Синтез и распад гликогена
Гликоген – полисахарид, накапливающийся, главным образом, в печени и в мышцах, и выполняющий функцию энергетического резерва углеводов, который может быть быстро использован при увеличении энергопотребления. Синтез гликогена протекает лишь в условиях «энергетического комфорта», когда количество поступающих углеводов с пищей превышает энергетические потребности клеток организма.
В случае синтеза гликогена после образования глюкозо-6-фосфата (гексокиназная реакция) происходит внутримолекулярный перенос остатка фосфорной кислоты из 6-го положения в 1-е. При этом образуется глюкозо-1-фосфат.
Рисунок ХХ. Схема метаболизма гликогена в печени
После изомеризации глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат протекает дополнительная активация глюкозного фрагмента. При этом расходуется 1 молекула УТФ, что равнозначно затрате одной молекулы АТФ. В результате образуется УДФ-глюкоза.
Затем глюкозный остаток переносится на молекулу гликогена, и его цепь становится на один глюкозный фрагмент длиннее. Удлинение цепи гликогена катализирует фермент гликогенсинтетаза – ключевой фермент синтеза гликогена, который активируется избытком глюкозо-6-фосфата. Поэтому, если глюкозо-6-фосфат в клетке потребляется медленно, то возрастание его концентрации приводит к увеличению скорости синтеза гликогена. Реакция, катализируемая гликогенсинтазой, необратима.
Гликоген – разветвленная молекула. Для формирования ответвлений (α(1,6)-гликозидных связей) существует специальный фермент - "гликогенветвящий фермент".
Молекула гликогена синтезируется не «с нуля», а происходит постепенное удлинение уже имеющегося фрагмента цепи – так называемой "затравки". И при распаде гликогена никогда не происходит полного разрушения его молекул – обязательно остаются «затравки» - олигосахаридные фрагменты, которые в момент запуска его синтеза являются матрицей для удлинения полисахаридных цепей и формирования новых отвтевлений.
Для включения одного остатка глюкозы в молекулу гликогена клетка расходует 2 молекулы АТФ. При распаде гликогена освобождается только Фн (неорганический фосфат).
При увеличении энергопотребления гликоген способен распадаться. Для этого существует свой обходной обратный путь. Его ключевым ферментом является гликогенфосфорилаза, который угнетается избытком АТФ, активируется избытком АДФ и АМФ. Этот фермент расщепляет молекулу гликогена с участием неорганического фосфата (Фн) до глюкозо-1-фосфата и гликогена, укороченного на один глюкозный фрагмент: (С6Н10О5)n + H3PO4 ----> (C6H10O5)n-1 + глюкозо-1-фосфат
Аэробный распад углеводов
Это главный путь распада углеводов до конечных продуктов, а для клеток некоторых тканей является единственно возможным. В среднем аэробному распаду подвергается 70-75% глюкозы, поступающей в клетку, и для многих тканей этот самый протяженный путь распада углеводов является главным источником получения энергии в клетке. Получение энергии в виде АТФ и является главным биологическим значением аэробного распада углеводов.
Рисунок ХХ. Главные пути метаболизма углеводов (схема).
Аэробный путь распада углеводов условно можно разделить на три этапа.
I-й этап аэробного распада углеводов
Протекает в цитоплазме, включает в себя 10 реакций и заканчивается образованием двух молекул пирувата (пировиноградной кислоты).
Условно I-й этап аэробного распада можно разделить на 2 части. Первая часть представляет из себя постепенную активацию молекулы гексозы, завершающуюся ее распадом на две триозы. Такая активация протекает в 2 стадии, первая из которых описана выше (гексокиназная реакция). В ходе вторичной активации в состав молекулы углевода включается еще один остаток фосфорной кислоты, в результате чего образуется бисфосфатная форма гексозы - фруктозо-1,6-бисфосфат:
Рисунок ХХ. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой и ее обходной обратный путь
Реакция необратима, сопровождается затратой одной молекулы АТФ и катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Фосфофруктокиназа - это один из ключевых ферментов аэробного пути распада углеводов. Максимальная скорость работы фосфофруктокиназы больше, чем Vmax гексокиназы. Поэтому, когда в клетку в период интенсивного энергопотребления поступает много глюкозы, скорость всего аэробного пути распада углеводов (как, впрочем, и остальных путей метаболизма глюкозы) ограничивается именно гексокиназой.
Однако в условиях низкого энергопотребления (например, в покоящейся мышце) накапливаются АТФ и цитрат, избыток которых сильно ингибирует фосфофруктокиназу. В такой ситуации лимитирующим ферментом аэробного пути распада углеводов вместо гексокиназы становится именно фосфофруктокиназа. Из-за ее угнетения в клетке накапливаются фруктозо-6-фосфат и его предшественник глюкозо-6-фосфат. Избыток последнего, в свою очередь, ингибирует гексокиназу, уменьшая использование глюкозы клеткой в целом, и одновременно активирует гликогенсинтетазу, запуская синтез гликогена.
В условиях дефицита энергии, когда нет избытка АТФ и цитрата, а существует избыток АДФ, то последний активирует фосфофруктокиназу, и тогда скорость всего аэробного пути лимитируется опять гексокиназой.
В результате фосфофруктокиназной реакции молекула гексозы дестабилизируется (ослабляется) настолько, что образующийся в ней фруктозо-1,6-бисфосфат легко распадается на 2 фосфотриозы. Эти вещества – фосфоглицериновый альдегид (сокращенно – ФГА) и фосфодиоксиацетон (сокращенно – ФДА) являются изомерами и способны к взаимному превращению. Так завершается начальная часть первого этапа аэробного распада распада углеводов, в ходе которой клетка не только не получает энергии, но вынуждена вкладывать ее в виде двух молекул АТФ. Но, как мы увидим в дальнейшем, эти энергетические затраты многократно окупаются в последующих реакциях аэробного распада, и клетка получает прибыль в виде большого количества АТФ, несравнимо большую по сравнению с затратами в начальной части первого этапа процесса.
В следующую реакцию первого этапа аэробного пути распада углеводов вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация, и постепенно весь ФДА переходит в ФГА. Поэтому во вторую часть первого этапа аэробного распада вступают сразу две молекулы ФГА, образовавшиеся из одной молекулы гексозы.
Вторая часть 1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.
Рисунок ХХ. Реакция окисления фосфоглицеринового альдегида.
Эта обратимая реакция катализируется ферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Эта никотинамидная дегидрогеназа способна передавать отщепляемый водород со своего кофермента по системе транспортных челночных механизмов в митохондрию на полную дыхательную цепь, и затем на кислород воздуха, с образованием 2,5 молекул АТФ (путем окислительного фосфорилирования).
Для первого этапа аэробного распада указанная реакция является единственно возможной точкой сопряжения с работой митохондриальных дыхательных цепей посредством транспортных челночных механизмов. Поэтому для первого этапа аэробного распада углеводов характерна лишь относительная независимость от наличия кислорода в клетке.
Поскольку окислению подвергаются сразу две молекулы ФГА, образовавшиеся из одной гексозы, то общий энергетический итог этой реакции - образование 5 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы, либо на один глюкозный фрагмент молекулы гликогена. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на то, чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат). Макроэргическая связь реализуется в следующей реакции: происходит субстратное фосфорилирование, и клетка получает еще 2 молекулы АТФ. И, наконец, в последней, 10-й, необратимой реакции первого этапа аэробного распада, также происходит субстратное фосфорилирование с образованием двух АТФ в расчете на одну молекулу гексозы.
Рисунок ХХ. Пируваткиназная реакция, завершающая I-й этап аэробного распада углеводов
Образующаяся пировиноградная кислота - это конечный продукт первого этапа аэробного распада углеводов.
В целом, энергетику первого этапа аэробного распада глюкозы можно описать следующим образом:
Затрата 2 АТФ на активацию глюкозы (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции).
Образование 5 АТФ путем окислительного фосфорилирования при окислении двух молекул ФГА с участием челночных транспортных механизмов.
Две реакции субстратного фосфорилирования с образованием 2 АТФ в каждой из них (всего 4 АТФ).
Таким образом, с учетом затрат, общий энергетический выход для первого этапа аэробного распада в расчете на одну молекулу глюкозы составляет 7 молекул АТФ. В случае же распада гликогена отщепляемый глюкозный фрагмент сразу же образуется в виде глюкозо-6-фосфата, и затраты АТФ на гексокиназную реакцию в этом случае не происходит. Поэтому в случае распада глюкозного фрагмента гликогена в ходе первого этапа аэробного распада клетка получает на одну молекулу АТФ больше, чем в случае распада глюкозы – всего 8 молекул АТФ.
Пируват, образующийся в ходе первого этапа аэробного распада, транспортируется в митохондрию, где и подвергается последующим превращениям.
Второй и третий этапы аэробного распада углеводов являются исключительно аэробными. Они протекают в митохондриях с обязательным участием кислорода, и посредством многих реакций жестко связаны с работой дыхательных цепей митохондриального окисления. Основное количество молекул АТФ, получаемое клеткой при аэробном распаде углеводов, образуется именно в ходе II-го и III-го этапов процесса.
II-й этап аэробного распада углеводов – «окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты»
II-й этап катализируется мультиферментным комплексом окислительного декарбоксилирования α-кетокислот (подробнее этот комплекс и катализируемые им реакции описаны в главе «Митохондриальное окисление»). В ходе II этапа от молекулы пирувата отнимаются два атома водорода с одновременным декарбоксилированием, и образуется продукт – Ацетил-кофермент А (активная форма уксусной кислоты). Отнятый водород передается по цепи митохондриального окисления на кислород воздуха с образованием Н2О и 2,5 молекул АТФ. Поскольку из молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, то II-й этап приносит клетке 5 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.
III-й этап аэробного распада углеводов – цикл трикарбоновых кислот