2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Регуляция синтеза и распада гликогена

Протеинкиназа – сложный регуляторный фермент, состоящий из двух типов субъединиц: две регуляторные R и каталитические С. Рецепторная часть является ингибитором фермента. Комплекс С–R неактивен. Аллостерическим активатором протеинкиназы является циклический 3',5'-АМФ (ц-3',5'-АМФ), четыре молекулы которого связываются со

специфическими участками двух регуляторных субъединиц (по две с каждой), при этом освобождаются каталитические субъединицы, которые образуют активный фермент. В мышцах протеинкиназа может активироваться ионами Са2+, которые связываются с кальмодулинподоб-

ной субъединицей фермента.

Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в цАМФ, свя-

зана с рецепторами плазматической мембраны.

АТФ Аденилатциклаза

NH2

Н4Р2О7 +

N

N

O

CH2

N

O

N

O

P

OH

H

H

H

H

O

OH

ц-3Ä,5Ä-АМФ

Фосфодиэстераза катализирует разрушение цАМФ.

Протеинфосфатазы (фосфатаза гликогенсинтазы, фосфорила-

зы и киназы фосфорилазы) обеспечивают отщепление фосфата от фосфорилированных форм ферментов, т.е. проводят дефосфорилирование.

Активность аденилатциклазы регулируется гормонами: стимулируется адреналином (гормоном мозгового вещества надпочечников) и глюкагоном (гормоном поджелудочной железы) и тормозится инсулином.

Адреналин и глюкагон стимулируют аденилатциклазу и тем самым повышают содержание ц-3’,5’-АМФ, который активирует протеинкиназы. Протеинкиназы переводят активную форму (I) гликогенсинтазы в неактивную (D), т.е. тормозят синтез гликогена. В то же время

они активируют киназу фосфорилазы, которая фосфорилирует неактивную фосфорилазу «b». Таким образом, адреналин и глюкагон стимули-

руют распад гликогена.

Гормон поджелудочной железы инсулин понижает активность аденилатциклазы и стимулирует фермент фосфодиэстеразу, расщепляющую ц-3’,5’-АМФ. В результате содержание ц-3Ä,5Ä-АМФ умень-

172

шается, и протеинкиназы неактивны. Гликогенсинтаза находится в активной форме, а киназа фосфорилазы и фосфорилаза в неактивной. Та-

ким образом, инсулин стимулирует синтез гликогена и тормозит распад.

В итоге можно сказать, что регуляция и синтеза и распада гликогена носит каскадный характер и происходит путем химической модификации ферментов.

Обмен фруктозы

Основное количество фруктозы (около 80%), поступившей с пищей, метаболизируется в печени. Возможны два пути превращения, главным из которых является ее фосфорилирование по первому углеродному атому ферментом фруктокиназой с образованием фруктозо-1- фосфата. Специфическая альдолаза фруктозо-1-фосфата расщепляет его

на две триозы – диоксиацетонфосфат и глицеральдегид.

CH OH

CH OH

2

O

CH2OH +АТФ

2 O

CH2OPO3H2

OH

OH

H

Фруктокиназа

H

Альдолаза

H

OH

H OH

АДФ

H

OH

H OH

фруктоза

фруктозо-1-фосфат

173

	CH 2OP O3H2				H C O
	C			O	+ HC				OH
	CH 2OH
					CH 2OH
диоксиацетон-					глицериновый
фосфат					альдегид

Глицериновый альдегид фосфорилируется триозокиназой с затратой АТФ, превращаясь в 3-фосфоглицериновый альдегид.

Оба продукта (3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетон-

фосфат) могут подвергаться распаду (аэробному или анаэробному) или превращаться в глюкозу в процессе глюконеогенеза.

Второй возможный путь превращения фруктозы – фосфорилирование гексокиназой шестого углеродного атома с образованием фрук- тозо-6-фосфата, который затем изомеризуется в глюкозо-6-фосфат. Од-

нако сродство к глюкозе гексокиназы в 20 раз выше, чем к фруктозе, поэтому этот процесс происходит слабо.

Возможны наследственные нарушения обмена фруктозы

вследствие дефектов двух ферментов.

