Энергетический материал организма

• 2 Вопрос
• 1. Распад гликогена. Гликоген («glykys» — сладкий) — высокомолекулярный полимер, построенный из остатков глюкозы, связанных а-1,4- и а-1,6-гликозидными связями. В большом количестве содержится в печени и мышцах. Гликоген упакован в гранулы, размер которых 100 — 400 А. В гранулах находятся ферменты синтеза и распада гликогена.

Распад гликогена происходит в интервалах между приемами пищи; этот процесс ускоряется при физических нагрузках. Гликогенолиз происходит за счет отщепления остатков глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата (см. наглядный материал). Фермент гликогенфосфорилаза расщепляет L-1,4-гликозидные связи в гликогене в результате остаются 4 остатка глюкозы до места ветвления (L-1,6-гликозидная связь). Олигосахаридтрансфераза переносит фрагмент гликогена (состоящий из трех остатков глюкозы) на неразветвленный участок цепи, остается один остаток глюкозы, связанный L-1,6-гликозидной связью. Фермент а-1,6-глюкозидаза отщепляют мономерный остаток глюкозы. Суммарная реакция:

Глюкозо-1-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат под действием фосфоглюкомутазы. Образующийся глюкозо-6-фосфат вступает в реакции гликолиза (или пентозного цикла) клеток мышц и мозга, а в клетках печени, почек и кишечника происходит дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата с образованием глюкозы и фосфорной кислоты (под действием фермента глюкозо-6-фосфатазы). Далее глюкоза поступает в кровь и разносится с кровью к тканям.

2. Биосинтез гликогена. При голодании гликоген распадается до небольшого фрагмента, содержащего 4−6 остатков глюкозы, связанных а-1,4-гликозидными связями. Этот фрагмент гликогена называется «затравкой» (или праймером); на нем начинается процесс биосинтеза гликогена. Глюкоза вступает в синтез гликогена в «активной» форме УДФ-глюкозы. В период пищеварения глюкоза поступает в клетку и фосфорилируется с образованием глюкозо-6-фосфата под действием фермента гексокиназы (или глюкокиназы в печени), затем изомеризуется в глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы. Глюкозо-1-фосфат превращается в УДФ-глюкозу под действием фермента УДФ-глюкуронилтрансферазы:

Реакция, катализируемая гликогенсинтазой, возможна лишь в том случае, когда в цепи «затравки» гликогена содержится более 4−6 остатков глюкозы:

УДФ-глюкоза + гликоген (n) = гликоген (n+1) + УДФ, где n > 4−6.

УДФ-глюкоза взаимодействует с нередуцированным остатком цепи гликогена (см. наглядный материал). Ветвление гликогена осуществляется ферментом амило-1,4−1,6-глюкозилтрансферазой («гликогенветвящий» фермент). Этот фермент присоединяет полисахаридную цепочку (п >7) с помощью а-1,6-гликозидной связи (точка ветвления). В месте ветвления находится 10−12 остатков глюкозы, от ближайшего места ветвления не менее 4 остатков глюкозы.

Значение ветвления: увеличивается растворимость, ускоряется рост полисахаридной цепи.

