Гликогенолиз. Ферменты гликолиза. Хусаинов Искандер Казань, КГУ, 2010

Гликогенолиз.
Ферменты гликолиза.
Хусаинов Искандер
Казань, КГУ, 2010
CH 2OH
CH 2OH
O
H
H
OH
H
H
OH
H
O
OH
CH 2OH
H
H
H
H
O
OH
H
H
OH
H
H
OH
CH2OH
O
H
OH
O
H
OH
O
H
OH
H
H
H
H
O
OH
4
Гликоген
H
1
O
6 CH2
5
H
OH
3
H
CH2OH
O
H
2
OH
O
H
H
H
4 OH
1
CH 2OH
O
H
H
O
O
H
H
OH
H
OH
H
H
OH
H
OH
Гликоген – полимер из остатков глюкозы, соединенных
 a(14) гликозидной связью в линейных областях
 a(16) гликозидной связью в областях ветвления
Глюкоза запасается в виде гликогена преимущественно в
клетках печени и мышц.
www.wikipedia.ru
Гликогенолиз –
Процесс расщепления
гликогена до глюкозы,
направленный на
поддержание
постоянной концентрации
глюкозы в крови
Гликоген
фосфорилиза
• Расщепление α(14)
•
Гликоген
фосфорилаза
гликозидных связей
• Расщепление
последних трех α(14) • Глюкозидаза
и одной α(16)
гликозидной связи
• Превращение глокозо1-фосфата в глюкозо-6- • Фосфоглюкомутаза
фосфат
ΔG0’ = +0.73 ккал/моль
Ленинджер, Основы биохимии, «МИР» 1985
Гликоген фосфорилаза
(EC 2.4.1.1) –
гомодимерный фермент,
переход между активной и
неактивной формами
которого регулируется
аллостерическим путем.
•
•
•
•
ПРФ
Коферменты:
Пиродоксаль фосфат
GlcNAc
Активаторы:
Адреналин
Ингибиторы:
Хлороиндол-карбоксамид (аллостерический)
N-ацетилглюкозамином (конкурентный)
GlcNAc
Хлороиндол
карбоксамид
ПРФ
Joyce J. Diwan 1999-2007
Фн встраивается между фосфатной группой пиридоксаль фосфата и
кислородом, формирующим гликозидную связь терминального остатка
глюкозы.
Enz
лизин
( CH2 )4
H
H 3N
-
+
C
CH2
CH2
CH2
CH2
+
NH3
N+
COO
O-
-O
P
O
HC
H2
C
H
O
-
O
+
N
H
CH3
Связи, удерживающие
ПРФ в молекуле фермента
Joyce J. Diwan 1999-2007
ПРФ удерживается в активном центре связями, образованными
реакцией между альдегидом ПРФ и e-амино группой лизина
Гликоген(n)
Гликоген(n-1)
(~Ф)
Фн
Глюкоза
ПРФ
Г-1-Ф
Н+
Н+
Неорганический фосфор отдает протон в процессе
расщепления терминальной α(14) гликозидной связи.
Зетем получает протон от фосфатной группировки ПРФ.
ПРФ возвращает себе протон после присоединения
фосфатной группы к С1 атому глюкозы.
Enzyme-Ser-OPO32
-
CH2OH
H
O
H
OH
H
OH
H
H
Глюкозо-1-фосфат
Joyce J. Diwan 1999-2007
H
-
OPO32
OH
Enzyme-Ser-OPO32
Enzyme-Ser-OH
CH2OPO32
O
H
H
OH
-
OH
H
H
H
-
OPO32
OH
CH2OPO32
O
H
H
OH
-
H
OH
OH
H
Глюкозо-1,6-дифосфат
-
OH
Глюкозо-6-фосфат
ΔG0’ = –1.74 ккал/моль
Фосфоглюкомутаза (ФГМ) катализирует обратимую
реакцию превращения глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6фосфат.
ОН-группа серина в активном центре фермента отдает и
принимает фосфатную группу
Кофермент: Глюкозо-1,6-дифосфат
ФГМ способен к взаимопревращению активной и
неактивной форм
Мышечный гликоген – регулируется с
помощью АМФ, АТФ и глюкозо-6-фосфата.
 АМФ активирует фосфорилазу, способствуя
формированию активной конформации
 АТФ и глюкоза-6-фосфат, ингибируют
фосфорилазу, способствуя формированию
неактивной конформации
Гормоны глюкагон и эпинефрин активируют G-белокассоциированные рецепторы и запускают цАМФ
каскад
 Оба гормона секретируются в ответ на низкое
содержание глюкозы в крови
 Глюкагон, который синтезируется a-клетками
поджелудочной железы, активирует
образование цАМФ в печени
 Эпинефрин активирует образование цАМФ в
мышцах
Сигнальный
каскад
реакций
активации
гликоген
фосфорилазы
Гормон (эпинефрин или глюкагон)
G-белок (Gα-ГТФ)
Аденилат циклаза
(неактивный)
Аденилат циклаза
(активная)
катализ
АТФ
цАМФ + ФФн
Активация
Фосфодиэстераза
АМФ
Протеин киназа А
(неактивная)
Протеин киназа A
(активная)
АТФ
АДФ
Киназа фосфорилазы
(b-неактивная)
Phosphatase
Киназа фосфорилазы (Ф)
(а-активная)
АТФ
Фн
АДФ
Фосфорилаза
(b-аллостерич.)
Фосфорилаза ( P)
(a-активная)
Фосфатаза
Фн
Joyce J. Diwan 1999-2007
Гликоген
(C6H10O6)n
(C6H10O6)n-1
(16)Глюкозидаза
(14)Гликоген фосфорилаза
H3PO4
Глюкозо-1-фосфат
Фосфотаза фосфорилазы
ГФ a
(актив.)
АТФ
Киназа фосфорилазы
АМФ
ГФ
b
(неактив.)
адреналин
Кофермент: пиридоксаль фосфат
Фосфоглюкомутаза
Активная  Неактивная
Кофермент:
глюкозо-1,6-дифосфат
Глюкозо-6-фосфат
Гликолиз
Глюкозо-6-фосфатаза
Гексокиназа
Глюкоза
Кровь
Печен
ь
Глюкоза
АТФ
Гексокиназа
АДФ
Глюкозо-6-фосфат
Гликолиз
Фосфоглюкоизомераза
Фруктозо-6-фосфат
АТФ
Фосфофруктокиназа
АДФ
Фруктозо-1,6-дифосфат
Альдолаза
Глицеральдегид-3-фосфат + Дигидроксиацетон-3-фосфат
Триозофосфат изомераза
Joyce J. Diwan 1999-2007
Глицеральдегид-3-фосфат
+
NAD + Фн
Глицеральдегид-3-фосфат
+
дегидрогеназа
NADH + H
1,3-дифосфоглицерат
АДФ
Фосфоглицерат киназа
АТФ
3-фосфоглицерат
Фосфоглицерат мутаза
2-фосфоглицерат
Енолаза
H2 O
фосфоенолпируват
АДФ
Пируват киназа
АТФ
Пируват
Joyce J. Diwan 1999-2007
Функция:
 обеспечение захвата глюкозы (даже при низких
концентрациях ее в крови)
 поддержание градиента концентрации глюкозы
между кровью и внутриклеточной средой
Субстраты:
 Гексозы (но высокая специфичность специфична к
глюкозе)
6 C H2OH
5
H
4
Ингибитор:
 Глюкозо-6-фосфат
OH
H
OH
3
H
6 C H OPO 2-
АТФАДФ
O
H
H
1
2
OH
OH
5
H
4
Mg
2+
OH
Гексокиназа
Глюкоза
Донор фосфата:
 ATP в виде комплекса Mg-ATP
www.pdb.org
2
3
O
H
OH
3
H
H
2
H
1
OH
OH
Глюкоза-6-фосфат
Индуцированное соответствие
Присоединие глюкозы к гексокиназе
стабилизирует конформацию, в которой:
глюкоза
 С6 гидроксил глюкозы
расположен близко к концевой
фосфатной группе АТФ, что
способствует катализу.
Гексокиназа
 Вода вытеснена из активного
центра, что предотвращает
гидролиз АТФ
www.pdb.org
• Механизм действия
фермента основан на
кислотно-основном
катализе в котором
последовательно
происходит открытия
кольца, изомеризации
через интермедиат, и
закрытия кольца.
6 CH OPO 22
3
5
O
H
4
OH
H
OH
3
H
H
2
OH
H
1
OH
6 CH OPO 22
3
1CH2OH
O
5
H
H
4
OH
HO
2
3 OH
H
Phosphoglucose Isomerase
glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
www.pdb.org
 Это тетрамерный фермент, существующий поочерёдно в
двух конформационных состояниях (R – relax, активная и
T – tense, неактивная)
Субстраты:
 АТФ (связывается в T-конформации). Для связывания с
АТФ фермент имеет по 2 центра связывания в каждой
субъединице: субстратный сайт и сайт ингибирования
 Фруктозо-6-фосфат (связывается в
R-конформации)
Phosphofructokinase
6 CH OPO 22
3
O
5
H
H
4
OH
6 CH OPO 22
3
1CH2OH
O
ATP ADP
HO
2
3 OH
H
fructose-6-phosphate
5
Mg2+
1CH2OPO32-
H
H
4
OH
HO
2
3 OH
H
fructose-1,6-bisphosphate
www.pdb.org
Функции:
 играет главную роль в
регуляции скорости гликолиза
Отрицательный модулятор:
 АТФ
Положительные модуляторы:
 АМФ, Глюкозо-2,6-дифосфат
ФФК-2/Ф-2,6-дФ
(фосфофруктокиназа-2
или фруктозо-2,6-дифосфатаза):
www.pdb.org
Регулирует активность ФФК
Помимо гликолиза, регулирует процессы
гликонеогенеза и глюкогенолиза
Остаток лизина в активном
центре фермента
взаимодействует с кетогруппой фруктозо-1,6
дифосфата.
Через стадию образования
интермедиата происходит
разрыв связи между С3 и
С4 атомами Ф-1,6-дФ
1CH2OPO3
lysine
H
H3N+
C
CH2
COO-
2C
O
HO 3C
H 4C
H
H
5
C
H
Aldolase
OH
6CH2OPO3
fructose-1,6bisphosphate
CH2
CH2
NH3
www.pdb.org
CH2OPO323
2C
OH
CH2
+
2-
O
+
1CH2OH
2-
dihydroxyacetone
phosphate
O
1C
H 2C OH
23 CH2OPO3
glyceraldehyde-3phosphate
Triosephosphate Isomerase





Функция:
Изомеризация триозофосфатных соединений
Особенности структуры:
αβ полость, 8 параллельных β-структур внутри и 8
α-спиралей снаружи.
Сустраты:
Фосфорилированные триозы
Ингибитор:
2-фосфогликолат
1CH2OPO3
2C
HO 3C
H 4C
H
5
C
2-
O
H
H
Aldolase
OH
fructose-1,6bisphosphate
CH2OPO3
2C
OH
6CH2OPO3
3
O
2-
+
1CH2OH
2-
dihydroxyacetone
phosphate
O
1C
H 2C OH
23 CH2OPO3
glyceraldehyde-3phosphate
Triosephosphate Isomerase
www.pdb.org
Glyceraldehyde-3-phosphate
Dehydrogenase
H
• Фермент состоит из четырех идентичных
полипептидов, образующих тетрамер.
Каждый полипептид содержит по четыре SH-группы, принадлежащие остаткам
цистеина
O
NAD
1C
H
2
C
OH
3 CH2OPO3
+ Pi
OPO32+ H+ O
NADH
1C
H
2-
glyceraldehyde3-phosphate
Цистеин тиол в активном центре фермента реагирует
с альдегидной группой глицеральдегид-3-фосфата
с образованием интермедиата хемиацеталя
www.pdb.org
+
C
2
OH
3 CH2OPO3
2-
1,3-bisphosphoglycerate
H
H3N+
C
COO-
CH2
SH
cysteine
Enz-Cys
O
SH
OH
HC
Enz-Cys
S
CH
OH
OH
CH
CH
CH2OPO3
glyceraldehyde-3phosphate
CH2OPO32-
thiohemiacetal
intermediate
NAD +
NADH
Enz-Cys
S
O
OH
C
CH
CH2OPO32-
acyl-thioester
intermediate
Pi
Enz-Cys
2-
SH
2-
O3PO
O
OH
C
CH
CH2OPO32-
1,3-bisphosphoglycerate
Joyce J. Diwan 1999-2007
Окисление до
карбоновой
кислоты вызывает
восстановление
NAD+ до NADH
Фосфоглицераткиназа EC 2.7.2.3
Phosphoglycerate Kinase
O-
OPO32- ADP ATP O
O
1C
H 2C OH
23 CH2OPO3
C
1
Mg2+
1,3-bisphosphoglycerate
H 2C OH
23 CH2OPO3
3-phosphoglycerate
• Работает по механизму
индуцированного
соответствия, подобно
гексокиназе
www.pdb.org
histidine
H
H3N+
COO-
C
Гистидиновые остатки в активном
центре фермента участвуют в
транспорте неорганического фосфата
путем отдачи и присоединения фосфата.
Интермедиатом данного
процесса является 2,3-дифосфат.
CH2
C
HN
CH
HC
NH
+
Phosphoglycerate Mutase
O-
O
C
1
O-
O
C
1
H 2C OH
23 CH2OPO3
H 2C OPO323 CH2OH
3-phosphoglycerate
2-phosphoglycerate
O-
O
C
1
H 2C OPO3223 CH2OPO3
2,3-bisphosphoglycerate
www.pdb.org
• Енолаза ингибируется ионами фторида
• Нуждается в ионах Mg2+ или Mn2+. Ионы магния способствуют
стабилизации енолат-аниона интермедиата реакции
Enolase
O-
O
C
1
H 2 C OPO323 CH2OH
H+
-
O-
O
C
C
OH-
O-
O
1
OPO32-
CH2OH
C
2C
OPO32-
3 CH2
2-phosphoglycerate enolate intermediate phosphoenolpyruvate
www.pdb.org
Pyruvate Kinase
• Печёночная пируваткиназа
– Регуляция:
O
O
-
C
1
C
2
ADP ATP
O-
O
C
1
OPO32-
3 CH2
• 1. изменение экспрессии генов
phosphoenolpyruvate
• 2. фосфорилирование /
дефосфорилирование
• 3. аллостерические регуляторы:
C
2
O
3 CH3
pyruvate
 Ингибиторы: АТФ, Ацетил-КоА
 Активатор: фруктозо-1,6-дифосфат
• М-тип пируваткиназы
• Мышечная пируваткиназа
www.pdb.org
Глюкоза
АТФ
Гексокиназа
АДФ
Глюкозо-6-фосфат
Гликолиз
Фосфоглюкоизомераза
Фруктозо-6-фосфат
АТФ
Фосфофруктокиназа
АДФ
Фруктозо-1,6-дифосфат
Альдолаза
Глицеральдегид-3-фосфат + Дигидроксиацетон-3-фосфат
Триозофосфат изомераза
Joyce J. Diwan 1999-2007
Глицеральдегид-3-фосфат
+
NAD + Фн
Глицеральдегид-3-фосфат
+
дегидрогеназа
NADH + H
1,3-дифосфоглицерат
АДФ
Фосфоглицерат киназа
АТФ
3-фосфоглицерат
Фосфоглицерат мутаза
2-фосфоглицерат
Енолаза
H2 O
фосфоенолпируват
АДФ
Пируват киназа
АТФ
Пируват
Joyce J. Diwan 1999-2007