7.1: Зберігання та розпад вуглеводів
- Page ID
- 4465
Вуглеводи є важливими клітинними джерелами енергії. Вони швидко забезпечують енергію через гліколіз та проходження проміжних продуктів до шляхів, таких як цикл лимонної кислоти, метаболізм амінокислот (опосередковано) та шлях пентози фосфату. Тому важливо зрозуміти, як створюються ці важливі молекули.
Рослини примітні в зберіганні глюкози для енергії у вигляді амілози і амілопектину (див. І для структурної цілісності у вигляді целюлози. Ці структури відрізняються тим, що целюлоза містить глюкози, з'єднані виключно бета-1,4 зв'язками, тоді як амілоза має лише альфа-1,4 зв'язки, а амілопектин має зв'язки альфа 1,4 і альфа 1,6. Тварини зберігають глюкозу первинну в печінці та м'язах у вигляді сполуки, пов'язаної з амілопектином, відомим як глікоген. Структурні відмінності глікогену і амілопектину обумовлені виключно частотою альфа 1,6 гілок глюкоз. У глікогені вони зустрічаються приблизно через кожні 10 залишків замість кожні 30-50, як у амілопектину.
Глікоген забезпечує додаткове джерело глюкози, крім того, що виробляється за допомогою глюконеогенезу. Оскільки глікоген містить стільки глюкоз, він діє як резервна батарея для організму, забезпечуючи швидке джерело глюкози, коли це необхідно, і забезпечуючи місце для зберігання надлишку глюкози при підвищенні концентрації глюкози в крові. Розгалуження глікогену також є важливою особливістю молекули метаболічно. Так як глікоген розщеплюється з «кінців» молекули, більше гілок переводять на більшу кількість кінців, і більше глюкози, яка може виділятися відразу. Розпад глікогену передбачає
- вивільнення глюкозо-1- фосфату (G1P),
- перестановка залишкового глікогену (у міру необхідності), щоб забезпечити подальший розпад, і
- перетворення G1P в G6P для подальшого метаболізму. G6P може бути 1) розщеплений при гліколізі, 2) перетворений в глюкозу за допомогою глюконеогенезу, і 3) окислюється в пентозно-фосфатному шляху.
Так само, як і в глюконеогенезі, клітина має окремий механізм синтезу глікогену, який відрізняється від розщеплення глікогену. Як зазначалося раніше, це дозволяє клітині окремо контролювати реакції, уникаючи марних циклів, і дозволяючи ефективно відбуватися процес (синтез глікогену), який не відбувся б, якби це було просто зворотне розпад глікогену.
Синтез глікогену починається з G1P, який перетворюється на «активований» проміжний продукт, UDP-глюкозу. Цей активований проміжний продукт - це те, що «додає» глюкозу до зростаючого ланцюга глікогену в реакції, каталізованої ферментом, відомим як глікогенсинтаза. Після додавання глюкози до глікогену молекулі глікогену, можливо, доведеться мати гілки, вставлені в неї ферментом, відомим як фермент розгалуження.
Розпад глікогену
Глікогенфосфорилаза (іноді її називають просто фосфорилазою) каталізує розпад глікогену на глюкозо-1-фосфат (G1P). Реакція (див. Вище праворуч), яка виробляє G1P з глікогену, є фосфоролізом, а не реакцією гідролізу. Різниця полягає в тому, що реакції гідролізу використовують воду для розщеплення більших молекул на менші, але реакції фосфорилізу використовують фосфат замість тієї ж мети. Зверніть увагу, що фосфат саме такий - він НЕ надходить від АТФ. Оскільки АТФ не використовується для розміщення фосфату на G1P, реакція економить енергію клітини.
Глікогенфосфорилаза буде діяти лише на нередукуючі кінці глікогену ланцюга, які знаходяться принаймні на 5 глюкозах від точки гілки. Отже, другий фермент, фермент розгалуження глікогену (GDE), необхідний для перетворення альфа (1-6) гілок на альфа (1-4) гілки. ГДЕ діє на гілки глікогену, які досягли своєї межі гідролізу глікогенфосфорилазою. ГДЕ діє на перенесення трисахариду з гілки 1,6 на сусідню гілку 1,4, залишаючи одну глюкозу на гілці 1,6. Відзначимо, що фермент також каталізує гідроліз залишилася глюкози в точці розгалуження 1,6. Таким чином, продуктами розпаду з глікогену є G1P і глюкоза (проте переважно G1P). Глюкоза, звичайно, може бути перетворена в Глюкозо-6-фосфат (G6P) як перший крок гліколізу або гексокіназою, або глюкокіназою. G1P може бути перетворений в G6P під дією ферменту під назвою фосфоглюкомутаза. Ця реакція легко оборотна, що дозволяє G6P і G1P взаємоперетворюватися в міру збільшення концентрації того чи іншого. Це важливо, тому що фосфоглюкомутаза необхідна для формування G1P для біосинтезу глікогену.
