След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания

Скорбялата е резервен полизахарид в растенията и главният въглехидратен източник в храната на човека. Скорбялата е смес от -амилоза и амилопектин.

Съхраняването на глюкоза под форма на полимери силно намалява вътреклетъчното осмотично налягане, което би съществувало, ако се съхраняваше в мономерна форма, тъй като осмотичното налягане е пропорционално на броя на разтворимите молекули в даден обем.

6.4.3 Хидролитно разграждане на гликоген и скорбяла

Тези полизахариди се разграждат в храносмилателния тракт първоначално от слюнчената -амилаза, която като ендохидролаза разкъсва -1,4-О-гликозидните връзки във вътрешността на веригата, без да въздейства на -1,6-гликозидните връзки. В резултат от амилозата се получават по-къси линейни фрагменти, а от амилопектина и гликогена - смес от линейни и разклонени фрагменти. Последните се наричат декстрини. В стомаха поради значително по-ниското рН (1-2) ензимът се денатурира и прекратява действието си.

В тънките черва линейните фрагменти под действие на панкреатичната -амилаза (с действие като слюнчената) се разграждат до дизахариди (малтоза) и тризахариди (малтотриоза). Тези олигозахариди и декстрините се разграждат по-нататък от:
1) -1,4-глюкозидаза (малтаза), която като екзоензим хидролитно отделя по един глюкозен остатък от веригата, късайки -1,4-връзки;
2) деразклоняващ ензим, премахващ разклоненията (разкъсва хидролитно -1,6- и 1,4-връзки).

Получените глюкозни молекули се абсорбират в тънките черва и транспортират чрез кръвообращението. При постъпването им в клетките за активирането на всяка глюкозна молекула до глюкозо-6-фосфат се изразходва една молекула АТФ.

6.4.4 Фосфоролитично разграждане на гликоген

Вътреклетъчното разграждане на гликоген (гликогенолиза) се извършва под действие на 3 ензима:

На фиг. 6-16 е представено действието на първите два ензима. Гликоген фосфорилазата (или просто фосфорилаза) действа като екзо-ензим и отделя фосфоролитично един по един глюкозни остатъци от нередуциращи краища (представени в зелено) като разкъсва -1,4-гликозидна връзка и пренася тези остатъци върху неорганичен фосфат. Получава се глюкозо-1-фосфат. Ензимът действа докато до разклонението останат 4 или 5 остатъци.

Фиг. 6-16. Действие на фосфорилаза и деразклоняващ ензим (с глюкантрансферазна и амило-1,6-глюкозидазна активности) при фосфоролитичното разграждане на гликоген. Фосфорилазата откъсва един по един глюкозни остатъци от нередуциращи краища (в зелено) и ги превръща в глюкозо-1-фосфат - докато стигне до 4 или 5 остатъка преди разклонението. Глюкантрансферазата прехвърля фрагмента от остатъците от по-малкия клон (в лилаво) към главната верига, за да действа върху нея отново фосфорилазата. Амило-1,6-глюкозидазата хидролитно отделя остатъка в разклонението (в червено) като глюкоза.

Фосфорилираната форма на ензима по Сер 14 (фосфорилаза а) е активна). Дефосфорилираната форма (фосфорилаза b) е неактивна.

Фосфорилазата действа съвместно с простетичната група пиридоксал фосфат (ПФ), производно на витамин В₆, чиято структура ще бъде разгледана в т. 8.1.3 - фиг. 8-4. За действието на фосфорилазата е необходима фосфатната група на ПФ.

Деразклоняващият ензим има две ензимни активности. Когато фосфорилазата спре да действа, се включва първата му активност - глюкан трансферазната. Използва се и названието амило-[-1,4 --> -1,4]-трансгликозидаза. Ензимът пренася оставащите до разклонението -1,4 свързани остатъци (представени в лилаво) върху нередуциращ край на съседен клон, като с това удължава линейната верига и създава възможност отново да действа фосфорилазата.

Втората активност на деразклоняващия ензим е амило-1,6-глюкозидазна. Чрез нея ензимът хидролитно разкъсва 1,6-връзката, при което глюкозният остатък в разклонението (представен в червено) се отделя като глюкоза. Около 10% от остатъците в гликоген са в разклоненията и дават глюкоза, а не глюкозо-1-фосфат. Получената неразклонена верига се разгражда от фосфорилазата.

Съдбата на глюкозо-1-фосфат, получаващ се под действие на фосфорилазата, е представена на фиг. 6-17. В черния дроб под действие на фосфоглюкомутаза глюкозо-1-фосфат изомеризира до глюкозо-6-фосфат. Реакцията е обратима. Глюкозо-6-фосфат може да се използва:
1) в гликолизата или в пентозо-фосфатния път; или
2) под действие на глюкозо-6-фосфатаза може да се превърне в глюкоза в зависимост от нуждите на клетката и на организма. Получената глюкоза може да бъде отделена в кръвта за транспорт до нуждаещите се органи, и най-вече - мозък и еритроцити.

Мускулите и други тъкани нямат глюкозо-6-фосфатаза, така че там глюкозо-6-фосфат не може да се превърне в глюкоза, която да излиза в кръвта.

Фиг. 6-17. Различна съдба на глюкозо-1-фосфат, получаващ се при разграждането на гликоген. В черен дроб се получава глюкоза, а в периферните тъкани - пируват.

6.4.5 Синтеза на гликоген

Синтезата на гликоген (гликогеногенеза) не е просто обръщане на гликогенолизата, а отделен път с други ензими. При физиологични условия гликогенолизата е екзергоничен процес и той не може да бъде обърнат без разход на енергия.

Изследванията върху едно наследствено заболяване (болест на McArdle, разгледано в т. 6.4.6) са потвърдили, че разграждането и синтезата на гликоген протичат в отделни пътища. Засегнатите от тази болест имат дефектна мускулна фосфорилаза, но в мускулите им има нормален гликоген в увеличено количество.

Синтезата на гликоген започва с активиране на глюкоза до УДФ-глюкоза (фиг. 6-18). То протича, както следва:

Хексокиназа в мускулите или глюкокиназа в черния дроб активират глюкозата до глюкозо-6-фосфат като пренасят фосфатна група и част от енергията на АТФ върху глюкозата (формулите са дадени в т. 6.1.3.1).

Фосфоглюкомутаза превръща глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат (обратима реакция - виж 6-18 в т. 6.4.4).

Уридиндифосфат-глюкозо пирофосфорилаза (съкратено УДФ-глюкозо пирофосфорилаза) активира допълнително глюкозния остатък. Директното превръщане на глюкозо-1-фосфат в гликоген и фосфат е ендергонична реакция. Тя може да стане термодинамично възможна, ако се съчетае с друга екзергонична реакция или реакции. За целта УДФ--глюкозо пирофосфорилазата катализира взаимодействието между глюкозо-1-фосфат и УТФ (фиг. 6-18). Получават се УДФ-глюкоза и пирофосфат. (G^o' е около 0 kJ/mol) и би трябвало да е обратима реакция, но тъй като последващата хидролиза на пирофосфат под действие на пирофосфатаза е силно екзергонична реакция, тя осигурява протичането на цялостния процес.

Фиг. 6-18. Активиране на глюкоза до УДФ-глюкоза.

За синтезата е необходим зародиш (къса олигозахаридна верига от поне 7 глюкозни остатъци, свързани чрез -1,4-гликозидни връзки. Този зародиш се образува с помощта на два ензима: тирозин гликозилтрансфераза и гликогенин (автогликозилиращ се ензим).

Тирозин гликозилтрансфераза пренася глюкозен остатък от УДФ-глюкоза върху фенолната група на Тир194 в специален белтък гликогенин и с това поставя началото на образуване на гликогенов зародиш (фиг. 6-19). След това гликогенин, който е самогликозилиращ се ензим автокаталитично добавя още няколко (до 7) глюкозни остатъци от УДФ-глюкоза. Полученият къс фрагмент е именно зародишът, необходим за действие на гликоген синтазата. В скелетни мускули гликогенин остава свързан в центъра на гликогеновата молекула. В черния дроб гликогеновите молекули са много повече от гликогениновите и се предполага, че гликогенинът се отделя и използва неколкократно.


Фиг. 6-19. Образуване на гликогенов зародиш (праймер) с участието на тирозин гликозилтрансфераза и гликогенин. Действието на гликоген синтазата и разклоняващия ензим е описано по-долу.

Гликоген синтазата удължава веригата като добавя един по един глюкозни остатъци от УДФ-глюкоза към нередуциращия край на веригата, образувайки -1,4-гликозидни връзки (фиг. 6-20).

Когато веригата нарасне до 11 остатъци, разклоняващият ензим (амило-[1,4-->1,6]-трансгликозидаза) пренася фрагмент от 7 остатъци от края на веригата към С6-ОН група на глюкозен остатък от същата или друга верига.

6.4.6 Регулация на гликогенолиза и гликогеносинтеза

Гликоген фосфорилазата е регулаторният ензим на гликогенолизата, а гликоген синтазата - на синтезата на гликоген. И двата ензима катализират неравновесни необратими реакции. И двата се регулират чрез алостерично повлияване и чрез ковалентно фосфорилиране-дефосфорилиране, описано в т.4.4. (4.4.1, 4.4.2, 4.4.3 с фиг. 4-33).

На фиг. 6-21 е дадена регулацията на гликоген фосфорилазата. Фосфорилаза a е активната форма, а фосфорилаза b - неактивната. Като алостерични ефектори действат АМФ (активатор на фосфорилаза b) и глюкоза (инхибитор на фосфорилаза a).

Фосфорилаза b преминава във фосфорилаза a под действие на киназа на фосфорилаза а. Самата киназа на фосфорилазата също се регулира чрез фосфорилиране-дефосфорилиране. Протеин киназа А активира киназата на фосфорилазата, а фосфопротеин фосфатаза я инактивира.

Киназата на фосфорилазата е голям ензимен комплекс, изграден от 16 субединици:
₄₄₄₄. Каталитични функции има -субединицата, а останалите упражняват регулаторен контрол. - и -субединиците се фосфорилират-дефосфорилират от протеин киназа А. -Субединицата е Ca²⁺-свързващ регулаторен белтък, наречен калмодулин. Той се среща и като свободен белтък, и като участник в ензимни комплекси. Действа като рецептор на Ca²⁺ в клетката, отговаряйки на промени в концентрацията му и повлиявайки активностите на голям брой ензими. Тук свързването на Ca²⁺ към калмодулиновата субединица на киназата на фосфорилазата променя конформацията на комплекса - прави го по-активен да фосфорилира фосфорилазата.
Ca²⁺ активира и двете форми (а и b).

Фосфопротеинфосфатазата, която дефосфорилира фосфорилазата и киназата на фосфорилазата, също е подложена на регулация - инхибиране от цАМФ и активиране от инсулин.

Хормони като глюкагон и адреналин, които увеличават [цАМФ], предизвикват активиране на гликоген фосфорилазата чрез активиране на киназата на фосфорилазата и инхибиране на фосфопротеин фосфатазата. Обратно, инсулин има обратен ефект върху фосфорилазата чрез активиране на фосфопротеин фосфатазата.
Тази сложна неколкостепенна регулация осигурява амплификация от 1 до 100 млн пъти на изходния хормонален сигнал.

На фиг. 6-22 е дадена регулацията на гликоген синтазата. Като алостеричен активатор на неактивната гликоген синтаза b действа глюкозо-6-фосфат. За разлика от фосфорилазата, която се активира само от протеин киназа А, то гликоген синтазата се фосфорилира и инактивира от няколко различни кинази, всяка от които от своя страна се регулира от вторични посредници на хормони като цАМФ, Ca²⁺, диацилглицерол и други.

Фосфопротеин фосфатазата, която дефосфорилира и активира гликоген синтазата, се инхибира от цАМФ и активира от инсулин.

Така координирано и реципрочно се регулират регулаторните ензими на двата противоположни пътя - разграждане и синтеза на гликоген. Когато фосфорилазата е в активната си фосфорилирана форма, фосфорилираната гликоген синтаза е неактивна и обратно.

6.4.7 Приложение на познанията в медицината: гликогенози

Хиперурицемията може да се дължи на увеличено навлизане на глюкозо-6-фосфат в пентозо-фосфатния път, увеличено образуване на рибозо-5-фосфат, усилено образуване на пуринови нуклеотиди и увеличеното им разграждане в черния дроб до пикочна киселина (uric acid).

Лечението включва редовно поемане на въглехидратна храна, за да се избегне хипогликемията, подаване на въглехидрати по време на сън в стомаха чрез сонда, хирургическо преместване на порталната вена и чернодробна трансплантация.

