Metabolicheskaia_biokhimiia

151

Итак, аэробный распад 1 молекулы глюкозы до СО2 и Н2О сопряжен с аккумулированием 30-32 молекул АТФ.

В анаэробных условиях распад глюкозы до пирувата происходит аналогично, как и в аэробных условиях. В анаэробных условиях в результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты в молочную кислоту (лактат). Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН+Н+, образованного при окислении глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту.

Образование лактата позволяет регенерировать НАД+, который затем снова используется в реакции, катализируемой глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназой. В гликолизе выделяют центральную окислительно-

восстановительную реакцию гликолиза (гликолитическую оксидоредукцию),

которая состоит в окислении глицеральдегид-3-фосфата с образованием НАДН+Н+ и последующим переносом атомов водорода от НАДН+Н+ на пируват, на рисунке 35.

В анаэробном гликолизе образуется 4 молекулы АТФ и 2 молекулы АТФ тратятся, т.е. анаэробный распад 1 молекулы глюкозы до 2-х молекул лактата сопряжен с аккумулированием 2 молекул АТФ. Если в анаэробный гликолиз вступает молекула глюкозо-1-фосфата, образованная при фосфоролитическом распаде гликогена, то в результате ее превращения до 2- х молекул лактата будет резервировано 3 молекулы АТФ.

Рисунок 35. – Центральная окислительно-восстановительная реакция гликолиза

Общее изменение стандартной свободной энергии ( G0 ) при полном окислении глюкозы до СО2 и Н2О составляет 2867,5 кДж/моль, при анаэробном гликолизе до 2 молекул молочной кислоты – 196,5 кДж/моль. Большая часть (93%) биологически доступной энергии, заключенной в молекуле глюкозы, сохраняется в продуктах гликолиза (две молекулы пирувата или лактата). Эта энергия может высвободиться только в том

151

152

случае, если продукты гликолиза подвергнутся полному окислению до СО2 и Н2О молекулярным кислородом, играющим роль акцептора электронов.

Эффект Пастера - ингибирование гликолиза (накопления лактата) кислородом. Механизмы эффекта:

1.При аэробном распаде углеводов не функционирует окислительно-

восстановительная реакция гликолиза, поскольку восстановительные эквиваленты НАДН+Н+ из цитоплазмы переносятся в митохондрии. Поэтому НАДН+Н+ не может служить для восстановления пирувата в лактат.

2.При аэробных условиях образуются цитрат и АТФ, которые аллостерически тормозят активность фосфофруктокиназы (реакция лимитирует скорость всего процесса).

3.Дыхание подавляет гликолиз из-за конкуренции за АДФ между митохондриальной цепью переноса электронов, с одной стороны, и фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакциями гликолиза в цитоплазме, с другой. АДФ преимущественно используется в реакции окислительного фосфорилирования в митохондриях, а не субстратного фосфорилирования в гликолизе.

Гликолиз лежит в основе процессов брожения, т.е. катаболических превращений углеводов микроорганизмами в анаэробных условиях. Смотри таблицу 7.

Таблица 7. – Виды брожения

Брожение, как и анаэробное расщепление углеводов, – это внутренние

152

153

окислительно-восстановительные процессы, в результате которых роль конечного акцептора электронов и протонов играет не кислород, а

органические соединения. Гомоферментативное молочнокислое брожение идентично по химизму реакциям гликолиза в анаэробных условиях. В результате из глюкозы образуется молочная кислота с почти 100%-м выходом, при гетероферментативном (смешанном) молочнокислом брожении из глюкозы в процессе ее метаболизма, кроме молочной кислоты, образуются другие продукты.

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибами. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

С6Н12О6 → 2 С2Н5ОН + 2 СО2

Процесс спиртового брожения протекает по пути гликолиза до образования пирувата. В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвергается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид. Данная реакция катализируется пируватдекарбоксилазой, которая требует наличия ионов Mg2+ и кофермента тиаминпирофосфата. Затем образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН+Н+, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой. Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО2, а не молочная кислота, как при гликолизе.

Экзогенный этанол всасывается в желудке (20%) и в кишечнике (80%). Всасывание замедляется при одновременном потреблении жирной пищи. Превращения экзогенного этанола происходит с участием 3-х ферментативных систем: 1) алкогольдегидрогеназа (80%), 2) микросомальная этанолокисляющая система (15%) и 3) каталаза (около 5%).

1.Алкоголь окисляется в печени цитозольным ферментом

алкогольдегидрогеназой до ацетальдегида, что сопровождается накоплением избыточного количества НАДН. C2H5OH + НАД+→ CH3CHO + НAДH+Н+. НАДН конкурирует с восстановительными эквивалентами, образованными при окислении других субстратов, за цепь переноса электронов.

2.Далее ацетальдегид окисляется до ацетата митохондриальной

альдегиддегидрогеназой. CH3CHO + НАД++H2O→ CH3COO- + НAДH + H+.

3.Ацетат превращается в ацетил-КоА, ацетильная группа которого окисляется в ЦТК для получения энергии.

4.Ацетил-КоА может использоваться для биосинтеза липидов в

печени.

5.Этанол может окисляться микросомальной этанолокисляющей системой C2H5OH + НAДФН + H+ + O2→ CH3CHO + НАДФ+ + 2 H2O.

Этанол может ингибировать метаболизм некоторых лекарств, например, барбитуратов, конкурируя за цитохром Р-450.

В последние три десятилетия интенсивно изучалась роль эндогенного

153

154

этанола и эндогенного ацетальдегида во внутренней среде организма (школа академика Ю.М. Островского). Эндогенным этанолом называют этанол крови и тканей, когда поступление в организм экзогенного этанола исключено. При определении уровня эндогенного этанола методами газовой хроматографии с идентификацией масс-спектрометрическим методом оказалось, что его концентрация в крови человека находится в пределах 0,1- 0,3 мкг/мл; максимальное содержание эндогенного этанола в крови не превышало 0,75-1,6 мкг/мл. Для сравнения отметим, что при концентрации экзогенного этанола в крови менее 1,5 г/л имеется слабое опьянение, 1,5- 2,5 г/л – опьянение средней степени и более 2,5 г/л – сильное опьянение. Следовательно, эндогенный этанол существует, но его концентрация меньше таковой при потреблении алкогольных напитков примерно на 6 порядков.

4.2.5 Глюконеогенез

Глюконеогенез – синтез углеводов из неуглеводных предшественников (гликогенных аминокислот, глицерола, лактата, пропионовой кислоты). Глюконеогенез протекает в цитозоле клеток печени и почек, хотя некоторые предшественники образуются в митохондриях. Глюконеогенез необходим для синтеза глюкозы, которая является источником энергии, особенно для нервной ткани и эритроцитов. При голодании более 1 суток за счет глюконеогенеза поддерживается базальный уровень глюкозы в крови, и метаболизм обеспечивается промежуточными продуктами ЦТК. При

интенсивной физической работе синтез глюкозы происходит из лактата и глицерола; при голодании – из глицерола, образующегося при распаде жиров и аминокислот, освобождающихся в процессе катаболизма белков мышц.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Величина G0 при образовании пирувата из глюкозы в стандартных условиях равно -79,9 кДж/моль. Основное уменьшение свободной энергии имеет место в трех необратимых реакциях,

катализируемых гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназной.

В процессе глюконеогенеза для обращения этих трех необратимых этапов используются другие ферменты.

1. При интенсивной мышечной работе образуется лактат, который током крови поступает в печень. В цитозоле под действием лактатдегидрогеназы лактат окисляется в пируват, который поступает в митохондрии. Прямой синтез фосфоенолпирувата из пирувата невозможен из-за необратимости пируваткиназной реакции, поэтому используется обходной путь из нескольких ферментов. Вначале пируват поступает в

митохондрии и при участии биотин-зависимой пируваткарбоксилазы, СО2 и

АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата. Это ключевой момент для энергетического преодоления пируваткиназной реакции в обходных реакциях. Для транспорта из митохондрий в цитозоль оксалоацетат восстанавливается в малат с участием фермента НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В цитозоле происходит обратный процесс окисления малата в оксалоацетат под действием цитозольной малатдегидрогеназы с

154

155

коферментом НАД+ (см. малатный челночный механизм). Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназы превращается в

фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка служит ГТФ.

