Биологическая химия - часть 80

Рис. 10.1. Гормональная регуляция фосфоролитического отщепления остатка глю-

козы от гликогена.

Фосфорилазы переводят полисахариды (в частности, гликоген) из

запасной формы в метаболически активную форму; в присутствии фосфо-

рилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы

(глюкозо-1-фосфата) без предварительного расщепления на более крупные

обломки молекулы полисахарида. В общей форме эту реакцию можно

представить в следующем виде:

(C

6

H

10

O

5

)

n

 + H

3

PO

4

 –

> (C

6

H

10

O

5

)

n–1

 + Глюкозо-1-фосфат,

где (С

6

Н

10

О

5

)

n

 означает полисахаридную цепь гликогена, а (С

6

Н

10

О

5

)

n

,– ту

же цепь, но укороченную на один глюкозный остаток.

На рис. 10.1 изображены процесс распада гликогена до глюкозо-1-фосфата

и участие в этом процессе цАМФ. Фермент фосфорилаза существует в двух формах,

одна из которых (фосфорилаза а) активна, в то время как другая (фосфорилаза b)

обычно неактивна. Обе формы могут диссоциировать на субъединицы. Фосфорилаза

b состоит из двух субъединиц, а фосфорилаза а – из четырех. Превращение фосфо-

рилазы b в фосфорилазу а осуществляется фосфорилированием белка:

325

Аденилатциклаза

(неактивная)

Адреналин, глюкагон

Аденилатциклаза

(активная)

АТФ

Н

4

Р

2

О

7

цАМФ

цАМФ-зависимая

протеинкиназа

(активная)

цАМФ-зависимая

протеинкиназа

(неактивная)

Киназа фосфорилазы b

(неактивная)

+ АТФ
+ Мg

2+

Киназа фосфорилазы b

(активная)

Гликоген

(С

6

Н

10

О

5

)

n

Фосфорилаза b

(неактивная)

Фосфорилаза а

(активная)

4Н

3

РO

4

Фосфатаза

4Н

2

O

Гликоген

(C

6

H

10

O

5

)

n-1

Глюкозо-1

Фосфат

4АТФ 4АДФ

Н

3

РO

4

2 Фосфорилаза b + 4 АТФ –> Фосфорилаза а + 4 АДФ.

Катализируется эта реакция ферментом, который называется киназой

фосфорилазы b. Установлено, что эта киназа может существовать как

в активной, так и в неактивной форме. Неактивная киназа фосфорилазы

превращается в активную под влиянием фермента протеинкиназы (киназа

киназы фосфорилазы), и не просто протеинкиназы, а цАМФ-зависимой

протеинкиназы.

Активная форма последней образуется при участии цАМФ, которая

в свою очередь образуется из АТФ под действием фермента аденилатцик-

лазы, стимулируемой, в частности, адреналином и глюкагоном. Увеличение

содержания адреналина в крови приводит в этой сложной цепи реакций

к превращению фосфорилазы b в фосфорилазу а и, следовательно, к осво-

бождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида

гликогена. Обратное превращение фосфорилазы а в фосфорилазу b ка-

тализируется ферментом фосфатазой (эта реакция практически необра-

тима).

Образовавшийся в результате фосфоролитического распада гликогена

глюкозо-1-фосфат превращается под действием фосфоглюкомутазы в

глюкозо-6-фосфат. Для осуществления данной реакции необходима фосфо-

рилированная форма фосфоглюкомутазы, т.е. ее активная форма, которая

образуется, как отмечалось, в присутствии глюкозо-1,6-бисфосфата *.

Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени проис-

ходит под влиянием глюкозо-6-фосфатазы. Данный фермент катализирует
гидролитическое отщепление фосфата:

* В настоящее время установлено, что в каталитическом центре активной формы

молекулы фосфоглюкомутазы присутствует фосфорилированный остаток серина. Во время

катализа эта фосфорильная группа, вероятно, переносится на гидроксильную группу при С-6

глюкозо-1-фосфата с образованием глюкозо-1-бисфосфата. Далее фосфорильная группа ука-

занного промежуточного продукта переносится на остаток серина в активном центре.

В результате происходят образование глюкозо-6-фосфата и регенерирование фосфорили-

рованного фермента.

326

Глюкозо-1-фосфат

Фосфоглюкомутаза

Глюкозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкоза

Н

2

O

P

i

Рис. 10.2. Распад и синтез гликогена

(схема).

Жирными стрелками указан путь распада,

тонкими - путь синтеза. Цифрами обозна-

чены ферменты: 1 - фосфорилаза; 2 - фос-

фоглюкомутаза; 3 - глюкозо-6-фосфатаза;

4 - гексокиназа (глюкокиназа); 5 - глюко-

зо-1-фосфат-уридилтрансфераза; 6 - глико-

генсинтаза.

Заметим, что фосфорилированная глюкоза в противоположность неэте-

рифицированной глюкозе не может легко диффундировать из клеток.

Печень содержит гидролитический фермент глюкозо-6-фосфатазу, который

и обеспечивает возможность быстрого выхода глюкозы из этого органа.

В мышечной ткани глюкозо-6-фосфатаза практически отсутствует.

На рис. 10.2 отражены представления о путях распада и синтеза

гликогена в печени *.

Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы

в крови является результатом одновременного протекания двух процессов:

поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями,

где она используется в первую очередь как энергетический материал.

В тканях (в том числе в печени) распад глюкозы происходит двумя

основными путями: анаэробным (при отсутствии кислорода) и аэробным,

для осуществления которого необходим кислород.

ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это после-

довательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глю-

козы в пируват с одновременным образованием АТФ.

При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где пол-

ностью окисляется до СО

2

 и Н

2

О. Если содержание кислорода недоста-

точно, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце,

пируват превращается в лактат.

Итак, гликолиз – не только главный путь утилизации глюкозы в клетках,

но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если

* Как отмечалось, в отличие от печени в мышечной ткани глюкозо-6-фосфатаза отсутст-

вует. Пути распада и синтеза гликогена в печени в целом подобны таковым в мышце, однако

имеются существенные различия в структуре печеночных и мышечных ферментов мета-

болизма, а также в механизмах регуляции их активности.

327

Н

3

РО

4

Гликоген

УДФ

УДФ-глюкоза

Пирофосфат

Глюкозо-1-фосфат

УТФ

Глюкозо-6-фосфат

Н

2

О

АДФ

АТФ

Глюкоза

Н

3

РО

4

последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие

кислорода (анаэробные условия).

Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глю-

козы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кисло-

рода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В про-

цессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно

представить следующим образом:

С

6

Н

12

О

6

 + 2АДФ + 2Ф

Н

 –

> 2СН

3

СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н

2

О.

В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном

организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм

человека и животных определенный период может осуществлять ряд фи-

зиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех

случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об

аэробном гликолизе *.

Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их

промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катали-

зируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено

в гомогенном, клисталлическом или высокоочищенном виде и свойства

которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в гиало-

плазме (цитозоле) клетки.

П е р в о й ферментативной  р е а к ц и е й гликолиза является фосфорили-

рование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ.

Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровож-

дается освобождением значительного количества свободной энергии систе-

мы и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование

глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом

реакции, и аллостерическим ингибитором.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не

только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы

и т.д. В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа,

который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы. В мышечной

ткани этот фермент отсутствует (подробнее см. главу 16).

* В аэробных условиях гликолитический распад глюкозы до пировиноградной кислоты

можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого
процесса - СО

2

 и Н

2

О.

328

Глюкоза

Молочная кислота

Глюкоза

Гексокиназа

Глюкозо-6-фосфат

АТФ

АДФ