Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

У цитоплазмі:

Малат Оксалоацетат

Потім оксалоацетат під дією ферменту фосфоенолпіруваткарбоксикінази з використанням енергії ГТФ перетворюється на фосфоенолпіруват:

Оксалоацетат Фосфоенолпіруват

Далі фосфоенолпіруват через ряд оборотних реакцій гліколізу перетворюється на фруктозо- 1,6-бісфосфат, що під дією фруктозо-1,6-бісфосфа- тази перетворюється на фруктозо-6-фосфат, потім — на глюкозо-6-фосфат, а останній за участю глюкозо-6-фосфатази перетворюється на глюкозу. Ферменти глюконеогенезу (ГНГ) активуються при гіпоксії, коли зменшується значення рН. З одного боку, зниження рН є сигналом нагромадження вихідних продуктів для ГНГ (лактату, пірувату, оксалоацетату та ін.), але, з іншого боку, початкові етапи ГНГ перебігають зі споживанням енергії у вигляді макроергічних зв’язків пуринових нуклеотидів, утворення яких в умовах гіпоксії знижене, тобто механізм адаптації за певних умов перетворюється на механізм поломки.

Тривалий час вважали, що ГНГ інтенсивно перебігає в печінці, у меншому ступені — в нирках і практично не функціонує в інших органах. Пояснювали це тим, що в цих органах відсутня піруваткарбоксилаза (як, наприклад, у м’язовій тканині). Тому лактат, що утворюється у м’язах гліколітичним шляхом, при інтенсивній роботі дифундує у кров, доставляється в печінку, де по шляху глюконеогенезу перетворюється на глюкозу, що виходить у кров, досягає м’язів і знову використовується ними як енергетичний субстрат. Цей цикл був названий циклом Корі. Однак деякі дослідники, працюючи на ізольованих м’я- зах, встановили, що лактат, який утворюється в м’язах при скороченні, згодом перетворюється на глюкозу без участі печінки, із чого було зроблено висновок, що в м’язовій тканині перебігає глюконеогенез, але його початкові реакції відрізняються від реакцій, що відбуваються у печінці, тобто минаючи піруваткарбоксилазну реакцію.

Було встановлено, що в м’язах високою є активність декарбоксилювальної НАДФ+-залежної малатдегідрогенази, яка каталізує взаємоперетворення пірувату і малату. При цьому малат, що утворюється в цитоплазмі під дією цитоплазматичної НАДФ+-залежної малатдегідрогенази, окиснюється до оксалоацетату, що за участю вже відомої фосфоенолпіруваткарбоксикінази і

ГТФ перетворюється на фосфоенолпіруват, подальші реакції перебігають, як описано вище.

Глюкоза

Оксалоацетат Фосфоенолпіруват

Малат Піруват Лактат

Таким чином, виявилося, що в багатьох органах глюконеогенез відбувається, але по шляху, що відрізняється від глюконеогенезу в печінці. Із цих позицій можна зазначити, що деякі специфічні риси окремих органів і тканин лише підкреслюють загальні закономірності, властиві цілісному організму, з урахуванням структурнометаболічних особливостей тканин, що виконують різні функції.

Регуляція глюконеогенезу

Важливим регулятором глюконеогенезу є аце- тил-КоА. Це позитивний алостеричний ефектор піруваткарбоксилази і негативний модулятор піруватдегідрогенази, тобто при його нагромадженні активується ГНГ. Другим регулятором ГНГ є аденіловий нуклеотидний пул. АМФ активує фосфофруктокіназу й інгібує фруктозо-1,6- бісфосфатазу, тоді як АТФ чинить зворотну дію

— при високому відношенні АТФ/АМФ активується глюконеогенез, а при низькому — гліколіз. Подібну до АМФ дію має фруктозо-2,6- бісфосфат, підвищення в клітині його концентрації сприяє посиленню гліколізу й ослабленню ГНГ. Якщо врахувати, що фруктозо-2,6-бісфос- фат синтезується й руйнується тим самим біфункціональним ферментом, що має фосфокіназну й фосфатазну активність і регулюється шляхом цАМФ-залежного фосфорилування, стає зрозумілим швидкий механізм дії глюкагону, що підсилює глюконеогенез. Гормон інсулін пригнічує глюконеогенез шляхом інгібування ферментів фосфоенолпіруваткарбоксикінази і глюкозо-6- фосфатази та підсилює гліколіз шляхом активації нерівноважних реакцій гліколізу, ПДГ і ЦТК. Глюкокортикоїди активують глюконеогенез шляхом посилення синтезу ключових білків-ферментів ГНГ.

Отже, можна зробити висновок, що ГНГ залежить від енергозабезпечення клітини, активується високим вмістом АТФ, надлишком аце- тил-КоА й оксалоацетатом, які не утилізуються в ЦТК, тобто висока енергозабезпеченість клітини дозволяє використовувати енергію для синтезу вуглеводів і їхнього депонування в клітині. Крім того, ГНГ дозволяє утилізувати багато сполук, які є токсичними, і з цих позицій виступає як процес адаптивний.

Метаболізм глікогену

Глікоген — тваринний полісахарид, що знаходиться в цитозолі клітини у вигляді мікроскопічних гранул і являє собою резервну форму глюкози. Необхідність перетворення глюкози на глікоген зумовлена тим, що нагромадження глюкози в клітинах могло б призвести до осмотичного шоку — руйнування клітинної мембрани. Крім того, глюкоза вільно залишає клітину, а для фіксації її необхідно фосфорилувати і далі використати або гліколітичним шляхом, або пентозофосфатним, або шляхом синтезу глікогену.

Глікоген утворюється практично в усіх клітинах організму, однак найбільша концентрація виявляється в печінці — від 2 до 6 % і в м’язах — від 0,5 до 2 %. Оскільки загальна маса м’язів велика, значна частина всього глікогену організму міститься в м’язах. Глікоген печінки використовується, головним чином, для підтримки фізіологічних концентрацій глюкози в крові, насамперед у проміжках між прийомами їжі, завдяки високій активності глюкозо-6-фосфатази. М’язовий глікоген є легкодоступним джерелом глюкози, а глюкозо-6-фосфатаза у м’язах практично відсутня, тому глікоген використовується в самому м’язі для «власного споживання».

Реакції біосинтезу і розпаду глікогену каталізуються ферментами, що структурно зв’язані з цитозольними гранулами полісахариду і забезпечують контроль швидкості його синтезу чи мобілізації, залежно від рівня глюкоземії та стану регуляторних систем організму.

Біосинтез глікогену (глікогенез)

Усі біохімічні реакції утворення складних вуглеводів (полісахаридів, глікопротеїнів, протеогліканів) потребують наявності активних форм моносахаридів.

1. Метаболічно активною формою глюкози є УДФ-1-глюкоза (уридиндифосфатглюкоза), яка утворюється з глюкозо-1-фосфату і УТФ. Дана реакція каталізується ферментом глюкозо-1-фос-

фатуридилтрансферазою (УДФ-пірофосфорила-

зою). Глюкозо-1-фосфат утворюється з глюкозо- 6-фосфату під дією ферменту фосфоглюкомутази.

OH ОН

Глюкозо-1-фосфат

2. Формування нерозгалужених ланцюгів глікогену. На другій стадії утворення глікогену відбувається перенос залишку глюкози від УДФ-

глюкози на глікозидний ланцюг глікогену (затравочна кількість). При цьому утворюється α -1-4-глюкозидний зв’язок між першим атомом Карбону залишку глюкози, що додається, і 4-ОН групи залишку глюкози ланцюга.

Ланцюг глікогену (n+1-залишків)

Каталізує наведені реакції фермент глікоген-

синтаза.

3. Встановлено, що глікогенсинтаза не здатна каталізувати утворення α -1,6-зв’язків, які є в місцях розгалуження. Цей процес каталізує фермент розгалуження — аміло-1,4→ 1,6-транс- глюкозидаза: відбувається перенесення кінцевого фрагмента, що складається з 6 чи 7 залишків глюкози, від кінця лінійної ділянки на гідроксильну групу шостого атома Карбону (С6) глюкози. Утворюється α -1,6-глікозидний зв’язок. Глікогенсинтаза може каталізувати приєднання глікозидних залишків, якщо тільки полісахаридний ланцюг уже містить більше чотирьох залишків глюкози. Таким чином, синтез глікогену потребує праймера. Цю функцію виконує глікогенін — білок, що має у своїй структурі олігосахариди з α -(1,4)-глікозидними зв’язками. Атом С1 першого фрагмента глюкози цього ланцюга ковалентно приєднаний до ОН-групи тирозину, який входить до складу глікогеніну. Глікогенін автокаталітично приєднує до восьми залишків глюкози. Від такого праймера розпочинається синтез глікогену. Необхідно відмітити, що глікогенсинтаза каталітично ефективна лише тоді, коли зв’я- зана з глікогеніном. Це має три важливих аспекти:

— кількість гранул глікогену визначається кількістю молекул глікогеніну;

Глікогенфосфатаза

-Н3РО4 Рис. 9.6. Регуляція активності глікогенсинтази

Активація іонами Са2+ і синхронізація

зм’язовим скороченням

Ум’язах існує також механізм стимуляції глікогенолізу шляхом алостеричної активації фос-

форилази b і кінази фосфорилази іонами Са2+.

М’язова кіназа фосфорилази складається з субодиниць чотирьох типів: α , β , γ і δ . Її структура — (α , β , γ , δ )4. β -Субодиниця зв’язує чотири іони Са2+, вона ідентична Са2+-зв’язуючому білку кальмодуліну. Зв’язування іонів Са2+ активує каталітичний центр γ -субодиниць кінази фосфорилази b, хоча молекула залишається дефосфорильованою. Цей процес має фізіологічне значення швидкого механізму забезпечення енергією м’язового скорочення, що включається в результаті вивільнення іонів Са2+ із саркоплазматичного ретикулума після надходження нервового імпульсу.

Глікогенози

Спадкові порушення метаболізму глікогену в тканинах. При глікогенозах виявляється повна або часткова відсутність одного або кількох ензимів, які беруть участь у розщепленні глікогену, що веде до нагромадження його в тканинах. За нормальних умов у людини основна частина глікогену в цитоплазмі піддається фосфоролізу, при цьому утворюється глюкозо-1-фосфат із подальшим перетворенням його на глюкозо-6-фос- фат. У процесі фосфоролізу розпаду піддаються тільки лінійні ланцюги молекули глікогену, а не ділянки розгалуження. Далі глюкозо-6-фосфат розщеплюється по шляху гліколізу до лактату в багатьох органах або ж у печінці за участю глю- козо-6-фосфатази до вільної глюкози, що виходить у кров, і так підтримується оптимальний рівень глюкози. Ділянки розгалуження молекули глікогену піддаються гідролізу в присутності амі- ло-1,6-глікозидази.

Типи глікогенозів ілюструє табл. 9.1. Глікогеноз 1-го типу (хвороба Гірке). Зустрі-

чається найчастіше. Успадковується за автосом- но-рецесивним типом. Відсутність глюкозо-6-фос- фатази перешкоджає гідролізу глюкозо-6-фосфа- ту до вільної глюкози. Порушення синтезу глікогену не відбувається, і хронічна гіпоглікемія веде до розвитку реактивного гіперкортицизму, що супроводжується відкладенням значної кількості

білків і ліпідів у печінці. Нагромадження молочної кислоти інгібує виділення сечової кислоти нирковими канальцями, розвивається гіперурикемія. Значна гіпоглікемія може зумовити кетоацидоз. Характерною ознакою хвороби Гірке є гіпоглікемія натще, на яку не впливає навантаження адреналіном. Лікування дієтичне — часте введення глюкози або полісахаридів для підтримки рівня глюкози в крові.

Глікогеноз 2-го типу (один із підтипів — хвороба Помпе). Захворювання успадковується за автосомно-рецесивним типом і становить 10 % від загальної кількості глікогенозів. Зумовлений відсутністю α -1,4-глікозидази, яка перебуває в лізосомах гепатоцитів і міофібрил, що приводить до нагромадження глікогену, який має нормальну структуру. Розміри серця збільшені в 2–8 разів. Глікоген накопичується не тільки в міокарді, м’язах і печінці, але й у нейронах ЦНС, спинного мозку і вегетативних гангліїв, що може призвести до затримки нервово-психічного розвитку, м’язової гіпотонії. Лікування відсутнє. Прогноз поганий.

Глікогеноз 3-го типу (хвороба Корі, лімітдекстриноз). Успадковується за автосомно-рецесив- ним типом. В основі лежить мутація гена, що виявляється клінічно в гомозиготів. У печінці й м’я- зах відсутня аміло-1,6-глікозидаза, відбувається нагромадження глікогену з аномальною структурою. Гістологічно виявляються великі набряклі фібрили з явищами вакуолізації. Гепатоцити вакуолізовані й виглядають пінистими. Навантаження адреналіном не викликає гіперглікемії, а проба з галактозою дає нормальну глікемічну криву. Діагноз ставиться шляхом визначення активності аміло-1,6-глікозидази в біоптаті печінки, еритроцитах і в культурі клітин амніотичної рідини. Лікування — часте годування з обмеженням жирів. Замість сахарози дають глюкозу з гідрокарбонатом. При відсутності стабілізації рівня цукру крові призначають цинк-глю- кагон.