Болест на Помпей - гликогеноза тип ІІ
 Това е най-тежката гликогеноза. Дължи се на недостатъчност на лизозомалната алфа-1,4-глюкозидаза. В лизозомите на всички органи се натрупва гликоген с фатални последици. Развива се масивна кардиомегалия и смъртта настъпва поради сърдечно-дихателна недостатъчност рано, обикновено преди 1 година от раждането.

Болест на Кори - гликогеноза тип III
 Дължи се на недостатъчност на амило-1,6-глюкозидазната активност от деразклоняващия ензим. Гликоген се натрупва, защото само най-външните клонове могат да бъдат разграждани от фосфорилазата. Настъпва хепатомегалия. Клиничните прояви са близки, но по-меки от тези при болестта на Фон Гирке, тъй като глюконеогенезата не е засегната и хипогликемията и нейните усложнения не са така изразени. По неизвестни засега причини понякога симптомите изчезват в пубертета.

Болест на Андерсен - гликогеноза тип ІV
 Липсва разклоняващият ензим. Натрупва се полизахарид почти без разклонения. Смъртта настъпва още първата година след раждането поради сърдечно или чернодробно увреждане.

Болест на Мак Ардл - V тип гликогеноза
Липсва мускулна фосфорилаза. Пациентите страдат от болки в мускулите, не могат да извършват усилена физическа работа, защото мускулните гликогенови запаси не са достъпни за работещите мускули. Поради това в мускула не се образува лактат и няма увеличение на плазмения лактат при работа. Мускулите се увреждат поради недостатъчното снабдяване с енергия и натрупване на гликоген. Недостигът на АТФ се отразява на интегритета на клетъчните мембрани. Поради влошеното състояние на мембраните често срещано явление е освобождаване на мускулни ензими като креатинфосфокиназа и алдолаза, а също и миоглобин. Увеличеното им ниво в кръвта, а дори появата им в урината е признак за смущения в мускулите.

6.5 Обмяна на други захари

6.5.1 Резюме

Наред с глюкозата, хексозите фруктоза, галактоза и маноза са важно метаболитно гориво. От храносмилателния тракт по кръвен път те достигат до различни тъкани, където се активират и превръщат в метаболити на гликолизата и се доразграждат в нея или използват за други обменни пътища.

Галактозата се активира от галактокиназа до галактозо-1-фосфат, след което галактозо-1-фосфат уридил трансферазата пренася уридилова група от УДФ-глюкоза към галактозо-1-фосфат. Получава се глюкозо-1-фосфат и УДФ-галактоза. УДФ-галактозо-4-епимеразата превръща УДФ-галактоза в УДФ-глюкоза.

Фруктозата в мускули се активира от хексокиназа до фруктозо-6-фосфат. В черен дроб посредством седем ензима фруктозата дава триозите глицерабдехид-3-фосфат и ДХАФ. С изключение на черен дроб, фруктоза може през сорбитол да се превърне в глюкоза.

Манозата се активира от хексокиназа до манозо-6-фосфат, който фосфоманозо-изомераза превръща във фруктозо-6-фосфат.

Уридиловите производни на монозахаридите имат значение, не само за превръщането на галактоза в глюкоза, но и за синтези на дизариди, полизахариди, гликопротеини, гликолипиди и протеогликани.

При дефекти в ензимите от метаболизма на тези три захари възникват наследствени заболявания. Галактоземия е заболяване, при което поради недостатъчност на галактозо-1-фосфат уридил трансферазата или галактокиназата, галактозата не може да се превръща в глюкоза. При недостатъчност на чернодробната алдолаза В възниква фруктозна непоносимост.

6.5.2 Обмяна на галактоза

Галактозата е изомер на -D-глюкозата. Отличава се от нея по това, че на 4- място хидроксилната група е над равнината на пръстена. Галактоза се получава при хидролизата на млечна захар (лактоза) в тънките черва.

Разграждането на галактоза се извършва в черния дроб (фиг. 6-23). То започва с активиране на галактозата до галактозо-1-фосфат под действие на галактокиназа. Този ензим е от групата на фосфотрансферазите. Фосфатната група се доставя от АТФ. При взаимодействие с уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) се получава глюкозо-1-Ф и УДФ-галактоза. Тази обратима реакция се катализира от галактозо-1-фосфат уридил трансфераза. В рамките на УДФ-производното галактозата се превръща в глюкоза под действие на ензима УДФ-галактозо-4-епимераза.