Лекции по биохимии РостГМУ / 1.3. Лекция. Обмен углеводов (часть 3)
.pdf
Биохимия углеводов
Часть III. Глюконеогенез. Обмен фруктозы и галактозы.
Содержание
1.Глюконеогенез.
2.Механизмы регуляции концентрации глюкозы в крови.
3.Обмен фруктозы и галактозы.
Некоторые ткани, например мозг, нуждаются в постоянном поступлении глюкозы. Кроме мозга, в глюкозе нуждаются ткани и клетки, в которых аэробный путь распада невозможен или ограничен, например эритроциты (нет митохондрий), клетки сетчатки, мозгового слоя надпочечников и др.
Когда поступление углеводов в составе пищи недостаточно, содержание глюкозы в крови некоторое время поддерживается в пределах нормы за счѐт расщепления гликогена в печени. Однако запасы гликогена в печени невелики. Они значительно уменьшаются к 6-10 ч голодания и практически полностью исчерпываются после суточного голодания. В этом случае в печени начинается синтез глюкозы de novo - глюконеогенез (ГНГ). ГНГ – синтез глюкозы в организме из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови при длительном голодании и интенсивных физических нагрузках.
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 счѐт окисления жирных кислот, хотя, ограниченно могут использовать кетоновые тела*.
(*См. «Обмен липидов»).
Включение субстратов в глюконеогенез Первичные субстраты ГНГ – лактат, некоторые (почему не любые – см. ниже)
аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в ГНГ зависит от физиологического состояния организма.
•Лактат – продукт анаэробного гликолиза (см. предыдущую тему). Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих скелетных мышцах. Таким образом, лактат используется в ГНГ постоянно.
•Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани (липолизе* - см. следующий раздел «Обмен липидов») в период голодания или при длительной физической нагрузке.
•Аминокислоты* образуются в результате распада мышечных белков и включаются в ГНГ при длительном голодании или продолжительной мышечной работе (*см. раздел «Азотистый обмен на II курсе).
РЕАКЦИИ ГНГ
Большинство реакций ГНГ – обратимые реакции гликолиза, и катализируются теми же ферментами.
Однако 3 реакции гликолиза термодинамически необратимы. При ГНГ их надо обойти, проведя эндэргонические реакции (заплатив энергией макроэргов), с использованием других, нежели в гликолизе, ферментов.
Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций ГНГ происходит в митохондриях.
Рассмотрим более подробно эти обходные реакции ГНГ в случае биосинтеза глюкозы из ПВК.
1-я из необратимых стадий ГНГ – образование ФЕП из ПВК протекает в митохондриях. ПВК, образующийся из лактата или из некоторых аминокислот, транспортируется в матрикс митохондрий и там карбоксилируется с образованием ОАА. Катализирует эту реакцию митохондриальный фермент пируваткарбоксилаза (кофермент – биотин). Реакция протекает с использованием АТФ (*к какому классу относится этот фермент?)
Дальнейшие превращения ОАА протекают в цитозоле. Следовательно, нужен челночный механизм транспорта ОАА через митохондриальную мембрану, которая для него непроницаема. ОАА в матриксе митохондрий восстанавливается в малат (при участии NADH+Н+ - обратная реакция ЦТК).
Кроме того, ОАА способен транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата малат-аспартатным челночным механизмом (см. предыдущую тему).
В цитозоле малат вновь окисляется в ОАА с участием кофермента NАD+. Обе реакции (восстановление ОАА и окисление малата) катализируют малатдегидрогеназа, но в первом случае митохондриальная, а во втором – цитозольная. Образованный в цитозоле из малата ОАА затем превращается в ФЕП в ходе реакции, катализируемой ГТФ-зависимым ферментом фосфоенолпируваткарбоксикиназой (название фермента дано по обратной реакции).
Этот обходной участок ГНГ требует 2 молекулы макроэргов (АТФ и ГТФ) в расчѐте на одну молекулу исходного вещества – ПВК. В пересчѐте на синтез одной молекулы глюкозы из 2-х молекул ПВК расход составляет 2 моль АТФ и 2 моль ГТФ, или 4 моль АТФ (для удобства рассуждений предлагается считать, что энергозатраты на синтез АТФ и ГТФ равны).
После образования ФЕП все остальные реакции также протекают в цитозоле, вплоть до образования фруктозо-1,6-дифосфата и катализируются гликолитическими ферментами.
Схема всех реакций, протекающих на первой необратимой стадии ГНГ, представлена ниже.
Образование ОАА из ПВК
Обратимое превращение ОАА в малат
Превращение ОАА в ФЕП
Гидролиз фруктозо-1,6-дифосфата и глюкозо-6-фосфа-
та – также необратимые реакции ГНГ. В гликолизе эти вещества (активные формы метаболитов) образуются под действием киназ* с затратой АТФ. В ГНГ противоположные процессы протекают под действием фосфатаз* (*какой класс ферментов?).
Фруктозо-1,6-дифосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза катализируют отщепление фосфатной группы. После чего свободная глюкоза выходит из клетки в кровь.
Итак, в печени существуют 4 фермента, которые принимают участие только в ГНГ и катализируют обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Это:
пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируват-карбокси- киназа, фруктозо-1,6-дифосфатаза и глюкозо-6- фосфатаза.
Энергетический баланс ГНГ из ПВК
В ходе этого процесса на синтез 1 моль глюкозы из 2 моль ПВК расходуются 6 моль АТФ. 4 моль АТФ расходуются на стадии синтеза ФЕП из ОАА и ещѐ 2 моль АТФ на стадиях образования 1,3-дифосфоглицерата из 3-фосфоглицерата.
Суммарно ГНГ из ПВК выражается уравнением:
2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2(NАDН+ Н+) + 4 H2O → Глюкоза
+ 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Н3РО4 + 2 NАD+.
Цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл). 1 – поступление лактата из сокращающейся мышцы с током крови в печень; 2 – ГНГ из лактата; 3 – поступление глюкозы из печени с током крови в работающую мышцу; 4 – использование глюкозы сокращающейся мышцей с образованием лактата.
Цикл Кори выполняет важнейшую функцию – утилизация лактата, что предотвращает его накопление и, как следствие, метаболический ацидоз (лактоацидоз). Часть ПВК, образованного из лактата, окисляется печенью до СО2 и Н2О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций ГНГ.
СИНТЕЗ ГЛЮКОЗЫ ИЗ ЛАКТАТА
Лактат, образованный в анаэробном гликолизе, НЕ является конечным продуктом метаболизма. В печени его можно превратить в ПВК. Лактат как источник ПВК важен не столько при голодании, сколько при нормальной жизнедеятельности организма. Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает с током крови в печень. В печени отношение NАDН/NАD+ ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактат-дегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования ПВК из лактата. Далее ПВК включается в ГНГ, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Этот биохимический механизм называют «глюкозо-лактатным циклом», или «циклом Кори».
Кроме печени, другим потребителем лактата служат почки и сердечная мышца, где лактат может окисляться до СО2 и Н2О и использоваться как источник энергии, особенно при физической работе.
СИНТЕЗ ГЛЮКОЗЫ ИЗ АМИНОКИСЛОТ
В условиях голодания часть белков мышечной ткани распадается до аминокислот, которые далее включаются в процесс катаболизма. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в ПВК или метаболиты ЦТК, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена, поэтому называются гликогенными. Например, ОАА, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как ЦТК, так и ГНГ.
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 ПВК или сначала в ОАА, а затем в ПВК, которая трансаминированием* превращается в аланин. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в ПВК, которая частично окисляется и частично включается в ГНГ. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-
аланиновый цикл):
глюкоза в мышцах → ПВК 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.
* См. раздел «Азотистый обмен на II курсе».