Содержание

Гликогенез — словарь ветеринарных терминов — ВЦ Зоовет

Гликогенез — биохимическая реакция протекающая в основном в печени и мышцах в результате которой глюкоза превращается в гликоген. Это очень важная биологическая реакция так как глюкоза является основным источником энергии в организме, а гликоген это форма хранения глюкозы в клетке на случай энергетических затрат между приемами пищи. Гликогенез это только один из этапов сложного превращения углеводов в организме. В целом это происходит следующим образом: Во время приема пищи углеводы, к которым в первую очередь относится крахмал, а также дисахариды сахароза, лактоза и мальтоза, под действием фермента слюны амилазы расщепляются на менее крупные чем крахмал молекулы. Далее в тонком кишечнике уже другие ферменты (панкреатическая амилаза, сахараза, мальтаза и лактаза) гидролизируют углеводные остатки до моносахаридов, одним из которых является глюкоза. Затем половина всосавшейся глюкозы поступает в печень, а остальная часть транспортируется в остальные ткани. Поступление глюкозы в клетки во многих органах регулируется инсулином, за исключением печени и мозга где скорость диффузии зависит только от концентрации глюкозы. В клетках происходит распад глюкозы —

гликолиз. Гликолиз может происходить с участием кислорода (аэробный процесс), тогда в результате образуется две молекулы пирувата, и без участия кислорода (анаэробный процесс), в этом случае образуются две молекулы лактата. В случае аэробного процесса пируват в конечном итоге окисляется до углекислого газа и воды. А анаэробный процесс включает те же реакции что и аэробный, только в конце пируват превращается в лактат. В результате распада глюкозы с участием кислорода образуется 38 молекул
АТФ
— источника энергии в живых организмах, а после анаэробного гликолиза всего 2 молекулы АТФ. Смысл этого заключается в том, что анаэробный процесс протекает в мышцах в начале интенсивной физической нагрузки когда снабжение кислородом ограничено.
Часть попадающей с пищей глюкозы не идет на образование АТФ, а откладывается про запас в виде гликогена у животных и в виде крахмала у растений. Гликоген и крахмал это разветвленные цепочки из молекул глюкозы. Процесс гликогенеза, т.е. образование гликогена из глюкозы представляет собой процесс полимеризации, т.е происходит последовательное присоединение друг к другу мономеров глюкозы и образование полисахаридной цепи гликогена. Мышечный гликоген является источником глюкозы для самой мышечной клетки, а печеночный поддерживает физиологическую концентрацию глюкозы в крови.

Здоровья Вам и Вашим питомцам!

Возврат к списку

Синтез гликогена (гликогенез). «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.

Прежде всего глюкоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы, а в печени – и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фос-фат:

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорилаза):

Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > УДФ-глюкоза + Пирофосфат.

Приводим структурную формулу УДФ-глюкозы:

На второй стадии – стадии образования гликогена – происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена («затравочное» количество). При этом образуется α-(1–>4)-связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Необходимо еще раз подчеркнуть, что реакция, катализируемая гликогенсинтазой, возможна только при условии, что полисахаридная цепь уже содержит более 4 остатков D-глю-козы.

Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.

В целом образование α-1,4-глюкозидной ветви («амилозной» ветви) гликогена можно представить в виде следующей схемы:

Установлено, что гликогенсинтаза неспособна катализировать образование α-(1–>6)-связи, имеющейся в точках ветвления гликогена. Этот процесс катализирует специальный фермент, получивший название гли-когенветвящего фермента, или амило-(1–>4)–>(1–>6)-трансглюкозидазы. Последний катализирует перенос концевого олигосахаридного фрагмента, состоящего из 6 или 7 остатков глюкозы, с нередуцирующего конца одной из боковых цепей, насчитывающей не менее 11 остатков, на 6-гидроксиль-ную группу остатка глюкозы той же или другой цепи гликогена. В результате образуется новая боковая цепь.

Ветвление повышает растворимость гликогена. Кроме того, благодаря ветвлению создается большое количество невосстанавливающих концевых остатков, которые являются местами действия гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы.

Таким образом, ветвление увеличивает скорость синтеза и расщепления гликогена.

Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах и в меньшей степени в других органах и тканях) создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов. При повышении энерготрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходят усиление распада гликогена и образование глюкозы.

Помимо непосредственной передачи нервных импульсов к эффекторным органам и тканям, при возбуждении ЦНС повышаются функции ряда желез внутренней секреции (мозговое вещество надпочечников, щитовидная железа, гипофиз и др.), гормоны которых активируют распад гликогена, прежде всего в печени и мышцах (см. главу 8).

Как отмечалось, эффект катехоламинов в значительной мере опосредован действием цАМФ, который активирует протеинкиназы тканей. При участии последних происходит фосфорилирование ряда белков, в том числе гликогенсинтазы и фосфорилазы b – ферментов, участвующих в обмене углеводов. Фосфорилированный фермент гликогенсинтаза сам по себе малоактивен или полностью неактивен, но в значительной мере активируется положительным модулятором глюкозо-6-фосфатом, который увеличивает V

maxфермента. Эта форма гликогенсинтазы называется D-формой, или зависимой (dependent) формой, поскольку ее активность зависит от глюкозо-6-фосфата. Дефосфорилированная форма гликоген-синтазы, называемая также I-формой, или независимой (independent) формой, активна и в отсутствие глюкозо-6-фосфата.

Таким образом, адреналин оказывает двойное действие на обмен углеводов: ингибирует синтез гликогена из УДФ-глюкозы, поскольку для проявления максимальной активности D-формы гликогенсинтазы нужны очень высокие концентрации глюкозо-6-фосфата, и ускоряет распад гликогена, так как способствует образованию активной фосфорилазы а. В целом суммарный результат действия адреналина состоит в ускорении превращения гликогена в глюкозу.

Предыдущая страница | Следующая страница

СОДЕРЖАНИЕ

Гликогенез — Справочник химика 21


    Гликогенез. Конечные продукты пищеварения углеводов — глюкоза, фруктоза и галактоза — диффундируют из пищеварительного тракта в воротную вену и попадают затем в печень. В результате различных превращений, протекающих с участием [c.382]

    Опишите кратко гликогенез и гликогенолиз. Где происходят эти процессы  [c.358]

    Синтез гликогена (гликогенез) [c.322]

    Гликогенез происходит в печени и в клетках мышц, как показано на схеме  

[c.327]

    Снижение уровня сахара в крови, регуляция углеводного обмена, влияние на белковый и липидный обмен Повышение уровня сахара в крови стимуляцией гликогенеза в печени [c.239]

    При отравлении стимулируется гликогенолиз и угнетается гликогенез, что обусловливает гипергликемию. Содержание Л. в печеночной ткани значительно снижается, угнетается активность альдолазы, активируется лактатдегидрогеназа, уменьшается концентрация пировиноградной кислоты, увеличивается уровень молочной кислоты. Содержание холестерина и р-липо-протеидов увеличивается изменяется баланс электролитов в крови, внутренних органах и структурах ЦНС в крови увеличивается концентрация пиридиннуклеотидов, содержание их в печени уменьшается, что связано с повреждающим действием иона Л. на никотинамидные ферменты в тканях нарушаются функции сердца и почек. 

[c.27]

    Избыток глюкозы накапливается в организме в виде гликогена, который образуется в результате процесса, называемого гликогенезом. Остатки глюкозы (х= 12—18) конденсируются с выделением молекул воды, образуя гликоген по общей схеме [c.327]

    Цикл Кори. Гликогенез, гликогенолиз, гликолиз и лимоннокислый цикл связаны между собой (фиг. 105). Вся совокупность этих взаимоотношений называется циклом Кори. [c.383]

    Поддерживание определенного уровня сахара крови — глюкозная толерантность — зависит от строгой регуляции интенсивности гликогенолиза, гликогенеза и окисления глюкозы. 

[c.388]

    Две первые стадии гликогенолиза обратны двум последним стадиям гликогенеза. Глюкоза поступает в кровь из печени, так как в печени содержится основное количество фосфорилазы — фермента, катализирующего гидролиз гликогена. В мышечных клетках гликоген не гидролизуется, так как содержание в них фосфорилазы очень незначительно. [c.328]

    Сахарный диабет — это болезнь, вызываемая недостаточностью инсулина в организме. Экспериментальные данные показывают, что инсулин регулирует скорость проникновения глюкозы внутрь клеток и защищает гексокиназу от ингибиторов (специфических ядов), благодаря чему глюкоза может быть фосфорилирована в глюкозо-6- сфат. Это одна из важнейших реакций гликогенеза. [c.352]

    Низкое содержание сахара в крови может быть обусловлено чрезмерным гликогенезом, недостаточным глико-генолизом или какими-либо другими причинами, к которым относятся [c.353]

    Избыточная глюкоза, поступившая при всасывании, откладывается в печени в виде запасного гликогена. В нормальных условиях этот орган содержит около 100 г гликогена, но его может накапливаться и до 400 г. Гликоген печени легко превращается в глюкозу, поэтому он является резервом, за счет которого организм получает глюкозу, если ее содержание в крови падает ниже нормального. Образование гликогена из глюкозы называется гликогенезом, а превращение гликогена в глюкозу — гликогенолизом. Мышцы также способны накапливать глюкозу в виде гликогена, но мышечный гликоген превращается в глюкозу не так легко, как гликоген печени. [c.365]


    Гликогенез. Процесс гликогенеза — это не простое превращение глюкозы в гликоген. Как мы видели [c.365]

    В норме примерно половина поглощенной глюкозы вступает на путь гликолиза и превращается в энергию, другая половина запасается в виде жиров или гликогена. В отсутствие инсулина ослабевает интенсивность гликолиза и замедляются анаболические процессы гликогенеза и липогенеза. Действительно, [c.256]

    Эффекты глюкагона, как правило, противоположны эффектам инсулина. Если инсулин способствует запасанию энергии, стимулируя гликогенез, липогенез и синтез белка, то глюкагон, стимулируя гликогенолиз и липолиз, вызывает быструю мобилизацию источников потенциальной энергии с образованием глюкозы и жирных кислот соответственно. Глюкагон— наиболее активный стимулятор глюконеогенеза кроме того, он обладает и кетогенным действием. [c.264]

    Глюкозо-6-фосфат занимает важное положение в области стыковки ряда метаболических путей (гликолиз, глюконеогенез, пентозофосфатный путь, гликогенез и гликогенолиз) (рис. 18.2). В ходе гликолиза он превращается во фруктозо-6-фосфат при участии фос гексозоизомеразы, при этом происходит альдо-кето-изомеризация. Фермент действует только на а-аномер глюкозо-6-фосфата  [c.182]

    МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ГЛИКОГЕНОЛИЗА И ГЛИКОГЕНЕЗА [c.192]

    Рнс. 22.5. Регуляция гликогенолиза и гликогенеза сАМР-зависимой протеинкиназой. При увеличении концентрации сАМР стимулируются реакции, ведущие к запуску гликогенолиза (они показаны жирными стрелками), и ингибируются реакции, ведущие к его торможению (показаны пунктирными стрелками). При уменьшении концентрации сАМ Р под действием фосфодиэстеразы возникает противоположная ситуация и в итоге стимулируется гликогенез [c.220]

    Ранее предполагали, что процессы расщепления являются обращением процессов синтеза (например, гликогенолиз и гликогенез), а синтез жирных кислот рассматривали как процесс, обратный их окислению. [c.231]

    Образование гликогена из углеводов называется гликогенезом, а из неуглеводного материала (аминокислот, глицерина и т. д.)—гликонеогенезом. В организме протекают и противоположные им процессы гликогенолиз — расщепление гликогена до глюкозы, а гликолиз — более глубокий распад до пировиноградной кислоты. [c.82]

    Процессы гликолиза и гликогенеза регулируются гормонами адреналином, инсулином, глюкагоном. Адреналин, выделяющийся в надпочечниках, стимулирует реакции гликолиза и снижает скорость гликогеногенеза, при этом улучшается снабжение мышц энергией. Инсулин, вьвделя-ющийся В-клетками островков Лангерганса в поджелудочной железе, усиливает транспорт глюкозы внутрь клеток, из-за чего снижается содержание глюкозы в крови и усиливается синтез гликогена. В ответ на низкое содержание глюкозы в крови адреналин стимулирует выделение в А-клетках островков Лангерганса гормона глюкагона, который стимулирует глюкогенез в печени, в результате образуется большое количество глюкозы, которая поступает в кровь и затем переносится в другие ткани. [c.82]

    И 25°), она происходит только при распаде гликогена и не связана с гликогенезом, т. е. с процессом ресинтеза гликогена. Гликогенез происходит и тогда, когда отношение [Фн]/[Глюкозо-1-фосфат] достигает 300, а также при некоторых наследственных нарушениях обмена, нри которых фосфорилаза вообще отсутствует. Кроме того, в присутствии адреналина, который, как только что упоминалось, стимулирует активность фосфорилазы, происходит распад, а не синтез гликогена. В настоящее время благодаря работам Лелуара и других исследователей окончательно доказано, что синтез гликогена идет по пути полимеризации не самого глюкозо-1-фосфата, а смешанного ангидрида этого соединения и УМФ, так называемой УДФ-глюкозы, или УДФГ (См. гл. VIII). В этой реакции участвует специфичный фермент — гликогенсинтетаза. [c.285]

    Инсулин снижает уровень глюкозы в крови двумя путями ) способствуя ее проникновению в клетки и 2) активируя гликогенез в печени и мышцах. В отсутствие инсулина некоторый избыток глюкозы выводится почка.ми (гликозурня). [c.388]

    Рнс. 19.1. Схема гликогенеза и гликогенолиза в печени. На включение одной молекулы глюкозы в состав гликогена расходуются две высокоэнергетические фосфатные связи. 0 сгимуляция — ингибирование. Инсулин понижает уровень сАМР только в том случае, если повьииение уровня сАМР было вызвано глюкагоном или адреналином, т.е. по отношению к последним инсулин выступает как антагонист. [c.190]

    В процессе гликогенеза клетки забирают глюкозу из крови, а печень восполняет недостаток глюкозы посредством гликогеноли- [c.328]

    В. Влияние на образование глюкозы (глюконеогенез). Влияние инсулина на транспорт глюкозы, гликолиз и гликогенез проявляется за считанные секун- [c.256]

    Регуляция метаболизма гликогена осушествляется путем изменения активностей гликогенсинтазы и фосфорилазы (эти активности контролируются субстратами аллостерически, а также регулируются гормонами). Повышение концентрации сАМР приводит к активации фосфорилазы под действием киназы фосфорилазы и одновременно к переходу гликогенсинтазы в неактивную форму (см. гл. 19) в обоих процессах участвует сАМР-зависимая про-теинкиназа. Таким образом, при ингибировании гликогенолиза усиливается гликогенез, а при ингибировании последнего усиливается гликогенолиз. Важное значение для регуляции метаболизма гликогена имеет то обстоятельство, что дефосфорилирование фосфорилазы а, киназы фосфорилазы и гликогенсин- [c.219]


    Описаны гликогенозы, связанные с недостаточностью фосфорилазы в печени (гликогеноз VI типа), недостаточностью фосфофруктокиназы в мышцах и эритроцитах (гликогенез VII типа болезнь Таруи), а также гликогеноз, обусловленный недостаточностью киназы фосфорилазы. Сообщалось также о случаях недостаточности аденилаткичазы и сАМР-зависимой протеинкиназы. [c.195]

    Глюкуроновая кислота образуется из глюкозы по пути уроновых кислот в результате реакций, приведенных на рис. 21.1. Глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат, который затем взаимодействует с уридинтрифосфатом (UTP) с образованием активного нуклеотида уридиндифосфатглюкозы (UDP-глюкозы). Последнюю реакцию катализирует фермент UDP-глюкозопирофосфорилаза. Реакции, предшествующие этой стадии, характерны для процесса гликогенеза в печени (см. рис. 19.1). UDP-глюкоза окисляется по С-6 с образованием глюкуро-ната, причем процесс протекает в две стадии. Продуктом стадии окисления, катализируемой NAD-зависимой UDP-глюкозодегидрогеназой, является UDP-глюкуронат. [c.205]


— обмен гликогена — Биохимия

Мобилизация гликогена (гликогенолиз)

Резервы гликогена используются по-разному в зависимости от функциональных особенностей клетки.

Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови, прежде всего при кратком голодании между приемами пищи. Через 12-18 часов голодания запасы гликогена в печени полностью истощаются. Также распад гликогена в печени происходит при мышечной нагрузке под влиянием адреналина и, если развивается рабочая гипогликемия, глюкагона. 

В мышцах количество гликогена снижается обычно только во время физической нагрузки – длительной и/или напряженной. Гликоген здесь используется для обеспечения глюкозой самих миоцитов. Таким образом, мышцы, как впрочем и остальные органы, используют гликоген только для собственных нужд.

Мобилизация (распад) гликогена или гликогенолиз активируется при недостатке свободной глюкозы в клетке, а значит и в крови (голодание, мышечная работа). При этом уровень глюкозы крови «целенаправленно» поддерживает только печень, в которой имеется глюкозо-6-фосфатаза, гидролизующая фосфатный эфир глюкозы. Образуемая в гепатоците свободная глюкоза выходит через плазматическую мембрану в кровь. 

В гликогенолизе непосредственно участвуют три фермента:

1. Фосфорилаза гликогена (кофермент пиридоксальфосфат) – расщепляет α-1,4-гликозидные связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления (α1,6-связи) не останется 4 остатка глюкозы.

Роль фосфорилазы при мобилизации гликогена

2. α(1,4)-α(1,4)-Глюкантрансфераза – фермент, переносящий фрагмент из трех остатков глюкозы на другую цепь с образованием новой α1,4-гликозидной связи. При этом на прежнем месте остается один остаток глюкозы и «открытая» доступная α1,6-гликозидная связь.

3. Амило-α1,6-глюкозидаза, («деветвящий» фермент) – гидролизует α1,6-гликозидную связь с высвобождением свободной (нефосфорилированной) глюкозы. В результате образуется цепь без ветвлений, вновь служащая субстратом для фосфорилазы.

Роль ферментов в расщеплении гликогена

Таким образом, при мобилизации гликогена образуется свободная глюкоза и глюкозо-1-фосфат (изомеризующийся в глюкозо-6-фосфат), и их судьба различна в зависимости от органа.

Синтез гликогена

Гликоген способен синтезироваться почти во всех тканях, но наибольшие запасы гликогена находятся в печени и скелетных мышцах. Накопление гликогена в мышцах отмечается в период восстановления после нагрузки, особенно при приеме богатой углеводами пищи. В печени синтез гликогена происходит только после еды, при гипергликемии. Это объясняется особенностями печеночной гексокиназы (глюкокиназы), которая имеет низкое сродство к глюкозе и может работать только при ее высоких концентрациях, при нормальных концентрациях глюкозы в крови ее захват печенью не производится.

Непосредственно синтез гликогена осуществляют следующие ферменты:

1. Фосфоглюкомутаза – превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат;

2. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза – фермент, осуществляющий ключевую реакцию синтеза. Необратимость этой реакции обеспечивается гидролизом образующегося дифосфата;

Реакции синтеза УДФ-глюкозы

3. Гликогенсинтаза – образует α1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепочку, присоединяя активированный С1 УДФ-глюкозы к С4 концевого остатка гликогена;

Химизм реакции гликогенсинтазы

4. Амило-α1,4-α1,6-гликозилтрансфераза,»гликоген-ветвящий» фермент – переносит фрагмент с минимальной длиной в 6 остатков глюкозы на соседнюю цепь с образованием α1,6-гликозидной связи.

Роль гликогенсинтазы и гликозилтрансферазы в синтезе гликогена

Значение гликогенеза и гликогенолиза.

Гликогенез – это внутриклеточный синтез гликогена;

Гликогенолиз – это внутриклеточный распад гликогена.

Гликоген – мышц и печени выполняет разную функцию: Мышц – резерв синтеза АТФ внутри мышечной ткани, а печени – резерв глюкозы для поддержания концетрации глюкозы в циркуляции крови.

Регуляция углеводного обмена.

Регуляция углеводного обмена происходит за счет регуляции действия ферментов катализирующих бóльшую часть реакций. Изменения могут быть достигнуты в результати торможения или активации.

Избыток субстрата, поступающего в клетку инициирует синтез новых молекул фермента, необходимого для метаболизма этого субстрата. Накопление продуктов метаболизма субстрата в клетке приводит к торможению биосинтеза фермента. Прежде всего нейрогуморальная регуляция углеводного обмена является прежде всего концентрация глюкозы в крови. Важную роль в углеводного обмена является выделение в кровь различных гормонов в основном : поджелудочной железы, надпочечников, щитовидной железы. Гормон поджелудочной железы глюкогон – повышает концентрацию глюкозы в крови действуя на клетки через цАМФ. цАМФ – угнетает фермент синтеза гликогена и стимулирует активность фосфорилазы и распад гликогена в печени.

Нарушение углеводного обмена

В случаях неполноценного кормления, а также при различных заболеваниях наблюдается нарушение обмена веществ, в том числе углеводного. Ряд нарушений углеводного обмена связан с – стрессами, генетическими заболеваниями, непереносимостью ряда ферментов, а именно лактозы, сахарозы.

Нарушение углеводного обмена наблюдается при сахарном диабете у собак 7-9лет, кошек старше 6 лет. При сахарном диабете нарушается поступление глюкозы в клетки, что и приводит к гипергликемии. Причина этого заключается в или неспособности поджелудочной железы вырабатывать инсулин в кровь, или неспособность инсулина связываться с соответствующими рецепторами и переносить глюкозу в клетки, с последующим фосфорилированием. Нарушение углеводного обмена при диабете ведет к нарушению жирового и белкового обмена. Для диагностики диабета используют пробу с углеводной нагрузкой. Собаке вводят орально суспензию крахмала и в течении 2-ух каждые 30 минут определяют концентрацию глюкозы в крови. При отсутствии диабета в течении 2-ух часов показатели стабилизируются. Гипергликемия отмечается при лечении : глюкокортикойдами, лихорадке и возбуждении животного.

 


Гликогенез и его рольСинтез гликогена (гликогенез)

Прежде всегоглюкоза подвергается фосфорилированию при участии ферментагексокиназы, а в печени – и глюкокиназы. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием ферментафосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фос-фат:

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена. На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с УТФ (уридинтрифосфат), образуя уридиндифосфатглю-козу (УДФ-глюкоза) и пирофосфат. Данная реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ-пирофосфорила-за):

Глюкозо-1-фосфат + УТФ < = > УДФ-глюкоза + Пирофосфат.

На второй стадии – стадии обр-ния гликогена – происходит перенос глюкозного остатка, входящего в состав УДФ-глюкозы, на глюкозидную цепь гликогена. При этом обр-тся α-(1–>4)-связь между первым атомомуглердобавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Необходимо еще раз подчеркнуть, что реакция, катализируемая гликогенсинтазой, возможна только при условии, что полисахаридная цепь уже содержит более 4 остатков D-глю-козы.

Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ, и таким образом весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.

Благодаря способности к отложению гликогена (главным образом в печени и мышцах и в меньшей степени в других органах и тканях) создаются условия для накопления в норме некоторого резерва углеводов. При повышении энерготрат в организме в результате возбуждения ЦНС обычно происходят усиление распада гликогена и образование глюкозы.

  1. Жирные кислоты

Жирные кислоты (алифатические кислоты) — многочисленная группа исключительно неразветвлённых одноосновных карбоновых кислот с открытой цепью. Название определяется, во-первых, химическими свойствами данной группы веществ, основанными на присутствии в их структуре карбоксильной группы, во-вторых, исторически основано на обнаружении их в природных жирах.

Жирные кислоты могут быть насыщенными (только с одинарными связями между атомами углерода), ненасыщенными (с одной двойной связью между атомами углерода) и полиненасыщенными (с двумя и более двойными связями, находящимися, как правило через Ch3-группу). Жирные кислоты можно условно поделить на низшие (до семи атомов углерода), средние (восемь — двенадцать атомов углерода) и высшие (более двенадцати атомов углерода).

Большая группа жирных кислот (более 400 различных структур, хотя только 10—12 распространены) находятся в растительных маслах семян. Наблюдается высокое процентное содержание редких жирных кислот в семенах определённых семейств растений.

Под незаменимыми понимаются те жирные кислоты, которые не могут быть синтезированы в организме. Для человека незаменимыми являются кислоты, содержащие по крайней мере одну двойную связь на расстоянии более девяти атомов углерода от карбоксильной группы.

епление

Жирные кислоты в виде триглицеридов накапливаются в жировых тканях. При потребности под действием таких веществ как адреналин, норадреналин, глюкагон и адренокортикотропина запускается процесс липолиза.:R-COOH + КоА-SH + АТФ → R-CO-S-КоА + 2Pi + H+ + АМФ

Насыщенные жирные кислоты

Общая формула: Cnh3n+1COOH или Ch4-(Ch3)n-COOH

Муравьиная кислота(Метановая кислота)НСООН;Уксусная кислота(Этановая кислота)Ch4COOH;Пальмитиновая кислота С15Н31СООН;Маргариновая кислотаС16Н33СООН;

Мононенасыщенные жирные кислоты

Общая формула: СН3-(СН2)m-CH=CH-(Ch3)n-COOH (m=ω-2; n=Δ-2)

Акриловая кислотаС2Н3COOH; Кротоновая кислотаС3Н5СOOH;

Полиненасыщенные жирные кислоты

Общая формула: СН3-(СН2)m-(CH=CH-(Ch3)х(СН2)n-COOH

Сорбиновая кислотаС5Н7COOH; Линолевая кислотаС17Н31COOH;

Жирные кислоты при комнатной температуре подвергаются автоокислению и прогорканию. При этом они разлагаются на углеводороды, кетоны, альдегиды и небольшое количество эпоксидов и спиртов. Тяжёлые металлы, содержащиеся в небольших количествах в жирах и маслах, ускоряют автоокисление. Чтобы избежать этого, жиры и масла часто обрабатываются хелатирующими агентами, такими как лимонная кислота.

Билет 25

Гликогеноз, печеночная форма гликогеноза: течение, симптомы, диагностика, лечение

Организм человека имеет энергетический резерв. Одним из соединений, исполняющих данную роль, является гликоген, который способен быстро распадаться на простейшую глюкозу, питая при этом организм энергией. Печень расщепляет гликоген и трансформирует с помощью определенных ферментов. При недостатке этих специфических ферментов гликоген накапливается в печеночной паренхиме и мышечной ткани. Эта патология называется гликогенозом. Заболевание носит наследственный по рецессивному типу характер и развивается по причине генетической мутации.

Печеночная форма гликогеноза

Данная форма заболевания характеризуется локализацией патологического процесса в соответствующем депонирующем органе.

Течение болезни. Заболевание начинает себя проявлять с 8–9-го месяца жизни. До этого времени ребенок развивается нормально или немного замедленно. Первые признаки характеризуются непроизвольным сокращением мышц конечностей, временной потерей сознания. Приступы гипогликемии наблюдаются в основном утром или в большом промежутке времени между приемами пищи. Их появление можно предотвратить приемом сладкой воды. Осложнить течение гликогеноза могут интеркуррентные заболевания (инфекционные процессы). Первые пять лет считаются наиболее опасными для жизни. С возрастом состояние больного улучшается за счет развития компенсаторных механизмов и реакций приспособления. На умственные способности гликогенозы негативного воздействия не оказывают.

Симптомы. Симптоматические патологии проявляются в различной степени тяжести и зависят от ряда факторов, в том числе от вида недостающего фермента, участвующего в обмене глюкозы. Наиболее характерными считаются следующие симптомы: увеличение печени, селезенки, потеря аппетита, аномалии мышечного тонуса, замедленное физическое развитие, воспаление суставов, высокая утомляемость, образование камней в почках, множественные поражения центральной нервной системы, ощущение затруднения дыхания, увеличение размеров сердца и другие.

Диагностика. При физикальном осмотре врач уделяет особое внимание размеру печени. Если констатируется факт ее увеличения, необходимо сдать кровь и мочу на анализы, чтобы комплексно исследовать липидный обмен, уровень глюкозы. Обязательно проводятся гематологическое и молекулярно-генетическое исследования, позволяющие проанализировать активность ферментов и выявить наличие гликогена в тканях. ДНК-диагностика выявляет мутированные гены.

Лечение. Лечение может быть назначено только врачом. Оно обычно состоит из соблюдения диеты и заместительной терапии. Рацион должен включать до 8 приемов пищи в день (включая ночное время). Метод заместительной терапии направлен на восполнение недостающих компонентов в организме для его нормальной жизнедеятельности.

Биохимия, гликогенез — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Гликоген, основная форма запасания глюкозы и основной источник неокислительной глюкозы для скелетных мышц и печени, вносит значительный вклад в ее деградацию, поддерживая нормальный уровень глюкозы в крови и обеспечивая топливо для сокращения мышц. Что касается цитозольной деградации, основными ферментами, участвующими в расщеплении гликогена, являются гликогенфосфорилаза и фермент деветвления.Гликогенфосфорилаза заботится о разрушении линейных цепных связей, тогда как деветвящий фермент переносит остатки глюкозы в линейную цепь для деградации ветвей. Оба фермента работают в скелетных мышцах и печени. Поскольку скелетные мышцы могут использовать фосфорилированную форму глюкозы в качестве топлива, им не требуется глюкозо-6-фосфатаза.

С другой стороны, печени требуется глюкозо-6-фосфатаза для дефосфорилирования глюкозы и экспорта глюкозы за пределы клетки. Что касается лизосомальной деградации, то за гликогенолиз отвечает кислая альфа-глюкозидаза.Дефицит любого из этих ферментов проявляется в виде уникальных болезненных состояний. Большинство изменений цитозольной деградации происходит при заболеваниях накопления гликогена, включая болезнь фон Гирке, болезнь Кори и болезнь Герса. Дефект лизосомной деградации может привести к болезни Помпе. Нарушение роли гликогенолиза в функционировании нервной системы проявляется в виде болезни Лафора. Обнаружение изменений гликогенолиза может быть сделано в основном с помощью анализа ДНК и электронной микроскопии биоптатов печени и скелетных мышц.

Основы

Гликоген существует из предшественников глюкозы, полученных из недавно принятых углеводов или глюконеогенных предшественников, включая лактат и аланин. Гликогенолиз — это просто процесс, связанный с расщеплением гликогена для использования в качестве источника энергии в основном в скелетных мышцах и печени. Деградация гликогена происходит двумя различными путями в зависимости от локализации. Что касается скелетных мышц, расщепление гликогена приводит к образованию глюкозо-1-фосфата, и мышцы используют его как таковой в качестве топлива для сокращения.Гликогенолиз в скелетных мышцах происходит в условиях физической нагрузки. С другой стороны, гликогенолиз печени генерирует глюкозу для экспорта в кровоток. Стимулом для гликогенолиза в печени является пищевая депривация с соответствующим повышением уровня таких гормонов, как глюкагон.[1]

Вопросы, вызывающие озабоченность

Из-за жизненно важной роли, которую расщепление гликогена играет в нормальной физиологии, включая поддержание уровня глюкозы в крови и сокращение мышц во время физической активности, нарушения гликогенолиза проявляются патофизиологическими состояниями.Хотя исследователи исследовали роль гликогена, некоторая информация не совсем понятна. Например, неясна конкретная роль гликогена в мышечном сокращении или метод транспорта гликогена в лизосомы.

Клеточный

Гликогенолиз, расщепление гликогена, происходит в двух клеточных местах: цитозоле и лизосоме. Различные ферменты осуществляют деградацию гликогена в этих клеточных участках. При распаде гликогена топливом служит глюкоза или глюкозо-1-фосфат.В скелетных мышцах поглощение глюкозы опосредовано транспортерами GLUT1 (находится на плазматической мембране) и GLUT4 (находится внутри внутриклеточных запасных везикул). В цитозоле гликогенфосфорилаза сильно активируется AMP для мышечной ткани. В печени глюкагон активирует гликогенфосфорилазу за счет увеличения циклического АМФ. Деградация гликогена в лизосомах опосредуется кислой альфа-глюкозидазой через аутофагические вакуоли, которые поглощают часть цитоплазмы и сливаются с органеллами, чтобы заключить содержимое.Конкретные механизмы более подробно объясняются в следующих разделах.[2]

Молекулярный

Гликоген представляет собой разветвленный полимер глюкозы. Глюкоза хранится в клетках в виде полимеров для повышения растворимости, занимает меньше места и обеспечивает быструю мобилизацию. Гликоген, хранящийся в гепатоците, соответствует расчетной концентрации глюкозы 400 мМ. Наоборот, вклад нерастворимого гликогена в осмолярность цитозоля в 40 миллионов раз меньше, чем вклад 40 мМ глюкозы.Следовательно, если бы полимерной формы гликогена не существовало, осмолярность цитозоля была бы достаточно высокой, чтобы вызвать проникновение воды в клетку посредством осмоса и привести к ее лизису. Гликоген приводит к более высокой растворимости, в основном за счет образования его разветвлений. С другой стороны, большая часть полимера образуется за счет альфа-1-4 гликозидных связей, которые организуются в цепочки, разветвление происходит через каждые 4-8 мономеров глюкозы через альфа-1-6 гликозидные связи. Такое расположение приводит к классической организации гликогена, называемой бета-частицей, с самогликозилирующим белком, называемым гликогенином, в ядре.[3]

Очень важно понимать конформацию гликогена, потому что гликогенолиз включает расщепление этого полимера на мономеры глюкозы с помощью различных ферментов, которые катализируют расщепление ветвей и цепей гликогена.

Функция

Распад гликогена происходит во время голодания или при низком соотношении инсулина и глюкагона. Основными запасами энергии в организме являются гликоген и липиды. В то время как липиды приводят к большему количеству молекул АТФ после окисления, гликогенолиз приводит к меньшему количеству молекул АТФ.Однако существуют два существенных преимущества для метаболизма гликогена. Первое преимущество соответствует быстрой мобилизации гликогена для метаболических нужд. Возможна быстрая мобилизация, поскольку ферменты гликогенолиза могут прикрепляться к многочисленным ветвям гликогена и начинать одновременный гидролиз. Второе преимущество влечет за собой выработку энергии в условиях низких отложений липидов, например, при анорексии.[3]

Уровни гликогена количественно выше в скелетных мышцах, чем в печени.Тем не менее, гликогенолиз играет важную роль в обеих тканях. В печени метаболизм гликогена играет жизненно важную роль во время голодания, что приводит к выработке глюкозы в печени для поддержания здорового уровня глюкозы в крови и удовлетворения потребностей других тканей в топливе. С другой стороны, полное проявление гликогена в скелетных мышцах указывает на критическую функцию, которую гликоген играет в скелетных мышцах с точки зрения быстрого образования АТФ. Между накоплением гликогена в скелетных мышцах и устойчивостью к утомлению существует тесная связь.Способность мышц тренироваться в течение первых 30 минут активности, несмотря на обилие других источников энергии, таких как липиды, серьезно снижается, когда в скелетных мышцах снижается уровень гликогена. Было показано, что истощение гликогена вызывает утомление, потому что мышца не может обеспечить достаточное количество топлива для скелетных мышц для возбуждения и сокращения. Вероятная причина связана с ролью гликогена в высвобождении кальция из саркоплазматического ретикулума.[4][5]

Помимо обеспечения энергией, гликогенолиз может привести к образованию предшественников для участия в окислительных реакциях пентозофосфатного пути, способствуя образованию НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот и производства пентозофосфатов, необходимых для синтез РНК и ДНК.[3]

Механизм

Гликогенолиз может происходить двумя путями. В то время как первый путь вращается вокруг цитозольной деградации посредством синхронизированного действия гликогенфосфорилазы и фермента, разветвляющего гликоген, второй путь вращается вокруг лизосомной деградации посредством фермента альфа-глюкозидазы. Гликогенез отвечает на гормональный контроль. Одной из основных форм контроля является разнообразное фосфорилирование гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Это регулируется ферментами под контролем гормональной активности, которая, в свою очередь, регулируется многими факторами.Таким образом, существует множество различных возможных эффекторов по сравнению с аллостерическими системами регуляции.

