Глюкоза может окисляться в 3-х разных участках

Гликогенолиз – процесс распада углеводов.

Пусковым механизмом гликогенолиза является начинающаяся гипогликемия. Голодание в течение суток приводит практически к полному исчерпанию запасов гликогена

в печени; очень быстро гликоген расходуется при интенсивной физической нагрузке и стрессовых ситуациях.

Распад гликогена осуществляется 2 путями: 1/ гидролитически с участием α-амилазы и 2/ фосфоролитически с участием гликогенфосфорилазы. Основным в клетках является 2-й путь.

Гликогенфосфорилаза при участии фосфорной кислоты последовательно расщепляет линейные α(1→4) гликозидные связи с освобождением глюкозо-1-фосфата:

Гликогенфосфорилаза

(ГЛИКОГЕН)n (ГЛИКОГЕН)n-1 + глюкозо-1-фосфат

Н₃РО₄

Места ветвления разъединяет «деветвящий фермент» - амило-(1→6)-глико-зидаза – рис..

Рис. Функционирование деветвящего фермента.

Вначале этот фермент переносит 3 остатка глюкозы на другую ветвь гликогена (трансферазная активность фермента), затем он гидролизует α(1→6)гликозидную связь и освобождает молекулу глюкозы у точки ветвления (глюкозидазная активность фермента).

Затем, после действия этого фермента, включается вновь гликогенфосфорилаза. Отщепившийся под влиянием гликогенфосфорилазы глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат (фермент – фосфоглюкомутаза):

Фосфоглюкомутаза

Глюкозо-1-фосфат Глюкозо-6-фосфат

В мышцах, в отличие от печени, глюкозо-6-фосфат не превращается в свободную глюкозу, так как в миоцитах отсутствует фермент глюкозо-6-фосфатаза. В печени (а также в почках) под действием этого фермента образуется глюкоза:

Фосфатаза глюкозо-6-фосфата

Глюкозо-6-фосфат Глюкоза + Н₃РО₄

Только свободная глюкоза, в отличие от глюкозо-6-фосфата, способна проходить через плазматическую мембрану клеток в межклеточное пространство. Таким образом, печень является органом, поддерживающим нормальный уровень глюкозы в крови. В этом заключается её огромная роль в поддержании жизнедеятельности организма.

Главным регулируемым ферментом гликогенолиза является гликогенфосфорилаза. Фосфорилаза может находиться либо в неактивном, дефосфорилированном, состоянии – фосфорилаза b, либо в активном, фосфорилированном, состоянии – фосфорилаза a. Неактивная форма фермента, состоящая из 2-х субъединиц, превращается в активную, состоящую из 4-х субъединиц, с помощью киназы фосфорилазы b.

киназа фосфорилазы b

2 фосфорилаза b + 4 АТФ фосфорилаза a + 4 АДФ

фосфатаза

Киназа фосфорилазы b может также находится в активной и неактивной формах. Превращение неактивной киназы в активную осуществляется цАМФ-зависимым ферментом протеинкиназой:

Протеинкиназа

Неактивная Активная

киназа фосфорилазы b киназа фосфорилазы b

Содержание цАМФ в гепатоцитах подчиняется гормональному контролю, в котором принимают участие инсулин, адреналин и глюкагон (рис).

Адреналин и глюкагон, активируя аденилатциклазу, способствуют образованию цАМФ, который запускает «каскадный механизм» фосфорилирования ферментов распада и синтеза гликогена. В результате фосфорилирования образуется фосфорилированная, т.е. активная, гликогенфосфорилаза и фосфорилированная, т.е. неактивная гликогенсинтаза. В этих условиях будет осуществляться распад гликогена.

Напротив, под действием инсулина, включающего механизм дефосфорилирования ключевых ферментов, появятся дефосфорилированная, т.е. неактивная гликогенфосфорилаза, и дефосфорилированная, т.е. активная, гликогенсинтаза. В этих условиях будет происходить синтез гликогена.

Активность обоих обоих ключевых ферментов синтеза и распада гликогена в печени регулируется также Са⁺⁺ – выход кальция из внутриклеточных депо в цитозоль клетки контролируется инозитолтрифосфатом (ИТФ), который освобождается фосфолипазой С при распаде входящего в состав мембраны фосфатидилинозитол пирофосфата (ФИФФ).

Глюкоза может окисляться в 3-х разных участках

Помимо использования глюкозы для синтеза гликогена и образования других гексоз (галактозы и фруктозы), фосфорилированная глюкоза может окисляться по 3-м основным направлениям:

1. Окисление глюкозы в дихотомическом пути, протекающем как в анаэробных (гликолиз), так и аэробных условиях (в этом пути «туловище» глюкозы расщепляется пополам – дихотомия).

2. Окисление глюкозы и последующее отщепление 1-го углеродного атома глюкозы в апотомическом пути (apex - верхушка). Этот путь называется также пентозофосфатным.

3. Окисление глюкозы и последующее отщепление 6-го углеродного атома глюкозы – глюкуроновый путь.

Синтез гликогена и все пути окисления глюкозы начинаются с образования глюкозо-6-фосфата:

Гексокиназа, глюкокиназа

Глюкоза + АТФ Глюкозо-6-фосфат + АДФ

Хотя глюкокиназа является одним из 4-х изоферментов гесокиназы (гексокиназа 4), между гексокиназой и глюкокиназой имеются важные различия: 1/ гексокиназа способна фосфорилировать не только глюкозу, но и другие гексозы (фруктозу, галактозу, маннозу), в то время как глюкокиназа активирует только глюкозу, 2/ гексокиназа присутствует во всех тканях, глюкокиназа – в гепатоцитах, 3/ гексокиназа обладает высоким сродством к глюкозе (Кm < 0,1 ммоль/л), напротив, глюкокиназа имеет высокую Кm (около 10 ммоль/л), т.е. её сродство к глюкозе мало и фосфорилирование глюкозы возможно только при массивном поступлении сахара в печень. На высоте пищеварения активирование глюкокиназы препятствует резкому увеличению поступления гюкозы в общий кровоток; в перерывах между приёмами пищи для включения глюкозы в обменные процессы вполне достаточно гексокиназной активности. При диабете из-за низкой активности глюкокиназы (синтез и активность которой зависит от инсулина) этот механизм не срабатывает, поэтому глюкоза не задерживается в печени и вызывает гипергликемию.

Восстановительный путь обмена глюкозы.

Восстановительный путь протекает преимущественно в интиме сосудистой стенки, хрусталике глаза, шванновских клетках нервной ткани:

Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке.

Дихотомический путь – это окислительный распад молекулы глюкозы, при которым её углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях этого пути энергию можно получить 2-мя способами:

1. Путём анаэробного (при отсутствии кислорода) распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза 2 лактат + 134 кДж

Приблизительно половина этой энергии расходуется на образование 2-х молекул АТФ, остальное рассеивается в виде тепла.

2. Путём аэробного распада глюкозы до углекислого газа и воды. Суммарное уравнение:

Глюкоза + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + 2850 кДж

При этом 60% образующейся энергии депонируется в виде АТФ.

Таким образом, аэробный путь имеет несомненное экономическое превосходство перед гликолизом.

Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинствомтканей нашего организма. Гликолиз – единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление.

Анаэробное дыхание – гликолиз.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на 2 звена: в первом осуществляется осуществляется распад глюкозы на 2 триозы (подготовительная стадия), во втором – окисление триоз в пируват с восстановлением последнего в лактат (стадия гликолитической оксидоредукции).

1-я реакция:

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Фосфорилирование глюкозы гексокиназой и глюкокиназой (о значении этих ферментов см. выше) – первая регулируемая реакция процесса гликолиза. Образующийся глюкозо-6-фосфат считается аллостерическим ингибитором гексокиназы (но не глюкокиназы).

Так как глюкокиназная реакция является инсулинзависимой, можно вместо глюкозы больным диабетом назначать фруктозу (фруктоза фосфорилируется гексокиназой сразу во фруктозо-6-фосфат).

2-я реакция:

Глюкозо-6-фосфат обратимо изомеризуется во фруктозо-6-фосфат ферментом фосфогексоизомеразой.

3-я реакция:

Здесь, как и в первой реакции, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.

Эта реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой, имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфо-фруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует отметить двоякую роль АТФ – вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, – как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.

Как было установлено позже, важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-2,6-дифосфат.

4-я реакция:

СН2―О―РО3Н2 │ С ═ О │ СН2―ОН Диоксиацетон фосфат

H

С ═ О

Триозофосфат- изомераза

│

HСОH

│

СН₂―О―РО₃Н₂

Фосфоглицериновый

Альдегид (3-ФГА)

4-я реакция обратима. Катализирующий её фермент называется альдолазой, так как расщепляется альдол – фруктозо-1,6-дифосфат. Равновесие реакции сдвинуто в сторону распада фруктозо-1,6-дифосфата, поскольку образующийся 3-ФГА расходуется в дальнейших реакциях гликолиза. Именно в силу последнего обратимая триозофосфатизомеразная реакция также смещается в сторону образования 3-ФГА.

Определение активности альдолазы используют в энзимодиагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток: так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда – в 3-10 раз, при миодистрофии – в 4-10 раз.

Таким образом, в подготовительной стадии гликолиза фактически образуется 2 молекулы 3-ФГА.

Следующая стадия гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложной.

5-я реакция.

В этой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-фосфоглице-ринового альдегида. Фермент состоит из 4-х одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Дегидрогеназа 3-ФГА нуждается также в коферменте НАД⁺.

Фермент окисляет свой субстрат (3-ФГА), перенося водород альдегидной группы 3-фосфоглицеринового альдегида на кофермент НАД⁺, который при этом восстанавливается в НАДН∙Н⁺ в присутствии неорганического фосфата. Выделяющейся при окислении 3-ФГА энергии достаточно для образования высокоэргического (т.е. заключающего в себе м а к р о э р г и ч е с к у ю связь) соединения – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК).

Образование НАДН∙Н⁺ из окисленной формы этого кофермента осуществляется в ходе реакции связывания 3-ФГА с SH-группой активного центра фермента – дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида:

CH₂O℗ CH₂O℗ CH₂O℗ CH₂O℗

│ │ НАД⁺ НАДН∙Н⁺ │ │

CHOH CHOH CHOH CHOH

│ 1 │ 2 │ 3│

H―C═O H―C―OH C═O C═O

3-ФГА │ │ │

S S O

ДФГК

SH

6-я реакция.

Эта реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счёт энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества свободной энергии, поэтому её равновесие сдвину вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.

СН₂О―РО₃Н_{2 Mg}²₊ СН₂О―РО₃Н₂

| фосфоглицераткиназа |

Н―С―ОН + АДФ АТФ + Н―С―ОН

| |

С═О С═О

О~ РО₃Н₂ ОН

ДФКГ 3-фосфоглицерат

Я реакция.

Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:

СН₂О―РО₃Н₂ СООН

| фосфоглицеромутаза |

Н―С―ОН + АДФ АТФ + Н―С―О―РО₃Н₂

| |

С═О СН₂ОН

ОН