфорилазы превращается в активную под влиянием фермента цАМФ-зависимой протеинкиназы.

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 В в фосфорилазу А и, следовательно, к освобождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида гликогена. Обратное превращение фосфорилазы А в фосфорилазуВ катализируется ферментом фосфатазой (эта реакция практически необратима).

При отсутствии потребности организма в дополнительной глюкозе распад гликогена прекращается.

Под действием специфических ферментов происходит инактивирование фосфорилазы А и активирование гликогенсинтазы I, начинается синтез гликогена.

Т.о. активирование 1-го фермента каскада – аденилатциклазы приводит к увеличению распада гликогена и подавлению его синтеза.

Гликолиз

В клетках организма человека и других высших организмов образование энергии происходит не только в просе окислительного фосфорилирования (аэробным путем), но и в ходе распада питательных веществ без участия О2 (анаэробным путем). Главным источником получения энергии анаэробным путем служат гексозы, прежде всего α-Д-глюкоза.

Гликолиз – это анаэробный распад глк до 2-х молекул молочной кислоты (лактата), протекающих в гиалоплазме клетки.

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза

Это экзергонический процесс (выделяется энергия). Освобождающаяся в результате гликолиза энергия аккомулируется в фосфатных связях АТФ.

По имени авторов, изучавших этот процесс более проблемно, гликолиз называют путем Элебдена-Мейергофа-Парнаса.

Отдельные стадии гликолиза катализируются 11-ю ферментами.

Анаэробный гликолиз можно подразделить на две стадии:

1 стадия -	активирование глюкозы и дальнейший ее распад на две триозы (5-я р-ция)
2 стадия -	Включает окислительно-восстановительную реакцию (р-цию оксиредукции) сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ

СТАДИЯ

1.↓ Р-ция фосфорилирования глк, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы и процесс практически необратим. Глк-6-ф в отличии от глк, не проходит через мембрану и как бы «запирается в клетке».

Гексокиназа существует в виде четырех изомеров. Первые три преобразуют различные виды гексоз, включая глк. Гексокиназа IV (глюкокиназа) фосфорилирует только глк, имеется в печени, включается в работу при значительных концентрациях глк в крови воротной вены. Остальные изоформы существуют во всех органах и тканях. Гексокиназа ингибируется глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

 

2.↓↑ Изомеризация глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат:

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

 

3.↓ Образовавшийся фруктозо-6-фосфат фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза, так как здесь происходит резкое падение свободной энергии.

Фермент фосфофруктокиназа по своей природе аллостерический фермент. 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. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Фосфофруктокиназа – это «ключевой» фермент гликолиза, он лимитирует скорость всего процесса гликолиза.

4.↓↑ Под влиянием фермента альдолаза фруктозо-1,6-дисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов дигидроксиацетонфосфата (ДАФ) и глицеральдегид-3-фосфата (ГАФ)).

5.↓↑ Реакция изомеризации триозофосфатов.

Равновесие данной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата. Образуется ≈95% дигидрокси ацетон фосфата и 5% глицер альдегид -3-фосфата. В последующие реакции гликолиза включается только глицеральдегид-3-фосфат. По мере его потребления в ходе дальнейших превращений дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

 

СТАДИЯ

6. ↓↑ Окисление глицеральдегид-3-фосфата в присутствии фермента глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата (гликолити-ческая оксидоредукция) с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН2).

Реакция обратима, продукты реакции блокируют фермент, поэтому необходимо использовать их непрерывно в ходе реакции.

 

7. ↓↑ Передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата):

Р-ция экзергоническая, происходит значительное падение свободной энергии, равновесие сдвинуто влево.

Реакция обратима – это первая реакция гликолиза где образуется АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

 

8. ↓↑ Реакция изомеризации. Сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы.

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2⁺.

 

9. ↓↑ Реакция дегидратации. Катализируется ферментом енолазой, при этом 2фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват). В результате образуется еще 1 макроэргическая связь. Реакция обратима.

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2⁺ или Мn2⁺ и ингибируется фторидом.

 

10. ↓ 2-ая реакция гликолитического фосфорилирования. Реакция необратима, т.к. характеризуется резким падением свободной энергии, разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Синтезируется еще одна молекула АТФ.

Активируется в присутствии ионов Mg2⁺, одновалентных катионов щелочных металлов (К⁺ или др.).

 

11. Восстановление пировиноградной кислоты до молочной кислоты. Реакция протекает при участии фермента л актатдегидрогеназы и кофермента НАДН2, образовавшегося в шестой реакции:

Продукт реакции лактат является «тупиком» в обмене веществ, т.к. не вступает ни в один биохимический процесс, кроме обратного превращения в ПВК. При накоплении лактата в клетке нарушается ее рН и останавливается гликолиз.

Т.о. Анаэробный гликолиз – это распад глюкозы до ПВК (с 1-ой до 10 р-ции). При потребности в большем количестве энергии происходит дальнейшее окисление ПВК (ее окислительное декарбоксилирование, преобразование в ацетил-КоА и полное окисление в ЦТК.

Энергетический баланс и биологическая функция гликолиза.

