Glikogen jest rezerwowym węglowodanem zwierząt, składającym się z dużej ilości reszt glukozy. Podaż glikogenu pozwala szybko wypełnić brak glukozy we krwi, gdy tylko jej poziom zmniejszy się, glikogen rozszczepia się, a wolna glukoza dostaje się do krwi. U ludzi glukoza jest przechowywana głównie jako glikogen. Nie opłaca się komórkom przechowywać pojedynczych cząsteczek glukozy, ponieważ znacznie zwiększyłoby to ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki. W swojej strukturze glikogen przypomina skrobię, czyli polisacharyd, który jest przechowywany głównie przez rośliny. Skrobia składa się również z reszt glukozy połączonych ze sobą, jednak w cząsteczkach glikogenu jest o wiele więcej rozgałęzień. Wysokiej jakości reakcja na glikogen - reakcja z jodem - daje brązowy kolor, w przeciwieństwie do reakcji jodu ze skrobią, co pozwala uzyskać purpurowy kolor.
Regulacja produkcji glikogenu
Tworzenie i rozpad glikogenu reguluje kilka hormonów, a mianowicie:
1) insulina
2) glukagon
3) adrenalina
Tworzenie glikogenu następuje po wzroście stężenia glukozy we krwi: jeśli jest dużo glukozy, należy ją przechowywać w przyszłości. Wychwyt glukozy przez komórki jest regulowany głównie przez dwóch antagonistów hormonów, to znaczy hormonów o przeciwnych skutkach: insuliny i glukagonu. Oba hormony są wydzielane przez komórki trzustki.
Uwaga: słowa „glukagon” i „glikogen” są bardzo podobne, ale glukagon jest hormonem, a glikogen jest wolnym polisacharydem.
Insulina jest syntetyzowana, jeśli we krwi jest dużo glukozy. Zwykle dzieje się to po zjedzeniu osoby, zwłaszcza jeśli żywność jest bogata w węglowodany (na przykład, jeśli jesz mąkę lub słodkie jedzenie). Wszystkie węglowodany zawarte w pożywieniu są rozbijane na monosacharydy, a już w tej postaci są wchłaniane przez ścianę jelita do krwi. W związku z tym wzrasta poziom glukozy.
Gdy receptory komórkowe reagują na insulinę, komórki absorbują glukozę z krwi, a jej poziom ponownie spada. Nawiasem mówiąc, właśnie dlatego cukrzyca - brak insuliny - jest w przenośni nazywana „głodem wśród obfitości”, ponieważ we krwi po zjedzeniu pokarmu bogatego w węglowodany pojawia się dużo cukru, ale bez insuliny komórki nie mogą go wchłonąć. Część komórek glukozy jest wykorzystywana na energię, a pozostała część jest przekształcana w tłuszcz. Komórki wątroby wykorzystują zaabsorbowaną glukozę do syntezy glikogenu. Jeśli we krwi jest mało glukozy, zachodzi odwrotny proces: trzustka wydziela hormon glukagon, a komórki wątroby zaczynają rozkładać glikogen, uwalniając glukozę do krwi lub syntetyzując ponownie glukozę z prostszych cząsteczek, takich jak kwas mlekowy.
Adrenalina prowadzi również do rozpadu glikogenu, ponieważ całe działanie tego hormonu ma na celu mobilizację organizmu, przygotowując go do reakcji typu „uderz lub uciekaj”. A do tego konieczne jest, aby stężenie glukozy stało się wyższe. Wtedy mięśnie mogą go wykorzystać do energii.
Zatem wchłanianie pokarmu prowadzi do uwolnienia hormonu insuliny do krwi i syntezy glikogenu, a głód prowadzi do uwolnienia hormonu glukagonu i rozpadu glikogenu. Uwalnianie adrenaliny, które występuje w sytuacjach stresowych, prowadzi również do rozpadu glikogenu.
Z czego jest syntetyzowany glikogen?
Glukozo-6-fosforan służy jako substrat do syntezy glikogenu lub glikogenogenezy, jak to się nazywa inaczej. Jest to cząsteczka otrzymywana z glukozy po przyłączeniu reszty kwasu fosforowego do szóstego atomu węgla. Glukoza, która tworzy glukozo-6-fosforan, dostaje się do wątroby z krwi i do krwi z jelita.
Inna możliwość jest możliwa: glukoza może być ponownie syntetyzowana z prostszych prekursorów (kwasu mlekowego). W tym przypadku glukoza z krwi dostaje się na przykład do mięśni, gdzie jest dzielona na kwas mlekowy z uwolnieniem energii, a następnie nagromadzony kwas mlekowy jest transportowany do wątroby, a komórki wątroby ponownie syntetyzują z niego glukozę. Następnie glukozę można przekształcić w glukozę-6-fosfot i dalej na jej podstawie, aby zsyntetyzować glikogen.
Etapy tworzenia glikogenu
Co zatem dzieje się w procesie syntezy glikogenu z glukozy?
1. Glukoza po dodaniu reszty kwasu fosforowego staje się glukozo-6-fosforanem. Wynika to z enzymu heksokinazy. Enzym ten ma kilka różnych postaci. Heksokinaza w mięśniach różni się nieco od heksokinazy w wątrobie. Postać tego enzymu, która jest obecna w wątrobie, jest gorsza w połączeniu z glukozą, a produkt powstały podczas reakcji nie hamuje reakcji. Z tego powodu komórki wątroby są w stanie wchłonąć glukozę tylko wtedy, gdy jest jej dużo, i mogę natychmiast zamienić dużo substratu w glukozo-6-fosforan, nawet jeśli nie mam czasu na jego przetworzenie.
2. Enzym fosfoglukutaza katalizuje konwersję glukozo-6-fosforanu do jego izomeru, glukozo-1-fosforanu.
3. Powstały glukozo-1-fosforan łączy się następnie z trifosforanem urydyny, tworząc UDP-glukozę. Proces ten jest katalizowany przez enzym pirofosforylazę UDP-glukozy. Ta reakcja nie może przebiegać w przeciwnym kierunku, to znaczy, jest nieodwracalna w tych warunkach, które są obecne w komórce.
4. Enzym syntaza glikogenu przenosi resztę glukozy do powstającej cząsteczki glikogenu.
5. Enzym fermentujący glikogen dodaje punkty rozgałęzienia, tworząc nowe „gałęzie” na cząsteczce glikogenu. Później na końcu tej gałęzi dodawane są nowe reszty glukozy przy użyciu syntazy glikogenu.
Gdzie jest przechowywany glikogen po utworzeniu?
Glikogen jest wolnym polisacharydem niezbędnym do życia i jest przechowywany w postaci małych granulek znajdujących się w cytoplazmie niektórych komórek.
Glikogen przechowuje następujące narządy:
1. Wątroba. Glikogen jest dość bogaty w wątrobę i jest jedynym organem, który wykorzystuje dopływ glikogenu do regulowania stężenia cukru we krwi. Do 5-6% może stanowić glikogen z masy wątroby, co w przybliżeniu odpowiada 100-120 gramom.
2. Mięśnie. W mięśniach zapasy glikogenu są mniej procentowe (do 1%), ale w sumie, wagowo, mogą przekroczyć cały glikogen przechowywany w wątrobie. Mięśnie nie emitują glukozy, która powstała po rozpadzie glikogenu do krwi, używają go tylko na własne potrzeby.
3. Nerki. Znaleźli niewielką ilość glikogenu. Nawet mniejsze ilości znaleziono w komórkach glejowych i leukocytach, czyli białych krwinkach.
Jak długo trwa magazynowanie glikogenu?
W procesie aktywności życiowej organizmu glikogen jest syntetyzowany dość często, prawie za każdym razem po posiłku. Ciało nie ma sensu przechowywać ogromnych ilości glikogenu, ponieważ jego główną funkcją jest nie dawanie jak najdłużej dawcy składników odżywczych, ale regulowanie ilości cukru we krwi. Zapasy glikogenu trwają około 12 godzin.
Dla porównania, przechowywane tłuszcze:
- Po pierwsze, zazwyczaj mają o wiele większą masę niż masa przechowywanego glikogenu,
- po drugie, mogą wystarczyć na miesiąc istnienia.
Ponadto warto zauważyć, że organizm ludzki może przekształcać węglowodany w tłuszcze, ale nie odwrotnie, to znaczy przechowywany tłuszcz nie może zostać przekształcony w glikogen, może być wykorzystany tylko bezpośrednio do energii. Ale rozkład glikogenu na glukozę, a następnie zniszczenie samej glukozy i wykorzystanie powstałego produktu do syntezy tłuszczów, które ludzkie ciało jest całkiem zdolne.
Glikogen jest łatwo wykorzystywaną rezerwą energii.
Mobilizacja glikogenu (glikogenoliza)
Rezerwy glikogenu stosuje się w różny sposób w zależności od cech funkcjonalnych komórki.
Glikogen wątrobowy jest rozkładany przez zmniejszenie stężenia glukozy we krwi, głównie między posiłkami. Po 12-18 godzinach postu zapasy glikogenu w wątrobie są całkowicie wyczerpane.
W mięśniach ilość glikogenu zwykle zmniejsza się tylko podczas aktywności fizycznej - przedłużonej i / lub intensywnej. Glikogen jest tu stosowany w celu zapewnienia funkcjonowania miocytów przez glukozę. Zatem mięśnie, podobnie jak inne narządy, wykorzystują glikogen tylko na własne potrzeby.
Mobilizacja (rozkład) glikogenu lub glikogenolizy jest aktywowana w przypadku braku wolnej glukozy w komórce, a zatem we krwi (na czczo, praca mięśniowa). Poziom glukozy we krwi „celowo” wspiera tylko wątrobę, w której znajduje się glukozo-6-fosfataza, która hydrolizuje ester fosforanowy glukozy. Wolna glukoza powstająca w hepatocycie jest uwalniana przez błonę plazmatyczną do krwi.
Trzy enzymy są bezpośrednio zaangażowane w glikogenolizę:
1. Glikogen fosforylazy (fosforan pirydoksalu koenzymu) - rozszczepia wiązania α-1,4-glikozydowe z utworzeniem glukozo-1-fosforanu. Enzym działa, aż pozostaną 4 reszty glukozy do punktu rozgałęzienia (wiązanie α1,6).
Rola fosforylazy w mobilizacji glikogenu
2. α (1,4) -α (1,4) -glukantransferaza jest enzymem, który przenosi fragment z trzech reszt glukozy do innego łańcucha z utworzeniem nowego wiązania α1,4-glikozydowego. Jednocześnie jedna reszta glukozy i „otwarte” wiązanie α1,6-glikozydowe pozostają w tym samym miejscu.
3. Amylo-α1,6-glukozydaza (enzym „detituschy”) - hydrolizuje wiązanie α1,6-glikozydowe z uwolnieniem wolnej (niefosforylowanej) glukozy. W wyniku tego powstaje łańcuch bez rozgałęzień, ponownie służący jako substrat dla fosforylazy.
Rola enzymów w rozkładzie glikogenu
Synteza glikogenu
Glikogen można syntetyzować w prawie wszystkich tkankach, ale największe zapasy glikogenu znajdują się w wątrobie i mięśniach szkieletowych.
W mięśniach ilość glikogenu zwykle zmniejsza się tylko podczas aktywności fizycznej - przedłużonej i / lub intensywnej. Nagromadzenie glikogenu w tym miejscu odnotowuje się w okresie zdrowienia, zwłaszcza podczas przyjmowania pokarmów o wysokiej zawartości węglowodanów.
Glikogen wątrobowy jest rozkładany przez zmniejszenie stężenia glukozy we krwi, głównie między posiłkami (okres po adsorpcji). Po 12-18 godzinach postu zapasy glikogenu w wątrobie są całkowicie wyczerpane. Glikogen gromadzi się w wątrobie dopiero po jedzeniu, z hiperglikemią. Wynika to ze specyfiki kinazy wątrobowej (glukokinazy), która ma niskie powinowactwo do glukozy i może działać tylko w jej wysokich stężeniach.
Przy normalnych stężeniach glukozy we krwi jej wychwytywanie przez wątrobę nie jest wykonywane.
Następujące enzymy bezpośrednio syntetyzują glikogen:
1. Fosfoglukomutaza - przekształca glukozo-6-fosforan w glukozo-1-fosforan;
2. Uridylotransferaza glukozo-1-fosforanowa - enzym, który przeprowadza reakcję syntezy klucza. Nieodwracalność tej reakcji zapewnia hydroliza powstałego difosforanu;
Reakcje syntezy glukozy UDP
3. Syntaza glikogenu - tworzy wiązania α1,4-glikozydowe i rozszerza łańcuch glikogenu, przyłączając aktywowaną C 1 UDF-glukozę do końcowej reszty glikogenu C4;
Chemia reakcji syntezy glikogenu
4. Amylo-α1,4-α1,6-glikozylotransferaza, „enzym rozgałęziający glikogen” - przenosi fragment o minimalnej długości 6 reszt glukozy do sąsiedniego łańcucha z utworzeniem wiązania α1,6-glikozydowego.
Podręcznik chemika 21
Chemia i technologia chemiczna
Rozkład glikogenu w celu utworzenia glukozy
Podczas fosforolizy glikogen rozkłada się zatem z utworzeniem estru fosforowego glukozy, bez uprzedniego rozdzielenia go na większe fragmenty cząsteczki polisacharydu. [s.251]
Fosforylazy przenoszą polisacharydy (w szczególności glikogen) z formy magazynującej do postaci metabolicznie aktywnej w obecności fosforylazy, a glikogen rozpada się, tworząc eter fosforanu glukozy (glukozo-1-fosforan) bez rozdzielania większej cząsteczki polisacharydu na większe fragmenty. Ogólnie rzecz biorąc, reakcję tę można przedstawić w następujący sposób [str. 325]
Później odpowiemy na to ważne pytanie bardziej szczegółowo (rozdział 25), teraz mówimy tylko, że jeśli ciało znajduje się nagle w krytycznej sytuacji, rdzeń nadnerczy wydziela hormon adrenalinę do krwi, który służy jako molekularny sygnał dla wątroby i mięśni. Pod wpływem tego sygnału wątroba włącza fosforylazę glikogenu, w wyniku czego wzrasta poziom glukozy we krwi, tj. mięśnie otrzymują paliwo. Ten sam sygnał obejmuje w mięśniach szkieletowych rozpad glikogenu wraz z tworzeniem mleczanu, tym samym zwiększając [str.464]
Trawienie węglowodanów w diecie rozpoczyna się w jamie ustnej. Pod działaniem enzymu śliny amylaza, skrobia i glikogen ulegają płytkiemu rozszczepieniu, tworząc polisacharydy o niskiej masie cząsteczkowej - dekstryny. Dalszy rozkład dekstryn, jak również niestrawionej skrobi i glissogenu następuje w jelicie cienkim z udziałem amylazy soku trzustkowego. Wynikiem jest disacharydowa maltoza, składająca się z dwóch reszt glukozy. Trawienie węglowodanów kończy się przekształceniem utworzonej maltozy i innych disacharydów spożywczych (sacharozy, laktozy) w monosacharydy (glukoza, fruktoza, galaktoza), z których głównym jest glukoza. [c.44]
Złożone węglowodany zaczynają ulegać przemianom już w okolicach ust. Ślina, wydzielina wytwarzana przez gruczoły ślinowe (ślinianki przyuszne, podżuchwowe, podjęzykowe), zawiera dwa enzymy rozkładające amylazę węglowodanową (amylazę śliny, którą kiedyś nazywano ptyaliną) oraz niewielką ilość maltazy. Enzymy te, poprzez sukcesywną ekspozycję na skrobię lub glikogen, powodują rozpad (hydrolizę) tych polisacharydów na tworzenie się glukozy. [c.241]
Aby fosforylaza glikogenowa rozpadła się pod działaniem glikogenu, inny enzym musi również działać na polisacharyd. (1 -> 6) -glukozydaza. Enzym ten katalizuje dwie reakcje. W pierwszym z nich odcina od łańcucha trzy reszty glukozy z czterech wymienionych i przenosi je na koniec jakiegoś innego zewnętrznego łańcucha bocznego. W drugiej reakcji, katalizowanej przez (1 - + -> 6) -glukozydazę, czwarta reszta glukozy jest cięta, przyłączana w punkcie rozgałęzienia wiązania (1- -> 6>. Hydroliza wiązania (1-> 6> w punkcie rozgałęzienia prowadzi do tworzenie jednej cząsteczki D-glukozy i od [457]
Glikogen rozpuszcza się w gorącej wodzie, tworząc opalizujący roztwór. Jest pomalowany jodem w kolorze czerwono-brązowym, zbliżonym do koloru amylopektyny w kolorze jodu. Glikogen nie ma właściwości redukujących. Podczas hydrolizy glikogenu przez rozcieńczony kwas mineralny, jak również przez rozszczepienie go enzymami, tworzy się a-O-glukoza. Pozostałości cząsteczek glukozy w cząsteczkach glikogenu są połączone ze sobą za pomocą wiązań glukozydowych 1,4 i 1,6. Tak więc, podobnie jak amylo-pektyna, cząsteczka glikogenu ma strukturę rozgałęzioną, z większą ilością 1,6 wiązań glukozydowych (dla 12 wiązań 1,4, występuje jedno wiązanie 1,6) niż w cząsteczce amylopektyny, a zatem bardziej rozgałęziony i bardziej zwarty (rys. 5). [ok. 74]
Funkcja wątroby w metabolizmie węglowodanów jest niezwykle duża i wieloaspektowa. Jest w stanie syntetyzować glikogen z glukozy i materiałów innych niż węglowodany. Takim materiałem może być kwas mlekowy, gliceryna, produkty rozszczepienia glikolu, alaniny, tyrozyny, fenyloalaniny, seryny, treoniny, cysteiny, waliny, izoleucyny, kwasu asparaginowego i glutaminowego, argininy i proliny. Są to tak zwane kwasy glukogeniczne. Wątroba może utleniać kwas pirogronowy, tworząc ATP, który jest używany przez wątrobę do przekształcania kwasu mlekowego w glikogen. [c.84]
Po raz pierwszy wykryto fosforylację białek zależną od AMP podczas badania metabolizmu glikogenu w komórkach mięśni szkieletowych. Glikogen jest główną rezerwową formą glukozy, jak już wspomniano, jego rozpad w komórkach mięśniowych jest regulowany przez adrenalinę (w rzeczywistości adrenalina reguluje zarówno rozkład glikogenu, jak i jego syntezę w mięśniach szkieletowych). Jeśli na przykład zwierzę zostanie poddane stresowi (strach, itp.), Wtedy nadnercza zaczną wyrzucać adrenalinę do krwi, a to doprowadzi różne tkanki organizmu do stanu gotowości. Adrenalina krążąca we krwi powoduje w szczególności rozpad glikogenu w komórkach mięśniowych na glukozo-1-fosforan i jednocześnie hamuje syntezę nowego glikogenu. Glukozo-1-fosforan przekształca się w glukozo-6-fosforan, który następnie utlenia się w reakcjach glikolizy z utworzeniem ATP, zapewniając energię do intensywnej pracy mięśni. W ten sposób adrenalina przygotowuje komórki mięśniowe do intensywnej pracy. [c.372]
U ludzi znanych jest wiele chorób genetycznych związanych z upośledzoną syntezą lub rozpadem glikogenu. Jednym z pierwszych był przypadek przewlekłego powiększenia wątroby - u 8-letniej dziewczynki, która również miała różnego rodzaju zaburzenia metaboliczne. Dziewczyna zmarła na grypę. Sekcja zwłok wykazała, że jej wątroba była 3-krotnie większa od normy, zawierała ogromną ilość glikogenu, a jej udział wynosił prawie 40% suchej masy narządu. Glikogen wyizolowany z wątroby był chemicznie całkiem normalny, jednak gdy homogenizowano kawałek tkanki wątroby i inkubowano w buforze, ten glikogen pozostawał nienaruszony - ani mleczan, ani glukoza nie powstały. Gdy zawiesinę przygotowaną z tkanki normalnej wątroby dodano do glikogenu, szybko zapadła się w glukozę. Na podstawie tego testu biochemicznego naukowcy doszli do wniosku, że pacjent zaburzył proces rozkładu glikogenu (choroba ta jest często nazywana chorobą Gyrke po nazwisku lekarza, który ją opisał). Początkowo założono, że glukozo-6-fosfataza była wadliwym enzymem, ponieważ chora wątroba nie tworzyła glukozy, ale brak tworzenia mleczanu wskazywał, że defekt dotknął fosforylazę glikogenu lub enzym usuwający rozgałęzienia [a (1–6 a) -glukozydaza]. Później naukowcy zostali wzmocnieni w opinii, że w tym klasycznym przypadku wpływ na nią miała (1-6) -glukozydaza. W rezultacie cząsteczki glikogenu w wątrobie mogą zostać rozbite, tworząc glukozę lub [c.616]
W tym miejscu należy podkreślić, że rozpad glikogenu w wątrobie z utworzeniem wolnej glukozy (mobilizacja glikogenu, str. 245) zachodzi głównie przez fosforolityczne. Jednocześnie glikogen ulega rozpadowi pod wpływem nie amylazy, ale fosforylaza wątrobowa z utworzeniem eteru glukozo-1-monofosforowego (str. 251). Ten ostatni jest następnie bardzo szybko rozszczepiany przez fosfatazy wątrobowe na wolną glukozę i kwas fosforowy. Zatem ostatecznie fosforylaza i fosfataza eteru glukozo-1-monofosforowego obecne w wątrobie rozdzielają glikogen na pojedyncze cząstki glukozy, bez pośredniego tworzenia dekstryn i maltozy, które są charakterystycznymi produktami degradacji hydrolitycznej glikogenu (w obecności amylazy). [str. 245]
Metabolizm w mózgu, mięśniach, tkance tłuszczowej i wątrobie jest bardzo zróżnicowany. U osoby normalnie karmionej glukoza jest praktycznie jedynym źródłem energii dla mózgu. W czasie postu ciała ketonowe (acetooctan i 3-hydroksymaślan) zyskują rolę głównego źródła energii dla mózgu. Mięśnie wykorzystują glukozę, kwasy tłuszczowe i ciała ketonowe jako źródło energii i syntetyzują glikogen jako rezerwę energii na własne potrzeby. Tkanka tłuszczowa specjalizuje się w syntezie, przechowywaniu i mobilizacji triacylogliceroli. Wiele procesów metabolicznych wątroby wspomaga pracę innych narządów. Wątroba może szybko mobilizować glikogen i wykonywać glukoneogenezę, aby zaspokoić potrzeby innych narządów. Wątroba odgrywa główną rolę w regulacji metabolizmu lipidów. Gdy źródła energii są obfite, następuje synteza i estryfikacja kwasów tłuszczowych. Następnie przechodzą z wątroby do tkanki tłuszczowej w postaci lipoprotein o bardzo niskiej gęstości (VLDL). Jednakże, poszcząc, kwasy tłuszczowe są przekształcane w wątrobie w ciała ketonowe. Integracja aktywności wszystkich tych narządów odbywa się za pomocą hormonów. Insulina sygnalizuje obfitość zasobów pokarmowych, stymuluje tworzenie glikogenu i triacylogliceroli, jak również syntezę białek. Natomiast glukagon sygnalizuje niską zawartość glukozy we krwi, stymuluje rozpad glikogenu i glukoneogenezy w wątrobie oraz hydrolizę triacylogliceroli w tkance tłuszczowej. Adrenalina i noradrenalina działają na zasoby energetyczne, takie jak glukagon, a ich głównym celem są mięśnie, a nie wątroba. [c.296]
Insulina Ważna rola w metabolizmie węglowodanów i regulacji poziomu cukru we krwi odgrywa hormon insuliny. W przeciwieństwie do działania innych hormonów, obniża stężenie cukru we krwi, zwiększając konwersję glukozy do glikogenu w wątrobie i mięśniach, sprzyjając prawidłowemu utlenianiu glukozy w tkankach, jak również zapobiegając rozkładowi glikogenu w wątrobie wraz z tworzeniem się glukozy. Insulina działa na proces fosforylacji glukozy z utworzeniem glukozo-6-fosforanu, który jest pierwszym etapem glukogenezy lub tworzenia glikogenu. W przypadku braku wystarczającej ilości insuliny, konwersja zewnątrzkomórkowej glukozy do wewnątrzkomórkowego glukozo-6-fosforanu jest opóźniona. [c.364]
Gibson, 1948 [1099]) (25080). W tym przypadku uszkodzonym enzymem jest reduktaza methemoglobiny zależna od MAVN. Pierwsza próba systematycznego badania grupy chorób ludzkich związanych z defektami metabolicznymi została podjęta w 1951 roku. W badaniu choroby akumulacji glikogenu [1044] para Cory wykazała, że w ośmiu z dziesięciu przypadków stanu patologicznego, który został zdiagnozowany jako choroba Gyrke (23220), struktura glikogenu wątrobowego była normalnym wariantem, aw dwóch przypadkach była wyraźnie zaburzona. Oczywiste było również, że glikogen wątrobowy, gromadzący się w nadmiarze, nie może być bezpośrednio przekształcony w cukier, ponieważ pacjenci wykazują tendencję do hipoglikemii. Wiele enzymów jest niezbędnych do rozpadu glikogenu w celu wytworzenia glukozy w wątrobie. Dwa z nich, amylo-1,6-glukozydaza i glukozo-6-fosfataza, zostały wybrane do badania jako możliwe wadliwe elementy układu enzymatycznego. W homogenatach wątroby przy różnych wartościach pH mierzono uwalnianie fosforanów z glukozo-6-fosforanu. Wyniki przedstawiono na ryc. [c.10]
W ten sposób zużywane jest jedno wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe, gdy glukozo-6-fosforan jest zawarty w glikogenie. Wydajność energii podczas rozkładu glikogenu jest bardzo wysoka. Około 90% pozostałości to rozszczepienie fosforolityczne z utworzeniem glukozo-1-fosforanu, który zamienia się w glukozo-b-fosforan bez kosztów energii. Pozostałe 10% pozostałości należy do gałęzi i jest hydrolitycznie rozdzielane. Jedna cząsteczka ATP jest stosowana do fosforylacji każdej z tych cząsteczek glukozy do glukozo-b-fosforanu. Całkowite utlenienie glukozy-b-fosforanu daje trzydzieści siedem [c.122]
Synteza i rozkład glikogenu. Glikogen jest łatwo mobilizowaną formą magazynowania energii. Jest to rozgałęziony polimer reszt glukozy. Aktywowanym półproduktem do syntezy glikogenu jest UDP-glukoza, która powstaje z glukozo-1-fosforanu i UTP. Syntaza glikogenu katalizuje przeniesienie reszty glukozy z glukozy UDP do końcowej grupy hydroksylowej rosnącego łańcucha. Podział glikogenu jest innym sposobem. Fosforylaza katalizuje rozpad glikogenu przez ortofosforan, tworząc glukozo-1-fosforan. Synteza i rozszczepienie glikogenu są skoordynowane z [p.285]
Metabolizm węglowodanów w każdej żywej komórce (żywej substancji) jest pojedynczym procesem związanym jednocześnie ze wzajemnie powiązanymi reakcjami rozkładu i syntezy substancji organicznych. W centrum metabolizmu węglowodanów u zwierząt znajduje się glikogeneza i glikogenoliza, tj. Procesy tworzenia i rozkładu glikogenu. Występują głównie w wątrobie. Glikogen może być utworzony zarówno ze źródeł węglowodanów, jak i węglowodanów innych niż węglowodany, takich jak na przykład pewne aminokwasy, gliceryna, kwas mlekowy, kwasy pirogronowy i propionowy, jak również z wielu innych prostych związków. Termin glikogenoliza odnosi się do rzeczywistego rozkładu glikogenu do glukozy. Ale teraz to słowo jest często rozumiane jako cała suma procesów prowadzących do glikolitycznego tworzenia się kwasu mlekowego w przypadku, gdy substratem wyjściowym nie jest glukoza, ale glikogen. Glikoliza jest ogólnie rozumiana jako oznaczająca rozpad węglowodanów od początku, to znaczy z glukozy lub glikogenu, nie ma znaczenia dla produktów końcowych. [c.376]
Podczas fermentacji alkoholowej w procesie podziału jednej cząsteczki glukozy powstają cztery cząsteczki ATP (50 kcal lub 210 kJ). Spośród nich dwie są wydawane na funkcjonalną aktywność i syntezę. Według obliczeń niektórych autorów, podczas glikolizy i glikogenolizy, 35–40 / o całej uwolnionej wolnej energii gromadzi się w bogatych w energię wiązaniach fosforu, podczas gdy pozostałe 60–65% jest rozproszone w postaci ciepła. Wydajność komórek, narządów, pracujących w warunkach beztlenowych, nie przekracza 0,4 (tlenowe 0,5). Obliczenia te opierają się głównie na danych uzyskanych z ekstraktów mięśniowych i soku drożdżowego. W warunkach żywego organizmu komórki mięśniowe, organy i tkanki wykorzystują energię, prawdopodobnie znacznie więcej. Z fizjologicznego punktu widzenia proces glikogenolizy i glikolizy jest niezwykle ważny, zwłaszcza gdy procesy życiowe są przeprowadzane w warunkach braku tlenu. Na przykład dzięki intensywnej pracy mięśni, zwłaszcza w pierwszej fazie aktywności, zawsze istnieje luka między dostarczaniem tlenu do mięśni a ich potrzebą. W tym przypadku początkowe koszty energii są w dużej mierze pokrywane przez glikogenolizę. Podobne zjawiska obserwuje się w różnych stanach patologicznych (niedotlenienie mózgu, serca itp.). Ponadto potencjalna energia zawarta w kwasie mlekowym ostatecznie nie została utracona dla wysoce zorganizowanego organizmu. Powstały kwas mlekowy jest szybko przenoszony z mięśni do krwi, a następnie transportowany do wątroby, gdzie jest ponownie przekształcany w glikogen. Beztlenowy rozkład węglowodanów z wytworzeniem kwasu mlekowego jest bardzo powszechny w przyrodzie, obserwuje się go nie tylko w mięśniach, ale także w innych tkankach organizmu zwierzęcego. [c.334]
Po raz pierwszy wyjaśniono sekwencję zdarzeń w badaniu metabolizmu glikogenu w komórkach mięśni szkieletowych. Glikogen jest główną rezerwową formą glukozy, jego synteza i rozkład są ściśle regulowane przez pewne hormony. Jeśli na przykład zwierzę jest przestraszone lub poddane innemu stresowi, nadnercza wydzielają adrenalinę do krwiobiegu, doprowadzając różne tkanki organizmu do stanu gotowości. Krążąca adrenalina powoduje w szczególności rozpad glikogenu w komórkach epikonu na glukozo-1-fosforan i jednocześnie zatrzymuje syntezę nowego glikogenu. Glukozo-1-fosforan przekształca się w glukozo-6-fosforan, który następnie utlenia się w reakcjach glikolizy, co prowadzi do powstania ATP, co jest niezbędne do pracy z myppsami. W ten sposób adrenalina przygotowuje komórki mięśniowe do intensywnej pracy. [c.271]
Zobacz strony, na których wspomniano termin Rozszczepienie glikogenu z tworzeniem glukozy: [c.158] [c.187] Human Genetics T.3 (1990) - [c.10]
Info-Farm.RU
Farmaceutyki, medycyna, biologia
Glikogen
Glikogen (znany również jako „skrobia zwierzęca”, pomimo niedokładności tej nazwy) jest polisacharydem, homopolimerem α-glukozy, główną formą jego przechowywania w komórkach zwierzęcych, większości grzybów, wielu bakteriach i archeonach. W ludzkim ciele głównymi miejscami akumulacji glikogenu są wątroba i mięśnie szkieletowe.
Zdolność wątroby do zwiększania stężenia glukozy we krwi i obecność w niej substancji podobnej do skrobi, zwanej glikogenem, odkrył w 1875 r. Claude Bernard.
Struktura chemiczna
Glikogen jest homopolimerem α-glukozy, którego reszty są połączone przez wiązania (α1 → 4) -glukozydowe. Co 8–10 monomerycznych reszt rozgałęzia się, boczne gałęzie są przymocowane (α1 → 6) za pomocą wiązki. Zatem cząsteczka glikogenu jest znacznie bardziej zwarta i rozgałęziona niż skrobia. Stopień polimeryzacji jest zbliżony do amylopektyny.
Wszystkie gałęzie glikogenu mają koniec nie-częstotliwościowy, więc jeśli liczba rozgałęzień jest równa n, wtedy cząsteczka będzie miała n-1 niecodziennych końców i tylko jedną redukującą. Gdy hydroliza glikogenu następuje w celu wykorzystania go jako źródła energii, reszty glukozy są oddzielane jeden po drugim od nieredukowalnych końców. Ich duża liczba pozwala znacznie przyspieszyć proces.
Najbardziej stabilna konformacja gałęzi z wiązadłem (α1 → 4) jest gęstą helisą z sześcioma resztami glukozy na obrót (płaszczyzna każdej cząsteczki powraca do 60 ° w stosunku do poprzedniej).
Aby wykonać swoją funkcję biologiczną: zapewnienie najbardziej zwartego magazynowania glukozy i jednocześnie jej szybkiej mobilizacji, glikogen musi mieć strukturę zoptymalizowaną dla kilku parametrów: 1) liczbę poziomów (poziomów) rozgałęzienia; 2) liczbę oddziałów w każdym z poziomów; 3) ilość reszt glukozy w każdej gałęzi. W przypadku cząsteczki glikogenu o stałej liczbie jednostek monomeru liczba rozgałęzień zewnętrznych, z których można mobilizować glukozę do punktu rozgałęzienia, maleje wraz ze wzrostem średniej długości każdej gałęzi. Gęstość najbardziej oddalonych gałęzi jest sterycznie ograniczona, więc maksymalny rozmiar cząsteczki glikogenu zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby gałęzi na tym samym poziomie. Dojrzałe cząsteczki glikogenu różnego pochodzenia mają średnio 12 odgałęzień, z których każdy ma średnio dwie gałęzie, z których każda zawiera około 13 reszt glukozy. Analiza matematyczna wykazała, że taka struktura jest bardzo zbliżona do optymalnej dla mobilizacji maksymalnej ilości glukozy w możliwie najkrótszym czasie.
Dystrybucja i znaczenie
Glikogen jest formą przechowywania glukozy u zwierząt, grzybów, niektórych bakterii (w szczególności cyjanobakterii) i APEX. W mikroorganizmach glikogen jest mniej lub bardziej równomiernie rozproszony w cytoplazmie komórki w postaci granulek o średnicy 20-100 nm, które zazwyczaj można zobaczyć tylko przez mikroskop elektronowy. Jeśli komórka zawiera dużo glikogenu, staje się czerwonobrązowa podczas malowania roztworem jodu. U zwierząt kręgowych największe ilości glikogenu są przechowywane w wątrobie, gdzie może wynosić 7-10% całkowitej masy (100-120 g u osoby dorosłej) i mięśni szkieletowych (1-2% masy całkowitej). Małe ilości glikogenu znajdują się w nerkach, a jeszcze mniej w niektórych glejowych komórkach mózgu i białych krwinkach.
Przechowywanie glukozy nie jest w postaci wolnej, ale w postaci polisacharydów jest podyktowane dwoma powodami. Po pierwsze, jeśli na przykład w hepatocycie cała masa glukozy, która jest częścią glikogenu, była w stanie wolnym, jej stężenie osiągnęłoby 0,4 mol / l. To z kolei doprowadziłoby do znacznego wzrostu ciśnienia osmotycznego cytozolu, nadmiernego napływu wody do komórki i jej pęknięcia. Po drugie, takie wysokie stężenie glukozy spowodowałoby, że jej aktywny transport ze środowiska komórki, w przypadku hepatocytów z krwi, gdzie poziom glukozy wynosi tylko 5 mmol / l, praktycznie niemożliwy. Przechowywanie glukozy w postaci glikogenu zmniejsza jej stężenie w komórce do 0,01 µmol / L.
Zapasy glikogenu u ludzi są znacznie mniejsze niż zapasy tłuszczu. Te ostatnie mają szereg zalet: po pierwsze, umożliwiają uzyskanie ponad dwukrotnie więcej energii niż ta sama masa węglowodanów, po drugie, są to cząsteczki hydrofobowe i, w przeciwieństwie do węglowodanów, nie wymagają nawodnienia, co zmniejsza masę rezerw energii. Jednak glikogen jest szybkim źródłem energii, poza tym w ciele zwierzęcym nie ma szlaków metabolicznych do konwersji kwasów tłuszczowych w glukozę, które nie mogą być wykorzystywane przez mózg w metabolizmie beztlenowym mięśni.
W hepatocytach glikogen jest przechowywany jako duże granulki cytoplazmatyczne. Elementarna tak zwana cząstka β, jest jedną cząsteczką gilkogenu, ma średnicę około 21 nm i zawiera 55000 reszt glukozy i ma 2000 nieregularnych końców. 20-40 takich cząstek tworzy razem a-rozety, które można zobaczyć pod mikroskopem w tkankach dobrze odżywionych zwierząt. Znikają jednak po 24 godzinach postu. Granulki glikogenu są złożonymi agregatami, które oprócz samego glikogenu obejmują enzymy, syntetyzują i rozkładają, jak również cząsteczki regulatorowe.
Glikogen mięśniowy służy jako źródło szybkiej energii do metabolizmu tlenowego i beztlenowego. Jego rezerwy mogą zostać wyczerpane w ciągu godziny intensywnej aktywności fizycznej. Regularny trening pozwala zwiększyć zapasy glikogenu mięśniowego, dzięki czemu mogą pracować dłużej bez zmęczenia. W wątrobie glikogen stanowi rezerwę glukozy dla innych narządów, w przypadku, gdy jego spożycie jest ograniczone. Ta rezerwa jest szczególnie ważna dla neuronów, które nie mogą wykorzystywać kwasów tłuszczowych jako substratu energetycznego. Rezerwa wątrobowa glikogenu podczas postu jest wyczerpana w ciągu 12-24 godzin.
Glikogen jest również zawarty w tajnych gruczołach macicy, które wydzielają się do jego jamy podczas okresu po owulacji cyklu miesiączkowego po zapłodnieniu. Tutaj polisacharyd jest wykorzystywany jako źródło pożywienia dla zarodka do jego implantacji.
Glikogen wchodzi również do organizmu z pożywieniem i jest rozkładany w jelicie cienkim enzymów hydrolitycznych.
Metabolizm glikogenu
Podział glikogenu
Rozpad glikogenu zachodzi na dwa główne sposoby: podczas trawienia ulega hydrolizie do glukozy, która może zostać wchłonięta przez komórki nabłonkowe jelita cienkiego. Wewnątrzkomórkowe rozszczepienie zapasów glikogenu (glikogenoliza) następuje przez fosfolizę, której produktem jest glukozo-1-fosforan, w ten sposób pozwala zaoszczędzić część energii wiązań glikozydowych poprzez tworzenie estru fosforanowego. Tak więc, aby włączyć glukozę uformowaną do glikolizy lub szlaku pentozofosforanowego, nie jest konieczne wydatkowanie ATP. Ponadto tworzenie glukozo-1-fosforanu jest korzystne dla mięśni, ponieważ dla tego związku w błonie komórkowej znajdują się nośniki NO i nie może on „uciec” z komórki.
Hydroliza glikogenu podczas trawienia
U ludzi trawienie glikogenu (jak skrobia) rozpoczyna się w jamie ustnej, gdzie działa α-amylaza śliny. Enzym ten hydrolizuje wiązania wewnątrzcząsteczkowe (α1 → 4) i rozszczepia polisacharydy na oligosacharydy. W żołądku amylaza śliny jest inaktywowana przez wysoką kwasowość pożywki. Sok żołądkowy nie zawiera enzymów do trawienia węglowodanów. W dwunastnicy, połączenie glikogenu (α1 → 4) działa na α-amylazę trzustkową i na wiązanie (α1 → 6), przez specjalny enzym uwalniający żelazo-1,6-glikozydazę. Na tym kończy się hydroliza glikogenu do maltozy, która pod wpływem okładzinowego enzymu maltazy jelita cienkiego (α-glukozydazy) jest przekształcana w glukozę i wchłaniana.
Glikogenoliza
Wewnątrzkomórkowy glikogen mięśni i wątroby jest rozszczepiany podczas glikogenolizy, w której biorą udział trzy enzymy: fosforylaza glikogenu, enzym glikogendendoglozhuyuyu i fosfoglucomutaza. Pierwszy z nich katalizuje reakcję, w której nieorganiczny fosforan atakuje połączenie glikozydowe (α1 → 4) między dwiema ostatnimi resztami glukozy z nie rzadkiego końca, co powoduje rozszczepienie ostatniej reszty jako glukozo-1-fosforanu. Kofaktorem w tej reakcji jest fosforan pirydoksalu.
Fosforylaza glikogenu sukcesywnie tnie jeden monomer z nie rzadkiego końca, aż osiągnie miejsce usunięte przez cztery reszty z połączenia (α1 → 6) (punkt rozgałęzienia). Tu właśnie wchodzi w grę dwufunkcyjny (eukriot), masujący enzym. Po pierwsze, katalizuje reakcję transferazy, która polega na przeniesieniu bloku trzech reszt glukozy z gałęzi do najbliższego nie rzadkiego końca, do którego jest przyłączona (α1 → 4) -link. Następnie enzym rozszczepialny wykazuje aktywność (α1 → 6) -glukozydazy, która polega na rozszczepieniu (α1 → 6) -link i uwolnieniu wolnej glukozy.
Glukozo-1-fosforan powstaje w celu przekształcenia fosfoglukomutazy w glukozo-6-fosforan, który w mięśniach szkieletowych wchodzi w proces glikolizy. W wątrobie glukozo-6-fosforan może być również transportowany do retikulum endoplazmatycznego, tam pod działaniem glukozo-6-fosfatazy (mięśnie są pozbawione tego enzymu), przekształcane w glukozę i uwalniane do krwi.
Biosynteza glikogenu
W niewielkim stopniu biosynteza glikogenu (glikogeneza) zachodzi w prawie wszystkich tkankach ciała, ale jest najbardziej widoczna w wątrobie i mięśniach. Proces ten rozpoczyna się od glukozo-6-fosforanu, powstaje z glukozy do reakcji heksokinazy lub glukokinazy. Część glukozy, która dostaje się do organizmu z pożywieniem, jest najpierw absorbowana przez czerwone krwinki, które wykorzystują ją do energii w procesie fermentacji mlekowej. Uformowany mleczan w hepatocytach przekształca się w glukozo-6-fosforan podczas glukoneogenezy.
Szlaki metaboliczne biosyntezy i rozpad niektórych związków zazwyczaj różnią się co najmniej niektórymi reakcjami. Metabolizm glikogenu był pierwszym otwartym przykładem tej ważnej zasady. 1957 Louis Leloir odkrył, że w procesie glikogenezy nie stosuje się glukozo-1-fosforanu, ale stosuje się glukozę z difosforanem urydyny.
Glukozo-6-fosforan jest najpierw przekształcany w glukozo-1-fosforan pod wpływem fosfoglukomutazy. Produkt tej reakcji staje się substratem dla enzymu fosforylazy UDP-glukozy, który katalizuje reakcję:
Glukoza 1-fosforan + UTP → UDP-glukoza + FF n
Ponieważ pirofosforan jest natychmiast rozszczepiany przez nieorganiczną pirofosfatazę, równowaga reakcji jest silnie przesunięta w kierunku tworzenia UDP-glukozy. Ten ostatni jest substratem dla syntazy glikogenu, który przenosi resztę glukozy do nie rzadkiego końca cząsteczki glikogenu.
Tworzenie bocznych rozgałęzień zapewnia transglikozylazę gilkozilową (4 → 6) (enzym rozgałęziony). Oddziela się od gałęzi, zawiera ponad 11 jednostek monomeru 6-7 i przenosi je do grupy hydroksylowej C6 reszty glukozy w bardziej wewnętrznej pozycji na tej samej lub innej gałęzi. W ten sposób zachodzi rozgałęzienie, które jest niezbędne dla lepszej rozpuszczalności glikogenu i dostępu większej liczby enzymów syntezy i rozszczepienia do rzadkich końców.
Syntaza glikogenu może syntetyzować glikogen tylko wtedy, gdy zawiera starter - gotowy polimer glukozy z mniej niż sześcioma jednostkami monomerycznymi. Tworzenie się cząsteczek glikogenu de novo jest możliwe tylko dzięki białku glikogeninowemu, które służy również jako „ziarno”, na którym gromadzą się nowe gałęzie glikogenu i enzym, co katalizuje początek tworzenia naszych badań.
Glikogeneza i glikogenoliza mają złożony system regulacji na kilku poziomach. Wiele enzymów uczestniczących w tych procesach jest allosterycznych i może zmienić swoją aktywność, dostosowując się do potrzeb komórki. Ilość zapasów glikogenu jest również regulowana na poziomie hormonalnym, aby utrzymać homeostazę całego organizmu.
