Download Кафедра біологічної хімії and more Cheat Sheet Biochemistry in PDF only on Docsity!
Самопідготовка студента 2 курсу, 21 групи Краснокутського Олексія Тема № 9. Дослідження катаболізму і біосинтезу глікогену. Регуляція обміну глікогену, біосинтез глюкози – глюконеогенез.
1. Особливості перебігу та механізм ферментативних реакцій глікогенезу. 1.1. Вказати місце перебігу синтезу глікогену; Глікоген синтезується в печінці і скелетних м’язах. Нагромадження глікогену в м ’язах відбувається в період відновлення після роботи, особливо при вживанні їжі багатої вуглеводами. В печінці глікоген нагромаджується тільки після їжі, при гіперглікемії. 1.2. Представити послідовність ферментативних реакцій цього процесу; Ферментативні реакції синтезу глікогену (глікогенезу) Біосинтез глікогену здійснюється за аеробних умов. На першому етапі відбувається утворення глюкозо-6-фосфату за рахунок фосфорилування глюкози під впливом глюкокінази (у печінці) або гексокінази (в усіх інших органах і тканинах) з використанням однієї молекули АТФ (рис.4.9).
Рис. 4.9. Схема синтезу глікогену Для подальшого синтезу полісахаридних ланцюгів глікогену глюкозо-6-фосфат повинен спочатку перетворитись на більш реакційноздатну форму — уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкозу), яка є безпосереднім донором залишків глюкози в процесі синтезу. Для цього спочатку відбувається перетворення глюкозо-6-фосфату на глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази, який у наступній реакції взаємодіє з уридинтрифосфатом (УТФ). Реакцію каталізує глюкозо-1-фосфатуридилтрансфераза(УДФ-глюкозодифосфорилаза). Дифосфат (Н 4 Р 2 О 7 ) відразу ж гідролізується дифосфатазою до двох молекул неорганічного фосфату, тому реакція перебігає у напрямку незворотного утворення УДФ- глюкози. Далі залишок глюкози з УДФ-глюкози переноситься на кінець уже існуючої молекули глікогену («затравки»). Реакцію каталізує глікогенсинтаза, яка належить до трансфераз, а не до синтетаз. У цій реакції утворюється новий α-1,4-глікозидний зв'язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози, який приєднується, і гідроксилом біля С-4 кінцевого залишку глюкози ланцюга глікогену: УДФ, який вивільняється, перетворюється знову на УТФ за рахунок витрати 1 молекули АТФ:
впливом глікогенфосфорилази а відбувається відщеплення глюкозних залишків від ланцюга глікогену з утворенням глюкозо-1-фосфату. Цей процес відбувається до тих пір, поки у ланцюгу глікогену не залишиться 4 глюкозні залишки до точки розгалуження. Тоді фермент α-(1-6)-глікозидаза переносить триглюкозний фрагмент на кінець сусіднього ланцюга, а четвертий залишок глюкози, що зв’язаний α-(1-6)-глікозидним зв’язком, цей фермент відщеплює у вигляді вільної глюкози. Далі глікогенфосфорилаза знову відщеплює глюкозні залишки в лінійній послідовності аж до точки розгалуження. Молекули глюкозо-1-фосфату перетворюються на глюкозо-6-фосфат під впливом ферменту фосфоглюкомутази. Глюкозо-6-фосфатаза забезпечу перетворення глюкозо-6-фосфату на глюкозу, яка надходить у кров. Особливістю цього моменту є той факт, що даний фермент знаходиться лише в печінці та нирках, тому розпад глікогену до глюкози можливий лише в цих органах, і мусить кількісно забезпечувати весь організм. У скелетних м’язах і мозку цей фермент відсутній, тому там процес розпаду глікогену закінчується утворенням глюкозо-6-фосфату, який там і використовується.
3. Каскадні механізми АТФ-залежної регуляції активностей глікогенфосфорилази і глікогенсинтетази. 3.1. Представити схему АТФ-залежної регуляції активностей глікогенфосфорилази і глікогенсинтетази. Регуляція активності глікогенфосфорилази Глікогенфосфорилаза печінки та м’язів — це димер, який містить у своєму складі піридоксальфосфат. Фермент може перебувати в активній фосфорильованій формі (фосфорилаза а) та неактивній дефосфорильованій формі (фосфорилаза b).
