Гликогеногенез

Гликогеногене́з — метаболический путь синтеза гликогена из глюкозы, происходящий с расходованием энергии в виде ATP и UTP. Гликогеногенез происходит во всех тканях животных, однако в основном он имеет место в печени и мышцах. Синтез гликогена происходит в период пищеварения (в абсорбтивный период, т. е. 1—2 часа после приёма углеводной пищи^[1][2].

Механизм

Внешние изображения
	Схема гликогеногенеза

«Стартовой точкой» гликогеногенеза служит глюкозо-6-фосфат. Глюкозо-6-фосфат может быть получен из глюкозы в ходе реакции, катализируемой изоферментами гексокиназой I и гексокиназой II в мышцах и гексокиназой IV (глюкокиназой) в печени:

D-глюкоза + ATP → D-глюкозо-6-фосфат + ADP.

Однако поглощённая с пищей глюкоза может проделывать более сложный путь до глюкозо-6-фосфата. Сначала она попадает в эритроциты, где гликолитически превращается в лактат. Затем лактат поступает в печень, где в ходе глюконеогенеза превращается в глюкозу, а потом и глюкозо-6-фосфат^[2].

Для инициации синтеза гликогена глюкозо-6-фосфат должен быть переведён в глюкозо-1-фосфат ферментом фосфоглюкомутазой:

Глюкозо-6-фосфат ⇌ глюкозо-1-фосфат^[2].

Глюкозо-1-фосфат далее превращается в UDP-глюкозу^[англ.] под действием UDP-глюкозопирофосфорилазы^[англ.], это является ключевым этапом в синтезе гликогена^[3].

Глюкозо-1-фосфат + UTP → UDP-глюкоза + PPi

Эта реакция образования нуклеотид-сахара в клеточных условиях необратима, поэтому необратим и гликогеногенез. Конденсация уридинтрифосфата с глюкозо-1-фосфатом имеет небольшое положительное изменение энергии Гиббса, однако в ходе этой реакции выделяется пирофосфат (PPi), который быстро гидролизуется пирофосфатазой^[англ.], а эта реакция сильно экзергонична (ΔG'^o = −19,2 кДж/моль). Таким образом концентрация пирофосфата в клетке поддерживается низкой, и образование нуклеотид-сахара оказывается выгодным для клетки энергетически. В действительности быстрое вовлечение продукта реакции в другие реакции, чему способствует большое отрицательное значение изменения энергии Гиббса при гидролизе пирофосфата, стимулирует дальнейшие реакции биосинтеза^[4].

UDP-глюкоза является непосредственным донором глюкозных остатков в реакции, катализируемой гликогенсинтазой^[англ.], которая катализирует перенос глюкозного остатка с UDP-глюкозы на нередуцирующий конец разветвлённой молекулы гликогена^[3].

Гликогенсинтаза создаёт (α1→4)-гликозидные связи, однако она неспособна создавать (α1→6)-гликозидные связи, которые располагаются в точках ветвления гликогена. Эти связи образует гликогеноразветвляющий фермент^[англ.], или амило-(1→4)-(1→6)-трансгликозилаза, или гликозил-(4→6)-трансфераза. Гликогеноразветвляющий фермент катализирует перенос терминального фрагмента длиной 6 или 7 глюкозных остатков с нередуцирующего конца ветви гликогена длиной не менее 11 остатков на гидроксильную группу при шестом атоме остатка глюкозы, располагающегося ниже, причём он может принадлежать как той же самой, так и другой цепи. Таким образом создаётся новая ветвь гликогена^[5].

width=5

Дополнительные остатки глюкозы могут добавляться на новую ветвь гликогена под действием гликогенсинтазы. Биологический момент разветвления молекулы гликогена состоит в том, что это повышает растворимость гликогена и увеличивает число его нередуцирующих концов, которые являются сайтами активности гликогенфосфорилазы (главный фермент гликогенолиза) и гликогенсинтазы^[5].

Гликогениновый димер, окружённый двумя молекулами гликогена

Гликогенсинтаза не может начать синтез новой цепи гликогена с нуля. Для этого ей нужна затравка, которой может быть (α1→4)-полиглюкозная цепь или ветвь, содержащая не менее 8 глюкозных остатков. Образование затравки обеспечивает белок гликогенин^[англ.], который является и местом синтеза затравки, и катализатором этого процесса. Первым этапом синтеза новой молекулы гликогена является перенос остатка глюкозы с UDP-глюкозы на гидроксильную группу остатка аминокислоты тирозина Tyr¹⁹⁴ гликогенина, обусловленный глюкозилтрансферазной активностью белка. Растущая цепь удлиняется за счёт последовательного добавления 7 или более глюкозных остатков, каждый из которых берётся от UDP-глюкозы, эта реакция также катализируется гликогенином. На этом этапе в синтез гликогена включается гликогенсинтаза, обеспечивающая дельнейшее удлинение гликогеновой цепи. После этого гликогенин в составе β-частицы, ковалентно присоединённой к единственному нередуцирующему концу молекулы гликогена^[5].

Регуляция

Регуляция гликогеногенеза осуществляется совместно с гликогенолизом (расщеплением гликогена) по типу переключения. Это переключение происходит при переходе из абсорбтивного состояния в постабсортивное, а также при смене состояния покоя на режим физической работы. В печени оно осуществляется при участии гормонов инсулина, глюкагона и адреналина, а в мышцах — инсулина и адреналина. Их действие на синтез и распад гликогена опосредовано изменением в противоположном направлении активности двух ключевых ферментов: гликогенсинтазы^[англ.] (гликогеногенез) и гликогенфосфорилазы (гликогенолиз) при помощи их фосфорилирования/дефосфорилирования^[6].

Примечания

1. Северин, 2011, с. 241.
2. Nelson, Cox, 2008, p. 599.
3. Nelson, Cox, 2008, p. 600.
4. Nelson, Cox, 2008, p. 598.
5. Nelson, Cox, 2008, p. 601.
6. Северин, 2011, с. 245.

Литература

• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
• Биологическая химия с упражнениями и задачами / Под ред. С. Е. Северина. — М.: Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2011. — 624 с.