Методичка по биохимии. 1 курс - 2 модуль

Рис. 7 Общая схема пентозофосфатного цикла

Особенности пентозофосфатного пути в различных тканях.

В отличие от др. основных путей метаболизма углеводов функционирование пентозофосфатного цикла нельзя представить в виде линейной последовательности реакций, приводящей непосредственно от 1

молекулы глюкозо-6-фосфата к 6 молекулам CO2. Пентозофосфатный цикл характеризуется возможностью многообразных взаимопревращений его метаболитов, происходящих по нескольким альтернативным путям.

Если клетка нуждается в больших количествах НАДФН, например,

синтез жирных кислот и холестерина в печени, то активно протекает ПФЦ:

идут реакции окислительной и неокислительной ветви, а образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат превращаются в глюкозо-6-

фосфат и цикл повторяется снова.

Если клетке нужны НАДФН и энергия АТФ (как в эритроцитах), то образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат включаются в гликолиз.

Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-

фосфат. В этом случае второй этап идти не будет, весь образованный рибулозо-5-фосфат превратится в рибозо-5-фосфат и используется на синтез нуклеотидов. НАДФН используется для синтеза дезоксирибонуклеотидов.

В тканях, которые не испытывают значительную потребность в

НАДФН, (например, скелетные мышцы) функционирует только неокислительная стадия ПФП, причем ее реакции идут в обратную сторону начиная с фруктозо-6-фосфата до рибозо-5-фосфат.

3. Регуляция пентозофосфатного пути

Неокислительные реакции могут начинаться от фруктозо-6-фосфата и завершаться образованием пентозофосфатов или они могут быть продолжением окислительных реакций, включая превращения пентозофосфатов в глюкозо-6-фосфат. Поток метаболитов через ПФП и образование НАДФ+ определяется функциональным состоянием клеток тканей.

Регуляция пентозофосфатного цикла осуществляется с помощью.

гормонов и аллостерически.

Регуляторным является первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, которая существует в фосфорилированной и дефосфорилированной форме. Активной является дефосфорилированная форма фермента, которая образуется под действием протеинфосфатазы, активируемой инсулином. В печени глюкозо-6-

фосфатдегидрогеназа, как и ключевые ферменты гликолиза и биосинтеза жирных кислот, индуцируется при увеличении соотношения инсулин/глюкагон после приёма богатой углеводами пищи, а снижается при голодании и сахарном диабете.

Аллостерически скорость ПФЦ регулируется в первую очередь

концентрацией НАДФН, который ингибирует глюкозо-6-

фосфатдегидрогеназу. Реакции окислительного пути протекают только в случае активного использования гидрированного НАДФН в восстановительных процессах или в системе антиоксидантной защиты.

Если клетки активно используют НАДФ+, то увеличивается концентрация НАДФ+, который повышает активность фермента и тем самым восполняет количество НАДФН.

Избыток рибозо-5-фосфата может превращаться в промежуточные продукты гликолиза.

3.1. Связь ПФП и гликолиза.

Пентозофосфатный путь и гликолиз тесно связаны и в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке, возможны переключения с одного пути на другой.

При сбалансированной потребности в NADPH и пентозах в клетке

происходит окислительный путь синтеза пентоз. Если потребности в пентозах превышают потребности в NADPH, то окислительный путь шунтируется за счет использования метаболитов гликолиза: фруктозо-6-фосфат и глицероальдегидфосфат в реакциях неокислительного пути превращаются в пентозы.

Если же NADPH необходим в большей степени, чем пентозы, то

возможны два варианта:

-при высоком энергетическом статусе клетки излишки пентоз путем обратных реакций неокислительного пути превращаются в фруктозо-6-фосфат и глицероальдегидфосфат, из которых в процессе глюконеогенеза образуется глюкоза;

-при низком энергетическом статусе клетки из пентоз также образуются глицероальдегидфосфат и фруктозо-6-фосфат, которые затем включаются в гликолиз.

Глицеральдегид-3-фосфат в зависимости от условий и вида клеток может включаться в гликолиз, либо через диоксиацетонфосфат восстанавливаться в α-глицерофосфат и далее на синтез ТАГ. При необходимости из него могут получаться и гексозы.

4.Наследственные нарушения пентозофосфатного пути связаны

сгенетической недостаточностью фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

Следствием ферментного дефекта является снижение синтеза НАДФН в клетке. Особенно существенно это влияет на эритроциты, в которых окислительный этап пентозофосфатного цикла является единственным источником НАДФН. Из разнообразных функций НАДФН в данном случае имеет значение одна – участие в работе антиоксидантной системы.