На этом завершается путь обхода необратимой пируваткиназной реакции (рисунок 36).

Рисунок 36. – Превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват

Фосфоенолпируват в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат.

2.Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой – фруктозо-1,6-бисфосфатазой (обход необратимой фосфофруктокиназной реакции).

3.В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6- фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, который дефосфорилируется под влиянием фермента глюкозо-6-фосфатазы (обход необратимой гексокиназной реакции).

В большинстве тканей на этом завершается глюконеогенез и свободная глюкоза не выделяется. Глюкозо-6-фосфат далее превращается разными путями, в том числе и в гликоген. Только два органа – печень и почки, в которых имеется фермент глюкозо-6-фосфатаза, связанный с мембранами эндоплазматического ретикулума, способны освобождать глюкозу в кровь. Смотри рисунок 37.

Рисунок 37. – Освобождение глюкозы из глюкозо-6-фосфата

В процессе участвуют белки эндоплазматического ретикулума (ЭПР):

155

156

Т1 транспортирует глюкозо-6-фосфат в просвет ЭПР, Т2 и Т3 транспортируют неорганический фосфат и глюкозу в цитозоль. Глюкозо-6- фосфатаза стабилизируется Са2+-связывающим белком (SP).

Транспортер глюкозы в цитозоль по строению такой же, как и в плазматической мембране клеток. Неорганический фосфат и глюкоза выделяются в цитозоль вместе. Таким образом, для превращения глюкозо-6-

фосфата в свободную глюкозу необходимо 5 белков.

Изменения свободной энергии Гиббса в стандартных условиях протекания реакций глюконеогенеза представлены в таблице 8.

Таблица 8. – Изменения G0 (кДж/моль) в реакциях глюконеогенеза от

пирувата до глюкозы (D.R. Appling, S.J. Anthony-Cahill, C.K. Mathews)

Для синтеза глюкозы из пирувата требуется больше макроэргических фосфатных групп по сравнению с образованием макроэргов при превращении глюкозы в пируват: для обеспечения глюконеогенеза требуется 4 АТФ, 2 ГТФ и 2 НАДН (при окислении в цепи переноса электронов дают 5 АТФ).

В организме существует взаимосвязь гликолиза и глюконеогенеза на органном уровне. Основным субстратом для глюконеогенза является лактат, образованный активной скелетной мышцей. Плазматическая мембрана обладает высокой проницаемостью для лактата. Поступив в кровь, лактат переносится в печень, где в цитозоле окисляется в пируват. Пируват затем превращается в глюкозу по пути глюконеогенеза. Глюкоза поступает далее в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эти превращения составляют

цикл Кори.

Превращения метаболитов в глюконеогенезе

156

157

скоординированы так, что один процесс активен, а второй неактивен. Если одновременно активны оба процесса, то следует гидролиз четырех молекул нуклеотидтрифосфатов (2 АТФ и 2 ГТФ) в каждом цикле. Оба процесса экзергоничны, поэтому термодинамически невыгодна одновременная их активация.

1.Ацетил-КоА активирует, а АДФ ингибирует пируваткарбоксилазу (первый фермент глюконеогенеза). Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Скорость гликолиза зависит от концентрации глюкозы, а скорость глюконеогенеза – от концентрации лактата и других предшественников глюкозы.

2.Фруктозо-1,6-бисфосфатаза ингибируется АМФ. В то же время АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы. При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина АТФ/АМФ низкая, в клетке наблюдается расщепление глюкозы. Высокий уровень АМФ показывает, что энергетический заряд снижен и требуется синтез АТФ. Высокий уровень АТФ и цитрата демонстрирует высокий энергетический заряд и возможность биосинтетических процессов.

3.Активность фосфофруктокиназы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы регулируется концентрацией фруктозо-2,6-бисфосфата в печени. Фруктозо- 2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу (гликолиз) и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу (глюконеогенез).

4.При голоде преобладает глюконеогенез, поскольку концентрация фруктозо-2,6-бисфосфата очень низкая. Освобождение глюкозы в этих условиях крайне необходимо для питания мозга и мышц. Высокие уровни АТФ и аланина ингибируют пируваткиназу (гликолиз) в печени. АДФ также ингибирует фосфоенолпируваткарбоксикиназу (глюконеогенез). Следовательно, глюконеогенез преобладает, если в клетках много АТФ и предшественников биосинтетических процессов.

5.Инсулин, выделяющийся после еды, повышает проницаемость клеток для глюкозы и усиливает экспрессию ключевых ферментов гликолиза: фосфофруктокиназы и пируваткиназы, а также стимулирует превращение глюкозы в резервные молекулы. Глюкагон, выделяемый при голоде, ингибирует экспрессию этих ферментов и стимулирует образование двух ключевых ферментов глюконеогенеза – фосфоенолпируваткарбоксикиназы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы.

6.Регуляция при физической работе: 1) АДФ и сами гексозы, которые накапливаются в мышцах в начале работы, аллостерически активируют ферменты распада глюкозы; 2) глюкокортикоиды и глюкагон, выделяющиеся при длительной работе и голодании стимулируют в печени синтез ферментов глюконеогенеза; 3) жирные кислоты, которые мобилизуются из жировой ткани при длительной работе и голодании и продукты их обмена (АТФ, ацетил-КоА, цитрат) аллостерически ингибируют в мышцах и печени ферменты синтеза глюкозы.

157

158

Парные реакции типа образования фруктозо-1,6-бисфосфата из фруктозо-6-фосфата (фосфофруктокиназа) и превращения фруктозо-1,6- бисфосфата в фруктозо-6-фосфат (фруктозо-1,6-бисфосфатаза) называют субстратными циклами. Как правило, одновременно оба превращения не могут быть активными из-за избыточного расходования АТФ, поэтому эти реакции подвержены аллостерической регуляции. Поэтому такие циклы иногда называют футильными (расточительными) субстратными циклами.

Тема 4.3 Апотомический (пентозомонофосфатный) путь катаболизма глюкозы. Анаболизм углеводов

4.3.1 Пентозофосфатный путь обмена углеводов

Пентозофосфатный путь распада глюкозы (ПФП) называется также гексозомонофосфатным шунтом или фосфоглюконатным путем. Этот альтернативный гликолизу и ЦТК путь окисления глюкозы был описан в 50-х годах ХХ века Ф.Дикенсом, Б.Хорекером, Ф.Липманном и Е.Рэкером.

Ферменты пентозофосфатного пути локализованы в цитозоле. Наиболее активно ПФП протекает в почках, печени, жировой ткани, коре надпочечников, эритроцитах, лактирующей молочной железе. В

большинстве из этих тканей протекает процесс биосинтеза жирных кислот и стероидов, что требует НАДФН.

Выделяют окислительную и неокислительную фазы ПФП, смотри на рисунке 38 и 39.

Окислительная фаза ПФП

1.Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа является НАДФ-зависимым ферментом и дегидрирует глюкозо-6-фосфат в 6-фосфоглюконолактон.

2.6-фосфоглюконолактон – нестабильное соединение, которое либо спонтанно, либо с помощью фермента лактоназы гидролизуется с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконата).

3.6-фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) дегидрирует

идекарбоксилирует 6-фосфоглюконат. В результате образуется рибулозо-5- фосфат.

4.Эпимераза катализирует превращение рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат.

5.Фермент изомераза превращает рибулозо-5-фосфат в рибозо-5- фосфат. Если рибозо-5-фосфат вовлекается в анаболические процессы, пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Для этого рибозо-5-фосфат превращается в 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ) в реакции, катализируемой рибозофосфат-пирофосфокиназой.

158

159

Рисунок 38. – Пентозофосфатный путь обмена углеводов. Состоит из окислительной фазы образования НАДФН и неокислительной фазы (серый цвет) превращений фосфорилированных сахаров

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа лимитирует превращения в окислительных реакциях пентозофосфатного пути. Активность окислительных реакций пентозофосфатного пути оценивают по трем показателям:

1)активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы;

2)по количеству ФРПФ;

3)объему биосинтеза пуриновых нуклеотидов.

По степени выраженности окислительных реакций пентозофосфатного пути на основании количественной оценки этих трех показателей органы располагаются в последовательности: почки > печень > сердечная мышца > скелетная мышца.

159