1.При дефекте фруктокиназы печени нарушается фосфорилирование фруктозы, и развивается заболевание эссенциальная фруктозурия, которая проявляется повышением содержания фруктозы в крови (фруктоземия) и выделением ее с мочой (фруктозурия). Заболевание протекает бессимптомно, т.к. энергетическое обеспечение клеток осуществляется глюкозой и не страдает.

2.Возможен генетический дефект выработки альдолазы фруктозо-1-фосфата, что приводит к развитию непереносимости фруктозы – заболеванию фруктоземии. Оно проявляется судорогами, рвотой, гипогликемией, поражением печени и почек. Заканчивается смертельным исходом. Гипогликемия является следствием ингибирования фруктозо-1-фосфатом, накапливающимся в крови и в тканях, ферментов фосфорилазы гликогена, альдолазы фруктозо-1,6-бисфосфата, фосфог-

люкомутазы, т.е. нарушается энергообеспечение клеток.

Обмен галактозы

Галактоза фосфорилируется в печени по первому углеродному атому ферментом галактокиназой с образованием галактозо-1- фосфата, который далее взаимодействует с УДФ-глюкозой под действием гексозо-1-фосфат-уридилтрансферазы. В результате реакции выделяются глюкозо-1-фосфат и УДФ-галактоза. УДФ-галактозо-4-

эпимераза осуществляет реакцию эпимеризации у четвертого углеродного атома, и УДФ-галактоза превращается в УДФ-глюкозу.

174

Галактоки-

CH2OH

наза

CH2OH

OH

O

H +АТФ

OH

O H

H

H

+

H

H

OH

OH

H

OH АДФ H

OPO3H2

H

OH

H

OH

галактозо-

1-фосфат

CH2OH

O

O

H

OH H

H

O

OH

HN

H

O

P

OH

O

H

OH

O

N

O

P

O

CH2

O

OH

H

H

H

H

OH

OH

УДФ-галактоза

УДФ-галактозо-4- эпимераза

УДФ-глюкоза

CH2OH

Гексозо-1-фосфат-

H уридилтрансфераза

H

O

H

H

O

OH

O

OH

O

P

OH

H

OH

O

HN

O

P

O

CH2

O

OH

N

O

H

H

H

H

OH

OH

УДФ-глюкоза

CH 2OH

H O H

H

OH H

+	OH			OPO3H2
		H		OH

глюкозо-1-фосфат

Фосфоглюкомутаза

глюкозо-6-фосфат

Фосфатаза

глюкоза

Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазой в глюкозо- 6-фосфат, который дефосфорилируется с образованием глюкозы.

Возможен генетический дефект гексозо-1-фосфат-

уридилтрансферазы, что приводит к заболеванию – галактоземии. У больных детей наблюдается галактоземия, галактозурия, накопление галактозы в тканях, рвота, понос, цирроз печени, поражение почек, отставание в росте, катаракта, умственная отсталость. Эти глубокие расстройства могут привести к смерти.

Токсическое действие галактозо-1-фосфата связано с ингибирова-

нием им фосфоглюкомутазы (нарушение энергообеспечения клеток и, прежде всего, нервных) и образованием спирта галактитола (восстановление первого углеродного атома), вызывающего катаракту.

Исключение молока из диеты больных и замена его соевым устраняет накопление галактозы.

На втором году жизни у детей появляется фермент галактозо-1- фосфат-уридилтрансфераза, отсутствующий у новорожденных. Тогда у

детей появляется второй путь превращения галактозы:

175

галактоза

Галактокиназа

+АТФ АДФ

галактозо- фосфат +УТФ Н4Р2О7

УДФ-галактоза

УДФ-галактозо- 4-эпимераза

УДФ глюкоза

И хотя по мощности этот путь составляет только 1/6 часть первого, но к этому времени резко уменьшается доля молока в питании детей, и превращение галактозы в глюкозу идет достаточно интенсивно.

Нарушение обмена углеводов

Причиной нарушений обмена углеводов могут быть генетические или приобретенные дефекты тех или иных ферментов. Нарушение выработки в тонком кишечнике ферментов дисахаридаз (лактазы, мальтазы, сахаразы) приводит к патологии переваривания углеводов. Оно может быть наследственным или следствием воспалительного процесса. В некоторых регионах Азии и Африки встречаются группы людей с нарушением выработки лактазы. Неполное расщепление дисахаридов вызывает тяжелые кишечные расстройства. Большой осмотический эффект невсосавшейся лактозы или дисахаридов вызывает приток жидкости в тонкий кишечник. У больных наблюдается вздутие живота, тошнота, боль, водные поносы, обезвоживание организма, возможны судороги. Так проявляется непереносимость лактозы. Расщепление дисахаридов ферментами бактерий до молочной кислоты приводит к хроническому ацидозному поносу. Кроме рассмотренных последствий дефектов лактазы, альдолазы фруктозо-1-фосфата, гексозо-1-фосфат-уридилтрансфе-

разы встречаются также дефекты ферментов, катализирующих процессы синтеза и распада гликогена.

При генетических дефектах ферментов, осуществляющих распад гликогена, развиваются заболевания гликогенозы, характеризующиеся накоплением гликогена. Изучены IX типов гликогенозов.

Тип	Название	Дефектный	Проявления заболевания
	болезни	фермент
I	Гирке	Глюкозо-6-	Наиболее часто встречающийся. Увеличение
		фосфатаза	печени, почек, поражение слизистой кишеч-
			ника. Гипогликемия, судороги. Задержка рос-
			та. В 50% смерть в раннем детстве. Структура
			гликогена нормальная.
II	Помпе	Кислая -1,4-	Наблюдается генерализованное отложение

176

Тип	Название	Дефектный	Проявления заболевания
	болезни	фермент
		гликозидаза	гликогена в мышцах, почках, сердце, селе-
		лизосом	зенке, лейкоцитах, эритроцитах, нервной тка-
			ни (структура его нормальная). Развиваются
			кардиомегалия, сердечная недостаточность.
			Летальный исход в раннем детстве.
III	Кори или	Амило-1,6-	Отложение гликогена в печени, мышцах,
	Форбса	гликозидаза	лейкоцитах, эритроцитах. Гликоген с корот-
			кими многочисленными ветвями.
IV	Андерсе-	Амилозо-	Накопление гликогена с длинными, мало
	на	1,4 1,6-	разветвленными цепями в печени, мышцах,
		трансгликозидаза	почках, лейкоцитах. Гибель в молодом воз-
			расте от цирроза печени.
V	Мак-	Фосфорилаза	Накопление гликогена в скелетных мышцах.
	Ардла	мышц	Сильные мышечные боли при физической на-
			грузке. Распад гликогена только гидролити-
			ческим путем.
VI	Херса	Фосфорилаза	Накопление гликогена в печени. Гипоглике-
		печени	мия, но прогноз благоприятный.
VII	Томсона	Фосфоглюко-	Накопление гликогена в печени, мышцах,
		мутаза	эритроцитах. Мышечная слабость.
VIII	Таруи	Фосфофрукто-	Накопление гликогена в мышечной ткани.
		киназа мышц	Мышечная слабость, быстрая усталость и
			боль при нагрузке. Накопление глюкозо-6-
			фосфата приводит к активации гликогенсин-
			тазы.
IX	Хага	Киназа	Накопление гликогена.
		фосфорилазы

Наследственные дефекты гликогенсинтазы приводят к агликогенозам. В печени почти отсутствует гликоген, что приводит к резкой гипогликемии и развитию умственной отсталости. Наблюдаются судороги, рвота.

Регуляция обмена углеводов

Углеводы являются наиболее легко мобилизуемыми соединениями, обеспечивающими энергетические потребности различных тканей. Чтобы различные метаболические пути любого обмена могли функционировать согласованно и удовлетворять потребности клеток, органов или организма в целом, они должны быть регулируемыми. Регуляция скорости протекания реакций метаболического пути осуществляется путем изменения активности ферментов.

Регуляция активности ферментов углеводного обмена осуществляется с помощью механизмов трех типов:

1. Изменение скорости синтеза ферментов (гормональная).

177

2.Изменение активности фермента в результате ковалентной химической модификации – фосфорилирование – дефосфорилирование (фосфорилаза, гликогенсинтаза).

