Гликогенез — процесс биосинтеза гликогена, происходит в клетках тех живых организмов, которые используют этот полисахарид для хранения глюкозы (животных, грибов и многих прокариот). У млекопитающих протекает с разной интенсивностью во всех тканях, но наиболее выражено в печени и скелетных мышцах. Субстратом для гликогенеза является уридиндифосфатглюкоза, то есть он осуществляется путем отличным от деградации гликогена — гликогенолиза, основным продуктом которого является глюкозо-1-фосфат. Ключевым ферментом гликогенеза является гликогенсинтаза.

Первые свидетельства о различиях в путях биосинтеза и деградации гликогена были получены при изучении болезни Мак-Ардла — редкой формы гликогеноза, что проявляется в болезненных судорогах скелетных мышц во время интенсивной физической нагрузки. У людей, страдающих этим расстройством, не хватает гликогенфосфорилазы — фермента, обеспечивает расщепление гликогена, однако запасания гликогена не нарушено. Таким образом было сделано заключение, что гликогенолиз и гликогенез должны происходить различными путями. Роль УДФ-глюкозы в процессе гликогенеза выяснил аргентинский биохимик Луис Лелуар 1957 года.

Образование УДФ-глюкозы

Процесс биосинтеза гликогена начинается с глюкозо-6-фосфата. В мышцах это соединение образуется путем фосфорилирования свободной глюкозы, транспортируется в клетки из крови. В печени глюкозо-6-фосфат также может синтезироваться в процессе глюконеогенеза, в частности с молочной кислоты, выделяется мышцами во время интенсивных нагрузок.

Для использования в процессе гликогенеза глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат фосфоглюкомутаза, этот фермент общий для путей биосинтеза и расщепления гликогена. Продукт реакции становится субстратом для УДФ-глюкозофосфорилазы (фермент названный по обратной реакцией), что катализирует образование УДФ-глюкозы:

УТФ + глюкозо-1-фосфат → УДФ-глюкоза + ФФ н

Хотя сама реакция конденсации глюкозо-1-фосфата и УТФ имеет очень незначительную положительную изменение свободной энергии, в ней образуется пирофосфат, который сразу же гидролизуется неорганической пирофосфатазы в сильно екзергоничний реакции (ΔG = -19,2 кДж / моль). В результате суммарный процесс необратимый за клеточных условий.

Использование в процессе биосинтеза гликогена УДФ-глюкозы имеет несколько преимуществ. Во-первых, остаток нуклеотида активирует молекулу глюкозы, а именно C-1, к которому он присоединен, и способствует нуклеофильного атаке на него. Урилидмоносфосфат является хорошим отходной группой во время следующей, гликогенсинтазнои, реакции. Во-вторых, хотя остаток нуклеотида непосредственно не участвует в этой реакции, он нековалентно взаимодействует с ферментом и способствует более быстрому прохождению химического преобразования. В-третьих, присоединение нуклеотидов к глюкозе и других моносахаридов, может выполнять роль «метки» этих молекул для нужд биосинтеза, в то время как фосфаты используются для других путей, например гликолиза.

Полимеризация гликогена

УДФ-глюкоза вступает в реакцию, в которой остаток глюкозы переносится на нередукуючий конец одной из ветвей молекулы гликогена. При этом формируется (α1 → 4) -гликозидными связь. Реакцию катализирует гликогенсинтаза:

УДФ-глюкоза + гликоген n → УДФ + гликоген n + 1;

Изменение свободной энергии для этой реакции составляет ΔG 0 '= -13,4 кДж / моль. У млекопитающих существует две изоформы гликогенсинтазы, аминокислотные последовательности которых идентичны примерно на 70%, — печеночная и мышечная. Растения и бактерии также имеют крахмал / гликогенсинтазы однако они используют как субстрат АДФ-глюкозу, и мало родственные животными гликогенсинтазамы.

Гликогенсинтаза не может обеспечивать образование мест ветвления — (α1 → 6) -связей. Они формируются ответвительные ферментом (амило- (1,4 → 1,6) -трансгликозилазою). От ветвей не короче одиннадцати остатков глюкозы он отщепляет фрагмент длиной 6-7 мономерных звеньев и переносит его на C-6 гидроксильную группу одного из внутренних глюкозных остатков той же или другой ветви. Новая ветка должна быть удалена от предыдущей как минимум на четыре мономерные звенья. Таким образом образуется вилка, каждая из которой может дальше полимеризоваться под влиянием гликогенсинтазы.

Действие ответвительные фермента не является обратной к действию дерозгалужуючого. Оба белки обладают трансферазною активностью, однако в первой (ответвительные) она проявляется в разрыве (α1 → 4) -связи и формировании (α1 → 6) -связь, тогда как второй (дерозгалужуючий) розщепленнюе одно (α1 → 4) -связь и образует другой, гидролиз (α1 → 6) -связи, что остался здиснюеться благодаря другой ферментативной активности. Такая разница вполне объяснима с точки зрения энергетики: поскольку изменение свободной энергии при гидролизе (α1 → 4) -связи составляет -15,5 кДж / моль, а (α1 → 6) — -7,1 кДж / моль, то гидролиз (α1 → 4) -связи может обеспечивать синтез (α1 → 6), но не наоборот.

Биологическое значение ветвления состоит в том, что оно обеспечивает увеличение растворимости гликогена. Также каждая из образованных ветвей может быть субстратом для гликогенфосфорилазы или гилкогенсинтазы, в результате чего процессы синтеза и деградации существенно ускоряются.

Гликогенин

Гликогенсинтаза способна только присоединять остатки глюкозы в нередукуючих концов молекулы гликогена, уже содержит не менее четырех мономерных звеньев. Она не может начинать синтез de novo, для этого необходимо гликогенин — димерних белок, состоящий из двух идентничинх субъединиц по 37 кДа каждая (332 аминокислотные остатки). Гликогенин не только служит праймером для синтеза новых молекул гликогена, но и сам катализирует его первые реакции. Благодаря своей гликозилтрансферазний активности, одна из его субъединиц переносит остаток глюкозы с УДФ-глюкозы на гидроксильную группу тирозина 194 другой и наоборот. После этого происходит достройку еще шести-восьми мономерных субъединиц к каждому из двух новообразованных цепей. После этого в действие вступает гилкогенсинтаза, которая может использовать уже имеющийся праймер. Таким образом в основе каждой частицы гликогена лежит молекула гликогенину, ковалентно присоединена к ее единственного редуцирующего конца.

Энергетический выход

Поскольку УДФ, что выделяется при гликогенсинтазнои реакции, снова превращается в УТФ благодаря переносу фосфатной группы с АТФ ферментом нуклеозиддифосфокиназою, то можно считать, что на включение одного остатка глюкозы в гликоген используется одна молекула АТФ. Суммарное уравнение процесса выглядит так:

Глюкозо-6-фосфат + АТФ + гликоген n + H 2 O → гликоген n + 1 + АДФ + 2Ф н

Во время расщепления гликогена 90% остатков глюкозы отделяются путем фосфоролиз, в результате чего образуется глюкозо-1-фосфат, который может быть преобразован в глюкозо-6-фосфат без энергетических затрат. Только 10% глюкозных остатков в местах ветвления отсоединяются гидролитически и требуют дальнейшего фосфорилирования, на что используется АТФ. Так что для этих 10% «цена хранения» составляет 2 молекулы АТФ.

Регуляция гликогенеза

Основным регуляторным ферментом гликогенеза является гилкогенсинтетаза. По ее каталитическую активность могут влиять как аллостерические модуляторы, так и ковалентная модификация. Преобразование активной a формы этого фермента в неактивную b происходит вследствие фосфорилирования, в частности такими ферментами как протеинкиназа А, киназа гликогенсинтазы 3 и другими. То есть ее ответ на ковалентную модификацию противоположной таковой у ключевого фермента гликогенолиза — гликогенфосфорилазы. Неактивная гликогенсиназа b может включаться только под воздействием высоких концентраций аллостерического активатора глюкозо-6-фосфата, тогда как a форма не зависит от этого соединения.