Значение глюконеогенеза. Образование углеводов из белков и жиров. Регуляция глюконеогенеза. Обход десятой реакции гликолиза

Глюконеогенез - это процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. У млекопитающих эту функцию выполняет в основном печень , в меньшей мере - почки и клетки слизистой кишечника . Главными суб­стратами глюконеогенеза являютсяпируват, лактат, глицерин, аминокислоты (рис.10).

Рисунок 10

Глюконеогенез обеспечивает потребности орга­низма в глюкозе в тех случаях, когда диета содержит недостаточное количество углеводов (физическая нагрузка, голодание). Постоянное поступление глюкозы особенно необходимо для нервной системы и эри­троцитов. При понижении концентрации глюкозы в крови ниже определенного критического уровня нарушается функционирование мозга; при тяжелой гипогликемии возникает коматозное состояние и мо­жет наступить летальный исход.

Запасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребностей в глюкозе в период между приемами пищи. При углеводном или полном голодании, а также в условиях длительной физической работы концентрация глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. На рисунке показаны пункты включения первичных субстратов в глюконеогенез:

Глюкоза необходи­ма для жировой ткани как источник глицерола, входящего в состав глицеридов; она играет существенную роль в поддержании эффек­тивных концентраций метаболитов цикла лимон­ной кислоты во многих тканях. Даже в условиях, когда большая часть потребностей организма в калориях обеспечивается за счет жира, всегда сохраняется определенная потребность в глю­козе. Кроме того, глюкоза служит единственным ви­дом топлива для работы скелетной мышцы в анаэробных условиях. Она является предшествен­ником молочного сахара (лактозы) в молочных же­лезах и активно потребляется плодом в период раз­вития. Механизм глю­конеогенеза используется для удаления из крови продуктов тканевого метаболизма, например лактата, образующегося в мышцах и эритроцитах, глицерола, непрерывно образующегося в жировой ткани

Включение различных субстратов в глюконео­генез зависит от физиологического состояния орга­низма. Лактат является продуктом анаэробного гликоли­за в эритроцитах и работающих мышцах. Глицерин высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в постабсорбтивный период или при физической нагрузке. Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков.

Семь реакций гликолиза легко обратимы и используются в глюконеогенезе. Но три киназные реакции необратимы и должны шунтироваться (рис. 12). Так, фруктозо-1,6-дифосфат и глюкозо-6-фосфат дефосфорилируются специфическими фосфатазами, а пируват фосфорилируется до образования фосфоенолпирувата посредством двух промежуточных стадий через оксалоацетат. Образование оксалоацетата катализируется пируваткарбоксилазой. Этот фермент содержит в качестве кофермента биотин. Оксалоацетат образуется в митохондриях, транспортируется в цитозоль и включается в глюконеогенез. Следует обратить внимание на то, что каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей необратимой реакцией глюконеогенеза составляют цикл, называемый субстратным:

Рисунок 12

Таких циклов существует три - соответственно трем необратимым реакциям. Эти циклы служат точками приложения регуляторных механизмов , в результате чего изменяется поток метаболитов либо по пути распада глюкозы, либо по пути ее синтеза.

Направление реакцийпервого субстратного цик­ла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении концентрация глюко­зы в крови повышается. Актив­ность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется гликолитическая реак­цияглюкоза ® глюкозо-6-фосфат. Кроме того, инсу­лин индуцирует синтез глюкокиназы и ускоряет тем самым фосфорилирование глюкозы. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата направляется по гликолитическому пути.

Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу катализируется другой специфической фосфатазой-глюкозо-6-фосфатазой. Она присутствует в пе­чени и почках, но отсутствует в мышцах и жировой ткани. Наличие этого фермента позволяет ткани по­ставлять глюкозу в кровь.

Распад гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата осуществляется фосфорилазой. Синтез гликогена идет по совершенно другому пути, через образование уридиндифосфатглюкозы, и катализи­руетсягликогенсинтазой .

Второй субстратный цик­л: превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат, катализи­руется специфическим ферментомфруктозо-1,6-бисфосфатазой. Этот фермент имеется в печени и почках, он был также обнаружен в поперечнополосатых мышцах.

Направление реакцийвторого субстратного цик­ла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. Активность этих ферментов зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата.

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии би­функционального фермента (БИФ), который ка­тализирует также и обратную реакцию.

Киназная активность проявляется, когда бифунк­циональный фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода, когда инсулин-глюкагоновый индекс высокий.

При низком инсулин-глюкагоновом индексе, ха­рактерном для периода длительного голодания, происходят фосфорилирование БИФ и проявление его фосфатазной активности, результатом чего яв­ляются снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата, замедление гликолиза и переключение на глюконеогенез.

Киназная и фосфатазная реакции катализируют­ся разными активными центрами БИФ, но в каждом из двух состояний фермента - фосфорилиро-ванном и дефосфорилированном - один из актив­ных центров ингибирован.

Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Организм может синтезировать глюкозу соединений, способных предварительно превратиться в пируват, т.е. из большинства аминокислот и лактата, поступающих в кровь из работающих мышц. Глюкоза не может быть синтезирована из ацетил-КоА и жирных кислот.

Наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе). Глюконеогенез позволяет сохранить энергию превращений в виде гликогена, а также способствует поддержанию уровня глюкозы в крови в пределах нормы при голодании (что особенно важно для нормальной работы мозга), в период интенсивной физической работы.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только три реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глюконеогенеза на 3-х этапах используются другие ферменты (рис.37).

Рис. 37. Гликолиз и глюконеогенез

Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Сначала пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО 2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата:

Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Первый этап синтеза протекает в митохондриях. Пируваткарбоксилаза, катализирующая эту реакцию, является аллостерическим митохондриальным ферментом. В качестве аллостерического активатора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же, в митохондриях, восстанавливается в малат:

Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Оксалоацетат восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрий через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД + очень мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы:

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле клетки.

Превращение фруктозо-1,6-бифосфата в фруктозо-6-фосфат . Фосфоенолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бифосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой реакции. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:

Фруктозо-1,6-бифосфат + НО 2 ® Фруктозо-6-фосфат + Р i

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фосфатазы:

Глюкозо-1,6-фосфат + НО 2 ® Глюкоза + Р i

Регуляция глюконеогенеза . Важным моментом в регуляции глюконеогенеза является пируваткарбоксилазная реакция. В отсутствии ацетил-КоА, выполняющего функцию аллостерического активатора пируваткарбоксилазы, фермент почти полностью лишен активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Одновременно ацетил-КоА является ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса. Следовательно, накопление ацетил-КоА замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также способствует превращению последнего в глюкозу.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бифосфотазой – ферментом, который ингибируется АМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофруктокиназу, т.е. для этого фермента он является аллостерическим активатором. При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина отношения АТФ/АМФ мала, в клетке наблюдается расщепление глюкозы.

И печени. В периоды между приемами пищи, длительного голодания или интенсивных физических нагрузок запас глюкозы может исчерпываться, поэтому существует метаболический путь глюконеогенеза, что обеспечивает ее образования из неуглеводородных предшественников, таких как пируват и близкие трех-или чотирикарбонови соединения. Глюконеогенез является энергозатратной процессом.

Метаболический путь глюконеогенеза присутствует у представителей всех основных групп живой природы: бактерий , архебактреий , растений , грибов и животных . Реакции глюконеогенеза одинаковы у всех организмов во всех тканях, но может отличаться его метаболический контекст.

Глюконеогенез обеспечивает синтез глюкозы из пирувата, а гликолиз наоборот - расщепление глюкозы до пирувата, однако глюконеогенез не является обратной копией гликолиза, хотя многие реакций (семь из десяти) являются общими для обоих путей. Три реакции гликолиза очень екзергоничнимы (т.е. имеют большую отрицательную смену свободной энергии) и необратимые в живых клетках: превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфата, превращение фруктозо-6-фосфата к фруктозо-1 ,6-бисфосфат и преобразования фосфоенолпирувату (ФЭП) до пирувата (см. гликолиз). В глюконеогенезе есть обходные пути (шунты) для этих реакций, которые также имеют большую отрицательную изменение свободной энергии. Таким образом оба пути - и гликолиз, и глюконеогенез - есть необратимыми в клетке.

