Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Лекции по общей биохимии

Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы глюкогенных аминокислот полностью включаются в молекулу глюкозы, других аминокислот (смешанных) – частично.

Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.

ОБХОД ДЕСЯТОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

На этом этапе глюконеогенеза работают два основных фермента – в митохондриях пи-

руваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.

Вмитохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Необходимо отметить, что эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротической (пополняющей) реакцией ЦТК.

Далее оксалоацетат должен попасть в цитозоль и превратиться в фосфоенолпируват. Однако дело осложняется непроницаемостью мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК. Повернуть малатдегидрогеназ-

ную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из-окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците. В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.

Вцитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

ОБХОД ТРЕТЬЕЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

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 и фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.

ОБХОД ПЕРВОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой. Она имеется только в печени и почках, следовательно, только эти ткани могут продуцировать свободную глюкозу. После завершения глюконеогенеза глюкоза выходит в кровь и разносится по организму.

В З А И М О О Т Н О Ш Е Н И Я Г Л И К О Л И З А И Г Л Ю К О Н Е О Г Е Н Е З А

Так как синтез и окисление глюкозы являются крайне важными для существования клетки (гликолиз) и всего организма (глюконеогенез), то регуляция этих процессов отвечает запросам органов и тканей при различных условиях.

Поскольку гликолитическое окисление глюкозы:

oявляется способом получения энергии и в аэробных и в анаэробных условиях, то оно непрерывно происходит во всех клетках и, конечно, должно и будет активировано при усилении работы клетки, например, сокращение миоцита, движение нейтрофилов;

oявляется источником глицерола и ацетил-SКоА, используемых для синтеза жиров в гепатоцитах и адипоцитах, то такое окисление активируется при избытке глюкозы в клетке. Глюконеогенез, как образование глюкозы в печени из неуглеводных компонентов, не-

обходим:

oпри гипогликемии во время мышечной нагрузки – синтез из молочной кислоты, поступающей из мышц, из глицерола, образующегося при мобилизации жиров;

oпри гипогликемии при голодании – синтез из аминокислот, образующихся при катаболизме белков, и из молочной кислоты.

Таким образом, при голодании или физической нагрузке глюконеогенез, идущий в пе-

чени, обеспечивает глюкозой все остальные клетки и органы (эритроциты, нервная ткань, мышцы и др.), в которых активны процессы, требующие глюкозу. Поступление глюкозы в эти клетки также необходимо, чтобы поддержать концентрацию оксалоацетата и обеспечить сгораниев ЦТК ацетил-SКоА, получаемого из жирных кислот или кетоновых тел.

Р Е Г У Л Я Ц И Я Г Л И К О Л И З А И Г Л Ю К О Н Е О Г Е Н Е З А

В целом можно выделить два способа регуляции гликолиза и глюконеогенеза: гормональная и метаболическая, т.е. при помощи промежуточных или конечных продуктов обмена глюкозы.

Существуют три участка, на которых происходит регуляция: o первая реакция гликолиза,

o третья реакция гликолиза и обратимая ей,

o десятая реакция гликолиза и обратимые ей.

Регуляция глюконеогенеза

Гормональная активация глюконеогенеза осуществляется глюкокортикоидами, кото-

рые увеличивают синтез пируват-карбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы,

фруктозо-1,6-дифосфатазы. Глюкагон стимулирует те же самые ферменты через аденилатциклазный механизм путем фосфорилирования.

Кроме гормонов, имеются метаболическая регуляция, при которой аллостерически ак-

тивируется пируваткарбоксилаза при помощи ацетил-SКоА, фруктозо-1,6-дифосфатаза

при участии АТФ.

Регуляция гликолиза

Гликолиз стимулируется инсулином, повышающим количество молекул гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы. В печени активность глюкокиназы регулируется гормонами: активацию вызывает инсулин и андрогены, подавляют ее активность глюкокортикоиды и эстрогены. Активность гексокиназ других клеток повышается инсулином, адреналином, тиреоидными гормонами, снижается – глюкокортикоидами и соматотропином.

К метаболической регуляции наиболее чувствительна фосфофруктокиназа. Она активируется АМФ и собственным субстратом, ингибируется – АТФ, лимонной кислотой, жирными кислотами. Пируваткиназа активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Гексокиназа клеток (кроме гепатоцитов) ингибируется продуктом собственной реакции – глюкозо-6-фосфа- том.

В К Л Ю Ч Е Н И Е Н Е У Г Л Е В О Д Н Ы Х В Е Щ Е С Т В В Г Л Ю К О Н Е О Г Е Н Е З

Синтез глюкозы из аминокислот

Ряд аминокислот являются глюкогенными, то есть их углеродные скелеты в той или иной степени способны включаться в состав глюкозы. Такими является большинство аминокислот, кроме лейцина и лизина, углероды которых никогда не участвуют в синтезе углеводов.

Синтез глюкозы из молочной кислоты

При физической нагрузке в мышцах продуцируется большое количество молочной кислоты. Также молочная кислота непрерывно образуется эритроцитами, независимо от состояния организма. С током крови она поступает в печень, где после проникновения в клетку превращается в пируват. Далее реакции идут по классической схеме.

Суммарная реакция синтеза глюкозы из молочной кислоты:

Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H2O Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн

Г Л Ю К О З О - Л А К Т А Т Н Ы Й И Г Л Ю К О З О - А Л А Н И Н О В Ы Й Ц И К Л Ы

Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) – это связь глюконеогенеза в печени и образования лактата в эритроцитах или мышцах из глюкозы. В эритроцитах молочная кислота образуется непрерывно, так как для них анаэробный гликолиз является единственным способом образования энергии.

В скелетных мышцах высокое накопление молочной кислоты является следствием гликолиза при очень интенсивной, субмаксимальной мощности, работе. Но даже при работе низкой и средней интенсивности в скелетной мышце образуется некоторое количество лактата. Утилизоваться он может только одним способом – превратиться в пировиноградную кислоту. Однако, сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за особенностей изофермента ЛДГ-5.

Поэтому во время и после нагрузки (при восстановлении) лактат удаляется из мышцы. Это происходит довольно быстро, всего через 0,5-1,5 часа молочной кислоты в мышце уже нет. Малая часть молочной кислоты выводится с мочой. Большая часть лактата захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза.

Полученная глюкоза используется самим гепатоцитом или выходит в кровь, пополняя запасы в мышце или других клетках.

За окисление оставшейся части этанола отвечает алкогольоксидаза (цитохром P450), также называемая микросомальная этанолокисляющая система (МЭОС) При регулярном поступлении этанола доля микросомального окисления возрастает, так как этанол является индуктором алкогольоксидазы и количество ее молекул увеличивается.

Поскольку при утилизации этанола образуется большое количество НАДН, то в цитозоле гепатоцитов активируется 11-я реакция гликолиза (превращение пирувата в лактат) и восстановление диоксиацетонфосфата в глицерол-3-фосфат. Все это приводит к гипогликемии, так как пировиноградная кислота и диоксиацетонфосфат являются субстратами глюконеогенеза.

Одновременно накопление "алкогольного" ацетил-SКоА ингибирует пируватдегидрогеназу, что еще больше усиливает накопление молочной кислоты и вызывает лактоацидоз.

Одновременно из-за относительной недостаточности оксалоацетата, использованного в глюконеогенезе, избыток "алкогольного" ацетил-SКоА не успевает окислиться в цикле трикарбоновых кислот и перенаправляется на синтез кетоновых тел, что обеспечивает возникно-

вение кетоацидоза.

Если запасы гликогена в печени изначально невелики (голодание, недоедание, астеническое телосложение) или израсходованы (после физической работы), то при приеме алкоголя натощак гипогликемия наступает быстрее и может быть причиной потери сознания. К этому стоит добавить сильный диуретический эффект этанола, ведущий к быстрому обезвоживанию организма и снижению кровоснабжения головного мозга со всеми вытекающими последствиями.

С П И Р Т О В О Е Б Р О Ж Е Н И Е

Образование этилового спирта из глюкозы происходит в анаэробных условиях в дрожжах и некоторых видах плесневых грибков. Суммарное уравнение реакции:

C6H12О6 2 CО2 + 2 С2Н5ОН + 2 АТФ

До стадии образования пирувата реакции спиртового брожения совпадают с реакциями гликолиза. Отличия заключаются только в дальнейшем превращении пировиноградной кислоты.

