Гликоген

                                         Содержание:

Строение …………………………………………………………………………..2

Биологическое значение ………………………………………………………....3

Химические свойства……………………………………………………………..4

Физические свойства……………………………………………………………...8

Используемая литература………………………………………………………...8

 

 

 

 

 

 

 

                                              Строение

Гликоген – запасающий полисахарид животных и человека. Цепочки

гликогена, как и крахмала, построены из остатков α-D-глюкозы, связанных α-

(1,4)-глюкозидными связями. Но ветвление гликогена более частое, в сред-

нем приходится на каждые 8 – 12 остатков глюкозы. Вследствие этого глико-

ген представляет собой более компактную массу, чем крахмал. Особенно

много гликогена содержится в печени, где его количество может достигать

7% от массы всего органа. В гепатоцитах гликоген находится в гранулах

большого размера, которые представляют собой кластеры, состоящие из бо-

лее мелких гранул, являющихся единичными молекулами гликогена и

имеющих среднюю молекулярную массу несколько миллионов. Эти гранулы

содержат также ферменты, способные катализировать реакции синтеза и ре-

акции распада гликогена.

Поскольку каждое ответвление  гликогена оканчивается невосстанавли-

вающим остатком глюкозы, молекула гликогена имеет столько же невосста-

навливающих концов, сколько ответвлений, и только один восстанавливаю-

щий конец. Ферменты деградации гликогена воздействуют только на невос-

станавливающие концы и могут одновременно функционировать на многих

ветвях молекулы. Это значительно увеличивает суммарную скорость распада

молекулы гликогена на моносахариды.

Для чего необходимо сохранять глюкозу в форме полисахарида? Рас-

считано, что гепатоциты содержат столько гликогена, что если бы содержа-

щаяся в нем глюкоза находилась в свободной форме, ее концентрация в клет-

ке составила бы 0,4 М. Это бы обусловило очень высокое осмотическое дав-

ление среды, при котором клетка не смогла бы существовать. Концентрация

глюкозы в крови обычно составляет 5 мМ. Таким образом, между кровью и

цитоплазмой гепатоцита возник бы очень большой градиент концентрации

глюкозы, вода из крови стала бы входить внутрь клетки, что привело бы к ее

раздутию и разрыву плазматической мембраны. Таким образом, синтез гли-

когена позволяет не допустить чрезмерного изменения осмотических свойств

клетки при хранении значительных количеств глюкозы.

Обнаружен в печени французским физиологом К. Бернаром в 1857 году. По аналогии с крахмалом, выполняющим ту же функцию у растений, гликоген некоторое время называли животным крахмалом.

 

                             Биологическое значение

Гликоген печени служит основным источником глюкозы для всего  организма. Главная функция гликогена  мышц заключается в снабжении  их энергией. Распад гликогена –  гликогенолиз – в мышцах завершается образованием молочной кислоты, что происходит параллельно с мышечным сокращением.

Дефицит ферментов, участвующих  в обмене гликогена, чаще всего генетически  обусловлен и является причиной либо аномального накопления гликогена  в клетках, что приводит к тяжелым  заболеваниям, называемым гликогенозами, либо к нарушению синтеза гликогена, вследствие чего происходит снижение содержания гликогена в клетках, вызывающее болезнь, называемую агликогенозом.

Давно известен феномен быстрого расщепления гликогена при действии адреналина. Синтез гликогена адреналином  угнетается. Инсулин – антагонист адреналина – оказывает на гликоген противоположное действие. Другие гормоны  – глюкагон, половые гормоны и  т.д. – также влияют на метаболизм гликогена.

Гликоген служит в организме  резервом углеводов, из которого в печени и мышцах путем расщепления быстро создается глюкозофосфат. Скорость синтеза гликогена определяется активностью гликоген-синтазы, в то время как расщепление катализируется гликоген-фосфорилазой. Оба фермента действуют на поверхности нерастворимых частиц гликогена, где они в зависимости от состояния обмена веществ могут находиться в активной или неактивной форме.

При голодании или в  стрессовых ситуациях (борьба, бег) возрастает потребность организма в глюкозе. В таких случаях выделяются гормоны  адреналин и глюкагон. Они активируют расщепление и ингибируют синтез гликогена. Адреналин действует  в мышцах и печени, а глюкагон – только в печени. В печени дополнительно образуется свободная глюкоза, которая поступает в кровь.

 

                    Химические свойства

Мобилизация (распад) гликогена или гликогенолиз активируется при недостатке свободной глюкозы в клетке, а значит и в крови (голодание, мышечная работа). При этом уровень глюкозы крови "целенаправленно" поддерживает только печень, в которой имеется глюкозо-6-фосфатаза, гидролизующая фосфатный эфир глюкозы. Образуемая в гепатоците свободная глюкоза выходит через плазматическую мембрану в кровь. 

В гликогенолизе непосредственно участвуют три фермента:

1. Фосфорилаза гликогена (кофермент пиридоксальфосфат) – расщепляет α-1,4-гликозидные связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления (α1,6-связи) не останется 4 остатка глюкозы.

2. α(1,4)-α(1,6)-Глюкантрансфераза – фермент, переносящий фрагмент из трех остатков глюкозы на другую цепь с образованием новой α1,4-гликозидной связи. При этом на прежнем месте остается один остаток глюкозы и "открытая" доступная α1,6-гликозидная связь.

3. Амило-α1,6-глюкозидаза, ("деветвящий" фермент) – гидролизует α1,6-гликозидную связь с высвобождением свободной (нефосфорилированной) глюкозы. В результате образуется цепь без ветвлений, вновь служащая субстратом для фосфорилазы.

Синтез гликогена

Гликоген способен синтезироваться почти во всех тканях, но наибольшие запасы гликогена находятся в печени и скелетных мышцах.

Накопление гликогена  в мышцах отмечается в период восстановления после работы, особенно при приеме богатой углеводами пищи.

В печени гликоген накапливается только после еды, при гипергликемии. Такие отличия печени и мышц обусловлены наличием различных изоферментов гексокиназы, фосфорилирующей глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Для печени характерен изофермент (гексокиназа IV), получивший собственное название – глюкокиназа. Отличиями этого фермента от других гексокиназ являются:

• низкое сродство к глюкозе (в 1000 раз меньше), что ведет к захвату глюкозы печенью только при ее высокой концентрации в крови (после еды),
• продукт реакции (глюкозо-6-фосфат) не ингибирует фермент, в то время как в других тканях гексокиназа чувствительна к такому влиянию. Это позволяет гепатоциту в единицу времени захватывать глюкозы больше, чем он может сразу же утилизовать.

Благодаря особенностям глюкокиназы гепатоцит эффективно захватывает глюкозу после еды и впоследствии метаболизирует ее в любом направлении. При нормальных концентрациях глюкозы в крови ее захват печенью не производится.

Непосредственно синтез гликогена  осуществляют следующие ферменты:

1. Фосфоглюкомутаза – превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат;

2. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза – фермент, осуществляющий ключевую реакцию синтеза. Необратимость этой реакции обеспечивается гидролизом образующегося дифосфата;

3. Гликогенсинтаза – образует α1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепочку, присоединяя активированный С¹ УДФ-глюкозы к С⁴ концевого остатка гликогена;

4. Амило-α1,4-α1,6-гликозилтрансфераза,"гликоген-ветвящий" фермент – переносит фрагмент с минимальной длиной в 6 остатков глюкозы на соседнюю цепь с образованием α1,6-гликозидной связи.

Метаболизм гликогена  в печени, мышцах и других клетках  регулируется несколькими гормонами, одни из которых активируют синтез гликогена, а другие – распад гликогена. При этом в одной клетке не могут идти одновременно синтез и распад гликогена – это противоположные процессы с совершенно с разными задачами. Синтез и распад исключают друг друга или, по-другому, они реципрокны.

Активность ключевых ферментов  метаболизма гликогена гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы изменяется в зависимости наличия в составе фермента фосфорной кислоты – они активны либо в фосфорилированной, либо вдефосфорилированной форме.

Присоединение фосфатов к  ферменту производят протеинкиназы, источником фосфора является АТФ:

• фосфорилаза гликогена активируется после присоединения фосфатной группы,
• синтаза гликогена после присоединения фосфата инактивируется.

Скорость фосфорилирования указанных ферментов повышается после воздействия на клетку адреналина, глюкагона и некоторых других гормонов. В результате адреналин и глюкагон вызывают гликогенолиз, активируя фосфорилазу гликогена.

Способы активации синтазы гликогена

Гликогенсинтаза при присоединении фосфата прекращает работу, т.е. она активна в дефосфорилированном виде. Удаление фосфата от ферментов осуществляют протеинфосфатазы. Активатором протеинфосфатаз выступает инсулин – в результате он повышает синтез гликогена.

Вместе с этим, инсулин и глюкокортикоиды ускоряют синтез гликогена, увеличивая количество молекул гликогенсинтазы.

 

Способы активации фосфорилазы гликогена

Скорость гликогенолиза лимитируется только скоростью работы фосфорилазы гликогена. Ее активность может изменяться тремя способами: •ковалентная модификация, •кальций-зависимая активация и •аллостерическая активация с помощью АМФ.

Ковалентная модификация  фосфорилазы

При действии некоторых гормонов на клетку происходит активация фермента через аденилатциклазный механизм, который является так называемым каскадным регулированием. Последовательность событий в данном механизме включает:

1. Молекула гормона (адреналин, глюкагон) взаимодействует со своим рецептором;
2. Активный гормон-рецепторный комплекс воздействует на мембранный G--белок;
3. G-белок активирует фермент аденилатциклазу;
4. Аденилатциклаза превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ) – вторичный посредник (мессенджер);
5. цАМФ аллостерически активирует фермент протеинкиназу А;
6. Протеинкиназа А фосфорилирует различные внутриклеточные белки:

• одним из этих белков является синтаза гликогена, ее активность угнетается,

• другим белком – киназа фосфорилазы, которая при фосфорилировании активируется;

7. Киназа фосфорилазы фосфорилирует фосфорилазу "b" гликогена, последняя в результате превращается в активную фосфорилазу "а";

8. Активная фосфорилаза "а" гликогена расщепляет α-1,4-гликозидные связи в гликогене с образованием глюкозо-1-фосфата.

Аденилатциклазный способ активации фосфорилазы гликогена

Кроме гормонов, влияющих на активность аденилатциклазы через G-белки, существуют иные способы регуляции этого механизма. Например, после воздействия инсулина активируется фермент фосфодиэстераза, которая гидролизует цАМФ и, следовательно, снижает активность гликоген-фосфорилазы.

Кальций-зависимая активация

Некоторые гормоны влияют на углеводный обмен посредством  кальций-фосфолипидного механизма. Активация ионами кальция заключается в активации киназы фосфорилазы не протеинкиназой, а ионами Ca²⁺ и кальмодулином. Этот путь работает при инициации кальций-фосфолипидного механизма. Такой способ оправдывает себя, например, при мышечной нагрузке, если гормональные влияния через аденилатциклазу недостаточны, но в цитоплазму под влиянием нервных импульсов поступают ионы Ca²⁺.

Суммарная схема способов активации фосфорилазы

Аллостерическая активация

Также существует активация  фосфорилазы гликогена с помощью АМФ – аллостерическая активация благодаря присоединению АМФ к молекуле фосфорилазы "b". Способ работает в любой клетке – при увеличении расхода АТФ и накоплении продуктов его распада.

 

                      Физические свойства

Молекулярная масса гликогена  очень велика – от 107 до 109. Его молекула построена из остатков глюкозы, имеет разветвленную структуру. Гликоген содержится во всех органах и тканях человека, наибольшая его концентрация отмечается в печени: в норме она составляет от 3% до 6% от общей массы влажной ткани органа. В мышцах содержание гликогена – до 4%, однако с учетом общей массы мышц около 2/3 всего гликогена в организме человека находится в мышцах, и только 20% – в печени.

 

                           

                    Используемая литература:

1) http://biokhimija.ru/lekcii-po-biohimii/22-stroenie-obmen-uglevodov/107-obmen-glikogen.html

2) http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/umkd/175/u_lectures.pdf

3) http://biochemistry.ru/biohimija_severina/B5873Part49-316.html

4) http://maxfit.su/enc/g/g1.shtml