Восстановительный путь обмена глюкозы

Нефосфорилированная глюкоза используется некоторыми клетками в востановительном пути ее обмена. Данный путь характерен для интимы сосудистой стенки, хрусталика глаза, шванновских клеток нервной ткани. В этом процессе участвуют два фермента. Альдозоредуктаза восстанавливает глюкозу в сорбитол, который затем окисляется дегидрогеназой во фруктозу. Сорбитол отличается высокой гидрофильностью и при накоплении может служить причиной повышения осмотического давления.

Длительная гипергликемия способствует повышению скорости образования сорбитола в хрусталике глаза. Увеличение осмотического давления наряду с неферментативным гликозилированием белков хрусталика способствует развитию катаракты. Накопление в тех же условиях сорбитола в эндотелиальных клетках вызывает их набухание и нарушение микроциркуляции и трофики тканей.

NB! Глюкоза может окисляться в трех разных участках

Помимо использования глюкозы для синтеза гликогена и образования других гексоз (галактозы и фруктозы), фосфорилированная глюкоза может окисляться по трем основным направлениям(см. Рис.5.2.) :

1. Окисление глюкозы в дихотомическом пути, протекающем как в анаэробных (гликолиз), так и аэробных условиях (в этом пути “туловище” глюкозы расщепляется пополам – дихотомия).

2. Окисление глюкозы и последующее отщепление первого углеродного атома глюкозы в апотомическом пути (apex - верхушка). Этот путь называется также пентозофосфатным.

3. Окисление глюкозы и последующее отщепление шестого углеродного атома глюкозы – глюкуроновый путь.

NB! Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке

Дихотомический путь – это окислительный распад молекулы глюкозы, при котором ее углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях данного пути энергию можно получить двумя способами:

1. Путем анаэробного (при отсутствии кислорода) распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза 2 лактат + 134 кДж.

Приблизительно половина этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, остальная энергия рассеивается в виде тепла .

2. Путем аэробного распада глюкозы до углекислого газа и воды. Суммарное уравнение:

Глюкоза + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + 2850 кДж.

При этом 60 % образующейся энергии депонируется в виде АТФ.

Таким образом, аэробный путь имеет несомненное энергетическое превосходство перед гликолизом.

Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинством тканей нашего организма. Гликолиз – единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление. Гликолиз, протекающий даже в аэробных условиях (в норме он в присутствии кислорода тормозится), - характерная особенность злокачественных клеток. Раковые опухоли являются своеобразной ”ловушкой” глюкозы в организме. Объясняется это тем, что находящиеся в условиях крайне низкого снабжения кислородом злокачественные клетки вынуждены усиленно потреблять глюкозу, чтобы выработать необходимое для их бурной жизнедеятельности количество энергии.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на два этапа: в течении первого этапа осуществляется распад глюкозы на две триозы (подготовительный этап), а второго – окисление триоз с образованием пирувата, который восстанавливается в лактат (этап гликолитической оксидоредукции).

Первая реакция:

Гликолиз, как и все пути использования глюкозы (за исключением восстановительного пути) начинаются с образования глюкозо-6-фосфата.

Вторая реакция:

Глюкозо-6-фосфат обратимо изомеризуется во фруктозо-6-фосфат ферментом фосфогексоизомеразой.

Третья реакция:

Здесь, как и в первой реакции, затрачивается молекула АТФ и происходит значительное высвобождение энергии, что делает эту реакцию необратимой.

Данная реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой-1 , имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфофруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует указать на двоякую роль АТФ, вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, – как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.

Важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктоза-2,6-дифосфат (см.ниже).

Четвертая реакцияобратима. Катализирующий ее фермент называется альдолазой.

Описано несколько различных альдолаз. В большинстве тканей находится альдолаза А. Все типы альдолаз построены из четырех субъединиц и действуют преимущественно на “открытые” формы фруктозофосфатов, хотя в клетках преобладают их фуранозные формы. Продуктами действия альдолаз являются триозофосфаты: 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА). Триозофосфаты могут превращаться друг в друга при помощи триозофосфатизомеразы. И хотя равновесие триозофосфатизомеразной реакции сдвинуто в сторону образования ФДА (соотношение фосфотриоз в клетках – 95 % ФДА и 5 % 3-ФГА), в гликолитическом пути окисляется 3-ФГА, что позволяет при дальнейшем обсуждении считать результатом дихотомического этапа гликолиза образование двух молекул 3-ФГА.

Определение активности альдолазы используют в энзимодиагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток: так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда – в 3-10 раз, при миодистрофии – в 4-10 раз.

Второй этап гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложным.

В пятой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-ФГА. Фермент состоит из четырех одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Коферментом данной дегидрогеназы является НАД⁺.

Реакция начинается с образования фермент-субстратного комплекса, в котором 3-ФГА связывается с SH-группой активного центра дегидрогеназы ковалентной связью. На втором этапе реакции происходит окисление альдегидной группы 3ФГА и формирование макроэргической связи между продуктом окисления и группой активного центра. Затем в реакцию вступает молекула фосфорной кислоты, которая обеспечивает фосфоролиз ферментсубстратного комплекса с образованием макроэрга – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК). Этот механизм уже упоминался в главе 4 как механизм преобразования энергии окисления в макроэргическое соединение.

Шестая реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества энергии, поэтому ее равновесие сдвинуто вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.

Седьмая реакция.Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:

Эта реакция катализируется фосфоглицеромутазой и играет важную роль не только в процессе гликолиза, но и служит источником 2,3-дифосфоглицерата, который является регулятором механизма связывания кислорода гемоглобином. Механизм фосфоглицеромутазной реакции подобен фосфоглюкомутазной реакции. Оба фермента служат донором фосфатных групп в процессе реакции. Остатки фосфорной кислоты связаны ковалентно с аминокислотами ферментов ( с серином в фосфоглюкомутазе и гистидином в фосфоглицеромутазе).

Восьмая реакция. Образование макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата (ФЕПВК). Реакция катализируется енолазой. Фермент отщепляет молекулу воды от 2-фосфоглицерата и перераспределяет внутримолекулярную энергию субстрата таким образом, что фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.

Девятая реакция. Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично шестой реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата.

Реакция образования пировиноградной кислоты (ПВК) необратима.

Десятая реакция.

В заключительной реакции гликолиза ПВК, выполняя функцию конечного акцептора водородов, превращается в молочную кислоту. Водороды для этой реакции поступают из единственной окислительной реакции гликолиза. Дегидрогеназа 3-ФГА освобождается от водородов и вновь может участвовать в окислении. Две дегидрогеназые реакции гликолиза образуют сопряжено работающую пару, катализирующую процесс, получивший название гликолитическая оксидоредукция.

В мышцах молочная кислота не используется, она поступает с током крови в печень, где вновь превращается (благодаря обратимости ЛДГ-азной реакции) в пируват. Изоферменты лактатдегидрогеназы принимают участие в контроле гликолиза: так, в сердечной мышце преобладает ЛДГ₁, который ингибируется даже небольшими концентрациями пирувата, что затрудняет образование молочной кислоты в кардиомиоцитах и способствует дальнейшему окислению (а не восстановлению) пирувата; в скелетных мышцах преобладает изофермент ЛДГ₅, активно превращающий ПВК в лактат в анаэробных условиях.

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки, он не нуждается в участии кислорода для получения клеткой энергии. В ходе гликолиза в двух реакциях субстратного фосфорилирования (реакции шестая и девятая ) образуется четыре молекулы АТФ (в пересчете на молекулу глюкозы), однако в подготовительной стадии две молекулы АТФ расходуются (реакции первая и третья), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.

NB! В анаэробных условиях конечным акцептором водорода может быть ацетальдегид

(спиртовое брожение глюкозы)

В анаэробных условиях глюкоза может превращаться в этанол. Ранее полагали, что образование этилового спирта – привилегия дрожжей и некоторых плесневых грибков. Однако уже доказано, что в тканях млекопитающих алкоголь также образуется. Он является нормальным метаболитом клеток. Тяга к алкоголю, по-видимому, возникает вследствие недостаточности ферментных систем, его производящих.

Реакции спиртового брожения глюкозы совпадают с реакциями гликолиза до стадии образования ПВК (рис.5.8).

Образование ацетальдегида из ПВК осуществляется путем прямого декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазойсучастием ее кофермента – тиаминпирофосфата. Ацетальдегид превращается в этанол с помощью алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАДН ·Н⁺. Уксусный альдегид – чрезвычайно токсичное соединение, его высокая концентрация в крови при потреблении спиртных напитков способна вызвать смертельный исход. Экзогенный этанол обезвреживается также алкогольдегидрогеназой (кофермент – НАД⁺), окисляясь в печени до ацетальдегида (реакция обратима) и далее с помощью альдегиддегидрогеназы– до уксусной кислоты. Активность альдегиддегидрогеназы (от ее зависит переносимость алкоголя) значительно варьирует у разных лиц и наций. Уксусная кислота, активируясь, превращается в ацетил-КоА, который “сгорает” в цикле Кребса с образованием энергии. В обезвреживании этанола принимают также участие микросомная система детоксикации гепатоцитов и фермент каталаза. Однако их роль менее значима.

Рис. 5.8. Реакции образования этилового спирта и его обмена

Систематическое потребление алкоголя приводит к циррозу печени и увеличивает риск развития рака (причем не только печени), особенно на фоне хронического воздействия малых доз облучения.

NB! Глюконеогенез – механизм синтеза глюкозы

Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой (эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является тем метаболическим путем, который решает данную проблему. Глюконеогенез – это метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты, распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др., рис. 5.8).

Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали ключевыми реакциями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в печени и корковом веществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих необратимые реакции гликолиза и соответствующих им ключевых ферментов глюконеоегенеза.

Таблица 5.2. Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза

Ферменты гликолиза	Ферменты глюконеогенеза
Гексокиназа	Глюкозо-6-фосфатаза
Фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1)	Фруктозо-1,6-дифосфатаза
Пируваткиназа	1. Пируваткарбоксилаза 2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа

При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых” субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субстратом другого фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат первого фермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции. Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.

Принято считать начальным этапом глюконеогенеза реакции, идущие в обход пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа – объект влияния регуляторных систем(рис.5.9), управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. Последний стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А. Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению глюконеогенеза.

.

Рис.5.9. Регуляция активности пируваткиназы

Рис.5.10. Основные субстраты и ферменты глюконеогенеза:

1–лактатдегидрогеназа; 2– пируваткарбоксилаза; 3–малатдегидрогеназа; 4–фосфоенолпируват карбоксикиназа; 5–фруктозо-1,6-дифосфатаза; 6– глюкозо-6-фосфатаза; 7–глицеролкиназа; 8–a-глицеролфосфатде гидрогеназа

Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа, представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием карбоксибиотина – активной форы СО₂ в клетке. Продукт карбоксилирования – оксалоацетат занимает особое место в метаболизме митохондрий, где протекает данная реакция. Это важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии, высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.

После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции гликолиза. Из каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии фосфотриозоизомеразы превращается в ФДА и обе триозы под влиянием альдолазы конденсируются в фруктозо-1,6-дифосфат. Некоторое количество ФДА образуется путем окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола, поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой-1. Затем вновь следует реакция, обратная гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфатаи образующаяся свободная глюкоза может выходить из клетки.

Суммарная реакция синтеза молекулы глюкозы:

2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2НАДН + 2H⁺ + 6H2O → Глюкоза + 2НАД⁺ + 4АДФ+ 2 ГДФ + 6 Фн +6H⁺

Таким образом, синтез одной молекулы глюкозы “обходится” клетке затратой шести макроэргов. 2 молекулы АТФ расходуются для активирования СО₂, 2 молекулы ГТФ используются в фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции и 2 молекулы АТФ – для образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

Глюконеогенез активируется в клетках печени во время голодания, после продолжительных физических упражнений, при употреблении пищи, богатой белками при низком содержании в ней углеводов и т.д.

Интенсивность процесса зависит от количества субстратов, и активности, и количества ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза.

Основными поставщиками субстратов для печени являются мышцы, эритроциты, жировая ткань. У последней довольно ограниченные возможности, поскольку только глицерол может использоваться для синтеза глюкозы, а это только около 6% от веса капельки жира.

Лактат, образующийся в результате работы мышц в анаэробных условиях или поступающий из эритроцитов, более значимый источник глюкозы. Наиболее важными источниками являются гликогенные аминокислоты, которые могут поступать с пищей, богатой белками или из мышц в условиях голодания.

Рис. 5.11. Цикл Кори

Чтобы непрерывно снабжать глюкозой клетки, для которых она является основным источником энергии, но они не могут окислить ее полностью в силу отсутствия митохондрий (эритроциты) или из-за работы в анаэробных условиях, между печенью и этими клетками устанавливаются циклические процессы по обмену субстратами. Один из таких – цикл Кори: образующаяся в мышцах (эритроцитах) молочная кислота поступает в общий кровоток, захватывается печенью и используется ею в качестве субстрата глюконеогенеза; синтезируемая при этом глюкоза отдается в кровототок и метаболизируется мышцами или эритроцитами для получения энергии (рис. 5.11).

Рис.5.12.Аланиновый цикл

В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл(рис.5.12) протекает при условии потребления периферическими тканями кислорода и требует митохондрий. При употреблении пищи богатой белами или при голодании происходит довольно активный обмен между печенью и мышцами аланином и глюкозой. Аланин из мышц передается клеткам печени, где он переаминируется и ПВК используется для синтеза глюкозы. По мере необходимости глюкоза поступает в мышцы и окисляется до ПВК, а затем, путем переаминирования, превращается в аланин который может вновь повторить этот цикл. Энергетически это более выгодный путь, чем цикл Кори.

NB! Гликолиз и глюконеогенез – взаимосвязанные процессы

Условия, благоприятствующие глюконеогенезу, сопровождаются рядом изменений, оказывающих регулирующее влияние на ключевые ферменты гликолиза и глюконеогенеза. Эти изменения выражаются в следующем:

· увеличивается секреция глюкагона и снижается секреция инсулина поджелудочной железой, что способствует повышению содержания цАМФ в гепатоцитах;

· увеличивается секреция глюкокортикоидов и адреналина надпочечниками;

· усиливается мобилизация липидов из жировых депо, что способствует повышению уровня ацетил-КоА в клетках печени (усиливаются процессы b-окисления жирных кислот);

· повышается выход аминокислот из мышечной ткани (аланин и другие гликогенные аминокислоты).

Перечисленные изменения могут оказывать влияние на активность ферментов глюконеогенеза и гликолиза, а также менять их количество в клетках печени.

В начале параграфа уже было показано, что активность одного из ферментов гликолиза (пируваткиназы) ингибируется в условиях, благоприятствующих глюконеогенезу. Второй фермент, активно использующий ПВК в аэробных условиях – пируватдегидрогеназа, также ингибируется. Этому способствует повышение уровня ацетил-КоА – аллостерического ингибитора пируватдегидрогеназы и ее фосфорилирование протеинкиназаой А, которая активируется условиях благоприятстующих глюконеогенезу(повышение уровня цАМФ). Напротив, ацетил-КоА является аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы, и повышение количества ПВК в еще большей степени способствует усилению работы этого фермента – одного из ключевых ферментов глюконеогенеза.

Рис.5.13.Взаимосвязь процессов гликолиза и глюконеогенеза:

-ингибирующее влияние; - активирующее влияние; ↑ -индуциремый фермент

Пируваткарбоксилаза катализирует образование оксалоацетата, который затем декарбоксилируется и фосфорилируется под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы с образованием фосфоенолпирувата. Повышение уровня цАМФ в гепатоцитах вызывает путем активирования факторов транскрипции протеинкиназами усиление синтеза фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Неактивное состояние пируваткиназы (см.выше) – условие предупреждения возможного холостого субстратного цикла на этом этапе глюконеогенеза.

Второй субстратный цикл на пути глюконеогенеза может возникнуть на этапе превращения фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат. Благодаря особой роли фруктозо-2,6-дифосфата этого удается избежать. Фруктозо-2,6-дифосфат – аллостерический активатор фосфофруктокиназы -1 –ключевого фермента гликолиза, синтезируется бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2 (ФФК-2). Один домен этого фермента проявляет 2-киназную активность, а другой – 2-фосфатазную. Протеинкиназа А, фосфорилируя ФФК-2, активирует ее фосфатазную активность, что ведет к распаду фруктозо-2,6-дифосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Снижение фруктозо-2,6-дифосфата вызывает торможение гликолитического направления в использовании фруктозо-1,6-дифосфата и усиливает глюконеогенез. Фруктозо-1,6-дифосфатаза относится к индуцируемым ферментам и при повышении цАМФ происходит усиление транскрипции ее генов.

Активности гексокиназы и глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: гексокиназа им ингибируется, а фермент глюконеогенеза (т.е.глюкозо-6-фосфатаза) активируется.

NB! В аэробных условиях ПВК окончательно окисляется