3.Аллостерическая. Регуляторными ферментами являются:

	Активатор	Ингибитор
Ферменты гликолиза и цикла трикарбоновых кислот:
Гексокиназа		глюкозо-6-фосфат
Фосфорилаза	АМФ	глюкозо-6-фосфат, АТФ
фосфофруктокиназа	АМФ, АДФ, фруктозо-1-	цитрат
	фосфат, фруктозо-2,6-	АТФ
	бисфосфат
Пируваткиназа	фруктозо-1,6-бисфосфат	АТФ
пируватдегидрогеназа	пируват, АМФ, АДФ, НАД	ацетил-КоА, НАДН+Н+,
		АТФ, ГТФ
Цитратсинтаза	ацетил-КоА	АТФ, НАДН+Н+
изоцитратдегидрогеназа	АДФ	АТФ, НАДН+Н+
- кетоглутаратдегидрогеназа		НАДН+Н+,
		сукцинил-КоА
Ферменты глюконеогенеза:
пируваткарбоксилаза	ацетил-КоА	АДФ
фруктозо-1,6-бисфосфатаза		АМФ, фруктозо-2,6-
		бисфосфат

Лекция 15

ОБМЕН ЛИПИДОВ. ПЕРЕВАРИВАНИЕ, ТРАНСПОРТ ЛИПИДОВ

1.Общая характеристика липидов

Водном из руководств по биохимии (Fairley 1966) говорится, что

«все определения, данные классу соединений, называемому липидами, были либо беспредельно сложными, либо полностью запутанными».

Липиды – это обширная группа соединений, различающихся по химической структуре и выполняемым функциям. Признаки липидов: 1) нерастворимость в воде, 2) растворимость в эфире, хлороформе, бензоле, т.е. в полярных органических растворителях 3) содержание в своем составе жирных кислот.

По своему строению липиды, в большинстве случаев, это сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином или некоторыми

фруктозо-2,6-бисфосфат образуется при фосфорилировании фруктозо-6-фосфата за счет АТФ фос-

фофруктокиназой – 2; важный метаболический регулятор обмена углеводов, т.к. при достаточном количестве глюкозы стимулирует гликолиз и тормозит глюконеогенез.

178

другими спиртами, также в состав могут входить фосфорная кислота, азотистые основания, углеводы.

Функции липидов

1.Липиды в виде комплекса с белками являются структурными элементами клеточных мембран. Они определяют текучесть мембраны

итранспорт веществ в клетку.

2.Липиды служат энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г. жира выделяется 39 кДж энергии, что в 2 раза больше, чем при окислении 1 г углевода.

3.В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы животных от механического повреждения (жировая капсула у почек, сальник защищает органы брюшной полости).

4.Липиды сохраняют тепло в организме, обладая хорошими термоизоляционными свойствами (морские животные, пловцы-моржи).

5.Эйкозаноиды обладают регуляторной активностью.

6.Гликолипиды являются важными компонентами нервной ткани, оказывая существенное влияние на функционирование нервной системы.

7.Некоторые липиды являются предшественниками многих биологически активных веществ. Например, из фосфолипидов образуются простагландины, тромбоксан, простациклин, диацилглицерол, инозитолтрифосфат и т.д. Холестерин служит предшественником желчных кислот, стероидных гормонов надпочечников, семенников, яичников и плаценты, из него образуется витамин Д.

8.Эстетическая роль - жировая прокладка смягчает контуры ске-

лета, образуя «округлости», которые создают привычный образ тела человека.

С нарушениями обмена липидов связаны такие грозные заболевания как атеросклероз, ожирение, желчно-каменная болезнь и другие.

2.Переваривание липидов. Роль желчных кислот. Всасывание продуктов переваривания

Жиры – это гидрофобные продукты, ферменты их переваривающие – гидрофильны. Поэтому для увеличения поверхности соприкосновения с гидрофильными ферментами жиры должны эмульгироваться (разбиться на капли). Эмульгирование жиров может происходить только в кишечнике, поэтому основное место переваривания жиров – тонкий кишечник (duodenum).

Факторы эмульгирования: 1) перистальтика кишечника, 2) пробулькивание через содержимое кишечника пузырьков СО2, образующе-

179

гося при нейтролизации кислого содержимого желудка бикарбонатами поджелудочного сока, 3) действие поверхностно-активных веществ –

желчных кислот, пептонов (продукты переваривания белков) и др. Основную массу жира пищи составляют триацилглицерины. В их

переваривании участвует поджелудочная липаза. Она попадает в кишечник в неактивном виде и активируется колипазой и желчными кислотами, оптимум рН ее действия – слабощелочная среда. Продукты переваривания триацилглицеринов: глицерин, жирные кислоты, диацилглицерины, моноацилглицерины.