- Перетворення неактивної фосфорилази b в активну фосфорилазу а відбувається шляхом фосфорилювання серинових залишків у молекулі фосфорилази за рахунок макроергічних зв’язків АТФ: Дефосфорилювання фосфорилази а протеїнфосфатазою (фосфатазою) призводить до утворення неактивної фосфорилази b.
- Фермент, що фосфорилює фосфорилазу b, — кіназа фосфорилази b. Кіназа фосфорилази b також існує в двох молекулярних формах — неактивній та активній, які взаємоперетворюються шляхом фосфорилювання — дефосфорилювання. Фосфорилювання кінази фосфорилази b (КФ b) відбувається за участю АТФ під дією цАМФ-залежної протеїнкінази: Дефосфорилювання кінази фосфорилази b фосфатазою супроводжується зворотним переходом ферменту в неактивну форму.
- Каталітично активна протеїнкіназа формується за умов її взаємодії з 3',5'-АМФ (цАМФ), утворення якого в аденілатциклазній реакції є пусковою молекулярною подією, що включає каскадний механізм регуляції ферментних процесів у клітині (глава 7). Активація аденілатциклази в гепатоцитах відбувається за умов взаємодії з мембранними рецепторами гормону α-клітин підшлункової залози глюкагону. В клітинах м’язів ферментний каскад глікогенолізу включається при взаємодії з β-адренорецепторами мембран міоцитів гормону мозкового шару надниркових залоз адреналіну (епінефрину). Схему ферментного каскаду регуляції активності фосфоролізу глікогену подано на рис. 13.3:
Зворотна реакція — дефосфорилювання (активація) глікоген-синтази каталізується відповідною фосфатазою. Із наведеного зрозуміло, що стимуляція каскаду фосфоролізу глікогену адреналіном або глюкагоном, яка супроводжується зростанням концентрації в клітинах цАМФ та активності цАМФ-залежних протеїнкіназ, призводить до фосфорилювання глікогенсинтази і її інактивації, тобто до пригнічення реакцій синтезу глікогену. Таким чином, глікогенфосфорилаза і глікогенсинтаза регулюються реципрокно: активація глікогенфосфорилази (і фосфоролізу глікогену) відбувається в умовах інактивації глікогенсинтази (і синтезу глікогену). Ця реципрокна регуляція метаболізму є яскравим проявом молекулярної логіки живих організмів, які включають катаболічні ферментні системи при необхідності забезпечення клітин енергією (м’язова діяльність вимагає розщеплення резервних вуглеводів) і переключають біохімічні реакції на шляхи анаболізму (в даному випадку — синтезу глікогену) в період фізіологічного спокою (рис. 13.4). Рис. 13.4. Схема реципрокної регуляції активностей глікогенфосфорилази та глікогенсинтази.
4. Особливості гормональної регуляції обміну глікогену в м’язах та печінці. 4.1. Написати схему гормональної регуляції обміну глікогену. Гормон надниркових залоз адреналін стимулює розпад і гальмує синтез глікогену в печінці, скелетних м'язах, міокарді (табл. 4.4). Секреція його у стресових ситуаціях зумовлює вивільнення глюкози з печінки у кров для постачання інших органів, а в м'язах — розпад глікогену до молочної кислоти з виділенням енергії, що забезпечує швидке зростання м'язової активності. Глюкагон стимулює розпад глікогену печінки, але не впливає на глікоген м'язів. Секретується підшлунковою залозою при зниженні концентрації глюкози в крові. Гормон підшлункової залози інсулін стимулює надходження глюкози в клітини і синтез глікогену. Механізми його дії ще до кінця не з'ясовані. Одним із них є активація інсуліном фосфодіестерази цАМФ, що призводить до зниження внутрішньоклітинного рівня цАМФ, у результаті стимулюється утворення неактивної глікогенфосфорилази й активної глікогенсинтази. У гепатоцитах інсулін підвищує активність глюкокінази.
