Синтез и распад гликогена биохимия

Регуляция образования гликогена

Образование и расщепление гликогена регулируют несколько гормонов, а именно:

1) инсулин
2) глюкагон
3) адреналин

Образование гликогена происходит после того, как концентрация глюкозы в крови повышается: раз глюкозы много, то её необходимо запасти впрок. Поглощение глюкозы клетками в основном регулируется двумя гормонами-антагонистами, то есть гормонами с противоположным действием: инсулином и глюкагоном. Оба гормона выделяются клетками поджелудочной железы.

Инсулин синтезируется, если глюкозы в крови много. Это обычно бывает после того, как человек поел, в особенности если еда — это богатая углеводами пища (например, если съесть мучное или сладкое). Все углеводы, которые содержатся в пище, расщепляются до моносахаридов, и уже в таком виде через стенку кишечника всасываются в кровь. Соответственно, уровень глюкозы повышается.

Когда рецепторы клеток реагируют на инсулин, клетки поглощают глюкозу из крови, и её уровень вновь снижается. Кстати, именно поэтому диабет – недостаток инсулина – образно называют «голод среди изобилия», ведь в крови после употребления пищи, которая богата углеводами, появляется очень много сахара, но без инсулина клетки не могут его поглотить. Часть глюкозы клетки используют для получения энергии, а оставшуюся превращают в жир. Клетки печени используют поглощённую глюкозу для синтеза гликогена. Если же в крови мало глюкозы, то происходит обратный процесс: поджелудочная железа выделяет гормон глюкагон, и клетки печени начинают расщеплять гликоген, выделяя глюкозу в кровь, или синтезировать глюкозу заново из более простых молекул, таких как молочная кислота.

Адреналин также приводит к распаду гликогена, потому что всё действие этого гормона направлено на то, чтобы мобилизовать организм, подготовить его к реакции по типу «бей или беги». А для этого необходимо, чтобы концентрация глюкозы стала выше. Тогда мышцы смогут использовать её для получения энергии.

Таким образом, поглощение пищи приводит к выделению в кровь гормона инсулина и синтезу гликогена, а голодание – к выделению гормона глюкагона и распаду гликогена. Выделение адреналина, происходящее в стрессовых ситуациях, также приводит к распаду гликогена.

Синтез и превращение

Прежде чем рассматривать пользу гликогена как сложного углевода, разберемся, почему вообще в организме возникает такая альтернатива – гликоген в мышцах или жировые ткани. Для этого рассмотрим структуру вещества. Гликоген – это соединение из сотен молекул глюкозы. Фактически это чистый сахар, который нейтрализован и не попадает в кровь, пока организм сам его не запросит (источник – Википедия).

Жирная кислота

Что же такое жирная кислота, которая получается из углеводов? Фактически – это более сложная структура, в которой участвуют не только углеводы, но и транспортирующие белки. Последние связывают и уплотняют глюкозу до более трудно расщепляемого состояния.

Все это делается исключительно для создания резерва энергии в случае серьезного дефицита калорий. Гликоген же накапливается в клетках, и распадается на глюкозу при малейшем стрессе. Но и синтез его значительно проще.

Содержание гликогена в организме человека

Сколько гликогена может содержать организм? Здесь все зависит от тренировки собственных энергетических систем. Изначально размер гликогенового депо нетренированного человека минимален, что обусловлено его двигательными потребностями.

При интенсивном и продолжительном тренинге запасы гликогена увеличиваются в организме в несколько раз.

Это, в свою очередь, приводит к таким результатам:

• возрастает выносливость;
• объём мышечной ткани увеличивается;
• наблюдаются значительные колебания в весе во время тренировочного процесса

Функции гликогена

Главная функция гликогена – хранение энергии. Основные запасы гликогена находятся в мышцах и печени, где он одновременно и производится (из глюкозы, содержащейся в крови), и используется. Кроме того, гликоген хранится также и в красных кровяных клетках. Функция гликогена печени – обеспечивать глюкозой весь организм, функции гликогена в мышцах – обеспечивать энергией физическую активность.

Когда уровень сахара в крови снижается, вырабатывается гормон глюкагон, который превращает гликоген в источник топлива. Когда мышцы сокращаются, функция гликогена – расщепиться до глюкозы, которая будет использоваться в качестве энергии. После физической активности организм восполнит растраченные запасы гликогена, как только вы что-нибудь съедите. Если запасы гликогена и жира истощаются, организм начинает расщеплять белки и использовать их в качестве источника топлива. При этом человек может столкнуться с опасностью возникновения анорексии. Сердечная мышца очень богата гликогеном и для ежедневной работы получает около 25% своего топлива из глюкозы. Без достаточного потребления продуктов, содержащих глюкозу, страдать будет, в том числе, и сердце. По этой причине у многих больных анорексией и булимией есть проблемы с сердцем.

Что происходит, если в организме слишком много глюкозы? Если все хранилища гликогена заполнены, начинается превращение глюкозы в жир

С этой точки зрения очень важно следить за вашей диетой и не потреблять очень много сладких продуктов, углеводы которых могут быть преобразованы в глюкозу. Как только избыток сахара сохраняется в виде жира, организму требуется гораздо больше времени, чтобы сжечь его

Любая диета, учитывающая соотношение белков, жиров и углеводов (например, умная диета для похудения), всегда крайне скупа на сахар и быстрые углеводы.

Этапы образования гликогена

Итак, что же происходит в процессе синтеза гликогена из глюкозы?

1. Глюкоза после присоединения остатка фосфорной кислоты становится глюкозо-6-фосфатом. Это происходит благодаря ферменту гексокиназе. Этот фермент имеет несколько разных форм. Гексокиназа в мышцах немного отличается от гексокиназы в печени. Та форма этого фермента, которая присутствует в печени, хуже связывается с глюкозой, а продукт, образующийся в ходе реакции, не ингибирует протекание реакции. Благодаря этому клетки печени способны поглощать глюкозу только тогда, когда её много, и могу сразу превратить в глюкозо-6-фосфат очень много субстрата, даже если не успевают его переработать.

2. Фермент фосфоглюкомутаза катализирует превращение глюкозо-6-фосфата в его изомер — глюкозо-1-фосфат.

3. Полученный глюкозо-1-фосфат потом соединяется с уридинтрифосфатом, образуя УДФ-глюкозу. Катализирует этот процесс фермент УДФ-глюкозопирофосфорилаза. Эта реакция не может протекать в обратную сторону, то есть является необратимой в тех условиях, которые присутствуют в клетке.

4. Фермент гликогенсинтаза переносит остаток глюкозы на формирующуюся молекулу гликогена.

5. Гликогенразветвляющий фермент добавляет точки ветвления, создавая новые «веточки» на молекуле гликогена. Позже на конец этого ответвления добавляются новые остатки глюкозы с помощью гликогенсинтазы.

Механизм и значение

Схема гликогенолизаЦепь гликоненов ,находящаяся в горизонтальном положении(жёлтые) соеденяются между углеродами С1 и С4 другой глюкозы, разветвление глюкозы (оранжевый) происходит в области углеводов С1-С6.

