Розпад глікогену - мобілізація вуглеводів
Процес розпаду глікогену до молекул глюкози називається мобілізацією вуглеводів. Розщеплення глікогену відбувається в основному шляхом фосфороліза за участю ферменту глікогенфосфорилази і фосфорної кислоти (Н3РО4). Від глікогену відщеплюєтьсямолекула глюкози у вигляді глюкозо-1 -фосфат:
(С6Н10О5) n + Н3РО4 фосфорилазу глюкозо-1-фосфат + (С6Н10О5) n-1
Утворився глюкозо-1-фосфат швидко перетворюється в глюкозо-6-фосфат. У печінці він розщеплюється ферментами фосфатази на вільну глюкозу і фосфорну кислоту. Молекули вільної глюкози легко надходять в кров і використовуються багатьма тканинами організму як енергетичний субстрат. У скелетних м'язах такі фосфатази відсутні, тому глікоген в них використовується тільки для власних потреб.
Швидкість розпаду глікогену в м'язах залежить від їх функціональної активності, а в печінці - від рівня глюкози в крові. При м'язової діяльності швидкість мобілізації глікогену в печінці залежить від інтенсивності виконуваної навантаження: при помірній роботі вона зростає в 2-3 рази, а при інтенсивній - в 7-10 разів у порівнянні зі станом спокою.
Розпад глікогену в печінці продовжується і в період відпочинку. Утвориться глюкоза сприяє відновленню запасів глікогену в серцевому і скелетних м'язах, т. Е. Відбувається перерозподіл вуглеводів між окремими тканинами.
Витяг метаболічної енергії з вуглеводів відбувається майже у всіх клітинах організму людини і включає дві основні фази - бескислородное (анаеробне) окислення, яке протікає в цитоплазмі переважно скелетних м'язів і називається гликолизом, і кисневе (аеробне) окислення, що протікає в мітохондріях на ферментах циклу лимонної кислоти і дихальної ланцюга.
Гліколіз - це поступовий розпад молекули глюкози або глікогену (глікогеноліз) до двох молекул піровиноградної кислоти, яка в анаеробних умовах перетворюється на молочну кислоту. Він включає десять хімічних реакцій. Цей процес можна розділити на дві основні стадії - підготовчу і окислювальну. У підготовчій стадії молекула глюкози поступово розпадається до двох молекул 3-фосфогліцерінового альдегіду, при цьому використовується дві молекули АТФ. У окисної стадії відбувається подальше їх окислення з утворенням пірувату і чотирьох молекул АТФ. Починається гліколіз з активації молекули глюкози в присутності АТФ з утворенням глюкозо-6-фосфату або фосфороліза глікогену з відщепленням глюкозо-1-фосфату. Реакція фосфорилювання глюкози каталізується ферментом гексокінази і вимагає наявності іонів Мg2 +. Гексокіназа - це регуляторний аллостерічеський фермент, активність якого залежить від вмісту АТФ в клітині. При низькій концентрації АТФ фермент активний, а при високій її концентрації - не активний і процес гліколізу «вимикається», так як енергія в даний момент не використовується. Далі глюкозо-6-фосфат перетворюється в фруктозо-6-фосфат з участю ферменту глюкозофосфатізомерази. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется з використанням енергії АТФ, в результаті чого утворюється фруктозо-1,6-дифосфат. Реакція каталізується ферментом фосфофруктокинази (ФФК).
Фосфофруктокінази є ключовим аллостерическим ферментом, який регулює швидкість гліколізу. Його активність залежить від концентрації АТФ та інших метаболітів (молочної кислоти, цитрату), які впливають на його активність. Так, в м'язах в стані спокою концентрація АТФ відносно висока і процес гліколізу не активний. Під час роботи м'язи інтенсивно витрачається АТФ, що підвищує активність ФФК і призводить до посилення гліколізу. Однак накопичення молочної кислоти - кінцевого продукту анаеробного гліколізу - пригнічує цей фермент і швидкість гліколізу.
Перший етап гліколізу завершує реакція розщеплення фруктозо-1,6-дифосфата на дві тріози - фосфогліцеріновий альдегід і фосфодіоксиацетон під впливом ферменту альдолази. Утворилися тріози є ізомерами і здатні взаимопревращающихся. У наступні реакції гліколізу вступають дві моделі 3-фосфогліцерінового альдегіду.
Окислювальна стадія починається з окислення 3-фосфогліцерінового альдегіду за участю дегідрогенази, що містить кофермент НАД, і фосфорної кислоти. Кофермент НАД в цій реакції приєднує водень і перетворюється в НАДН2. В аеробних умовах НАДН2 може передати водень на кисень з утворенням ЗАТФ. Новоутворена 1,3-дифосфогліцеринова кислота містить макроергетіческую зв'язок і здатна вступити в реакцію перефосфорілірованія з АДФ, що веде до утворення АТФ і 3-фосфоглицериновой кислоти. Такий процес утворення АТФ називається субстратним фосфорилюванням. Він каталізує ферментом фосфогліцераткинази.
3-фосфогліцеріновую кислота під впливом ферменту фосфогліцеромутази перетворюється в 2-фосфогліцеріновую кислоту. Остання за участю ферменту енолази втрачає молекулу води і перетворюється в фосфоенолпіровіноградную кислоту. В результаті внутрішньомолекулярного окислювально-відновного процесу у другого вуглецевого атома цієї кислоти утворюється макроергічні зв'язок, при розриві якої за участю ферменту піруваткінази відбувається перенос фосфорного залишку від фосфоенолпіровіноградной кислоти на АДФ (друге субстратне фосфорилювання), а також утворення двох молекул піровиноградної кислоти і двох молекул АТФ .
Гліколіз в анаеробних умовах завершується реакцією відновлення піровиноградної кислоти до молочної під впливом ферменту лактатдегідрогенази. Джерелом водню служать молекули НАДН2, що утворюються при окисленні 3-фосфогліцерінового альдегіду. Таким чином, кінцевим продуктом анаеробного гліколізу є молочна кислота. В аеробних умовах піровиноградна кислота не перетворюється в молочну і окислюється далі в циклі лимонної кислоти до кінцевих продуктів обміну. Сумарне рівняння процесу гліколізу можна представити у вигляді
С6Н12О6 + 2АТФ + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД 2С3Н6О3 + 4АТФ + .2НАДН2 + 2Н2О
# 8710; Q0 = -196 кДж • моль-1
61 кДж акумулювання 135 кДж розсіюється в АТФ вигляді тепла
У процесі гліколізу поступово вивільняється 196 кДж енергії. Велика частина її розсіюється у вигляді тепла (135 кДж), а менша - накопичується в макроергічних зв'язках двох молекул АТФ. Ефективність запасання енергії в формі АТФ при гліколізі складає 40%. Основна частина енергії, акумульованої в молекулі глюкози (2880 кДж), залишається в продукті гліколізу - двох молекулах молочної кислоти і може вивільнятися тільки при їх аеробному окисленні. У гликолизе утворюються багато речовини, необхідні для пластичних процесів в клітинах. Особливо багато при цьому накопичується молочної кислоти, яка швидко дифундує з скелетних м'язів в кров і впливає на кислотно-лужний стан організму. Рівень молочної кислоти в крові тільки до певної міри відображає інтенсивність гліколізу в м'язах, оскільки кислота частково метаболізується в них. У нормі концентрація молочної кислоти в крові знаходиться в межах 1 1,5 ммоль • л-1.
Молочна кислота у водному середовищі дисоціюють на протон водню (Н +) і аніон кислотного залишку: