Гликогенолиз — внутриклеточный процесс расщепления гликогена до глюкозо-6-фосфата для его дальнейшего использования в процессах энергетического обмена. Наиболее интенсивно происходит в основных местах хранения гликогена: скелетных мышцах, где большинство образованного глюкозо-6-фосфата вступает в гликолиз для обеспечения энергетических потребностей, и в печени, где глюкозо-6-фосфат дефосфорилируется и выделяется в кровь для поддержания стабильного уровня глюкозы .

Для прохождения гликогенеза необходима активность трех ферментов: гликогенфосфорилазы, бифункционального дерозгалужуючого фермента и фосфоглюкомутазы. Процесс контролируется на нескольких уровнях, его стимулируют гормоны глюкагон и адреналин.

Механизм

В отличие от процесса переваривания гликогена внутриклеточный гликогенолиз происходит путем фосфоролиз, а не гидролиза. То есть гликозидные связи полимера атакуются не водой, а фосфатной кислотой. Согласно продуктом реакции является не свободная глюкоза, а глюкозо-1-фосфат. Образование эфира позволяет сохранить большую часть энергии гликозидных связей и для включения моносахарида в метаболические пути, такие как гликолиз и пентозофосфатный путь не нужно их дополнительно фосфорилировать, на что тратилась бы молекула АТФ. Кроме того образования глюкозо-1-фосфата в мышцах имеет еще одно преимущество: это соединение отрицательно заряженная при физиологических условиях и для нее, в отличие от глюкозы, нету переносчиков в плазматической мембране, поэтому она не может покидать клетку.

Гликогенфосфорилазы

Процесс гилкогенолизу начинается с фосфоролиз (α1 → 4) -гликозидными связей с нередукючого конца, катализируемой гликогенфосфорилазы. Коферментом в реакции является пиридоксаль-5-фосфат, ковалентно присоединен к ферменту через шифову основу с лизином в положении 679. фосфатных групп этой молекулы функционирует как общий кислотный катализатор, стимулирующий атаку гликозидной связи ортофосфорная кислота.

In vitro реакция катализируемая гликогенфосфорилазы является обратимой, значение стандартной изменения свободной энергии ΔG 0 'является небольшим, потому что гликозидная связь и Эстерн, на который он заменяется, имеют примерно одинаковый запас энергии. Однако учитывая, что по pH 6,8 равновесное соотношение [Ф н] / [глюкозо-1-фосфат] составляет около 3,6, а в цитоплазме клетки оно обычно превышает 100, равновесие реакции сильно смещена в сторону расщепления гликогена (образование глюкозо 1-фосфата).

Гликоген-связывающая участок фосфорилазы имеет форму трещины, в которой могут поместиться 4-5 остатков глюкозы. Но она слишком узкая для того, чтобы захватывать места ветвления. Поэтому действие гликогенфосфорилазы прекращается в точке удаленной на четыре остатки глюкозы от (α1 → 6) -связи. Аткивнисть этого фермента является предметом сложных механизмов регулирования, как аллостерического так и путем ковалентной модификации.

Дерозгалужуючий фермент

Если бы гликонефосфорилаза действовала сама, то расщепление гликогена завершалось бы после освобождения около шести остатков глюкозы на ветку. Для того, чтобы деполимеризовать целую молекулу нужны две дополнительные ферментативные активности: трансферазна и α-1,6-гликозидазна, в клетках эукариот обеими активностями владеет один так называемый дерозгалужуючий фермент. Сначала он катализирует перенос фрагмента из трех глюкозных остатков с внешней ветви внутреннюю. После этого остается один глюкозный мономер присоединен (α1 → 6) -гликозидными связью, который гидролизуется благодаря α-1,6-гликозидазний активности:

Поскольку происходит реакция гидролиза, а не фосфоролиз, то продуктом является глюкоза, а не глюкозо-1-фосфат. Для дальнейшего использования в гликолизе глюкоза фосфорилируется гексокиназой.

В процессе гликогенеза разветвления происходит иначе: трансферазна реакция, катализируемая ответвительные ферментом (амило- (1,4 → 1,6) -трансгликозилазою), заключается в гидролизе (α1 → 4) -связи и образовании образовании (α1 → 6) -связи. Во время гликогенолиза обратная реакция не происходит (трансферазна активность дерозгалужуючого фермента заключается в гидролизе одного и образовании другого (α1 → 4) -связи). Это объясняется с точки зрения энергетики процесса: изменение свободной энергии при гидролизе (α1 → 4) -связи составляет -15,5 кДж / моль, а для гидролиза (α1 → 6) -связи — -7,1 кДж / моль. Из-за этого расщепления (α1 → 4) -связи может обеспечивать синтез (α1 → 6) -связи, но не наоборот.

Образованный линейный фрагмент молекулы гликогена снова становится субстратом для гликогенфосфорилазы, что продолжает расщепления к следующему месту ветвления, где в действие повторно вступает дерозгалужуючий фермент.

Фосфоглюкомутаза

Для того, чтобы вступить в метаболические пути клетки, глюкозо-1-фосфат должен быть преобразован в глюкозо-6-фосфат. Это осуществляется благодаря фосфоглюкомутаза, которая кроме того участвует в метаболизме галактозы. Реакция происходит путем обмена фосфатными группами между ферментом и субстратом:

Для того чтобы фосфоглюкомутаза могла катализировать реакцию, остаток серина в активном центре должен быть фосфорилированном. Иногда во время реакции происходит диссоциация глюкозо-1,6-бисфосфат, в результате чего фермент остается в инактивированном состоянии. Для обеспечения его реактивации в клетке всегда поддерживается некоторый уровень глюкозо-1,6-бисфосфат, который синтезируется ферментом фосфоглюкокиназою.

