Гликогенфосфорилаза¶

Гликогенфосфорилаза — это фермент класса трансфераз, катализирующий фосфоролиз гликогена — реакцию отщепления глюкозных остатков от молекулы гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата. Является ключевым регуляторным ферментом гликогенолиза — процесса расщепления гликогена, обеспечивающего быстрый доступ к глюкозе в клетках животных, грибов и бактерий.

¶История открытия

Гликогенфосфорилаза была открыта в 1936 году американским биохимиком Карлом Кори и его женой Герти Кори в ходе исследований метаболизма гликогена. Учёные обнаружили, что фермент катализирует обратимую реакцию фосфоролиза, а не гидролиза, что отличало его от амилаз. За это открытие в 1947 году Карл и Герти Кори совместно с аргентинским физиологом Бернардо Усаем были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. В 1950-х годах Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер установили, что активность фермента регулируется обратным фосфорилированием, что стало одним из первых примеров регуляции белков через посттрансляционные модификации.

¶Структура

Гликогенфосфорилаза представляет собой гомодимер — белок, состоящий из двух идентичных субъединиц. Каждая субъединица имеет молекулярную массу около 97 кДа и содержит несколько функциональных доменов:

• Каталитический центр — расположен в центральной части субъединицы, содержит пиридоксальфосфат (активная форма витамина B6) в качестве кофактора. Пиридоксальфосфат участвует в переносе фосфатной группы.
• Регуляторный центр — находится на N-конце субъединицы, содержит сайт связывания для аллостерических эффекторов (АМФ, АТФ, глюкозо-6-фосфат).
• Фосфорилируемый участок — серин-14 (в изоформе мышц), который может быть фосфорилирован киназами, что активирует фермент.

В организме человека существуют три основные изоформы гликогенфосфорилазы, кодируемые разными генами:

• Мышечная изоформа (PYGM) — экспрессируется в скелетных мышцах, оптимизирована для быстрого получения энергии при сокращениях.
• Печёночная изоформа (PYGL) — экспрессируется в печени, обеспечивает поддержание уровня глюкозы в крови.
• Мозговая изоформа (PYGB) — экспрессируется в головном мозге и других тканях, выполняет регуляторные функции.

¶Механизм действия

Гликогенфосфорилаза катализирует реакцию:

\[ \text{Гликоген}_n + \text{Фосфат} \rightleftharpoons \text{Гликоген}_{n-1} + \text{Глюкозо-1-фосфат} \]

Фермент атакует α-1,4-гликозидную связь между глюкозными остатками на нередуцирующем конце гликогена. Фосфатная группа присоединяется к первому углеродному атому глюкозы, образуя глюкозо-1-фосфат, который затем может быть превращён в глюкозо-6-фосфат фосфоглюкомутазой. Глюкозо-6-фосфат в мышцах поступает в гликолиз, а в печени дефосфорилируется до свободной глюкозы, выделяемой в кровь.

Фермент не способен расщеплять α-1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена. Для полного гидролиза ветвлений требуется дополнительный фермент — гликоген-ветвящий фермент (амило-1,6-глюкозидаза).

¶Регуляция активности

Гликогенфосфорилаза является классическим примером аллостерической и ковалентной регуляции. Она существует в двух основных формах:

• Фосфорилаза b (неактивная) — дефосфорилированная форма, активность которой зависит от аллостерических эффекторов.
• Фосфорилаза a (активная) — фосфорилированная форма, активная даже в отсутствие аллостерических активаторов.

¶Аллостерическая регуляция

Фосфорилаза b активируется аденозинмонофосфатом (АМФ), который связывается с регуляторным центром и стабилизирует активную конформацию. АТФ и глюкозо-6-фосфат действуют как ингибиторы, сигнализируя о достаточном энергетическом уровне клетки. В печени глюкоза также ингибирует фосфорилазу a, что предотвращает избыточное выделение глюкозы в кровь.

