Глава 1. Обзор литературы
1.1. Функциональная характеристика изоцитратлиазы и ее роль в регуляции клеточного метаболизма
1.1.1. Общая характеристика глюконеогенеза
Биосинтез глюкозы и других углеводов из более простых предшественников является в количественном отношении наиболее важным процессом в биосфере. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, катализируемое ферментами гликолиза, является центральным путем катаболизма углеводов в большинстве клеток как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Точно также обратный процесс — превращение пирувата в глюкозу — является наиболее важным общим путем биосинтеза моно- и полисахаридов. В этот центральный биосинтетический путь вливаются два главных «питающих пути»: один из них из ряда реакций, посредством которых интермедиаты ЦТК, лактат, большинство аминокислот, пропионат превращаются в пировиноградную кислоту (рис.1) - это процесс, протекающий у всех организмов - глюконеогенез; второй важный путь состоит в восстановлении СО2 до глюкозы - этот путь является отличительной особенностью автотрофов.
Стадии глюконеогенеза:
Жирные кислоты - окисление Ацетил КоА
Ацетил-КоА Глиоксилатный цикл Сукцинат
Янтарная кислота Реакции ЦТК Оксалоацетат
Оксалоацетат Фосфоенолпируваткарбоксикиназа ФЕП
ФЕП Обращенный гликолиз Углеводы
Два первых этапа этого процесса локализованы в глиоксисомах, цикл трикарбоновых кислот - в митохондриях, а последующие два этапа - в растворимой части цитоплазмы.
Глюконеогенез реализуется путем обращения некоторых стадий гликолиза, однако, в гликолитическом пути имеются три необратимых стадии, которые не могут использоваться при превращении пирувата в глюкозу, поэтому используются альтернативные реакции (обходные пути), которые термодинамически благоприятствуют синтезу глюкозы.
Первый обходной путь у некоторых животных требует совместного действия цитозольных и митохондриальных ферментов. Реакция, осуществляемая под действием митохондриальной пируваткарбоксилазы, выглядит следующим образом (рис.1):
ПВК + СО2 + АТФ + ацетил-КоА = ОАА + АДФ + Фн
Рис.1. Схема глюконеогенеза: красным выделены ферменты, осуществляющие обходные пути при синтезе глюкозы.
Пируваткарбоксилаза — регуляторный фермент, который в отсутствии ацетил-КоА почти полностью лишен активности, так как данный метаболит выступает в роли положительного регулятора. Оксалоацетат, образующийся в этой реакции, восстанавливается, а затем в митохондриях трансформируется в малат. Малат, диффундируя в цитоплазму при участии специальной декарбоксилатной транспортной системы, находящейся во внутренней митохондриальной мембране, окисляется цитоплазматической НАД-зависимой МДГ с образованием внемитохондриального ОАА.
Под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы (Мn2+ - зависимая реакция, в которой донором фосфата служит ГТФ или АТФ) щавелевоуксусная кислота распадается на ФЕП и углекислый газ:
ОАА + ГТФ (АТФ) = ФЕП + СО2 + ГДФ (АДФ)
Фосфофруктокиназная реакция гликолиза необратима, поэтому второй обходной механизм биосинтеза глюкозы достигается при помощи фермента фруктозодифосфотазы, осуществляющим необратимый гидролиз 1-фосфатной группы:
Фр-1,6-бис-фосфат + Н2О = Фр-6-Ф + Фн. ∆G0= -3,9ккал/моль.
Для проявления активности фруктозодифосфотазы необходимы ионы Мg2+ и положительный модулятор – АТФ. Данный фермент резко ингибируется отрицательным модулятором – АМФ [Филлипович Ю.Б. Основы биохимии / Ю.Б. Филлипович. – М.: Высш. шк. 1993.– 496 с.].
На третьем обходном пути вместо гексокиназы, работающей в гликолизе, в глюконеогенезе участвуют глюкозо-6-фосфотаза (Мg2+-зависимый фермент) (рис.1).
Таким образом, суммарное уравнение реакции, ведущей от ПВК к свободной глюкозе следующее:
2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 6Н2О = Глюкоза + 2НАД+ +4АДФ +2ГДФ + 6Фн.
Субстратами глюконеогенеза выступают также промежуточные продукты ЦТК. Главными из них являются интермедиаты, способные окисляться в малат.
Аминокислоты, служащие предшественниками ФЕП называются гликогенными. Лейцин и некоторые другие аминокислоты являются кетогенными, т.е. способны трансформироваться в ацетоацетат. Фенилаланин, тирозин относятся к смешанным аминокислотам, способным выполнять и кето- и гликогенные функции.
Глюконеогенетическим субстратом также является образующийся при гидролизе нейтральных жиров глицерин. У микроорганизмов и растений субстратами глюконеогенеза выступают жирные кислоты и ацетил-КоА, способный вовлекаться в реакции глиоксилатного цикла; у беспозвоночных [Епринцев А.Т. Очистка и физико-химические свойства изоцитратлиазы из куколок бабочки P. machaon L. / А. Т. Епринцев, М. Ю. Шевченко, В. Н. Попов.// Биохимия. – 2004. – T.69, № 4. – C. 467-472.] и позвоночных (млекопитающих) животных [Волвенкин С.В. Субклеточная локализация и свойства ферментов глиоксилатного цикла в печени крыс с аллоксановым диабетом / С. В. Волвенкин, В.Н. Попов, А.Т. Епринцев // Биохимия. – 1999. – Т.64, № 9. – С. 1185-1191.]; [Попов В. Н. Индукция ферментов глиоксилатного цикла в различных тканях голодающих крыс / В. Н. Попов, С. В. Волвенкин, А. Т. Епринцев, А. У. Игамбердиев // Известия РАН. Серия биологическая – 2000. – № 6.– С. 663-667.] – лактат, пируват, кетоновые тела, аминокислоты и другие субстраты.