Каскадный механизм мобилизации и синтеза гликогена

Углеводы, их классификация.

Углеводы (У) – это органические соединения, содержащие альдегидную или кето- группы, и являющиеся производными многоатомных спиртов.

Термин «углеводы» предложен в 1844г. К. Шмидтом, т.к. в то время полагали, что их общая формула представляет собой: Сх(Н2О)n – т.е. углерод + вода. Дальнейшие исследования показали, что это не так. Например: формула дезоксирибозы С₅Н1oО₄. Поэтому позднее было предложено этот класс веществ называть глицидами. Углеводы широко распространены в природе. В растениях их содержание ≈ 80%, в тканях животных всего ≈ 2%. Для животных организмов их значение велико.

Функция углеводов.

- энергетическая: при окислении У выделяется энергия, используемая в биохимических реакциях (при распаде 1г У выделяется ≈ 4,1% ккал).

- пластическая: продукты обмена У являются источниками для синтеза Ж, Б, НК, АК.

- опорная: целлюлоза оболочек растительных клеток образует опорные ткани растений.

- защитная: У учувствует в построении клеточных мембран.

Классификация углеводов

Моносахариды – это производные многоатомных спиртов, у которых одна гидрокси-группа (ОН) замещена на карбонильную (С=О альдегидную или кето) группу. Если карбонильная группа находится в конце цепи, то моносахарид представляет собой альдегид и называется альдозой, при любом другом положении моносахарид является кетоном и называется кетозой.

Номенклатура: наименования моносахарам дают в зависимости от числа атомов С + окончание – оза. Три атома углерода - триоза, 4 - тетроза, 5 - пентоза, 6 - гексоза, 7 - гептоза, и т.д.

Н₂С – ОН                          Н₂С – ОН                     Н С = О

|                                            |                                |

С = О            !          НС – ОН        "     НС­_­­­­* – ОН

|                                           |                                |

Н₂С – ОН                          Н₂С – ОН                     Н₂С –ОН

дегидроксиацетон        трехатомный спирт   глицеральдегид

(кетотриоза)                 (глицерин)                  (альдотриоза).

- Моносахараобладают оптической активностью и пространственной изомерией.

                 N=2ª, где N – число изомеров, а - количество хиральных атомов.

Т.о. у альдотриозы м.б. 2=2¹ изомера.

- Если ОН-гр. у последнего хирального атома С находится слева, то это L – ряд, а если справа, то это моносахара Д-ряда. У нас изображен Д – глицеральдегид.

α, D- глюкопираноза

- Если раствор этого соединения вращает плоскость поляризованного луча вправо, то обозначает «+», а если влево, то знаком «-». Направление угла вращение заранее непредсказуемо: например природная глк (+), а фрк (-).

- Формулы моносахаридов м.б. линейными и циклическими. Их называют соответственно формулами Фишера и Хеуорса.

- В зависимости от того, ОН-гр. какого из углеродов атомов участвует в образовании полуацетеля, могут образоваться пяти- или шестичленные циклы, которые по аналогии с органическими соединениями называются фуранозными или пиранозными структурами.                    

- В циклических молекулах пентоз и гексоз появляется еще один хиральный атом и новая пара изомеров (α- и ß- формы). Если Он-группа у С₁­ располагается над плоскостью, то это ß- форма, а если под плоскостью, то это α -форма.

Олигосахариды – это сложные молекулы, содержащие в своем составе от 2-х до 10 мономеров звеньев.

Различают дисахариды, трисахариды и т.д.

Дисахариды– это сложные молекулы, которые при гидролизе распадаются на 2 молекулы моносахаридов.

Мальтоза – состоит из 2-х молекул α-глюкозы, соединенных 1"4 гликозидной связью

α -Д-глюкопиранозил (1"4) α –Д-глюкопираноза

Изомальтоза –состоят из 2-х молекул α -Д-глюкозы, (1"6) гликозидной связью

α -Д-глюкопиранозил (1"6) α –Д-глюкопираноза

Целлобиоза – состоит из 2-х молекул ß-глюкозы, соединенных 1"4 глик. связью

ß-целлобиоза (1"4)        

Лактозасостоит изß-галактозы и α-глюкозы, соединенных (1"4) гликозидной связью ß-Д галактопиранозил (1"4) Д-глюкопираноза  

Сахароза – состоит из α-глюкозы и ß-фруктозы, соединенных 1"2 гликозидной связью

α -Д-глюкоиранозил (1"2) ß –Д-глюкофуранозаранозид

Трисахариды – раффиноза (фруктоза+глюкоза+галактоза)

Полисахариды (полиозы) – это глициды, содержащие от 10 до несколько тысяч мономеров.

По строению высшие полиозы делят на следующие группы:

    I. Гомополисахариды, состоящие из остатков одного какого-либо моносахарида:

а) из остатков глюкозы — крахмал, гликоген, декстран, целлюлоза и др.;

б) из остатков маннозы, галактозы, ксилозы, L-арабинозы — маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны;

в) из остатков галактуроновой кислоты — пектиновые вещества;

г) из остатков глюкозамина — хитин насекомых и грибов

    II. Гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов и их производных:

а) гемицеллюлозы (компоненты крови);

б) камеди, слизи;

в) мукополисахариды или протеиногликаны (свободные и связанные с белками, например, в гликопротеинах: гепарин, хондроитинсульфаты, групповые вещества крови).

По биологическим функциям высшие полиозы делят на следующие группы:

I. Структурные полисахариды, играющие опорнуюроль в организмах растений и животных: целлюлоза и пектиновые вещества растений, хитин насекомых и грибов.

П. Резервные полисахариды, являющиеся источником энергии для живых организмов: крахмал, гликоген, инулин.

Крахмал [C6 H10O5]n; Мr 105–107Да. Это резервный гомополисахарид, состоит из 2-х гомополисахаридов; амилозы – линейной формы, и амилопектина – разветвленной формы. Доля амилозы ≈10-30%, сод. до 1 тысяч остатков глк. в амилопектине (его доля в крахмале ≈90-70%) глюкозных остатков в 20-30 раз больше. Остатки глк в амилозе и линейных участках амилопектина соединяется 1"4 гликозидной связью; в точках разветвления 1"6 гликозидной связью.                                   амилоза

Гликоген[C₆ H₁₀ O₅]_n – главный энергетический резерв человека и животных. Формула аналогична формуле крахмала. Mr 10⁵–10⁸Да . Особенно много его в печени (до 10%) и мышцах (до 4% от сухой массы). Состоит также из амилопектина, только молекула более компактная, т.к. имеет более разветвленную структуру.

    Крахмал и гликоген при кислотном гидролизе распадаются сначала на декстрины, затем на дисахариды – мальтозу и изомальтозу, затем на две глюкозы.

Целлюлоза (клетчатка) – это структурный полисахарид растительного происхождения, состоящий из ß-D–глюкопиранозных остатков, соединенных 1"4 гликозидной связью. Mr=1-2млн Да. В организме человека и животных не переваривается; т.к. отсутствует фермент ß–глюкозидаза. В присутствии в пище оптимального количества целлюлозы формируются каловые массы.

Обмен углеводов

Складывается из: 1) расщепления полисахаридов в ЖКТ до моносахаров, которые всасываются из кишечника в кровь;

2) синтеза и распада гликогена в тканях;

3) анаэробного и аэробного расщепления глк;

4) взаимопревращения гексоз;

5) аэробного метаболизма ПВК;

6) глюконеогенеза - синтеза глк из неуглеводных компонентов – ПВК, лактата, АК, глицерина и др. источников.

Основной метаболит в обмене углеводов – это глюкоза.

Её источники: 1) углеводы пищи

                    2) гликоген

                    3) ПВК, АК, глц и т.д.

Переваривание углеводов (крахмала).

1. Ротовая полость. Слюна содержит фермент амилазу α, ß, γ (различаются по конечным продуктам их ферментативного действия).

α–амилаза – это эндоамилаза, которая действует на 1"4 внутренние связи полисахаров

ß- и γ-амилазы – это экзоамилазы – расщепляют концевые 1"4 связи

ß–амилаза – дисахарид мальтозу;

γ- амилаза – один за другим концевые остатки глк.

Амилаза слюны представлена только α–амилазой, поэтому результатом ее действия являются крупные обломки гликогена и крахмала – декстрины и в небольшом количестве мальтоза.

2. Желудок. Далее пища, более или менее смоченная слюной, поступает в желудок. В результате кислой среды желудка (рН 1,5–2,5) α–амилаза слюны инактивируется. В глубоких слоях пищевого комка действие амилазы продолжается и происходит расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы. В самом желудке распада У нет, т.к. здесь отсутствует специфические энзимы.

3. Основной этап расщепления У происходит в 12 перстной кишке.

В просвет кишечника выделяется панкриатическая α-амилаза (рН–7). Панкреатическая амилаза расщепляет только 1"4 гликозидные связи. Но, как известно, молекула гликогена разветвленная. В точках ветвления 1"6 гликозидной связи, на нее воздействует специфические ферменты: (глюкоза) олиго-1,6-глюкозидаза и (крахмал) амило-1,6-глюкозидаза. В кишечнике под действием этих 3-х ферментов У расщепляются до дисахаридов (мальтоза и др.). На связи в дисахаридах эти ферменты не воздействуют. Для этих целей в кишечнике существует свои ферменты: их название – корень дисахарида + аза: мальтаза, сахараза и т.д. В результате суммарного воздействия этих ферментов образуется смесь моносахаридов – глюкоза, галактоза, фруктоза. Основную массу составляет глюкоза.

4.Всасывание глюкозы происходит за счет активного транспорта с Na⁺. Глк + Na⁺ образует комплекс, который поступает внутрь клетки, здесь комплекс распадается, Na⁺ выводится наружу. Другие моносахара всасываются диффузно (т.е. по градиенту концентрации). Поступающая из просвета кишечника глк большей частью (> 50%) с кровью воротной вены поступает в печень, остальная глк через общий кровоток транспортируется в другие ткани.