1. Локализация и значение

Глюконеогенез происходит в клетках бактерий, археобактерий, грибов, растений и животных. Как и гликолиз, почти все преобразования глюконеогенеза локализуется в цитоплазме , однако у эукариот первая реакция этого пути имеет место в митохондриях .

У животных важнейшими предшественниками глюкозы является тривуглецеви соединения, такие как пируват, лактат, глицерол и некоторые аминокислоты . В млекопитающих глюконеогенез наиболее интенсивно протекает в печени, а также в некоторой степени в корковом слое почек и эпителии тонкого кишечника . За сутки в организме человека синтезируется до 80 г глюкозы . После физических нагрузок молочная кислота образована в скелетных мышцах переносится кровь "ю к печени, где превращается в глюкозу, которая транспортируется обратно в мышцы и служит там субстратом для синтеза гликогена. Этот метаболический путь получил название цикл Кори . Глюконеогенез играет особое значение во время голодания, так методом изотопного мечения было показано что на 22 часа воздержания от еды он обеспечивает образование 64% всей глюкозы в крови, а на 46 час эта цифра приближается к 100% .

Глюконеогенез также интенсивно происходит в семенах , которое прорастает, и является частью пути, превращает запасные липиды и белки в дисахариды (преимущественно сахарозу), которые могут транспортироваться во все ткани молодого растения. Также фотоавтотрофам глюконеогенез нужен для преобразования первичных продуктов фотосинтеза к глюкозе. Последняя необходима растениям для синтеза клеточной стенки и как предшественник нуклеотидов , коферментов и многих других веществ .

Многие микроорганизмы начинают глюконеогенез из двокарбонових и трикарбоновых соединений, имеющихся в среде, где они живут, таких как ацетат , лактат, пропионат .

2. Реакции глюконеогенеза

Семь реакций глюконеогенеза являются обратными к реакциям гликолиза. Энергетический барьер трех необратимым гликолитических реакций преодолевается в глюконеогенезе обходными путями, к ним относятся: синтез фосфоенолпирувату с пирувата, преобразования фруктозо-1 ,6-бисфосфат в фруктозо-6-фосфат и превращение глюкозо-6-фосфата к глюкозе . Такая организация противоположных метаболических путей не только позволяет обоим быть термодинамически выгодным при одинаковых условиях, но и дает возможность для их разрешения регуляции .

2.1. Синтез фосфоенолпирувату с пирувата

Последняя реакция гликолиза - превращение фосфоенолпирувату в пируват с одновременным фосфорилированием АДФ - имеет большую отрицательную изменение свободной энергии и является необратимой. В глюконеогенезе противоположное преобразования (пирувата в фосфсфоенолпируват) происходит окольным путем, состоящий как минимум из двух реакций , и у эукариот требует ферментов как митохондрий так и цитоплазмы. Протекания этой стадии отличается в зависимости от того пируват или лактат является предшественником в синтезе глюкозы .

Пируват сначала превращается в оксалоацетата вналслидок карбоксилирование пируваткарбоксилазою. Этот фермент использует в качестве кофермента биотин , реакция сопровождается гидролизом одной молекулы АТФ . Биотин выступает носителем бикарбоната, предварительно активируется путем образования смешанного ангидрида (карбоксифосфату) вследствие переноса фосфатной группы с АТФ . Уравнение реакции:

Пируват + АТФ + HCO - 3 → оксалоацетат + АДФ + Ф н ;

Реакция карбоксилирования необходима для метаболической активации пирувата .

Следующая реакция - одновременное декаброксилювання и фосфорилирования оксалоацетата - катализируется ферментом фосфоенолпіруваткарбоксикіназою, что требует присутоности ионов Mg 2 + и ГТФ в качестве донора фосфатной группы. Продуктом этой реакции является фосфоенолпируват, она обратная по клеточных условий .

Оксалоацетат + ГТФ → фосфоенолпируват + ГДФ + CO 2;

Суммарное уравнение процесса:

Пируват + АТФ + ГТФ + HCO - 3 → Фосфоенолпируват + АДФ + ГДФ + Ф н + CO 2, ΔG 0 = 0,9 кДж / моль.

Таким образом для преобразования пирувата до фосфоенолпирувату необходим гидролиз двух молекул нуклеотидтрифосфатив, тогда как противоположный процесс в гликолизе позволяет синтезировать только одну молекулу АТФ. Хотя стандартная изменение свободной энергии для суммарного процесса составляет 0,9 кДж / моль, в реальных условиях благодаря очень низкой концентрации фосфоенолпирувату ΔG = -25 кДж / моль, т.е. превращение является сильно екзергоничним и необратимым .

2.1.1. Челночный транспорт оксалоацетата

Увторення оксалоацетата является так называемой анаплеротичною реакцией цикла трикарбоновых кислот , то есть такой, который поддерживает достаточный уровень его метаболитов . Поэтому, как и сам ЦТК, она происходит в матриксе митохондрий, пируваткарбоксилаза является исключительно митохондриальных ферментов у эукариот. Зато локализация ФЭУ-карбоксикиназы отличается у разных организмов: в печени мышей и крыс она содержится только в цитозоле, в кроликов и голубей - только в митохондриях, а у человека и морских свинок примерно поровну распределена между двумя компартментами . Остальные ферментов глюконеогенеза является цитозольного, таким образом для прохождения этого метаболического пути оксалоацетат или фосфоенолпируват должны транспортироваться из митохондрий в цитоплазму. Конкретный механизм транспорта зависит от организма и вещества, выступает предшественником в синтезе глюкозы.

Если предшественником является пируват, то используется преимущественно малатний путь транспорта. Пировиноградная кислота переносится в матрикса митохондрий или образуется там с аминокислоты аланина в реакции переаминирования, здесь происходит карбоксилазна реакция. Образован оксалоацетат не может быть транспортирован в цитзолю, из-за того, что внутренняя мембрана митохондрий у него нет транспортера. Поэтому оксалоацетат восстанавливается малатдегидрогеназы в малата за счет переноса гидрид иона с НАД H. Несмотря на то, что стандартная изменение свободной энергии для этой реакции достаточно высока, в условиях характерных для матрикса митохондрий (в частности высокой концентрации оксалоацетата), она является обратимой (ΔG ~ 0). Образован L-малат покидает митохондрии при посредничестве специального переносчика и в цитоплазме снова окисляется до оксалоацетата. Последний превращается в ФЭП. Этот путь обеспечивает экспорт в цитозоль не только оксалоацетата но и восстановительных эквивалентов НАДH, необихдних для протекания глюконеогензу (восстановление 1,3-бисфосфогицерату до глицеральдегид-3-фосфата). В цитоплазме соотношение НАДH / НАД + составляет около 8 ? 10 -4 и есть в сто тысяч раз меньше, чем в митохондриях. Образование малата в матриксе митохондрий, его транспорт в цитоплазму и дегидрогенизации обеспечивает баланс между образованным и использованным НАДH в цитоплазме при глюконеогенеза .

Несколько отличается начало глюконеогенеза в том случае, когда субстратом для синтеза глюкозы служит лактат (образован в эритроцитах или скелетных мышцах во время интенсивных нагрузок). В таком случае молочная кислота дегидрогенизуеться в цитоплазме, эта реакция является источником НАДH, а значит нет необходимости в переносе восстановительных эквивалентов в виде малата из митохондрий. Образован пируват транспортируется митохондрий, где является субстратом для пируваткарбоксилазы. После этого оксалоацетат сразу же в матриксе подлежит декарбоксилированию и фосфорилированию благодаря митохондриальной фосфоенолпіруваткарбоксикіназі. Образован фосфоенолпируват покидает митохондрии .

Существует еще один путь, не предусматривает переноса НАДH - аспартатных. В этом случае оксалоацетат в матриксе вступает в реакцию переаминирования с аминокислотами катлизовану АсАТ . Вследствие этого он превращается в аспартат , который транспортируется в цитозоль. Там опять происходит переаминирования с участием аспартатаминотрасферазы, в результате чего образуется оксалоацетат. Этот путь также используется тогда, когда предшественником в глюконеогенезе является молочная кислота, в частности организмами не содержащие митохондриальной ФЭУ-каброксикиназы.

2.2. Фосфорилазни реакции глюконеогенеза

Две другие необратимые стадии гликолиза - киназного реакции: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата и глюкозы с использованием АТФ. Обратные реакции требовали бы перенос фосфатной группы с фосфорильованих моносахаридов назад на АДФ, однако в глюконеогенезе этого не происходит, соответствующие преобразования вместо катализируемых другими энзимами - фосфатазы (фруктозо-1 ,6-бисфосфатазою (ФБФ-1) и глюкозо-6-фосфатазой). Фосфатазни реакции - это простой гидролиз, продуктом которого является фосфатная кислота :

Фруктозо-1 ,6-бисфосфат + H 2 O → фруктозо-6-фосфат + Ф н; Глюкозо-6-фосфат + H 2 O → глюкоза + Ф н.

Оба фермента является магний-зависимыми. Глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в большинстве тканей, поэтому глюконеогенез в них завершается формированием глюкозо-6-фосфата, который может быть использован для синтеза гликогена или участия в других метаболических путях. Такие ткани не способны пополнять уровень глюкозы в крови, поскольку глюкозо-6-фосфат не может транспортироваться плазматической мембраной . Глюкозо-6-фосфатаза присутствует в гепатоцитах, и, в меньшей степени, в клетках печени и эпителия тонкого кишечника . Локализуется она в полости эндоплазматического ретикулума , куда специальным переносчиком транспортируется глюкозо-6-фосфат, а позже другим транспортным белком скачивается глюкоза и фосфат .

3. Энергетические затраты глюконеогензу

Формирование глюкозы из пирувата является термодинамически невыгодным процессом, поэтому оно должно быть сопряженное с екзергоничнимы реакциями, а именно гидролизом нуклеотидтрифосфатив . Суммарное уравнение глюконеогенеза, в случае, когда исходным веществом выступает пируват, выглядит так:

2 Пируват + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДH (H +) + 4H 2 O → глюкоза + 4АДФ + 2ГТФ + 6Ф н + 2НАД +;

Так что для образования одной молекулы глюкозы необходима энергия шести високоенргетичних фосфатных групп (четырех от АТФ и двух от ГТФ). Также в этом процессе используются две молекулы НАДH для восстановления 1,3-бисфосфоглицерату.

Для сравнения суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза + 2АДФ + 2Ф р + НАД + → 2 пируват + 2АТФ + 2H 2 O + НАДH (H +);

Очевидно, что глюконеогенез не просто обратным к гликолиза, поскольку в таком случае для его прохождения хватало бы всего двух молекул АТФ. Глюконеогенез относительно энергетически "дорогой" метаболический путь, многие из энергии требуется для обеспечения его необратимости. По клеточных условий суммарное изменение свободной энергии в процессе гликолиза составляет около -63 кДж / моль, а в глюконеогенезе - 16 кДж / моль .

4. Предшественники в синтезе глюкозы

4.1. Пируват и промежуточные продукты ЦТК

Описанный метаболический путь глюконеогенеза может использоваться для биосинтеза глюкозы не только с пирувата и лактата, а также и многих других веществ, в частности промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Такие соединения как цитрат , изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, сукцинат , фумарат и малат превращаются в ходе ЦТК в оксалоацетата, а следовательно могут быть субстратами для глюконеогенеза .

Среди глюкогенних аминокислот наибольшее значение для глюконеогенеза имеют аланин и глутамин, поскольку они являются основными переносчиками аминогрупп от различных органов к печени. В митохондриях гепатоцитов от них отщепляются аминогруппы, а карбоновые скелеты используются на биосинтез глюкозы .

4.2. Глицерол

Предшественником в синтезе глюкозы также может выступать продукт гидролиза нейтральных жиров гилцерол. Для этого в клетках печени он фосфорилируется глицеролкиназою, после чего происходит окисление второго атома углерода и образуется глицеральдегид-3-фосфат, который может вступать в глюконеогенез. Хотя глицеролфосфат является важным предшественником в синтезе триглицеридов в адипоцитах , эти клетки не имеют глицеролкиназы. Поэтому они используют для синтеза этого вещества сокращенный вариант глюконеогенеза: гилцеронеогенез, который включает преобразования пирувата до дигидроксиацетонфосфату с его последующим восстановлением до глицеролфосфату .

4.3. Жирные кислоты

5. Регуляция глюконеогенеза

Если гликолиз и глюконеогенез могли протекать одновременно протекать с высокой интенсивностью в клетке, результатом было бы бесполезно потребления энергии и преобразования ее в тепло. Например фосфофруктокиназна и фруктозо-1 ,6-фосфатазна реакции:

Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1 ,6-бисфосфат + АДФ; Фруктозо-1 ,6-бисфосфат + H 2 O → фруктозо-6-фосфат + Ф н;

давали бы в сумме только гидролиз АТФ (происходит так называемый субстратный цикл)

АТФ + H 2 O → АДФ + Ф н.

Поэтому эти два пути реципрокной регулируются алостерично, путем ковалентной модификации ферментов и регуляции их синтеза . На скорость глюконеогенеза также влияет доступность сусбтратив. В общем, когда клетке нужна энергия, в ней более активно происходит гликолиз, а когда энергии в избытке, то преобладать глюконеогенез .

5.1. Регуляция пируваткарбоксилазы

Пиурваткарбоксилаза является первым регуляторным ферментом глюконеогенеза. Для функционирования она требует присоединения алостеричного активатора ацетил-КоА, высокий уровень которого свидетельствует о достаточном запасе жирных кислот, которые могут быть окисленной с целью получения энергии . Однако продукт пируваткарбоксилазнои реакции - оксалоацетат - использоваться на пополнение цикла трикарбоновых кислот, а не на глюконеогенез, если только ЦТК НЕ ингибуватиметься высокими уровнями АТФ или НАДH . Негативным модулятором пируваткарбоксилазы является АДФ .

5.2. Регуляция ФЭУ-карбоксикиназы

ФЭУ-карбоксикиназа катализирует первую комитований шаг глюконеогенеза (то есть, однозначно определяет метаболизм определенной соединения по этому пути). У млекопитающих его регуляция происходит преимущественно на транскрипционных уровне в ответ на изменение диеты и уровня гормонов . В частности, глюкагон , гена ФЭУ-карбоксикиназы, активируя экспрессию последнего .

5.3. Регуляция фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы

Последний регуляторный фермент глюконеогенеза ингибируется АМФ , высокий уровень которого свидетельствует об исчерпании запасов АТФ . В гепатоцитах его активность привязана к уровню глюкозы в крови благодаря сигнальной молекуле фруктозо-2 ,6-бисфосфат, которая одновременно выступает алостеричним ингибитором фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы и алостеричним активатором соответствующего фермента гликолиза - фосфофруктокиназы. Концентрация фруктозо-2 ,6-бисфосфат зависит от скорости его образования из фруктозо-6-фосфата фосфофруктокиназы-2 (ФФК-2) и гидролиза фруктозо-2 ,6-бисфосфатазою (ФБФаза-2). ФФК-2 и ФБФаза-2 - это две разные активности одного бифункционального фермента, который "переключается" путем фосфорилирования .

В случае, когда уровень глюкагона в крови высокий, он стимулирует в гепатоцитах цАМФ-зависимый сигнальный путь, что приводит к фосфорилирования бифункционального фермента протеинкиназой А. Фосфорилированная форма этого белка функционирует как ФБФаза-2 и гидролизует фруктозо-2 ,6-бисфосфат, в результате чего происходит активация фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы и угнетение фосфофруктокиназы-1. Итак глюконеогенез происходит интенсивнее, чем гликолиз. Инсулин вызывает противоположную ответ: дефосфорилювання бифункционального фермента, увеличение концентрации фруктозо-2 ,6-бисфосфат, активацию ФФК-1 и угнетение ФБФазы-1 .

Примечания

Источники

• Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L Biochemistry 6th. - WH Freeman and Company, 2007. ISBN 0-7167-8724-5 .
• Nelson DL, Cox MM Lehninger Principles of Biochemistry 5th. - WH Freeman, 2008. ISBN 978-0-7167-7108-1 .
• Prescott LM Microbiology 5th. - McGraw-Hill, 2002. ISBN 0-07-282905-2 .
• Voet D., Voet JG Biochemistry 4th. - С. 487-496. - Wiley, 2011. ISBN 978-0470-57095-1 .
• Губский Ю.И. Биологическая химия. - С. 191. - Киев-Одесса: Новая книга, 2007.

Глюконеогенез - процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Процесс протекает в основном в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек, а также в слизистой оболочке кишечника. Эти ткани могут обеспечивать синтез 80-100 г глюкозы в сутки. На долю мозга при голодании приходится большая часть потребности организма в глюкозе. Это объясняется тем, что клетки мозга не способны, в отличие от других тканей, обеспечивать потребности в энергии за счёт окисления жирных кислот.Кроме мозга, в глюкозе нуждаются ткани и клетки, в которых аэробный путь распада невозможен или ограничен, например эритроциты (они лишены митохондрий), клетки сетчатки, мозгового слоя надпочечников и др. Первичные субстраты глюконеогенеза - лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.

Лактат - продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно.

Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке.

Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе.

Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счёт обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако 3 реакции гликолиза термодинамически необратимы. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями. Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях.

Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Образование фосфоенолпирувата из пирувата происходит в ходе двух реакций первая из которых протекает в митохондриях. Пируват, образующийся из лактата или из некоторых аминокислот, транспортируется в матрикс митохондрий и там карбоксилируется с образованием оксалоацетата.

Пируват-карбоксилаз а, катализирующая данную реакцию, - митохондриальный фермент, коферментом которого является биотин. Реакция протекает с использованием АТФ.

Дальнейшие превращения оксалоацетата протекают в цитозоле. Следовательно, на этом этапе должна существовать система транспорта оксалоацетата через митохондриальную мембрану, которая для него непроницаема. Оксалоацетат в митохондриальном матриксе восстанавливается с образованием малата при участии NADH (обратная реакция цитратного цикла).

Образовавшийся малат затем проходит через митохондриальную мембрану с помощью специальных переносчиков. Кроме того, оксалоацетат способен транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата в ходе малат-аспартатного челночного механизма. В цитозоле малат вновь превращается в оксалоацетат в ходе реакции окисления с участием кофермента NAD + . Обе реакции: восстановление оксалоацетата и окисление малага катализируют малатдегидрогеназа, но в первом случае это митохондриальный фермент, а во втором - цитозольный. Образованный в цитозоле из ма-лата оксалоацетат затем превращается в фосфоенолпируват в ходе реакции, катализируемой фосфоенолпируваткарбоксикиназой - ГТФ-зависимым ферментом.

Образование глюкозы из лактата. Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение NADH/NAD + ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют " глюкозо-лактатным циклом", или "циклом Кори " .

Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции: 1 - обеспечивает утилизацию лактата; 2 - предотвращает накопление лактата и, как следствие этого, опасное снижение рН (лактоацидоз). Часть пирувата, образованного из лактата, окисляется печенью до СО 2 и Н 2 О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций глюконеогенеза.

Образование глюкозы из аминокислот. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, окса-лоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратногр цикла, так и глюконеогенеза. Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюкозонеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл ) : глюкоза в мышцах → пируват в мышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает лактоацидоз.

Образование глюкозы из глицерола . Глицерол образуется при гидролизе триацил-глицеролов, главным образом в жировой ткани. Использовать его могут только те ткани, в которых имеется фермент глицерол киназа, например печень, почки. Этот АТФ-зависимый фермент катализирует превращение глицерола в α-глицерофосфат (глицерол-3-фосфат). При включении глицерол-3-фосфата в глюконеогенез происходит его дегидрирование NAD-зависимой дегидрогеназой с образованием дигидроксиацетонфосфата, который далее превращается в глюкозу.