Использование глюкозо-6-фосфата

Продукт гликогенолиза глюкозо-6-фосфат может превращаться тремя путями: он может быть субстратом для глиолизу (преимущественно в мышцах и мозга), превращаться в свободную глюкозу и поступать в кровь (в печени, и в меньшей степени, в почках) или превращаться в пентозофосфатному пути с образованием рибозы и НАДФH.

Преобразование в свободную глюкозу

Из всех тканей организма только печень и почки содержат фермент глюкозо-6-фосфатазу, он необходим для пополнения уровня глюкозы в крови в период между приемами пищи или интенсивной физической нагрузки. Глюкозо-6-фосфатаза — интегральный фермент мембраны эндоплазматического ретикулума с активным центром возвращенным в его полость. Глюкозо-6-фосфат, который образуется в цитоплазме в процессе гликогенолиза, транспортируется специальным переносчиком (T1) в ЕР, где происходит его гидролиз. Продукты — глюкоза и фосфат — транспортируются обратно в цитозоль другими белками — T2 и T3, а оттуда с участием переносчика GLUT2 глюкоза выделяется в кровь.

Таким образом в гепатоцитах и ​​клетках почек два пути использования глюкозо-6-фосфата — гликолитический и преобразования в свободную глюкозу — разделены пространственно.

Регуляция гилкогенолизу

Лимитирующий стадию гликогенолиза катализирует гликогенфосфорилазы, соответственно, именно она и является ключевым регуляторным ферментом этого пути. Каталитическая активность гликогенфосфорилазы контролируется на двух уровнях: она приводится в соответствие с потребностями отдельной клетки в конкретный момент времени благодаря аллостерический регуляции, кроме того существует «централизованное» регуляция благодаря гормонам, таким как адреналин, глюкагон и инсулин, вызывают фосфорилирования или дефосфорилювання фермента и, соответственно, его включение и выключение.

Печень и скелетные мышцы имеют свои особенности регуляции гликогенолиза благодаря наличию различных изоформ гликогенфосфорилазы. Различия связаны разницей в назначении расщепления гликогена в этих органах: в то время как мышцы используют глюкозу только для собственных нужд, печень обеспечивает им весь организм.

Активация гликогенолиза

В скелетных мышцах активность гликогенфосфорилазы напрямую зависит от энергетического статуса клетки. Аденозинмонофосфат, высокие концентрации которого свидетельствуют о истощение запасов АТФ, действует как аллостерический активатор этого фермента. Печеночная изоформа не чувствительна к АМФ.

Как в мышцах, так и в печени гликогенфосфорилазы активируется в результате фосфорилирования. Фосфорилированную ее форму называют фосфорилазы a, а не фосфорилированную (и, соответственно, неактивную) — фосфорилазы b. Преобразование b формы в a обеспечивает киназа фосфорилазы. Она в свою очередь также является регуляторным ферментом и может включаться под влиянием фосфорилирования и / и повышенной концентрации кальция в цитоплазме. Фосфорилирует киназу фосфорилазы протеинкиназа А, которая функционирует только при наличии определенного уровня цАМФ. Увеличение концентрации вторичного посредника цАМФ в клетке происходит под действием гормонов, глюкагона и адреналина (когда он связывается с β-адренорецепторов).

Увеличение концентрации кальция, который также играет роль в активации киназы фосфорилазы, в гепатоцитах также происходит под влиянием гормона адеренлину, однако в том случае, когда он действует через α-адернорецептор. В скелетных мышцах таких рецепторов нет, однако уровень кальция возрастает непосредственно в ответ на нервный импульс, который стимулирует сокращение.

Обратное преобразование гликогенфосфорилазы a в гликогенфосфорилазы b, а также и дефосфорилювання и инактивацию киназы фосфорилазы, обеспечивает фосфопротеинфосфатаза 1. Активность этого фермента подавляется в ответ на действие глюкагона и адреналина. После прекращения гормонального сигнала гликогенолиз быстро «выключается»: конститутивно активная фосфодиэстеразы гидролизует цАМФ, протеинкиназа А инактивируются, киназа фосфорилазы и гликогенфосфорилазы дефосфорилируется фосфопротеинфосфатазою 1.

Угнетение гликогенолиза

Когда мышечная ткань достаточно обеспечена энергией и энергетическими сусбтратамы, происходит мгновенное замедление гликогенолиза. АТФ и глюкозо-6-фосфат действуют как аллостерические ингибиторы гликогенфосфосфорилазы.

Гликогенфосфорилазы печени, а именно ее активная a форма, чувствительна к концентрации глюкозы. После еды ее уровень в крови возрастает и она переносится транспортером GLUT2 в гепатоциты, где действует как аллостерический ингибитор гликогенфосфорилазы. Активная фосфорилаза a угнетала фосфопротеинфосфатазу 1, а после ее инактивации глюкозой блокировка снимается и фосфопротеинфосфатаза 1 дефосфорилюе фосфорилазу a и переводит ее в неактивную b форму.

Гликогенолиз в мышцах и печени также подавляется гормоном инсулином, выделяемый поджелудочной железой в ответ на высокие концентрации глюкозы. Инсулин не только блокирует расщепление гликогена а одновременно стимулирует его биосинтез.

Изображения по теме

  • Гликогенолиз