Надо Знать

добавить знаний



Гликоген



План:


Введение

Схема двумерного сечения через молекулу гликогена, в центре расположен белок гликогенин
Структура гликогена

Гликоген (также известный как "животный крахмал" , несмотря неточность этого названия) - полисахарид, гомополимеры α- глюкозы, основная форма ее хранения в клетках животных, большинства грибов, многих бактерий и архей. В человеческом организме главными местами накопления гликогена является печень и скелетные мышцы.

Способность печени повышать концентрацию глюкозы в крови и наличие в ней крохмалеподибнои вещества, которое было названо гликогеном, была открыта 1875 Клодом Бернаром [1] [2].


1. Химическое строение

Гликоген является гомополимер α-глюкозы, остатки которой соединены между собой (α1 → 4) - гликозидными связями. Каждые 8-10 мономерных остатков происходит ветвление, боковые ветви присоединены (α1 ​​→ 6)-связями. Таким образом молекула гликогена значительно более компактная и разветвленная чем крахмала [3]. Степень полимеризации близок к таковому в амилопектина [4].

Все разветвления гликогена имеют нередукуючи конце, так что если количество ветвей равна n, то в молекуле будет n-1 нередукуючих концов и всего один редуцирующее. Когда происходит гидролиз гликоген с целью использования его в качестве источника энергии, остатки глюкозы по одному отщепляются от нередукючих концов. Их большое количество позволяет существенно ускорить процесс [3].

Наиболее стабильной конформацией ветвей с (α1 → 4)-связями является плотная спираль с шестью остатками глюкозы на оборот (плоскость каждой молекулы возвращена на 60 ? относительно предыдущей) [5].

Для выполнения своей биологической функции: обеспечение максимально компактного хранения глюкозы и одновременно возможности его быстрой мобилизации, гликоген должен иметь строение оптимизированную по нескольким параметрам: 1) количеством ярусов (уровней) ветвления, 2) количеством ветвей в каждом ярусе, 3) количеством остатков глюкозы в каждой ветви. Для молекулы гликогена с постоянным числом мономерных звеньев количество внешних ветвей, из которых может мобилизоваться глюкоза до точки ветвления, падает с ростом средней длины каждой ветви. Плотность наиболее внешних ветвей стерически ограничена, поэтому максимальный размер молекулы гликогена уменьшается с увеличением количества ветвей на одном уровне. Зрелые молекулы гликогена различного происхождения имеют в среднем 12 ярусов ветвления, на каждом из которых размещается в среднем по две ветви, каждая из которых содержит около 13 остатков глюкозы. Математический анализ показал, что такое строение очень близка к оптимальной для мобилизации максимального количества глюкозы за минимальное время [6].


2. Распространение и значение

Гликоген является формой запасания глюкозы у животных [3] [4], грибов [7], некоторых бактерий (в частности цианобактерий [8]) и АРЕХ [9]. В микроорганизмов гликоген более или менее равномерно разбросан по цитоплазме клетки в виде гранул диаметром 20-100 нм, их обычно можно увидеть только через электронный микроскоп. Если клетка содержит много гликогена она становится красно-коричневой при закрашивании раствором йода [10]. У позвоночных животных наибольшие количества гликогена запасаются печенью, где он может составлять 7-10% от общей массы [11] (100 -120 г у взрослого человека), и скелетными мышцами (1-2% от общей массы) [11]. Небольшие количества гликогена находятся в почках, и еще меньше - в определенных глиальных клетках мозга и белых кровяных тельцах.

Запасания глюкозы не в свободной форме, а именно в виде полисахаридов диктуется двумя причинами. Во-первых, если бы, например, в гепатоциты вся масса глюкозы, входит в состав гликогена, находилась в свободном состоянии, ее концентрация достигла бы 0,4 nbsp; моль / л. А это в свою очередь привело бы к значительному повышению осмотического давления цитозоля, избыточного поступления воды в клетку и ее разрыв [12]. Во-вторых, такая высокая концентрация глюкозы сделала бы фактически невозможным ее активный транспорт из окружения клетки, в случае гепатоцита с крови, где уровень глюкозы составляет всего 5 ммоль / л [3]. Хранение же глюкозы в форме гликогена позволяет сократить ее концентрацию в клетке до 0,01 мкмоль / л [12].