Гликоген, запасаемый в тканях животных, и крахмал, запасаемый растениями, могут быть мобилизованы клеткой для получения энергии при помощи гликогенолиза — фосфоролитической реакции, осуществляемой, прежде всего, ферментами гликогенфосфорилазой (или у растений). Эти ферменты катализируют атаку неорганическим фосфатом (α1→4) гликозидной связи, соединяющей два крайних остатка глюкозы на неветвящемся конце, в результате чего образуется глюкозо-1-фосфат и глюкозный полимер, содержащий на 1 глюкозный остаток меньше исходного (к расщеплению (α1→6)-гликозидных связей они неспособны). Часть энергии гликозидной связи при этом запасается эфирной связи, соединяющей фосфат с глюкозой в глюкозо-1-фосфате. Гликогенфосфорилаза (или крахмалфосфорилаза) продолжает отщеплять по одному глюкозному остатку до тех пор, пока она не дойдёт до последних четырёх глюкозных остатков на пути к точке ветвления полисахарида (т. е. гликозидной связи (α1→6)), где она останавливается. Далее в работу вступает , которая переносит три глюкозных остатка, ближних к концу неветвящегося участка, на нередуцирующий конец цепи и таким образом удлиняет её. Оставшийся глюкозный остаток, соединённый с основной неветвящейся цепью (α1→6)-гликозидной связью, отщепляется (α1→6)-гликозидазой в виде свободной глюкозы.

Образовавшийся при отщеплении глюкозных остатков глюкозо-1-фосфат переводится в глюкозо-6-фосфат ферментом фосфоглюкомутазой, катализирующим обратимую реакцию:

Глюкозо-1-фосфат ⇌ глюкозо-6-фосфат.

Механизм действия этого фермента такой же, как у фосфоглицератмутазы. Образующийся в ходе этой реакции глюкозо-6-фосфат в печени под действием глюкозо-6-фосфатазы распадается на фосфат и глюкозу, которая поступает в кровь. Так обеспечивается главная функция гликогена печени — поддержание постоянного уровня глюкозы (3,3—3,5 ммоль) в крови в интервалах между приёмами пищи для использования её другими органами, прежде всего мозгом. По прошествии 10—18 часов после приёма пищи запасы гликогена в печени значительно истощаются, а голодание в течение 24 часов приводит к полному их исчерпанию. В мышцах глюкозо-6-фосфатаза отсутствует, а для фосфорилированной глюкозы клеточная мембрана непроницаема, поэтому она используется только в мышечных клетках и гликоген мышц обеспечивает энергией только сами мышцы. В мышцах глюкозо-6-фосфат вовлекается в катаболизм (гликолиз или пентозофосфатный путь) или превращается в лактат.

Описанная выше ситуация характерна лишь для гликогена и крахмала, запасённых внутри клетки. в пищеварительном тракте гликогена и крахмала, поступающих в организм с пищей, не имеет никаких преимуществ перед обычным гидролизом: так как клеточные мембраны непроницаемы для фосфатов сахаров, образующийся при фосфоролизе глюкозо-6-фосфат необходимо сначала превратить в обычный сахар. При гидролизе, осуществляемым, например, пищеварительным ферментом α-амилазой, частицей, атакующей гликозидную связь, является вода, а не неорганический фосфат.

Из чего синтезируется гликоген?

Субстратом для синтеза гликогена, или гликогеногенеза, как его по-другому называют, служит глюкозо-6-фосфат. Это молекула, которая получается из глюкозы после присоединения к шестому атому углерода остатка фосфорной кислоты. Глюкоза, образующая глюкозо-6-фосфат, попадает в печень из крови, а в кровь – из кишечника.

Возможен и другой вариант: глюкоза может быть заново синтезирована из более простых предшественников (молочной кислоты). В таком случае из крови глюкоза попадает, например, в мышцы, где расщепляется до молочной кислоты с выделением энергии, а потом накопленная молочная кислота транспортируется в печень, и клетки печени заново синтезируют из неё глюкозу. Потом эту глюкозу можно превратить в глюкозо-6-фосфот и далее на его основе синтезировать гликоген.

Образование активной формы глюкозы (УДФ-глюкозы)

1. Глюкоза фосфорилируется с затратой молекулы АТФ до глюкозо-6-фосфата. Это та же реакция, которая является первой в процессе гликолиза. Фосфорилирование глюкозы катализируется в мышцах ферментом гексокиназой, а в печени – глюкокиназой.

2. Под действием фосфоглюкомутазы глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат.

3. Глюкозо-1-фосфат взаимодействует с УТФ с участием фермента глюкозо-1-фофатуридилтрансфераза, в результате образуется УДФ-глюкоза и пирофосфат.

Пирофосфат расщепляется пирофосфотазой до 2-х молекул неорганического фосфата, что делает реакцию необратимой.

Образовавшаяся УДФ-глюкоза является переносчиком и донором активированных остатков глюкозы в последующей реакции синтеза гликогена.

Скрининг на сахарный диабет 2го типа

Основное заболевание, связанное с метаболизмом глюкозы — сахарный диабет. Сахарный диабет бывает двух типов. 2 тип — метаболическое заболевание, характеризуется хронической гипергликемией, которая развивается вследствие нарушения секреции инсулина или сниженной чувствительности тканей к действию инсулина. 1 тип — аутоиммунное заболевание, характеризуется абсолютной недостаточностью инсулина, вызванной деструкцией бета-клеток поджелудочной железы. При сахарном диабете из-за повышенного уровня глюкозы повреждаются сосуды. Особенно часто от этого страдают стопы ног: иногда даже доходит до ампутации. Могут пострадать глаза, развиться хроническая почечная и сердечная недостаточности. Диабет способствует развитию атеросклероза и повышает уровень смертности.

Нормы глюкозы Хеликс
Цена услуги 190 рублей.

Возможные причины повышенного уровня глюкозы:

• акромегалия — заболевание, связанное с нарушением работы передней доли гипофиза
• сильный стресс
• хроническая почечная недостаточность
• синдром гиперкортицизма (Иценко – Кушинга) — гиперфункция надпочечников
• применение различных препаратов, например, кофеина, препаратов гормонов надпочечников, тироксина, пероральных контрацептивов, витамина РР, диуретиков и др.
• избыточное потребление высокоуглеводной пищи
• гиперфункция щитовидной железы
• нарушения работы поджелудочной железы

Возможные причины пониженного уровня глюкозы в крови:

• недостаточность надпочечников
• злоупотребление алкоголем
• приём анаболических стероидов, антигистаминных препаратов, высоких доз ацетилсалициловой кислоты и др.
• болезни печени
• снижение функции гипофиза
• гипофункция щитовидной железы
• нарушения работы поджелудочной железы
• голодание

Еще один важный тест при оценке углеводного обмена. Сахарная кривая — тест на толерантность к глюкозе — заключается в определении уровня глюкозы в плазме крови натощак и через 2 часа после углеводной нагрузки. Необходим для оценки резистентности к глюкозе, т.е. для выявления сахарного диабета, преддиабета или метаболического синдрома. Цена услуги 680 рублей.
Референсные значения — 4.1-7.8 ммоль/л. Значения более 11.1 ммоль/л — сахарный диабет.

Распад гликогена (гликогенолиз)

В мышечной ткани глюкозо-6-фосфатаза практически отсутствует.

ВЫВОДЫ

Основная роль углеводов связана с их энергетической функцией. При их ферментативном расщеплении и окислении выделяется энергия, которая используется клеткой. Полисахариды играют главным образом роль запасных продуктов и легко мобилизируемых источников энергии (например, крахмал и гликоген), а также используются в качестве строительного материала (целлюлоза и хитин).

Полисахариды удобны в качестве запасных веществ по ряду причин: будучи нерастворимы в воде, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния, что весьма важно при длительном хранении их в живой клетке: твердое, обезвоженное состояние полисахаридов увеличивает полезную массу продуктов запаса за счет экономии их объемов. При этом существенно уменьшается вероятность потребления этих продуктов болезнетворными бактериями, грибами и другим микроорганизмами, которые, как известно, не могут заглатывать пищу, а всасывают питательные вещества всей поверхностью тела

При необходимости запасные полисахариды легко могут быть превращены в простые сахара путем гидролиза. Кроме того, соединяясь с липидами и белками, углеводы образуют гликолипиды и гликопротеиды-два.

Использованная литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD

2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. Пер. с англ. М.: Мир, 1998, 671 с.

3. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 2007, 384 с.;

4. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

5. Королев А.А. Гигиена питания — 2-е изд. Перераб. и доп. — М.: «Академия», 2007

⇐ Предыдущая1234

Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 5636 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.002 с)…

Значение АТФ в обмене веществ

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).

БИОХИМИЯ — Л. Страйер — 1984

ГЛАВА 16. ГЛИКОГЕН И ОБМЕН ДИСАХАРИДОВ

16.5. Синтез и расщепление гликогена происходят различными путями

Реакция, катализируемая гликоген-фосфорилазой, легко обратима, потому что ∆Gдля элонгации гликогена с участием глюкозо-1-фосфата составляет —0,5 ккал/моль. Действительно, Кори удалось синтезировать гликоген из глюкозо-1-фосфата с использованием фосфорилазы и ветвящего фермента. Однако ряд последующих экспериментальных исследований показал, что in vivo гликоген синтезируется иным путем. Во-первых, реакция, катализируемая фосфорилазой, находится в состоянии равновесия, когда отношение / равно 3,6 при нейтральном значении pH, тогда как в клетках это отношение обычно превышает 100. Следовательно, in vivo фосфорилазная реакция должна идти в направлении распада гликогена. Во-вторых, гормоны, вызывающие повышение активности фосфорилазы, обычно усиливают распад гликогена. В-третьих, больные с полным отсутствием в мышцах фосфорилазы (разд. 16.19) способны к синтезу мышечного гликогена.

В 1957 г. Луи Лелуа (Luis Leloir) и его сотрудники показали, что синтез гликогена происходит другим путем. Донором гликозильной группы служит уридиндифосфат- глюкоза (UDP-глюкоза), а не глюкозо-1- фосфат. Реакция синтеза гликогена, это не обращенная реакция его расщепления:

Синтез: Гликоген_n + UDP-глюкоза → Гликоген_n+1 + UDP.

Распад: Гликоген _n+1 + Pi→ Гликоген _n + Глюкозо-1-фосфат.

Мы знаем теперь, что пути биосинтеза и расщепления в биологических системах почти всегда различны

Обмен гликогена— первый пример этого важного принципа. Существование раздельных путей синтеза и распада обеспечивает значительно большую гибкость процессов, как в энергетическом, так и в регуляторном плане

Клетка не отдается больше только «на милость» закона действия масс. Гликоген может синтезироваться вопреки высокому соотношению /.

16.6. UDP-глюкоза-активированная форма глюкозы

UDP-глюкоза, донор глюкозы в биосинтезе гликогена, представляет собою активированную форму глюкозы, аналогично тому как АТР и ацетил-СоА являются активированными формами ортофосфата и ацетата соответственно. Атом углерода С-1 гликозильного компонента UDP-глюкозы активирован, потому что его гидроксильная группа образует эфирную связь с дифосфатным компонентом UDP.

UDP-глюкоза синтезируется из глюкозо-1-фосфата и уридинтрифосфата (UTP) в ходе реакции, катализируемой UDP-глюкозо-пирофосфорилазой. Пирофосфат, освобождающийся при этой реакции, происходит из двух обращенных наружу фосфорильных остатков UTP.

Реакция легко обратима, но пирофосфат быстро гидролизуется in vivo в ортофосфат неорганической пирофосфатазой. Необратимый по своей природе гидролиз пирофосфата запускает синтез UDP-глюкозы.

Глюкозо-1-фосфат + UTP⇄ UDP-глюкоза + PP¡,

PPi+ Н₂O → 2Pi

Глюкозо-1-фосфат + UTP + Н₂O → UDP-глюкоза + 2P_i

Синтез UDP-глюкозы может служить примером часто повторяющейся в биохимии темы; многие реакции биосинтеза запускаются гидролизом пирофосфата. Широкое значение имеет другой аспект этой реакции. Нуклеозиддифосфатные сахара служат донорами гликозильной группы в биосинтезе многих дисахаридов и полисахаридов.

16.7. Гликоген-синтаза катализирует перенос глюкозы от UDP-глюкозы к растущей цепи

Новые глюкозильные фрагменты присоединяются к невосстанавливающим концевым остаткам гликогена. Активированный глюкозильный компонент UDP- глюкозы переносится на гидроксильную группу C-4-конца гликогена, образуя α-1,4- гликозидную связь. В происходящей реакции элонгации UDP замещается этой концевой гидроксильной группой растущей молекулы гликогена. Реакция катализируется гликоген-синтазой, осуществляющей присоединение глюкозильных остатков только при условии, что полисахаридная цепь уже содержит более четырех остатков. Таким образом, для синтеза гликогена требуется наличие затравки, образуемой другой синтетазой.

ПредыдущаяСледующая

Что такое гликоген и зачем он нужен

Гликоген (C6H10O6)n – это полисахарид, получаемый организмом из глюкозы под воздействием особых ферментов и гормонов. По своему строению этот полисахарид животного происхождения напоминает молекулы растительного крахмала, но при этом отличается химическим составом. Гликоген накапливается непосредственно в клетках в кристаллической форме, непосредственно в цитоплазме. Основные запасы этого полисахарида в человеческом организме находятся в таких клетках:

• мышечные структуры;
• печень.

Синтез гликогена протекает главным образом в клетках печени. Там накапливается этот полисахарид и служит резервным источником энергии. В среднем печень может вмещать гликогена до 5-6% от общего объема органа. У взрослых это около 100 грамм, а у детей – до 50-60 грамм.

Гликоген в печени расходуется после того, как исчерпываются запасы этого полисахарида в мышечной ткани. Объем полисахарида в мышцах – не более 1%, при этом расходуется он локально, непосредственно в месте накопления. Мышечный гликоген служит для энергетического обеспечения процесса сокращения мышц.

Роль в спорте

Особое значение процесс синтеза гликогена имеет для людей, которые ведут активный образ жизни и занимаются спортом. Еще в 50-х годах прошлого века ученые стали изучать влияние кристаллического полисахарида на спортивные результаты. Это привело к тому, что сегодня уровень подготовленности спортсменов, достижений и количество рекордов в разы выше, чем ранее. Хороший запас гликогена обеспечивает следующие эффекты:

• повышает выносливость на тренировках;
• улучшает спортивные результаты;
• снижает утомляемость;
• ускоряет восстановление мышечной ткани после силовых нагрузок.

То есть спортсменам, желающим добиться высоких показателей на тренировках и в соревнованиях, следует особое внимание уделять углеводной пище. В результате дефицита глюкозы в организме, спортсмен не сможет выдерживать большие нагрузки

В долгосрочной перспективе это может привести к снижению производительности, повышенной утомляемости и в целом негативно сказаться на состоянии здоровья.

Спортсмены, которые вынуждены заниматься продолжительное время без перерывов, обязательно включают в свой рацион кроме углеводной пищи еще и соответствующие добавки.

Спортивные гейнеры – это порошки, которые на 80-90% состоят из углеводов. Они быстро усваиваются, принимаются непосредственно перед тренировками для того, чтобы обеспечить организм достаточным количеством глюкозы, необходимой для протекания гликогенеза.

Роль в похудении

Гликогенез играет не последнюю роль в похудении, так как незнание особенностей протекания этого процесса может привести к низким результатам в борьбе с лишним весом. Дело в том, что гликогенез – это процесс, который не может в полной мере обеспечить организм необходимой ему энергией. Более мощный энергетический резерв представляют триглицериды, то есть жировая ткань.

Но последовательность расходования энергии такова – изначально клетки потребляют гликоген, а лишь тогда, когда он заканчивается, организм приступает к расщеплению жиров. Вот как нужно использовать знания о гликогенезе.