 |
А. Гексозомонофосфатный путь: окисление
|
|
|
|
Б. Фруктозо-2,6-дифосфат
Важную роль в обмене веществ в печени играет фруктозо-2,6-дифосфат. Это сигнальное вещество образуется в незначительных количествах из фруктозо-6-фосфата и выполняет чисто регуляторную функцию: стимулирует гликолиз путем активации фосфофруктокиназы и подавляет глюконеогенез с помощью торможения фруктозо-1,5-дифосфатазы.
Образование и распад фруктозо-2,6-дифосфата катализируются одним и тем же белком [10а и б]. В нефосфорилированной форме этот белок вызывает образование фруктозо-2,6-дифосфата [10а]. После фосфорилирования цАМФ-зависимой киназой он действует как фосфатаза [10б] и катализирует превращение фруктозо-2,6-дифосфата в фруктозо-6-фосфат. В присутствии адреналина и глюкагона в клетках печени повышается уровень цАМФ (см. с. 122), т.е. оба гормона воздействуют как на гликолиз, так и на глюконеогенез. Суммарным результатом является быстрое повышение уровня глюкозы в крови.
Глюконеогенез
Некоторые ткани, такие, как мозг и эритроциты, зависят от постоянного снабжения глюкозой. Если получаемое с пищей количество углеводов недостаточно, необходимая концентрация глюкозы в крови может поддерживаться некоторое время за счет расщепления гликогена печенью (см. с. 158). Если истощены также и эти запасы, в печени запускается синтез глюкозы de novo, глюконеогенез (см. с. 302). Наряду с печенью высокой глюконеогенезной активностью обладают также клетки почечных канальцев (см. с. 320). Исходными соединениями в глюконеогенезе являются аминокислоты мышечной ткани. При длительном голодании это приводит к массивному распаду мышечного белка. Другими важными исходными веществами для синтеза глюкозы служат лактат, образующийся в эритроцитах и мышечной ткани при недостатке О2 , а также глицерин, образующийся при расщеплении жиров. Напротив, жирные кислоты не могут трансформироваться в глюкозу в организме животных, так как в данном случае деградация жирных кислот не является анаплеротическим процессом (см. с. 140). В организме человека за счет глюконеогенеза образуется несколько сотен граммов глюкозы в сутки.
|
|
|
А. Глюконеогенез
Многие реакции глюконеогенеза катализируются теми же ферментами, что и процессы гликолиза (см. с. 152). Некоторые ферменты специфичны для глюконеогенеза и синтезируются только по мере необходимости под воздействием кортизола и гпюкагона (см. с. 160). На схеме представлена только эта группа ферментов. В то время как гликолиз протекает в цитоплазме, глюконеогенез происходит также в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.
Первые стадии реакционной цепи протекают в митохондриях. Причиной такого «обходного» пути является неблагоприятная константа равновесия пируваткиназной реакции (см. с. 152). Для перевода пирувата непосредственно в фосфоенолпируват(PEP) недостаточно энергии расщепления АТФ. Пируват, образующийся из лактата или аминокислот, переносится в матрикс митохондрий и там карбоксилируется в оксалоацетат в биотинзависимой реакции, катализируемой пируваткарбоксилазой [2]. Оксалоацетат является промежуточным метаболитом цитратного цикла. Поэтому аминокислоты, которые включаются в цитратный цикл или конвертируются в пируват, могут непосредственно превращаться в глюкозу (глюкогенные аминокислоты, см. с. 182).
Оксалоацетат, образующийся в митохондриальном матриксе, восстанавливается в малат [3]. который может переноситься в цитоплазму с помощью специальных переносчиков (см. с. 214). Оксалоацетат может также переноситься из митохондрии в цитоплазму после переаминирования в аспартат (малатный челночный механизм, см. с. 206).
|
|
|
В цитоплазме малат вновь превращается цитоплазматической малатдегидрогеназой в оксалоацетат, который в реакции, катализируемой ГТФ-зависимой РЕР-карбоксикиназой [4], переводится в фосфоенолпируват. Последующие стадии до фруктозо-1,6-дифосфата представляют собой модификации соответствующих реакций гликолиза. При этом для образования 1,3-дифосфоглицерата дополнительно расходуется АТФ.
Две глюконеогенез-специфичные фосфатазы отщепляют по очереди фосфатные остатки от фруктозо-1,6-дифосфата. Промежуточной стадией является изомеризация фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат, одна из реакций гликолиза. Глюкозо-6-фосфатаза печени [5] является мембранным ферментом, локализованным внутри гладкого эндоплазматического ретикулума. Перенос глюкозо-6-фосфата в эндоплазматический ретикулум и возврат образующейся глюкозы в цитоплазму осуществляется специфическими переносчиками. Из цитоплазмы глюкоза поступает в кровь.
Глицерин прежде всего фосфорилируется [7] в положении 3. Образующийся 3-глицерофосфат окисляется НАД+-зависимой дегидрогеназой [8] в дигидроксиацетон-3-фосфат, который далее включается в глюконеогенез.
Гексозомонофосфатный путь
Гексозомонофосфатный путь [ГМП (HMW), часто называемый также пентозофосфатным путем ] является окислительным обменом веществ в цитоплазме, в котором, как и в гликолизе, исходным субстратом служит глюкозо-6-фосфат. ГМП поставляет два важных исходных соединения для анаболических процессов: НАДФН + Н+ (NADPH + Н+), необходимый для биосинтеза жирных кислот и изопреноидов (см. с. 170), и рибозо-5-фосфат, предшественник в биосинтезе нуклеотидов (см. с. 190).