¶Ковалентная модификация

Фосфорилаза b может быть превращена в фосфорилазу a путём фосфорилирования серина-14 под действием фосфорилазной киназы. Этот процесс активируется гормонами:

• Глюкагон (в печени) и адреналин (в мышцах и печени) — через G-белок-связанные рецепторы активируют аденилатциклазу, что приводит к повышению уровня цАМФ и активации протеинкиназы A (PKA). PKA фосфорилирует фосфорилазную киназу, которая затем фосфорилирует гликогенфосфорилазу.
• Инсулин — напротив, активирует протеинфосфатазу 1, которая дефосфорилирует фосфорилазу a, переводя её в неактивную форму.

¶Физиологическая роль

¶В мышцах

В скелетных мышцах гликогенфосфорилаза обеспечивает быстрый доступ к глюкозе для гликолиза при интенсивной физической нагрузке. Активация фермента происходит за счёт повышения уровня АМФ и кальция (через активацию фосфорилазной киназы кальмодулином). Мышечная изоформа нечувствительна к глюкозе, так как мышцы не выделяют глюкозу в кровь.

¶В печени

Печёночная изоформа регулирует уровень глюкозы в крови. При голодании или стрессе глюкагон активирует гликогенфосфорилазу, что приводит к расщеплению гликогена и выделению глюкозы. После приёма пищи инсулин подавляет активность фермента, способствуя запасанию гликогена.

¶В мозге

Мозговая изоформа участвует в поддержании энергетического гомеостаза нейронов. Её активность регулируется нейромедиаторами и энергетическим статусом клетки.

¶Клиническое значение

Нарушения функции гликогенфосфорилазы приводят к наследственным заболеваниям, известным как гликогенозы:

• Болезнь Мак-Ардля (гликогеноз V типа) — вызвана мутациями в гене PYGM, кодирующем мышечную изоформу. Характеризуется непереносимостью физических нагрузок, мышечными болями, судорогами и миоглобинурией. В мышцах накапливается гликоген аномальной структуры. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
• Болезнь Герса (гликогеноз VI типа) — вызвана мутациями в гене PYGL, кодирующем печёночную изоформу. Проявляется гепатомегалией, гипогликемией натощак, задержкой роста. В отличие от болезни фон Гирке, не сопровождается выраженной лактатацидемией.
• Болезнь Форбса-Кори (гликогеноз III типа) — связана с дефицитом гликоген-ветвящего фермента, что приводит к накоплению гликогена с короткими внешними цепями, которые не могут быть расщеплены гликогенфосфорилазой.

Гликогенфосфорилаза также рассматривается как потенциальная мишень для лекарственных препаратов при лечении сахарного диабета 2 типа. Ингибиторы фермента могут снижать избыточную продукцию глюкозы печенью, однако их клиническое применение ограничено из-за риска гипогликемии.

¶Интересные факты

• Гликогенфосфорилаза была первым ферментом, для которого была показана регуляция активности через обратимое фосфорилирование.
• Фермент содержит пиридоксальфосфат, который обычно участвует в реакциях с аминокислотами, но в данном случае выполняет структурную и каталитическую роль.
• В 2015 году была опубликована трёхмерная структура гликогенфосфорилазы человека с разрешением 2,8 Å, что позволило детально изучить механизм её работы.

¶Источники

• Кори К.Ф., Кори Г.Т. «Гликогенфосфорилаза: открытие и свойства» // Journal of Biological Chemistry, 1936.
• Фишер Э.Г., Кребс Э.Г. «Регуляция гликогенфосфорилазы через фосфорилирование» // Nature, 1955.
• Харрис Р.А. «Гликогенфосфорилаза: структура, функция и регуляция» // Annual Review of Biochemistry, 1985.
• Барретт К.Е. «Медицинская биохимия» // Elsevier, 2010.
• Мюррей Р.К. «Биохимия человека» // McGraw-Hill, 2012.
• OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) — записи по гликогенозам V и VI типов.