4.2. Вказати особливості впливу інсуліну, глюкагону та адреналіну на обмін глікогену в м'язах та печінці. Механізми гормональної регуляції метаболізму глікогену Гормон М’язи Печінка Адреналі н Стимулює глікогеноліз і гальмує синтез глікогену шляхом активації глікогенфосфорилази та інгібування глікогенсинтази Інсулін Стимулює синтез глікогену і гальмує глікогеноліз шляхом підвищення проникності мембран м’язових клітин до глюкози та зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її розщеплення фосфодіестеразою Підвищує активність ферментативних реакцій синтезу глікогену Глюкагон Стимулює глікогеноліз і гальмує синтез глікогену за механізмом, аналогічним дії адреналіну в м’язах шляхом активації глікогенфосфорилази та інгібування глікогенсинтази
- Спадкові порушення ферментів синтезу та розпаду глікогену. Глікогенози, аглікогенози, їх характеристика, причини виникнення. 5.1. Дати визначення Глікогенози – це дефекти ферментів метаболізму глікогену, які спричинюють розвиток спадкових хвороб. Аглікогенози – це спадкові хвороби накопичення глікогену, в основі яких лежать генетичні дефекти, які спричинюють порушення утворення глікогенсинтетази. 5.2. Назвати спадкові порушення синтезу глікогену, дати характеристику, вказати причину виникнення захворювання. Спадкові порушення обміну глікогену Тип Назва хвороби Дефектний фермент Клінічні ознаки 0 Льюіса Глікогенсинтаза Гіпоглікемія, кетонемія, рання смерть І Гірке Глюкозо-6-фосфатаза Накопичення глікогену в печінці та клітинах ниркових канальців,
товщу ліпідного біслою біомембран, а ОН-група, що взаємодіє з водною фазою, здатна акцептувати моносахаридні фрагменти при послідовній дії специфічних глікозилтрансфераз. Включенню доліхолу (Dol) в реакції глікозилювання передує його фосфорилювання за участю ферменту доліхолкінази та ATP як донору фосфату: Фосфорильований доліхол взаємодіє з активованою молекулою N-ацетилглюкозаміну у формі UDP-GlcNAc в реакції, яка становить перший етап глікозилювання доліхолу: За рахунок послідовної дії специфічних глікозилтрансфераз та за участю відповідних нуклеотидцукрів відбувається формування олігосахарид-пірофосфорилдоліхолу — молекулярної структури, що є донором олігосахаридних фрагментів у процесі N- глікозилювання глікопротеїнів. У подальшому олігосахариди, сполучені з молекулами доліхол-пірофосфату, в цілому вигляді переносяться на амідні групи одного або декількох залишків аспарагіну акцепторного білка. Реакція каталізується мембранозв’язаною олігосахарид-трансферазою і відбувається в ендоплазматичному ретикулумі та апараті Гольджі. N-зв’язані глікопротеїни, що утворилися в результаті розглянутої послідовності реакцій, мають спільне для всіх глікопротеїнів пентасахаридне ядро (Man) 3 (GlcNAc) 2 , сполучене з NH-групою аспарагіну: Із зазначеним пентасахаридом зв’язані різні за будовою зовнішні олігосахаридні ланцюги. Ці зовнішні розгалужені олігосахаридні фрагменти, залежно від складу моносахаридних залишків та будови ланцюгів, поділяються на складні, гібридні та збагачені манозою олігосахариди. Глікопротеїни, що утворилися в результаті процесів О- та N-глікозилювання, залишаються зв’язаними з мембранними структурами у вигляді інтегральних білків мембран або секретуються в екстрацелюлярний простір. 6.2. Вказати особливості синтезу О-звязаних глікопротеїнів. Олігосахаридні ланцюги глікопротеїнів О-глікозидного типу конструюються шляхом ступеневого приєднання моносахаридних залишків до ОН-груп серину або треоніну поліпептидної частини молекули. Донорами вуглеводних залишків у цих реакціях є нуклеотидцукри, зокрема УДФ-N-ацетилгалактозамін (UDP-GalNAc), УДФ-галактоза (UDP-Gal) та ЦМФ-К-ацетилнейрамінова (сіалова) кислота (СМР-NeuAc).
