Гликогенолиз — расщепление гликогена¶
Гликогенолиз — это биохимический процесс расщепления гликогена до глюкозы (в печени) или глюкозо-1-фосфата (в мышцах), обеспечивающий поддержание уровня сахара в крови и энергетический гомеостаз тканей. Гликоген — полисахарид, служащий основной формой хранения глюкозы в организмах животных и человека; его запасы сосредоточены преимущественно в печени (100–120 г) и скелетных мышцах (300–400 г). Процесс катализируется ферментом гликогенфосфорилазой и включает несколько стадий последовательного отщепления остатков глюкозы от разветвлённой молекулы полисахарида.
¶Роль гликогена в организме
Гликоген синтезируется в клетках путём полимеризации глюкозы и выполняет функцию энергетического резерва. Печёночный гликоген участвует в поддержании концентрации глюкозы в крови между приёмами пищи, тогда как мышечный гликоген расходуется локально при физической нагрузке и не может быть напрямую превращён в свободную глюкозу для крови, поскольку в мышцах отсутствует фермент глюкозо-6-фосфатаза. Общая масса запасов гликогена у взрослого человека составляет около 400–500 г, что эквивалентно примерно 1600–2000 ккал энергии.
¶Механизм гликогенолиза
Процесс расщепления гликогена состоит из ряда последовательных реакций:
- Расщепление α-1,4-гликозидных связей. Фермент гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролитическое расщепление концевых глюкозных остатков с отщеплением глюкозо-1-фосфата. Реакция обратима и не требует затрат АТФ, поскольку фосфатная группа берётся из неорганического фосфата.
- Действие деbranching-фермента (разветвляющего фермента). Когда вблизи разветвления остаётся четыре остатка глюкозы, гликогенфосфорилаза останавливается. Деbranching-фермент переносит три остатка на соседнюю цепь посредством α-1,4-связи, а оставшийся остаток глюкозы, связанный α-1,6-гликозидной связью, гидролизуется α-1,6-глюкозидазной активностью того же фермента, высвобождая свободную глюкозу (примерно 8 % от общего количества).
- Превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат. Фермент фосфоглюкомутаза изомеризует глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат.
- Образование свободной глюкозы (в печени). Глюкозо-6-фосфатаза печени гидролизует фосфатную эфирную связь, высвобождая неорганический фосфат и свободную глюкозу, которая поступает в кровь.
В скелетных мышцах глюкозо-6-фосфат не дефосфорилируется, а направляется непосредственно в гликолиз для получения энергии.
¶Регуляция гликогенолиза
Активность гликогенфосфорилазы строго регулируется на нескольких уровнях.
¶Аллостерическая регуляция
В мышцах гликогенфосфорилаза существует в двух формах: активная a (фосфорилированная) и неактивная b (дефосфорилированная). Форма b активируется аллостерическими эффекторами — АМФ, неорганическим фосфатом, аммиаком, и ингибируется АТФ, глюкозой и глюкозо-6-фосфатом. Это обеспечивает быстрый отклик на энергетический статус клетки.
¶Гормональная регуляция
Ключевую роль играют два антагонистических гормона:
- Адреналин (и норадреналин) — стимулирует гликогенолиз в мышцах и печени через связывание с β-адренорецепторами, активацию аденилатциклазы, повышение уровня цАМФ и каскад фосфорилирования, приводящий к активации гликогенфосфорилазы.
- Глюкагон — пептидный гормон поджелудочной железы, повышающий гликогенолиз преимущественно в печени для поддержания гликемии.
- Кортизол и гормон роста — усиливают гликогенолиз при длительном голодании и стрессе.
Инсулин, напротив, тормозит гликогенолиз, активируя фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует и инактивирует гликогенфосфорилазу, одновременно стимулируя гликогенсинтазу.
¶Каскад фосфорилирования
Активация гликогенфосфорилазы осуществляется через каскад фосфорилкиназ: цАМФ активирует протеинкиназу A, которая фосфорилирует гликогенфосфорилазкиназу, а та, в свою очередь, фосфорилирует гликогенфосфорилазу, переводя её в активную форму a. Этот механизм обеспечивает значительное сигнальное усиление: одна молекула гормона может привести к расщеплению миллионов молекул гликогена.
¶Биологическое значение
Гликогенолиз обеспечивает:
- поддержание уровня глюкозы в крови в интервалах между приёмами пищи (главным образом за счёт печёночного гликогена);
- быстрое обеспечение мышц энергией в условиях интенсивной физической нагрузки;
- мобилизацию энергетических ресурсов в стрессовых ситуациях (выброс адреналина).
При нарушениях регуляции гликогенолиза возникают гликогенозы — наследственные заболевания, обусловленные дефицитом ферментов, участвующих в расщеплении или синтезе гликогена. Наиболее известны болезнь Гирке (дефицит глюкозо-6-фосфатазы), болезнь Помпе (дефицит лизосомной α-1,4-глюкозидазы) и болезнь Мак-Ардла (дефицит мышечной гликогенфосфорилазы), проявляющаяся мышечными судорогами и рабдомиолизом при нагрузке.
¶История исследования
Ключевой вклад в изучение гликогенолиза внесли Эдгар Фридерикс, который в 1949 году открыл гликогенфосфорилазу, а также Карл и Герти Кори, установившие основные этапы превращения гликогена и глюкозы. Работы Кори по метаболизму гликогена были отмечены Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1947 году.
¶Источники
- Страйер Л. Биохимия. — М.: Бином, 2012.
- Нельсон Д., Кокс М. Биохимия Ленингера. — М.: Бином, 2014.
- Воробьёв А. И. (ред.) Клиническая лабораторная диагностика. — М.: Триада-Х, 2005.
- Хэмм Д., Хэмм М. Биохимия для медицины. — М.: Практика, 2011.