Аэробное окисление других углеводов

В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых коли чествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит об разование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.

2.1.3.1. Начальный этап метаболизма галактозы

Галактоза, поступающая в клетки, подвергается фосфорилирова нию при участии фермента галактокиназы:

В следующей реакции образовавшийся Гал1ф взаимодействует с УДФглюкозой с образованием УДФгалактозы:

Реакция катализируется ферментом гексозо 1 фосфатуридилтрансфе разой.

Далее УДФгалактоза изомеризуется в УДФглюкозу при участии фермента эпимеразы:

УДФгалактоза > УДФглюкоза

Затем при взаимодействии с следующей молекулой Гал1ф обра зовавшийся в составе УДФглюкозы глюкозный остаток выделяется в виде глюкозо1фосфата. Гл1ф изомеризуется при участии фосфо глюкомутазы в гл6фосфат и включается в общий путь окисления глюкозы.

2.1.3.2. Начальный этап метаболизма фруктозы Фруктоза также после поступления в клетки подвергается фос форилированию с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Реакция катализируется ферментом фруктокиназай. Образовавшийся Фр1ф расщепляется на глицериновый альдегид и фосфогидрокси ацетон ( ФГА ) при участии фермента фруктозо1фосфатальдо лазы . Глицериновый альдегид при участии фермента триозокиназы превращается в 3фосфоглицериновый альдегид, в ходе фосфорилиро вания используется молекула АТФ, переходящая в АДФ. Фосфогидр оксиацетон при участии триозофосфатизомеразы также превращается в 3фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, из молекулы фрук тозы получается 2 молекулы 3фосфоглицеринового альдегида, а 3ФГА является промежуточным метаболитом окислительного расщепления глю козы.

Схема превращения фруктозы в 2 молекулы 3 ФГА

Возможен другой вариант начального этапа метаболизма фрукто зы. В этом случае фруктоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы с образованием фруктозо6фосфата с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Однако способность гексокиназы фосфорилировать фруктозу сильно ингибиру ется в присутствии глюкозы, поэтому считается маловероятным, что бы этот вариант использования фруктозы играл скольлибо сущест венную роль в ее метаболизме.

2.1.3.3. Начальный этап метаболизма гликогена

Окислительное расщепление остатков глюкозы из молекулы гликогена чаще всего начинается с его фосфоролитического расщепления: при участии фермента фосфорилазы с использованием неорганческого фосфата от молекулы гликогена последовательно отщепляются моносахаридные блоки с образованием глюкозо1фосфата. Гл1ф при участии фосфоглюкомутазы превращается в гл6Ф метаболит окис лительного пути расщепления глюкозы. Такой путь использования гликогена характерен для клеток мышц или печени.

Для клеток мозга или кожи преобладающим является амилолити ческий путь расщепления гликогена: вначале под действием фермен тов амилазы и мальтазы гликоген расщепляется до свободной глюко зы, а затем глюкоза фосфорилируется и подвергается дальнейшему окислению уже известным нам путем.

2.1.4. Анаэробный метаболизм углеводов

Человек является аэробным организмом, так как основным ко нечным акцептором отщепляемых от окисляемых субстратов атомов во дорода является кислород. Парциальное давления кислорода в тканях составляет в среднем 3540 мм рт. ст. Но это вовсе не значит, что при определенных условиях в тканях не возникает дефицит кислорода, делающий невозможным протекание аэробных окислительных процессов. Торможение окислительных процессов при дефиците кислорода связано с тем, что клеточный пул НАД+ и других коферментов. способных ак цептировать атомы водорода от окисляемых субстратов, весьма ограни чен. Как только основная их масса переходит в восстановленное состояние изза дефицита кислорода, дегидрирование субстратов прекращается. Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.

В подобного рода условиях в клетках различных органов и тка ней включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не за висящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэроб ное окисление глюкозы анаэробный гликолиз, и анаэробное расщеп ление гликогена гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ра нее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образо вания пирувата. Однако далее эти пути расходятся: если в аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию, то в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливает ся в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатде гидрогеназой:

СООН СООН

С=О + НАДН+Н+ > НСОН + НАД+

СН3 СН3

Поскольку в ходе лактатдегидрогеназной реакции используются молекулы НАДН+Н+, ранее образовавшиеся при окислении 3фосфогли цериноваго альдегида в 1,3дифосфоглицериновую кислоту:

система становится независимой от кислорода, т.е. может работать в анаэробных условиях. Комбинация реакций, в ходе которых окисление 3ФГА в 1,3ДФГК генерирует НАДН+Н+, используемый в дальнейшем для восстановления пирувата в лактат, получила название гликоли тической оксидоредукции.

Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии ( ~ 50 ккал/моль ), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена ( 1 АТФ расходуется и 4 АТФ синте зируется ). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении коли чества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода.

Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4Д> 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, во первых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером че го может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Вовторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.

Активация анаэробного окисления углеводов приводит к увели чению продукции лактата в клетках и тканях. При сохранении крово обращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мыш це. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.

Если же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации про тонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибиру ются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних ис точников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.

Следует заметить, что в клетках некоторых органов и тканей человека образование молочной кислоты происходит и в обычных, т.е. в аэробных условиях. Так. в эритроцитах, не имеющих мито хондрий. все необходимое для них количество энергии вырабатывает ся в ходе гликолиза. К тканям с относительно высоким уровнем аэ робного гликолиза относятся также сетчатка глаза и кожа. Высокий уровень аэробного гликолиза присущ также многим опухолям.

О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

Биосинтетические процессы, протекающие в клетках, нуждаются не только в энергии, им необходимы также восстановительные эквиваленты в виде НАДФН+Н + и целый ряд моносахаридов, имеющих в своем составе пять атомов углерода,такие как рибоза,ксилоза и др.Образование восстановленного НАДФ идет в пентозном цикле окисления углеводов, а образование пентоз может происходить как в пентозном цикле окисления, так и в других метаболических путях.

3.1. Пентозный путь окисления углеводов

Этот метаболический путь известен также как пентозофосфатный цикл окисления глюкозы или апотомический путь окисления. Пентозный путь окисления углеводов включает в себя достаточно много отдельных парциальных реакций. Он может быть разделен на две части: окислительный его этап и неокислительный этап. Мы с вами остановимся преимущественно на его окислительном этапе, поскольку этого вполне достаточно, чтобы понять биологическую роль рассматриваемого метаболического процесса.

Итак, как обычно, первой реакцией является реакция фосфорилирования глюкозы:

Глюкоза + АТФ > Гл6ф + АДФ катализируемая гексокиназной.

На следующей стадии происходит окисление Гл-6-ф путем его дегидрирования: Реакция катализируется глюкозо6фосфатдегидрогеназай.

Далее идет взаимодействие 6фосфоглюконолактона с молекулой воды, что сопровождается разрывом цикла с образование 6фосфоглюконовой кислоты. Реакция катализируется ферментом лактоназой . А затем 6фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо5фосфата, углекислого газа и восстановленного НАДФ; эта реакция катализируется 6 фосфоглюконатде гидрогеназой . Последовательность из двух описанных реакций представлена на приведенной ниже схеме:

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозного цикла окисления :

Глюкоза + АТФ + 2 НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н + + АДФ

Часто началом пентозного цикла окисления углеводов считают реакцию окисления Гл6ф, в последнем случае суммарное уравнение окислительного этапа цикла приобретает вид:

Гл6ф + 2НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н +

В ходе неокислительного этапа цикла в результате изомеризации образуются необходимые для клетки фосфорилированные пентозы : рибозо5фосфат и ксилулозо5фосфат. Кроме того, важно отметить ,что на этом этапе образуются промежуточные продукты, идентичные с промежуточными продуктами первого этапа аэробного окисления глюкозы: 3фосфоглицериновый альдедид и Фр6ф. За счет этих общих промежуточных соединений создается возможность переключения потока метаболитов с пентозного цикла окисления на путь аэробного (или анаэробного) окисления глюкозы и наоборот.

За шесть оборотов пентозного цикла окисления полностью сгорает один остаток глюкозы, так что суммарное уравнение окисления глюкозы в цикле, начиная с Гл6ф, можно представить в следующем виде:

Гл6ф + 7 Н 2 О + 12 НАДФ + > 6 СО 2 + Ф + 12 НАДФН+Н +

Пентозофосфатный цикл активно функционирует в печени, жировой ткани, коре надпочечников, семенниках и в молочной железе в период лактации. В этих тканях активно идут процессы синтеза высших жирных кислот, аминокислот или стероидов, нуждающиеся в восстановительных эквивалентах в виде НАДФН+Н + .Цикл интенсивно работает также в эритроцитах, в которых НАДФН+Н + используется для подавления перекисного окисления мембранных липидов. Мышечная ткань содержит очень малые количества глюкозо6фосфатдегидрогеназы и 6фосфоглюконатдегидрогеназы, тем не менее, она также способна синтезировать необходимую клеткам рибозу.

3.2. Путь образования глюкуроновой кислоты

Глюкуроновая кислота является соединением, выполняющим в организме несколько функций:

а) она входит в состав гетероолиго и гетерополисахаридов,выполняя таким образом структурную функцию,

б) она принимает участие в процессах детоксикации,

в) она может быть преобразована в клетках в пентозу ксилулозу ( которая , кстати, является общим промежуточным метаболитом с пентозным циклом окисления глюкозы ).

В организме большинства млекопитающих по этому метаболическому пути идет синтез аскорбиновой кислоты; к сожалению, у приматов и морских свинок не синтезируется один из ферментов, необходимых для превращения глюкуроновой кислоты в аскорбиновую и человек нуждается в поступлении аскорбиновой кислоты с пищей.

Схема метаболического пути синтеза глюкуроновой кислоты:

3.3. Г л ю к о н е о г е н е з

В условиях недостаточного поступления углеводов в пище или даже их полного отсутствия все необходимые для организма человека углеводы могут синтезироваться в клетках. В качестве соединений, углеродные атомы которых используются при биосинтезе глюкозы,могут выступать лактат, глицерол, аминокислоты и др. Сам процесс синтеза глюкозы из соединений неуглеводной природы носит название глюконеогенез . В дальнейшем из глюкозы или из промежуточных продуктов ее метаболизма могут быть синтезированы все другие соединения, относящиеся к углеводам.

Рассмотрим процесс синтеза глюкозы из лактата. Как мы уже упоминали, в гепатоцитах примерно 4/5 поступающего из крови лактата преобразуется в глюкозу. Синтез глюкозы из лактата не может быть простым обращением процесса гликолиза, так как в гликолиз включены три киназные реакции: гексокиназная,фосфофруктокиназная и пируваткиназная необратимые по термодинамическим причинам. Вместе с тем, в ходе глюконеогенеза используются ферменты гликолиза, катализирующие соответствующие обратимые равновесные реакции, типа альдолазы или енолазы.

Глюконеогенез из лактата начинается с превращения последнего в пируват с участием фермента лактатдегидрогеназы:

СООН СООН

2 НСОН + 2 НАД + > 2 С=О + 2 НАДН+Н +

СН 3 СН 3

Лактат Пируват

Наличие индекса «2» перед каждым членом уравнения реакции обусловлено тем, что для синтеза одной молекулы глюкозы требуется две молекулы лактата.

Пируваткиназная реакция гликолиза необратима, поэтому невозможно получить фосфоенолпируват (ФЭП) непосредственно из пирувата. В клетке эта трудность преодолевается с помощью обходного пути, в котором участвуют два дополнительных фермента, не работающие при гликолизе. Вначале пируват подвергается энергозависимому карбоксилированию с участием биотинзависимого фермента пируват карбоксилазы :

СООН СООН

2 С=О + 2 СО 2 + 2 АТФ > 2 С=О + 2 АДФ + 2 Ф

СН 3 СН 2

Пируват

Щавелевоуксусная кта А затем в результате энергозависимого декарбоксилирования щавелевоуксуная кислота превращается в ФЭП. Эту реакцию катализирует фермент фосфоенолпируваткарбоксикиназа ( ФЭПкарбоксикиназа ) , а источником энергии является ГТФ:

Щавелево

2 уксусная + 2 ГТФ Д> 2 С ~ ОРО 3 Н 2 +2 ГДФ +2 Ф

кислота СН 2

Фосфоенолпируват

Далее все реакции гликолиза вплоть до реакции, катализируемой фосфофруктокиназой обратимы. Необходимо лишь наличие 2 молекул восстановленного НАД, но он получен в ходе лактатдегидрогеназной реакции. Кроме того, необходимы 2 молекулы АТФ для обращения фосфоглицераткиназной киназной реакции:

2 ФЭП + 2 НАДН+Н + + 2 АТФ > Фр1,6бисФ + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф

Необратимость фосфофруктокиназной реакции преодолевается путем гидролитеческого отщепления от Фр1,6бисФ остатка фосфорной кислоты, но для этого требуется дополнительный фермент фруктозо 1,6 бисфосфатаза :

Фр1,6бисФ + Н 2 О > Фр6ф + Ф

Фруктозо6фосфат изомеризуется в глюкозо6фосфат, а от последнего гидролитеческим путем при участии фермента глюко зо6фосфатазы отщепляется остаток фосфорной кислоты, чем преодолевается необратимость гексокиназной реакции:

Гл6Ф + Н 2 О > Глюкоза + Ф

Суммарное уравнение глюконеогенеза из лактата:

2 лактат + 4 АТФ + 2 ГТФ + 6 Н 2 О >> Глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф

Из уравнения следует, что на синтез 1 молекулы глюкозы из 2 молекул лактата клетка затрачивает 6 макроэргических эквивалентов. Это означает, что синтез глюкозы будет идти лишь в том случае, когда клетка хорошо обеспечена энергией.

Промежуточным метаболитом глюконеогенеза являются ЩУК, которая одновременно является и промежуточным метаболитом цикла трикарбонывых кислот. Отсюда следует: любое соединение , углеродный

скелет которого может быть превращен в ходе обменных процессов в один из промежуточных продукта цикла Кребса или в пируват , может через преобразование его в ЩУК быть использовано для синтеза глюкозы . Этим путем для синтеза глюкозы используются углеродные скелеты ряда аминокислот. Некоторые аминокислоты, например, аланин или серин, в ходе своего расщепления в клетках преобразуются в пируват, также, как мы уже выяснили, являющийся промежуточным продуктом глюконеогенеза. Следовательно, и их углеродные скелеты могут быть использованы для синтеза глюкозы. Наконец, при расщеплении глицерола в клетках в качестве промежуточного продукта образуется 3фосфоглицериновый альдегид, который тоже может включаться в глюконеогенез.

Мы выяснили, что для протекания глюконеогенеза требуется 4 фермента, не принимающих участия в окислительном расщеплении глюкозы это пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо1,6бисфосфатаза и глюкозо6фосфатаза. Естественно ожидать, что регуляторными ферментами глюконеогенеза будут ферменты, не принимающие участие в расщеплении глюкозы. Такими регуляторными ферментами являются пируваткарбоксилаза и фруктозо1,6бисфосфатаза. Активность пируваткарбоксилазы ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями АДФ,а активность Фр1,6бисфосфатазы также по аллостерическому механизму угнетается высокими концентрациями АМФ. Таким образом, в условиях дефицита энергии в клетках глюконеогенез будет заторможен, вопервых, изза недостатка АТФ, а, вовторых, изза аллостерического ингибирования двух ферментов глюконеогенеза продуктами расщепления АТФ АДФ и АМФ.

Нетрудно заметить, что скорость гликолиза и интенсивность глюконеогенеза регулируются реципрокно. При недостатке энергии в клетке работает гликолиз и ингибирован глюконеогенез, в то время как при хорошем энергетическом обеспечении клеток в них работает глюконеогенез и ингибировано расщепление глюкозы.

Важным звеном в регуляции глюконеогенеза являются регуляторные эффекты ацетилКоА, который выступает в клетке как аллостерический ингибитор пируватдегидрогеназного комплекса и одновременно служит аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы. Накопление ацетилКоА в клетке, образующегося в больших количествах при окислении высших жирных кислот, ингибирует аэробное окисление глюкозы и стимулирует её синтез.

Биологическая роль глюконеогенеза чрезвычайно велика, так как глюконеогенез не только обеспечивает органы и ткани глюкозой, но еще и перерабатывает образующийся в тканях лактат, препятствуя тем самым развитию лактатацидоза. За сутки в организме человека за счет глюконеогенеогенеза может быть синтезировано до 100120 г глюкозы, которая в условиях дефицита углеводов в пище в первую очередь идет на обеспечение энергетики клеток головного мозга. Кроме того , глюкоза необходима клеткам жировой ткани как источник глицерола для синтеза резервных триглицеридов, глюкоза необходима клеткам различных тканей для по ержания нужной им концентрации промежуточных метаболитов цикла Кребса, глюкоза служит единственным видом энергетического топлива в мышцах в условиях гипоксии , её окисление является также единственным источником энергии для эритроцитов.

3.4. Общие представления об обмене гетерополисахаридов

Соединения смешанной природы, одним из компонентов которых является углевод, получили собирательное название гликоконьюгаты . Все гликоконьюгаты принято делить на три класса:

1.Гликолипиды.

2.Гликопротеиды ( на углеводный компонент приходится не более 20% общей массы молекулы ).

3.Гликозаминопротеогликаны ( на белковую часть молекулы обычно приходится 23% общей массы молекулы ).

Биологическая роль этих соединений была рассматрена ранее. Следует лишь еще раз упомянуть о большом разнообразии мономерных единиц, образующих углеводные компоненты гликоконьюгатов: моносахариды с различным числом атомов углерода, уроновые кислоты, аминосахара, сульфатированные формы различных гексоз и их производных, ацетилированные формы аминосахаров и др. Эти мономеры могут быть соединены между собой различными типами гликозидных связей с образованием линейных или разветвленных структур, и если из 3 различных аминокислот можно построить лишь 6 различных пептидов, то из 3 мономеров углеводной природы можно построить до 1056 разных олигосахаридов. Такое разнообразие структуры гетерополимеров углеводной природы говорит о колоссальном объёме содержащейся в них информации, вполне сопоставимом с объемом информации, имеющимся в белковых молекулах.

3.4.1. Представление о синтезе углеводных компонентов гликозаминопротеогликанов

Углеводными компонентами гликозаминопротеогликанов являются гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат или дерматансульфат, присоединенные к полипептидной части молекулы с помощью Огликозидной связи через остаток серина. Молекулы этих полимеров имеют неразветвленную структуру. В качестве примера можно привести схему строения гиалуроновой кислоты:

Из приведенной схемы следует,что молекула гиалуроновой кислоты присоединена к полипептидной цепи белка с помощью Огликозидной связи. Сама же молекула состоит из связующего блока, состоящего из 4 мономерных единиц ( Кси, Гал, Гал и Гл.К ), соединенных между собой опятьтаки гликозидными связями и основной части, построенной из «n»ного числа биозных фрагментов, в состав каждого из которых входит остаток ацетилглюкозамина ( АцГлАм ) и остаток глюкуроновой кислоты ( Гл.К), причем связи внутри блока и между блоками—Огликозидные. Число «n» составляет несколько тысяч.

Синтез полипептидной цепи идет на рибосомах с помощью обычного матричного механизма. Далее полипептидная цепь поступает в аппарат Гольджи и уже непосредственно на ней происходит сборка гетерополисахаридной цепи. Синтез носит нематричный характер, поэтому последовательность присоединения мономерных единиц определяется специфичностью участвующих в синтезе ферментов. Эти ферменты носят общее название гликозилтрансферазы. Каждая отдельная гликозилтрансфераза обладает субстратной специфичностью как к присоединяемому ею моносахаридному остатку, так и к структуре надстраиваемого ею полимера.

Пластическим материалом для синтеза служат активированные формы моносахаридов. В частности, при синтезе гиалуроновой кислоты используются УДФпроизводные ксилозы, галактозы, глюкуроновой кислоты и ацетилглюкозамина.

Вначале под действием первой гликозилтрансферазы ( Е 1 ) происходит присоединение остатка ксилозы к радикалу серина полипептидной цепи, затем при участии двух различных гликозилтрансфераз ( Е 2 и Е 3 ) к строящейся цепи присоединяется 2 остатка галактозы и при действии четвертой галактозилтрансферазы ( Е 4 ) завершается формирование связующего олигомерного блока присоединением остатка глюкуроновой кислоты. Дальнейшее наращивание полисахаридной цепи идет путем повторного чередующегося действия двух ферментов, один из которых катализирует присоединение остатка ацетилглюкозамина ( Е 5 ) , а другой остатка глюкуроновой кислоты ( Е 6 ).

Синтезированная таким образом молекула поступает из аппарата Гольджи в область наружной клеточной мембраны и секретируется в межклеточное пространство.

В состав хондроитинсульфатов, кератансульфатов и др. гликозаминогликанов встречаются сульфатированные остатки мономерных единиц. Это сульфатирование происходит после включения соответствующего мономера в полимер и катализируется специальными ферментами. Источником остатков серной кислоты является фосфоаденозинфосфосульфат ( ФАФС ) активированная форма серной кислоты.