А. Гексозомонофосфатный путь: окисление
В процессе окисления глюкозо-6-фосфат превращается в рибулозо-5-фосфат. При этом образуются 1 молекула CO2 и 2 НАДФН + Н+. Значительно более сложная часть пути — восстановительная (Б) — в зависимости от обмена веществ либо превращает часть образованного пентозофосфата снова в гексозофосфат, либо включает его в гликолиз для деградации. В большинстве клеток за счет ГМП разрушается не более 10% глюкозо-6-фосфата.
Б. Реакции
Окислительная часть ГМП начинается с окисления глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой [1]. При этом образуется НАДФН + Н+ и 6-фосфоглюколактон — внутримолекулярный сложный эфир (лактон) 6-фосфоглюконата. Специфическая гидролаза (фермент [2]) расщепляет сложноэфирную связь и оставляет свободной карбоксильную группу 6-фосфоглюконата. Последний фермент окислительной части, фосфоглюконатдегидрогеназа (3), отщепляет карбоксильную группу 6-фосфоглюконата в виде CO2 с одновременным окислением гидроксильной группы при С-3 до кетогруппы. Наряду со второй молекулой НАДФН + Н+ при этом образуется кетопентоза, рибулозо-5-фосфат, которая под действием изомеразы превращается в рибозо-5-фосфат, исходное соединение для нуклеотидного синтеза (на схеме сверху).
|
|
|
Восстановительная часть ГМП показана здесь только схематически. Полная схема реакции представлена на с. 396.
Функция восстановительной ветви состоит в том, чтобы производство НАДФН + Н+ и пентозофосфатов соответствовало метаболическим потребностям клеток. Обычно потребность в НАДФН + Н+ намного выше, чем в пентозофосфатах. В этих условиях 6 молекул рибулозо-5-фосфата под действием трансальдолаз и транскетолаз образуют 5 молекул фруктозо-6-фосфата, которые изомеризуются в 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат вновь участвует в окислительной части ГМП в процессе получения НАДФН + Н+. Неоднократное повторение этих реакций позволяет окислить глюкозо-6-фосфат до 6 молекул CO2. При этом образуется 12 молекул НАДФН + Н+, а пентозофосфат не образуется.
При взаимном превращении фосфатов сахаров в восстановительной части ГМП особенно важны два фермента. Трансальдолаза [5] переносит С3-звенья от седогептулозо-7-фосфата, кетосахара с 7 атомами углерода, на альдегидную группу глицеральдегид-3-фосфата. Аналогичным образом транскетолаза [4] катализирует перенос С2-фрагмента с одного фосфата сахара на другой.
Реакции восстановительной части ГМП обратимы, т.е. гексозофосфаты могут непосредственно превращаться в пентозофосфаты. Это превращение может происходить при высокой потребности клетки в пентозофосфатах, например на стадии репликации ДНК и S-фазе клеточного цикла (см. с. 380).
|
|
|
Дополнительная информация
Если наряду с НАДФН + Н+ клетке требуется энергия в форме АТФ, продукты восстановительной части ГМП (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат) включаются в гликолиз и далее в цитратный цикл и дыхательную цепь с образованием CO2 и воды. На этом пути из 6 молей глюкозо-6-фосфата образуется 12 молей НАДФН + Н+ и примерно 150 молей АТФ.
Гликолиз
А. Гликолиз: баланс
Гликолиз — это катаболический путь обмена веществ в цитоплазме; он, по-видимому, протекает почти во всех организмах и клетках независимо от того, живут они в аэробных или анаэробных условиях. Баланс гликолиза простой: в аэробных условиях молекула глюкозы деградирует до двух молекул пирувата. Кроме того, образуются по две молекулы АТФ и НАДН + H+ (аэробный гликолиз). В анаэробных условиях пируват претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию НАД+ (см. с. 148). При этом образуются продукты брожения, такие, как лактат или этанол (анаэробный гликолиз). В этих условиях гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.
Б. Реакции гликолиза
Сахара подвергаются метаболическим превращениям преимущественно в виде сложных эфиров фосфорной кислоты. Глюкоза, которую ткани получают из крови, в клетке также предварительно активируется путем фосфорилирования. В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой [1] глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат [2] последний вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа [3], катализирующая эту стадию, является важным ключевым ферментом гликолиза (см. с. 160). До этого момента на одну молекулу глюкозы расходуются две молекулы АТФ. фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется далее альдолазой [4] на два фосфорилированных С3-фрагмента. Эти фрагменты — глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат — превращаются один в другой триозофосфатизомеразой [5]. Глицеральдегид-3-фосфат затем окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой [6] с образованием НАДН + Н+. В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат («субстратное фосфорилирование», см. с. 126) с образованием 1,3-дифосфоглицерата. Такое промежуточное соединение содержит смешанную ангидридную связь, расщепление которой является высоко экзоэргическим процессом. На следующей стадии (катализируемой фосфоглицераткиназой [7]) гидролиз этого соединения сопряжен с образованием АТФ.
|
|
|
Следующий промежуточный продукт, гидролиз которого может быть сопряжен с синтезом АТФ, образуется в реакции изомеризации 3-фосфоглицерата, полученного в результате реакции [7], в 2-фосфоглицерат (фермент: фосфоглицератмутаза [8]) и последующего отщепления воды (фермент: енолаза [9]). Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы пирувата и потому называется фосфоенолпируватом (PEP). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой [10], образуются пируват и АТФ. Наряду со стадией [6] и тиокиназной реакцией в цитратном цикле (см. с. 138) это третья реакция, позволяющая клеткам синтезировать АТФ независимо от дыхательной цепи. Несмотря на образование АТФ она высоко экзоэргична и потому необратима.
При гликолизе на активацию одной молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом превращении каждого С3- фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.
|
|
|