Регуляция процессов синтеза и распада гликогена. Сопоставим эти процессы. Эти процессы различны. Это обстоятельство дает возможность раздельно регулировать синтез и распад гликогена. Регуляция осуществляется на уровне 2 ферментов: гликогенфосфорилазы и гликогенсинтетазы. Основным механизмом регуляции активности этих ферментов является их ковалентная модификация путем фосфорилирования — дефосфорилирования. Фосфорилированная фосфорилаза активна (отвечает за расщепление гликогена) ее называют фосфорилаза-А. В то время как фосфорилированная гликогенсинтетаза неактивна, (активная форма отвечает за синтез) а дефосфорилированные формы наоборот. Дефосфорилированная фосфорилаза неактивна — фосфорилаза-В. Если оба эти фермента находятся в фосфорилированной форме (фосфорилаза — активна), то в клетке идет расщепление гликогена с образованием глюкозы. В дефосфорилированном состоянии (дефосфорилированная гликогенсинтетаза — активна) наоборот идет синтез гликогена из глюкозы. Поскольку гликоген печени играет роль резерва глюкозы для всего организма, то его синтез и распад должен несомненно контролироваться надклеточными регуляторными механизмами, работа которых направлена на поддержание постоянной концентрации глюкозы в крови. Дело в том, что например падение содержания глюкозы в крови ниже 2,2 млмоль/литртяжелейший гипогликемический шок, кома, смерть. Организм реагирует на снижение глюкозы крайне отрицательно. Эти механизмы гормональной регуляции должны обеспечивать исключение синтеза гликогена при повышенной концентрации глюкозы в крови и в то же время усиливать расщепление гликогена при падении концентрации глюкозы в крови. РАСПАД ГЛИКОГЕНА В ПЕЧЕНИ Первичным сигналом стимулирующим мобилизацию гликогена в печени является снижение концентрации глюкозы в крови. Если вы хотели есть, но вас отвлекли как ребенка и ничего не давать, то дальше он уже не просит есть. Почему? 1 В ответ на это а-клетки островков Лангерганса панкреатической железы выбрасывают в кровь гормон ГЛЮКАГОН. 2 Глюкагон циркулирующий в крови взаимодействует со своим белком-рецептором находящимся на внешней стороне наружной клеточной мембраны и образует гормон-рецепторный комплекс. 3 Затем с помощью специального механизма после образования гормон-рецепторного комплекса происходит активация фермента аденилатциклазы. (G белки меняют свою конформацию и переводят в активную форму аденилатциклазу). 4 Активная форма начинает образовывать циклический АМФ из АТФ. 5 ЦАМФ способен активировать еще один фермент — протеинкиназа. Этот фермент состоит из 4 субъединиц: 2-х регуляторных и 2-х каталитических. Две молекулы ЦАМФ присоединяются к регуляторным субъединицам => происходит изменение конформации и высвобождаются каталитические субъединицы. 6 Каталитические субъединицы обеспечивают фосфорилирование ряда белков, в том числе ферментов. В частности они обеспечивают фосфорилирофание гликогенсинтетазы и это сопровождается блокированием синтеза гликоген. Кроме этого происходит фосфорилирование киназы-фосфорилазы, (слово киназа означает фосфорилирование) которая фосфорилирует гликогенфосфорилазу. Отсюда активация расщепления гликогена с выходом глюкозы в кровь. 7 Выброшенная глюкоза в кровь увеличивает концентрацию доводя ее до нормальных величин. Стимуляция расщепления гликогена в печени происходит так же за счет выброса адреналина. 1 В качестве главных посредников здесь выступают Р рецепторы в гепатоцитах. Они связывают адреналин т. е. образуется гормоно-адреналиновы й комплекс. 2 После образования гормоно-рецепторного комплекса происходит повышение содержания ионов Са в клетках. 3 Са стимулирует Са-зависимую киназу фосфорилазы. Которая в свою очередь активирует фосфорилазу путем ее фосфорилирования. СТИМУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ГЛИКОГЕНА Студент получил стипендию и наелся. Съел много сладких вещей. В этом случае наблюдается повышение содержания глюкозы в крови. Что является внешним сигналом для гепатоцитов в отношении стимуляции синтеза гликогена и связывания таким образом лишней глюкозы из русла крови. Срабатывает следующий механизм. 1 При повышении концентрации глюкозы в крови путем пассивной диффузии повышается содержание глюкозы в гепатоцитах. Это повышение содержания глюкозы в крови очень сложным (в основном это аллостерическая модуляция) механизмом приводит к активации фосфопротеинфосфотаз ы. 2 Который вызывает дефосфорилирование гликогенсинтетаза, отщепляя от фосфорилирофанных форм фосфорилазы и гликогенсинтетазы фосфорную кислоту и поэтому 3 Дефосфорилированная гликогенсинтетаза превращается в активную форму, что резко стимулирует синтез гликогена. 4 Как только концентрация выравнивается глюкозы в крови так этот механизм выключается. В снижении фосфорилазной активности в гепатоцитах определенную роль играет инсулин. 1 Выделяется в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови. Его связывание с инсулиновыми рецепторами приводит к активации в клетках печени фермента фосфодиастеразы. 2 Это фермент который расщепляет циклическую АМФ. А значит прерывающего активацию гликогенфосфорилазы. Как только мы съедаем много углеводов мы каждый раз своеобразно бьем кнутом по нашей панкреатической железе, заставляя, выбрасывать инсулин. Отсюда истощение инсулярного аппарата, который наблюдается у людей с неблагополучным статусом.