Запасы гликогена у людей значительно меньше, чем запасы жиров. Последние имеют ряд преимуществ: во-первых, они дают возможность получить более чем вдвое больше энергии, чем такая же масса углеводов, во-вторых это гидрофобные молекулы и, в отличие от углеводов, не нуждаются гидратации, что позволяет сократить массу энергетических запасов. Однако гликоген является быстрым источником энергии, кроме того в организме животных отсутствуют метаболические пути превращения жирных кислот в глюкозу, а значит они не могут использоваться мозгом и в анаэробном метаболизме мышц [12].

В гепатоцитах гликоген сохраняется в виде больших цитоплазматических гранул. Элементарная так называемая β-частица, является одной молекулой гилкогену, имеет диаметр около 21 нм и включает в 55 000 остатков глюкозы и имеет 2000 нередукуючих концов. 20-40 таких долек вместе образуют α-розетки, которые можно видеть в под микроскопом в тканях животных, которых хорошо кормят. Однако они исчезают после 24-часового голодания. Гликоген гранулы - это сложные агрегаты, в состав которых помимо самого гликогена входят ферменты, синтезирующие и расщепляют его, а также регуляторные молекулы [12].

Гликоген в мышцах служит источником быстрой энергии как по аэробной, так и за анаэробного метаболизма. Его запасы могут быть исчерпаны за один час интенсивной физической нагрузки. Регулярная тренировка позволяет увеличить запасы гликогена в мышцах, вследствие чего они могут дольше работать без усталости [13]. В печени гликоген является резервом глюкозы для других органов, на тот случай, если ее поступления с пищей ограничено. Особенно важен такой запас для нейронов, которые не могут использовать в качестве энергетического субстрата жирные кислоты. Печеночный запас гликогена во время голодания исчерпывается за 12-24 часов [12].

Гликоген также содержится в секрете желез матки, выделяемый в ее полость в постовуляцийний период менструального цикла после оплодотворения. Здесь полисахарид используются как источник питания для эмбриона до его имплатнтации [13].

Гликоген также поступает в организм с пищей и расщепляется в тонком кишечнике гидролитических ферментов [12].


3. Метаболизм гликогена

3.1. Расщепления гликогена

Расщепления гликогена происходит двумя основными путями: при пищеварения он гидролизуется до глюкозы, которая может всасываться клетками эпителия тонкого кишечника. Внутриклеточное расщепление запасов гликогена ( гликогенолиз) идет путем фосфоролиза, продуктом которого является глюкозо-1-фосфат, этот путь позволяет сохранить часть энергии гликозидных связей путем формирования фосфатного эфира [14]. Таким образом, для включения образованной глюкозы в гликолиз или пентозофосфатный путь не нужно затрачивать АТФ. Кроме того образования глюкозо-1-фосфата является выгодным для мышц, поскольку для этой соединений нет переносчиков в плазмалемме, и она не может "убегать" из клетки [15].


3.1.1. Гидролиз гликогена во время пищеварения

У человека переваривания гликогена (как и крахмала) начинается в ротовой полости, где на него действует α-амилаза слюны. Этот фермент гидролизует внутримолекулярные (α1 → 4)-связи и расщепляет полисахариды до олигосахаридов. В желудка амилаза слюны инактивируется из-за высокой кислотность среды. Желудочный сок не содержит ферментов для переваривания углеводов. В двенадцатиперстной кишке на (α1 → 4)-связи гликогена действует панкреатическая α-амилаза, а на (α1 → 6)-связи - специальный дерозгалужуючий фермент амило-1 ,6-гликозидаза. Так завершается гидролиз гликогена до мальтозы, которая под влиянием пристеночного фермента тонкого кишечника мальтазы (α-глюкозидазы) превращается в глюкозу и всасывается [16].