Цель этих превращений у указанных организмов – удалить пируват из клетки и окислить НАДН, который образовался в 6-й реакции.

ПЕ Н ТОЗОФО СФ АТНЫ Й П У ТЬ ОК ИСЛЕ Н ИЯ ГЛЮК ОЗЫ

Наиболее активно реакции пентозофосфатного пути (ПФП) идут в цитозоле клеток печени, жировой ткани, эритроцитах, коре надпочечников, молочной железе при лактации, в гораздо меньшей степени в скелетных мышцах. Этот путь окисления глюкозы не связан с образованием энергии, а обеспечивает анаболизм клеток. В связи с этим у новорожденных и детей первых лет жизни его активность довольно высока.

Пентозофосфатный путь (см стр.240) включает два этапа – окислительный и неокислительный.

На первом, окислительном, этапе глюкозо-6-фосфат в трех реакциях превращается в рибулозо-5-фосфат, реакции сопровождаются восстановлением двух молекул НАДФ до НАДФН.

На этом этапе происходит регуляция процесса: инсулин повышает активность глюкозо- 6-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглюконат-дегидрогеназы.

Второй этап – этап структурных перестроек, благодаря которым пентозы способны возвращаться в фонд гексоз. В этих реакциях рибулозо-5-фосфат изомеризуется до рибозо-5- фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Далее под влиянием ферментов транскетолазы и трансальдолазы происходят структурные перестройки с образованием других моносахаридов. При реализации всех реакций второго этапа пентозы превращаются во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат. Из глицеральдегид-3-фосфата при необходимости могут образоваться гексозы.

ЗН А Ч Е Н И Е П Е Н Т О З О Ф О С Ф А Т Н О Г О П У Т И

1.Значение первого этапа пентозофосфатного пути заключается в синтезе НАДФН. Образованный НАДФН используется:

o для синтеза жирных кислот,

o для синтеза холестерола и других стероидов (например, желчных кислот),

oдля синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты (реакция восстановительного аминирования),

o для синтеза дезоксирибонуклеотидов,

o для систем защиты клетки от свободно-радикального окисления (антиоксидантные системы),

o для деятельности цепи микросомального окисления (цитохром Р450),

oдля восстановления железа (III) метгемоглобина в железо (II) нормального гемоглобина,

oдля реактивации фолиевой кислоты и витамина К.

2.Значение второго этапа двояко:

oлибо в первой реакции образуется рибозо-5-фосфат, который используется при синтезе рибонуклеотидов и остальные пентозы стекаются в эту реакцию. Рибозо-5-фосфат необходим для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и нуклеиновых кислот,

o либо образуемые пентозо-5-фосфаты превращаются во фруктозо-6-фосфат и глицер–аль- дегид-3-фосфат и вливаются в путь гликолиза.

При определенных условиях разные клетки могут выключать или подключать второй неокислительный этап.

РОЛЬ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ПУ ТИ В РАЗЛИЧНЫХ КЛЕТКАХ

Метаболизм глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути может идти по различным вариантам. Судьба метаболитов пентозофосфатного пути зависит от ситуации, потребностей клетки и ее типа.

Пример 1

Рассмотрим ситуацию, когда потребность клетки в НАДФН и рибозо-5-фосфате сбалансирована. Например, при росте и делении клетки требуется рибоза для синтеза рибонуклеотидов и НАДФН для превращения рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды. При таких условиях реакции 1 этапа идут обычным порядком – образуется две молекулы НАДФН, но реакции 2 этапа обрываются на стадии синтеза рибозо-5-фосфата.

Пример 2

Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, как, например, в адипоцитах и печени при синтезе жирных кислот, то по окислительным реакциям пентозофосфатного пути образуются НАДФН и рибулозо-5-фосфат. Далее, под действием ферментов 2 этапа, рибулозо-5-фосфат превращается в пентозо-5-фосфаты и далее во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Полученные продукты превращаются в пируват и ацетил-SKoA и, в основном, используются для синтеза жиров. Одновременно ГАФ может превращаться в глицерол-3-фосфат и уходить в биосинтез триацилглицеролов.