Распад АТФ происходит в 1-ой и 3-ей реакциях, на стадии фосфорилирования глк и фрк.

Если учесть, что весь дигидроксиацетон (5-я реакция), превращается в альдегид, то дальше происходят биохимические превращения двух триоз, а значит образование 4-х молекул АТФ в двух стадиях гликолитического фосфорилирования, т.е. образование двух молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

Три фермента – гексокиназа, фосфофруктокиназа, пируваткиназа (три необратимые реакции) лимитируют скорость гликолиза. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами. Воздействуя на них можно регулировать эту скорость.

Хотя анаэробный гликолиз дает малый выход энергии (2 молекулы АТФ на 1 мол глк), это единственный процесс в клетках организма, образующий энергию в отсутствии кислорода.

Поэтому в кризисных ситуациях (гипоксия) роль анаэробного гликолиза неоценимо велика, т.к. гликолиз протекает во всех клетках и тканях. В этом биологическая роль гликолиза.

 

Энергетическая ценность аэробного гликолиза.

При окислении 1 молекулы глюкозы в аэробных условиях (с 1-10 реакции) образуется 2 молекулы АТФ. 10-я реакция заканчивается образованием ПВК. Причем при распаде 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ПВК.

В реакциях окислительного декарбоксилирования 2-х ПВК

2 мол. НАД·H₂ · 3 ═ 6 мол АТФ

В ЦТК 6 мол. НАД·H₂ · 3 ═ 18 мол АТФ

2 мол. ФАД·H₂ · 2 ═ 4 мол АТФ

Субстр. Фосфорилир-е = 2 мол АТФ

В гликолизе 2 мол АТФ

32 молекулы АТФ образуется при окислении 1 молекулы глюкозы в аэробных условиях.

• Регуляция гликолиза. Эффект Пастера – снижение скорости потребления глюкозы и накопления лактата в присутствии кислорода.
• Эффекта Пастера объясняется наличием конкуренции между ферментами аэробного (ПВК ДГ, ПВК карбоксилаза, ферменты цепи окислительного фосфорилирования) и анаэробного (ЛДГ) пути окисления за общий метаболит ПВК и кофермент НАДН₂.
• Без О₂ митохондрии не потребляют ПВК и НАДН₂, в результате их концентрация в цитоплазме повышается и они идут на образование лактата. Так как анаэробный гликолиз дает из 1 глюкозы только 2 АТФ, для образования достаточного количества АТФ необходимо много глюкозы (в 19 раз больше чем в аэробных условиях).
• В присутствии О₂, митохондрии выкачивают ПВК и НАДН₂ из цитоплазмы, прерывая реакцию образования лактата. При аэробном окислении из 1 глюкозы образуется 38 АТФ, соответственно для образования достаточного количества АТФ необходимо мало глюкозы (в 19 раз меньше чем в анаэробных условиях).

 

УГЛЕВОДЫ

Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных продуктов: молочной и пировиноградной кислоты, так называемых гликогенных аминокислот, глицерина и т.д.

Главное место процесса печень, в меньшей степени почки и слизистая жкт.

Глюконеогенез протекает при длительном голодании. Можно было бы считать, что глюконеогенез это процесс обратный анаэробному гликолизу. Но 3 реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, путь обратный гликолизу «снизу вверх» невозможен, поэтому в процесс глюконеогенеза на 3 этапах существуют обходные пути необратимых реакций и используются другие ферменты.

I Обходной путь (путь синтеза глюкозы из пирувата)

Образование фосфоенолпирувата из пирувата в обход пируваткиназы

1 - пируваткарбоксилаза; 2 - малатдегидрогеназа (митохондриальная); 3 -малатдегидрогеназа (цитоплазматическая); 4 - фосфоенолпируваткарбоксикиназа.

Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов.

1.(№10) Первоначально пируват проникает в митохондрии, под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата (ЩУК):

2. Затем оксалоацетат возвращается в цитоплазму и в результате декарбоксили-рования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Далее идут обратимые реакции гликолиза до следующей необратимой реакции. Фосфоенолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат.

II Обходной путь (обход фосфофруктокиназной реакции (№3), которая необратима)

1. Глюконеогенез идет в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата (бисфосфата) во фруктозо-6-фосфат, катализируется специфи-ческой фосфатазой:

2. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат.

фруктозо-6-фосфата глюкозофосфатизомераза глюкозо-6-фосфата

III. Обходной путь гексокиназной реакции (№1)

Гликолиз и глюконеогенез.

Круглыми стрелками указаны «обходные» пути глюконеогенеза при биосинтезе глюкозы из пирувата и лактата; цифры в кружках обозначают соответствующую стадию гликолиза.

Свободная глюкоза поступает из ткани в кровь. Гликолиз и гликонеогенез тесно взаимосвязаны. При максимальной активности мышц в них накапливается молочная кислота, она диффундирует в кровь и в печени превращается в глюкозу (глюконеогенез), которая в процессе своего распада используется как энергетический субстрат, необходимый для деятельности мышечной ткани.

Взаимосвязь между процессами гликолиза в мышечной ткани и глюконеогенезом в печени может быть представлена в виде схемы: