Glykogén je rezervný sacharid zvierat, pozostávajúci z veľkého množstva zvyškov glukózy. Dodávka glykogénu vám umožní rýchlo vyplniť nedostatok glukózy v krvi, akonáhle sa jej hladina zníži, glykogénové štiepenia a do glukózy vstúpia voľné glukózy. U ľudí sa glukóza ukladá hlavne ako glykogén. Pre bunky nie je výhodné skladovať jednotlivé molekuly glukózy, pretože by to významne zvýšilo osmotický tlak vo vnútri bunky. Vo svojej štruktúre sa glykogén podobá škrobu, to znamená polysacharidu, ktorý je hlavne skladovaný rastlinami. Škrob tiež pozostáva zo zvyškov glukózy, ktoré sú navzájom spojené, avšak v molekulách glykogénu existuje mnoho ďalších vetiev. Vysoko kvalitná reakcia na glykogén - reakcia s jódom - dodáva hnedú farbu, na rozdiel od reakcie jódu so škrobom, ktorá umožňuje získať fialovú farbu.
Regulácia produkcie glykogénu
Tvorba a rozklad glykogénu reguluje niekoľko hormónov, a to:
1) inzulín
2) glukagón
3) adrenalín
Tvorba glykogénu nastáva po zvýšení koncentrácie glukózy v krvi: ak je veľa glukózy, musí byť uskladnená do budúcnosti. Príjem glukózy bunkami je regulovaný hlavne dvoma antagonistami hormónov, to znamená hormónmi s opačným účinkom: inzulínom a glukagónom. Oba hormóny sú vylučované pankreatickými bunkami.
Upozornenie: slová „glukagón“ a „glykogén“ sú veľmi podobné, ale glukagón je hormón a glykogén je náhradný polysacharid.
Inzulín sa syntetizuje, ak je v krvi veľa glukózy. To sa zvyčajne deje potom, čo človek jedol, a to najmä v prípade, že jedlo je sacharidov-bohaté potraviny (napríklad, ak budete jesť múku alebo sladké potraviny). Všetky sacharidy obsiahnuté v potravinách sa rozkladajú na monosacharidy a už v tejto forme sa vstrebávajú cez črevnú stenu do krvi. Preto hladina glukózy stúpa.
Keď bunkové receptory reagujú na inzulín, bunky absorbujú glukózu z krvi a jej hladina opäť klesá. Mimochodom, to je dôvod, prečo je diabetes - nedostatok inzulínu - obrazne nazývaný „hlad medzi hojnosťou“, pretože v krvi po jedle, ktoré je bohaté na sacharidy, sa objavuje veľa cukru, ale bez inzulínu ho bunky nemôžu absorbovať. Časť buniek glukózy sa používa na energiu a zvyšok sa premení na tuk. Pečeňové bunky používajú absorbovanú glukózu na syntézu glykogénu. Ak je v krvi málo glukózy, dochádza k opačnému procesu: pankreas vylučuje hormón glukagón a pečeňové bunky začínajú rozkladať glykogén, uvoľňujú glukózu do krvi alebo syntetizujú glukózu opäť z jednoduchších molekúl, ako je kyselina mliečna.
Adrenalín tiež vedie k rozpadu glykogénu, pretože celé pôsobenie tohto hormónu je zamerané na mobilizáciu tela, jeho prípravu na reakciu typu „hit alebo beh“. A preto je potrebné, aby sa koncentrácia glukózy zvýšila. Potom ju svaly môžu využiť na energiu.
Absorpcia potravy teda vedie k uvoľneniu hormónu inzulínu do krvi a syntéze glykogénu a hladovanie vedie k uvoľňovaniu hormónu glukagónu a rozpadu glykogénu. Uvoľňovanie adrenalínu, ku ktorému dochádza v stresových situáciách, tiež vedie k rozpadu glykogénu.
Z čoho je glykogén syntetizovaný?
Glukóza-6-fosfát slúži ako substrát na syntézu glykogénu alebo glykogenogenézy, ako sa to inak nazýva. Je to molekula, ktorá sa získava z glukózy po pripojení zvyšku kyseliny fosforečnej na šiesty atóm uhlíka. Glukóza, ktorá tvorí glukóza-6-fosfát, vstupuje do pečene z krvi a do krvi z čreva.
Ďalšia možnosť je možná: glukóza môže byť znovu syntetizovaná z jednoduchších prekurzorov (kyselina mliečna). V tomto prípade, glukóza z krvi vstupuje, napríklad, do svalov, kde je rozdelená na kyselinu mliečnu s uvoľňovaním energie, a potom sa nahromadená kyselina mliečna transportuje do pečene a pečeňové bunky z nej syntetizujú glukózu. Potom môže byť táto glukóza premenená na glukózo-6-fosfot a ďalej na základe tejto syntézy glykogénu.
Fázy tvorby glykogénu
Čo sa teda deje v procese syntézy glykogénu z glukózy?
1. Glukóza po pridaní zvyšku kyseliny fosforečnej sa stáva glukóza-6-fosfátom. Je to spôsobené enzýmom hexokinázou. Tento enzým má niekoľko rôznych foriem. Hexokináza vo svaloch sa mierne líši od hexokinázy v pečeni. Forma tohto enzýmu, ktorá je prítomná v pečeni, je horšia spojená s glukózou a produkt vytvorený počas reakcie neinhibuje reakciu. V dôsledku toho sú pečeňové bunky schopné absorbovať glukózu len vtedy, keď je ich veľa, a môžem okamžite zmeniť množstvo substrátu na glukózo-6-fosfát, aj keď nemám čas ho spracovať.
2. Enzým fosfoglukomutáza katalyzuje konverziu glukóza-6-fosfátu na jeho izomér, glukóza-1-fosfát.
3. Výsledný glukózo-1-fosfát sa potom spojí s uridín trifosfátom, čím sa vytvorí UDP-glukóza. Tento proces je katalyzovaný enzýmom UDP-glukóza-pyrofosforylázou. Táto reakcia nemôže prebiehať v opačnom smere, to znamená, že je nevratná v tých podmienkach, ktoré sú prítomné v bunke.
4. Enzým glykogénsyntáza prenáša zvyšok glukózy na vznikajúcu molekulu glykogénu.
5. Glykogén-fermentujúci enzým pridáva odbočkové body a vytvára nové „vetvy“ na molekule glykogénu. Neskôr na konci tejto vetvy sa pridajú nové glukózové zvyšky s použitím glykogénsyntázy.
Kde je glykogén uskladnený po vytvorení?
Glykogén je náhradný polysacharid potrebný pre život a je uložený vo forme malých granúl nachádzajúcich sa v cytoplazme niektorých buniek.
Glykogén uchováva tieto orgány:
1. Pečeň. Glykogén je dosť hojný v pečeni a je jediným orgánom, ktorý využíva zásobu glykogénu na reguláciu koncentrácie cukru v krvi. Až 5 až 6% môže byť glykogén z hmotnosti pečene, čo zhruba zodpovedá 100-120 gramom.
2. Svaly. Vo svaloch sú zásoby glykogénu menšie (až do 1%), ale celkovo, podľa hmotnosti, môžu prekročiť všetok glykogén uložený v pečeni. Svaly nevypúšťajú glukózu, ktorá sa vytvorila po rozpade glykogénu do krvi, používajú ju len pre vlastné potreby.
3. Obličky. Našli malé množstvo glykogénu. V gliových bunkách a v leukocytoch, to znamená bielych krvinkách, sa našli ešte menšie množstvá.
Ako dlho vydrží glykogén?
V procese vitálnej aktivity organizmu sa glykogén syntetizuje pomerne často, takmer vždy po jedle. Telo nemá zmysel ukladať obrovské množstvo glykogénu, pretože jeho hlavnou funkciou nie je slúžiť ako donor živín tak dlho, ako je to možné, ale regulovať množstvo cukru v krvi. Obchody s glykogénom trvajú približne 12 hodín.
Pre porovnanie, uložené tuky:
- Po prvé, zvyčajne majú oveľa väčšiu hmotnosť ako hmotnosť uloženého glykogénu,
- po druhé, môžu byť dosť na mesiac existencie.
Okrem toho stojí za zmienku, že ľudské telo môže premeniť sacharidy na tuky, ale nie naopak, to znamená, že uložený tuk nemôže byť premenený na glykogén, môže byť použitý len priamo na energiu. Ale na rozloženie glykogénu na glukózu, potom zničiť glukózu sám a použiť výsledný produkt pre syntézu tukov ľudského tela je dosť schopný.
Glykogén je ľahko využiteľná zásoba energie.
Mobilizácia glykogénu (glykogenolýza)
Rezervy glykogénu sa používajú odlišne v závislosti od funkčných charakteristík bunky.
Pečeňový glykogén je rozdelený znížením koncentrácie glukózy v krvi, najmä medzi jedlami. Po 12-18 hodinách pôstu sú zásoby glykogénu v pečeni úplne vyčerpané.
Vo svaloch sa množstvo glykogénu zvyčajne znižuje len počas fyzickej aktivity - predĺženej a / alebo intenzívnej. Glykogén sa tu používa na zabezpečenie fungovania myocytov glukózou. Preto svaly, ako aj iné orgány, používajú glykogén len pre svoje vlastné potreby.
Mobilizácia (rozklad) glykogénu alebo glykogenolýzy sa aktivuje v prípade nedostatku voľnej glukózy v bunke, a teda v krvi (nalačno, svalová práca). Hladina glukózy v krvi "cielene" podporuje iba pečeň, v ktorej je glukóza-6-fosfatáza, ktorá hydrolyzuje ester glukózo-fosfátu. Voľná glukóza vytvorená v hepatocyte sa uvoľní cez plazmatickú membránu do krvi.
Tri enzýmy sa priamo podieľajú na glykogenolýze:
1. Glykogén fosforylázy (koenzýmový pyridoxal fosfát) - štiepi a-1,4-glykozidové väzby za vzniku glukóza-1-fosfátu. Enzým funguje, kým 4 zvyšky glukózy nezostanú až do bodu rozvetvenia (väzba al, 6).
Úloha fosforylázy pri mobilizácii glykogénu
2. a (1,4) -a (1,4) -glukanantransferáza je enzým, ktorý prenáša fragment z troch zvyškov glukózy na iný reťazec s tvorbou novej a1,4-glykozidovej väzby. Súčasne zostáva na rovnakom mieste jeden glukózový zvyšok a „otvorená“ dostupná a1,6-glykozidová väzba.
3. Amylo-α1,6-glukozidáza ("detituschy" enzým) - hydrolyzuje a1,6-glykozidovú väzbu uvoľňovaním voľnej (nefosforylovanej) glukózy. Výsledkom je vytvorenie reťazca bez vetiev, ktorý opäť slúži ako substrát pre fosforylázu.
Úloha enzýmov v rozklade glykogénu
Syntéza glykogénu
Glykogén je schopný byť syntetizovaný v takmer všetkých tkanivách, ale najväčšie zásoby glykogénu sú v pečeni a kostrovom svale.
Vo svaloch sa množstvo glykogénu zvyčajne znižuje len počas fyzickej aktivity - predĺženej a / alebo intenzívnej. Nahromadenie glykogénu je zaznamenané v období zotavenia, najmä pri konzumácii potravín s vysokým obsahom sacharidov.
Pečeňový glykogén je rozdelený znížením koncentrácie glukózy v krvi, najmä medzi jedlami (obdobie po adsorpcii). Po 12-18 hodinách pôstu sú zásoby glykogénu v pečeni úplne vyčerpané. Glykogén sa akumuluje v pečeni až po jedle, s hyperglykémiou. Je to spôsobené zvláštnosťami pečeňovej kinázy (glukokinázy), ktorá má nízku afinitu k glukóze a môže pracovať len pri vysokých koncentráciách.
Pri normálnych koncentráciách glukózy v krvi sa jej zachytenie v pečeni neuskutoční.
Nasledujúce enzýmy priamo syntetizujú glykogén:
1. Fosfoglukomutáza - konvertuje glukóza-6-fosfát na glukóza-1-fosfát;
2. Glukóza-1-fosfát-uridyltransferáza - enzým, ktorý vykonáva kľúčovú syntézu. Nezvratnosť tejto reakcie sa dosahuje hydrolýzou výsledného difosfátu;
Reakcie syntézy UDP-glukózy
3. Glykogénsyntáza - tvorí a1,4-glykozidové väzby a rozširuje glykogénový reťazec, pričom sa pripojí aktivovaný Cj UDF-glukózový zvyšok ku C4 koncovému glykogénovému zvyšku;
Chemická reakcia syntézy glykogénu
4. Amylo-al, 4-al, 6-glykozyltransferáza, enzým "glykogén rozvetvujúci" - prenáša fragment s minimálnou dĺžkou 6 zvyškov glukózy na susedný reťazec s tvorbou al, 6-glykozidovej väzby.
Príručka pre lekárov 21
Chémia a chemická technológia
Rozpad glykogénu na glukózu
Počas fosforolýzy sa teda glykogén rozkladá tvorbou esteru glukózy s fosforečnou kyselinou bez toho, aby sa najprv rozštiepil na väčšie fragmenty molekuly polysacharidu. [C.251]
Fosforylázy prenášajú polysacharidy (najmä glykogén) zo skladovacej formy do metabolicky aktívnej formy v prítomnosti fosforylázy a glykogén sa rozkladá za vzniku glukózo-fosfátového éteru (glukóza-1-fosfát) bez jeho rozštiepenia na väčšie fragmenty polysacharidovej molekuly. Vo všeobecnosti možno túto reakciu reprezentovať nasledovne [p.325]
Neskôr na túto dôležitú otázku odpovieme podrobnejšie (kap. 25), teraz len hovoríme, že ak je telo náhle v kritickej situácii, dreň nadobličiek vylučuje hormón adrenalín do krvi, ktorý slúži ako molekulárny signál pre pečeň a svaly. Pod vplyvom tohto signálu zapne pečeň svoju glykogénfosforylázu, v dôsledku čoho hladina glukózy v krvi stúpa, t. svaly získať palivo. Rovnaký signál zahŕňa v kostrovom svalstve rozpad glykogénu s tvorbou laktátu, čím sa zvyšuje [p.464]
Trávenie diétnych sacharidov začína v ústnej dutine. Pri pôsobení enzýmu slinovej amylázy sa škrob a glykogén podrobujú plytkému štiepeniu za vzniku polysacharidov s nízkou molekulovou hmotnosťou - dextrínov. Ďalší rozklad dextrínov, ako aj neštiepeného škrobu a glissogénu sa vyskytuje v tenkom čreve za účasti amylázy pankreatickej šťavy. Výsledkom je disacharidová maltóza, pozostávajúca z dvoch glukózových zvyškov. Štiepenie sacharidov je ukončené konverziou vytvorenej maltózy a iných potravinových disacharidov (sacharóza, laktóza) na monosacharidy (glukóza, fruktóza, galaktóza), z ktorých hlavnou je glukóza. [Č.44]
Komplexné sacharidy začínajú prechádzať transformáciami už v oblasti úst. Sliny, sekrécia produkovaná slinnými žľazami (príušná, submandibulárna, sublingválna), obsahujú dva enzýmy, ktoré rozkladajú sacharidovú amylázu (amyláza slín, ktorá sa nazýva ptyalin) a v malom množstve maltázy. Tieto enzýmy, následným vystavením škrobu alebo glykogénu, spôsobujú rozpad (hydrolýzu) týchto polysacharidov na tvorbu glukózy. [C.241]
Aby sa glykogén-fosforyláza rozpadla za pôsobenia glykogénu, musí na polysacharid pôsobiť aj iný enzým. (1 -> 6) -glukozidáza. Tento enzým katalyzuje dve reakcie. V prvom z nich štiepi z reťazca tri zvyšky glukózy zo štyroch uvedených a prenesie ich na koniec iného vonkajšieho bočného reťazca. V druhej reakcii, katalyzovanej (1 - + -> 6) -glukozidázou, sa štiepi štvrtý zvyšok glukózy, ktorý je pripojený na mieste rozvetvenia väzby (1-> 6). Hydrolýza (1-> 6> väzby na mieste rozvetvenia vedie k tvorba jednej molekuly D-glukózy a z [p.457]
Glykogén sa rozpúšťa v horúcej vode za vzniku opaleskujúceho roztoku. Je vymaľovaný jódom v červenohnedej farbe, blízkej farbe jódovo-farebného amylopektínu. Glykogén nemá žiadne redukčné vlastnosti. Počas hydrolýzy glykogénu zriedenou minerálnou kyselinou, ako aj rozštiepením enzýmami sa vytvorí a-O-glukóza. Zvyšky molekúl glukózy v molekulách glykogénu sú navzájom spojené glukozidovými väzbami 1,4 a 1,6. Tak, ako amylo-pektín, molekula glykogénu má štruktúru s rozvetvenou štruktúrou, s väčším množstvom 1,6 glukozidových väzieb (pre 12 väzieb 1,4, je tu jedna 1,6 väzba) ako v molekule amylopektínu, a preto viac rozvetvené a kompaktnejšie (obr. 5). [C.74]
Funkcia pečene v metabolizme sacharidov je extrémne veľká a mnohostranná. Je schopný syntetizovať glykogén z glukózového a nekarbohydrátového materiálu. Takýmto materiálom môže byť kyselina mliečna, glycerín, produkty štiepenia glykokolu, alanínu, tyrozínu, fenylalanínu, serínu, treonínu, cysteínu, valínu, izoleucínu, kyseliny asparágovej a kyseliny glutámovej, arginínu a prolínu. Ide o tzv. Glukogénne kyseliny. Pečeň môže oxidovať kyselinu pyruvovú za vzniku ATP, ktorý sa používa v pečeni na premenu kyseliny mliečnej na glykogén. [Č.84]
Prvýkrát sa pri štúdiu metabolizmu glykogénu v bunkách kostrového svalstva detegovala fosforylácia proteínov závislá od AMP. Glykogén je hlavnou rezervnou formou glukózy, ako už bolo spomenuté, jeho rozpad vo svalových bunkách je regulovaný adrenalínom (v skutočnosti adrenalín reguluje tak rozklad glykogénu, ako aj jeho syntézu v kostrovom svale). Ak je napríklad zviera vystavené stresu (vystrašenia, atď.), Potom nadobličky začnú hádzať adrenalín do krvi a to spôsobí, že rôzne tkanivá tela sa dostanú do stavu pripravenosti. Adrenalín cirkulujúci v krvi spôsobuje najmä rozpad glykogénu vo svalových bunkách na glukóza-1-fosfát a súčasne inhibuje syntézu nového glykogénu. Glukóza-1-fosfát sa premieňa na glukózo-6-fosfát, ktorý sa potom oxiduje pri glykolýznych reakciách s tvorbou ATP, čo poskytuje energiu pre intenzívnu svalovú prácu. Týmto spôsobom adrenalín pripravuje svalové bunky na intenzívnu prácu. [C.372]
U ľudí je známy rad genetických ochorení spojených so zhoršenou syntézou alebo rozpadom glykogénu. Jedným z prvých bol prípad chronického zväčšenia pečene - u 8-ročného dievčaťa, ktoré malo aj rôzne typy metabolických porúch. Dievča zomrelo na chrípku. Pitva ukázala, že jej pečeň bola 3-násobkom normy, obsahovala obrovské množstvo glykogénu a jej podiel bol takmer 40% suchej hmotnosti orgánu. Glykogén izolovaný z pečene bol chemicky celkom normálny, avšak keď bol kúsok pečeňového tkaniva homogenizovaný a inkubovaný v pufri, tento glykogén zostal neporušený - nevytvoril sa ani laktát ani glukóza. Keď sa k glykogénu pridala suspenzia pripravená z tkaniva normálnej pečene, rýchlo sa zrútila na glukózu. Na základe tohto biochemického testu vedci dospeli k záveru, že pacient narušil proces rozpadu glykogénu (toto ochorenie sa často nazýva Gyrkeho choroba po mene lekára, ktorý ho opísal). Najprv sa predpokladalo, že glukóza-6-fosfatáza je defektný enzým, pretože chorá pečeň netvorila glukózu, ale absencia tvorby laktátu ukázala, že porucha ovplyvnila buď glykogén fosforylázu alebo debranching enzým [a (1 - 6) a) -glukozidázu]. Neskôr boli výskumníci posilnení v tom zmysle, že v tomto klasickom prípade bol ovplyvnený (1 - 6) -glukozidázou. Výsledkom je, že glykogénové molekuly v pečeni môžu byť rozdelené na glukózu alebo [c.616]
Tu je potrebné zdôrazniť, že rozpad glykogénu v pečeni s tvorbou voľnej glukózy (mobilizácia glykogénu, str. 245) sa vyskytuje hlavne fosforolyticky. Súčasne sa glykogén rozpadá pod vplyvom nie amylázy, ale hepatickej fosforylázy s tvorbou glukóza-1-monofosforečného éteru (s. 251). Tento sa potom veľmi rýchlo štiepi fosfatázami pečene na voľnú glukózu a kyselinu fosforečnú. V konečnom dôsledku teda fosforyláza a glukóza-1-monofosforečná éterfosfatáza prítomná v pečeni rozdeľuje glykogén na jednotlivé glukózové častice, bez toho, aby dochádzalo k tvorbe dextrínov a maltózy, ktoré sú charakteristickými produktmi hydrolytickej degradácie glykogénu (v prítomnosti amylázy). [C.245]
Metabolizmus v mozgu, svaloch, tukovom tkanive a pečeni sa veľmi líši. V normálne kŕmené osoby, glukóza je prakticky jediným zdrojom energie pre mozog. Pri pôste získavajú ketóny (acetoacetát a 3-hydroxybutyrát) úlohu hlavného zdroja energie pre mozog. Svaly využívajú ako zdroj energie glukózu, mastné kyseliny a ketónové telieska a syntetizujú glykogén ako rezervu energie pre svoje vlastné potreby. Tukové tkanivo sa špecializuje na syntézu, skladovanie a mobilizáciu triacylglycerolov. Viacnásobné metabolické procesy pečene podporujú prácu iných orgánov. Pečeň môže rýchlo mobilizovať glykogén a vykonávať glukoneogenézu, aby vyhovovala potrebám iných orgánov. Pečeň hrá hlavnú úlohu v regulácii metabolizmu lipidov. Keď sú zdroje energie bohaté, dochádza k syntéze a esterifikácii mastných kyselín. Potom sa pohybujú z pečene do tukového tkaniva vo forme lipoproteínov s veľmi nízkou hustotou (VLDL). Pri hladovaní sa však mastné kyseliny v pečeni konvertujú na ketónové telieska. Integrácia aktivity všetkých týchto orgánov sa vykonáva hormónmi. Inzulín signalizuje množstvo potravinových zdrojov, stimuluje tvorbu glykogénu a triacylglycerolov, ako aj syntézu proteínov. Glukagón naopak signalizuje nízky obsah glukózy v krvi, stimuluje rozklad glykogénu a glukoneogenézu v pečeni a hydrolýzu triacylglycerolov v tukovom tkanive. Adrenalín a norepinefrín pôsobia na energetické zdroje ako glukagón, ich hlavným cieľom je sval, nie pečeň. [C.296]
Inzulín. Dôležitú úlohu pri metabolizme sacharidov a regulácii hladiny cukru v krvi hrá hormón inzulín. Na rozdiel od pôsobenia iných hormónov znižuje koncentráciu cukru v krvi, zvyšuje premenu glukózy na glykogén v pečeni a svaloch, podporuje správnu oxidáciu glukózy v tkanivách, ako aj zabraňuje rozpadu glykogénu v pečeni s tvorbou glukózy. Inzulín pôsobí na proces fosforylácie glukózy s tvorbou glukóza-6-fosfátu, ktorý je prvým krokom glukogenézy alebo tvorby glykogénu. V neprítomnosti dostatočného príjmu inzulínu je premena extracelulárnej glukózy na intracelulárny glukóza-6-fosfát oneskorená. [C.364]
Gibson, 1948 [1099]) (25080). V tomto prípade je poškodeným enzýmom MAVN-dependentná methemoglobin reduktáza. Prvý pokus o systematické štúdium skupiny ľudských ochorení spojených s metabolickými poruchami bol urobený v roku 1951. V štúdii ochorenia akumulovaného glykogénu, Coryho pár ukázal, že v ôsmich z desiatich prípadov patologického stavu, ktorý bol diagnostikovaný ako Gyrkeho choroba (23220), bola štruktúra glykogénu v pečeni normálnym variantom a v dvoch prípadoch bola jasne zhoršená. Bolo tiež zrejmé, že glykogén v pečeni, hromadiaci sa v nadbytku, nemôže byť priamo premenený na cukor, pretože pacienti majú tendenciu k hypoglykémii. Na rozpad glykogénu na glukózu v pečeni je potrebných mnoho enzýmov. Dve z nich, amylo-1,6-glukozidáza a glukóza-6-fosfatáza, boli vybrané na štúdium ako možné defektné prvky enzýmového systému. V homogenátoch pečene pri rôznych hodnotách pH sa meralo uvoľňovanie fosfátu z glukóza-6-fosfátu. Výsledky sú uvedené na obr. [C.10]
Teda jedna vysokoenergetická fosfátová väzba sa spotrebuje, keď je glukóza-6-fosfát obsiahnutý v glykogéne. Energetický výkon počas rozpadu glykogénu je extrémne vysoký. Približne 90% zvyškov je fosforolytické štiepenie s tvorbou glukóza-1-fosfátu, ktorý sa mení na glukózovo-b-fosfát bez nákladov na energiu. Zvyšných 10% zvyškov patrí do vetiev a hydrolyzuje sa štiepením. Jedna molekula ATP sa používa na fosforyláciu každej z týchto molekúl glukózy na glukóza-b-fosfát. Úplná oxidácia glukóza-b-fosfátu poskytuje tridsaťsedem [c.122]
Syntéza a rozklad glykogénu. Glykogén je ľahko mobilizovaná forma skladovania energie. Je to rozvetvený polymér zvyškov glukózy. Medziprodukt aktivovaný glykogénom je UDP-glukóza, ktorá sa tvorí z glukóza-1-fosfátu a UTP. G lykogénsyntáza katalyzuje prenos glukózového zvyšku z UDP glukózy na koncovú hydroxylovú skupinu rastového reťazca. Rozdelenie glykogénu je iným spôsobom. Fosforyláza katalyzuje rozklad glykogénu ortofosforečnanom za vzniku glukóza-1-fosfátu. Syntéza a štiepenie glykogénu sú koordinované s [p.285]