Регуляція метаболізму глікогену
Регуляція метаболізму глікогену є складною, що відбувається як алостерично, так і за допомогою гормонально-рецепторних контрольованих подій, які призводять до фосфорилювання білка або дефосфорилювання. Щоб уникнути марного циклу синтезу та розпаду глікогену одночасно, клітини розробили складний набір елементів управління, які забезпечують, що лише один шлях є головним чином активним одночасно.
Регуляцією метаболізму глікогену керують ферменти глікогенфосфорилази і глікогенсинтази. Глікогенфосфорилаза регулюється як аллостеричними факторами (АТФ, G6P, AMP і глюкоза), так і ковалентною модифікацією (фосфорилювання/дефосфорилювання). Його регулювання узгоджується з енергетичними потребами клітини. Високоенергетичні субстрати (АТФ, Г6П, глюкоза) аллостерично інгібують GP, тоді як субстрати низької енергії (АМП, інші) аллостерично активують його.
Аллостеричне регулювання GPA/GPB
Глікогенфосфорилаза існує в двох різних ковалентних формах - одна форма з фосфатом (тут називається ГПа) і в одній формі, де бракує фосфату (тут ГПБ). GPb перетворюється в ГПа шляхом фосфорилювання ферментом, відомим як фосфорилазакіназа. GPA та GPB можуть існувати у стані «R» та «T». Як для ГПа, так і для GPB стан R є більш активною формою ферменту. Негативний аллостеричний ефектор ГПа (глюкоза), як правило, не рясний в клітині, тому ГПа не потрапляє в стан T часто. Позитивного аллостеричного ефектора ГПа немає, тому при відсутності глюкози ГПа автоматично переходить в R (більш активний) стан.
GPB може перетворити зі стану T в стан GPB R шляхом прив'язки AMP. Якщо клітина не має низького рівня енергії, концентрація AMP низька. Таким чином, GPB не перетворюється в стан R дуже часто. З іншого боку, АТФ та/або G6P зазвичай присутні при досить високій концентрації в клітині, що GPB легко перегортається в стан Т.
Ковалентне перетворення GPA/GPB
Оскільки відносні кількості ГПа та ГПБ значною мірою регулюють загальний процес розпаду глікогену, важливо розуміти контроль над ферментами, які взаємоперетворюють ГПа та ГПБ. Це досягається ферментом фосфорилазакінази, який переносить фосфати від 2 АТФ до ГПа з утворенням ГПа. Фосфорилазакіназа має дві ковалентні форми — фосфорильовану (активну) і дефосфорильовану (неактивну). Він фосфорилюється ферментом протеїнкіназа А (ПКА). Ще один спосіб активізації ферменту - кальцій. Фосфорилазакіназа дефосфорилюється тим же ферментом, фосфопротеїнфосфатазою, який виводить фосфат з ГПа.
PKA активується цАМФ, який, в свою чергу, виробляється аденілатциклазою після активації G-протеїном. G-білки активуються в кінцевому підсумку шляхом зв'язування лігандів зі специфічними рецепторами 7-ТМ, також відомими як рецептори, пов'язані з G-білком. Вони більш детально розглянуті в главі 8. Загальні ліганди для цих рецепторів включають адреналін (зв'язує бета-адренергічний рецептор) і глюкагон (зв'язує рецептор глюкагону). Адреналін надає найбільший вплив на м'язи і глюкагон працює переважно на печінці.
Вимкнення розбивки глікогену
Вимкнення сигналів так само важливо, якщо не більше, ніж включення їх. Етапи регуляторного шляху розщеплення глікогену можна змінити на декількох рівнях. По-перше, ліганд може покинути рецептор. По-друге, G-білки мають властиву GTpase активність, яка служить для їх відключення з часом. По-третє, клітини мають фосфодіестеразу (інгібується кофеїном) для руйнування цАМФ. По-четверте, фермент, відомий як фосфопротеїнфосфатаза, може видаляти фосфати з фосфорилази кінази (інактивуючи її) І з ГПа, перетворюючи його в набагато менш активний GPB.
