20Глава 1 Введение в обмен углеводов
Напомним, что образование 1 NADH эквивалентно синтезу примерно 2,5 АТФ:
2 NADH × 3 = 6 АТФ
Суммируем:
4 АТФ + 6 АТФ = 10 АТФ
Теперь вычтем затраты:
10 АТФ – 2 АТФ = 8 АТФ
Таким образом, энергетический выход аэробного гликолиза составляет 8 мо-
лекул АТФ.
Б Анаэробный гликолиз
Протекает в отсутствии кислорода, поэтому NADH не передаёт электроны и протон на дыхательную цепь. Запишем суммарное уравнение анаэробного гликолиза:
Глюкоза + 2 NAD+ + 2 АДФ + 2 Фн → 2 Лактат + 2 АТФ + 2 H2O
Входе реакций:
1.Затрачивается: 2 АТФ (в 1-й и 3-й реакциях).
2.Образуется: 4 АТФ.
Молекулы NADH, образующиеся в анаэробном гликолизе, тратятся на восстановление пирувата в лактат (в 11-й реакции), поэтому они не влияют на общий энергобаланс гликолиза. Подсчитаем общий выход АТФ:
4 АТФ – 2 АТФ = 2 АТФ
Таким образом, энергетический выход анаэробного гликолиза составляет всего лишь 2 молекулы АТФ.
1.9Регуляция гликолиза
Гликолиз регулируется двумя основными путями:
1.Аллостерическая регуляция: период действия кратковременный — от нескольких минут до часов. Осуществляется с помощью аллостерических регуляторов — молекул, связывающихся с ферментами гликолиза и активирующих/выключающих их (регуляторы указаны выше в разделе 2.7).
2.Гормональная регуляция: период действия как кратковременный, так и длительный — от нескольких часов до нескольких дней. Гормоны, связываясь с рецепторами, вызывают фосфорилирование/дефосфорилирование ключевых регуляторных ферментов, а также повышают частоту транскрипции и трансляции этих же ферментов гликолиза. Таким образом достигается 10–20-кратное увеличение скорости реакций.
Регуляция гликолиза 21
Регуляция гликолиза и глюконеогенеза взаимосвязана. Особенности этой связи будут рассмотрены ниже.
ААллостерическая регуляция
Валлостерической регуляции участвуют три фермента гликолиза: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Это наглядно подтверждается данными об из-
менении свободной энергии в реакциях гликолиза — значение G для 1-й, 3-й и 10-й реакций имеет отрицательное значение (реакции экзергонические). Все остальные реакции находятся в термодинамическом равновесии. Скорость этих реакций очень высока, поэтому они едва ли могут ограничивать скорость гликолиза в целом.
Гексокиназа аллостерически ингибируется продуктом своей же реакции — глюкозо-6-фосфатом, а активируется субстратом — глюкозой. Регуляция гексикиназы связана с регуляцией фосфофруктокиназы: если фосфофруктокиназа ингибирована, накапливается её субстрат — фруктозо-6-фосфат, который быстро превращается в глюкозо-6-фосфат в ходе обратной реакции с помощью фосфоглюкоизомеразы. Однако это не относится к печёночному изоферменту глюкокиназе, который имеет меньшее сродство к глюкозе и не ингибируется глюкозо-6-фосфатом.
Фосфофруктокиназа является важнейшим регуляторным ферментом гликолиза. Мышечная фосфофруктокиназа аллостерически ингибируется высокими концентрациями АТФ, который связывается с регуляторным сайтом, расположенным вне активного центра, и снижает сродство фермента к субстрату — фруктозо-6-фос- фату. В результате скорость реакции падает. АМФ оказывает обратное действие, повышая сродство фосфофруктокиназы к субстрату. Таким образом, скорость реакции (и гликолиза в целом) повышается. Об энергетическом обеспечении клетки позволяет судить показатель АТФ/АМФ. Такая регуляция фосфофруктокиназы логична, поскольку, если АТФ в клетке достаточно, то абсолютно незачем тратить всю глюкозу на его избыток, когда можно израсходовать эту глюкозу в других метаболических пу-
тях или запасти в клетке. Иными словами, гликолиз ускоряется, когда в клетке мало энергии, и замедляется, когда её много. Всё вышесказанное характерно и для печёночной фосфофруктокиназы. Однако она имеет и некоторые свои особенности: ингибируется цитратом (цитрат участвует в биосинтезе жирных кислот, повышение его концентрации говорит о достаточном количестве энергии в клетке) и активируется фруктозо-2,6-бисфосфатом, важным аллостерическим регулятором (см. ниже).
