Биосинтез углеводов

Существует два основных способа биосинтеза углеводов из относительно несложных метаболитов. Один из них заключается в восстановлении углекислого газа до глюкозы. Этот процесс, характерный для зеленых растений и называемый фотосинтезом, осуществляется за счет энергии солнечных лучей при помощи хлорофилла согласно следующему уравнению:

СО₂ + 2Н₂О 1/6С₆Н₁₂О₆ + О₂ + Н₂О.

Улавливая солнечные лучи и преобразуя их энергию в энергию углеводов, зеленые растения обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле. В этом заключается, по словам К. А.Тимирязева, космическая роль зеленых растений как посредника между солнцем и всем живым на Земле.

В последнее время работами группы ученых Института биохимии им. А. В. Палладина АН УССР под руководством академика М. Ф. Гулого показано, что ткани высших животных также способны фиксировать углекислый газ, хотя механизм фиксации его отличается от такового у фотосинтезирующих клеток. Он заключается в наращивании углеродного скелета оксидом углерода (IV) таких субстратов, как кетокислоты, жирные кислоты, аминокислоты и др.

В печени, почках и скелетных мышцах человека и высших животных существует другой путь биосинтеза углеводов, называемый глюконеогенезом. Это синтез глюкозы из пировиноградной или молочной кислоты, а также из так называемых гликогенных аминокислот, жиров и других предшественников, которые в процессе метаболизма могут превращаться в пировиноградную кислоту или метаболиты цикла трикарбоновых кислот.

Глюконеогенез— это путь, обратный гликолизу. Однако в этом пути есть три стадии, которые в энергетическом отношении не могут быть использованы при превращении пировиноградной кислоты в глюкозу. Эти три стадии гликолиза заменены «обходными» реакциями с меньшей затратой энергии.

Первой обходной реакцией является превращение пировиноградной кислоты в фосфоенолпировиноградную. Поскольку расщепление глюкозы происходит в митохондриях, а синтез — в цитоплазме, на первом этапе митохондриальная пировиноградная кислота превращается сначала в щавелево-уксусную. Катализирует это превращение фермент пируваткарбоксилаза, активируемая ацетил-КоА с участием АТФ. Образовавшаяся щавелево-уксусная кислота восстанавливается затем с участием НАД • Н + Н⁺ в яблочную:

Пировиноградная кислота + СО₂ Щавелево-уксусная кислота Яблочная кислота.

Яблочная кислота диффундирует в цитоплазму, окисляется цитоплазматической малатдегидрогеназой с образованием цитоплазматической щавелево-уксусной кислоты, из которой образуется фосфоенолпировиноградная кислота. Эту реакцию катализирует фосфоенолпируваткарбоксикиназа. Донором фосфорной кислоты служит ГТФ:

Яблочная кислота Щавелево-уксусная кислота Фосфоенолпировиноградная кислота.

Далее следует целая серия обратных реакций, заканчивающихся образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата в фруктозо-6-фосфат— вторая необратимая реакция гликолиза. Поэтому она катализируется не фосфофруктокиназой, а фруктозодифосфатазой. Этот фермент катализирует необратимый гидролиз 1-фосфатной группы:

Фруктозо-1, 6-дифосфат + Н₂О → Фруктозо-6-фосфат + Н₃РО₄.

На следующей (обратимой) стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фосфоглюко-изомеразы гликолиза.

Расщепление глюкозо-6-фосфата до глюкозы — третья необратимая реакция, которая не осуществляется путем обращения гексокиназой. Свободная глюкоза образуется при помощи глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей реакцию гидролиза:

Глюкозо-6-фосфат + Н₂О → Глюкоза + H₃PO₄.

В большинстве клеток глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе гликогенолиза, используется как предшественник для биосинтеза олиго- и полисахаридов. Большую роль в биосинтезе этих сложных сахаров играет соединение уридинфосфоглюкоза, которая выполняет роль промежуточного переносчика глюкозы.

При биосинтезе гликогена, например, глюкозо-6-фосфат, превратившись в глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы, взаимодействует с уридинтрифосфорной кислотой (УТФ) — соединением, аналогичным АТФ, в которое вместо аденина входит азотистое основание урацил. В результате этого взаимодействия при помощи глюкозо-I -фосфатуридилтрансферазы образуется уридилдифосфоглюкоза:

Глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ-глюкоза+Фн.

На заключительном этапе биосинтеза гликогена в реакции, катали-зируемой гликогенсинтетазой, остаток глюкозы с УДФ-глюкозы переносится на концевой остаток глюкозы амилазной цепи с образованием 1,4-гликозидной связи (см. гл. 16). Ветвление гликогена путем образования 1,6-связей завершается амило-1,4-1,6-трансглюкозидазой.

Биосинтез гликогена осуществляется не только из глюкозо-6-фосфата, образовавшегося путем глюконеогенеза. Как уже отмечалось выше, для его биосинтеза используется также часть глюкозы после всасывания. Синтез гликогена, как процесс образования подвижного резерва углеводов в организме, имеет большое биологическое значение. Ведущая роль в этом принадлежит печени. Благодаря синтезу и отложению гликогена в печени поддерживается постоянная концентрация глюкозы в крови и других тканях, а также предотвращаются потери ее с мочой при употреблении пищи, особенно углеводной. Кроме того, отложение гликогена в печени способствует постепенному использованию углеводов в зависимости от условий существования организма.

Использованию глюкозы для синтеза гликогена предшествует образование глюкозофосфорных эфиров. Сначала образуется глюко-зо-6-монофосфат. Источником энергии и донатором фосфата является АТФ. Катализирует эту реакцию гексокиназа. Под действием фермента фосфоглюкомутазы глюкозо-6-монофосфат превращается в глюкозо-1-монофосфат:

Дальнейшее превращение глюкозо-1-монофосфата до гликогена протекают уже знакомым нам путем.