Глюконеогенез

Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы, протекающий в основном в печени, и, менее интенсивно, – в корковом веществе почек и слизистой оболочке кишечника.

Функция глюконеогенеза – поддержание уровня глюкозы в крови при длительном голодании и интенсивных физических нагрузках. Постоянное поступление глюкозы в качестве источника энергии особенно необходимо для нервной ткани и эритроцитов.

Субстраты глюконеогенеза – ПВК, молочная кислота, глицерин, аминокислоты.

Включение субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма:

- молочная кислота – продукт анаэробного гликолиза в эритроцитах и работающих мышцах;

- глицерин высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в постабсорбтивный период или при физических нагрузках;

- аминокислоты образуются при распаде мышечных белков.

Большинство реакций глюконеогенеза являются обратными гликолизу («гликолиз наоборот, гликолиз в обратном направлении»). Они обратимы и катализируются теми же ферментами, что и соответствующие реакции гликолиза.

Три реакции гликолиза (гексокиназная (1), фосфофруктокиназная (3), пируваткиназная (10)) необратимы, и при глюконеогенезе на этих этапах работают другие ферменты.

Синтез глюкозы из ПВК.

1-ый этап – образование фосфоенолпирувата из ПВК.

а) карбоксилирование ПВК под влиянием пируваткарбоксилазы с образованием оксалоацетата в митохондрии:

Пируваткарбоксилаза – митохондриальный фермент, аллостерическим активатором которого является ацетил-KоА. Для оксалоацетата мембрана митохондрий непроницаема, поэтому оксалоацетат в митохондриях превращается в малат при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы:

Малат выходит из митохондрии через митохондриальную мембрану в цитозоль, где под действием цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в оксалоацетат:

б) в цитозоле клетки протекает декарбоксилирование и фосфорилирование оксалоацетата с образованием фосфоенолпирувата; фермент – фосфоенолпируваткарбоксикиназа:

2-ой этап – превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат.

Фосфоенолпируват в результате обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-фосфат. Далее следует необратимая фосфофруктокиназная реакция гликолиза. Глюконеогенез идёт в обход этой реакции:

3-ий этап – образование глюкозы из фруктозо-6-фосфата.

Фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, который дефосфолирируется (реакция идёт в обход гексокиназной) под влиянием глюкозо-6-фосфатазы:

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза в печени

Печень отличается наиболее сложным обменом глюкозы по сравнению с другими органами. В ней происходят противоположные процессы: синтез/распад гликогена и гликолиз/глюконеогенез.

Направление метаболизма глюкозы в печени связано с ритмом питания. При пищеварении около половины глюкозы из крови воротной вены задерживается печенью, откладывается в форме гликогена, а также используется для синтеза жиров.

Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и наоборот происходит с участием инсулина и глюкагона и осуществляется с помощью:

- аллостерических механизмов;

- ковалентной модификации ферментов путем фосфорилирования / дефосфорилирования;

- индукции/репрессии синтеза ключевых ферментов.

Регуляция направлена на необратимые стадии гликолиза и глюконеогенеза.

При уменьшении инсулин-глюкагонового индекса синтез ключевых ферментов гликолиза снижается, а ферментов глюконеогенеза (фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-6-фосфатаза, глкозо-6-фосфатаза) - увеличивается, и стимулируется глюконеогенез.

Направление реакций гликолиза регулируется содержанием глюкозы. При пищеварении концентрация глюкозы в крови возрастает до 10-20 мкмоль/л и активность глюкокиназы будет максимальной. Ускоряется гликолитическая реакция

глюкоза → глюкозо-6-фосфат.

Инсулин индуцирует синтез глюкокиназы и поэтому ускоряет фосфорилирование глюкозы.

Т.к. глюкокиназа печени не ингибируется глюкоза-6-фосфатом, то большая часть последнего направляется по гликолитическому пути.

Активность фосфофруктокиназы (фермент гликолиза) и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата (фермент глюконеогенеза) зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата.

Фруктозо-2,6-бисфосфат аллостерически активирует фосфофруктокиназу (усиливается гликолиз) и ингибирует фосфатазу фруктозо-1,6-бифосфата (замедляется глюконеогенез).

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется фосфорилированием фруктозо-6-фосфата при участии бифункционального фермента (БИФ).

Киназная активность проявляется при дефосфорилированной форме БИФ, которая характерна для абсорбтивного периода (инсулин-глюкагоновый индекс высокий) – гликолиз усиливается.

Фосфатазная активность проявляется при фосфорилированной форме БИФ (длительное голодание, инсулин/глюкагоновый индекс низкий): снижается количество фруктозо-2,6-бисфосфата, гликолиз замедляется и переключается на глюконеогенез.

В период пищеварения инсулин активирует протеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу, и переводит ее в активное состояние: реакция

фосфоенолпируват → пируват (гликолитическая)

ускоряется при пищеварении и замедляется в постабсорбтивном периоде.

Реакции глюконеогенеза

пируват → оксалоацетат → фосфоенолпируват

могут протекать при любом состоянии организма. Это необходимо для поддержания постоянной концентрации оксалоацетата, использующегося, помимо глюконеогенеза, в цикле Кребса, при трансмембранном переносе веществ, в синтезе аминокислот.

В период пищеварения из-за ускорения начальных стадий гликолиза повышается содержание фруктозо-1,6-бисфосфата, что ведет к активации пируваткиназы (гликолиз усиливается).

После приема пищи, богатой углеводами, инсулин-глюкагоновый индекс возрастает, увеличивается количество глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы (гликолитические ферменты), что стимулирует гликолитический путь.

Регуляция энергетического статуса гепатоцитов осуществляется путем изменения скорости аэробного распада глюкозы.

Глюкоза в клетках печени используется не только для синтеза гликогена и жиров, но и для энергообеспечения гепатоцитов. Для этого АТФ синтезируется в реакциях субстратного и окислительного фосфорилирования при аэробном гликолизе, при окислительном декарбоксилировании ПВК и при окислении ацетил-KoA в цикле Кребса.

Основными потребителями АТФ в гепатоцитах являются трансмембранный перенос веществ, синтез белков, гликогена, жиров, глюконеогенез. Скорость синтеза АТФ зависит от скорости его расходования в этих процессах.

АТФ и АМФ – аллостерические эффекторы некоторых гликолитических ферментов: АМФ активирует фосфофруктокиназу и ингибирует фосфатазу фруктозо-1,6-бисфосфата, АТФ ингибирует пируваткиназу.

Т.о., при расходовании АТФ (растет концентрация АМФ) активируются гликолиз и синтез АТФ, а глюконеогенез замедляется.