Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000
Розділ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ БІОМОЛЕКУЛ
ГЛАВА 13. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. III. ОБМІН ГЛІКОГЕНУ ТА ГЛІКОКОН’ЮГАТІВ
Глікоген — тваринний гомополісахарид, що міститься в цитозолі клітин у вигляді мікроскопічних гранул і являє собою депо лабільного метаболічного палива. Глікоген є резервною формою глюкози, збереження надлишків якої у вигляді молекул мономерів неможливе у зв’язку з її високою осмотичною активністю. Основними органами, в яких депонується найбільша кількість глікогену, є печінка та скелетні м’язи, які можуть забезпечувати власні енергетичні потреби та рівень глікемії (печінка) в перервах між споживанням їжі.
Глікокон’югати — складні молекули, що містять оліго- або полісахаридні ланцюги, сполучені з пептидним або ліпідним фрагментом. Нормальний біосинтез та розщеплення вуглеводної частини глікокон’ югатів є важливою передумовою реалізацїї біологічних функцій протеогліканів, глікопротеїнів та гліколіпідів.
13.1. БІОСИНТЕЗ ТА РОЗЩЕПЛЕННЯ ГЛІКОГЕНУ
Реакції метаболізму молекул глікогену каталізуються ферментами, що структурно зв’язані з цитозольними гранулами полісахариду і забезпечують контроль швидкості його синтезу або мобілізації, залежно від рівня глікемії (глюкоземії) та стану регуляторних систем організму.
Ферментативні реакції синтезу глікогену (глікогенезу)
1. Утворення нуклеотидцукру-попередника.
Усі біохімічні реакції утворення складних вуглеводів — оліго- та полісахаридів потребують наявності метаболічно активних форм моносахаридів, у ролі яких виступають сполучені з цукрами нуклеотиди (див. також нижче — синтез глікопротеїнів та протеогліканів).
Метаболічно активною формою глюкози, що використовується у формуванні нерозгалужених гомополісахаридних ланцюгів глікогену, є УДФ -1-глюкоза, яка утворюється в реакції.
Реакція каталізується ферментом УДФ-глюкозопірофосфорилазою і є оберненою, але у фізіологічних умовах її рівновага зсунута праворуч у зв’язку з постійним гідролізом пірофосфату, що утворюється (Н4Р2О7), пірофосфатазою.
Глюкозо-1-фосфат, який є субстратом реакції, утворюється з глюкозо-6-фосфату (див. главу 11) за рахунок дії фосфоглюкомутази.
2. Формування нерозгалужених ланцюгів глікогену.
При синтезі α-1,4-глікозидних (амілозних) ланцюгів глікогену в ролі акцепторів активованих залишків глюкози виступають нерозгалужені полісахаридні ланцюги вже наявних у клітині молекул глікогену («затравочний» глікоген). Фермент УДФ-глікогентрансфераза (глікогенсинтаза) переносить молекули моносахариду від УДФ-1-глюкози на С-4-гідроксильні групи термінальних (n-их) залишків глюкози:
3. Формування розгалужень у молекулі глікогену.
Розгалуження в молекулі глікогену виникають за рахунок внутрішньомолекулярного переносу олігосахаридного фрагмента з 6-7 мономерів із кінця лінійної ділянки на С-6-гідроксильну групу глюкози, що відстоїть від кінця молекули на кілька моносахаридних залишків. Реакція каталізується аміло (1,4-1,6)трансглікозилазою (розгалужуючий фермент).
За механізмом, що розглянутий, синтезуються макромолекули глікогену (м.м. 1·106-2·108), що містять від кількох тисяч до мільйона монозних залишків і формують гранули розміром 40-200 нм.
Рис. 13.1. Схема утворення розгалужень у молекулі глікогену.
Ферментативні реакції розщеплення глікогену (глікогенолізу).
1. Процес глікогенолізу реалізується за механізмом фосфоролітичного розщеплення, яке полягає у фосфоролізі 1,4-глікозидного зв’язку на нередукуючому кінці молекули глікогену (такому, що містить вільну (С-4)-ОН-групу). В реакції вивільнюється глюкозо-1-фосфат, а нерозгалужений фрагмент молекули глікогену скорочується на один моносахаридний залишок:
Фермент, що каталізує реакцію, — глікогенфосфорилаза.
2. Фосфорилаза відрізає моносахаридні залишки у вигляді глюкозо-1-фосфату від нерозгалужених амілозних ланцюгів глікогену. Розщеплення розгалужених фрагментів відбувається під дією аміло-1,6-глікозидази (дерозгалужуючий фермент).
Фермент каталізує глікозилтрансферазну та аміло-1,6-глюкозидазну реакції, а саме:
- переносить олігосахаридні залишки, що складаються із трьох моносахаридів, в кінець нерозгалужених ланцюгів, що експонує залишки глюкози, сполучені з основним ланцюгом α(1→6)-глікозидними зв’язками;
- розриває (1→6)-глікозидні зв’язки гідролітичним шляхом, вивільняючи молекули глюкози.
3. Глюкозо-1-фосфат, що утворюється при фосфоролізі глікогену, під дією фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат.
4. Подальші метаболічні шляхи обміну глюкозо-6-фосфату відмінні в клітинах печінки і м’язів:
- в печінці глюкозо-6-фосфат при дії глюкозо-6-фосфатази перетворюється у вільну глюкозу, яка надходить у кров і використовується в інших органах і тканинах;
- у м’язах, які не містять глюкозо-6-фосфатази, глюкозо-6-фосфат використовується для власних енергетичних потреб, окислюючись аеробним або анаеробним шляхом.
Схему фосфоролізу глікогену в клітинах печінки та м’язів подано на рис. 13.2.
Рис. 13.2. Метаболічна схема фосфоролізу глікогену в печінці та м’язах.