3 вопрос Биосинтез ТАГ в энтероцитах, печени и жировой ткани распад гликоген липолиз печень.

Биосинтез триацилглицеринов (ТАГ) имеет важное биологическое значение, так как обеспечивает запасание в жировом депо организма энергетического материала на длительный срок. Локализация: биосинтез ТАГ (липогенез) протекает в цитозоле клеток различных тканей, кроме клеток мозга. Наиболее интенсивно синтез жиров идет в: энтероцитах слизистой кишечника (I ресинтез ТАГ); гепатоцитах печени, в адипоцитах жировой ткани, почках, скелетных мышцах и лактирующей молочной железе (II ресинтез ТАГ). Но главную роль в обмене липидов играют печень и жировая ткань. Возможны 2 пути биосинтеза ТАГ: моноглицеридный и альфа-глицерофосфатный:

• 1. Моноглицеридным (т. е. исходными субстратами являются в-МАГ и б, в-ДАТ и активные ВЖК (ацил-КоА).
• 2. Альфа-глицерофосфатным (т. е. исходными субстратами являются глицеро-3-фосфат и активированные ВЖК).

Судьба ТАГ в организме. В печени 90% триацилглицеринов идет на образование липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП), которые транспортируют эндогенные липиды из печени в кровь. 10% ТАГ печени расходуется на образование предшественников липопротеинов высокой плотности (ЛВП). В жировую ткань в основном поступают эндогенные липиды из печени в виде ЛОНП, а экзогенные липиды — в виде хиломикронов (ХМ).

Две формы депонированного энергетического материала — гликоген и жиры — различаются по очередности мобилизации:

• а) при голодании, физической нагрузке в первую очередь используются преимущественно запасы гликогена, а затем жиры;
• б) кратковременные физические нагрузки практически полностью обеспечиваются энергией за счет гликогена, а при длительных физических нагрузках используются и жиры.

Липолиз — процесс расщепления жиров на составляющие их жирные кислоты под действием фермента липазы. При этом простом гидролитическом процессе выводятся жирные кислоты, они становятся топливом для организма и действуют как активаторы синтеза кетонов (полупродуктов, участвующих в органическом синтезе), например во время длительного голодания.

В дополнение к сжиганию жира, накопленного в жировых тканях, липолиз происходит в тканях мышц и печени, где сохраняются небольшие количества жирных кислот, чтобы в случае необходимости перевести их в энергию.

Процесс липолиза (сжигания жира) имеет три стадии:

• · гормональное возбуждение (имеют важное значение такие гормоны, как тироксин, соматотропин, адреналин, инсулин;
• · перемещение жирных кислот к митохондриям для энергетического использования;
• · жир и энергетические метаболиты сигнализируют телу, продолжать ли мобилизовать жир для получения энергии или остановить процесс сжигания жира.
• (Мобилизация жиров из жировой ткани

Адипоциты (место депонирования жиров) располагаются в основном под кожей, образуя подкожный жировой слой, и в брюшной полости, образуя большой и. малый сальники. Мобилизация жиров, т. е. гидролиз до глицерола и жирных кислот, происходит в постабсорбтивный период, при голодании и активной физической работе. Гидролиз внутриклеточного жира осуществляется под действием фермента гормончувствительной липазы — ТАГ-липазы. Этот фермент отщепляет одну жирную кислоту у первого углеродного атома глицерола с образованием диацилглицерола, а затем другие липазы гидролизуют его до глицерола и жирных кислот, которые поступают в кровь. Глицерол как водорастворимое вещество транспортируется кровью в свободном виде, а жирные кислоты (гидрофобные молекулы) в комплексе с белком плазмы — альбумином.