Рекомендуемая литература по дисциплине «Молекулярная медицина»:

1.Северин Е.С., Биохимия [Электронный ресурс]: учебник / под ред. Е. С. Северина. - 5-е изд., испр. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2016. - 768 с. - ISBN 978-5-9704-3762-9 - Режим

доступа: http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970437629.html

2.Авдеева Л.В., Биохимия [Электронный ресурс] / Авдеева Л.В., Алейникова Т.Л., Андрианова Л.Е., Белушкина Н.Н., Волкова Н.П., Воробьева С.А., Голенченко В.А., Губарева А.Е., Корлякова О.В., Лихачева Н.В., Павлова Н.А., Рубцова Г.В., Силаева С.А., Силуянова С.Н., Титова Т.А. - М. : ГЭОТАР-

Медиа, 2014. - 752 с. - ISBN 978-5-9704-3043-9 - Режим доступа: http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970430439.html

3.Губарева А.Е., Биологическая химия. Ситуационные задачи и тесты [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Е. Губарева [и др.] ; под ред. А. Е.

Губаревой. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2016. - 528 с. - ISBN 978-5-9704-3561-8 -

Режим доступа: http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970435618.html

Тема: «Синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы -

глюконеогенез, регуляция»

Цель занятия: изучить синтез глюкозы в процессе глюконеогенеза,

определить его связь с другими обменами.

План:

1.Глюконеогенез: характеристика процесса, субстраты,

локализация процесса, биологическое значение.

2.Необратимые реакции гликолиза и глюконеогенеза. Схема глюконеогенеза в организме человека, этапы, ферменты.

3.Синтез глюкозы из лактата и глицерина, аминокислот. Циклы:

Кори и глюкозо-аланиновый.

4.Регуляция процессов гликолиза и глюконеогенеза.

1. Глюконеогенез: характеристика процесса, субстраты,

локализация процесса, биологическое значение.

Глюконеогенез – процесс синтеза глюкозы «de novo» из веществ неуглеводной природы.

Некоторые ткани, например мозг, нуждаются в постоянном поступлении глюкозы. Когда поступление углеводов в составе пищи недостаточно,

содержание глюкозы в крови некоторое время поддерживается в пределах нормы за счёт 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

Биологическая роль глюконеогенеза - поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок.

Локализация: главным образом 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 счёт окисления жирных кислот.

Первичные субстраты глюконеогенеза: лактат, аминокислоты и глицерол.

Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.

Лактат - образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно.

Аминокислоты - образуются в результате распада белков мышц и соединительной ткани и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной нагрузке.

Глицерол - высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в постабсорбтивный период или при физической нагрузке;

Рис.1 Включение субстратов в глюконеогенез: связь трех видов обмена веществ

2. Неообратимые реакции гликолиза и глюконеогенеза. Схема

глюконеогенеза в организме человека, этапы, ферменты.

Большинство реакций гликолиза и глюконеогенеза являются обратимыми и катализируются одними и теми же ферментами. Три реакции гликолиза (1,3 и 10-я) являются необратимыми, поэтому существуют обходные стадии глюконеогенеза и гликолиза. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями.

I-я обходная стадия: образование ФЕП из пирувата.

II-я обходная стадия: гидролиз фруктозо-1,6-бисфосфата

III-я обходная стадия: гидролиз глюкозо6-фосфата.

I-я обходная стадия: образование фосфоенолпирувата из пирувата состоит из 4-х реакций. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает ПВК в оксалоацетат. Эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротической (пополняюшей) реакцией ЦТК.

Мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата.

оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат. Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисления жирных кислот,

активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците.

В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.

В цитоплазме фосфоенолпируваткарбоксикиназа осуществляет превращение ОАА в ФЕП, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

После образования фосфоенолпирувата все остальные реакции также протекают в цитозоле вплоть до образования фруктозо-1,6-бисфосфата и катализируются гликолитическими ферментами.

Рис.2 Схема превращения пирувата в ФЕП.

II-я обходная стадия: гидролиз фруктозо-1,6-бисфосфата

Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы.

Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-

фосфат.

III-я обходная стадия: гидролиз глюкозо-6-фосфата.

Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой. Она имеется только в печени и почках, следовательно, только эти ткани могут продуцировать свободную глюкозу.

3.Синтез глюкозы из лактата и глицерина, аминокислот. Циклы:

Кори и глюкозо-аланиновый.

Синтез глюкозы из пирувата. В ходе этого процесса расходуются 6

моль АТФ на синтез 1 моль глюкозы из 2 моль пирувата. Четыре моль АТФ расходуются на стадии синтеза фосфоенолпирувата из оксалоацетата и ещё 2

моль АТФ на стадиях образования 1,3-бисфосфоглицерата из 3-фосфо-

глицерата.

Суммарный результат глюконеогенеза из пирувата выражается следующим уравнением:

2 Пируват + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 (NАDН+ Н+) + 4 H2O →

Глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Н3РО4 + 2 NАD+.

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 пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных.

Например, оксалоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратного цикла, так и глюконеогенеза.

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 пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот.