Биохимия пособие Коновалова 2012

Характеристика ферментов, участвующих в регуляции обмена гликогена

Гликогенсинтаза - регуляторный фермент, тетрамер из четырех идентичных субъединиц, синтезирует гликоген, образуя а -1,4- гликозидные связи. Существует в двух формах: неактивная форма — фосфорилированный тетрамер, обозначается буквой D (D - dependent, зависимая активность, зависит от наличия глюкозо-6-фосфата). Актив­ ная форма I (I - independent, активна и в отсутствие глюкозо-б- фосфата) образуется из D при дефосфорилировании под действием фосфатазы гликогенсинтазы. Превращение активной 1-формы в неак­ тивную D происходит при участии протеинкиназы путем фосфорилиро­ вания за счет АТФ. В покоящейся мышце гликогенсинтаза находится в форме I, в сокращающейся - в форме D.

Фосфорилаза - сложный регуляторный фермент, расщепляет гликоген. Существует в двух формах —активной и неактивной. Актив­ ная форма —фосфорилаза «а» —фосфорилированный тетрамер. Под действием фосфатазы фосфорилазы происходит дефосфорилирование, отщепляются 4 молекулы Н3Р04, и фосфорилаза «а» превращается в не­ активную форму —фосфорилазу «Ь», распадаясь на две димерных мо­ лекулы. Фосфорилаза «Ь» активируется путем фосфорилирования за счет АТФ ферментом киназой фосфорилазы. В свою очередь этот фермент также существует в двух формах. Активная киназа фофорнлазы - фосфорилированный фермент, превращается в неактивную форму под действием фосфатазы. Активация киназы фосфорилазы осуществляется путем фосфорилирования за счет АТФ в присутствии ионов Mg2+ протеинкиназой.

В покоящейся мышце фосфорилаза и киназа фосфорилазы нахо­ дятся в неактивной - дефосфорилированной форме, а фосфатаза - в ак­ тивной. Киназа фосфорилазы может также активироваться ионами кальция, высвобождающимися под действием нервного импульса, кото­ рые одновременно ингибируют фосфатазу фосфорилазы.

171

Регуляция синтеза и распада гликогена

Протеинкиназа - сложный регуляторный фермент, состоящий из двух типов субъединиц: две рецепторные R. и каталитические С. Рецед. торная часть является ингибитором фермента. Комплекс C-R неактивен Аллостерическим активатором протеинкиназы является циклический 3',5'-АМФ (ц-3',5'-АМФ), четыре молекулы которого связываются со специфическими участками двух рецепторных субъединиц (по две с каждой), при этом освобождаются каталитические субъединицы, которые образуют активный фермент. В мышцах протеинкиназа может ак­ тивироваться ионами Са2+, которые связываются с кальмодулинподобной субъединицей фермента.

Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в цАМФ, свя­ зана с рецепторами плазматической мембраны.

Фосфодиэстераза катализирует разрушение цАМФ. Протеинфосфатазы (фосфатаза гликогенсинтазы, фосфорила-

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

Активность аденилатциклазы регулируется гормонами: стимули­ руется адреналином (гормоном мозгового вещества надпочечников) и глюкагоном (гормоном поджелудочной железы) и тормозится инсули­ ном.

Адреналин и глюкагон стимулируют аденилатциклазу и тем са­ мым повышают содержание ц-3’,5’-АМФ, который активирует проте­ инкиназы. Протеинкиназы переводят активную форму (I) гликогенсин­ тазы в неактивную (D), т.е. тормозят синтез гликогена. В то же время они активируют киназу фосфорилазы, которая фосфорилирует неактив­ ную фосфорилазу «Ь». Таким образом, адреналин и глюкагон стимули­ руют распад гликогена.

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

172

щяется, и протеинкиназы неактивны. Гликогенсинтаза находится в ак­ тивной форме, а киназа фосфорилазы и фосфорилаза в неактивной. Та- JJJJM образом, инсулин стимулирует синтез гликогена и тормозит

распад.

В итоге можно сказать, что регуляция и синтеза и распада глико­ гена носит каскадный характер и происходит путем химической моди­ фикации ферментов.

Схема регулядои сютеза и распада гликогена вмьнечноЙткани и печени

инсулин

адяшптуоспаза

* 0

фосфатазаглшогенсинпны

Обмен фруктозы

Основное количество фруктозы (около 80%), поступившей с пи­ щей, метаболизируется в печени. Возможны два пути превращения, главным из которых является ее фосфорилирование по первому угле­ родному атому ферментом фруктокиназой с образованием фруктозо-1- фосфата. Специфическая альдолаза фруктозо-1-фосфата расщепляет его на две триозы - диоксиацетонфосфат и глицеральдегид.

1 7 3

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

Оба продукта (3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетоафосфат) могут подвергаться распаду (аэробному или анаэробному) или превращаться в глюкозу в процессе глюконеогенеза.

Второй возможный путь превращения фруктозы —фосфорилиро- вание гексокиназой шестого углеродного атома с образованием фруц. 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 фрукгокиназы печени нарушается фосфорили­ рование 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 осу­ ществляется глюкозой и не страдает.

2.Возможен генетический дефект выработки альдолазы фруктозо-1-фосфата, что приводит к развитию непереносимости фрук­ тозы —заболеванию фруктоземии. Оно проявляется судорогами, рво­ той, гипогликемией, поражением печени и почек. Заканчивается смер­ тельным исходом. Гипогликемия является следствием ингибирования фруктозо-1-фосфатом, накапливающимся в крови и в тканях, ферментов фосфорилазы гликогена, альдолазы фрукгозо-1,6-бисфосфата, фосфоглюкомутазы, 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 действи­ ем гексозо-1-фосфат-уридилтрансфер'азы. В результате реакции выде­ ляются глюкозо-1-фосфат и УДФ-галактоза. УДФ-галактозо-4- эпимераза осуществляет реакцию эпимеризации у четвертого углерод­ ного атома, и УДФ-галактоза превращается в УДФ-глюкозу.

174

УДФ-глюкоза

глюкозо-1-фоефат

^ Фосфоглюкомутаза

глюкозо-б-фосфат

[фосфатаза

глюкоза

Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазой в глюкозо­ б-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 га­ лактозы в тканях, рвота, понос, цирроз печени, поражение почек, отста­ вание в росте, катаракта, умственная отсталость. Эти глубокие рас­ стройства 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 (восстанов­ ление первого углеродного атома), вызывающего катаракту.

Исключение молока из диеты больных и замена его соевым уст­ раняет 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

Галакт окиназа

УДФ-галактоза

1УДФ -галактозо- 4-эпимераза

УДЧя-глюкоза

И хотя по мощности этот путь составляет только 1/6 часть перво­ го, 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 вы­ работки в тонком кишечнике ферментов дисахаридаз (лактазы, мальтазы, сахаразы) приводит к патологии переваривания углеводов. Оно мо­ жет быть наследственным или следствием воспалительного процесса. В некоторых регионах Азии и Африки встречаются группы людей с на­ рушением выработки лактазы. Неполное расщепление дисахаридов вы­ зывает 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 лакта­ зы, альдолазы фруктозо-1-фосфата, гексозо-1-фосфат-уридилтрансфе- разы встречаются также дефекты ферментов, катализирующих процес­ сы синтеза и распада гликогена.

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

176

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

Регуляция обмена углеводов

Углеводы являются наиболее легко мобилизуемыми соединения­ ми, обеспечивающими энергетические потребности различных тканей. Чтобы различные метаболические пути любого обмена могли функцио­ нировать 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 осуществ­ ляется с помощью механизмов трех типов:

1. Изменение скорости синтеза ферментов (гормональная).

177

2.Изменение активности фермента в результате ковалентно^ химической модификации - фосфорилирование - дефосфорилирова. ние (фосфорилаза, гликогенсинтаза).

3.Аллостерическая. Регуляторными ферментами являются:

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, бензо­ ле, т.е. в полярных органических растворителях 3) содержание в своем составе жирных кислот.

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

фруктозо-2,6-бисфосфат образуется гтри фосфорилировании фруктозо-6-фосфата за счет АТФ Ф°с' фофруктокиназой - 2; важный метаболический регулятор обмена углеводов, т.к. при достаточном количестве глюкозы стимулирует гликолиз и тормозит глюконеогенез.

178

спиртами>также в состав могут входить фосфорная кислота,

ДРУГ““ ,е основания, углеводы. азотисты

ше, чем при окислении 1 г углевода.

3. В виде жировой прокладки предохраняют тело и органы жи­ вотных от механического повреждения (жировая капсула у почек, саль­ никзащищает органы брюшной полости).

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

5.Эйкозаноиды обладают регуляторной активностью.

6. Гликолипиды являются важными компонентами нервной тка­ ни, оказывая существенное влияние на функционирование нервной сис­

темы.

7. Некоторые липиды являются предшественниками многих био­ логически 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 че­ ловека.

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

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

Жиры - это гидрофобные продукты, ферменты их перевариваю­ щие - гидрофильны. Поэтому для увеличения поверхности соприкосно­ вения с гидрофильными ферментами жиры должны эмульгироваться (разбиться на капли). Эмульгирование жиров может происходить толь­ ко в кишечнике, поэтому основное место переваривания жиров - тонкий кишечник (duodenum).

Факторы эмульгирования: 1) перистальтика кишечника, 2) пробулькивание через содержимое кишечника пузырьков С02, образующе­

179

гося при нейтрализации 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 ки­ шечник в неактивном виде и активируется колипазой и желчными ки­ слотами, оптимум pH ее действия —слабощелочная среда. Продукты пе­ реваривания триацилглицеринов: глицерин, жирные кислоты, диацштглицерины, 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:

C H j- о - Р - Ъ - C H j- с н - N+(CHj)3

о

Фосфолипаза Ау - 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. Фос­ фолипаза С отщепляет фосфорилированный спирт, фосфолипаза Д - свободный спирт. Итак, конечные продукты переваривания фосфолипи­ дов: глицерин, жирные кислоты, Н3Р04 и азотистые спирты: холин, этаноламин, серин, инозит.

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

В результате переваривания жиров в кишечнике образуется гид­ рофобные продукты переваривания (холестерин, жирные кислоты с числом С атомов более 12, ди- и моноацилглицерины и гидрофильные (глицерин, короткие жирные кислоты, Н3Р04, холин, серин, этаноламин и др.). Всасывание гидрофильных продуктов переваривания в стенку

180