Рис. 8-22. Депонирование жира в адипоцитах в абсорбтивном периоде.

После еды при повышении концентрации глюкозы в крови увеличивается секреция инсулина. Инсулин активирует транспорт глюкозы внутрь адипоцитов, действуя на ГЛЮТ-4, и синтез ЛП-липазы в адипоцитах и её экспонирование на поверхности стенки капилляров. ЛП-липаза, связанная с эндотелием сосудов, гидролизует жиры в составе ХМ и ЛПОНП. АпоС-II на поверхности ХМ и ЛПОНП активирует ЛП-липазу. Жирные кислоты проникают в адипоцит, а глицерол транспортируется в печень. Так как в адипоцитах нет фермента глицеролкиназы, то свободный глицерол не может использоваться для синтеза ТАГ в этой ткани. Активированные жирные кислоты взаимодействуют с глицерол-3-фосфатом, образующимся из дигидроксиацетонфосфата, и через фосфатидную кислоту превращаются в ТАГ, которые депонируются в адипоцитах. Сокращения: ТАГ* - триацилглицеролы в составе ХМ и ЛПОНП; ДАФ — дигидроксиацетонфосфат.).

Триацилглицерол-Состав жиров отвечает общей формуле.

где R№, RІ и Rі — радикалы (одинаковых или различных) жирных кислот.

4 вопрос Трансаминирование — реакции переноса a-аминогруппы с аминокислоты на a-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы. Это сложные ферменты, коферментом которых является производное витамина В6 — пиридоксальфосфат, который обратимо может переходить в пиридоксаминфосфат. Реакции трансаминирования обратимы, и могут проходить как в цитоплазме, так и в митохондриях клеток. В клетках человека найдено более 10 аминотрансфераз, отличающихся по субстратной специфичности. Вступать в реакции трансаминирования могут почти все аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина. Реакции трансаминирования протекают в 2 стадии. На первой стадии к пиридоксальфосфату в активном центре фермента присоединяется аминогруппа от первого субстрата — аминокислоты. Образуется комплекс ферментпиридоксаминфосфат и кетокислота — первый продукт реакции. Этот процесс включает промежуточное образование 2 шиффовых оснований (альдимин и кетимин).

На второй стадии пиридоксаминфосфат соединяется с новой кетокислотой (второй субстрат) и снова через промежуточное образование 2 шиффовых оснований передает аминогруппу на кетокислоту. В результате фермент возвращается в свою нативную форму, и образуется новая аминокислота — второй продукт реакции.

Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты, содержание которых в тканях значительно выше остальных — глутамат, аланин, аспартат. Наиболее распространенными в большинстве тканей являются аланинаминотрансфераза (АлАТ) и аспартатаминотрансфераза (АсАТ).

Наибольшая активность АсАТ обнаруживается в клетках сердечной мышцы и печени, в то время как в крови обнаруживается только фоновая активность АлАТ и АсАТ. Поэтому можно говорить об органоспецифичности этих ферментов, что позволяет их широко примененятьих с диагностической целью (при инфарктах миокарда и гепатитах) Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты, содержание которых в тканях значительно выше остальных — глу-тамат, аланин, аспартат и соответствующие им кетокислоты — б-кетоглутарат, пируват и оксалоацетат. Основным донором аминогруппы служит глутамат.

Суммарно эти реакции можно представить в виде схемы:

Принцип работы.

Аланин и а-кетоглютаровая кислота подвергаются переаминированию с образованием пировиноградной и глютаминовой кислот:

Образование пировиноградной кислоты можно доказать реакцией с салициловым альдегидом (оранжевая окраска). Для того чтобы задержать процесс на стадии образования пировиноградной кислоты и предотвратить ее восстановление в молочную, к реакционной смеси добавляют монобромуксусную кислоту.