У новорожденных в желудке слабокислая среда, они питаются эмульгированным жиром молока, поэтому у грудных детей возможно переваривание ТГ в желудке под действием желудочной липазы.

Гидролиз фосфолипидов происходит в кишечнике под действием фосфолипаз 4-х типов:

A1

O

CH2

O

C

R

A2

1

O

C

CH

O

R

С

OH

2

Д

O

CH N+(CH )

CH2

P

O

CH

2

3 3

O

Фосфолипаза А1 – отщепляет жирную кислоту в 1-ом положении, фосфолипаза А2 – ненасыщенную жирную кислоту во 2-ом, при этом

образуется лизофосфолипиды, которые при попадании в кровь могут вызывать гемолиз эритроцитов. Лизофосфолипиды в кишечнике сразу же гидролизуются лизофосфолипазой.

В яде змей содержится фермент фосфолипаза А2, поэтому смерть

от укуса змеи наступает вследствие гемолиза эритроцитов. Фосфолипаза С отщепляет фосфорилированный спирт, фосфолипаза Д -

свободный спирт. Итак, конечные продукты переваривания фосфолипидов: глицерин, жирные кислоты, Н3РО4 и азотистые спирты: холин, эта-

ноламин, серин, инозит.

Поступающие с пищей эфиры холестерина расщепляются панкреатической холестеролэстеразой на холестерин и жирную кислоту.

В результате переваривания жиров в кишечнике образуется гидрофобные продукты переваривания (холестерин, жирные кислоты с числом С атомов более 12, ди- и моноацилглицерины и гидрофильные (глицерин, короткие жирные кислоты, Н3РО4, холин, серин, этаноламин

и др.). Всасывание гидрофильных продуктов переваривания в стенку

180

слизистой кишечника происходит самостоятельно, а гидрофобные продукты всасываются в составе мицелл. Большую роль в образовании мицелл играют желчные кислоты. Мицелла – это сферический комплекс, в центре которого находятся транспортируемые гидрофобные продукты переваривания, окруженные желчными кислотами. Придя в слизистую кишечника, мицелла разгружается. Желчные кислоты могут попасть дальше в воротную вену в печень желчь кишечник. Это рециркуляция желчных кислот. Однако основная масса желчных кислот удаляется с содержимым кишечника.

Роль желчных кислот в переваривании жиров:

1) эмульгируют жиры, 2) активируют липазу, 3) создают оптимум рН для действия липазы 4) участвуют во всасывании гидрофобных продуктов переваривания, образуя мицеллы.

3. Судьба всосавшихся продуктов переваривания. Экзогенный и эндогенный транспорт липидов

При всасывании в составе мицелл (гидрофобные продукты) и самостоятельно (гидрофильные) из просвета кишки в клетки слизистой кишечника поступили: глицерин, жирные кислоты, холестерин, ди- и моноацилглицерины, Н3РО4, спирты. Далее в слизистой кишечника

вновь происходит ресинтез жиров, по составу напоминающие пищевые: образуются триацилглицерины (ТГ), эфиры холестерина (ЭХС), фосфолипиды (ФЛ). Они из кишечника должны поступать в кровь. Транспорт липидов кровью происходит в составе липопротеиновых комплексов или липопротеинов (ЛП).

Общие свойства липопротеинов

1.Поверхность липопротеинов, (или оболочка), состоит из фосфолипидов, свободного холестерина и белка (апопротеина).

2.Каждый липопротеин содержит особый набор апопротеинов.

3.Сердцевина (ядро) липопротеина состоит из триацилглицерина, эфиров холестерина.

Апопротеины играют важную роль во взаимодействии липопротеина с рецепторами клеток, являются кофакторами ферментов метаболизма липопротеинов.

Липопротеины подразделяются на 4 основные класса в зависимости от размеров, плотности (определяемой с помощью ультрацентрифугирования) и электрофоретической подвижности. Класс ЛП по электрофоретической подвижности обозначают греческими буквами.

Самые крупные частицы – хиломикроны (ХМ) и липопротеины

181