3.1.2. Гликогенолиз

Схема реакций гликогенолиза

Внутриклеточный гликоген мышц и печени расщепляется в процессе гликогенолиза, в котором участвуют три фермента: гликогенфосфорилаза, гликогендерозгалужуючий фермент и фосфоглюкомутазы. Первый из них катализирует реакцию, в которой неорганический фосфат атакует гликозидной (α1 → 4)-связь между двумя последними остатками глюкозы с нередукуючого конца, в результате чего происходит отщепление последнего остатка в виде глюкозо-1-фосфата. Кофактором в этой реакции выступает пиридоксальфосфат [14].

Гликогенфосфорилаза последовательно отщепляет по одному мономера от нередукуючого конца пока не достигает места удаленного на четыре остатки от (α1 → 6)-связи (точки ветвления). Здесь вступает в действие бифункциональных (в еукриот [17]) дерозгалужуючий фермент. Сначала он катализирует трансферазну реакцию, которая заключается в переносе блока из трех глюкозных остатков с ветки на ближайшее нередукуючий конец, к которому он прикрепляется (α1 → 4)-связью. После этого дерозгалужуючий фермент проявляет (α1 → 6)-глюкозидазну активность, которая заключается в расщеплении (α1 → 6)-связи и выделении свободной глюкозы [14] [15].

Образован глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазы в глюкозо-6-фосфата, который в скелетных мышцах вступает в процесс гликолиза. В печени глюкозо-6-фосфат также может транспортироваться в эндоплазматический ретикулум, там подлежать действия глюкозо-6-фосфатазы (мышцы лишены этого фермента), превращаться в глюкозу и выделяться в кровь [14] [18].


3.2. Биосинтез гликогена

Незначительно биосинтез гликогена (гликогенез) происходит почти во всех тканях организма, однако больше всего он выражен в печени и мышцах. Этот процесс начинается с глюкозо-6-фосфата, образуется из глюкозы в гексокиназную или глюкокиназний реакции. Часть глюкозы, поступающей в организм с пищей, сначала поглощается эритроцитами, которые используют ее для получения энергии в процессе молочнокислого брожения. Образован лактат в гепатоцитах превращается в глюкозо-6-фосфата в процессе глюконеогенеза [19].

Метаболические пути биосинтеза и распада определенных соединений обычно отличаются крайней мере некоторыми из реакций. Метаболизм гликогена был первым открытым примером этого важного принципа. 1957 Луис Лелуар установил, что в процессе гликогенеза используется не глюкозо-1-фосфат, а уридиндифосфатглюкоза [20].

Глюкозо-6-фосфат сначала превращается в глюкозо-1-фосфат под влиянием фосфоглюкомутазы. Продукт этой реакции становится субстратом для фермента УДФ-глюкозофосфорилазы, которая катализирует реакцию:

Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + ФФ н.

Поскольку пирофосфат сразу расщепляется неорганической пирофосфатазы, то равновесие реакции сильно смещена в сторону образования УДФ-глюкозы. Последняя является субстратом для гликогенсинтазы, что переносит остаток глюкозы на нередукуючий конец молекулы гликогена [21].

Образование боковых ветвей обеспечивает гилкозил-(4 → 6)-трансгликозилаза (ответвительные фермент). Она отщепляет от ветки, содержащий более 11 мономерных единиц 6-7 последних и переносит их на C6 гидроксильную группу остатка глюкозы в более внутреннем положении на той же или другой ветви. Таким образом происходит ветвление, необходимое для лучшей растворимости гликогена, и доступа большего количества ферментов синтеза и расщепления до нередукуючих концов [22].

Гликогенсинтаза может синтезировать гликоген только при условии наличия праймера - готового полимера глюкозы с менее чем шестью мономерных единицами. Образование молекул гликогена de novo возможно только благодаря белку гликогенину, что выступает одновременно и "затравкой", на которой собираются новые ветви гликогена и ферментом, который катализирует начало образования наших исследований [22].