Ферменти, що каталізують перенос моносахаридного залишку від нуклеотид- цукрів на OH-Ser(Thr), — мембранозв’язані глікопротеїн-глікозилтрансферази. Першим цукром в олігосахаридному ланцюзі глікопротеїну, що приєднується безпосередньо до ОН-групи серину (треоніну) поліпептидного компонента є, як правило, N-ацетилгалактозамін (GalNAc), другим — галактоза (Gal) або N-ацетилнейрамінова кислота (NeuAc): Така послідовність реакцій глікозилювання призводять до утворення біомолекул, прикладами яких є О-зв’язані полісахариди глікопротеїнів слини (муцинів) (а) та сіалоглікопротеїнів еритроцитарних мембран людини (б): Початок процесу глікозилювання, тобто приєднання перших моносахаридних залишків до пептидного ланцюга, відбувається в ендоплазматичному ретикулумі, тобто під час синтезу поліпептиду (трансляції), приєднання термінальних моносахаридів — в комплексі Гольджі. 6.3. Дати характеристику синтезу гліколіпідів. Гліколіпіди — важливі структурні компоненти біомембран, що визначають, разом із мембранними глікопротеїнами, антигенні властивості клітин. Подібно до утворення глікопротеїнів, формування гліколіпідів, зокрема глікосфінголіпідів, відбувається за механізмом послідовного нарощування олігосахаридів за участю специфічних глікозилтрансфераз. Донорами моносахаридів та їх похідних є нуклеотидцукри, що переносять залишки цукрів на молекулярну основу, якою виступає церамід (ацилсфінгозин). Процес відбувається за схемою: За розглянутим механізмом відбувається синтез гліколіпідів мембран еритроцитів, що складають антигенні детермінанти груп крові людини за системою АВО. Генетично детерміновані відмінності в групах крові визначаються особливостями молекулярної будови олігосахаридних компонентів мембранних гліколіпідів та глікопротеїнів, зокрема інтегрального білка мембран еритроцитів — глікофорину. В осіб із групою крові О функціонує ген (Н), експресія якого супроводжується наявністю в мембранах еритроцитів гліколіпіду, що містить у своєму складі базовий олігосахарид із термінальною фукозою — олігосахарид типу О, або так званий антиген Н. Особини з групами крові А та В мають алельні гени (I A та I B , відповідно), що відповідальні за синтез глікозилтрансфераз, які здатні модифікувати базовий олігосахарид О, приєднуючи до нього залишки N-ацетилгалактозаміну (тип А) або галактози (тип В).
Існує декілька лізосомальних сульфатаз, що відщеплюють сульфатні залишки від різних мономерних одиниць у складі глікозамінгліканів, зокрема арилсульфатаза А, арилсульфатаза В та арилсульфатаза С. Недостатність сульфатаз проявляється декількома формами глікозидозів.
7. Генетичні порушення метаболізму глікокон’югатів (глікозидози). 7.1. Дати визначення глікозидозів. Глікозидози — генетичні порушення метаболізму гетеполісахаридів, що є структурними компонентами протеогліканів та гліколіпідів. 7.2. Назвати спадкові порушення метаболізму глікокон'югатів, дати характеристику, вказати причину виникнення захворювання Глікозидози, які пов’язані із спадковою недостатністю ферментів розщеплення вуглеводних компонентів протеогліканів, мають назву мукополісахаридозів, гліколіпідів — гліколіпідозів (або муколіпідозів і сфінголіпідозів). Глікозидози і, зокрема, мукополісахаридози, є тяжкими захворюваннями, які проявляються глибокими порушеннями з боку сполучної тканини багатьох внутрішніх органів, зокрема, помутнінням рогівки, патологією кісток та суглобів, затримкою розвитку дитини та скороченням тривалості життя. Діагностичне значення має надмірна екскреція певних глікозамінгліканів із сечею. Біохімічні характеристики найбільш розповсюджених мукополісахаридозів (МПС) людини, тобто спадкових порушень катаболізму глікозамінгліканів, подані в таблиці 13.3. Таблиця 13.3. Біохімічні характеристики мукополісахаридозів (за R.Berkow (Ed): The Merck Manual of Diagnosis and Therapy, 1992, із змінами) Форм а МПС Назва хвороби Недостатність ферменту Глікозамінглікани сечі МПС I* Синдром Гурлера Синдром Шейе Синдром Гурлера- Шейє α-L-Ідуронідаза Дерматансульфати, гепарансульфати МПС II Синдром Гунтера Ідуроносульфатсульфатаза Дерматансульфати, гепарансульфати МПС III Синдром Санфіліппо Гепарансульфатсульфатаз а Гепарансульфати МПС IV Синдром Моркіо IVA Синдром Моркіо типу А IVB Синдром Моркіо типу B N-Ацетилгексозамін-6- сульфатсульфатаза β-Галактозидаза Кератансульфати Кератансульфати МПС Синдром Марото- Арилсульфатаза B Дерматансульфати
VI Ламі МПС VII Дефіцит β- глюкуронідази β-Г люкуронідаза Дерматансульфати Примітка: * існують форми IH, IS, IH/S.