Синтез глікогену
Анаболічний шлях, що контрастує з розщепленням глікогену, - це синтез глікогену. Подібно до того, як клітини взаємно регулюють гліколіз та глюконеогенез, щоб запобігти марному циклу, так само клітини використовують реципрокні схеми для регулювання розпаду та синтезу глікогену. Розглянемо спочатку етапи синтезу глікогену. 1) Синтез глікогену з глюкози включає фосфорилювання з утворенням G6P та ізомеризацію з утворенням G1P (з використанням фосфоглюкомутази, загальної для розщеплення глікогену). G1P реагують з UTP з утворенням УДП-глюкози в реакції, каталізованої УДП-глюкозою пірофосфорилази. Глікогенсинтаза каталізує синтез глікогену шляхом приєднання вуглецю #1 глюкози, одержуваної UDPG, на вуглець #4 нередукуючого кінця глікогену ланцюга. щоб сформувати знайомі альфа (1,4) глікогенні зв'язки. Ще один продукт реакції - UDP.
Також варто попутно зазначити, що глікогенсинтаза додаватиме лише одиниці глюкози з UDPG на існуючу ланцюжок глікогену, яка має щонайменше чотири залишки глюкози. Зв'язок перших кількох одиниць глюкози з утворенням мінімального «праймера», необхідного для розпізнавання глікогенсинтази, каталізується білком під назвою глікогенін, який приєднується до першої глюкози і каталізує зв'язок перших восьми глюкоз альфа (1,4) зв'язками. 3) Характерні альфа (1,6) гілки глікогену є продуктами ферменту, відомого як фермент розгалуження. Розгалуження ферменту розриває альфа (1,4) ланцюга і переносить розірваний ланцюг до вуглецю #6 і утворює альфа (1,6) зв'язок.
Регуляція синтезу глікогену
Регуляція біосинтезу глікогену зворотна регуляції розпаду глікогену. Він також має каскадну систему ковалентної модифікації, подібну до описаної вище системи розпаду глікогену. Насправді частина системи ідентична розщепленню глікогену. Адреналін або глюкагон сигналізація може стимулювати аденілатциклазу до отримання цАМФ, який активує ПКА, який активує фосфорилазу кінази.
При розщепленні глікогену фосфорилаза кінази фосфорилює GpB до більш активної форми, ГПа. При синтезі глікогену протеїнкіназа А фосфорилює активну форму глікогенсинтази (GsA) і перетворює її в зазвичай неактивну b форму (звану GsB). Зверніть увагу на конвенції для глікогенсинтази і глікогенфосфорилази. Для обох ферментів більш активні форми називаються формами 'a' (ГПа і GsA), а менш активні форми називаються 'b' формами (GPB і GsB). Основна відмінність, однак, полягає в тому, що ГПа має фосфат, але GsA не має, а GpB не має фосфату, але GsB робить. Таким чином, фосфорилювання і дефосфорилювання мають протилежний вплив на ферменти метаболізму глікогену. Це є відмінною рисою взаємного регулювання. Слід зазначити, що менш активна форма глікогенсинтази, GsB, може бути активована G6P. Нагадаємо, що G6P мав прямо протилежний вплив на GPB.
Глікогенсинтаза, глікогенфосфорилаза (і фосфорилазакіназа) можуть дефосфорилюватися декількома ферментами, званими фосфатазами. Один з них називається Протеїнова фосфатаза, і вона активується, коли інсулін зв'язується з рецептором в клітинній мембрані. Це призводить до активації ПП, стимулюючи дефосфорилювання, і, таким чином, активуючи синтез глікогену і пригнічуючи розпад глікогену. Знову ж таки, відбувається реципрокна регуляція синтезу і деградації глікогену.
Підтримання рівня глюкози в крові
Після їжі підвищується рівень глюкози в крові і виділяється інсулін. Одночасно стимулює поглинання глюкози клітинами і включення її в глікоген шляхом активації глікогенсинтази і інактивації глікогенфосфорилази. Коли рівень глюкози в крові падає, активізується ГПа (стимулюючи розпад глікогену для підвищення рівня глюкози в крові) і утворюється GsB (зупинка синтезу глікогену).