Пируваткиназа катализирует последнюю реакцию аэробного гликолиза. Мышечный изотип этого фермента ингибируется АТФ, ацетил-КоА и аланином, а активируется фруктозо-1,6-бисфосфатом и фосфоенолпируватом. Печёночная пируваткиназа дополнительно ингибируется путем фосфорилирования под действием глюкагона. Биохимический смысл этой реакции в том, чтобы снизить потребление глюкозы печенью в период голодания, когда глюкоза нужна мышцам и нервным клеткам.
Б Гормональная регуляция
Инсулин. Печень является основным эффекторным органом панкреатических гормонов. Инсулин оказывает множественное действие на печень: он активирует гликолиз, синтез гликогена, жирных кислот и белка, ингибирует глюконеогенез, а
22 |
Глава 1 |
Введение в обмен углеводов |
также распад перечисленных выше соединений. Инсулин активирует транскрипцию генов глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы и бифункционального фермента в печени. Кроме того, инсулин активирует ферменты фосфофруктокиназу1 и пируваткиназу, ускоряя при этом весь гликолиз в целом.
Активация фосфофруктокиназы требует запуска сложного сигнального каскада. Этапы этого процесса приведены ниже:
1.Инсулин связывается с рецептором IR на поверхности мембраны гепатоцита и запускает сигнальный каскад.
2.Результатом сигнального каскада является дефосфорилирование ферментом протеинфосфатазой другого ключевого фермента — бифункционального фермента (БИФ). Кроме этого, происходит дефосфорилирование пируваткиназы.
3.БИФ представляет собой гомодимерный белок массой ~100 кДа. Этот белок содержит 2 активных центра, которые имеют отдельные наименования: фосфофруктокиназа-2 (синтезирует фруктозо-2,6-бисфосфат) и фруктозобисфосфатаза-2 (расщепляет фруктозо-2,6-бисфосфат). Фруктозо-2,6-бисфосфат — важный аллостерический активатор фермента гликолиза фосфофруктокиназы.
4.Инсулин вызывает дефосфорилирование БИФ и, следовательно, ингибирование фруктозо-2,6-бисфосфатазы-2. Активируется фосфофрукто- киназа-2, которая синтезирует фруктозо-2,6-бисфосфат.
5.Фруктозо-2,6-бисфосфат (не метаболит гликолиза) аллостерически ак-
тивирует фосфофруктокиназу, фермент гликолиза.
Глюкагон оказывает противоположное инсулину действие. Он стимулирует захват печенью аминокислот, активирует глюконеогенез, ингибирует гликолиз и биосинтез жирных кислот. Глюкагон ингибирует транскрипцию трех регулируемых ферментов гликолиза и активирует продукцию двух ферментов глюконеогенеза.
Сигнальный каскад, запускаемый глюкагоном, приводит к фосфорилированию пируваткиназы и БИФ и, следовательно, к активации фруктозобисфосфатазы и ингибированию фосфофруктокиназы-2. Фруктозобисфосфатаза расщепляет фруктозо- 2,6-бисфосфат, в результате чего снижается скорость гликолиза и запускается глюконеогенез (см. Тему 3).
Адреналин ингибирует гликолиз в печени, подобно глюкагону. Однако он оказывает слабовыраженное активирующее действие на гликолиз в мышцах. Кроме этого, адреналин активирует распад жиров (липолиз), гликогена и глюконеогенез.
Кортизол ингибирует гликолиз и активирует катаболические процессы в организме: распад гликогена, жиров, белков.
1Фосфофруктокиназа (или фосфофруктокиназа-1) — это фермент гликолиза, фосфорилирующий фруктозо-6-фосфат до фруктозо-1,6-бисфосфата. Не следует путать с фосфофруктокиназой-2, которая не является ферментом гликолиза, а лишь участвует в синтезе регуляторной молекулы — фруктозо-2,6-бисфосфата.