Metabolizmus sacharidov v každej živej bunke (živej látke) je jeden proces, ktorý súčasne súvisí navzájom prepojené reakcie rozkladu a syntézy organických látok. V centre metabolizmu sacharidov u zvierat sú glykogenéza a glykogenolýza, to znamená procesy tvorby a rozkladu glykogénu. Vyskytujú sa hlavne v pečeni. Glykogén môže byť tvorený ako zo sacharidov, tak zo zdrojov bez sacharidov, ako sú napríklad určité aminokyseliny, glycerín, kyselina mliečna, kyselina pyrohroznová a propiónová, ako aj z mnohých iných jednoduchých zlúčenín. Termín glykogenolýza označuje skutočné rozpad glykogénu na glukózu. Ale teraz toto slovo je často chápané tak, že znamená celý súčet procesov vedúcich k glykolytickej tvorbe kyseliny mliečnej v prípade, keď východiskovým substrátom nie je glukóza, ale glykogén. Glykolýza je všeobecne chápaná tak, že znamená odbúranie sacharidov od začiatku, to znamená od glukózy alebo glykogénu. [C.376]
Počas alkoholovej fermentácie sa v procese rozdelenia jednej molekuly glukózy vytvoria štyri molekuly ATP (50 kcal alebo 210 kJ). Z nich dve sú venované funkčnej aktivite a syntéze. Podľa niektorých autorských výpočtov sa počas glykolýzy a glykogenolýzy akumuluje 35-40 / o všetkej uvoľnenej voľnej energie v energeticky bohatých fosforových väzbách, zatiaľ čo zvyšných 60–65% je dispergovaných vo forme tepla. Účinnosť buniek, orgánov, pracujúcich v anaeróbnych podmienkach, nepresahuje 0,4 (aeróbna 0,5). Tieto výpočty sú založené najmä na údajoch získaných zo svalových extraktov a kvasinkovej šťavy. V podmienkach živého organizmu využívajú svalové bunky, orgány a tkanivá energiu, pravdepodobne oveľa viac. Z fyziologického hľadiska je proces glykogenolýzy a glykolýzy mimoriadne dôležitý, najmä keď sa životné procesy uskutočňujú v podmienkach nedostatku kyslíka. Napríklad pri intenzívnej práci svalov, najmä v prvej fáze aktivity, vždy existuje medzera medzi dodaním kyslíka do svalov a jeho potrebou. V tomto prípade počiatočné náklady na energiu pokrývajú prevažne glykogenolýza. Podobné javy sú pozorované v rôznych patologických stavoch (hypoxia mozgu, srdca atď.). Okrem toho potenciálna energia obsiahnutá v kyseline mliečnej, ktorá sa nakoniec nestratila vysoko organizovanému organizmu. Výsledná kyselina mliečna sa rýchlo prenesie zo svalov do krvi a potom sa prenesie do pečene, kde sa opäť premení na glykogén. Anaeróbny rozklad sacharidov s tvorbou kyseliny mliečnej je v prírode veľmi bežný, pozoruje sa nielen vo svaloch, ale aj v iných tkanivách živočíšneho organizmu. [C.334]
Po prvýkrát bola sekvencia udalostí objasnená v štúdii metabolizmu glykogénu v bunkách kostrového svalstva. Glykogén je hlavnou rezervnou formou glukózy, jej syntéza a rozklad sú prísne regulované určitými hormónmi. Ak je napríklad zviera vystrašené alebo vystavené inému stresu, nadobličky vylučujú adrenalín do krvného obehu a prinášajú rôzne tkanivá tela do stavu pripravenosti. Cirkulujúci adrenalín spôsobuje najmä rozpad glykogénu v bunkách epiconu na glukóza-1-fosfát a zároveň zastavuje syntézu nového glykogénu. Glukóza-1-fosfát sa premieňa na glukóza-6-fosfát, ktorý sa potom oxiduje pri glykolytických reakciách, čo vedie k tvorbe ATP, ktorá je nevyhnutná pre prácu mypps. Týmto spôsobom adrenalín pripravuje svalové bunky na intenzívnu prácu. [C.271]
Pozri strany, kde je uvedený termín glykogén štiepiaci tvorbu glukózy: [c.158] [c.187] Human Genetics T.3 (1990) - [c.10]
Info-Farm.RU
Liečivá, medicína, biológia
glykogén
Glykogén (známy aj ako „živočíšny škrob“, aj napriek nepresnosti tohto názvu) je polysacharid, homopolymér a-glukózy, ktorý je hlavnou formou jeho uskladnenia v živočíšnych bunkách, vo väčšine húb, v mnohých baktériách a archaea. V ľudskom tele sú hlavnými miestami akumulácie glykogénu pečeň a kostrové svalstvo.
Schopnosť pečene zvýšiť koncentráciu glukózy v krvi a prítomnosť škrobovej látky v nej, ktorá sa nazýva glykogén, objavil v roku 1875 Claude Bernard.
Chemická štruktúra
Glykogén je homopolymér a-glukózy, ktorého zvyšky sú vzájomne prepojené väzbami (al -> 4) - glukozid. Každých 8–10 monomérnych zvyškov sa oddeľuje, bočné vetvy sú pripojené (α1 → 6) zväzkom. Molekula glykogénu je teda oveľa kompaktnejšia a rozvetvená ako škrob. Stupeň polymerizácie je blízky stupňu amylopektínu.
Všetky vetvy glykogénu majú nefrekvenčný koniec, takže ak je počet vetiev rovný n, potom molekula bude mať n-1 neobvyklé konce a iba jednu redukujúcu. Keď dochádza k hydrolýze glykogénu, aby sa použil ako zdroj energie, zvyšky glukózy sa oddeľujú jeden po druhom z neredukovateľných koncov. Ich veľký počet umožňuje výrazne urýchliť proces.
Najstabilnejšia konformácia vetiev s väzbou (α1 → 4) je hustá špirála so šiestimi zvyškami glukózy na jednu otáčku (rovina každej molekuly sa vracia na 60 ° vzhľadom na predchádzajúcu).
Na vykonávanie svojej biologickej funkcie: zabezpečenie najkompaktnejšieho ukladania glukózy a zároveň možnosť jej rýchlej mobilizácie musí mať glykogén štruktúru optimalizovanú pre niekoľko parametrov: 1) počet úrovní (úrovní) vetvenia; 2) počet pobočiek v každom stupni; 3) množstvo zvyškov glukózy v každej vetve. Pre molekulu glykogénu s konštantným počtom monomérnych jednotiek sa počet externých vetiev, z ktorých sa môže glukóza mobilizovať do bodu vetvenia, znižuje so zvyšujúcou sa priemernou dĺžkou každej vetvy. Hustota najvzdialenejších vetiev je stericky obmedzená, takže maximálna veľkosť molekuly glykogénu klesá s rastúcim počtom vetiev na rovnakej úrovni. Zrelé molekuly glykogénu rôzneho pôvodu majú v priemere 12 vetví, z ktorých každá má v priemere dve vetvy, z ktorých každá obsahuje približne 13 zvyškov glukózy. Matematická analýza ukázala, že takáto štruktúra je veľmi blízka optimálnemu pre mobilizáciu maximálneho množstva glukózy v najkratšom možnom čase.
Distribúcia a význam
Glykogén je forma ukladania glukózy u zvierat, húb, niektorých baktérií (najmä cyanobaktérií) a APEX. V mikroorganizmoch je glykogén viac-menej rovnomerne rozptýlený v cytoplazme bunky vo forme granúl s priemerom 20 až 100 nm, ktoré je možné zvyčajne pozorovať len prostredníctvom elektrónového mikroskopu. Ak bunka obsahuje veľa glykogénu, pri maľovaní roztokom jódu sa stáva červenohnedou. U stavovcov sú najväčšie množstvá glykogénu uskladnené v pečeni, kde môže byť 7-10% z celkovej hmotnosti (100-120 g u dospelých) a kostrových svalov (1-2% celkovej hmotnosti). Malé množstvá glykogénu sa nachádzajú v obličkách a ešte menej v niektorých gliových mozgových bunkách a bielych krvinkách.
Skladovanie glukózy nie je vo voľnej forme, ale vo forme polysacharidov je diktované dvoma dôvodmi. Po prvé, ak napríklad v hepatocyte, bola celá hmotnosť glukózy, ktorá je súčasťou glykogénu, vo voľnom stave, jej koncentrácia by dosiahla 0,4 mol / l. To by zase viedlo k významnému zvýšeniu osmotického tlaku cytozolu, nadmernému prívodu vody do bunky a jej prasknutiu. Po druhé, taká vysoká koncentrácia glukózy by sa mohla aktívne transportovať z bunkového prostredia, v prípade hepatocytu z krvi, kde hladina glukózy je len 5 mmol / l, prakticky nemožná. Ukladanie glukózy vo forme glykogénu znižuje jeho koncentráciu v bunke na 0,01 µmol / L.
Zásoby glykogénu u ľudí sú výrazne nižšie ako zásoby tukov. Tieto majú množstvo výhod: po prvé, umožňujú získať viac ako dvojnásobok energie ako rovnaká hmotnosť sacharidov, po druhé, sú to hydrofóbne molekuly a na rozdiel od sacharidov nevyžadujú hydratáciu, čo znižuje hmotnosť energetických rezerv. Glykogén je však rýchlym zdrojom energie, okrem organizmu na zvieratách neexistujú žiadne metabolické cesty na premenu mastných kyselín na glukózu, ktoré nemôžu byť použité v mozgovom metabolizme svalov.
V hepatocytoch je glykogén uložený ako veľké cytoplazmatické granule. Elementárna takzvaná p-častica je jedna molekula gilkogénu, má priemer asi 21 nm a obsahuje 55000 zvyškov glukózy a má 2000 nepravidelných koncov. 20 až 40 takýchto častíc spolu tvoria a-rozety, ktoré možno vidieť pod mikroskopom v tkanivách zvierat, ktoré sú dobre kŕmené. Avšak po 24 hodinách rýchlo zmiznú. Glykogénové granule sú komplexné agregáty, ktoré okrem glykogénu zahrnujú enzýmy, syntetizujú a rozkladajú ich, ako aj regulačné molekuly.
Svalový glykogén slúži ako zdroj rýchlej energie pre aeróbny aj anaeróbny metabolizmus. Jeho zásoby môžu byť vyčerpané za jednu hodinu intenzívnej fyzickej aktivity. Pravidelné školenia vám umožnia zvýšiť zásoby svalového glykogénu, takže môžu pracovať dlhšie bez únavy. V pečeni je glykogén rezervou glukózy pre iné orgány, v prípade, že je ich diétny príjem obmedzený. Táto rezerva je obzvlášť dôležitá pre neuróny, ktoré nemôžu používať mastné kyseliny ako energetický substrát. Glykogénová hepatická rezerva počas pôstu sa vyčerpá za 12-24 hodín.
Glykogén je tiež obsiahnutý v tajných žliazach maternice, ktoré vylučujú do svojej dutiny počas post-ovulačného obdobia menštruačného cyklu po oplodnení. Polysacharid sa tu používa ako zdroj výživy pre embryo na jeho implantáciu.
Glykogén tiež vstupuje do tela s jedlom a je rozdelený v tenkom čreve hydrolytických enzýmov.
Metabolizmus glykogénu
Rozpad glykogénu
Rozpad glykogénu sa vyskytuje dvoma hlavnými spôsobmi: počas trávenia je hydrolyzovaný na glukózu, ktorá môže byť absorbovaná epitelovými bunkami tenkého čreva. Intracelulárne štiepenie glykogénových zásobníkov (glykogenolýza) prebieha fosforolýzou, ktorej produktom je glukóza-1-fosfát, čo umožňuje ušetriť časť energie glykozidových väzieb tvorbou fosfátového esteru. Na začlenenie glukózy vytvorenej do glykolýzy alebo pentózo-fosfátovej cesty teda nie je potrebné vynaložiť ATP. Okrem toho, tvorba glukózy-1-fosfátu je prospešná pre svaly, pretože pre túto zlúčeninu existujú nosiče NO v plazmatickej membráne a nemôžu „uniknúť“ z bunky.
Hydrolýza glykogénu počas trávenia
U ľudí začína glykogénové štiepenie (ako škrob) v ústnej dutine, kde pôsobí a-amyláza slín. Tento enzým hydrolyzuje intramolekulárne väzby (al> 4) a štiepi polysacharidy na oligosacharidy. V žalúdku sa slinová amyláza inaktivuje vysokou kyslosťou média. Žalúdočná šťava neobsahuje enzýmy na trávenie sacharidov. V dvanástniku sa na väzbu glykogénu (α1 -> 4) pôsobí pankreatickou α-amylázou a na väzbe (α1 -> 6) špeciálnym enzýmom uvoľňujúcim železo amylo-1,6-glykozidázou. Týmto je ukončená hydrolýza glykogénu na maltózu, ktorá sa pod vplyvom parietálneho enzýmu maltasy tenkého čreva (a-glukozidázy) premieňa na glukózu a absorbuje.
glykogenolýza
Intracelulárny sval a glykogén v pečeni sa štiepi počas glykogenolýzy, v ktorej sa zúčastňujú tri enzýmy: glykogénfosforyláza, enzým glykogendendoglozhuyuyu a fosfoglukomutáza. Prvá z nich katalyzuje reakciu, pri ktorej anorganický fosfát napáda glykozidovú väzbu (α1 → 4) medzi poslednými dvoma zvyškami glukózy z neobyčajného konca, čo vedie k odštiepeniu posledného zvyšku ako glukóza-1-fosfátu. Kofaktorom v tejto reakcii je pyridoxal fosfát.
Glykogénfosforyláza postupne štiepi jeden monomér zo zriedkavého konca, až kým nedosiahne miesto odstránené štyrmi zvyškami z väzby (a1 -> 6) (bod vetvenia). To je miesto, kde bifunkčné (eukriot), objemový enzým vstúpi do hry. Po prvé, katalyzuje transferázovú reakciu, ktorá spočíva v prenose bloku troch zvyškov glukózy z vetvy na najbližší neobyčajný koniec, ku ktorému je pripojený (α1 -> 4) - prepojenie. Potom štiepny enzým vykazuje (a1-6) -glukozidázovú aktivitu, ktorá spočíva v odštiepení (a1 -> 6) väzby a uvoľnení voľnej glukózy.
Glukóza-1-fosfát sa vytvára tak, aby sa fosfoglukomutáza premenila na glukózo-6-fosfát, ktorý v kostrovom svale vstupuje do procesu glykolýzy. V pečeni môže byť glukóza-6-fosfát tiež transportovaný do endoplazmatického retikula, kde pôsobí glukóza-6-fosfatáza (svaly sú zbavené tohto enzýmu), konvertované na glukózu a uvoľňované do krvi.
Biosyntéza glykogénu
V malom rozsahu sa biosyntéza glykogénu (glykogenéza) vyskytuje takmer vo všetkých tkanivách tela, ale je najvýraznejšia v pečeni a svaloch. Tento proces začína glukózo-6-fosfátom, vzniká z glukózy na hexokinázovú alebo glukokinázovú reakciu. Časť glukózy, ktorá vstupuje do tela potravou, je najprv absorbovaná červenými krvinkami, ktoré ju využívajú na energiu v procese mliečnej fermentácie. Tavený laktát v hepatocytoch sa počas glukoneogenézy konvertuje na glukóza-6-fosfát.
Metabolické dráhy biosyntézy a rozpad určitých zlúčenín sa zvyčajne líšia aspoň niektorými reakciami. Metabolizmus glykogénu bol prvým otvoreným príkladom tohto dôležitého princípu. 1957 Louis Leloir zistil, že v procese glykogenézy sa nepoužíva glukóza-1-fosfát, ale používa sa uridín difosfát glukóza.
Glukóza-6-fosfát sa najprv konvertuje na glukóza-1-fosfát pod vplyvom fosfoglukomutázy. Produkt tejto reakcie sa stáva substrátom enzýmu UDP-glukóza fosforylázy, ktorý katalyzuje reakciu:
1-fosfát glukózy + UTP → UDP-glukóza + FF n.
Pretože pyrofosfát sa okamžite štiepi anorganickou pyrofosfatázou, reakčná rovnováha sa silne posunie smerom k tvorbe UDP-glukózy. Tento substrát je substrátom pre glykogénsyntázu, ktorá prenáša glukózový zvyšok na neobvyklý koniec molekuly glykogénu.
Tvorba bočných vetiev poskytuje gilkozil- (4 → 6) -transglykozylázu (rozvetvený enzým). Oddeľuje sa od vetvy, obsahuje viac ako 11 monomérnych jednotiek 6-7 posledných a prenáša ich na C6 hydroxylovú skupinu glukózového zvyšku vo vnútornej polohe na tej istej alebo inej vetve. Tak dochádza k rozvetveniu, ktoré je nevyhnutné pre lepšiu rozpustnosť glykogénu a prístup väčšieho počtu enzýmov syntézy a štiepenia k neobyčajným koncom.
Glykogénsyntáza môže syntetizovať glykogén len vtedy, ak obsahuje primér - hotový glukózový polymér s menej ako šiestimi monomérnymi jednotkami. Tvorba de novo glykogénových molekúl je možná len vďaka glykogénovému proteínu, ktorý tiež slúži ako „semeno“, na ktorom sa zhromažďujú nové glykogénové vetvy a enzým, čo katalyzuje začiatok tvorby nášho výskumu.
Glykogenéza a glykogenolýza majú komplexný regulačný systém na niekoľkých úrovniach. Mnohé enzýmy zapojené do týchto procesov sú alosterické a môžu meniť svoju aktivitu prispôsobením potrebám bunky. Množstvo zásob glykogénu je tiež regulované na hormonálnej úrovni, aby sa udržala homeostáza celého organizmu.
Klinický význam
Porušenie metabolizmu glykogénu sa vyskytuje u mnohých ľudských ochorení, vrátane diabetes mellitus. Existuje tiež množstvo dedičných porúch spojených s nadmerným ukladaním glykogénu v pečeni, nazývajú sa glykogenózou. Obvykle sú sprevádzané ťažkou hypoglykémiou (nízka hladina glukózy v krvi) medzi jedlami. Prvá glykogenóza bola opísaná v roku 1929 Edgarom von Gorkym, Gerty Coreyová významne prispela k štúdiu týchto ochorení. Teraz je známych 13 foriem glykogenózy, spôsobených poruchou fungovania rôznych proteínov.
Syntéza a rozklad glykogénu
Keď sa koncentrácia glukózy v krvi zvýši, napríklad v dôsledku jej absorpcie v čreve počas trávenia, stúpa tok glukózy do buniek a aspoň časť tejto glukózy sa môže použiť na syntézu glykogénu. Akumulácia sacharidovej rezervy v bunkách vo forme glykogénu má určité výhody oproti akumulácii glukózy, pretože nie je sprevádzaná zvýšením intracelulárneho osmotického tlaku. Avšak s nedostatkom glukózy sa glykogén ľahko rozkladá na glukózu alebo jej fosfátové estery a výsledné monomérne jednotky sa používajú v bunkách s energetickými alebo plastovými cieľmi.
4.1. Syntéza glykogénu
Glukóza vstupujúca do buniek podlieha fosforylácii za účasti enzýmov hexokinázy alebo glukokinázy:
Výsledný gl-6-f sa izomerizuje na gl-1-f za účasti enzýmu fosfoglukomutázy [FGM]:
Potom chl-1-f interaguje s uridín trifosfátmi za vzniku UDP-glukózy za účasti enzýmu UDP-glukóza-pyrofosforyláza [alebo glukóza-1-fosfaturidyltransferáza]:
Pyrofosfát sa okamžite rozdelí na dva zvyšky kyseliny fosforečnej za účasti enzýmu pyrofosfatázy. Táto reakcia je sprevádzaná stratou energie rádovo 7 kcal / mol, v dôsledku čoho sa reakcia tvorby UDP-glukózy stáva ireverzibilnou - termodynamickou kontrolou smeru procesu.
V ďalšom štádiu sa glukózový zvyšok z UDP-glukózy prenesie na syntetizovanú molekulu glykogénu za účasti enzýmu glykogénsyntetázy:
UDP-glukóza + (C6H10O5) n> (C6H10O5) n + 1 + UDP
/ glykogén / a molekula glykogénu je rozšírená o jeden glukózový zvyšok. Enzým glykogénsyntetáza je schopný viazať glukózový zvyšok z UDP-glukózy na molekulu glykogénu vo výstavbe len vytvorením -1,4-glykozidovej väzby. V dôsledku toho je možné za účasti len jedného z týchto enzýmov syntetizovať len lineárny polymér. Glykogén je rozvetvený polymér a vetvenie v molekule sa tvorí za účasti iného enzýmu: amylo-1,4 -> 1,6 - glykozyltransferázy. Tento enzým, inak známy ako vetvový enzým, transportuje fragment 5-7 monomérnych jednotiek z konca lineárnej oblasti polysacharidu syntetizovaného bližšie k jeho stredu a tento fragment spája polymérny reťazec v dôsledku tvorby a-1,6-glykozidovej väzby:
Treba poznamenať, že podľa ďalších údajov je štiepiteľný fragment pozostávajúci z najmenej 6 zvyškov glukózy prenesený do susedného reťazca rozvetveného polysacharidu, ktorý je vo výstavbe. V každom prípade sa v budúcnosti obidva reťazce predĺžia pôsobením glykogénsyntetázy a nové vetvy sa vytvoria za účasti vetviaceho enzýmu.
Syntéza glykogénu sa vyskytuje vo všetkých orgánoch a tkanivách, avšak najvyšší obsah je pozorovaný v pečeni [od 2 do 5 - 6% celkovej hmotnosti orgánu] a vo svaloch [až do 1% ich hmotnosti]. Zahrnutie 1 glukózového zvyšku do molekuly glykogénu je sprevádzané použitím dvoch ekvivalentov s vysokou energiou (1 ATP a 1 UTP), takže syntéza glykogénu v bunkách môže prebiehať len s dostatočným prívodom energie buniek.
4.2. Mobilizácia glykogénu
Glykogén sa ako rezerva glukózy akumuluje v bunkách počas trávenia a je spotrebovaný počas post-absorpčného obdobia. Štiepenie glykogénu v pečeni alebo jeho mobilizácia sa uskutočňuje za účasti enzýmu glykogénfosforylázy, často nazývaného jednoducho fosforyláza. Tento enzým katalyzuje fosforolytické štiepenie a-1,4-glykozidových väzieb koncových glukózových zvyškov polyméru:
(C6H10O5) n + H3PO4> (C6H10O5) n-1 + Gl-1-F Na štiepenie molekuly v oblasti rozvetvenia sú potrebné dva ďalšie enzýmy: tzv. Debranching (degenerujúci) - enzým a amylo-1,6-glykozidáza navyše, v dôsledku pôsobenia posledného enzýmu sa v bunkách vytvára voľná glukóza, ktorá môže buď opustiť bunku alebo podstúpiť fosforyláciu.
Gl-1-f v bunkách je izomerizovaný za účasti fosfoglukomutázy v gl-6-f. Ďalší osud gl-6-fosfátu je určený prítomnosťou alebo neprítomnosťou glukóza-6-fosfatázy v bunkách enzýmu. Ak je enzým prítomný v bunke, katalyzuje hydrolytické štiepenie zvyšku kyseliny fosforečnej z gl-6-fosfátu za vzniku voľnej glukózy:
Gl-6-f + H20D> Glukóza + H3PO4, ktorá môže prenikať vonkajšou bunkovou membránou a vstupovať do krvného obehu. Ak glukóza-6-fosfatáza nie je prítomná v bunkách, potom glukóza nie je defosforylovaná a zvyšok glukózy môže byť použitý len touto konkrétnou bunkou. Všimnite si, že rozdelenie glykogénu na glukózu nepotrebuje ďalší prívod energie.
Vo väčšine ľudských orgánov a tkanív chýba glukóza-6-fosfatáza, preto glykogén, ktorý je v nich uložený, sa používa len pre ich vlastné potreby. Typickým zástupcom takýchto tkanív je svalové tkanivo. Glukóza-6-fosfatáza je prítomná iba v pečeni, obličkách a črevách, ale prítomnosť enzýmu v pečeni (presnejšie v hepatocytoch) je najvýznamnejšia, pretože tento orgán hrá úlohu druhu tlmivého roztoku, ktorý absorbuje glukózu, keď jej obsah v krvi stúpa a dodáva glukózu do krvi, keď koncentrácia glukózy v krvi začne klesať.
4.3. Regulácia syntézy a rozkladu glykogénu
Porovnaním metabolických ciest syntézy a mobilizácie glyko-génu uvidíme, že sú odlišné:
Táto okolnosť umožňuje samostatne regulovať prebiehajúce procesy. Regulácia sa vykonáva na úrovni dvoch enzýmov: glykogénsyntetázy, ktorá sa podieľa na syntéze glykogénu a fosforylázy, ktorá katalyzuje rozklad glykogénu.
Hlavným mechanizmom regulácie aktivity týchto enzýmov je ich kovalentná modifikácia fosforyláciou-defosforyláciou. Fosforylácia alebo fosforyláza „a“ je vysoko aktívna, zatiaľ čo fosforylovaná glykogénsyntáza alebo syntetáza „b“ je neaktívna. Ak sú teda oba enzýmy vo fosforylovanej forme, glykogén sa v bunke štiepi za vzniku glukózy. V defosforylovanom stave je naopak fosforyláza inaktívna (vo forme „b“) a glykogénsyntetáza je aktívna (vo forme „a“), v tejto situácii sa v bunke syntetizuje glykogén z glukózy.
Pretože glykogén v pečeni hrá úlohu glukózovej rezervy pre celý organizmus, jeho syntéza alebo dezintegrácia by mala byť riadená supercelulárnymi regulačnými mechanizmami, ktorých práca by mala byť zameraná na udržanie konštantnej koncentrácie glukózy v krvi. Tieto mechanizmy by mali zaistiť začlenenie glyko-génovej syntézy do hepatocytov pri zvýšených koncentráciách glukózy v krvi a zvýšiť odbúravanie glykogénu, keď hladina glukózy v krvi klesne.
Takže primárnym signálom, ktorý stimuluje mobilizáciu glyko-génu v pečeni, je zníženie koncentrácie glukózy v krvi. V reakcii na to bunky pankreasu alfa uvoľňujú svoj hormón, glukagón, do krvného obehu. Glukagón cirkulujúci v krvi interaguje s jeho receptorovým proteínom umiestneným na vonkajšej strane vonkajšej bunkovej membrány hepatocytu. formovanie komplexu hory - mon-receptor. Tvorba komplexu hormónových receptorov vedie k aktivácii enzýmu adenylátcyklázy nachádzajúceho sa na vnútornom povrchu vonkajšej bunkovej membrány pomocou špeciálneho mechanizmu. Enzým katalyzuje tvorbu cyklického 3,5-AMP (cAMP) z ATP v bunke.
Na druhej strane cAMP aktivuje v bunke enzým cAMP-dependentnú proteínkinázu. Inaktívna forma proteínkinázy je oligomér pozostávajúci zo štyroch podjednotiek: 2 regulačných a dvoch katalytických. Keď sa zvyšuje koncentrácia cAMP v bunke, do každej z regulačných podjednotiek proteínkinázy sa pridajú 2 molekuly cAMP, konformácia regulačných podjednotiek sa zmení a oligomér sa rozpadne na regulačné a katalytické podjednotky. Voľné katalytické podjednotky katalyzujú fosforyláciu mnohých enzýmov v bunke, vrátane fosforylácie glykogénsyntetázy s jej prenosom do neaktívneho stavu, čím sa vypne syntéza glykogénu. Súčasne dochádza k fosforylácii fosforylázovej kinázy a tento enzým, aktivovaný jeho fosforyláciou, zase katalyzuje fosforylázu fosforylázy svojou premenou na aktívnu formu, t.j. vo forme "a". V dôsledku aktivácie fosforylázy sa aktivuje rozklad glykogénu a hepatocyty začnú dodávať glukózu do krvi.
Pri prechode pozorujeme, že pri stimulácii rozkladu glykogénu v pečeni katecholamínmi sú hlavnými mediátormi receptory b-hepatocytov, ktoré viažu adrenalín. Súčasne dochádza k zvýšeniu obsahu iónov Ca v bunkách, kde stimulujú Ca / kalmodulín citlivú kinázu fosforylázy, ktorá zase fosforyláciou aktivuje fosforylázu.
Aktivačná schéma štiepenia glykogénu v hepatocytoch
Zvýšenie koncentrácie glukózy v krvi je vonkajším signálom pre hepatocyty, čo sa týka stimulácie syntézy glykogénu a tým viazania prebytku glukózy z krvného obehu.
Aktivačná schéma syntézy glykogénu v pečeni
Nasledujúci mechanizmus funguje: so zvýšením koncentrácie glukózy v krvi sa zvyšuje aj jej obsah v hepatocytoch. Zvýšenie koncentrácie glukózy v hepatocytoch, naopak, pomerne komplikovaným spôsobom aktivuje v nich enzým fosfoproteín fosfatázu, ktorý katalyzuje odstránenie zvyškov kyseliny fosforečnej z fosforylovaných proteínov. Defosforylácia aktívnej fosforylázy ju transformuje na inaktívnu formu a defosforylácia inaktívnej glykogénsyntetázy aktivuje enzým. Výsledkom je, že systém vstupuje do stavu, ktorý poskytuje glykogénnu syntézu z glukózy.
Pri poklese aktivity fosforylázy v hepatocytoch hrá určitú úlohu hormón p-buniek inzulínu pankreasu. Je vylučovaný b-bunkami ako odpoveď na zvýšenie hladín glukózy v krvi. Jeho väzba na receptory inzulínu na povrchu hepatocytov vedie k aktivácii enzýmu fosfodiesterázy v pečeňových bunkách, ktorá katalyzuje konverziu cAMP na normálny AMP, ktorý nemá schopnosť stimulovať tvorbu aktívnej proteínkinázy. Týmto spôsobom je akumulácia aktívnej fosforylázy v hepatocytoch ukončená, čo je tiež dôležité pre inhibíciu rozkladu glykogénu.
Je celkom prirodzené, že mechanizmy regulácie syntézy a rozkladu glykogénu v bunkách rôznych orgánov majú svoje vlastné charakteristiky. Ako príklad môžeme uviesť, že v myocytoch pokojových svalov alebo svalov, ktoré vykonávajú malé množstvo práce, prakticky neexistuje fosforyláza „a“, ale dochádza ku štiepeniu glykogénu. Faktom je, že svalová fosforyláza, ktorá je v defosforylovanom stave alebo vo forme „b“, je alosterickým enzýmom a je aktivovaná AMP a anorganickým fosfátom prítomným v myocytoch. Takto aktivovaná fosforyláza „b“ zaisťuje rýchlosť mobilizácie glykogénu, ktorá je dostatočná na vykonávanie miernej fyzickej práce.
Pri intenzívnej práci, najmä ak sa záťaž dramaticky zvyšuje, sa táto úroveň mobilizácie glykogénu stáva nedostatočnou. V tomto prípade fungujú supercelulárne mechanizmy regulácie. V reakcii na náhlu potrebu intenzívnej svalovej aktivity hormón adrenalín vstupuje do krvi z drene nadobličiek. Adrenalín, ktorý sa viaže na receptory na povrchu svalových buniek, spôsobuje odozvu myocytov, podobne ako v mechanizme hepatocytovej odozvy na glukagón, ktorý bol práve opísaný. Vo svalových bunkách sa objavuje fosforyláza „a“ a glykogénsyntetáza je inaktivovaná a vytvorený ch-6-f sa používa ako „palivo“ energie, ktorého oxidatívny rozklad poskytuje energiu na svalovú kontrakciu.
Je potrebné poznamenať, že vysoké koncentrácie adrenalínu, ktoré sú pozorované v krvi ľudí v podmienkach emocionálneho stresu, urýchľujú rozklad glykogénu v pečeni, čím zvyšujú obsah glukózy v krvi - obrannú reakciu zameranú na núdzovú mobilizáciu energetických zdrojov.
V Ý R O V O V O V O
2.1. Oxidačný rozklad sacharidov v tkanivách
Najdôležitejšie funkcie monosacharidov v tele sú energia a plast; Obe tieto funkcie sú realizované počas oxidačného rozkladu monosacharidov v bunkách. Počas oxidácie sacharidov sa uvoľňuje 4,1 kcal / g (asi 17 kJ / g) voľnej energie a vďaka oxidácii sacharidov ľudia pokrývajú 5560% celkovej spotreby energie. Počas oxidácie uhľovodíkov vzniká veľké množstvo medziproduktových produktov rozkladu, ktoré sa používajú na syntézu rôznych lipidov, esenciálnych aminokyselín a ďalších zlúčenín potrebných pre bunky. Okrem toho sa počas oxidácie sacharidov v bunkách vytvárajú regeneračné potenciály, ktoré ich ďalej používajú pri reakciách redukcie biosyntézy, pri detoxikačných procesoch, na kontrolu hladiny peroxidácie lipidov atď.
Hlavným monosacharidom, ktorý prechádza oxidačnými transformáciami v bunkách, je glukóza, pretože je vo veľkých množstvách, ktoré prichádzajú z čreva do vnútorného prostredia tela, syntetizuje sa počas glukoneogenézy alebo sa vytvára vo voľnej forme alebo vo forme fosforečných éterov počas štiepenia glykogénu. Úloha iných monosacharidov je menej významná, pretože ich množstvo vstupujúce do buniek v kvantitatívnom vyjadrení sa značne líši v závislosti od zloženia potravy.
Existuje niekoľko metabolických ciest pre oxidáciu glukózy, z ktorých hlavnými sú:
a) aeróbne štiepenie na oxid uhličitý a vodu;
b) anaeróbnu oxidáciu na laktát;
c) oxidácia pentózy;
g) oxidácia tvorbou kyseliny glukurónovej.
Hĺbka oxidačného štiepenia molekuly glukózy môže
byť odlišné: od oxidácie jednej z koncových skupín molekúl na karboxylovú skupinu, ku ktorej dochádza počas tvorby kyseliny glukurónovej, až po úplnú degradáciu molekuly glukózy počas jej aeróbneho rozkladu.
2.1.1. Aeróbna oxidácia glukózy
V bunkách aeróbnych organizmov je aeróbny rozklad na oxid uhličitý a vodu zásaditý, aspoň vo vzťahu k celkovému množstvu štiepiteľnej glukózy. Pri rozdelení 1 M glukózy (180 g) za aeróbnych podmienok sa uvoľní 686 kcal voľnej energie. Proces aeróbnej oxidácie glukózy môže byť rozdelený do troch stupňov:
1. Štiepenie glukózy na pyruvát.
2. Oxidačná dekarboxylácia pyruvátu na acetyl-CoA.
3. Oxidácia acetylu v Krebsovom cykle (CTC) spojená s prácou respiračného enzýmového reťazca.
Tieto etapy môžu byť tiež prezentované ako všeobecná schéma:
Glukóza> 2 pyruvát D> 2 acetyl CoA D> 4CO2 + 10 H20
2.1.1.1. Štiepenie glukózy na pyruvát
Podľa moderných koncepcií, prvá fáza oxidácie glukózy prebieha v cytosole a je katalyzovaná supramolekulovým proteínovým komplexom glykolytického metabolonu, ktorý zahŕňa až tucet jednotlivých enzýmov.
Prvý stupeň oxidácie glukózy môže byť následne rozdelený do dvoch stupňov. V reakciách prvého stupňa, fosforylácii glukózy, izomerizácii zvyšku glukózy na zvyšok fruktózy, dodatočnej fosforylácii zvyšku fruktózy a napokon nastáva. rozdelenie zvyšku hexózy na dva zvyšky fosfotriózy:
Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom hexokinázou. ATP sa používa ako foto-väzbové činidlo v bunke. Reakcia je sprevádzaná stratou voľnej energie rádovo 5,0 kcal / mol a je nevratná v podmienkach bunky.
Druhá reakcia katalyzovaná fosfohexoizomerázou je ľahko reverzibilná.
Tretia reakcia je katalyzovaná enzýmami fosfofruktokinázou. V tejto reakcii sa tiež stráca 3,4 kcal / mol energie a podobne ako hexo-kinázová reakcia, v bunkových podmienkach je ireverzibilná.
Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom aldolázou, reakcia je reverzibilná. Výsledkom reakcie je rozdelenie bisfosfátu fruktózy na dva triosofosfáty.
V bunkových podmienkach je fosfodiesihydroxyacetón (FDA) ľahko izomerizovaný na 3-fosfoglyceraldehyd (PHA) za účasti enzýmu triosefosfát izomerázy počas piatej reakcie. Preto môžeme predpokladať, že v prvom štádiu tohto štádia 2 sa spotrebuje ATP a z molekuly glukózy sa vytvoria dve molekuly 3-fosfoglyceraldehydu.
V druhej fáze prvej fázy oxidácie glukózy sa PHA premení na pyruvát. Pretože rozklad molekuly glukózy tvorí dve molekuly PHA, v ďalšom opise procesu musíme brať túto okolnosť do úvahy.
Nasledujúca reakcia posudzovaného procesu je oxidačná reakcia:
Počas tejto reakcie, katalyzovanej dehydrogenázou 3-fosfoglycerínového aldehydu, sa PHA oxiduje na 1,3-difosfoglycerovú kyselinu. Oxidácia prebieha dehydrogenáciou a atómy vodíka oddelené od substrátu sa prenesú do NAD + s tvorbou redukovanej formy koenzýmu. Oxidačná energia sa akumuluje v bunke, najprv vo forme redukovanej energie NADH + H + a po druhé vo forme makroergickej väzby medzi oxidačným produktom a kyselinou fosforečnou, ktorá sa zúčastňuje reakcie, t.j. v makroergnej väzbe 1,3-difosfoglycerovej kyseliny.
V siedmej reakcii sa zvyšok kyseliny fosforečnej z 1,3-difosfoglycerátu spolu s energiou uloženou v makroergnej väzbe prenesie do ADP vytvorením ATP:
Táto reverzibilná reakcia je katalyzovaná enzýmom fosfoglycerátkináza.
Ďalej nasleduje reverzibilná izomerizácia kyseliny 3-fosfoglycerovej na kyselinu 2-fosfoglycerovú s účasťou enzýmu fosfoglycerát rutmutázy:
V ďalšej, deviatej reakcii sa voda odstraňuje z kyseliny 2-fosfoglycerovej:
Počas rozdeľovania vody sa hustota elektrónov v molekule redistribuuje tvorbou makroergickej väzby medzi druhým atómom uhlíka enolovej formy kyseliny pyrohroznovej a zvyškom kyseliny fosforečnej. Reakcia je reverzibilná, je katalyzovaná enzýmovou enolázou.
Energia akumulovaná v makroergnej väzbe FEP spolu so zvyškom kyseliny fosforečnej počas nasledujúcej reakcie sa prenesie do ADP vytvorením ATP. Reakcia je katalyzovaná pyruvátkinázou.
Reakcia je sprevádzaná stratou energie 7,5 kcal / mol a je prakticky nevratná v bunkových podmienkach.
Celková rovnica prvého stupňa aeróbnej oxidácie glukózy:
Glukóza + 2 ADP + 2 H3PO4 + 2 NAD + >> 2 pyruvát + 2 ATP + 2 NADH + H + + 2 H2O
Počas tejto fázy sa uvoľňuje 140 kcal / mol energie, jej hlavná časť (približne 120 kcal / mol) sa akumuluje v bunke, pretože 2 ATP energia a 2 redukujú NAD + ADSCH energiu, z čoho vyplýva, že v prvom štádiu sa molekula glukózy rozdelí na dve molekuly. kyselina pyrohroznová, zatiaľ čo bunka pre každú molekulu strávenej glukózy prijíma 2 molekuly ATP a dve molekuly redukovaného NADH + H +.
Regulácia prvého stupňa aeróbneho štiepenia glukózy sa vykonáva pomocou termodynamických mechanizmov a mechanizmov alosterickej modulácie regulačných enzýmov zapojených do práce tejto metabolickej dráhy.
Pomocou termodynamických mechanizmov je tok metabolitov riadený touto metabolickou cestou. V opísanom systéme reakcií sú zahrnuté tri reakcie, počas ktorých sa stráca veľké množstvo energie: hexokináza (G0 = 5,0 kcal / mol), fosfofruktokináza (G0 = 3,4 kcal / mol) a pyruvátkináza (G0 = 7,5 kcal / mol) ). Tieto reakcie v bunke nie sú prakticky reverzibilné, najmä reakcia pyruvátkinázy, a vďaka ich ireverzibilite sa tento proces stáva ireverzibilným ako celok.
Intenzita toku metabolitov v uvažovanej metabolickej dráhe je v bunke kontrolovaná zmenou aktivity alosterických enzýmov zahrnutých v systéme: hexokinázy, fosfofruktokinázy a pyruvátkinázy. Body termodynamickej regulácie metabolickej dráhy sú teda súčasne miestami, kde je regulovaná intenzita metabolitov.
Hlavným regulačným prvkom systému je fosfofruktokoláza. Aktivita tohto enzýmu je inhibovaná vysokými koncentráciami ATP v bunke, stupeň alosterickej inhibície enzýmu ATP je zvýšený pri vysokých koncentráciách citrátu v bunke. AMP je alosterický aktivátor fosfofruktokinázy.
Hexokináza je inhibovaná alosterickým mechanizmom vysokými koncentráciami Gl6f. V tomto prípade sa zaoberáme prácou súvisiaceho regulačného mechanizmu. Po inhibícii aktivity fosfofruktokinázy vysokými koncentráciami ATP sa Fr6f akumuluje v bunke, čo znamená, že sa akumuluje Gl6f, pretože reakcia katalyzovaná fosfohexoizomerázou je ľahko reverzibilná. V tomto prípade zvýšenie koncentrácie ATP v bunke inhibuje aktivitu nielen fosfofruktokinázy, ale aj hexokinázy.
Regulácia aktivity tretej kinázy kinázy pyruvátu je veľmi zložitá. Enzýmová aktivita je stimulovaná Gl6f, Fr1.6bf a PHA alosterickým mechanizmom, tzv. Aktiváciou prekurzorom. Na druhej strane vysoké intracelulárne koncentrácie ATP, NADH, citrátu, sukcinylu CoA a mastných kyselín inhibujú aktivitu enzýmu alosterickým mechanizmom.
Všeobecne sa štiepenie glukózy na pyruvát inhibuje na úrovni 3 uvedených kináz s vysokou koncentráciou ATP v bunke, t.j. v podmienkach dobrej dodávky energie bunky. S nedostatkom energie v bunke sa dosahuje aktivácia štiepenia glukózy, najprv odstránením alosterickej inhibície kináz s vysokými koncentráciami ATP a alosterickou aktiváciou AMP fosfhofruktokokinázy a po druhé v dôsledku alosterickej aktivácie pyruvátkinázy prekurzormi Gl6F, Fr1.6bf a PHA.
Aký je význam inhibície citrát fosfofruktokinázy a citrátu a sukcinyl CoA pyruvátkinázy? Faktom je, že dve molekuly acetyl-CoA sa tvoria z jednej molekuly glukózy, ktorá sa potom oxiduje v Krebsovom cykle. Ak sa v bunke akumuluje citrát a sukcinyl-CoA, Krebsov cyklus nie je schopný vyrovnať sa s oxidáciou už nahromadeného acetyl-CoA a má zmysel spomaliť jeho ďalšiu tvorbu, ktorá sa dosahuje inhibíciou fosforečnej ruktokinázy a pyruvátkinázy.
Nakoniec, inhibícia oxidácie glukózy na úrovni pyruvátkinázy so zvyšujúcou sa koncentráciou mastných kyselín je zameraná na úsporu glukózy v bunke za podmienok, keď je bunka vybavená inou, účinnejšou formou energetického paliva.
2.1.1.2. Oxidačná dekarboxylácia pyruvátu
Za aeróbnych podmienok sa kyselina pyrohroznová podrobuje oxidačnej dekarboxylácii za vzniku acetyl-CoA. Táto transformácia je katalyzovaná supramolekulovým komplexom pyruvát dehydrogenázy lokalizovaným v mitochondriálnej matrici. Komplex pyruvatdehydrogenázy sa skladá z troch rôznych enzýmov: pyruvát decarboxylase, dihydrolipatoacetyltransferázy a kyseliny dehydrogenázy dihydrolipoovej, ich kvantitatívne pomery v komplexe závisia od zdroja vylučovania, spravidla sa tento pomer približuje 30: 1: 10.
Prvým enzýmom tohto komplexu je pyruvát decarboxylase (E1)