Транспорт глк в клетки носит характер облегченной диффузии, но во многих клетках регулируетсягормоном поджелудочной железы инсулином (исключение – мозг и печень – здесь содержание глк прямо пропорционально концентрации глк в крови). Действие инсулина приводит к перемещению белков переносчиков из цитозоля в плазматическую мембрану. Затем с помощью этих белков глк транспортируется в клетку по градиенту концентрации. Инсулин т.о. повышает проницаемость клеточной мембраны для глк.

Концентрация глк в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33 – 5,55 мкмоль/л, что соответствует 80-100 мг в 100 мл. крови.

Влияние инсулина на перемещение транспортёров глюкозы из цитоплазмы в плазматическую мембрану.

1 - связывание инсулина с рецептором; 2 - участок инсулинового рецептора, обращённый внутрь клетки, стимулирует перемещение транспортёров глюкозы. 3,4-транспортёры в составе содержащих их везикул перемещаются к плазматической мембране клетки, включаются в её состав и переносят глюкозу в клетку.

ТЕМА: УГЛЕВОДЫ II

Цель:Сформировать и закрепить у студентов системные знания об основных путях метаболизма глюкозы, о клеточных и нейро-гуморальных механизмах регуляции углеводного обмена.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Биосинтез гликогена.

2. Распад гликогена.

3. Синтез глюкозы из глицерина.

4. Механизм фосфорилитического отщепления остатка глюкозы от гликогена.

5. Каскадный механизм мобилизации и синтеза гликогена.

6. Анаэробный гликолиз, стадии, энергетический баланс.

Синтез и распад гликогена.

       Наиболее важным углеводом организма человека является глюкоза. Она поступает с пищей, в глюкозу превращаются углеводы в печени, из глюкозы могут образоваться все остальные углеводы в организме. Она является универсальным топливом. Глюкоза превращается в гликоген в печени, и гликоген служит источником глюкозы в организме.

Биосинтез гликогена – гликогенез происходит в процессе пищеварения (в течении 1-2 часов после приема углеводной пищи). Особенно активно гликогенез происходит в печени и мышцах:

1– 2. Фосфорилирование глк

Катализирует реакцию фермент гексокиназа. В печени также есть фермент глюкокиназа класс Трансферазы.

Клеточная мембрана проницаема для глк, но не проницаема для фосфорилирования, фосфорилированная глк как бы запирается в клетке.

3. Через фосфодиэфирную связь глюкоза соединяется с УДФ. УДФ–глк. является активированной формой глк, непосредственно включающейся в реакцию полимеризации. УДФ – глюкоза переносит глюкозный остаток на затравочное количество гликогена, уже имеющегося в мышцах или печени.

Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > Н4Р2О7  +   

(пиррофосфат)

4.

5. УДФ + Н3РО4нуклеозиддифосфаткиназа УТФ

ост. АТФ

При этом АТФ → АДФ

Т.о. строятся линейныеотрезки гликогена, т.е. образуется 1→4 гликозидные сязи.

Образование разветвлений в молекуле гликогена происходит под действием специфического гликогенветвящего фермента амило(α1,4→α1,6)трансгликозилазы, которые переносят короткие фрагменты (по 2-3 глюкозных остатка) с одного участка гликогена на другой и образует 1,6-гликозидные связи (точка ветвления). Путем чередования действия этих двух ферментов наращивается молекула гликогена.

     Е гликогенсинтетаза находится в организме в двух формах: фосфорилированная или неактивная форма, которая называется гликогенсинтетаза Д; нефосфорилированная или активнаягликогенсинтетаза I.

     Переход этих форм друг в друга происходит с помощью двух ферментов:

Киназы гликогенсинтетазы

Фосфотазы гликогенсинтетазы

                                АТФ         киназа         АДФ

Нефосфорил-я, активнаяфосфорилир.неактивная

гликогенсинтетазаI                  фосфотаза                 гликогенсинтетаза Д

                       Фн      

Среднее содержание гликогена в печени колеблется в пределах 5-7%

а) при нормальном смешанном питании глк превращается в

- гликоген 3%

- жиры 30%

- окисляется до СО2, Н2О – 70%

б) при обильном углеводном питании глк превращается в

- гликоген 10%

- жиры 40%

- окисляется до СО2, Н2О – 50%

в) при голодании в течении суток почти весь гликоген без остатка утилизируется и его не удается обнаружить в печени обычными биохимическими реакциями.

    Содержание гликогена в печени зависит от его синтеза (гликогенеза) или распада (гликогенолиза).

Распад гликогена (гликогенолиз)

происходит двумя путями

гликоген

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:

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 ферментаальдолаза 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% дигидроксиацетонфосфата и 5% глицеральдегид-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 ферментаглицеральдегид-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 лактатдегидрогеназы 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.

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: