БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 16. ГЛИКОГЕН И ОБМЕН ДИСАХАРИДОВ

Гликоген является легкомобилизуемой резервной формой глюкозы. Он представляет собою очень большой разветвленный полимер, состоящий из остатков глюкозы (рис. 16.1). Большинство остатков глюкозы в гликогене связаны α-1,4-гликозидными связями. Ветвление создается α-1,6-гликозидными связями; на каждые десять остатков приходится примерно одна такая связь.

Рис. 16.1. Структура двух наружных ветвей частицы гликогена. Остатки на невосстановленных концах показаны красным цветом, остатки, с которых начинается ветвь, синим. Остальная часть молекулы гликогена обозначена символом R

Наличие гликогена намного увеличивает количество глюкозы, легко доступной для использования организмом во время интервалов между приемами пищи или в период мышечной активности. Содержание энергии в глюкозе жидкостей тела человека со средним весом 70 кг составляет всего 40 ккал, тогда как для общего гликогена тела эта величина превышает 600 ккал, даже после ночного голодания. В организме гликоген накапливается главным образом в печени и скелетных мышцах. Концентрация гликогена в печени выше, чем в мышцах, но в целом запасы гликогена в скелетных мышцах, ввиду их значительно большей массы, превышают его запасы в печени. Гликоген присутствует в цитозоле в форме гранул диаметром, колеблющимся в диапазоне от 100 до 400 А. Такое различие в размерах гранул, объясняется неодинаковым размером молекул гликогена; максимум распределения, как правило, приходится на массу в несколько тысяч килодальтон. На электронных микрофотографиях гликогеновые гранулы выглядят плотными (рис. 16.3). Они содержат ферменты, катализирующие синтез и распад гликогена, а также некоторые ферменты, регулирующие эти процессы. Гликогеновые гранулы отличаются, однако, от мультиферментных комплексов (например, от пируват-дегидрогеназного комплекса), в которых отсутствуют определенные стехиометрические соотношения связанных ферментов. Кроме того, степень структурной организации гликогеновых гранул ниже, чем в мультиферментных комплексах.

Рис. 16.2. Схематическое изображение поперечного разреза молекулы гликогена. Концевые остатки показаны красным цветом, остатки, с которых начинается ветвь-зеленым

Рис. 16.3. Электронная микрофотография печеночной клетки. Плотные частицы в цитоплазме представляют собой гранулы гликогена

Синтез и распад гликогена рассматриваются нами здесь детально по ряду соображений. Во-первых, эти процессы имеют большое значение в том отношении, что они регулируют содержание глюкозы в крови и создают резерв глюкозы для интенсивной мышечной активности. Во- вторых, синтез и распад гликогена осуществляются разными метаболическими путями, что является иллюстрацией одного из важных принципов биохимии. В-третьих, гормональная регуляция обмена гликогена опосредуется механизмами, имеющими общее значение. Хорошо изучена роль циклического адепозинмонофосфата (циклического АМР) в координированном контроле синтеза и распаде гликогена. Это открывает возможность проникновения в механизм действия гормонов в ряде других систем. В-четвертых, охарактеризованы некоторые наследственные дефекты ферментов, приводящие к нарушению обмена гликогена. Некоторые из этих болезней накопления гликогена приводят к летальному исходу уже в раннем детстве, другие характеризуются относительно благополучным клиническим течением. Последняя часть данной главы посвящена метаболизму обычных дисахаридов; лактозы, мальтозы и сахарозы.

16.1. Фосфорилаза катализирует фосфоролитическое расщепление гликогена до глюкозо-1-фосфата

Путь распада гликогена был раскрыт благодаря изящным исследованиям Карла и Герти Кори (Carl Cori, Gerty Cori). Они показали, что гликоген расщепляется ортофосфатом, давая новый вид фосфорилированного сахара, идентифицированный ими как глюкозо-1-фосфат. Кори также выделили и получили в кристаллическом виде гликоген-фосфорилазу, фермент, катализирующий эту реакцию.

Гликоген + P¡ ⇄ Глюкозо-1-фосфат + Гликоген.

(n остатков) (n-1 остатков)

Фосфорилаза катализирует последовательное удаление гликозильных остатков с невосстанавливающего конца молекулы гликогена. Ортофосфат расщепляет гликозидную связь между С-1 концевого остатка и С-4 соседнего остатка. Он специфически разрывает связь между углеродным атомом С-1 и гликозидным атомом кислорода с сохранением α-конфигурации при С-1.

Эта реакция, вероятно, идет через образование в качестве промежуточного продукта иона карбония. Расщепление связи между С-1 и О, сохранение конфигурации при С-1 и предположительное участие промежуточного иона карбония напоминают разрушение хитина, катализируемое лизоцимом.

Реакция, катализируемая фосфорилазой, in vitro легко обратима. При pH 6,8 равновесное отношение ортофосфата к глюкозо-1-фосфату равно 3,6. ∆G⁰ для этой реакции мало, потому что гликозидная связь замещается фосфоэфирной связью, которая имеет почти такой же потенциал переноса. Однако in vivo фосфоролиз сдвинут далеко в сторону распада гликогена, поскольку отношение [Рi]/[Глюкозо-1-фосфат] обычно превышает 100.

Фосфоролитическое расщепление гликогена энергетически выгодно, потому что высвобождаемый сахар уже фосфорилирован. В противоположность этому гидролитическое расщепление давало бы глюкозу, которая для вступления на гликолитический путь должна была фосфорилироваться за счет АТР. Дополнительное преимущество фосфоролитического распада состоит в том, что глюкозо-1-фосфат в отличие от глюкозы не может диффундировать из клетки. Каково значение способности мышцы удерживать фосфорилированный сахар, мы увидим несколько позднее.