10.4. Взаимопревращения жиров, аминокислот и углеводов

В период изобилия пищи, поступающий в организм излишек углеводов живой организм превращает в жир. Этот жир откладывается в различных частях тела (обычно в подкожной области) с тем, чтобы быть использованным, когда настанут менее удачные дни. Тогда организм мобилизует свои жировые запасы: жир транспортируется в печень, где он окисляется, выделяя требуемую для поддержания нормального существования энергию. Некоторое количество поступающего с пищей жира непрерывно расщепляется и в организме сытого животного. Значительным вкладчиком в общий энергетический баланс тела жир становится лишь тогда, когда животное получает недостаточное количество углеводов, т. е. голодает, или в случаях, когда нарушены обменные процессы и организм оказывается не в состоянии эффективно использовать глюкозу, например при диабете.

Глюкоза подвергается превращениям во всех клетках живого организма. Жирные кислоты и аминокислоты утилизируются, в основном, в клетках печени, хотя некоторые аминокислоты видоизменяются в клетках других тканей, например в клетках мозга или почек.

В случае голодания печень может полностью обеспечить себя необходимой энергией за счет окисления жиров, в то время как клеткам других органов и тканей необходимо доставить источник энергии – глюкозу. Поэтому печень приобрела способность превращать поступающие в нее питательные вещества в глюкозу, необходимую для поддержания нормальных условий существования наиболее чувствительных к энергетическому голоданию тканей. Клетки печени снабжены системой, которая перестраивает в обратном порядке последовательность реакций, превращающих глюкозу в ацетил-КоА, так как и жиры и аминокислоты образуют при окислении именно этот продукт. Для этого используются те же ферменты, которые принимали участие в окислении продуктов, ведь почти все реакции окисления глюкозы являются обратимыми. Все ферменты, осуществляющие расщепление глюкозы вплоть до образования пировиноградной кислоты, могут в надлежащих условиях катализировать обратные процессы. В клетках печени имеются ферменты (фосфатазы), которые гидролизуют гексозофосфаты с образованием свободной гексозы и дают вместо АТФ неорганический фосфат.

Есть основания утверждать и обратное: сама глюкоза может быть использована в качестве исходного субстрата для синтеза жирных кислот, аминокислот, жиров и белков.

10.5. Биосинтез в процессах метаболизма

10.5.1. Синтез гликогена

Гликоген является полимером глюкозы в животном организме, синтезирующийся главным образом в клетках печени и мышц. Исходным мате-риалом для синтеза гликогена является любой избыток глюкозы, в данный момент не используемый клеткой в энергетических целях. Синтез гликогена можно рассматривать как связывание в цепочки глюкозных остатков, предварительно активированных АТФ.

Ранее мы рассматривали, как гликоген расщепляется при участии фермента фосфорилазы при наличии остатков глюкозы и неорганического фосфата. При этом может отщепляться от конца цепи по одному глюкозному звену в виде глюкозо-1-фосфата. Можно предположить, что в связи с тем, что фосфорилазная реакция обратима, фермент в присутствии глюкозофосфата и затравки, состоящей хотя бы из двух остатков глюкозы, будет присоединять молекулы глюкозы к затравочной цепи и освобождать при этом неорганический фосфат. Однако равновесие фосфорилазной реакции значительно смещено в сторону расщепления гликогена. Для ее осуществления необходимы очень высокие концентрации глюкозофосфата.

Оказалось, что в живой клетке синтез гликогена протекает другим, более сложным путем, причем равновесие реакции сильно сдвигается в сторону образования полимерной цепи. При этом был обнаружен новый фермент – производное пиримидина урацила – уридинтрифосфат (УТФ), который химически сходен с АТФ, и кроме того, его концевая фосфатная связь также богата энергией. УТФ может реагировать с глюкозо-1-фосфатом, образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФГ):

УТФ + Глюкозо-1-фосфат → УДФГ + Неорганический фосфат

После того, как глюкозо-1-фосфат соединился с УТФ и образовал УДФГ, он получил высокую реакционную способность. Поэтому глюкоза, присоединенная к УДФ-коферменту, может подвергаться множеству таких превращений, которые совершенно неосуществимы при любых иных условиях, например легко превращаться в другие изомерные гексозы, такие, как галактоза. Фермент трансгликозидаза осуществляет реакцию, трудную для фосфорилазы, переносит глюкозу с УДФ на затравку, начиная тем самым строить цепь гликогена:

УДФГ + глю-глю → УДФ + глю-глю-глю,

(затравка)

УДФГ + глю-глю-глю → УДФ + глю-глю-глю-глю.

Эта реакция повторяется неопределенно долго, пока, наконец, цепь не достигнет требуемой длины. Тем временем освобождающийся УДФ превращается в УТФ за счет расходования АТФ:

УДФ + АТФ ↔ УТФ + АДФ

Следовательно, на каждый остаток глюкозы, присоединяющийся к цепи гликогена, расходуется две богатые энергией связи АТФ, а не одна, как это было бы в том случае, если бы синтез катализировала фосфорилаза.

Синтез гликогена на этом не завершается, поскольку его молекула имеет разветвленную форму. И фосфорилаза и УДФГ могут полимеризовать глюкозу только в прямые, неразветвленные цепи, образуя связи между первым и четвертым атомами углерода двух молекул глюкозы. Связь между первым и шестым атомами углерода осуществляют так называемые «разветвляющие ферменты». Они «приклеивают» их к соответствующему месту на другой ранее синтезируемой цепи так, чтобы образовалась 1,6-связь между соответствующими углеродными атомами обеих цепей.

Таким образом, трансгликозилаза и разветвляющий фермент сообща строят молекулу гликогена, которые содержат около 200–300 остатков глюкозы. В таком виде гликоген и откладывается в клетках печени и мышц в качестве кратковременных пищевых запасов.