Химия и обмен углеводов (стр. 5 из 8)
Таблица Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза
| Ферменты гликолиза | Ферменты глюконеогенеза |
| Гексокиназа | Глюкозо-6-фосфатаза |
| Фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1) | Фруктозо-1,6-дифосфатаза |
| Пируваткиназа | 1. Пируваткарбоксилаза2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа |
При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых” субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субстратом другого фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат первого фермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции. Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.
Принято считать начальным этапом глюконеогенеза реакции, идущие в обход пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа – объект влияния регуляторных систем, управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. Последний стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А. Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению глюконеогенеза.
Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа, представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием карбоксибиотина – активной форы СО2 в клетке. Продукт карбоксилирования – оксалоацетат занимает особое место в метаболизме митохондрий, где протекает данная реакция. Это важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии, высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.
После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции гликолиза. Из каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии фосфотриозоизомеразы превращается в ФДА и обе триозы под влиянием альдолазы конденсируются в фруктозо-1,6-дифосфат. Некоторое количество ФДА образуется путем окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола, поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой-1. Затем вновь следует реакция, обратная гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата и образующаяся свободная глюкоза может выходить из клетки.
Суммарная реакция синтеза молекулы глюкозы:
2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2НАДН + 2H+ + 6H2O→ Глюкоза + 2НАД+ + 4АДФ+ 2 ГДФ + 6 Фн +6H+
Таким образом, синтез одной молекулы глюкозы “обходится” клетке затратой шести макроэргов. 2 молекулы АТФ расходуются для активирования СО2, 2 молекулы ГТФ используются в фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции и 2 молекулы АТФ – для образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.
Глюконеогенез активируется в клетках печени во время голодания, после продолжительных физических упражнений, при употреблении пищи, богатой белками при низком содержании в ней углеводов и т.д.
Интенсивность процесса зависит от количества субстратов, и активности, и количества ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза.
Основными поставщиками субстратов для печени являются мышцы, эритроциты, жировая ткань. У последней довольно ограниченные возможности, поскольку только глицерол может использоваться для синтеза глюкозы, а это только около 6% от веса капельки жира.
Лактат, образующийся в результате работы мышц в анаэробных условиях или поступающий из эритроцитов, более значимый источник глюкозы. Наиболее важными источниками являются гликогенные аминокислоты, которые могут поступать с пищей, богатой белками или из мышц в условиях голодания.
Чтобы непрерывно снабжать глюкозой клетки, для которых она является основным источником энергии, но они не могут окислить ее полностью в силу отсутствия митохондрий (эритроциты) или из-за работы в анаэробных условиях, между печенью и этими клетками устанавливаются циклические процессы по обмену субстратами. Один из таких – цикл Кори: образующаяся в мышцах (эритроцитах) молочная кислота поступает в общий кровоток, захватывается печенью и используется ею в качестве субстрата глюконеогенеза; синтезируемая при этом глюкоза отдается в кровототок и метаболизируется мышцами или эритроцитами для получения энергии.
В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл протекает при условии потребления периферическими тканями кислорода и требует митохондрий. При употреблении пищи богатой белами или при голодании происходит довольно активный обмен между печенью и мышцами аланином и глюкозой. Аланин из мышц передается клеткам печени, где он переаминируется и ПВК используется для синтеза глюкозы. По мере необходимости глюкоза поступает в мышцы и окисляется до ПВК, а затем, путем переаминирования, превращается в аланин который может вновь повторить этот цикл. Энергетически это более выгодный путь, чем цикл Кори.
NB! Гликолиз и глюконеогенез – взаимосвязанные процессы
Условия, благоприятствующие глюконеогенезу, сопровождаются рядом изменений, оказывающих регулирующее влияние на ключевые ферменты гликолиза и глюконеогенеза. Эти изменения выражаются в следующем:
· увеличивается секреция глюкагона и снижается секреция инсулина поджелудочной железой, что способствует повышению содержания цАМФ в гепатоцитах;
· увеличивается секреция глюкокортикоидов и адреналина надпочечниками;
· усиливается мобилизация липидов из жировых депо, что способствует повышению уровня ацетил-КоА в клетках печени (усиливаются процессы b-окисления жирных кислот);
· повышается выход аминокислот из мышечной ткани (аланин и другие гликогенные аминокислоты).
Перечисленные изменения могут оказывать влияние на активность ферментов глюконеогенеза и гликолиза, а также менять их количество в клетках печени.
В начале параграфа уже было показано, что активность одного из ферментов гликолиза (пируваткиназы) ингибируется в условиях, благоприятствующих глюконеогенезу. Второй фермент, активно использующий ПВК в аэробных условиях – пируватдегидрогеназа, также ингибируется. Этому способствует повышение уровня ацетил-КоА – аллостерического ингибитора пируватдегидрогеназы и ее фосфорилирование протеинкиназаой А, которая активируется условиях благоприятстующих глюконеогенезу(повышение уровня цАМФ). Напротив, ацетил-КоА является аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы, и повышение количества ПВК в еще большей степени способствует усилению работы этого фермента – одного из ключевых ферментов глюконеогенеза.
Пируваткарбоксилаза катализирует образование оксалоацетата, который затем декарбоксилируется и фосфорилируется под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы с образованием фосфоенолпирувата. Повышение уровня цАМФ в гепатоцитах вызывает путем активирования факторов транскрипции протеинкиназами усиление синтеза фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Неактивное состояние пируваткиназы (см.выше) – условие предупреждения возможного холостого субстратного цикла на этом этапе глюконеогенеза.
Второй субстратный цикл на пути глюконеогенеза может возникнуть на этапе превращения фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат. Благодаря особой роли фруктозо-2,6-дифосфата этого удается избежать. Фруктозо-2,6-дифосфат – аллостерический активатор фосфофруктокиназы -1 –ключевого фермента гликолиза, синтезируется бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2 (ФФК-2). Один домен этого фермента проявляет 2-киназную активность, а другой – 2-фосфатазную. Протеинкиназа А, фосфорилируя ФФК-2, активирует ее фосфатазную активность, что ведет к распаду фруктозо-2,6-дифосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Снижение фруктозо-2,6-дифосфата вызывает торможение гликолитического направления в использовании фруктозо-1,6-дифосфата и усиливает глюконеогенез. Фруктозо-1,6-дифосфатаза относится к индуцируемым ферментам и при повышении цАМФ происходит усиление транскрипции ее генов.
Активности гексокиназы и глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: гексокиназа им ингибируется, а фермент глюконеогенеза (т.е.глюкозо-6-фосфатаза) активируется.
NB! В аэробных условиях ПВК окончательно окисляется
Цепь реакций аэробного распада глюкозы можно разделить на три основных этапа.
1. Дихотомический распад глюкозы до стадии ПВК, полностью совпадающий с реакциями гликолиза.