Гликогенез и гилкогенолиз имеют сложную систему регулирования на нескольких уровнях. Многие из ферментов, участвующих в этих процессах является алостеричнимы и могут изменять свою активность приспосабливаясь к нуждам клетки. Количество запасов гликогена также регулируется на гормональном уровне для поддержания гомеостаза целого организма [23].


4. Клиническое значение

Нарушения обмена гликогена наблюдается при многих заболеваниях человека, в частности при сахарного диабета. Существует также ряд наследственных расстройств, связанных с чрезмерным отложением гликогена в печени, они называются гликогенозами. Они обычно сопровождаются сильно выраженной гипогликемией (пониженным содержанием глюкозы в крови) между приемами пищи. Первый гликогеноз был открыт 1929 Эдгаром фон Гирке [24], большой вклад в исследование этих заболеваний сделала Герти Кори. Сейчас известно 13 форм гликогенозов, вызванных нарушениями в функционировании различных белков [25].


Примечания

  1. Ali H., Anwar M, Ahmad T., Chand N. Diabetes Mellitus From Antiquity To Present Scenario AND Contribution Of Greco-Arab Physicians - www.ishim.net/ishimj/910/JISHIM NO.10 PDF/07.pdf / / JISHIM. - 5. - (2006) 46-50.
  2. Bilous, Rudy W Handbook of diabetes 4th. - С. 5. - Wiley-Blackwell, 2010. ISBN 978-1-4051-8409-0.
  3. а б в г Nelson et al, 2008, p. 246
  4. а б Voet et al, 2011, p. 370
  5. Nelson et al, 2008, p. 248
  6. Voet et al, 2011, p. 647
  7. Prescott, 2002, p. 557
  8. Prescott, 2002, p. 472
  9. Prescott, 2002, p. 454
  10. Prescott, 2002, p. 51
  11. а б Nelson et al, 2008, p. 594
  12. а б в г д е Nelson et al, 2008, p. 595
  13. а б Marieb, 2006
  14. а б в г Nelson et al, 2008, p. 596
  15. а б Berg et al, 2007, p. 594
  16. Березов et al, 1998, с. 320
  17. Berg et al, 2007, p. 595
  18. Berg et al, 2007, p. 596
  19. Nelson et al, 2008, p. 599
  20. Berg et al, 2007, p. 604
  21. Nelson et al, 2008, p. 600
  22. а б Nelson et al, 2008, p. 601
  23. Berg et al, 2007, p. 593
  24. Berg et al, 2007, p. 611
  25. Nelson et al, 2008

Источники

  • Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L Biochemistry 6th. - WH Freeman and Company, 2007. ISBN 0-7167-8724-5.
  • Nelson DL, Cox MM Lehninger Principles of Biochemistry 5th. - WH Freeman, 2008. ISBN 978-0-7167-7108-1.
  • Prescott LM Microbiology 5th. - McGraw-Hill, 2002. ISBN 0-07-282905-2.
  • Marieb EN, Hoehn K Human Anatomy & Physiology 7th. - Benjamin Cummings, 2006. ISBN 978-0805359091.
  • Voet D., Voet JG Biochemistry 4th. - С. 487-496. - Wiley, 2011. ISBN 978-0470-57095-1.
  • Березов Т.Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник. 3. - Москва: Медицина, 1998. ISBN 5-225-02709-1.
п ? в ? р Углеводы
Общие:
Альдозы ? Кетоза ? Пиранозы ? Фуранозы
Дисахариды :
Пентозы :
Рибоза ? Дезоксирибоза ? Арабиноза ? Ксилоза ? Ликсоза ? Рибулозо ? Ксилулозо
Гексозы :
Глюкоза ? Галактоза ? Манноза ? Гулоза ? Идоза ? Талоза ? Алози ? Альтроза ? Фруктоза ? Сорбоза ? Такатоза ? Псикоза ? Фукоза ? Рамноза
Полисахариды :
Геометрия:
Аномеры ? Мутаротация

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам