Обмін глікогену

Синтез глікогену

Для синтезу полісахаридних ланцюгів глікогену глюкозо-6-фосфат повинен спочатку перетворитись у більш реакційноздатну форму – уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкозу), яка є безпосереднім донором ­залишків глюкози в процесі синтезу. УДФ-глюкоза утворюється за дві реакції.

1. Перетворення глюкозо-6-фосфату у глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази:

2. Взаємодія глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфатом (УТФ), що каталізується глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазою (УДФ-глюкозопірофосфорилазою):

Пірофосфат (ФФ_Н) відразу ж гідролізується пірофосфатазою до двох молекул неорганічного фосфату, тому реакція йде у напрямку незворотного утворення УДФ-глюкози.

Далі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінець уже існуючої молекули глікогену. Реакцію каталізує глікогенсинтаза, яка відноситься до трансфераз, а не до синтетаз. У цій реакції утворюється новий альфа-1, 4-глікозидний зв'язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози, який приєднується, і гідроксилом у С-4 кінцевого залишку глюкози ланцюга глікогену:

УДФ-глюкоза + (глюкоза)_n ® УДФ + (глюкоза)_n+1

УДФ, який вивільняється, перетворюється знову в УТФ за рахунок АТФ (УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ). Реакція багаторазово ­повторюється.

При відсутності у клітинах молекул глікогену, наприклад, коли внаслідок голодування запаси його повністю вичерпані, залишок глюкози із УДФ-глюкози переноситься на гідроксильну групу специфічного білка з подальшим нарощуванням вуглеводного ланцюга. Тому молекули глікогену містять сліди білка.

Утворення альфа-1, 6-глікозидних зв'язків, які знаходяться у місцях розгалуження глікогену, каталізує фермент глікозил-(4®6)-трансфераза (фермент розгалужень). Це відбувається шляхом відриву фрагмента із 5 - 7 залишків глюкози із кінця лінійного ланцюга і перенесення його на гідроксил 6‑ го вуглецю залишку глюкози, розміщеного ближче до внутрішньої частини молекули (рис.).

Після цього глікогенсинтаза приєднує до ланцюгів нові залишки глюкози. Точки розгалужень утворюються приблизно через кожні 8 - 12 залишків вздовж альфа-1, 4-ланцюга. Така сильно розгалужена структура глікогену має важливе значення. По-перше, вона забезпечує наявність великої кількості кінців у молекулі, що забезпечує швидке ­приєднання чи звільнення молекул глюкози. Тому сильно розгалужена структура глікогену вигідніша, ніж менш розгалужена структура крохмалю. І, по-друге, цим досягається компактність, щільність упаковки молекул, які депонуються у клітинах у вигляді гранул діаметром 20 мкм. Із ­гранулами зв'язані ферменти синтезу й розпаду глікогену. Молекулярна маса молекул значно коливається (10⁵-10⁸).

Основні запаси глікогену в організмі містяться в скелетних м'язах і печінці. Вміст у печінці складає 2-8 % маси органа і залежить від регулярності харчування і фізичного навантаження. Концентрація глікогену в скелетних м'язах, що знаходяться у стані спокою, – тільки 0, 5-1 %, але із-за великої маси м'язів більша частина глікогену тіла знаходиться в них. У середньому у дорослої людини після споживання їжі міститься в печінці близько 100 г глікогену, а в м'язах (стан спокою) – 400 г. Глікоген м'язів служить джерелом енергії під час скорочення м'язів, а функція глікогену печінки – підтримувати постійність концентрації глюкози в крові.

Розпад глікогену

Шлях розпаду глікогену до вільної глюкози відрізняється від синтезу його (рис.).

Він включає ряд інших ферментів. Глікоген-фосфорилаза каталізує першу реакцію катаболізму глікогену – розрив альфа-1, 4-глікозидного зв'язку між залишками глюкози на кінцях ланцюгів шляхом фосфоролізу, тобто взаємодії з неорганічним фосфатом. Крайні залишки глюкози відщеплюються у формі глюкозо-1-фосфату.

Таким чином, спосіб розриву альфа-1, 4-глікозидних зв'язків глікогену в тканинах відрізняється від гідролітичного розриву їх під дією амілази у ШКТ. Фосфорилазна реакція повторюється до тих пір, поки не залишаються 4 глюкозні залишки до точки розгалуження. Тоді фермент альфа-(1®6)-глікозидаза переносить триглюкозний фермент на кінець сусіднього ланцюга, а четвертий залишок глюкози, який зв'язаний альфа-1, 6-глікозидним зв'язком, відщеплює гідролітичним шляхом у вигляді вільної глюкози. Далі глікоген-фосфорилаза каталізує відщеплення глюкозних залишків до нової точки розгалуження.

Структура глікогенфосфорилази (ГФ)

• Каталітичний центр

• Аллостеричний центр

• Центр для фосфорилювання (ковалентна модифікація)

• Дві форми ГФ

Фосфорилаза a (фосфорильована) – активна форма

Фосфорилаза b (дефосфоильована) – неактивна форма

Молекули глюкозо-1-фосфату перетворюються у глюкозо-6-фосфат під впливом фосфоглюкомутази, яка каталізує цю ж реакцію у зворотному напрямку в процесі біосинтезу глікогену. Перехід глюкозо-6-фосфату до вільної глюкози не може здійснюватись шляхом гексокіназної реакції, оскільки вона незворотна. У печінці і нирках є фермент глюкозо-6-фосфатаза, який каталізує реакцію гідролізу глюкозо-6-фосфату до глюкози:

Вільна глюкоза виходить у кров і надходить в інші органи. У м'язах, мозку й інших тканинах глюкозо-6-фосфатаза відсутня. Таким чином, глікоген печінки служить джерелом глюкози для всього організму, а глікоген м'язів, мозку розпадається до глюкозо-6-фосфату, який використовується у цих тканинах.

Розпад глікогену до молочної кислоти (глікогеноліз)

Субстратом гліколізу в м'язах служать глюкоза, яка надходить із крові, і глюкозні залишки депонованого глікогену. Внаслідок послідовної дії ­глі­когенфосфорилази і фосфоглюкомутази глюкозні залишки глікогену ­перетворюються в глюкозо-6-фосфат, який далі включається в процес гліко­лізу:

За умов глікогенолізу АТФ затрачається тільки один раз для утворення фруктозо-1, 6-дифосфату. Тому при розпаді одного глюкозного залишку глікогену вихід АТФ складає 4-1=3 молекули:

Якщо ж врахувати затрати АТФ для біосинтезу глікогену (дві молекули АТФ для включення одного залишку глюкози), тоді чистий вихід складає тільки 1 молекулу АТФ на 1 залишок глюкози. Витрачання АТФ для синтезу глікогену в м'язах має місце в стані спокою, коли депонування глікогену достатньо забезпечене киснем і енергією. А під час інтенсивного фізичного навантаження анаеробний розпад глікогену до молочної кислоти зумовлює більший вихід АТФ, ніж розпад глюкози.