В соответствии с цитозольной деградацией гликогенфосфорилаза, фермент, ограничивающий скорость гликогенолиза, расщепляет терминальный остаток глюкозы, связанный с гликогеновой ветвью, заменяя фосфорильную группу на альфа-1-4-связь. Четыре остатка перед связью альфа 1-6, соответствующие разветвлению, фермент, разветвляющий гликоген, катализирует перенос трех из четырех оставшихся остатков глюкозы к концу другой цепи гликогена, где они могут снова расщепляться гликогенфосфорилазой.Другими словами, разрыв альфа-1-4-гликозидных связей, присутствующих в линейных цепях, катализируется гликогенфосфорилазой, а добавление фосфатной группы в положение 1 приводит к образованию глюкозо-1-фосфата. Активность гликогенфосфорилазы модулируется аллостерически и посредством фосфорилирования. Производство гликогена, наоборот, ингибирует деградацию гликогена. Затем фосфоглюкомутаза отвечает за превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат посредством реакции изомеризации, которая не требует энергии.С другой стороны, деветвящий фермент взаимодействует с альфа-1-6-связями и переносит разветвление на конец полимера, чтобы гликогенфосфорилаза могла продолжать работу с ним. В большинстве тканей глюкозо-6-фосфат используется внутренне для гликолиза и выработки энергии путем превращения в пируват, выступая в качестве критического метаболического промежуточного продукта для других путей, включая цикл ТСА, синтез жирных кислот, цикл Кори и цикл аланина. Тем не менее, в глюконеогенных органах, таких как печень, почки и кишечник, глюкозо-6-фосфат должен быть дефосфорилирован в глюкозу с помощью фермента глюкозо-6-фосфатазы, чтобы он мог транспортироваться из ЭПР в ЭПР. интерстициальное пространство.Соответствует расщеплению лизосомального гликогена, основного фермента, участвующего в кислой мальтазе. Было высказано предположение, что гидролиз гликогена до глюкозы, катализируемый кислой альфа-глюкозидазой, служит защитным механизмом для печени от высоких концентраций гликогена. Из общего количества гликогенолиза, происходящего в скелетных мышцах, только 5% деградации гликогена происходит в лизосомах. При гликогенолизе печени только 10% приходится на лизосомы.[6][5][7]

Тестирование

Визуализация молекул гликогена не может быть выполнена с помощью световой микроскопии, вместо этого требуется электронная микроскопия.Гистологическое окрашивание и применение световой микроскопии позволили бы визуализировать только конгломераты частиц гликогена. Молекулы гликогена сами по себе требуют электронной микроскопии. В зависимости от собранного образца ткани гликоген описывается как розетоподобные бета-частицы или более крупные альфа-частицы. Розеткообразные бета-частицы обнаруживаются в мышцах, тогда как альфа-частицы, которые представляют собой просто агрегаты бета-частиц, обнаруживаются в печени. Бета-частицы соответствуют типичной конфигурации гликогена со средней длиной цепи 13 остатков, состоящей из внутренних цепей с точками ветвления и внешних цепей без точек ветвления.Для гистологического окрашивания интегрирован метод Period Acid Schiff. Однако существуют определенные недостатки этого метода, включая недостаточную специфичность и общую несовместимость с методами иммунофлуоресценции. Таким образом, в настоящее время доступен новый метод обнаружения гликогена в клетках, в котором возобновляемый рекомбинантный белок, содержащий углеводсвязывающий модуль из белка 1 домена связывания крахмала (Stbd1), впоследствии используется для проведения иммуноферментного анализа [1]. ][8]

Что касается тестирования на болезни накопления гликогена, современные методы с использованием мутационного анализа ДНК устранили необходимость выполнения биопсии печени.Этот диагностический тест, например, применим к болезни фон Гирке и болезни Кори. Диагностические тесты на болезнь Помпе включают анализ активности кислой мальтазы в лейкоцитах или фибробластах. Биопсия мышц, показывающая вакуолизированную миопатию с чрезмерным накоплением лизосомального гликогена, также может служить диагностическим тестом на болезнь Помпе.[5]

Скорость гликогенолиза представляет собой разницу между скоростью образования глюкозы и абсолютным глюконеогенезом. Уровни глюконеогенеза идентифицируют с использованием методов, включая радиоактивные и стабильные изотопы.Количественное определение гликогенолиза также возможно с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.[9]

Патофизиология

Нарушения гликогенолиза могут привести к различным заболеваниям, включая болезни накопления гликогена (GSD), лизосомные болезни накопления и прогрессирующую миоклонусную эпилепсию Лафора. Нарушения гликогенолиза часто вызывают дисфункцию органов, включая печень, скелетные мышцы, мозг и почки. В зависимости от затронутого фермента при гликогенолизе возможен тот или иной спектр синдромов.

Нарушение гликогенолиза может привести к заболеваниям накопления гликогена, таким как болезнь фон Гирке, наиболее распространенный GSD. GSD типа I возникает из-за дефицита глюкозо-6-фосфатазы, ответственной за дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, чтобы глюкоза могла транспортироваться за пределы клетки для регуляции уровня глюкозы в крови и использования топлива в других тканях за пределами печени. Нарушение способности генерировать глюкозу в результате гликогенолиза приводит к тяжелой гипогликемии, гиперурикемии и повышению уровня молочной кислоты и триглицеридов.Из-за отложения жира у пациентов округлое кукольное лицо. Без лечения у пациентов с этим заболеванием были очевидны задержка развития, гепатомегалия, аномальные отеки и задержка двигательного развития. Долгосрочные осложнения могут развиваться из-за накопления гликогена в почках, что приводит к нефропатии, хронической болезни почек и раку почки. Основной формой лечения пациентов с болезнью фон Гирке является поддержание нормального уровня глюкозы при одновременном предотвращении гипогликемии за счет частых приемов пищи.[5][10]

Хотя расщепление гликогена с помощью фосфорилазы и деветвящего фермента может происходить в цитозоле, гликоген также расщепляется лизосомным путем, что приводит к лизосомной болезни накопления, называемой болезнью Помпе (болезнь накопления гликогена, тип II). При болезни Помпе развивается мутация, затрагивающая лизосомальную альфа-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой. В результате в лизосоме и ее везикулах накапливается гликоген, что приводит к летальным исходам, включая кардиомиопатию и мышечную гипотонию.Точный путь, по которому гликоген транспортируется в лизосомы, до сих пор неизвестен, но предполагается, что он осуществляется через макроаутофагию, при которой поглощение груза внутри двойных мембранных пузырьков, называемых аутофагосомами, сливается с лизосомой.

Болезнь накопления гликогена III типа, также называемая болезнью Кори, возникает из-за дефицита фермента, расщепляющего гликоген. В результате это заболевание проявляется накоплением аномального гликогена, поскольку гликогенолиз останавливается, когда гликогенфосфорилаза встречает точку ветвления.В этом случае гликоген считается аномальным, поскольку он отражает очень короткие внешние цепи. При болезни Кори у пациентов наблюдаются кетотическая гипогликемия и гепатомегалия. В редких случаях это может привести к циррозу печени и гепатоцеллюлярной карциноме.[5]

Болезнь накопления гликогена V типа (болезнь Мак-Ардла) развивается из-за дефицита гликогенфосфорилазы скелетных мышц. Другими словами, при этом заболевании печень щадится. Пациенты демонстрируют непереносимость физических нагрузок, мышечную слабость, судороги и боль.Уровни креатинкиназы становятся повышенными, может присутствовать миоглобинурия. Типичным для этого заболевания является явление, называемое вторым дыханием, когда пациенты могут возобновить физические упражнения после кратковременного отдыха. Прием сахарозы перед тренировкой может помочь облегчить симптомы, поскольку она становится источником энергии во время тренировки, прежде чем прибегать к запасам гликогена. При дефиците гликогенфосфорилазы в печени развивается другое заболевание — GSD VI типа. Ее болезнь показывает нормальные уровни креатинкиназы и мочевой кислоты.У больных отмечается задержка роста и увеличение печени. Часто встречаются гиперлипидемия и кетотическая гипогликемия.[5]

При прогрессирующей миоклонусной эпилепсии Lafora в некоторых тканях наблюдается повышенное фосфорилирование гликогена, что приводит к токсичности и гибели клеток нейронов. Симптомы включают атаксию, судороги, миоклонус и деменцию. Наличие уровней фосфорилирования в гликогене, превышающих нормальные, приводит к образованию более длинных цепей и неправильных точек разветвления, что делает полимер нерастворимым и устойчивым к деградации.В результате у пациентов с этим заболеванием образуется конгломерат телец включения, называемых тельцами Лафора.[5]

Клиническое значение

Важность гликогенолиза подтверждается мутациями в деградации гликогена, приводящими к генетическим нарушениям человека, и неспособностью скелетных мышц справляться с физическим стрессом при дефиците гликогена.

Рисунок

Гликогенез. Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glycogenesis.png

Ссылки

1.
Роуч П.Дж., Депаоли-Роуч А.А., Херли Т.Д., Тальябраччи В.С. Гликоген и его метаболизм: некоторые новые разработки и старые темы. Biochem J. 2012 Feb 01;441(3):763-87. [Бесплатная статья PMC: PMC4945249] [PubMed: 22248338]
2.
Adeva-Andany MM, González-Lucán M, Donapetry-García C, Fernández-Fernández C, Ameneiros-Rodríguez E. Метаболизм гликогена у людей. Клиника ББА. 2016 июнь; 5:85-100. [Бесплатная статья PMC: PMC4802397] [PubMed: 27051594]
3.
Безбородкина Н.Н., Честнова А.Ю., Воробьев М.Л., Кудрявцев Б.Н. Пространственная структура молекул гликогена в клетках. Биохимия (Москва). 2018 май;83(5):467-482. [PubMed: 29738682]
4.
Ørtenblad N, Westerblad H, Nielsen J. Запасы гликогена в мышцах и усталость. Дж. Физиол. 2013 15 сентября; 591 (18): 4405-13. [Статья бесплатно PMC: PMC3784189] [PubMed: 23652590]
5.
Ellingwood SS, Cheng A. Биохимические и клинические аспекты болезней накопления гликогена. J Эндокринол.2018 сен; 238(3):R131-R141. [Статья бесплатно PMC: PMC6050127] [PubMed: 29875163]
6.
Prats C, Graham TE, Shearer J. Динамическая жизнь гранулы гликогена. Дж. Биол. Хим. 2018 11 мая; 293 (19): 7089-7098. [Бесплатная статья PMC: PMC5949993] [PubMed: 29483195]
7.
Ландау BR. Методы измерения цикла гликогена. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2001 г., сен; 281 (3): E413-9. [PubMed: 11500295]
8.
Скурат А.В., Сегвич Д.М., ДеПаоли-Роуч А.А., Роуч П.Дж.Новый метод обнаружения гликогена в клетках. Гликобиология. 2017 01 мая; 27 (5): 416-424. [Бесплатная статья PMC: PMC5444244] [PubMed: 28077463]
9.
Chung ST, Chacko SK, Sunehag AL, Haymond MW. Измерения глюконеогенеза и гликогенолиза: методологический обзор. Диабет. 2015 декабрь; 64 (12): 3996-4010. [Статья PMC бесплатно: PMC4657587] [PubMed: 26604176]
10.
Kanungo S, Wells K, Tribett T, El-Gharbawy A. Метаболизм гликогена и нарушения накопления гликогена.Энн Трансл Мед. 2018 дек;6(24):474. [Бесплатная статья PMC: PMC6331362] [PubMed: 30740405]

Биохимия, гликогенез — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Гликоген, основная форма хранения глюкозы и основной источник неокислительной глюкозы для скелетных мышц и печени, вносит значительный вклад в его деградацию, поддерживая нормальный уровень глюкозы в крови и обеспечивая топливо для сокращения мышц. Что касается цитозольной деградации, основными ферментами, участвующими в расщеплении гликогена, являются гликогенфосфорилаза и фермент деветвления.Гликогенфосфорилаза заботится о разрушении линейных цепных связей, тогда как деветвящий фермент переносит остатки глюкозы в линейную цепь для деградации ветвей. Оба фермента работают в скелетных мышцах и печени. Поскольку скелетные мышцы могут использовать фосфорилированную форму глюкозы в качестве топлива, им не требуется глюкозо-6-фосфатаза.

С другой стороны, печени требуется глюкозо-6-фосфатаза для дефосфорилирования глюкозы и экспорта глюкозы за пределы клетки. Что касается лизосомальной деградации, то за гликогенолиз отвечает кислая альфа-глюкозидаза.Дефицит любого из этих ферментов проявляется в виде уникальных болезненных состояний. Большинство изменений цитозольной деградации происходит при заболеваниях накопления гликогена, включая болезнь фон Гирке, болезнь Кори и болезнь Герса. Дефект лизосомной деградации может привести к болезни Помпе. Нарушение роли гликогенолиза в функционировании нервной системы проявляется в виде болезни Лафора. Обнаружение изменений гликогенолиза может быть сделано в основном с помощью анализа ДНК и электронной микроскопии биоптатов печени и скелетных мышц.

Основы

Гликоген существует из предшественников глюкозы, полученных из недавно принятых углеводов или глюконеогенных предшественников, включая лактат и аланин. Гликогенолиз — это просто процесс, связанный с расщеплением гликогена для использования в качестве источника энергии в основном в скелетных мышцах и печени. Деградация гликогена происходит двумя различными путями в зависимости от локализации. Что касается скелетных мышц, расщепление гликогена приводит к образованию глюкозо-1-фосфата, и мышцы используют его как таковой в качестве топлива для сокращения.Гликогенолиз в скелетных мышцах происходит в условиях физической нагрузки. С другой стороны, гликогенолиз печени генерирует глюкозу для экспорта в кровоток. Стимулом для гликогенолиза в печени является пищевая депривация с соответствующим повышением уровня таких гормонов, как глюкагон.[1]

Вопросы, вызывающие озабоченность

Из-за жизненно важной роли, которую расщепление гликогена играет в нормальной физиологии, включая поддержание уровня глюкозы в крови и сокращение мышц во время физической активности, нарушения гликогенолиза проявляются патофизиологическими состояниями.Хотя исследователи исследовали роль гликогена, некоторая информация не совсем понятна. Например, неясна конкретная роль гликогена в мышечном сокращении или метод транспорта гликогена в лизосомы.

Клеточный

Гликогенолиз, расщепление гликогена, происходит в двух клеточных местах: цитозоле и лизосоме. Различные ферменты осуществляют деградацию гликогена в этих клеточных участках. При распаде гликогена топливом служит глюкоза или глюкозо-1-фосфат.В скелетных мышцах поглощение глюкозы опосредовано транспортерами GLUT1 (находится на плазматической мембране) и GLUT4 (находится внутри внутриклеточных запасных везикул). В цитозоле гликогенфосфорилаза сильно активируется AMP для мышечной ткани. В печени глюкагон активирует гликогенфосфорилазу за счет увеличения циклического АМФ. Деградация гликогена в лизосомах опосредуется кислой альфа-глюкозидазой через аутофагические вакуоли, которые поглощают часть цитоплазмы и сливаются с органеллами, чтобы заключить содержимое.Конкретные механизмы более подробно объясняются в следующих разделах.[2]

Молекулярный

Гликоген представляет собой разветвленный полимер глюкозы. Глюкоза хранится в клетках в виде полимеров для повышения растворимости, занимает меньше места и обеспечивает быструю мобилизацию. Гликоген, хранящийся в гепатоците, соответствует расчетной концентрации глюкозы 400 мМ. Наоборот, вклад нерастворимого гликогена в осмолярность цитозоля в 40 миллионов раз меньше, чем вклад 40 мМ глюкозы.Следовательно, если бы полимерной формы гликогена не существовало, осмолярность цитозоля была бы достаточно высокой, чтобы вызвать проникновение воды в клетку посредством осмоса и привести к ее лизису. Гликоген приводит к более высокой растворимости, в основном за счет образования его разветвлений. С другой стороны, большая часть полимера образуется за счет альфа-1-4 гликозидных связей, которые организуются в цепочки, разветвление происходит через каждые 4-8 мономеров глюкозы через альфа-1-6 гликозидные связи. Такое расположение приводит к классической организации гликогена, называемой бета-частицей, с самогликозилирующим белком, называемым гликогенином, в ядре.[3]

Очень важно понимать конформацию гликогена, потому что гликогенолиз включает расщепление этого полимера на мономеры глюкозы с помощью различных ферментов, которые катализируют расщепление ветвей и цепей гликогена.

Функция

Распад гликогена происходит во время голодания или при низком соотношении инсулина и глюкагона. Основными запасами энергии в организме являются гликоген и липиды. В то время как липиды приводят к большему количеству молекул АТФ после окисления, гликогенолиз приводит к меньшему количеству молекул АТФ.Однако существуют два существенных преимущества для метаболизма гликогена. Первое преимущество соответствует быстрой мобилизации гликогена для метаболических нужд. Возможна быстрая мобилизация, поскольку ферменты гликогенолиза могут прикрепляться к многочисленным ветвям гликогена и начинать одновременный гидролиз. Второе преимущество влечет за собой выработку энергии в условиях низких отложений липидов, например, при анорексии.[3]

Уровни гликогена количественно выше в скелетных мышцах, чем в печени.Тем не менее, гликогенолиз играет важную роль в обеих тканях. В печени метаболизм гликогена играет жизненно важную роль во время голодания, что приводит к выработке глюкозы в печени для поддержания здорового уровня глюкозы в крови и удовлетворения потребностей других тканей в топливе. С другой стороны, полное проявление гликогена в скелетных мышцах указывает на критическую функцию, которую гликоген играет в скелетных мышцах с точки зрения быстрого образования АТФ. Между накоплением гликогена в скелетных мышцах и устойчивостью к утомлению существует тесная связь.Способность мышц тренироваться в течение первых 30 минут активности, несмотря на обилие других источников энергии, таких как липиды, серьезно снижается, когда в скелетных мышцах снижается уровень гликогена. Было показано, что истощение гликогена вызывает утомление, потому что мышца не может обеспечить достаточное количество топлива для скелетных мышц для возбуждения и сокращения. Вероятная причина связана с ролью гликогена в высвобождении кальция из саркоплазматического ретикулума.[4][5]

Помимо обеспечения энергией, гликогенолиз может привести к образованию предшественников для участия в окислительных реакциях пентозофосфатного пути, способствуя образованию НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот и производства пентозофосфатов, необходимых для синтез РНК и ДНК.[3]

Механизм

Гликогенолиз может происходить двумя путями. В то время как первый путь вращается вокруг цитозольной деградации посредством синхронизированного действия гликогенфосфорилазы и фермента, разветвляющего гликоген, второй путь вращается вокруг лизосомной деградации посредством фермента альфа-глюкозидазы. Гликогенез отвечает на гормональный контроль. Одной из основных форм контроля является разнообразное фосфорилирование гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Это регулируется ферментами под контролем гормональной активности, которая, в свою очередь, регулируется многими факторами.Таким образом, существует множество различных возможных эффекторов по сравнению с аллостерическими системами регуляции.

В соответствии с цитозольной деградацией гликогенфосфорилаза, фермент, ограничивающий скорость гликогенолиза, расщепляет терминальный остаток глюкозы, связанный с гликогеновой ветвью, заменяя фосфорильную группу на альфа-1-4-связь. Четыре остатка перед связью альфа 1-6, соответствующие разветвлению, фермент, разветвляющий гликоген, катализирует перенос трех из четырех оставшихся остатков глюкозы к концу другой цепи гликогена, где они могут снова расщепляться гликогенфосфорилазой.Другими словами, разрыв альфа-1-4-гликозидных связей, присутствующих в линейных цепях, катализируется гликогенфосфорилазой, а добавление фосфатной группы в положение 1 приводит к образованию глюкозо-1-фосфата. Активность гликогенфосфорилазы модулируется аллостерически и посредством фосфорилирования. Производство гликогена, наоборот, ингибирует деградацию гликогена. Затем фосфоглюкомутаза отвечает за превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат посредством реакции изомеризации, которая не требует энергии.С другой стороны, деветвящий фермент взаимодействует с альфа-1-6-связями и переносит разветвление на конец полимера, чтобы гликогенфосфорилаза могла продолжать работу с ним. В большинстве тканей глюкозо-6-фосфат используется внутренне для гликолиза и выработки энергии путем превращения в пируват, выступая в качестве критического метаболического промежуточного продукта для других путей, включая цикл ТСА, синтез жирных кислот, цикл Кори и цикл аланина. Тем не менее, в глюконеогенных органах, таких как печень, почки и кишечник, глюкозо-6-фосфат должен быть дефосфорилирован в глюкозу с помощью фермента глюкозо-6-фосфатазы, чтобы он мог транспортироваться из ЭПР в ЭПР. интерстициальное пространство.Соответствует расщеплению лизосомального гликогена, основного фермента, участвующего в кислой мальтазе. Было высказано предположение, что гидролиз гликогена до глюкозы, катализируемый кислой альфа-глюкозидазой, служит защитным механизмом для печени от высоких концентраций гликогена. Из общего количества гликогенолиза, происходящего в скелетных мышцах, только 5% деградации гликогена происходит в лизосомах. При гликогенолизе печени только 10% приходится на лизосомы.[6][5][7]

Тестирование

Визуализация молекул гликогена не может быть выполнена с помощью световой микроскопии, вместо этого требуется электронная микроскопия.Гистологическое окрашивание и применение световой микроскопии позволили бы визуализировать только конгломераты частиц гликогена. Молекулы гликогена сами по себе требуют электронной микроскопии. В зависимости от собранного образца ткани гликоген описывается как розетоподобные бета-частицы или более крупные альфа-частицы. Розеткообразные бета-частицы обнаруживаются в мышцах, тогда как альфа-частицы, которые представляют собой просто агрегаты бета-частиц, обнаруживаются в печени. Бета-частицы соответствуют типичной конфигурации гликогена со средней длиной цепи 13 остатков, состоящей из внутренних цепей с точками ветвления и внешних цепей без точек ветвления.Для гистологического окрашивания интегрирован метод Period Acid Schiff. Однако существуют определенные недостатки этого метода, включая недостаточную специфичность и общую несовместимость с методами иммунофлуоресценции. Таким образом, в настоящее время доступен новый метод обнаружения гликогена в клетках, в котором возобновляемый рекомбинантный белок, содержащий углеводсвязывающий модуль из белка 1 домена связывания крахмала (Stbd1), впоследствии используется для проведения иммуноферментного анализа [1]. ][8]

Что касается тестирования на болезни накопления гликогена, современные методы с использованием мутационного анализа ДНК устранили необходимость выполнения биопсии печени.Этот диагностический тест, например, применим к болезни фон Гирке и болезни Кори. Диагностические тесты на болезнь Помпе включают анализ активности кислой мальтазы в лейкоцитах или фибробластах. Биопсия мышц, показывающая вакуолизированную миопатию с чрезмерным накоплением лизосомального гликогена, также может служить диагностическим тестом на болезнь Помпе.[5]

Скорость гликогенолиза представляет собой разницу между скоростью образования глюкозы и абсолютным глюконеогенезом. Уровни глюконеогенеза идентифицируют с использованием методов, включая радиоактивные и стабильные изотопы.Количественное определение гликогенолиза также возможно с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.[9]

Патофизиология

Нарушения гликогенолиза могут привести к различным заболеваниям, включая болезни накопления гликогена (GSD), лизосомные болезни накопления и прогрессирующую миоклонусную эпилепсию Лафора. Нарушения гликогенолиза часто вызывают дисфункцию органов, включая печень, скелетные мышцы, мозг и почки. В зависимости от затронутого фермента при гликогенолизе возможен тот или иной спектр синдромов.

Нарушение гликогенолиза может привести к заболеваниям накопления гликогена, таким как болезнь фон Гирке, наиболее распространенный GSD. GSD типа I возникает из-за дефицита глюкозо-6-фосфатазы, ответственной за дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, чтобы глюкоза могла транспортироваться за пределы клетки для регуляции уровня глюкозы в крови и использования топлива в других тканях за пределами печени. Нарушение способности генерировать глюкозу в результате гликогенолиза приводит к тяжелой гипогликемии, гиперурикемии и повышению уровня молочной кислоты и триглицеридов.Из-за отложения жира у пациентов округлое кукольное лицо. Без лечения у пациентов с этим заболеванием были очевидны задержка развития, гепатомегалия, аномальные отеки и задержка двигательного развития. Долгосрочные осложнения могут развиваться из-за накопления гликогена в почках, что приводит к нефропатии, хронической болезни почек и раку почки. Основной формой лечения пациентов с болезнью фон Гирке является поддержание нормального уровня глюкозы при одновременном предотвращении гипогликемии за счет частых приемов пищи.[5][10]

Хотя расщепление гликогена с помощью фосфорилазы и деветвящего фермента может происходить в цитозоле, гликоген также расщепляется лизосомным путем, что приводит к лизосомной болезни накопления, называемой болезнью Помпе (болезнь накопления гликогена, тип II). При болезни Помпе развивается мутация, затрагивающая лизосомальную альфа-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой. В результате в лизосоме и ее везикулах накапливается гликоген, что приводит к летальным исходам, включая кардиомиопатию и мышечную гипотонию.Точный путь, по которому гликоген транспортируется в лизосомы, до сих пор неизвестен, но предполагается, что он осуществляется через макроаутофагию, при которой поглощение груза внутри двойных мембранных пузырьков, называемых аутофагосомами, сливается с лизосомой.

Болезнь накопления гликогена III типа, также называемая болезнью Кори, возникает из-за дефицита фермента, расщепляющего гликоген. В результате это заболевание проявляется накоплением аномального гликогена, поскольку гликогенолиз останавливается, когда гликогенфосфорилаза встречает точку ветвления.В этом случае гликоген считается аномальным, поскольку он отражает очень короткие внешние цепи. При болезни Кори у пациентов наблюдаются кетотическая гипогликемия и гепатомегалия. В редких случаях это может привести к циррозу печени и гепатоцеллюлярной карциноме.[5]

Болезнь накопления гликогена V типа (болезнь Мак-Ардла) развивается из-за дефицита гликогенфосфорилазы скелетных мышц. Другими словами, при этом заболевании печень щадится. Пациенты демонстрируют непереносимость физических нагрузок, мышечную слабость, судороги и боль.Уровни креатинкиназы становятся повышенными, может присутствовать миоглобинурия. Типичным для этого заболевания является явление, называемое вторым дыханием, когда пациенты могут возобновить физические упражнения после кратковременного отдыха. Прием сахарозы перед тренировкой может помочь облегчить симптомы, поскольку она становится источником энергии во время тренировки, прежде чем прибегать к запасам гликогена. При дефиците гликогенфосфорилазы в печени развивается другое заболевание — GSD VI типа. Ее болезнь показывает нормальные уровни креатинкиназы и мочевой кислоты.У больных отмечается задержка роста и увеличение печени. Часто встречаются гиперлипидемия и кетотическая гипогликемия.[5]

При прогрессирующей миоклонусной эпилепсии Lafora в некоторых тканях наблюдается повышенное фосфорилирование гликогена, что приводит к токсичности и гибели клеток нейронов. Симптомы включают атаксию, судороги, миоклонус и деменцию. Наличие уровней фосфорилирования в гликогене, превышающих нормальные, приводит к образованию более длинных цепей и неправильных точек разветвления, что делает полимер нерастворимым и устойчивым к деградации.В результате у пациентов с этим заболеванием образуется конгломерат телец включения, называемых тельцами Лафора.[5]

Клиническое значение

Важность гликогенолиза подтверждается мутациями в деградации гликогена, приводящими к генетическим нарушениям человека, и неспособностью скелетных мышц справляться с физическим стрессом при дефиците гликогена.

Рисунок

Гликогенез. Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glycogenesis.png

Ссылки

1.
Роуч П.Дж., Депаоли-Роуч А.А., Херли Т.Д., Тальябраччи В.С. Гликоген и его метаболизм: некоторые новые разработки и старые темы. Biochem J. 2012 Feb 01;441(3):763-87. [Бесплатная статья PMC: PMC4945249] [PubMed: 22248338]
2.
Adeva-Andany MM, González-Lucán M, Donapetry-García C, Fernández-Fernández C, Ameneiros-Rodríguez E. Метаболизм гликогена у людей. Клиника ББА. 2016 июнь; 5:85-100. [Бесплатная статья PMC: PMC4802397] [PubMed: 27051594]
3.
Безбородкина Н.Н., Честнова А.Ю., Воробьев М.Л., Кудрявцев Б.Н. Пространственная структура молекул гликогена в клетках. Биохимия (Москва). 2018 май;83(5):467-482. [PubMed: 29738682]
4.
Ørtenblad N, Westerblad H, Nielsen J. Запасы гликогена в мышцах и усталость. Дж. Физиол. 2013 15 сентября; 591 (18): 4405-13. [Статья бесплатно PMC: PMC3784189] [PubMed: 23652590]
5.
Ellingwood SS, Cheng A. Биохимические и клинические аспекты болезней накопления гликогена. J Эндокринол.2018 сен; 238(3):R131-R141. [Статья бесплатно PMC: PMC6050127] [PubMed: 29875163]
6.
Prats C, Graham TE, Shearer J. Динамическая жизнь гранулы гликогена. Дж. Биол. Хим. 2018 11 мая; 293 (19): 7089-7098. [Бесплатная статья PMC: PMC5949993] [PubMed: 29483195]
7.
Ландау BR. Методы измерения цикла гликогена. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2001 г., сен; 281 (3): E413-9. [PubMed: 11500295]
8.
Скурат А.В., Сегвич Д.М., ДеПаоли-Роуч А.А., Роуч П.Дж.Новый метод обнаружения гликогена в клетках. Гликобиология. 2017 01 мая; 27 (5): 416-424. [Бесплатная статья PMC: PMC5444244] [PubMed: 28077463]
9.
Chung ST, Chacko SK, Sunehag AL, Haymond MW. Измерения глюконеогенеза и гликогенолиза: методологический обзор. Диабет. 2015 декабрь; 64 (12): 3996-4010. [Статья PMC бесплатно: PMC4657587] [PubMed: 26604176]
10.
Kanungo S, Wells K, Tribett T, El-Gharbawy A. Метаболизм гликогена и нарушения накопления гликогена.Энн Трансл Мед. 2018 дек;6(24):474. [Бесплатная статья PMC: PMC6331362] [PubMed: 30740405]

Биохимия, гликогенез — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Гликоген, основная форма хранения глюкозы и основной источник неокислительной глюкозы для скелетных мышц и печени, вносит значительный вклад в его деградацию, поддерживая нормальный уровень глюкозы в крови и обеспечивая топливо для сокращения мышц. Что касается цитозольной деградации, основными ферментами, участвующими в расщеплении гликогена, являются гликогенфосфорилаза и фермент деветвления.Гликогенфосфорилаза заботится о разрушении линейных цепных связей, тогда как деветвящий фермент переносит остатки глюкозы в линейную цепь для деградации ветвей. Оба фермента работают в скелетных мышцах и печени. Поскольку скелетные мышцы могут использовать фосфорилированную форму глюкозы в качестве топлива, им не требуется глюкозо-6-фосфатаза.

С другой стороны, печени требуется глюкозо-6-фосфатаза для дефосфорилирования глюкозы и экспорта глюкозы за пределы клетки. Что касается лизосомальной деградации, то за гликогенолиз отвечает кислая альфа-глюкозидаза.Дефицит любого из этих ферментов проявляется в виде уникальных болезненных состояний. Большинство изменений цитозольной деградации происходит при заболеваниях накопления гликогена, включая болезнь фон Гирке, болезнь Кори и болезнь Герса. Дефект лизосомной деградации может привести к болезни Помпе. Нарушение роли гликогенолиза в функционировании нервной системы проявляется в виде болезни Лафора. Обнаружение изменений гликогенолиза может быть сделано в основном с помощью анализа ДНК и электронной микроскопии биоптатов печени и скелетных мышц.

Основы

Гликоген существует из предшественников глюкозы, полученных из недавно принятых углеводов или глюконеогенных предшественников, включая лактат и аланин. Гликогенолиз — это просто процесс, связанный с расщеплением гликогена для использования в качестве источника энергии в основном в скелетных мышцах и печени. Деградация гликогена происходит двумя различными путями в зависимости от локализации. Что касается скелетных мышц, расщепление гликогена приводит к образованию глюкозо-1-фосфата, и мышцы используют его как таковой в качестве топлива для сокращения.Гликогенолиз в скелетных мышцах происходит в условиях физической нагрузки. С другой стороны, гликогенолиз печени генерирует глюкозу для экспорта в кровоток. Стимулом для гликогенолиза в печени является пищевая депривация с соответствующим повышением уровня таких гормонов, как глюкагон.[1]

Вопросы, вызывающие озабоченность

Из-за жизненно важной роли, которую расщепление гликогена играет в нормальной физиологии, включая поддержание уровня глюкозы в крови и сокращение мышц во время физической активности, нарушения гликогенолиза проявляются патофизиологическими состояниями.Хотя исследователи исследовали роль гликогена, некоторая информация не совсем понятна. Например, неясна конкретная роль гликогена в мышечном сокращении или метод транспорта гликогена в лизосомы.

Клеточный

Гликогенолиз, расщепление гликогена, происходит в двух клеточных местах: цитозоле и лизосоме. Различные ферменты осуществляют деградацию гликогена в этих клеточных участках. При распаде гликогена топливом служит глюкоза или глюкозо-1-фосфат.В скелетных мышцах поглощение глюкозы опосредовано транспортерами GLUT1 (находится на плазматической мембране) и GLUT4 (находится внутри внутриклеточных запасных везикул). В цитозоле гликогенфосфорилаза сильно активируется AMP для мышечной ткани. В печени глюкагон активирует гликогенфосфорилазу за счет увеличения циклического АМФ. Деградация гликогена в лизосомах опосредуется кислой альфа-глюкозидазой через аутофагические вакуоли, которые поглощают часть цитоплазмы и сливаются с органеллами, чтобы заключить содержимое.Конкретные механизмы более подробно объясняются в следующих разделах.[2]

Молекулярный

Гликоген представляет собой разветвленный полимер глюкозы. Глюкоза хранится в клетках в виде полимеров для повышения растворимости, занимает меньше места и обеспечивает быструю мобилизацию. Гликоген, хранящийся в гепатоците, соответствует расчетной концентрации глюкозы 400 мМ. Наоборот, вклад нерастворимого гликогена в осмолярность цитозоля в 40 миллионов раз меньше, чем вклад 40 мМ глюкозы.Следовательно, если бы полимерной формы гликогена не существовало, осмолярность цитозоля была бы достаточно высокой, чтобы вызвать проникновение воды в клетку посредством осмоса и привести к ее лизису. Гликоген приводит к более высокой растворимости, в основном за счет образования его разветвлений. С другой стороны, большая часть полимера образуется за счет альфа-1-4 гликозидных связей, которые организуются в цепочки, разветвление происходит через каждые 4-8 мономеров глюкозы через альфа-1-6 гликозидные связи. Такое расположение приводит к классической организации гликогена, называемой бета-частицей, с самогликозилирующим белком, называемым гликогенином, в ядре.[3]

Очень важно понимать конформацию гликогена, потому что гликогенолиз включает расщепление этого полимера на мономеры глюкозы с помощью различных ферментов, которые катализируют расщепление ветвей и цепей гликогена.

Функция

Распад гликогена происходит во время голодания или при низком соотношении инсулина и глюкагона. Основными запасами энергии в организме являются гликоген и липиды. В то время как липиды приводят к большему количеству молекул АТФ после окисления, гликогенолиз приводит к меньшему количеству молекул АТФ.Однако существуют два существенных преимущества для метаболизма гликогена. Первое преимущество соответствует быстрой мобилизации гликогена для метаболических нужд. Возможна быстрая мобилизация, поскольку ферменты гликогенолиза могут прикрепляться к многочисленным ветвям гликогена и начинать одновременный гидролиз. Второе преимущество влечет за собой выработку энергии в условиях низких отложений липидов, например, при анорексии.[3]

Уровни гликогена количественно выше в скелетных мышцах, чем в печени.Тем не менее, гликогенолиз играет важную роль в обеих тканях. В печени метаболизм гликогена играет жизненно важную роль во время голодания, что приводит к выработке глюкозы в печени для поддержания здорового уровня глюкозы в крови и удовлетворения потребностей других тканей в топливе. С другой стороны, полное проявление гликогена в скелетных мышцах указывает на критическую функцию, которую гликоген играет в скелетных мышцах с точки зрения быстрого образования АТФ. Между накоплением гликогена в скелетных мышцах и устойчивостью к утомлению существует тесная связь.Способность мышц тренироваться в течение первых 30 минут активности, несмотря на обилие других источников энергии, таких как липиды, серьезно снижается, когда в скелетных мышцах снижается уровень гликогена. Было показано, что истощение гликогена вызывает утомление, потому что мышца не может обеспечить достаточное количество топлива для скелетных мышц для возбуждения и сокращения. Вероятная причина связана с ролью гликогена в высвобождении кальция из саркоплазматического ретикулума.[4][5]

Помимо обеспечения энергией, гликогенолиз может привести к образованию предшественников для участия в окислительных реакциях пентозофосфатного пути, способствуя образованию НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот и производства пентозофосфатов, необходимых для синтез РНК и ДНК.[3]

Механизм

Гликогенолиз может происходить двумя путями. В то время как первый путь вращается вокруг цитозольной деградации посредством синхронизированного действия гликогенфосфорилазы и фермента, разветвляющего гликоген, второй путь вращается вокруг лизосомной деградации посредством фермента альфа-глюкозидазы. Гликогенез отвечает на гормональный контроль. Одной из основных форм контроля является разнообразное фосфорилирование гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Это регулируется ферментами под контролем гормональной активности, которая, в свою очередь, регулируется многими факторами.Таким образом, существует множество различных возможных эффекторов по сравнению с аллостерическими системами регуляции.

В соответствии с цитозольной деградацией гликогенфосфорилаза, фермент, ограничивающий скорость гликогенолиза, расщепляет терминальный остаток глюкозы, связанный с гликогеновой ветвью, заменяя фосфорильную группу на альфа-1-4-связь. Четыре остатка перед связью альфа 1-6, соответствующие разветвлению, фермент, разветвляющий гликоген, катализирует перенос трех из четырех оставшихся остатков глюкозы к концу другой цепи гликогена, где они могут снова расщепляться гликогенфосфорилазой.Другими словами, разрыв альфа-1-4-гликозидных связей, присутствующих в линейных цепях, катализируется гликогенфосфорилазой, а добавление фосфатной группы в положение 1 приводит к образованию глюкозо-1-фосфата. Активность гликогенфосфорилазы модулируется аллостерически и посредством фосфорилирования. Производство гликогена, наоборот, ингибирует деградацию гликогена. Затем фосфоглюкомутаза отвечает за превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат посредством реакции изомеризации, которая не требует энергии.С другой стороны, деветвящий фермент взаимодействует с альфа-1-6-связями и переносит разветвление на конец полимера, чтобы гликогенфосфорилаза могла продолжать работу с ним. В большинстве тканей глюкозо-6-фосфат используется внутренне для гликолиза и выработки энергии путем превращения в пируват, выступая в качестве критического метаболического промежуточного продукта для других путей, включая цикл ТСА, синтез жирных кислот, цикл Кори и цикл аланина. Тем не менее, в глюконеогенных органах, таких как печень, почки и кишечник, глюкозо-6-фосфат должен быть дефосфорилирован в глюкозу с помощью фермента глюкозо-6-фосфатазы, чтобы он мог транспортироваться из ЭПР в ЭПР. интерстициальное пространство.Соответствует расщеплению лизосомального гликогена, основного фермента, участвующего в кислой мальтазе. Было высказано предположение, что гидролиз гликогена до глюкозы, катализируемый кислой альфа-глюкозидазой, служит защитным механизмом для печени от высоких концентраций гликогена. Из общего количества гликогенолиза, происходящего в скелетных мышцах, только 5% деградации гликогена происходит в лизосомах. При гликогенолизе печени только 10% приходится на лизосомы.[6][5][7]

Тестирование

Визуализация молекул гликогена не может быть выполнена с помощью световой микроскопии, вместо этого требуется электронная микроскопия.Гистологическое окрашивание и применение световой микроскопии позволили бы визуализировать только конгломераты частиц гликогена. Молекулы гликогена сами по себе требуют электронной микроскопии. В зависимости от собранного образца ткани гликоген описывается как розетоподобные бета-частицы или более крупные альфа-частицы. Розеткообразные бета-частицы обнаруживаются в мышцах, тогда как альфа-частицы, которые представляют собой просто агрегаты бета-частиц, обнаруживаются в печени. Бета-частицы соответствуют типичной конфигурации гликогена со средней длиной цепи 13 остатков, состоящей из внутренних цепей с точками ветвления и внешних цепей без точек ветвления.Для гистологического окрашивания интегрирован метод Period Acid Schiff. Однако существуют определенные недостатки этого метода, включая недостаточную специфичность и общую несовместимость с методами иммунофлуоресценции. Таким образом, в настоящее время доступен новый метод обнаружения гликогена в клетках, в котором возобновляемый рекомбинантный белок, содержащий углеводсвязывающий модуль из белка 1 домена связывания крахмала (Stbd1), впоследствии используется для проведения иммуноферментного анализа [1]. ][8]

Что касается тестирования на болезни накопления гликогена, современные методы с использованием мутационного анализа ДНК устранили необходимость выполнения биопсии печени.Этот диагностический тест, например, применим к болезни фон Гирке и болезни Кори. Диагностические тесты на болезнь Помпе включают анализ активности кислой мальтазы в лейкоцитах или фибробластах. Биопсия мышц, показывающая вакуолизированную миопатию с чрезмерным накоплением лизосомального гликогена, также может служить диагностическим тестом на болезнь Помпе.[5]

Скорость гликогенолиза представляет собой разницу между скоростью образования глюкозы и абсолютным глюконеогенезом. Уровни глюконеогенеза идентифицируют с использованием методов, включая радиоактивные и стабильные изотопы.Количественное определение гликогенолиза также возможно с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.[9]

Патофизиология

Нарушения гликогенолиза могут привести к различным заболеваниям, включая болезни накопления гликогена (GSD), лизосомные болезни накопления и прогрессирующую миоклонусную эпилепсию Лафора. Нарушения гликогенолиза часто вызывают дисфункцию органов, включая печень, скелетные мышцы, мозг и почки. В зависимости от затронутого фермента при гликогенолизе возможен тот или иной спектр синдромов.

Нарушение гликогенолиза может привести к заболеваниям накопления гликогена, таким как болезнь фон Гирке, наиболее распространенный GSD. GSD типа I возникает из-за дефицита глюкозо-6-фосфатазы, ответственной за дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, чтобы глюкоза могла транспортироваться за пределы клетки для регуляции уровня глюкозы в крови и использования топлива в других тканях за пределами печени. Нарушение способности генерировать глюкозу в результате гликогенолиза приводит к тяжелой гипогликемии, гиперурикемии и повышению уровня молочной кислоты и триглицеридов.Из-за отложения жира у пациентов округлое кукольное лицо. Без лечения у пациентов с этим заболеванием были очевидны задержка развития, гепатомегалия, аномальные отеки и задержка двигательного развития. Долгосрочные осложнения могут развиваться из-за накопления гликогена в почках, что приводит к нефропатии, хронической болезни почек и раку почки. Основной формой лечения пациентов с болезнью фон Гирке является поддержание нормального уровня глюкозы при одновременном предотвращении гипогликемии за счет частых приемов пищи.[5][10]

Хотя расщепление гликогена с помощью фосфорилазы и деветвящего фермента может происходить в цитозоле, гликоген также расщепляется лизосомным путем, что приводит к лизосомной болезни накопления, называемой болезнью Помпе (болезнь накопления гликогена, тип II). При болезни Помпе развивается мутация, затрагивающая лизосомальную альфа-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой. В результате в лизосоме и ее везикулах накапливается гликоген, что приводит к летальным исходам, включая кардиомиопатию и мышечную гипотонию.Точный путь, по которому гликоген транспортируется в лизосомы, до сих пор неизвестен, но предполагается, что он осуществляется через макроаутофагию, при которой поглощение груза внутри двойных мембранных пузырьков, называемых аутофагосомами, сливается с лизосомой.

Болезнь накопления гликогена III типа, также называемая болезнью Кори, возникает из-за дефицита фермента, расщепляющего гликоген. В результате это заболевание проявляется накоплением аномального гликогена, поскольку гликогенолиз останавливается, когда гликогенфосфорилаза встречает точку ветвления.В этом случае гликоген считается аномальным, поскольку он отражает очень короткие внешние цепи. При болезни Кори у пациентов наблюдаются кетотическая гипогликемия и гепатомегалия. В редких случаях это может привести к циррозу печени и гепатоцеллюлярной карциноме.[5]

Болезнь накопления гликогена V типа (болезнь Мак-Ардла) развивается из-за дефицита гликогенфосфорилазы скелетных мышц. Другими словами, при этом заболевании печень щадится. Пациенты демонстрируют непереносимость физических нагрузок, мышечную слабость, судороги и боль.Уровни креатинкиназы становятся повышенными, может присутствовать миоглобинурия. Типичным для этого заболевания является явление, называемое вторым дыханием, когда пациенты могут возобновить физические упражнения после кратковременного отдыха. Прием сахарозы перед тренировкой может помочь облегчить симптомы, поскольку она становится источником энергии во время тренировки, прежде чем прибегать к запасам гликогена. При дефиците гликогенфосфорилазы в печени развивается другое заболевание — GSD VI типа. Ее болезнь показывает нормальные уровни креатинкиназы и мочевой кислоты.У больных отмечается задержка роста и увеличение печени. Часто встречаются гиперлипидемия и кетотическая гипогликемия.[5]

При прогрессирующей миоклонусной эпилепсии Lafora в некоторых тканях наблюдается повышенное фосфорилирование гликогена, что приводит к токсичности и гибели клеток нейронов. Симптомы включают атаксию, судороги, миоклонус и деменцию. Наличие уровней фосфорилирования в гликогене, превышающих нормальные, приводит к образованию более длинных цепей и неправильных точек разветвления, что делает полимер нерастворимым и устойчивым к деградации.В результате у пациентов с этим заболеванием образуется конгломерат телец включения, называемых тельцами Лафора.[5]

Клиническое значение

Важность гликогенолиза подтверждается мутациями в деградации гликогена, приводящими к генетическим нарушениям человека, и неспособностью скелетных мышц справляться с физическим стрессом при дефиците гликогена.

Рисунок

Гликогенез. Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glycogenesis.png

Ссылки

1.
Роуч П.Дж., Депаоли-Роуч А.А., Херли Т.Д., Тальябраччи В.С. Гликоген и его метаболизм: некоторые новые разработки и старые темы. Biochem J. 2012 Feb 01;441(3):763-87. [Бесплатная статья PMC: PMC4945249] [PubMed: 22248338]
2.
Adeva-Andany MM, González-Lucán M, Donapetry-García C, Fernández-Fernández C, Ameneiros-Rodríguez E. Метаболизм гликогена у людей. Клиника ББА. 2016 июнь; 5:85-100. [Бесплатная статья PMC: PMC4802397] [PubMed: 27051594]
3.
Безбородкина Н.Н., Честнова А.Ю., Воробьев М.Л., Кудрявцев Б.Н. Пространственная структура молекул гликогена в клетках. Биохимия (Москва). 2018 май;83(5):467-482. [PubMed: 29738682]
4.
Ørtenblad N, Westerblad H, Nielsen J. Запасы гликогена в мышцах и усталость. Дж. Физиол. 2013 15 сентября; 591 (18): 4405-13. [Статья бесплатно PMC: PMC3784189] [PubMed: 23652590]
5.
Ellingwood SS, Cheng A. Биохимические и клинические аспекты болезней накопления гликогена. J Эндокринол.2018 сен; 238(3):R131-R141. [Статья бесплатно PMC: PMC6050127] [PubMed: 29875163]
6.
Prats C, Graham TE, Shearer J. Динамическая жизнь гранулы гликогена. Дж. Биол. Хим. 2018 11 мая; 293 (19): 7089-7098. [Бесплатная статья PMC: PMC5949993] [PubMed: 29483195]
7.
Ландау BR. Методы измерения цикла гликогена. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2001 г., сен; 281 (3): E413-9. [PubMed: 11500295]
8.
Скурат А.В., Сегвич Д.М., ДеПаоли-Роуч А.А., Роуч П.Дж.Новый метод обнаружения гликогена в клетках. Гликобиология. 2017 01 мая; 27 (5): 416-424. [Бесплатная статья PMC: PMC5444244] [PubMed: 28077463]
9.
Chung ST, Chacko SK, Sunehag AL, Haymond MW. Измерения глюконеогенеза и гликогенолиза: методологический обзор. Диабет. 2015 декабрь; 64 (12): 3996-4010. [Статья PMC бесплатно: PMC4657587] [PubMed: 26604176]
10.
Kanungo S, Wells K, Tribett T, El-Gharbawy A. Метаболизм гликогена и нарушения накопления гликогена.Энн Трансл Мед. 2018 дек;6(24):474. [Бесплатная статья PMC: PMC6331362] [PubMed: 30740405]

Биохимия, гликогенез — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Гликоген, основная форма хранения глюкозы и основной источник неокислительной глюкозы для скелетных мышц и печени, вносит значительный вклад в его деградацию, поддерживая нормальный уровень глюкозы в крови и обеспечивая топливо для сокращения мышц. Что касается цитозольной деградации, основными ферментами, участвующими в расщеплении гликогена, являются гликогенфосфорилаза и фермент деветвления.Гликогенфосфорилаза заботится о разрушении линейных цепных связей, тогда как деветвящий фермент переносит остатки глюкозы в линейную цепь для деградации ветвей. Оба фермента работают в скелетных мышцах и печени. Поскольку скелетные мышцы могут использовать фосфорилированную форму глюкозы в качестве топлива, им не требуется глюкозо-6-фосфатаза.

С другой стороны, печени требуется глюкозо-6-фосфатаза для дефосфорилирования глюкозы и экспорта глюкозы за пределы клетки. Что касается лизосомальной деградации, то за гликогенолиз отвечает кислая альфа-глюкозидаза.Дефицит любого из этих ферментов проявляется в виде уникальных болезненных состояний. Большинство изменений цитозольной деградации происходит при заболеваниях накопления гликогена, включая болезнь фон Гирке, болезнь Кори и болезнь Герса. Дефект лизосомной деградации может привести к болезни Помпе. Нарушение роли гликогенолиза в функционировании нервной системы проявляется в виде болезни Лафора. Обнаружение изменений гликогенолиза может быть сделано в основном с помощью анализа ДНК и электронной микроскопии биоптатов печени и скелетных мышц.

Основы

Гликоген существует из предшественников глюкозы, полученных из недавно принятых углеводов или глюконеогенных предшественников, включая лактат и аланин. Гликогенолиз — это просто процесс, связанный с расщеплением гликогена для использования в качестве источника энергии в основном в скелетных мышцах и печени. Деградация гликогена происходит двумя различными путями в зависимости от локализации. Что касается скелетных мышц, расщепление гликогена приводит к образованию глюкозо-1-фосфата, и мышцы используют его как таковой в качестве топлива для сокращения.Гликогенолиз в скелетных мышцах происходит в условиях физической нагрузки. С другой стороны, гликогенолиз печени генерирует глюкозу для экспорта в кровоток. Стимулом для гликогенолиза в печени является пищевая депривация с соответствующим повышением уровня таких гормонов, как глюкагон.[1]

Вопросы, вызывающие озабоченность

Из-за жизненно важной роли, которую расщепление гликогена играет в нормальной физиологии, включая поддержание уровня глюкозы в крови и сокращение мышц во время физической активности, нарушения гликогенолиза проявляются патофизиологическими состояниями.Хотя исследователи исследовали роль гликогена, некоторая информация не совсем понятна. Например, неясна конкретная роль гликогена в мышечном сокращении или метод транспорта гликогена в лизосомы.

Клеточный

Гликогенолиз, расщепление гликогена, происходит в двух клеточных местах: цитозоле и лизосоме. Различные ферменты осуществляют деградацию гликогена в этих клеточных участках. При распаде гликогена топливом служит глюкоза или глюкозо-1-фосфат.В скелетных мышцах поглощение глюкозы опосредовано транспортерами GLUT1 (находится на плазматической мембране) и GLUT4 (находится внутри внутриклеточных запасных везикул). В цитозоле гликогенфосфорилаза сильно активируется AMP для мышечной ткани. В печени глюкагон активирует гликогенфосфорилазу за счет увеличения циклического АМФ. Деградация гликогена в лизосомах опосредуется кислой альфа-глюкозидазой через аутофагические вакуоли, которые поглощают часть цитоплазмы и сливаются с органеллами, чтобы заключить содержимое.Конкретные механизмы более подробно объясняются в следующих разделах.[2]

Молекулярный

Гликоген представляет собой разветвленный полимер глюкозы. Глюкоза хранится в клетках в виде полимеров для повышения растворимости, занимает меньше места и обеспечивает быструю мобилизацию. Гликоген, хранящийся в гепатоците, соответствует расчетной концентрации глюкозы 400 мМ. Наоборот, вклад нерастворимого гликогена в осмолярность цитозоля в 40 миллионов раз меньше, чем вклад 40 мМ глюкозы.Следовательно, если бы полимерной формы гликогена не существовало, осмолярность цитозоля была бы достаточно высокой, чтобы вызвать проникновение воды в клетку посредством осмоса и привести к ее лизису. Гликоген приводит к более высокой растворимости, в основном за счет образования его разветвлений. С другой стороны, большая часть полимера образуется за счет альфа-1-4 гликозидных связей, которые организуются в цепочки, разветвление происходит через каждые 4-8 мономеров глюкозы через альфа-1-6 гликозидные связи. Такое расположение приводит к классической организации гликогена, называемой бета-частицей, с самогликозилирующим белком, называемым гликогенином, в ядре.[3]

Очень важно понимать конформацию гликогена, потому что гликогенолиз включает расщепление этого полимера на мономеры глюкозы с помощью различных ферментов, которые катализируют расщепление ветвей и цепей гликогена.

Функция

Распад гликогена происходит во время голодания или при низком соотношении инсулина и глюкагона. Основными запасами энергии в организме являются гликоген и липиды. В то время как липиды приводят к большему количеству молекул АТФ после окисления, гликогенолиз приводит к меньшему количеству молекул АТФ.Однако существуют два существенных преимущества для метаболизма гликогена. Первое преимущество соответствует быстрой мобилизации гликогена для метаболических нужд. Возможна быстрая мобилизация, поскольку ферменты гликогенолиза могут прикрепляться к многочисленным ветвям гликогена и начинать одновременный гидролиз. Второе преимущество влечет за собой выработку энергии в условиях низких отложений липидов, например, при анорексии.[3]

Уровни гликогена количественно выше в скелетных мышцах, чем в печени.Тем не менее, гликогенолиз играет важную роль в обеих тканях. В печени метаболизм гликогена играет жизненно важную роль во время голодания, что приводит к выработке глюкозы в печени для поддержания здорового уровня глюкозы в крови и удовлетворения потребностей других тканей в топливе. С другой стороны, полное проявление гликогена в скелетных мышцах указывает на критическую функцию, которую гликоген играет в скелетных мышцах с точки зрения быстрого образования АТФ. Между накоплением гликогена в скелетных мышцах и устойчивостью к утомлению существует тесная связь.Способность мышц тренироваться в течение первых 30 минут активности, несмотря на изобилие других источников энергии, таких как липиды, серьезно снижается, когда в скелетных мышцах снижается уровень гликогена. Было показано, что истощение гликогена вызывает утомление, потому что мышца не может обеспечить достаточное количество топлива для скелетных мышц для возбуждения и сокращения. Вероятная причина связана с ролью гликогена в высвобождении кальция из саркоплазматического ретикулума.[4][5]

Помимо обеспечения энергией, гликогенолиз может привести к образованию предшественников для участия в окислительных реакциях пентозофосфатного пути, способствуя образованию НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот и производства пентозофосфатов, необходимых для синтез РНК и ДНК.[3]

Механизм

Гликогенолиз может происходить двумя путями. В то время как первый путь вращается вокруг цитозольной деградации посредством синхронизированного действия гликогенфосфорилазы и фермента, разветвляющего гликоген, второй путь вращается вокруг лизосомной деградации посредством фермента альфа-глюкозидазы. Гликогенез отвечает на гормональный контроль. Одной из основных форм контроля является разнообразное фосфорилирование гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Это регулируется ферментами под контролем гормональной активности, которая, в свою очередь, регулируется многими факторами.Таким образом, существует множество различных возможных эффекторов по сравнению с аллостерическими системами регуляции.

В соответствии с цитозольной деградацией гликогенфосфорилаза, фермент, ограничивающий скорость гликогенолиза, расщепляет терминальный остаток глюкозы, связанный с гликогеновой ветвью, заменяя фосфорильную группу на альфа-1-4-связь. Четыре остатка перед связью альфа 1-6, соответствующие разветвлению, фермент, разветвляющий гликоген, катализирует перенос трех из четырех оставшихся остатков глюкозы к концу другой цепи гликогена, где они могут снова расщепляться гликогенфосфорилазой.Другими словами, разрыв альфа-1-4-гликозидных связей, присутствующих в линейных цепях, катализируется гликогенфосфорилазой, а добавление фосфатной группы в положение 1 приводит к образованию глюкозо-1-фосфата. Активность гликогенфосфорилазы модулируется аллостерически и посредством фосфорилирования. Производство гликогена, наоборот, ингибирует деградацию гликогена. Затем фосфоглюкомутаза отвечает за превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат посредством реакции изомеризации, которая не требует энергии.С другой стороны, деветвящий фермент взаимодействует с альфа-1-6-связями и переносит разветвление на конец полимера, чтобы гликогенфосфорилаза могла продолжать работу с ним. В большинстве тканей глюкозо-6-фосфат используется внутренне для гликолиза и выработки энергии путем превращения в пируват, выступая в качестве критического метаболического промежуточного продукта для других путей, включая цикл ТСА, синтез жирных кислот, цикл Кори и цикл аланина. Тем не менее, в глюконеогенных органах, таких как печень, почки и кишечник, глюкозо-6-фосфат должен быть дефосфорилирован в глюкозу с помощью фермента глюкозо-6-фосфатазы, чтобы он мог транспортироваться из ЭПР в ЭПР. интерстициальное пространство.Соответствует расщеплению лизосомального гликогена, основного фермента, участвующего в кислой мальтазе. Было высказано предположение, что гидролиз гликогена до глюкозы, катализируемый кислой альфа-глюкозидазой, служит защитным механизмом для печени от высоких концентраций гликогена. Из общего количества гликогенолиза, происходящего в скелетных мышцах, только 5% деградации гликогена происходит в лизосомах. При гликогенолизе печени только 10% приходится на лизосомы.[6][5][7]

Тестирование

Визуализация молекул гликогена не может быть выполнена с помощью световой микроскопии, вместо этого требуется электронная микроскопия.Гистологическое окрашивание и применение световой микроскопии позволили бы визуализировать только конгломераты частиц гликогена. Молекулы гликогена сами по себе требуют электронной микроскопии. В зависимости от собранного образца ткани гликоген описывается как розетоподобные бета-частицы или более крупные альфа-частицы. Розеткообразные бета-частицы обнаруживаются в мышцах, тогда как альфа-частицы, которые представляют собой просто агрегаты бета-частиц, обнаруживаются в печени. Бета-частицы соответствуют типичной конфигурации гликогена со средней длиной цепи 13 остатков, состоящей из внутренних цепей с точками ветвления и внешних цепей без точек ветвления.Для гистологического окрашивания интегрирован метод Period Acid Schiff. Однако существуют определенные недостатки этого метода, включая недостаточную специфичность и общую несовместимость с методами иммунофлуоресценции. Таким образом, в настоящее время доступен новый метод обнаружения гликогена в клетках, в котором возобновляемый рекомбинантный белок, содержащий углеводсвязывающий модуль из белка 1 домена связывания крахмала (Stbd1), впоследствии используется для проведения иммуноферментного анализа [1]. ][8]

Что касается тестирования на болезни накопления гликогена, современные методы с использованием мутационного анализа ДНК устранили необходимость выполнения биопсии печени.Этот диагностический тест, например, применим к болезни фон Гирке и болезни Кори. Диагностические тесты на болезнь Помпе включают анализ активности кислой мальтазы в лейкоцитах или фибробластах. Биопсия мышц, показывающая вакуолизированную миопатию с чрезмерным накоплением лизосомального гликогена, также может служить диагностическим тестом на болезнь Помпе.[5]

Скорость гликогенолиза представляет собой разницу между скоростью образования глюкозы и абсолютным глюконеогенезом. Уровни глюконеогенеза идентифицируют с использованием методов, включая радиоактивные и стабильные изотопы.Количественное определение гликогенолиза также возможно с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.[9]

Патофизиология

Нарушения гликогенолиза могут привести к различным заболеваниям, включая болезни накопления гликогена (GSD), лизосомные болезни накопления и прогрессирующую миоклонусную эпилепсию Лафора. Нарушения гликогенолиза часто вызывают дисфункцию органов, включая печень, скелетные мышцы, мозг и почки. В зависимости от затронутого фермента при гликогенолизе возможен тот или иной спектр синдромов.

Нарушение гликогенолиза может привести к заболеваниям накопления гликогена, таким как болезнь фон Гирке, наиболее распространенный GSD. GSD типа I возникает из-за дефицита глюкозо-6-фосфатазы, ответственной за дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, чтобы глюкоза могла транспортироваться за пределы клетки для регуляции уровня глюкозы в крови и использования топлива в других тканях за пределами печени. Нарушение способности генерировать глюкозу в результате гликогенолиза приводит к тяжелой гипогликемии, гиперурикемии и повышению уровня молочной кислоты и триглицеридов.Из-за отложения жира у пациентов округлое кукольное лицо. Без лечения у пациентов с этим заболеванием были очевидны задержка развития, гепатомегалия, аномальные отеки и задержка двигательного развития. Долгосрочные осложнения могут развиваться из-за накопления гликогена в почках, что приводит к нефропатии, хронической болезни почек и раку почки. Основной формой лечения пациентов с болезнью фон Гирке является поддержание нормального уровня глюкозы при одновременном предотвращении гипогликемии за счет частых приемов пищи.[5][10]

Хотя расщепление гликогена с помощью фосфорилазы и деветвящего фермента может происходить в цитозоле, гликоген также расщепляется лизосомным путем, что приводит к лизосомной болезни накопления, называемой болезнью Помпе (болезнь накопления гликогена, тип II). При болезни Помпе развивается мутация, затрагивающая лизосомальную альфа-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой. В результате в лизосоме и ее везикулах накапливается гликоген, что приводит к летальным исходам, включая кардиомиопатию и мышечную гипотонию.Точный путь, по которому гликоген транспортируется в лизосомы, до сих пор неизвестен, но предполагается, что он осуществляется через макроаутофагию, при которой поглощение груза внутри двойных мембранных пузырьков, называемых аутофагосомами, сливается с лизосомой.

Болезнь накопления гликогена III типа, также называемая болезнью Кори, возникает из-за дефицита фермента, расщепляющего гликоген. В результате это заболевание проявляется накоплением аномального гликогена, поскольку гликогенолиз останавливается, когда гликогенфосфорилаза встречает точку ветвления.В этом случае гликоген считается аномальным, поскольку он отражает очень короткие внешние цепи. При болезни Кори у пациентов наблюдаются кетотическая гипогликемия и гепатомегалия. В редких случаях это может привести к циррозу печени и гепатоцеллюлярной карциноме.[5]

Болезнь накопления гликогена V типа (болезнь Мак-Ардла) развивается из-за дефицита гликогенфосфорилазы скелетных мышц. Другими словами, при этом заболевании печень щадится. Пациенты демонстрируют непереносимость физических нагрузок, мышечную слабость, судороги и боль.Уровни креатинкиназы становятся повышенными, может присутствовать миоглобинурия. Типичным для этого заболевания является явление, называемое вторым дыханием, когда пациенты могут возобновить физические упражнения после кратковременного отдыха. Прием сахарозы перед тренировкой может помочь облегчить симптомы, поскольку она становится источником энергии во время тренировки, прежде чем прибегать к запасам гликогена. При дефиците гликогенфосфорилазы в печени развивается другое заболевание — GSD VI типа. Ее болезнь показывает нормальные уровни креатинкиназы и мочевой кислоты.У больных отмечается задержка роста и увеличение печени. Часто встречаются гиперлипидемия и кетотическая гипогликемия.[5]

При прогрессирующей миоклонусной эпилепсии Lafora в некоторых тканях наблюдается повышенное фосфорилирование гликогена, что приводит к токсичности и гибели клеток нейронов. Симптомы включают атаксию, судороги, миоклонус и деменцию. Наличие уровней фосфорилирования в гликогене, превышающих нормальные, приводит к образованию более длинных цепей и неправильных точек разветвления, что делает полимер нерастворимым и устойчивым к деградации.В результате у пациентов с этим заболеванием образуется конгломерат телец включения, называемых тельцами Лафора.[5]

Клиническое значение

Важность гликогенолиза подтверждается мутациями в деградации гликогена, приводящими к генетическим нарушениям человека, и неспособностью скелетных мышц справляться с физическим стрессом при дефиците гликогена.

Рисунок

Гликогенез. Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glycogenesis.png

Ссылки

1.
Роуч П.Дж., Депаоли-Роуч А.А., Херли Т.Д., Тальябраччи В.С. Гликоген и его метаболизм: некоторые новые разработки и старые темы. Biochem J. 2012 Feb 01;441(3):763-87. [Бесплатная статья PMC: PMC4945249] [PubMed: 22248338]
2.
Adeva-Andany MM, González-Lucán M, Donapetry-García C, Fernández-Fernández C, Ameneiros-Rodríguez E. Метаболизм гликогена у людей. Клиника ББА. 2016 июнь; 5:85-100. [Бесплатная статья PMC: PMC4802397] [PubMed: 27051594]
3.
Безбородкина Н.Н., Честнова А.Ю., Воробьев М.Л., Кудрявцев Б.Н. Пространственная структура молекул гликогена в клетках. Биохимия (Москва). 2018 май;83(5):467-482. [PubMed: 29738682]
4.
Ørtenblad N, Westerblad H, Nielsen J. Запасы гликогена в мышцах и усталость. Дж. Физиол. 2013 15 сентября; 591 (18): 4405-13. [Статья бесплатно PMC: PMC3784189] [PubMed: 23652590]
5.
Ellingwood SS, Cheng A. Биохимические и клинические аспекты болезней накопления гликогена. J Эндокринол.2018 сен; 238(3):R131-R141. [Статья бесплатно PMC: PMC6050127] [PubMed: 29875163]
6.
Prats C, Graham TE, Shearer J. Динамическая жизнь гранулы гликогена. Дж. Биол. Хим. 2018 11 мая; 293 (19): 7089-7098. [Бесплатная статья PMC: PMC5949993] [PubMed: 29483195]
7.
Ландау BR. Методы измерения цикла гликогена. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2001 г., сен; 281 (3): E413-9. [PubMed: 11500295]
8.
Скурат А.В., Сегвич Д.М., ДеПаоли-Роуч А.А., Роуч П.Дж.Новый метод обнаружения гликогена в клетках. Гликобиология. 2017 01 мая; 27 (5): 416-424. [Бесплатная статья PMC: PMC5444244] [PubMed: 28077463]
9.
Chung ST, Chacko SK, Sunehag AL, Haymond MW. Измерения глюконеогенеза и гликогенолиза: методологический обзор. Диабет. 2015 декабрь; 64 (12): 3996-4010. [Статья PMC бесплатно: PMC4657587] [PubMed: 26604176]
10.
Kanungo S, Wells K, Tribett T, El-Gharbawy A. Метаболизм гликогена и нарушения накопления гликогена.Энн Трансл Мед. 2018 дек;6(24):474. [Бесплатная статья PMC: PMC6331362] [PubMed: 30740405]

Гликогенез — обзор | ScienceDirect Topics

4.3 Гепатоциты/печень

Гепатоциты/печень играют центральную роль в процессе производства глюкозы, уравновешивая поглощение и хранение глюкозы посредством гликогенеза (процесс синтеза гликогена) и высвобождение глюкозы посредством гликогенолиза (расщепление гликогена до глюкозы). -1-фосфат и глюкоза) и глюконеогенез (образование глюкозы из неуглеводных углеродных субстратов, таких как пируват, лактат, глицерин и глюкогенные аминокислоты). 56

Для непосредственного понимания механизмов гипогликемического действия адипонектина на гепатоциты/печень были проведены исследования, показавшие, что внутрибрюшинная инъекция очищенного рекомбинантного адипонектина может снизить уровень глюкозы у мышей. 57 В этих исследованиях очищенный рекомбинантный адипонектин вводили мышам, находящимся в сознании, во время эугликемического гиперинсулинемического клэмпа поджелудочной железы (метод количественной оценки секреции и резистентности к инсулину). При наличии физиологической гиперинсулинемии это лечение повышало уровень циркулирующего адипонектина примерно в два раза и стимулировало метаболизм глюкозы.Влияние адипонектина на действие инсулина in vivo полностью объяснялось снижением на 65% скорости продукции глюкозы в печени. Точно так же поток глюкозы через глюкозо-6-фосфатазу (G6Pase) снижался при инъекции адипонектина, тогда как активность прямого пути биосинтеза глюкозо-6-фосфата, показатель фосфорилирования глюкозы в печени, значительно увеличивалась. Печеночная экспрессия глюконеогенных ферментов, таких как мРНК фосфоенолпируваткарбоксикиназы и G6Pase, была снижена более чем на 50% после инфузии адипонектина по сравнению с инфузией носителя.Таким образом, умеренное повышение уровня циркулирующего белка жирового происхождения адипонектина ингибирует как экспрессию печеночных глюконеогенных ферментов, так и скорость продукции эндогенной глюкозы. Эти результаты показывают, что острое повышение уровня циркулирующего адипонектина может снизить продукцию глюкозы в печени in vivo .

Аналогичные исследования по изучению механизмов метаболизма глюкозы, опосредованных адипонектином, также показали, что адипонектин снижает уровень глюкозы в сыворотке крови мышей за счет подавления продукции глюкозы в печени путем активации активности AMPK в печени. 58 В этих исследованиях модель мышей, у которых можно вызвать нокаут печеночной киназы B1 (LKB1, также известной как серин/треонинкиназа 11, STK11), вышестоящего регулятора AMPK, использовали для исследования сигнализация адипонектина для производства глюкозы в гепатоцитах мыши. Эти результаты показали, что потеря LKB1 в печени мышей частично нарушала способность адипонектина снижать уровень глюкозы в сыворотке, включая снижение экспрессии глюконеогенного гена и выработки глюкозы в печени по оценке эугликемического гиперинсулинемического зажима.Кроме того, в гепатоцитах мышей отсутствие LKB1, AMPK или коактиватора транскрипции 2 (CRTC2), регулируемого цАМФ-связывающим белком (CREB), не препятствовало ингибированию адипонектином продукции глюкозы или снижению экспрессии глюконеогенного гена. Таким образом, эти результаты показали, что хотя некоторые действия адипонектина in vivo могут быть LKB1-зависимыми, существенные LKB1-, AMPK- и CRTC2-независимые сигнальные пути также опосредуют эффекты адипонектина на продукцию глюкозы в печени.

Метаболические пути в печени очень сложны и хорошо согласованы с другими сигнальными молекулами, а рецепторы адипонектина широко распространены во многих тканях, включая печень. Адипонектин оказывает прямое действие на печень, играя важную роль в улучшении чувствительности печени к инсулину, увеличении окисления жирных кислот и уменьшении воспаления. Неалкогольный стеатогепатит (НАСГ) является одной из наиболее частых причин аномальной дисфункции печени, связанной с накоплением липидов, воспалением и повреждением клеток/тканей в печени.Рецепторы адипонектина (AdipoR1 и AdipoR2) и субстраты рецепторов инсулина (IRS-1/-2) известны как модуляторы метаболизма этих жирных кислот в печени. Исследования с использованием животной модели, тучных крыс fa / fa Zucker, которых кормили пищей с высоким содержанием жиров и высоким содержанием холестерина, и у которых спонтанно развилась жировая дистрофия печени с воспалением и фиброзом, характерными для НАСГ, показали, что уровни экспрессии AdipoR1, AdipoR2 и IRS-2 были значительно снижены, тогда как IRS-1 значительно повышена у этих животных с НАСГ. 59 В результате снижения экспрессии AdipoR1 и AdipoR2 уровни экспрессии матричной РНК генов, расположенных ниже по течению от AdipoR1 и AdipoR2, включая AMPK α1/α2, которая ингибирует синтез жирных кислот, и PPARα, которая активирует окисление жирных кислот, были снижены. у этих животных также снижается. Было обнаружено, что уровень экспрессии SREBP1c повышен, что указывает на активацию IRS-1, что приводит к увеличению синтеза жирных кислот. Кроме того, наблюдалась повышенная экспрессия белка A2 (FOXA2) forkhead box, что может быть связано с подавлением IRS-2, что способствует окислению жирных кислот.Эти результаты указывают на то, что повышенный синтез и окисление жирных кислот за счет повышающей или понижающей регуляции AdipoR1 и AdipoR2 или IRS могут способствовать прогрессированию НАСГ. Таким образом, AdipoR1, AdipoR2 и IRS могут быть критически важными регуляторами сигнального пути синтеза и окисления жирных кислот в печени при НАСГ.

Опосредованная палладием активация ферментов предполагает многофазную инициацию гликогенеза& Tagliabracci, VS Гликоген и его метаболизм: некоторые новые разработки и старые темы.

Биохим. Дж . 441 , 763–787 (2012).

КАС Статья Google ученый

  • Адева-Андани, М. М., Гонсалес-Лукан, М., Донапетри-Гарсия, К., Фернандес-Фернандес, К. и Аменейрос-Родригес, Э. Метаболизм гликогена у людей. ВВА Клин . 5 , 85–100 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Роуч П.J. Имеются ли ошибки в биосинтезе гликогена и является ли лафорин ферментом репарации? ФЭБС Письмо . 585 , 3216–3218 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Zois, C.E., Favaro, E. & Harris, A.L. Метаболизм гликогена при раке. Биохим. Фармакол . 92 , 3–11 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  • Тестони, Г.и другие. Недостаток гликогенина вызывает накопление гликогена и нарушение мышечной функции. Сотовый метаб . 26 , 256–266 (2017).

    КАС Статья Google ученый

  • Мослеми, А.-Р. и другие. Дефицит гликогенина-1 и инактивированный запуск синтеза гликогена. Н. англ. Дж. Мед . 362 , 1203–1210 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Алонсо, М.D., Lomako, J., Lomako, WM & Whelan, WJ. Тирозин-194 гликогенина подвергается автокаталитическому глюкозилированию, но не является необходимым для каталитической функции и активности. ФЭБС Письмо . 342 , 38–42 (1994).

    КАС Статья Google ученый

  • Херли Т.Д., Стаут С., Майнер Э., Чжоу Дж. и Роуч П.Дж. Требования к катализу гликогенина млекопитающих. Дж. Биол. Химия . 280 , 23892–23899 (2005 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Гиббонс, Б.Дж., Роуч, П.Дж. и Херли, Т.Д. Кристаллическая структура автокаталитического инициатора биосинтеза гликогена, гликогенина. Дж. Мол. Биол . 319 , 463–477 (2002).

    КАС Статья Google ученый

  • Чайкуад, А. и др. Конформационная пластичность гликогенина и его мальтосахаридного субстрата в процессе биогенеза гликогена. Проц. Натл акад. науч. США 108 , 21028–21033 (2011 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Hurley, T.D., Walls, C., Bennett, J.R., Roach, P.J. & Wang, M. Прямое обнаружение продуктов реакции гликогенина во время инициации гликогена. Биохим. Биофиз. Рез. Коммуна . 348 , 374–378 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Чалкер, Дж.М., Бернардес, Г. Дж. Л. и Дэвис, Б. Г. Подход «пометить и изменить» к сайт-селективной модификации белка. Согл. хим. Рез . 44 , 730–741 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Чалкер, Дж. М., Вуд, К. С. С. и Дэвис, Б. Г. Удобный катализатор для кросс-сочетания Сузуки-Мияуры в воде и белке. Дж. Ам. хим. Соц . 131 , 16346–16347 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Спайсер, К.Д. и Дэвис, Б.Г. Опосредованная палладием сайт-селективная модификация белка Сузуки-Мияура в генетически кодируемых арилгалогенидах. Хим. Коммуна . 47 , 1698–1700 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Spicer, C.D., Triemer, T. & Davis, B.G. Мечение клеточной поверхности с помощью палладия. Дж. Ам. хим. Соц . 134 , 800–803 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Спайсер, К.Д. и Дэвис, Б.Г. Переписывание бактериального гликокаликса с помощью кросс-сочетания Судзуки-Мияуры. Хим. Коммуна . 49 , 2747–2749 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  • Дюма, А. и др. Самолигандное соединение Сузуки-Мияура для сайт-селективного пегилирования белка. Анжю. хим. Междунар. Эдн Энгл . 52 , 3916–3921 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  • Ли, Дж.и Чен, П. Р. Перемещение перекрестного связывания Pd-опосредованного белка с живыми системами. ChemBioChem 13 , 1728–1731 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Ян М., Ли Дж. и Чен П. Р. Химия биоортогональных белков, опосредованных переходными металлами, в живых клетках. Хим. соц. Версия . 43 , 6511–6526 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  • Джбара, М., Майти С.К. и Брик А. Палладий в химическом синтезе и модификации белков. Анжю. хим. Междунар. Эд . 56 , 10644–10655 (2017).

    КАС Статья Google ученый

  • Boeggeman, E. & Qasba, P.K. Исследования сайтов связывания металлов в каталитическом домене β1,4-галактозилтрансферазы. Гликобиология 12 , 395–407 (2002).

    КАС Статья Google ученый

  • Нильсен, М.М. и др. Неразборчивость субстрата и ионов металлов в маннозилглицератсинтазе. Дж. Биол. Химия . 286 , 15155–15164 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Янг, Т. С., Ахмад, И., Инь, Дж. А. и Шульц, П. Г. Усовершенствованная система мутагенеза неестественных аминокислот в E. coli . Дж. Мол. Биол . 395 , 361–374 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Дэвис, Л.и Чин, Дж. В. Дизайнерские белки: применение расширения генетического кода в клеточной биологии. Нац. Преподобный Мол. Клеточный Биол . 13 , 168–182 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Issoglio, F.M., Carrizo, ME, Romero, JM & Curtino, JA. Механизмы аутоглюкозилирования мономерного и димерного гликогенина. Дж. Биол. Химия . 287 , 1955–1961 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Базан, С., Issoglio, FM, Carrizo, ME & Curtino, JA. Внутримолекулярное аутоглюкозилирование мономерного гликогенина. Биохим. Биофиз. Рез. Коммуна . 371 , 328–332 (2008).

    Артикул Google ученый

  • Лайо, А. и Парринелло, М. Выход из минимума свободной энергии. Проц. Натл акад. науч. США 99 , 12562–12566 (2002).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Ардеволь, А.& Rovira, C. Механизмы реакции в углевод-активных ферментах: гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы. выводы из динамического моделирования ab initio квантовой механики / молекулярной механики. Дж. Ам. хим. Соц . 137 , 7528–7547 (2015).

    Артикул Google ученый

  • Lee, S.S. et al. Механическое доказательство фронтальной реакции S N i-типа в удерживающей гликозилтрансферазе. Нац.хим. Биол . 7 , 631–638 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Ардеволь, А. и Ровира, К. Молекулярный механизм ферментативного переноса гликозила с сохранением конфигурации: свидетельство существования короткоживущих оксокарбенийподобных видов. Анжю. хим. Междунар. Эдн Энгл . 50 , 10897–10901 (2011).

    Артикул Google ученый

  • Карризо, М.E., Miozzo, MC, Goldraij, A. & Curtino, JA. Очистка протеогликогена скелетных мышц кролика: исследования глюкозилтрансферазной активности гликогенина, свободного и связанного с полисахаридом. Гликобиология 7 , 571–578 (1997).

    КАС Статья Google ученый

  • Алонсо, М. Д., Ломако, Дж., Ломако, В. М. и Уилан, В. Дж. Новый взгляд на биогенез гликогена. FASEB J . 9 , 1126–1137 (1995).

    КАС Статья Google ученый

  • Ashcroft, F. M., Rohm, M., Clark, A. & Brereton, M. F. Является ли диабет 2 типа болезнью накопления гликогена β-клетками поджелудочной железы? Сотовый метаб . 26 , 17–23 (2017).

    КАС Статья Google ученый

  • Ли, Х.-М., Ларсон, Д. Р. и Лоуренс, Д. С. Освещая химию жизни: разработка, синтез и применение «клеточных» и родственных светочувствительных соединений. ACS Хим. Биол . 4 , 409–427 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Li, J. et al. Химия снятия защиты, запускаемая палладием, для активации белков в живых клетках. Нац. Химия . 6 , 352–361 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  • Guibé, F. Аллильные защитные группы и их использование в сложной среде. Часть II: аллильные защитные группы и их удаление с помощью каталитического метода палладиевого π-аллила. Тетраэдр 54 , 2967–3042 (1998).

    Артикул Google ученый

  • Tsuji, J. Новые общие синтетические методы с использованием комплексов π-аллилпалладия в качестве промежуточных продуктов и нейтральных условий реакции. Тетраэдр 42 , 4361–4401 (1986).

    КАС Статья Google ученый

  • Цудзи Дж. и Ямакава Т.Удобный метод получения 1-олефинов катализируемым палладием гидрогенолизом аллилацетатов и аллилфениловых эфиров с формиатом аммония. Тетраэдр Летт . 20 , 613–616 (1979).

    Артикул Google ученый

  • Высокий уровень глюкозы снижает печеночный гликогенез за счет подавления микроРНК-152

    Введение

    Инсулинорезистентность – это состояние нарушенного или снижение чувствительности к инсулину, при котором нормальная экспрессия уровень инсулина не может индуцировать нормальный инсулиновый ответ в печени, жировой ткани и мышечных клеток.Инсулин действует как критический фактором патогенеза сахарного диабета 2 типа и метаболических синдром. Метаболизм глюкозы в печени строго контролируется циркулирующий инсулин из-за его ингибирующего действия на глюконеогенез и стимулирующее влияние на гликогенез в печень. При инсулинорезистентных состояниях синтез гликогена в печени замедляется. нарушается, что приводит к увеличению продукции глюкозы (1).

    Инсулиновая сигнализация необходима для поддержания гомеостаза глюкозы в печени. В стабильном состоянии гликогенсинтаза (GS) фосфорилируется активированной киназой гликогенсинтазы 3 (ГСК-3), что вызывает угнетение синтеза гликогена.То Путь фосфоинозитид-3 киназы (PI3K)/AKT активируется, когда гепатоциты реагируют на инсулин, что приводит к фосфорилированию ГСК-3 и инактивация ГСК. Это приводит к генерации синтез гликогена через активированный ГС (2–4). Гипергликемия рассматривается как следствие недостаточности инсулина. секреции и резистентности к инсулину. Несколько исследований определили что гипергликемия может привести к явному улучшению инсулина резистентность печени (5). Глюкотоксичность является основной причиной дисфункции β-клеток, которая может привести к к нарушению сигнального действия инсулина или резистентности к инсулину в печени, что согласуется со снижением уровня гликогена в гепатоциты.

    МикроРНК (миРНК) относятся к классу некодирующих 18–25 молекулы нуклеотидной эндогенной РНК, которые действуют как специфический ген сайленсеры для регуляции экспрессии генов-мишеней в посттранскрипционном уровне путем спаривания оснований с 3′-нетранслируемым области мРНК-мишени. Многочисленные исследования показали, что микроРНК играют важную регулирующую роль в различных метаболических процессах. заболеваний, в том числе сахарного диабета, ожирения и метаболических синдром. миР-375, миР-29, миР-9 и Let-7 ранее связаны с регулированием секреции инсулина (6).миР-375 и миР-124а дополнительно было показано участие в развитии островков поджелудочной железы (7) и дифференцировке β-клеток (8). Хотя сообщалось, что миР-181 может участвовать в развитии резистентности к инсулину регуляция экспрессии Sirtuin 1 на уровне трансляции в гепатоцитах механизмы микроРНК, участвующие в печеночной резистентность к инсулину остается неизвестной (9).

    Было установлено, что сниженный уровень миР-152 ускорить рост опухоли некоторых типов опухолей (10).Сообщалось, что ДНК метилтрансфераза-1 (DNMT-1) является мишенью миР-152 и функционирует в поддержании метилирования ДНК (8,11,12). Было показано, что в раковых клетках миР-152 напрямую модулирует выражение DNMT-1, которое, в свою очередь, может модулировать выражение специфических онкогенов и генов-супрессоров опухолей, что приводит к усиление роста карциномы. Мало что известно о роли миР-152 в регуляции инсулинорезистентности печени и метаболизм глюкозы. Это исследование впервые дало возможность насколько нам известно, новые экспериментальные данные, показывающие, что высокий уровень глюкозы нарушил активацию пути AKT/GSK и синтез гликогена в гепатоцитах, по крайней мере частично посредством подавления миР-152.

    Материалы и методы
    Клеточная культура

    клетки NCTC 1469 были получены из клеток печени мыши. (Американская коллекция типовых культур, Манассас, Вирджиния, США) и культивируемых в модифицированной по Дульбекко среде Игла с низким содержанием глюкозы (5 ммоль/л глюкоза; Gibco-BRL, Карлсбад, Калифорния, США) с добавлением 10% лошадиных сил. сыворотка (HyClone, Logan, UT, США), пенициллин 100 ЕД/мл (Gibco-BRL) и 0,1 мг/мл стрептомицина (Gibco-BRL) при 37°C во влажном атмосфера 95% O2 и 5% CO2.

    Изоляция первичной мыши гепатоциты

    самца мышей C57BL/6J (возраст 12 недель) были предоставлены компанией Центр медицинских наук Пекинского университета (первоначально приобретенный у Лаборатория Джексона, Бар-Харбор, Мэн, США).Все процедуры для животных были выполнены в соответствии с Национальными институтами здравоохранения Руководство по уходу за животными и их использованию. Все протоколы животных были одобрены комитетом по этике животных Пекинского института Гериатрия (Пекин, Китай). Первичные гепатоциты выделяли двухэтапная перфузия коллагеназой [0,2 мг/мл коллагеназы IV типа (Sigma, Сент-Луис, Миссури, США) в сбалансированном солевом растворе Хэнкса], как описано ранее (13). То гепатоциты собирали центрифугированием при 430×g в течение 8 мин.Сразу после сбора клетки суспендировали в предварительно нагретую среду Вильямса E (Sigma) с добавлением 10% эмбрионального сыворотка крупного рогатого скота, 20 нг/мл дексаметазона (Sigma), ITS (содержащий 5 инсулин мг/л, трасферрин 5 мг/л и селенат натрия 5 мкг/л; Сигма) и 10 мкг/мл гентамицина (Invitrogen Life Technologies, Карлсбад, Калифорния, США). Гепатоциты высевали в покрытые коллагеном колбы объемом 25 см2 при плотности 1×106 клеток на колба.

    Трансфекция миметика микроРНК и ингибитор

    Приобретены миметик и ингибитор миР-152 от Genepharma (Шанхай, Китай).миметик и ингибитор микроРНК контроли использовали в качестве отрицательных контролей соответственно. Гиперфект Для трансфекции использовали реагент для трансфекции (Qiagen, Hilden, Германия). трансфекция миметика и ингибитора miR-152. Выражение миР-152 была обнаружена с помощью количественной полимеразной цепной реакции. (кПЦР), 48 ч после трансфекции.

    Выделение РНК и количественная ПЦР

    Обогащенная миРНК была выделена с использованием выделения миРНК комплект (Takara Bio Inc., Шига, Япония). Стебель-петля реверс В образцах была проведена транскрипционная ПЦР для обнаружения и количественно определить зрелую микроРНК, используя смесь антисмысловых праймеров «стебель-петля» (таблицы I и II) и транскриптазы AMV (Takara).То кДНК обычно тестировали с помощью количественной ПЦР на основе метода SYBR Green I, согласно инструкции производителя (Takara). Амплификацию и обнаружение специфических продуктов проводили в соответствии с инструкциями производителя с использованием ABI PRISM Система 7500 (Applied Biosystems®, Invitrogen Life технологии). Малая ядрышковая РНК U6 была использована в качестве референсный ген малой РНК «домашнего хозяйства». Родственный ген экспрессия нормирована на малую ядрышковую РНК U6. Каждый реакцию проводили в трехкратной повторности, анализ проводили методом 2-ΔΔCT.

    Таблица I

    Последовательности праймеров, использованные для обратного транскрипция.

    Таблица I

    Последовательности праймеров, использованные для обратного транскрипция.

    Праймер для обратной транскрипции (5′-3′)
    U6 GTCGTATCCAGTGCAGGGTCCGAGGTATTCGCACTGGATACGACAAAATATG
    miR-152 GTCGTATCCAGTGCAGGGTCCGAGGTATTCGCACTGGATACGACCCAAGT
    Таблица II

    Нуклеотид праймеров, используемых для кПЦР.

    Таблица II

    Нуклеотид праймеров, используемых для кПЦР.

    Передняя грунтовка (5′-3′)
    Универсальная грунтовка GTGCAGGGTCCGAGGT
    U6 GCGCGTCGTGAAGCGTTC
    miR-152 TCAGTGCATGACAGA
    Вестерн-блот анализ

    Лизаты клеток (15–30 мкг белка) разделяли 10% SDS-PAGE, затем перенос на поливинилиденфторид мембрана (Millipore, Billerica, MA, USA).Затем были мембраны блокируется 8% обезжиренным сухим молоком и прощупывается первичным антитела при 4°С в течение ночи. Блоты инкубировали с анти-IgG, конъюгированные с пероксидазой хрена, с последующим обнаружением с усиленной хемилюминесценцией (Millipore). Антитела против AKT, фосфорилированная AKT (Ser473), гликогенсинтаза киназа (GSK) и фосфорилированная GSK (Ser9) были приобретены у Cell Signaling Technology, Inc. (Беверли, Массачусетс, США). Антитела к β-актину были получены из Санта-Крус (Santa Cruz Биотехнология Инк., Санта-Круз, Калифорния, США).

    Измерение содержания гликогена

    Уровни гликогена измеряли в клетках, инкубированных с инсулином 1 нмоль/л (United States Biological, Салем, Массачусетс, США), в течение 3 ч с использованием набора для анализа гликогена (BioVision, Mountain View, CA, США).

    Статистический анализ

    Все значения представлены как среднее ± стандарт погрешность среднего указанного числа измерений. В одну сторону дисперсионный анализ был использован для определения статистических значимость.Считается, что P<0,05 указывает на статистически значительная разница.

    Результаты
    Высокий уровень глюкозы вызывает снижение синтез гликогена в гепатоцитах за счет нарушения фосфорилирования АКТ и ГСК

    мышиных гепатоцитов NCTC 1469 обрабатывали 25 мМ глюкозы в течение 48 часов и измеряли уровень гликогена. Как показано в Рис. 1А, высокий уровень глюкозы лечение значительно снизило уровень экспрессии гликогена в клетках NCTC 1469. Кроме того, фосфорилирование AKT и GSK был значительно снижен в клетках NCTC 1469, обработанных 25 мМ глюкозы в течение 48 часов (рис.1Б). В для дальнейшей оценки влияния высокого уровня глюкозы на гликоген синтеза, первичные гепатоциты мыши также обрабатывали 25 мМ глюкозы в течение 48 часов. Результаты показали, что уровни гликогена и фосфорилирование AKT и GSK было снижено у мышей. гепатоцитов в ответ на лечение высоким содержанием глюкозы (рис. 1C и D), что указывает на то, что высокое глюкоза вызывает снижение синтеза гликогена в гепатоциты, нарушая фосфорилирование AKT и ГСК.

    Высокий уровень глюкозы подавляет экспрессию миР-152 в гепатоцитах

    Влияние высокого уровня глюкозы на экспрессию miR-152 были исследованы.По данным количественной ПЦР, экспрессия миР-152 подавлялась в клетках NCTC 1469, обработанных 25 мМ глюкозы в течение 48 ч (рис. 2А). Высоко глюкоза дополнительно подавляла экспрессию миР-152 у мышей. первичные гепатоциты (рис. 2Б). Эти данные свидетельствуют о том, что миР-152 может участвовать в индуцированном глюкозой резистентность к инсулину.

    Ингибитор
    миР-152 способствует снижению синтез гликогена и нарушение фосфорилирования AKT и GSK в гепатоциты

    Для дальнейшего изучения эффектов миР-152 на индуцированное глюкозой снижение синтеза гликогена, миР-152 ингибитор трансфицировали в клетки NCTC 1469.Как показано в Рис. 3А, уровни миР-152 были снизился до ~10% в клетках NCTC 1469, трансфицированных ингибитор миР-152 по сравнению с трансфицированными скремблированная миРНК. Кроме того, подавление миР-152 ингибировало фосфорилирование AKT и GSK в клетках NCTC 1469, обработанных или без глюкозы (рис. 3Б). Кроме того, трансфекция ингибитора миР-152 снижала производство гликогена в клетках NCTC 1469, обработанных или не обработанных глюкоза (рис. 3C).

    Активация миР-152 обращает индуцированное глюкозой снижение синтеза гликогена и AKT и GSK фосфорилирование в гепатоцитах

    миметика miR-152 трансфицировали в NCTC 1469. клеток в течение 48 ч, а затем анализировали с помощью количественной ПЦР.КПЦР показала, что уровни миР-152 были увеличены примерно в 200 раз в NCTC 1469. клетки, трансфицированные миметиком miR-152, по сравнению с трансфицировали скремблированной миРНК (фиг. 4А). Кроме того, трансфекция миметик миР-152 увеличивал уровни фосфорилирования AKT и GSK, и спасло влияние высокого уровня глюкозы на активацию путь AKT/GSK (рис. 4B). Наконец, было установлено, что активация миР-152 может обратить вспять вызванное глюкозой снижение синтеза гликогена в гепатоциты (рис.4С).

    Обсуждение

    Все больше данных свидетельствует о том, что микроРНК участвует в патогенезе сахарного диабета 2 типа и инсулина сопротивление (14). В настоящее время исследовании было установлено, что активация AKT и GSK, а также уровни гликогена были подавлены в клетках NCTC 1469 и мышиных первичные гепатоциты после воздействия 25 мМ глюкозы в течение 48 часов. Кроме того, насколько нам известно, это исследование продемонстрировало впервые было установлено, что высокий уровень глюкозы подавляет экспрессия миР-152 в гепатоцитах.Для дальнейшей оценки влияние миР-152 на индуцированное глюкозой снижение гликогена синтез и активация AKT и GSK, миметика miR-152 и ингибитор трансфицировали в клетки NCTC 1469 соответственно. Результаты показали, что миР-152 может регулировать активацию AKT и GSK, а затем модулировать синтез гликогена в Клетки NCTC 1469 обрабатывали 25 мМ глюкозой в течение 48 часов.

    Резистентность к инсулину – это снижение способности инсулина для стимуляции поглощения глюкозы и синтеза гликогена в периферические ткани, включая скелетные мышцы, жировую ткань и печень.Это важный фактор в патогенезе 2-го типа. диабет. Печень играет центральную роль в обеспечении глюкозы и липидов обмен веществ, а печеночная инсулинорезистентность является отличительной чертой сахарный диабет 2 типа. Ранее сообщалось, что высокая Индуцированный глюкозой окислительный стресс играет важную роль в развитии и прогрессирование резистентности печени к инсулину. Кроме того, высокая Было показано, что глюкоза активирует протеинкиназу C и c-Jun. N-концевые киназные пути, которые действуют на фосфорилирование Ser307 субстрата инсулинового рецептора 1 и блокировать последующую активацию пути AKT в печени (11,12,15).В печени путь PI3K/AKT функционирует в инсулиновой сигнальный каскад, посредством которого активированный AKT опосредует фосфорилирование и инактивация GSK, что впоследствии приводит к в активации ГС и усилении синтеза гликогена. То В результате гипергликемия является важным фактором в патогенезе резистентности к инсулину. Таким образом, высокая глюкозо-индуцированная печеночная недостаточность В настоящем исследовании использовалась модель клеток инсулинорезистентности. Под в условиях высокого уровня глюкозы инсулин не может активировать свою сигнальную путь, приводящий к инсулинорезистентному состоянию.Печеночный инсулин резистентность может быть определена путем измерения инсулин-опосредованного фосфорилирование AKT и GSK и уровни экспрессии гликогена. Настоящее исследование показало, что уровни фосфорилирования AKT и GSK были снижены с последующим нарушением синтеза гликогена, в клетках NCTC 1469 и первичных гепатоцитах мыши после воздействие 25 мМ глюкозы в течение 48 часов. Эти результаты показывают, что высокий уровень глюкозы вызывает снижение синтеза гликогена в гепатоциты за счет нарушения фосфорилирования AKT и ГСК.

    Для изучения механизмов, лежащих в основе высокого Индуцированное глюкозой снижение синтеза гликогена и нарушение фосфорилирование AKT и GSK в гепатоцитах, эффекты высоких исследовали уровни глюкозы на экспрессию миР-152. То результаты показали, что экспрессия миР-152 была подавляется в клетках NCTC 1469, обработанных 25 мМ глюкозой в течение 48 час Точно так же высокие уровни глюкозы подавляли экспрессию миР-152 в первичных гепатоцитах мыши. Эти данные свидетельствуют о том, что миР-152 участвует в резистентности к инсулину, индуцированной глюкозой.

    Ранее считалось, что миР-152 участвуют в различных карциномах. В желудочных и колоректальных рак, уровни экспрессии миР-152 были значительно ниже, так как по сравнению с соответствующими неопухолевыми соседними тканями (16). При холангиокарциноме интерлейкин-6 было показано, что он регулирует экспрессию миР-152, связывая таким образом ассоциированные с воспалением цитокины с онкогенезом в холангиокарцинома (17). Цурута и др. (18) сообщили, что Экспрессия миР-152 была снижена при раке эндометрия человека, в то время как восстановление экспрессии миР-152 в раковой клетке эндометрия линий было достаточно для ингибирования роста опухолевых клеток in vitro. и в естественных условиях.Кроме того, было установлено, что ДНМТ-1, Гены E2F3, MET и Rictor были кандидатами-мишенями miR-152, и данные также свидетельствуют о том, что эпигенетическое замалчивание может управлять канцерогенез эндометрия (18). DNMT-1 является наиболее распространенной метилтрансферазой в клетках млекопитающих. и функции в поддержании метилирования ДНК. Гиперметилирование промоторных CpG-островков и инактивация множественные гены-супрессоры опухоли распространены в карциномах, и способствуют росту опухоли. ДНМТ-1 играет роль в создании и регуляция тканеспецифических паттернов метилированного цитозина остатки (19,20).В раковых клетках снижена экспрессия miR-152 напрямую модулирует экспрессию DNMT-1 (21). Изменение метилирования ДНК модулирует экспрессию специфических онкогенов и опухолевых супрессоров гены, ведущие к росту карциномы (22,23). Однако участие миР-152 в метаболизме гликогена сохранялось. неясно. Чтобы прояснить это, ингибитор и миметик miR-152 были трансфицировали в клетки NCTC 1469 соответственно. Трансфекция Ингибитор миР-152 снижал выработку гликогена, что сопровождалось нарушением фосфорилирования AKT и GSK в клетках NCTC 1469 лечение с глюкозой или без нее.Напротив, активация миР-152 путем трансфекции миметика миР-152 может обратить вспять индуцированное глюкозой снижение синтеза гликогена и уменьшение АКТ и Фосфорилирование GSK в гепатоцитах. Эти данные свидетельствуют о том, что высокая уровень глюкозы снижает печеночный гликогенез путем подавления миРНК-152, которая модулирует путь AKT/GSK и, в свою очередь, приводит при резистентности к инсулину, таким образом, миР-152 и путь AKT-GSK могут действуют как новые терапевтические мишени в печеночном гликогенезе.

    Благодарности

    Это исследование было поддержано финансированием Национальная программа фундаментальных исследований Китая (грант No.2012CB517502) и Национальный фонд естественных наук Китая (грант No. 81270887 и 81070634).

    Каталожные номера

    1

    Мешкани Р. и Адели К. Печеночный инсулин резистентность, метаболический синдром и сердечно-сосудистые заболевания. Клин Биохим. 42:1331–1346. 2009. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    2

    Ширн К.Т., Фриц К.С., Рейган П. и Петерсен DR: Модификация Akt2 4-гидроксиноненалем ингибирует инсулинозависимая передача сигналов Akt в клетках HepG2.Биохимия. 50:3984–3996. 2011. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    3

    Хенриксен Э.Дж. и Доккен Б.Б.: Роль гликогенсинтаза киназа-3 при инсулинорезистентности и 2 типе диабет. Curr Цели наркотиков. 7:1435–1441. 2006. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    4

    Шиннер С., Шербаум В.А., Борнштейн С.Р. и Бартель А. Молекулярные механизмы резистентности к инсулину.Диабет Мед. 22:674–682. 2005. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    5

    Навано М., Оку А., Уэта К. и др.: Гипергликемия способствует резистентности к инсулину в печени и жировой ткани. ткани, но не скелетных мышц крыс ZDF. Am J Физиол Эндокринол Метаб. 278:E535–E543. 2000. PubMed/NCBI

    .

    6

    Рамачандран Д., Рой У., Гарг С. и др.: Экспрессия Sirt1 и mir-9 регулируется во время стимуляции глюкозой. секреция инсулина β-островками поджелудочной железы.FEBS J. 278: 1167–1174. 2011. PubMed/NCBI

    .

    7

    Джоглекар М.В., Парех В.С. и Хардикар А.А.: Специфичные для островков микроРНК в развитии, регенерации и диабет. Индийский J Exp Biol. 49:401–408. 2011. PubMed/NCBI

    .

    8

    Пой М.Н., Хауссер Дж., Трайковски М. и др.: миР-375 поддерживает нормальную массу альфа- и бета-клеток поджелудочной железы. Проц Национальная академия наук США. 106: 5813–5818.2009. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    9

    Kornfeld JW, Baitzel C, Könner AC, и др.: Сверхэкспрессия миР-802, вызванная ожирением, ухудшает уровень глюкозы метаболизм посредством молчания Hnf1b. Природа. 494: 111–115. 2013. Просмотр статьи : Академия Google : PubMed/NCBI

    10

    Чен И, Сун И, Ван Цзи и др.: Изменено экспрессия миР-148а и миР-152 при раке желудочно-кишечного тракта и его клиническое значение.J Gastrointest Surg. 14:1170–1179. 2010. Просмотр статьи : Академия Google : PubMed/NCBI

    11

    Zhang WY, Lee JJ, Kim Y и др.: Снижение резистентности к инсулину скополетином инсулинорезистентные клетки HepG2, индуцированные высоким уровнем глюкозы. Горм Метаб Рез. 42:930–935. 2010. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    12

    Накатани Ю., Кането Х., Кавамори Д. и др.: Модуляция пути JNK в печени влияет на резистентность к инсулину положение дел.Дж. Биол. Хим. 279:45803–45809. 2004. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    13

    Ramey G, Deschemin JC и Vaulont S: Взаимодействие между митоген-активируемой протеинкиназой и костью пути морфогенетических белков/гемоювелина необходимы для индукция гепсидина голотрансферрином у первичных мышей гепатоциты. Гематология. 94: 765–772. 2009. Просмотр статьи: Google Scholar

    14

    Мао И, Мохан Р, Чжан С и Тан Х: МикроРНК как фармакологические мишени при диабете.Фармакол рез. 75:37–47. 2013. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    15

    Накадзима К., Ямаути К., Шигемацу С. и др. al: Избирательное ослабление метаболической ветви рецептора инсулина подавление сигнала высоким уровнем глюкозы в клеточной линии гепатомы, HepG2 клетки. Дж. Биол. Хим. 275:20880–20886. 2000. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    16

    Чен И, Сун И, Ван Цзи и др.: Изменено экспрессия миР-148а и миР-152 при раке желудочно-кишечного тракта и его клиническое значение.J Gastrointest Surg. 14:1170–1179. 2010. Просмотр статьи : Академия Google : PubMed/NCBI

    17

    Бракони С., Хуан Н. и Патель Т.: МикроРНК-зависимая регуляция ДНК-метилтрансферазы-1 и опухоль Экспрессия генов-супрессоров интерлейкином-6 при злокачественных опухолях человека холангиоциты. Гепатология. 51:881–890. 2010. PubMed/NCBI

    .

    18

    Цурута Т., Козаки К., Уэсуги А. и др.: МиР-152 представляет собой микроРНК-супрессор опухоли, которая подавляется ДНК. гиперметилирование при раке эндометрия.Рак Рез. 71:6450–6462. 2011. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    19

    Хино Р., Уодзаки Х., Мураками Н. и др.: Активация ДНК-метилтрансферазы 1 латентной мембраной ВЭБ белок 2А приводит к гиперметилированию промотора гена PTEN в карцинома желудка. Рак Рез. 69: 2766–2774. 2009. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    20

    Кан МЮ, Ли ББ, Ким Ю Х и др.: Ассоциация гистонметилтрансферазы SUV39h2 с ДНК метилтрансферазы 1 на уровне экспрессии мРНК при первичном колоректальном рак.Инт Джей Рак. 121:2192–2197. 2007. Просмотр статьи: Google Scholar: PubMed/NCBI

    .

    21

    Ji W, Yang L, Yuan J и др.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.