Глікогеноз 4-го типу (хвороба Андерсена, амілопектиноз). Захворювання успадковується за

автосомно-рецесивним типом, супроводжується цирозом печінки, відкладанням амілопектину в печінці, м’язах, нирках, кишечнику, ЦНС і рети- куло-ендотеліальній системі. В основі лежить порушення синтезу глікогену — відсутня аміло-1,4- 1,6-глікозилтрансфераза — розгалужуючий фермент, у результаті чого утворюється аномальний глікоген (амілопектин), що дає забарвлення як крохмаль. Лікування неефективне. Прогноз несприятливий.

Глікогеноз 5-го типу (хвороба Мак-Ардла).

Прогресуюча міопатія, спричинена дефіцитом фосфорилази у м’язах. При роботі не збільшується вміст лактату в крові. Введення адреналіну збільшує вміст глюкози й лактату в крові.

Глікогеноз 6-го типу (хвороба Херса). Спри-

чинений дефіцитом фосфорилази у печінці. Зрідка виявляється гіпоглікемія. Навантаження адреналіном приводить до підвищення рівня цукру в крові. Лікування таке ж, як при хворобі Корі, прогноз цілком сприятливий.

Глікогеноз 7-го типу (хвороба Томпсона).

Характеризується дефіцитом фосфоглюкомутази в печінці та м’язах.

Глікогеноз 8-го типу (хвороба Таруї). Характеризується дефіцитом фосфофруктокінази, супроводжується тяжким ураженням ЦНС.

Глікогеноз 9-го типу (хвороба Хага). Існують дві форми цього глікогенозу: одна успадковується за рецесивним типом і пов’язана з Х-хромосо- мою, друга — за автосомно-рецесивним типом. В основі лежить недостатність кінази фосфорилази печінки.

Глікогеноз 10-го типу. Характеризується дефіцитом цАМФ-залежної протеїнкінази.

Для всіх глікогенозів характерна гепатомегалія, порушення функції печінки. Діагностика полягає в такому: 1) визначення вмісту глюкози і лактату в крові; 2) навантаження адреналіном; 3) біопсія тканин; 4) визначення структури глікогену і його розташування в клітині; 5) ензиматичні показники.

Аглікогеноз (глікогеноз 0) характеризується дефіцитом глікогенсинтази, низьким вмістом

глікогену в печінці, гіпоглікемією вранці. Лікування — часте споживання вуглеводів.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Аеробне й анаеробне окиснення глюкози, загальна характеристика процесів.

2.Анаеробне окиснення глюкози. Послідовність реакцій та ферменти гліколізу.

3.Аеробне окиснення глюкози. Етапи перетворення глюкози до СО2 і Н2О.

4.Окиснювальне декарбоксилювання пірувату. Ферменти, коферменти та послідовність реакцій у мультиферментному комплексі.

5.Гліколітична оксидоредукція: субстратне фосфорилування й човникові механізми окиснення гліколітичного НАДН.

6.Порівняльна характеристика біоенергетики аеробного та анаеробного окиснення глюкози, ефект Пастера.

7.Фосфоролітичний шлях розщеплення глікогену в печінці та м’язах. Регуляція активності глікогенфосфорилази.

8.Біосинтез глікогену: ферментативні реакції, фізіологічне значення. Регуляція активності глікогенсинтази.

9.Механізми реципрокної регуляції глікогенолізу та глікогенезу за рахунок каскадного цАМФ-залежного фосфорилування ферментних білків.

10.Роль адреналіну, глюкагону й інсуліну в гормональній регуляції обміну глікогену в м’язах

іпечінці.

11.Генетичні порушення метаболізму глікогену (глікогенози, аглікогенози).

12.Глюконеогенез: субстрати, ферменти та фізіологічне значення процесу.

13.Глюкозо-лактатний (цикл Корі) та глюко- зо-аланіновий цикли.

14.Пентозофосфатний шлях окиснення глюкози: схема процесу та біологічне значення.

15.Метаболічні шляхи перетворення фруктози та галактози; спадкові ензимопатії їх обміну.

10.1. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ: КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ, РЕГУЛЯЦІЯ ЛІПОЛІЗУ. МЕТАБОЛІЗМ КЕТОНОВИХ ТІЛ

Основні біологічні функції ліпідів

До ліпідів належать жири і жироподібні речовини рослинного й тваринного походження, які розчиняються у хлороформі, ефірі або інших органічних неполярних розчинниках.

Біологічна роль ліпідів

Ліпіди в організмі виконують такі основні функції (рис. 10.1):

1. Енергетична функція. При окисненні 1 г

жиру утворюється 36–39 кДж енергії. За рахунок жирів харчового раціону організм на 25–35 % забезпечується енергією, необхідною людині на добу. Важливу роль в енергозабезпеченні організму відіграють триацилгліцероли (жирові депо підшкірної жирової клітковини, сальника, навколониркової клітковини). У формі глікогену