Затем УДФ+АТФ(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.
Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются -1,4- гликозидные связи. Образование -1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.
Гликоген в клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.
Распад гликогена
Он может идти двумя путями:
1. Основной - фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.
Схематически его можно записать в виде 3-х стадий:
а) [C6Н10О5]n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н3РО4) глюкозо-1-фосфат +[C6Н10О5]n-1
б) глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат
в) глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатаза, +Н2О) глюкоза + Н3РО4
2. Не основной - амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:
- -амилазы слюны, расщепляющей -1,4-гликозидные связи;
- амило-1,6-гликозидазы, расщепляющей -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;
- -амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.
Гликогеновые болезни
Гликогеновые болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого-либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.
Различают гликогенозы - болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:
- болезнь Герса, связанная с недостаточной активностью или отсутствием фосфорилазы печени;
- болезнь Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;
- болезнь Помпе, -//- -1,4-гликозидазы;
- болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;
- болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.
Агликогенозы - заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:
- болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки или полным отсутствием гликогенсинтазы;
- болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.
Пути катаболизма глюкозы
В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.
Следовательно, катаболизм глюкозы в организме можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.
Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль - энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:
глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат;
[C6Н10О5]n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н3РО4) глюкозо-1-фосфат +[C6Н10О5]n-1
глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат
Основные стадии гликолиза и гликогенолиза:
Процесс гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии.
1 стадия - завершается образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия - называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.
1 стадия:
гексакиназа v АТФАДФ
глюкозо-6-фосфатизомераза v
фосфофруктокиназа v АТФАДФ
альдолаза v
Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.
2 стадия. На ней перед всеми формулами ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон изомеризовался и получилось 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата:
дегидрогеназа, +Н3РО4 v НАДНАДН2
дифосфоглицераткиназа v АДФАТФ
фосфоглицеромутаза v
енолаза v
фосфоенолпируваткиназа v АДФАТФ
ЛДГ v НАДН2НАД
Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6-фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).
С этапа образования триоз (альдолазная реакция) идет одновременная их окисление, в результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).
На этапе гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н3РО4 и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН2.
Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления НАДН2 находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН2 и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.
Три реакции гликолиза являются необратимыми:
- гексакиназная реакция;
- фосфофруктокиназная реакция;
- пируваткиназная реакция.
Энергетический эффект гликолиза (гликогенолиза):
АТФ(глюкоза)=(2*2)-2=2
АТФ(гликоген)=(2*2)-1=3
Биологическая роль гликолиза - энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.
Гексозодифосфатный путь превращения углеводов в тканях
В аэробных условиях, когда в ткани в достаточном количестве поступает кислород, происходит подавление гликолиза. При этом уменьшается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект подавления гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера.
Глюкоза в аэробных условиях сгорает в клетках с образованием конечных продуктов - воды и углекислого газа. При окислении 1 моль глюкозы будет выделено 38 молекул АТФ, а при окислении 1 глюкозного остатка гликогена - 39 молекул.
Химизм реакций превращения глюкозы такой же, как и в аэробных условиях, но только до стадии образования пирувата.
Превращение глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, затем пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислительному декарбоксилированию. Образовавшийся при этом АцКоА в дальнейшем окисляется в митохондриях с участием ферментов ЦТК и сопряженных с ними ферментов дыхательной цепи (ЦПЭ).
Реакция окислительного декарбоксилирования ПВК осуществляется при участии ряда ферментов и кофакторов:
1. дегидрогеназ (НАД, ФАД);
2. декарбоксилаз (ТПФ);
3. ацилтрансфераз (HS-KoA);
4. липоевой кислоты (ЛК), участвующей в переносе углекислого газа.
СН3-СО-СООН (это ПВК) (пируватдегидрогеназа, НАД, ФАД, HS-KoA, ТПФ, ЛК) СО2 +НАДН2 +Н2О +3АТФ +СН3-С(О)-SKoA (это АцКоА, он поступает в ЦТК).
При окислении глюкозы в аэробных условиях энергия выделяется за счет реакций:
1. субстратного фосфорилирования на этапах превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, фосфоенол-ПВК, сукцинил-КоА;
2. за счет реакций окислительного фосфорилирования на этапах превращения глицеральдегид-3-фосфата, ПВК, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.
Энергетический эффект окисления:
АТФ (глюкозы)=2*(3+1+1+3+12)-2=38
АТФ (гликогена)=2*(3+1+1+3+12)-1=39
Конечные продукты образуются:
- углекислый газ на этапах превращения пирувата, оксалосукцината, -кетоглутаровой;
- вода образуется на этапах превращения: глицеральдегид-3-фосфата, 2-фосфоглицериновой кислоты, пирувата, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.
Т.о. в отличие от анаэробного пути, аэробный путь окисления глюкозы является энергитически более эффективным и является основным путем обеспечения клеток энергией. При этом окисление идет с образованием конечных продуктов - углекислого газа и воды.
Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях
Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях (пентозофосфатный путь, апотолический путь) протекает в цитоплазме клеток органов и тканей и представлен двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной.
Активность этого пути превращения глюкозы зависит от типа ткани и ее функционального состояния. Особенно активно глюкоза окисляется по этому пути в тканях и органах, где синтезируется много липидов: печень, кора надпочечников, жировая ткань, молочные железы. Биологическая роль этого пути связана, прежде всего, с производством 2-х веществ:
1. рибозо-5-фосфата и его производных, которые используется в клетках для биосинтеза важнейших биологических молекул: АТФ, ГТФ, HSKoA, НАД, ФАД и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);
2. НАДФ·Н2, которые в отличие от НАД·Н2 не окисляется в дыхательной цепи митохондрии, а используется как источник протонов и электронов для синтеза веществ, включающего реакции восстановления (ВЖК, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D3). НАДФН2 используется для обезвреживания ядов и токсических веществ (в реакции связывания аммиака при восстановительном аминировании -кетокислот).
Этот путь является единственным поставщиком пентоз для работающих клеток тканей и органов, и на 50% покрывает потребность в НАДФН2, следовательно основная биологическая роль этого пути - анаболическая.
Окислительная стадия пентозного пути превращения глюкоза отличается от классического гексозодифосфатного пути с этапа превращения глюкозы-6-фосфата и включает 5 реакций:
глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, НАДФНАДФН2) 6-фосфоглюкозолактон (лактоназа, +Н2О) 6-фосфоглюконовая кислота (дегидрогеназа 6-фосфоглюконовой кислоты, НАДФНАДФН2) 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота (декарбоксилаза, -СО2) рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат
При определённых условиях на этом заканчивается окислительная стадия пентозного цикла. Между пентозами устанавливается подвижное равновесие: рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат
Однако в ряде случаев, когда в клетках отмечается дефицит кислорода, может протекать неокислительная стадия пентозного цикла. Основными реакциями этого этапа являются 2 транскетолазные реакции и одна трансальдолазная. Все они обратимы. В результате этих реакций образуются субстраты для гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат), а также вещества, характерные для пентозного пути превращения глюкозы. Схематически неокислительную стадию пентозного цикла можно записать так:
1. транскетолазные реакции:
а) ксилуозо-5-фосфат+рибозо-5-фосфа(ТПФ) седогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;
б) ксилуозо-5-фосфат+эритрозо-4-фосфат(ТПФ) фруктозо-6-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;
2. трансальдолазная реакция:
судогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат фруктозо-6-фосфат+ эритрозо-4-фосфат
Баланс окислительной и неокислительной стадий гексозомонофосфатного пути превращения глюкозы в тканях можно записать в виде суммарного уравнения реакции:
6 глюкозо-6-фосфат+ 7Н2О+ 12НАДФ 5 глюкозо-6-фосфат+ 6СО2 +12НАДФН2 +Фн
Глюконеогенез и другие источники глюкозы для организма человека
Глюкоза является основным углеводом крови. Её концентрация в течение суток колеблется в зависимости от энергозатрат и частоты приемов пищи, содержания углеводов в пище. Для взрослого человека содержание глюкозы в крови составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/л. Поддерживается концентрация глюкозы в крови за счет процесса биосинтеза и распада гликогена, глюконеогенеза и за счет углеводов пищи.
Глюконеогенез - это процесс образования глюкозы из неуглеводных предшественников, которыми являются продукты распада белков, липидов и углеводов. Основными являются пируват, лактат. Промежуточными могут быть метаболиты ЦТК, а так же глицерин и АК. Ряд АК (АСП, ТИР, ФЕН, ТРЕ, ВАЛ, МЕТ, ИЛЕ, ГИС, ПРО, АРГ) тем или иным путем превращаются в метаболиты ЦТК - фумаровую кислоту, которая в дальнейшем превращается в ЩУК. Другие АК (ГЛИ, АЛА, ЦИС, СЕР) превращаются в пируват.