Обмен углеводов”, часть 2

Челночные механизмы

Рис. Глицеролфосфатный челнок

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы

Аэробный распад глюкозы не следует путать с аэробным гликолизом. Аэробный распад глюкозы это процесс полного распада глюкозы до СО₂ и Н₂О. И в этом процессе аэробный гликолиз представляет собой лишь первый этап:

Глюкоза

Глицеральдегид-3-фосфат

Пируват

Ацетил-КоА

СО₂ и Н₂О

Поскольку в результате подготовительной стадии гликолиза глюкоза окисляется с образованием 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата, начиная с глицеральдегид-3-фосфата вводим коэффициент 2.

При окислении 1 мол. ацетил-КоА до СО₂ и Н₂О (ЦЛК) образуется 3 молекулы НАДН·Н⁺, молекула ФАДН₂ и молекула ГТФ.

При окислении 1 мол. пирувата до ацетил-КоА образуется 1 мол. НАДН·Н⁺.

При окислении глицеральдегид-3-фосфата до пирувата образуется 2 молекулы АТФ (путем субстратного фосфорилирования) и молекула НАДН·Н⁺. Наконец, при окислении глюкозы в глицеральдегид-3-фосфат затрачивается 2 молекулы АТФ.

Итого, 38(40) – 2 = 36(38) молекул АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы.

Аэробный распад глюкозы может происходить во всех органах и тканях. В наибольшей зависимости от аэробного распада глюкозы находится мозг. Он расходует около 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% всего поступающего в организм кислорода потребляется мозгом (при том, что на долю мозга приходится лишь 2% массы тела). Поэтому как недостаток глюкозы, так и недостаток кислорода проявляют себя прежде всего симптомами со стороны ЦНС – головокружением, потерей сознания, судорогами.

Анаэробный гликолиз

В анаэробных условиях образовавшийся при гликолизе НАДН·Н⁺ реокисляется не за счет кислорода (который отсутствует), а за счет пирувата, восстанавливающегося в лактат:

Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов - М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.

Изомерные формы ЛДГ₁ и ЛДГ₂ обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ₃ - в поджелудочной железе, ЛДГ₄ и ЛДГ₅ в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ₅ быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ₁ катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.

Глюкоза + 2 АДФ + 2 H₃PO₄ = 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н₂О

Т.о. десять ферментов, превращающих глюкозу в пируват, совместно с ЛДГ способны обеспечить синтез АТФ в отсутствие кислорода. В анаэробных условиях АТФ образуется только за счет двух реакций субстратного фосфорилирования. В этих реакциях в расчете на 1 моль глюкозы образуется 4 моль АТФ. После вычитания 2 моль АТФ, потребляемых в подготовительной стадии, получаем чистый выход АТФ при гликолизе – 2 моль АТФ на 1 моль глюкозы.

Гликолиз у животных и человека протекает во многих типах клеток, но его значение для разных органов различно. В интенсивно работающих скелетных мышцах аэробный процесс не может обеспечить потребности мышц в энергии. В этих условиях резко усиливается анаэробный путь синтеза АТФ и в мышцах накапливается молочная кислота. Если после ночного сна концентрация лактата в крови составляет 1-2 ммоль/л, то после тяжелой мышечной работы может достигать 20 ммоль/л. Особенно большое значение анаэробный гликолиз имеет при кратковременной интенсивной работе продолжительностью от 30 секунд до 2,5 минут. При более продолжительной интенсивной мышечной работе скорость анаэробного гликолиза довольно быстро уменьшается, а аэробного процесса – возрастает. Через 4-5 минут бега (дистанция 1,5 км) энергия поставляется поровну аэробным и анаэробным процессами, а через 30 минут (10 км) – почти целиком аэробным процессом. В продолжение первой минуты работы благодаря анаэробному процессу достигается гораздо большая мощность, чем при дальнейшей работе. Следует отметить, что при длительной работе в аэробном процессе все в большей мере используется не глюкоза, а жирные кислоты.

Эритроциты вообще не имеют митохондрий, и их потребность в АТФ целиком удовлетворяется за счет анаэробного гликолиза. Интенсивный гликолиз характерен также для клеток злокачественных опухолей.

Глюконеогенез

Образование D-глюкозы из неуглеводных предшественников называется глюконеогенезом. Глюконеогенез протекает в основном в печени и значительно менее интенсивно – в корковом веществе почек и слизистой оболочке кишечника.

Механизм глюконеогенеза

Центральным путем глюконеогенеза является превращение пирувата в глюкозу. Т.о. глюконеогенез можно рассматривать как процесс обратный гликолизу. В гликолизе, однако, имеются три необратимые реакции (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная), которые по этой причине не могут использоваться в глюконеогенезе. В обход этих реакций в глюконеогенезе протекают реакции, катализируемые другими ферментами. Эти обходные реакции тоже необратимы, но идут в направлении синтеза глюкозы.

Первый обходной путь – образование фосфоенолпирувата из пирувата в обход пируваткиназной реакции. Катализируется двумя ферментами: пируваткарбоксилазой (Е₁) и фосфоенолпируваткарбокикиназой (Е₂):

Пируваткарбоксилаза – регуляторный фермент. В отсутствие ацетил-КоА, являющимся для нее положительным регулятором, она практически неактивна. Реакция протекает в митохондриях, куда пируват поступает с помощью пируваттранслоказы. Образовавшийся оксалоацетат не способен проникать через внутреннюю митохондриальную мембрану и поступать в цитоплазму, где протекают остальные реакции (в том числе вторая) глюконеогенеза. Поэтому он обратимо восстанавливается за счет НАДН·Н⁺ в малат под действием митохондриальной малатдегидрогеназы (МДГ):

Оксалоацетат + НАДН·Н⁺ ––––––––––→ малат + НАД⁺

Малат при участии специальной транспортной системы переходит из митохондрий в цитоплазму, где под действием цитоплазматической малатдегидрогеназы окисляется с образованием оксалоацетата:

малат + НАД⁺ ––––––––––→ оксалоацетат + НАДН·Н⁺

И, образовавшийся таким образом, оксалоацетат вступает в реакцию глюконеогенеза, катализируемую фосфоенолпируваткарбоксикиназой.

Второй обходной путь связан с образованием фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-дифосфата в обход фосфофруктокиназной реакции. Реакция катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой:

Третий обходной путь связан с образованием из глюкозо-6-фосфата свободной глюкозы в обход гексокиназной реакции. Реакция катализируется

глюкозо-6-фосфатазой:

Свободная глюкоза, образующаяся в результате реакции, поступает из печени в кровь.

Суммарное уравнение процесса:

2 пируват + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН·Н⁺ + 4 Н₂О → глюкоза + 4 АДФ + 2ГДФ + 6 Н₃РО₄ + 2 НАД⁺

Неуглеводные источники для глюконеогенеза

условно можно разделить на три группы:

1) вещества, способные превращаться в один из метаболитов гликолиза. Например, глицерин.

2) вещества, способные превращаться в пируват. Например, лактат.

3) вещества, способные превращаться в оксалоацетат. К ним относятся метаболиты ЦЛК.

Однако, главными источниками глюконеогенеза являются аминокислоты, превращающиеся в пируват или оксалоацетат. Аминокислоты, способные превращаться в глюкозу, называются гликогенными. К ним относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина.

Значение глюконеогенеза

1) В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться около 80 г глюкозы. Особенно важное значение глюконеогенез играет в обеспечении глюкозой мозга при недостатке углеводов в организме.

2) Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов.

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза в печени

Каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей необратимой реакцией глюконеогенеза составляет субстратные циклы. Эти циклы служат точками приложения регуляторных механизмов. Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и наоборот происходит при участии инсулина и глюкагона.

Направление реакций первого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении концентрация глюкозы в крови повышается (до10-20 ммоль/л). Активность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Кроме того, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы и ускоряет тем самым фосфорилирование глюкозы.

Направление реакций второго субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы 1 и фруктозо-1,6-дифосфатазы. Активность этих ферментов зависит от концентрации фруктозо-2,6-дифосфата. Фруктозо-2,6-дифосфат образуется путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии фосфофруктокиназы-2 (ФФК-2). ФФК-2 является бифункциональным ферментом, поскольку катализирует не только прямую, но и обратную реакцию (дефосфорилирования). Киназная активность проявляется, когда ФФК-2 находится в дефосфорилированной форме, которая характерна для абсорбтивного периода, когда инсулин-глюкагоновый индекс (ИГИ) высокий. При низком ИГИ, характерном для периода голодания, происходит фосфорилирование ФФК-2 и проявление ее фосфатазной активности, результатом чего является снижение количества фруктозо-2,6-дифосфата.

Фруктозо-2,6-дифосфат аллостерически активирует ФФК-1, фермент гликолиза, и одновременно ингибирует фруктозо-1,6-дифосфатазу, фермент глюконеогенеза. Поэтому при накоплении фруктозо-2,6-дифосфата происходит активация гликолиза и угнетение глюконеогенеза и наоборот, при снижении концентрации фруктозо-2,6-дифосфата происходит угнетение гликолиза и активация глюконеогенеза.

В регуляции третьего субстратного цикла основная роль принадлежит пируваткиназе, фосфорилированная форма которой неактивна, а дефосфорилированная активна.

Взаимосвязь гликолиза в мышцах и глюконеогенеза в печени (цикл Кори)

При выполнении кратковременной интенсивной работы, когда основным процессом, обеспечивающим работающие мышцы энергией, является анаэробный гликолиз, глюкоза, а затем и мышечный гликоген быстро расщепляются с образованием лактата. Лактат не подвергается в мышцах дальнейшим превращениям и диффундирует в кровь. В период восстановления лактат удаляется из крови печенью и превращается в глюкозу путем глюконеогенеза. Глюкоза поступает в кровь и далее в мышцы. Т.о. цикл замыкается. Этот цикл получил название глюкозо-лактатного цикла или цикла Кори.

Метаболизм гликогена

Гликоген представляет собой разветвленный полисахарид, мономером которого служит глюкоза. Остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидными связями, а в местах разветвления - α-1,6-гликозидными связями. Молекула гликогена более разветвлена, чем крахмал, точки ветвления встречаются через каждые 8-10 остатков глюкозы.

Гликоген – основной резервный полисахарид в клетках животных. Гликоген плохо растворим в воде и не влияет на осмотическое давление в клетке, поэтому в клетке депонируется гликоген, а не свободная глюкоза.

Гликоген депонируется главным образом в печени и скелетных мышцах, запасаясь в цитозоле клеток в форме гранул. С гранулами связаны и ферменты, участвующие в обмене гликогена. Синтез и распад гликогена протекают разными метаболическими путями.

Гликогенолиз

Мобилизация гликогена происходит в основном в период между приемами пищи и ускоряется во время физической работы.

Этот процесс происходит в результате действия ключевого фермента гликогенолиза гликогенфосфорилазы, которая катализирует реакцию:

(глюкоза)_n + Н₃РО₄ ¾® (глюкоза)_n-1 + глюкозо-1-фосфат

Реакция практически необратима. Поскольку в результате реакции глюкоза образуется в фосфорилированной форме, данный процесс распада гликогена называется фосфоролитическим. Гликогенфосфорилаза катализирует расщепление только концевых a-1,4-гликозидных связей в боковых цепях гликогена. Поскольку участки разветвления гликогена для гликогенфосфорилазы не доступны (она не действует на a-1,6-гликозидные связи), на полисахарид в этом случае действует другой фермент – a-1,6-гликозидаза, катализируя гидролитическое расщепление a-1,6-связи в точке ветвления с образованием одной молекулы D-глюкозы и открывая для действия гликогенфосфорилазы новый участок цепи гликогена.

Образовавшийся под действием гликогенфосфорилазы глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат (метаболит гликолиза) под действием фермента фосфоглюкомутазы.

Распад гликогена в печени и мышцах имеет одну различающую их реакцию, обусловленную наличием в печени фермента глюкозо-6-фосфатазы. Присутствие в печени этого фермента обусловливает главную функцию гликогена печени – освобождение глюкозы в кровь в период между приемами пищи. Т.о. мобилизация гликогена печени обеспечивает поддержание уровня глюкозы в крови на постоянном уровне. Через 10-18 ч после приема пищи запасы гликогена в печени значительно истощаются, а голодание в течение 24 ч приводит к полному его исчезновению.

Функция мышечного гликогена заключается в высвобождении глюкозо-6-фосфата, используемого в самой мышце для окисления и получения энергии.

Синтез гликогена

Гликоген синтезируется практически во всех тканях, особенно активно в печени и скелетных мышцах. Синтез происходит в период пищеварения, спустя 1-2 ч после приема углеводной пищи. Синтез гликогена требует энергии. При включении одного мономера в полисахаридную цепь протекают 2 реакции, сопряженные с расходованием АТФ и УТФ.

Перенос глюкозильных групп от УДФ-глюкозы на нередуцирующий конец разветвленной молекулы гликогена катализируется ферментом гликогенсинтазой. При этом образуется новая a-1,4-гликозидная связь. Образование a-1,6-связей, находящихся в точках ветвления цепей гликогена, гликогенсинтаза не способна. Эти связи образует специальный «ветвящий» фермент путем переноса коротких фрагментов (из 6-7 остатков глюкозы) с одного участка гликогена на другой с образованием a-1,6-гликозидных связей. Таким образом, наращивание молекулы гликогена осуществляется путем чередования действия этих двух ферментов.

Регуляция депонирования и мобилизации гликогена

Переключение процессов синтеза и мобилизации гликогена в печени происходит при переходе состояния пищеварения в постабсорбтивный период или состояния покоя на режим мышечной работы. В переключении этих метаболических путей в печени участвуют гормоны инсулин, глюкагон и адреналин, а в мышцах – инсулин и адреналин.

Влияние этих гормонов на синтез и распад гликогена реализуется на уровне ключевых ферментов - гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы – и осуществляется путем их фосфорилирования и дефосфорилирования.

Первичным сигналом для синтеза инсулина и глюкагона является изменение концентрации глюкозы в крови. Инсулин и глюкагон постоянно присутствуют в крови, но при переходе из абсорбтивного состояния в постабсорбтивное изменяется их относительная концентрация – инсулин-глюкагоновый индекс (ИГИ). Т.о., главным переключающим фактором в печени является инсулин ИГИ.

В постабсорбтивном периоде ИГИ снижается и решающим фактором является влияние глюкагона, который стимулирует распад гликогена в печени. Механизм действия глюкагона включает каскад реакций, приводящий к активации гликогенфосфорилазы:

аденилатциклаза (неакт)

гормон® ¯ АТФ

аденилатциклаза (акт) ® ¯ ПК А (неакт)

цАМФ® ¯ киназа фосфорилазы (неакт)

ПК А (акт)® ¯ фосфорилаза В

киназа фосфорилазы (акт)® ¯ гликоген

фосфорилаза А→ ↓

глюкозо-1-Ф

В период пищеварения преобладающим является влияние инсулина, т.к. ИГИ в этом случае повышается. Под влиянием инсулина происходит:

а) стимуляция транспорта глюкозы в клетки мышечной ткани.

б) изменение количества некоторых ферментов путем индукции и репрессии их синтеза. Например, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы, ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы в печени.

в) изменение активности ферментов путем фосфорилирования и дефосфорилирования. Инсулин снижает содержание цАМФ в клетке (а значит и цАМФ-зависимое фосфорилирование) путем активации фосфодиэстеразы – фермента, гидролизующего цАМФ, с одной стороны. С другой стороны, он активирует фосфатазу гликогенсинтазы. Последняя дефосфорилируется и переходит в активное состояние.

Пентозофосфатный путь превращений глюкозы

ПФП является альтернативным путем окисления глюкозы. Он не приводит к синтезу АТФ, но поставляет клеткам кофермент НАДФН·Н⁺, а также обеспечивает клетки рибозой. НАДФН·Н⁺, использующийся как донор водорода в реакциях восстановления, участвует в реакциях биосинтеза жирных кислот и холестерина, а также в реакциях гидроксилирования, играющих важную роль в функционировании микросомальной цепи обезвреживания чужеродных веществ. Рибоза участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот, а также аминокислоты гистидина.

ПФП может функционировать в печени, жировой ткани, молочной железе, коре надпочечников, эритроцитах и органах, где активно протекают восстановительные синтезы, например синтез жирных кислот. Все ферменты ПФП локализованы в цитозоле.

Химизм

1 реакция: дегидрирование глюкозо-6-фосфата

Реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, ключевой фермент пентозофосфатного цикла. Образовавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконолактон - соединение нестабильное, которое спонтанно, либо под действием специфической лактоназы гидролизуется.

2 реакция: гидролиз 6-фосфоглюконолактона с образованием 6-фосфоглюконата. Равновесие суммарной реакции сильно смещено в сторону образования НАДФ·Н⁺.

3 реакция: дегидрирование и декарбоксилирование 6-фосфоглюконата с образованием рибулозо-5-фосфата.

Превращение глюкозо-6-фосфата до рибулозо-5-фосфата принято называть окислительной фазой пентозофосфатного цикла. Фаза от рибулозо-5-фосфата до образования вновь глюкозо-6-фосфата называется неокислительной или анаэробной фазой этого цикла.

4 реакция: изомеризация пентозофосфатов. Рибулозо-5-фосфат под действием ферментов рибозофосфатизомеразы и рибулозо-5-фосфат-3-эпимеразы может обратимо изомеризоваться в другие пентозы: рибозо-5-фосфат, ксилулозо-5-фосфат.

В некоторых случаях ПФП на этом заканчивается. И тогда суммарное уравнение реакции выглядит так:

глюкозо-6-фосфат + Н₂О + 2НАДФ⁺ ® рибозо-5-фосфат + 2НАДФН·Н⁺ +СО₂

Однако многие клетки нуждаются в большем количестве НАДФН·Н⁺ (для восстановительных синтезов), чем требуется рибозо-5-фосфата (для включения в нуклеотиды). В таких случаях рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат под действием двух ферментов: транскетолазы и трансальдолазы. Эти ферменты создают обратимую связь между ПФП и гликолизом, катализируя следующие реакции:

5) ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат ® седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат

6) седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат ® эритрозо-4-фосфат + фруктозо-6-фосфат*

7) ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат ® фруктозо-6-фосфат* + глицеральдегид-3-фосфат*

Суммируя эти реакции, получаем: 2 ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат ® 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат

Итак, избыток рибозо-5-фосфата, образованный в ПФП, может превращаться в метаболиты гликолиза.

Метаболизм фруктозы

Фруктоза, поступающая в организм человека, образуется либо при гидролизе сахарозы, либо поступает в составе растений, являясь их основным сахаром. У здорового человека фруктоза может превращаться по двум путям: 1) под действием гексокиназы (в печени, мышцах, почках, жировой ткани) образуется фруктозо-6-фосфат. Однако, сродство этого фермента к фруктозе гораздо ниже, чем к глюкозе, поэтому в присутствии глюкозы реакция фосфорилирования фруктозы протекает с низкой скоростью; 2) под действием фруктокиназы (в печени, почках и кишечнике) образуется фруктозо-1-фосфат. Фермент обладает высоким сродством к своему субстрату и в присутствии глюкозы становится основным путем метаболизма фруктозы.

Фруктоза включается в гликолиз на стадии триозофосфатов.

Е₁ – фруктокиназа

Е₂ – фруктозо-1-фосфатальдолаза

Е₃ - триозофосфатизомераза

Расщепление фруктозы по пути гликолиза происходит быстрее, чем глюкозы, т.к. минуется стадия, катализируемая фосфофруктокиназой-I.

Метаболизм фруктозы в сперматозоидах

Фруктоза является основным источником энергии для сперматозоидов. Она образуется в семенных пузырьках из глюкозы в результате 2-х последовательных реакций:

1)D-глюкозы + НАДФН·Н⁺ ® D-сорбитол + НАДФ⁺

реакция катализируется сорбитолдегидрогеназой.

2) D-сорбитол + НАД⁺ ® D-фруктоза + НАДН·Н⁺

реакция катализируется сорбитолдегидрогеназой.

Концентрация фруктозы в семенной жидкости может достигать 10 мМ.

Метаболизм галактозы

Галактоза, поступающая в организм человека, образуется при гидролизе лактозы (молочного сахара). Галактоза включается в метаболизм путем превращения в глюкозо-1-фосфат.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат после превращения в глюкозо-6-фосфат подключается к основным путям метаболизма глюкозы.