8. Глюконеогенез. Визначення, субстрати, компартменталізація ферментів, послідовність реакцій, біологічне значення процесу. 8.1. Дати визначення: Глюконеогенез- це процес синтезу глюкози з невуглеводних сполук, якими є, глікогенні амінокислоти, гліцерин, а також лактат, піруват або будь-яка речовина, яка перетворюється в процесі катаболізму на піруват або в один із проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот. 8.2. Вказати субстрати, що можуть слугувати попередниками синтезу глюкози. Такими попередниками глюкози є лактат, піруват, більшість амінокислот, гліцерин, проміжні продукти циклу лимонної кислоти. 8.3. Написати реакції глюконеогенезу із зазначення їх клітинної локалізації. Перша незворотна стадія — перетворення пірувату на фосфоенолпіруват (сполуку з макроергічним зв'язком) здійснюється через проміжну речовину — оксалоацетат. Спочатку мітохондріальний фермент піруваткарбоксилаза каталізує АТФ-залежне карбоксилування пірувату. Далі оксалоацетат під дією фосфоенолпіруваткарбоксикінази перетворюється на фосфоенолпіруват:
енергії для нього. при зменшенні концентрації глюкози в крові нижче певної критичної межі порушується функціонування мозку і може наступити смерть.
9. Механізми регуляції глюконеогенезу в організмі людини. 9.1. Описати механізми регуляції глюконеогенезу в організмі людини. Відбувається глюконеогенез у печінці й, невеликою мірою, в кірковій речовині нирок. Завдяки цьому процесу підтримується концентрація глюкози в крові після того, як вичерпаються запаси глікогену при вуглеводному або повному голодуванні. Надзвичайно важливе значення глюконеогенезу для організму тварин і людини зумовлюється тим, що мозок має дуже малі запаси глікогену, а глюкоза крові служить основним джерелом енергії для нього. при зменшенні концентрації глюкози в крові нижче певної критичної межі порушується функціонування мозку і може наступити смерть. 10. Незворотні реакції гліколізу та їх обхідні шляхи. 10.1. Написати незворотні реакції гліколізу та їх обхідні шляхи – реакції глюконеогенезу (із зазначенням метаболітів і ферментів) Більшість стадій глюконеогенезу – це зворотні реакції гліколізу, за виключенням трьох незворотних реакцій - гексокіназної, фосфофруктокіназної та піруваткіназної). Тому в процесі глюконеогенезу на цих трьох етапах використовуються інші ферменти та, відповідно, відбуваються інші реакції, які називають «обхідними шляхами» (рис. 4…). Обхідні реакції також є незворотними, але вони спрямовані не на розпад, а на синтез глюкози. Перша незворотна стадія — перетворення пірувату на фосфоенолпіруват (сполуку з макроергічним зв'язком) здійснюється через проміжну речовину — оксалоацетат. Спочатку мітохондріальний фермент піруваткарбоксилаза каталізує АТФ-залежне карбоксилування пірувату. Далі оксалоацетат під дією фосфоенолпіруваткарбоксикінази перетворюється на фосфоенолпіруват:
Утворений фосфоенолпіруват перетворюється за допомогою зворотних реакцій гліколізу на фруктозо-1,6-дифосфат. Фермент фруктозодифосфатаза каталізує гідроліз фруктозо-1,6-дифосфату до фруктозо- 6-фосфату. При цьому вивільняється неорганічний фосфат, а енергія макроергічного фосфодіефірного зв'язку виділяється у вигляді тепла. У наступній зворотній реакції фруктозо-6-фосфат перетворюється на глюкозо-6-фосфат, який в обхідній реакції під дією глюкозо-6-фосфатази гідролізується до вільної глюкози. Глюкозо-6-фосфат може використовуватись також і для синтезу глікогену. Враховуючи необхідність двох молекул пірувату для утворення молекули глюкози, сумарне рівняння глюконеогенезу записується так: Таким чином, на синтез глюкози з пірувату затрачається значно більше енергії, ніж її утворюється під час гліколізу (шість молекул АТФ проти двох).
11. Взаємозв’язок гліколізу та глюконеогенезу. Глюкозо-лактатний (цикл Корі), глюкозо-аланіновий цикли. 11.1. Пояснити взаємозв҆язок між гліколізом та глюконеогенезом. Глікогенні амінокислоти залучаються в процес гліконеогенезу здебільшого при голодуванні та цукровому діабеті. За цих умов розпадаються жири жирової тканини, при
глюкози та гальмується гліколіз. У протилежній ситуації стимулюється гліколіз і гальмується глюконеогенез. На процес глюконеогенезу впливають гормони підшлункової залози (глюкагон, інсулін) і кори надниркових залоз (глюкокортикоїди). При голодуванні глюкагон посилює розпад жирів у жировій тканині. Жирні кислоти надходять у печінку, де розпадаються до ацетил- КоА. Швидкість окиснення ацетил-КоА в циклі лимонної кислоти відстає від швидкості його утворення, і підвищений рівень ацетил-КоА в клітині активує піруваткарбоксилазу. У результаті посилюється глюконеогенез. 11.2. Дати визначення та описати функціонування глюкозо-лактатного циклу. Іншим важливим субстратом глюконеогенезу є молочна кислота, яка нагромаджується в організмі під час інтенсивної м'язової роботи внаслідок анаеробного розпаду глікогену. У період відновлення після напруженої роботи молочна кислота переноситься кров'ю з м'язів до печінки, де під дією лактатдегідрогенази окиснюється до пірувату. Частина останнього використовується для глюконеогенезу, а частина розпадається аеробним шляхом, забезпечуючи процес глюконеогенезу енергією АТФ. Глюкоза потрапляє назад у скелетні м'язи і використовується для відновлення запасу глікогену. Поєднання процесу анаеробного гліколізу в скелетних м'язах і глюконеогенезу в печінці називається циклом Корі (глюкозо-лактатним циклом). 11.3. Дати визначення та описати функціонування глюкозо-аланінового циклу Рис. 4.18. Глюкозо-аланіновий цикл При тривалому голодуванні зростає секреція корою надниркових залоз глюкокортикоїдів, які посилюють у печінці синтез ферментів глюконеогенезу (фосфоенолпіруваткарбоксикінази, глюкозо-6-фосфатази) й амінотрансфераз – ферментів, які каталізують перетворення глікогенних амінокислот на піруват і оксалоацетат. Важливим субстратом у печінці є аланін, який може утворюватися у скелетних м'язах у зворотній реакції трансамінування пірувату з глутаматом ((Піруват + Глутамат Аланін + -Кетоглутарат) Аланін, утворений у м'язах під час їх роботи, потрапляє в кров, а потім поглинається гепатоцитами (після перетворення на піруват) і використовується в глюконеогенезі (рис. 4.18). У результаті стимуляції глюконеогенезу глюкокортикоїди збільшують концентрацію глюкози в крові та синтез глікогену в печінці. Інсулін протидіє стимулюючій дії глюкагону і глюкокортикоїдів на глюконеогенез.