Znaczenie kliniczne
Naruszenie metabolizmu glikogenu występuje w wielu chorobach u ludzi, w tym w cukrzycy. Istnieje również szereg dziedzicznych zaburzeń związanych z nadmiernym odkładaniem się glikogenu w wątrobie, nazywane są glikogenozą. Zwykle towarzyszy im ciężka hipoglikemia (niski poziom glukozy we krwi) między posiłkami. Pierwsza glikogenoza została opisana w 1929 roku przez Edgara von Gorky, Gerty Corey wniosła wielki wkład w badania tych chorób. Znane są obecnie 13 formy glikogenozy, spowodowane zaburzeniami funkcjonowania różnych białek.
Synteza i rozkład glikogenu
Gdy stężenie glukozy we krwi wzrasta, na przykład w wyniku jej wchłaniania w jelicie podczas trawienia, przepływ glukozy do komórek wzrasta i co najmniej część tej glukozy można wykorzystać do syntezy glikogenu. Nagromadzenie rezerwy węglowodanów w komórkach w postaci glikogenu ma pewne zalety w stosunku do akumulacji glukozy, ponieważ nie towarzyszy mu wzrost wewnątrzkomórkowego ciśnienia osmotycznego. Jednak przy niedoborze glukozy glikogen łatwo ulega rozkładowi do glukozy lub jej estrów fosforanowych, a powstałe jednostki monomeryczne są wykorzystywane przez komórki z celami energetycznymi lub plastikowymi.
4.1. Synteza glikogenu
Glukoza wchodząca do komórek ulega fosforylacji z udziałem enzymów heksokinazy lub glukokinazy:
Następnie powstały gl-6-f jest izomeryzowany do gl-1-f z udziałem enzymu fosfoglukutazy [FGM]:
Następnie chl-1-f oddziałuje z trifosforanami urydyny, tworząc UDP-glukozę z udziałem enzymu pirofosforylazy UDP-glukozy [lub glukozo-1-fosfatydylotransferazy]:
Pirofosforan jest natychmiast dzielony na dwie reszty kwasu fosforowego z udziałem enzymu pirofosfatazy. Reakcji tej towarzyszy utrata energii rzędu 7 kcal / mol, w wyniku czego reakcja tworzenia się UDP-glukozy staje się nieodwracalna - termodynamiczna kontrola kierunku procesu.
W następnym etapie reszta glukozy z UDP-glukozy jest przenoszona do syntetyzowanej cząsteczki glikogenu z udziałem enzymu syntetazy glikogenu:
UDP-glukoza + (C6H10O5) n> (C6H10O5) n + 1 + UDP
/ glikogen / i cząsteczka glikogenu jest przedłużona o jedną resztę glukozy. Enzym syntetaza glikogenu jest zdolny do przyłączania reszty glukozy z UDP-glukozy do budowanej cząsteczki glikogenu tylko przez utworzenie wiązania a-1,4-glikozydowego. W konsekwencji, z udziałem tylko jednego z tych enzymów, można syntetyzować tylko polimer liniowy. Glikogen jest rozgałęzionym polimerem i rozgałęzienie w cząsteczce powstaje z udziałem innego enzymu: amylo-1,4 -> 1,6 - glikozylotransferazy. Enzym ten, inaczej znany jako enzym rozgałęziony, transportuje fragment 5-7 jednostek monomeru z końca liniowego regionu polisacharydu syntetyzowanego bliżej jego środka, a ten fragment łączy się z łańcuchem polimeru z powodu tworzenia wiązania a-1,6-glikozydowego:
Należy zauważyć, że zgodnie z innymi danymi, rozszczepialny fragment składający się z co najmniej 6 reszt glukozy jest przenoszony do sąsiedniego łańcucha budowanego rozgałęzionego polisacharydu. W każdym razie w przyszłości oba łańcuchy są wydłużone dzięki działaniu syntetazy glikogenu i powstają nowe gałęzie z udziałem enzymu rozgałęziającego.
Synteza glikogenu występuje we wszystkich narządach i tkankach, jednak najwyższą zawartość obserwuje się w wątrobie [od 2 do 5-6% całkowitej masy narządu] iw mięśniach [do 1% ich masy]. Włączeniu 1 reszty glukozy do cząsteczki glikogenu towarzyszy zastosowanie 2 wysokoenergetycznych odpowiedników (1 ATP i 1 UTP), tak że synteza glikogenu w komórkach może odbywać się tylko przy wystarczającym zaopatrzeniu komórek w energię.
4.2. Mobilizacja glikogenu
Glikogen, jako rezerwa glukozy, gromadzi się w komórkach podczas trawienia i jest spożywany w okresie po absorpcji. Rozszczepienie glikogenu w wątrobie lub jego mobilizacja odbywa się przy udziale enzymu fosforylazy glikogenowej, często nazywanej po prostu fosforylazą. Enzym ten katalizuje fosfolityczne rozszczepianie wiązań α-1,4-glikozydowych końcowych reszt glukozowych polimeru:
(C6 H10O5) n + H3PO4> (C6 H10O5) n-1 + Gl-1-F Do rozszczepienia cząsteczki w obszarze rozgałęzienia potrzebne są dwa dodatkowe enzymy: tak zwany rozgałęziający (degenerujący) - enzym i amylo-1,6-glikozydaza a w wyniku działania ostatniego enzymu w komórkach powstaje wolna glukoza, która może albo opuścić komórkę, albo ulec fosforylacji.
Gl-1-f w komórkach jest izomeryzowany z udziałem fosfoglukomutazy w gl-6-f. Dalszy los gl-6-fosforanu jest określony przez obecność lub brak fosfatazy glukozo-6 w komórkach enzymu. Jeśli enzym jest obecny w komórce, katalizuje hydrolityczne rozszczepienie reszty kwasu fosforowego z gl-6-fosforanu, tworząc wolną glukozę:
Gl-6-f + H2O D> Glukoza + H3PO4, które mogą przenikać zewnętrzną błonę komórkową i przenikać do krwiobiegu. Jeśli glukoza-6-fosfataza nie jest obecna w komórkach, glukoza nie jest defosforylowana, a reszta glukozy może być wykorzystana tylko przez tę konkretną komórkę. Należy zauważyć, że podział glikogenu na glukozę nie wymaga dodatkowego dopływu energii.
W większości ludzkich narządów i tkanek nie ma glukozo-6-fosfatazy, dlatego przechowywany w nich glikogen jest stosowany tylko na własne potrzeby. Typowym przedstawicielem takich tkanek jest tkanka mięśniowa. Glukozo-6-fosfataza jest obecna tylko w wątrobie, nerkach i jelitach, ale obecność enzymu w wątrobie (dokładniej w hepatocytach) jest najbardziej znacząca, ponieważ ten organ pełni rolę buforu, który absorbuje glukozę, gdy jej zawartość we krwi wzrasta i dostarcza glukozę do krwi, gdy stężenie glukozy we krwi zaczyna spadać.
4.3. Regulacja syntezy i rozkładu glikogenu
Porównując szlaki metaboliczne syntezy i mobilizacji genu gliko, zobaczymy, że są one różne:
Ta okoliczność umożliwia osobne regulowanie omawianych procesów. Regulacja odbywa się na poziomie dwóch enzymów: syntetazy glikogenu, która bierze udział w syntezie glikogenu i fosforylazy, która katalizuje rozpad glikogenu.
Głównym mechanizmem regulacji aktywności tych enzymów jest ich kowalencyjna modyfikacja przez fosforylację-defosforylację. Fosforylowana lub fosforylaza „a” jest wysoce aktywna, podczas gdy fosforylowana syntetaza glikogenu lub syntetaza „b” jest nieaktywna. Zatem, jeśli oba enzymy są w postaci fosforylowanej, glikogen jest rozszczepiany w komórce, tworząc glukozę. W stanie defosforylowanym, przeciwnie, fosforylaza jest nieaktywna (w postaci „b”) i syntetaza glikogenowa jest aktywna (w postaci „a”), w tej sytuacji glikogen z glukozy jest syntetyzowany w komórce.
Ponieważ glikogen wątrobowy odgrywa rolę rezerwy glukozy dla całego organizmu, jego synteza lub dezintegracja powinny być kontrolowane przez nadkomórkowe mechanizmy regulacyjne, których praca powinna być ukierunkowana na utrzymanie stałego stężenia glukozy we krwi. Mechanizmy te powinny zapewnić włączenie syntezy glikogenu w hepatocytach przy podwyższonych stężeniach glukozy we krwi i zwiększyć rozpad glikogenu, gdy poziom glukozy we krwi spada.
Podstawowym sygnałem stymulującym mobilizację genu gliko w wątrobie jest obniżenie stężenia glukozy we krwi. W odpowiedzi komórki alfa trzustki uwalniają swój hormon, glukagon, do krwiobiegu. Glukagon krążący we krwi oddziałuje z białkiem receptora znajdującym się na zewnętrznej stronie zewnętrznej błony komórkowej hepatocytu. tworząc góry - kompleks monoreceptora. Powstawanie kompleksu receptora hormonalnego prowadzi do aktywacji enzymu cyklazy adenylanowej zlokalizowanego na wewnętrznej powierzchni zewnętrznej błony komórkowej przy użyciu specjalnego mechanizmu. Enzym katalizuje tworzenie cyklicznego 3,5-AMP (cAMP) z ATP w komórce.
Z kolei cAMP aktywuje enzym zależną od cAMP kinazę białkową w komórce. Nieaktywna forma kinazy białkowej to oligomer składający się z czterech podjednostek: 2 regulacyjnej i dwóch katalitycznych. Wraz ze wzrostem stężenia cAMP w komórce, 2 cząsteczki cAMP są dodawane do każdej podjednostki regulacyjnej kinazy białkowej, zmienia się konformacja podjednostek regulacyjnych i oligomer rozpada się na podjednostki regulacyjne i katalityczne. Wolne podjednostki katalityczne katalizują fosforylację wielu enzymów w komórce, w tym fosforylację syntetazy glikogenu z jej przeniesieniem do stanu nieaktywnego, wyłączając w ten sposób syntezę glikogenu. W tym samym czasie następuje fosforylacja kinazy fosforylazowej, a enzym ten, aktywowany przez jego fosforylację, z kolei katalizuje fosforylazę fosforylazy z jej konwersją do postaci aktywnej, tj. w formie „a”. W wyniku aktywacji fosforylazy aktywowany jest rozkład glikogenu i hepatocyty zaczynają dostarczać glukozę do krwi.
Podsumowując, zauważamy, że stymulując rozpad glikogenu w wątrobie katecholaminami, głównymi mediatorami są receptory hepatocytów b, które wiążą adrenalinę. Jednocześnie zwiększa się zawartość jonów Ca w komórkach, gdzie stymulują one wrażliwą na fosforylazę kinazę Ca / kalmodulinę, która z kolei aktywuje fosforylazę przez jej fosforylację.
Schemat aktywacji rozkładu glikogenu w hepatocytach
Wzrost stężenia glukozy we krwi jest zewnętrznym sygnałem dla hepatocytów pod względem stymulowania syntezy glikogenu, a tym samym wiązania nadmiaru glukozy z krwiobiegu.
Schemat aktywacji syntezy glikogenu w wątrobie
Działa następujący mechanizm: wraz ze wzrostem stężenia glukozy we krwi wzrasta jej zawartość w hepatocytach. Zwiększenie stężenia glukozy w hepatocytach z kolei w dość skomplikowany sposób aktywuje w nich enzym fosfatazę fosfoproteinową, która katalizuje usuwanie reszt kwasu fosforowego z fosforylowanych białek. Defosforylacja aktywnej fosforylazy przekształca ją w postać nieaktywną, a defosforylacja nieaktywnej syntetazy glikogenu aktywuje enzym. W rezultacie system wchodzi w stan, który zapewnia syntezę glikogenu z glukozy.
W zmniejszeniu aktywności fosforylazy w hepatocytach, hormon komórek β insuliny trzustkowej odgrywa określoną rolę. Jest wydzielany przez komórki bw odpowiedzi na wzrost poziomu glukozy we krwi. Jego wiązanie z receptorami insuliny na powierzchni hepatocytów prowadzi do aktywacji w komórkach wątroby enzymu fosfodiesterazy, który katalizuje konwersję cAMP do normalnego AMP, która nie ma zdolności do stymulowania tworzenia aktywnej kinazy białkowej. W ten sposób akumulacja aktywnej fosforylazy w hepatocytach jest zakończona, co jest również ważne dla hamowania rozkładu glikogenu.
Jest całkiem naturalne, że mechanizmy regulacji syntezy i rozkładu glikogenu w komórkach różnych narządów mają swoje własne cechy. Jako przykład możemy wskazać, że w miocytach spoczynkowych mięśni lub mięśni, które wykonują niewielką ilość pracy, praktycznie nie ma fosforylazy „a”, ale zachodzi rozszczepienie glikogenu. Faktem jest, że fosforylaza mięśniowa, która jest w stanie defosforylowanym lub w postaci „b”, jest enzymem allosterycznym i jest aktywowana przez AMP i nieorganiczny fosforan obecny w miocytach. Aktywowana w ten sposób fosforylaza „b” zapewnia szybkość mobilizacji glikogenu, która jest wystarczająca do wykonywania umiarkowanej pracy fizycznej.
Jednak podczas intensywnej pracy, zwłaszcza gdy obciążenie gwałtownie wzrasta, ten poziom mobilizacji glikogenu staje się niewystarczający. W tym przypadku działają nadkomórkowe mechanizmy regulacji. W odpowiedzi na nagłą potrzebę intensywnej aktywności mięśniowej, adrenalina hormon wchodzi do krwi z rdzenia nadnerczy. Adrenalina, wiążąc się z receptorami na powierzchni komórek mięśniowych, powoduje reakcję miocytów, podobną w swoim mechanizmie do odpowiedzi hepatocytów na glukagon, którą właśnie opisano. W komórkach mięśniowych pojawia się fosforylaza „a” i syntetaza glikogenu jest inaktywowana, a powstały ch-6-f jest wykorzystywany jako „paliwo” energetyczne, którego rozpad oksydacyjny zapewnia energię do skurczu mięśni.
Należy zauważyć, że wysokie stężenia adrenaliny, obserwowane we krwi ludzi w warunkach stresu emocjonalnego, przyspieszają rozpad glikogenu w wątrobie, zwiększając w ten sposób zawartość glukozy we krwi - reakcja obronna mająca na celu awaryjną mobilizację zasobów energetycznych.
O B M E N U O W O D O V
2.1. Utleniający rozkład węglowodanów w tkankach
Najważniejsze funkcje monosacharydów w organizmie to energia i plastik; Obie te funkcje są realizowane podczas oksydacyjnego rozkładu monosacharydów w komórkach. Podczas utleniania węglowodanów uwalniana jest 4,1 kcal / g (około 17 kJ / g) wolnej energii, a dzięki utlenianiu węglowodanów ludzie pokrywają 5560% całkowitego zużycia energii. Podczas utleniania węglowodanów powstaje duża liczba produktów rozpadu pośredniego, które są wykorzystywane do syntezy różnych lipidów, niezbędnych aminokwasów i innych związków niezbędnych dla komórek. Ponadto podczas utleniania węglowodanów w komórkach generowane są potencjały regeneracyjne, które są następnie wykorzystywane przez nie w reakcjach redukcji biosyntezy, w procesach detoksykacji, w celu kontroli poziomu peroksydacji lipidów itp.
Głównym monosacharydem przechodzącym transformacje oksydacyjne w komórkach jest glukoza, ponieważ jest w dużych ilościach, która pochodzi z jelita do wewnętrznego środowiska ciała, jest syntetyzowana podczas glukoneogenezy lub formowana w postaci wolnej lub w postaci eterów fosforowych podczas rozkładu glikogenu. Rola innych monosacharydów jest mniej znacząca, ponieważ ich ilość wchodząca do komórek pod względem ilościowym różni się znacznie w zależności od składu żywności.
Istnieje kilka szlaków metabolicznych utleniania glukozy, z których główne to:
a) fermentacja tlenowa do dwutlenku węgla i wody;
b) utlenianie beztlenowe do mleczanu;
c) utlenianie pentozy;
g) utlenianie z utworzeniem kwasu glukuronowego.
Głębokość oksydacyjnego rozkładu cząsteczki glukozy może
być inny: od utleniania jednej z końcowych grup cząsteczek do grupy karboksylowej, która występuje podczas tworzenia kwasu glukuronowego, do całkowitej degradacji cząsteczki glukozy podczas jej rozkładu tlenowego.
2.1.1. Tlenowe utlenianie glukozy
W komórkach organizmów tlenowych rozkład tlenowy do dwutlenku węgla i wody jest zasadowy, przynajmniej w stosunku do całkowitej ilości rozszczepialnej glukozy. Przy rozdzielaniu 1 M glukozy (180 g) w warunkach tlenowych uwalniane jest 686 kcal wolnej energii. Proces tlenowego utleniania glukozy można podzielić na 3 etapy:
1. Podział glukozy na pirogronian.
2. Utleniająca dekarboksylacja pirogronianu do acetylo-CoA.
3. Utlenianie acetylu w cyklu Krebsa (CTC) w połączeniu z pracą łańcucha enzymów oddechowych.
Etapy te można również przedstawić jako ogólny schemat:
Glukoza> 2 pirogronian D> 2 acetyl CoA D> 4CO2 + 10 H2O
2.1.1.1. Rozszczepienie glukozy do pirogronianu
Zgodnie z nowoczesnymi koncepcjami, pierwszy etap utleniania glukozy przebiega w cytozolu i jest katalizowany przez metabolizm glikolityczny złożonego supramolekularnego białka, który obejmuje do kilkunastu pojedynczych enzymów.
Pierwszy etap utleniania glukozy można z kolei podzielić na 2 etapy. W reakcjach pierwszego etapu, fosforylacja glukozy, izomeryzacja reszty glukozy do reszty fruktozy, dodatkowa fosforylacja reszty fruktozy i wreszcie występuje. podział reszty heksozy na dwie reszty fosfotriozy:
Ta reakcja jest katalizowana przez enzym heksokinazę. ATP jest używany jako środek wiążący w komórce. Reakcji towarzyszy utrata energii swobodnej rzędu 5,0 kcal / mol i, w warunkach komórki, jest nieodwracalna.
Druga reakcja katalizowana przez fosfoheksoizomerazę jest łatwo odwracalna.
Trzecia reakcja jest katalizowana przez enzymy fosfofruktokinazę. W tej reakcji traci się również 3,4 kcal / mol energii i, podobnie jak reakcja hekso-kinazy, w warunkach komórkowych jest nieodwracalna.
Ta reakcja jest katalizowana przez enzym aldolazę, reakcja jest odwracalna. W wyniku reakcji fruktozo-1,6-bisfosforan rozdziela się na dwa triosofosforany.
W warunkach komórkowych fosfodihydroksyaceton (FDA) jest łatwo izomeryzowany do 3-fosfogliceraldehydu (PHA) z udziałem enzymu izomerazy fosforanowej triozy podczas piątej reakcji. Dlatego możemy założyć, że w pierwszym etapie tego etapu 2 ATP jest wydatkowane, a dwie cząsteczki aldehydu 3-fosfogliceralnego powstają z cząsteczki glukozy.
W drugim etapie pierwszego etapu utleniania glukozy PHA przekształca się w pirogronian. Ponieważ rozkład cząsteczki glukozy tworzy 2 cząsteczki PHA, w dalszym opisie procesu musimy wziąć to pod uwagę.
Następująca reakcja rozpatrywanego procesu jest reakcją utleniającą:
Podczas tej reakcji, katalizowanej przez aldehyd 3-fosfoglicerynowy dehydrogenazy, PHA utlenia się do kwasu 1,3-difosfoglicerynowego. Utlenianie zachodzi przez odwodornienie, a atomy wodoru oddzielone od substratu są przenoszone do NAD + z utworzeniem zredukowanej postaci koenzymu. Energia utleniania gromadzi się w komórce, po pierwsze, w postaci zmniejszonej energii NADH + H +, a po drugie, w postaci wiązania makroergicznego między produktem utleniania i kwasem fosforowym zaangażowanym w reakcję, tj. w wiązaniu makroergicznym kwasu 1,3 difosfoglicerydowego.
W siódmej reakcji, reszta kwasu fosforowego z 1,3 difosfoglicerynianu wraz z energią zmagazynowaną w wiązaniu makroergicznym jest przenoszona do ADP z utworzeniem ATP:
Ta odwracalna reakcja jest katalizowana przez enzym kinazę fosfoglicerynianową.
Następnie następuje odwracalna izomeryzacja 3-fosfoglicerydowego kwasu w 2-fosfoglicerydowym kwasie z udziałem enzymu fosfoglicerynianowego rutmutase:
W następnej, dziewiątej reakcji, woda jest odszczepiana od kwasu 2-fosfoglicerycznego:
Podczas rozszczepiania wody gęstość elektronów w cząsteczce ulega redystrybucji z utworzeniem wiązania makroergicznego między drugim atomem węgla formy enolowej kwasu pirogronowego a resztą kwasu fosforowego. Reakcja jest odwracalna, jest katalizowana przez enzym enolazę.
Energia zgromadzona w wiązaniu makroergicznym FEP wraz z resztą kwasu fosforowego podczas następnej reakcji jest przenoszona do ADP z utworzeniem ATP. Reakcja jest katalizowana przez kinazę pirogronianową.
Reakcji towarzyszy utrata 7,5 kcal / mol energii i jest praktycznie nieodwracalna w warunkach komórkowych.
Całkowite równanie pierwszego etapu tlenowego utleniania glukozy:
Glukoza + 2 ADP + 2 H3PO4 + 2 NAD + >> 2 pirogronian + 2 ATP + 2 NADH + H + + 2 H2O
Podczas tego etapu uwalniana jest 140 kcal / mol energii, jej główna część (około 120 kcal / mol) gromadzi się w komórce jako 2 energia ATP i 2 zmniejsza energię NAD + ADSCH, z której wynika, że w pierwszym etapie cząsteczka glukozy dzieli się na dwie cząsteczki kwas pirogronowy, podczas gdy komórka dla każdej cząsteczki strawionej glukozy otrzymuje 2 cząsteczki ATP i dwie cząsteczki o obniżonej NADH + H +.
Regulacja pierwszego etapu tlenowego rozkładu glukozy przeprowadzana jest za pomocą mechanizmów termodynamicznych i allosterycznych mechanizmów modulacji enzymów regulacyjnych zaangażowanych w pracę tego szlaku metabolicznego.
Za pomocą mechanizmów termodynamicznych przepływ metabolitów jest kontrolowany wzdłuż tego szlaku metabolicznego. Opisane układy reakcji obejmują trzy reakcje, podczas których tracona jest duża ilość energii: heksokinaza (G0 = 5,0 kcal / mol), fosfofruktokinaza (G0 = 3,4 kcal / mol) i kinaza pirogronianowa (G0 = 7,5 kcal / mol ). Te reakcje w komórce są praktycznie nieodwracalne, zwłaszcza reakcja kinazy pirogronianowej, a ze względu na ich nieodwracalność proces staje się nieodwracalny jako całość.
Intensywność przepływu metabolitu w rozważanym szlaku metabolicznym jest kontrolowana w komórce przez zmianę aktywności enzymów allosterycznych zawartych w układzie: heksokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronianowej. Zatem punkty termodynamicznej kontroli szlaku metabolicznego są jednocześnie miejscami, w których intensywność metabolitów jest regulowana.
Głównym elementem regulacyjnym systemu jest fosfofruktokolaza. Aktywność tego enzymu jest hamowana przez wysokie stężenia ATP w komórce, stopień allosterycznego hamowania enzymu ATP zwiększa się przy wysokich stężeniach cytrynianu w komórce. AMP jest allosterycznym aktywatorem fosfofruktokinazy.
Heksokinaza jest hamowana przez mechanizm allosteryczny przez wysokie stężenia Gl6f. W tym przypadku mamy do czynienia z pracą powiązanego mechanizmu regulacyjnego. Po zahamowaniu aktywności fosfofruktokinazy przez wysokie stężenia ATP, Fr6f gromadzi się w komórce, co oznacza, że Gl6f gromadzi się, ponieważ reakcja katalizowana przez fosfoheksoizomerazę jest łatwo odwracalna. W tym przypadku wzrost stężenia ATP w komórce hamuje aktywność nie tylko fosfofruktokinazy, ale także heksokinazy.
Regulacja aktywności trzeciej kinazy pirogronianowej wygląda na bardzo trudną. Aktywność enzymu jest stymulowana przez Gl6f, Fr1.6bf i PHA przez mechanizm allosteryczny, tak zwaną aktywację przez prekursora. Z kolei wysokie wewnątrzkomórkowe stężenia ATP, NADH, cytrynianu, sukcynylu CoA i kwasów tłuszczowych hamują aktywność enzymu za pomocą mechanizmu allosterycznego.
Ogólnie, podział glukozy na pirogronian jest hamowany na poziomie 3 wskazanych kinaz o wysokim stężeniu ATP w komórce, tj. w warunkach dobrego zaopatrzenia komórki w energię. Przy braku energii w komórce, aktywacja rozdzielania glukozy jest osiągana, po pierwsze, przez usunięcie allosterycznego hamowania kinaz z wysokimi stężeniami ATP i allosteryczną aktywacją fosfofruktokokinazy AMP i, po drugie, z powodu allosterycznej aktywacji kinazy pirogronianowej przez prekursory Gl6F, Fr1.6bf i PHA.
Jaki jest cel hamowania fosfofruktokinazy cytrynianowej i cytrynianu i kinazy pirogronianowej sukcynylo-CoA? Faktem jest, że dwie cząsteczki acetylo-CoA powstają z pojedynczej cząsteczki glukozy, która jest następnie utleniana w cyklu Krebsa. Jeśli cytrynian i sukcynylu CoA gromadzą się w komórce, cykl Krebsa nie radzi sobie z utlenianiem już nagromadzonego acetylo-CoA i sensowne jest spowolnienie jego dodatkowego tworzenia, co osiąga się przez hamowanie ructokinazy fosforowej i kinazy pirogronianowej.
Wreszcie, hamowanie utleniania glukozy na poziomie kinazy pirogronianowej ze wzrostem stężenia kwasów tłuszczowych ma na celu oszczędzanie glukozy w komórce w warunkach, gdy komórka jest zaopatrzona w inną, bardziej wydajną formę paliwa energetycznego.
2.1.1.2. Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu
W warunkach tlenowych kwas pirogronowy ulega oksydacyjnej dekarboksylacji z wytworzeniem acetylo-CoA. Ta transformacja jest katalizowana przez kompleks supramolekularnej dehydrogenazy pirogronianowej zlokalizowany w macierzy mitochondrialnej. Kompleks pirydvatdehydrogenazy składa się z trzech różnych enzymów: dekarboksylazy pirogronianowej, dihydrolipatoacetylotransferazy i dehydrogenazy kwasu dihydroliponowego, ich stosunki ilościowe w kompleksie zależą od źródła wydalania, z reguły stosunek ten zbliża się do 30: 1: 10.
Pierwszym enzymem tego kompleksu jest dekarboksylaza pirogronianowa (E1)