35.35 Представление о пентозофосфатном пути превращений глюкозы. Окислительные реакции (до стадии рибулозо-5-фосфата). Распростра­нение и суммарные результаты этого пути (образование пентоз, НАДФН и энергетика)

Пентозофосфатный путь , называемый также гексомонофосфатным шунтом, служит альтернативным путём окисления глюкозо-6-фосфата. Пентозофосфатный путь состоит из 2 фаз (частей) - окислительной и неокислительной.

В окислительной фазе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5-фосфат, и образуется восстановленный NADPH. В неокислительной фазе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза. Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и гидрированным коферментом NADPH, который используется в восстановительных процессах. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути выражается следующим образом:

3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP + → 3 СО 2 + 6 (NADPH + Н + ) + 2 Фруктозо-6-фосфат + Глицеральдегид- 3 -фосфат.

Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле. Наиболее активно пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.

В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.

Первая реакция дегидрирования - превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6-фосфат - катализируется NАDР + -зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента NADPH. Далее глюконолактон-6-фосфат быстро превращается в 6-фосфоглюконат при участии фермента глюконолактонгидратазы. Фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует вторую реакцию дегидрирования окислительной части, в ходе которой происходит также и декарбоксилирование. При этом углеродная цепь укорачивается на один атом углерода, образуется рибулозо-5-фосфат и вторая молекула гидрированного NADPH. Восстановленный NADPH ингибирует первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Превращение NADPH в окисленное состояние NADP + приводит к ослаблению ингибирования фермента. При этом скорость соответствующей реакции возрастает, и образуется большее количество NADPH.

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозофосфатного пути можно представить в виде:

Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP + + Н 2 О → Рибулозо-5-фосфат + 2 NADPH + Н + + СО 2 .

Реакции окислительного этапа служат основным источником NADPH в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм кислорода.

Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) составляют вместе циклический процесс. Такой процесс можно описать общим уравнением:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP + + 2 Н 2 О → 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +12 Н + + 6 СO 2 .

Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул СО 2 . Ферменты неокислительнойфазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом. Протекание пентозофосфатного цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.

Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода - NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.

Синтез глюкозы из молочной кислоты

При физической нагрузке в мышцах продуцируется большое количество молочной кислоты, особенно если нагрузка интенсивная, максимальной мощности.Также молочная кислота непрерывно образуется эритроцитами , независимо от состояния организма. С током крови она поступает в гепатоцит и здесь превращается в пируват. Далее реакции идут по классической схеме.

Суммарная реакция глюконеогенеза из молочной кислоты:

Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H 2 O → Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф н

Синтез глюкозы из аминокислот

Ряд аминокислот являются глюкогенными , то есть их углеродные скелеты в той или иной степени способны включаться в состав глюкозы. Такими является большинство аминокислот, кроме лейцина и лизина, атомы углерода которых никогда не участвуют в синтезе углеводов.

В качестве примера синтеза глюкозы из аминокислот рассмотрим участие в этом процессе глутамата, аспартата, серина и аланина.

Аспарагиновая кислота (после реакции трансаминирования) и глутаминовая кислота (после дезаминирования) превращаются в метаболиты ЦТК, соответственно, в оксалоацетат и α-кетоглутарат.

Аланин , трансаминируясь, образует пировиноградную кислоту, которая способна карбоксилироваться до оксалоацетата. Оксалоацетат, являясь первым элементом в процессе глюконеогенеза, далее включается в синтез глюкозы.

Серин в трехступенчатой реакции под воздействием сериндегидратазы теряет аминогруппу и превращается в пируват, который вступает в глюконеогенез.

Включение аминокислот в синтез глюкозы

Синтез глюкозы из глицерина

При физической нагрузке под влиянием адреналина или при голодании под влиянием глюкагона и кортизола в адипоцитах активно происходит распад триацилглицеролов (липолиз). Одним из продуктов этого процесса является спирт глицерин , который поступает в печень. Здесь он фосфорилируется, окисляется до диоксиацетонфосфата и вовлекается в реакции глюконеогенеза.