Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата , пирувата , глицерола , кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот . Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них – глюкогенных – полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых – смешанных – частично.
Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лактата , постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе, и глицерола , являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.
Как известно, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). В этих реакциях происходит высвобождение энергии для синтеза АТФ. Поэтому в обратном процессе возникают энергетические барьеры , которые клетка обходит с помощью дополнительных реакций.
Глюконеогенез включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути , т.е. он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках . Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.
На этом этапе глюконеогенеза работают два ключевых фермента – в митохондриях пируваткарбоксилаза и в цитозоле .
В химическом плане обходной путь десятой реакции выглядит достаточно просто:
Упрощенный вариант обхода десятой реакции гликолиза
Однако дело в том, что пируваткарбоксилаза находится в митохондрии, а фосфоенолпируват-карбоксикиназа – в цитозоле. Дополняет проблему непроницаемость митохондриальной мембраны для оксалоацетата . Зато через мембрану может пройти малат , предшественник оксалоацетата по ЦТК.
Поэтому в реальности все выглядит более сложно:
1. В цитозоле пировиноградная кислота может появиться при окислении молочной кислоты и в реакции трансаминирования аланина . После этого пируват симпортом с ионами Н + , движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат .
Пируваткарбоксилазная реакция идет в клетке постоянно, так как оксалоацетат является главным регулятором скорости ЦТК. Реакция называется анаплеротической (пополняющей) реакцией ЦТК.
2. Далее оксалоацетат мог бы превратиться в фосфоенолпируват, но для этого сначала он должен попасть в цитозоль. Поэтому происходит реакция восстановления оксалоацетата в малат при участии малатдегидрогеназы . В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.
Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците.
3. В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват , для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.
Обход десятой реакции гликолиза
Обход третьей реакции гликолиза
Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы . Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.
Глюконеогенез - процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Процесс протекает в основном в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек, а также в слизистой оболочке кишечника. Эти ткани могут обеспечивать синтез 80-100 г глюкозы в сутки. На долю мозга при голодании приходится большая часть потребности организма в глюкозе. Это объясняется тем, что клетки мозга не способны, в отличие от других тканей, обеспечивать потребности в энергии за счёт окисления жирных кислот.Кроме мозга, в глюкозе нуждаются ткани и клетки, в которых аэробный путь распада невозможен или ограничен, например эритроциты (они лишены митохондрий), клетки сетчатки, мозгового слоя надпочечников и др. Первичные субстраты глюконеогенеза - лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.
Лактат - продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно.
Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке.
Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе.
Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счёт обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако 3 реакции гликолиза термодинамически необратимы. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями. Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях.
Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Образование фосфоенолпирувата из пирувата происходит в ходе двух реакций первая из которых протекает в митохондриях. Пируват, образующийся из лактата или из некоторых аминокислот, транспортируется в матрикс митохондрий и там карбоксилируется с образованием оксалоацетата.
Пируват-карбоксилаз а, катализирующая данную реакцию, - митохондриальный фермент, коферментом которого является биотин. Реакция протекает с использованием АТФ.
Дальнейшие превращения оксалоацетата протекают в цитозоле. Следовательно, на этом этапе должна существовать система транспорта оксалоацетата через митохондриальную мембрану, которая для него непроницаема. Оксалоацетат в митохондриальном матриксе восстанавливается с образованием малата при участии NADH (обратная реакция цитратного цикла).
Образовавшийся малат затем проходит через митохондриальную мембрану с помощью специальных переносчиков. Кроме того, оксалоацетат способен транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата в ходе малат-аспартатного челночного механизма. В цитозоле малат вновь превращается в оксалоацетат в ходе реакции окисления с участием кофермента NAD + . Обе реакции: восстановление оксалоацетата и окисление малага катализируют малатдегидрогеназа, но в первом случае это митохондриальный фермент, а во втором - цитозольный. Образованный в цитозоле из ма-лата оксалоацетат затем превращается в фосфоенолпируват в ходе реакции, катализируемой фосфоенолпируваткарбоксикиназой - ГТФ-зависимым ферментом.
Образование глюкозы из лактата. Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение NADH/NAD + ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют " глюкозо-лактатным циклом", или "циклом Кори " .
Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции: 1 - обеспечивает утилизацию лактата; 2 - предотвращает накопление лактата и, как следствие этого, опасное снижение рН (лактоацидоз). Часть пирувата, образованного из лактата, окисляется печенью до СО 2 и Н 2 О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций глюконеогенеза.
Образование глюкозы из аминокислот. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, окса-лоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратногр цикла, так и глюконеогенеза. Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюкозонеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл ) : глюкоза в мышцах → пируват в мышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает лактоацидоз.
Образование глюкозы из глицерола . Глицерол образуется при гидролизе триацил-глицеролов, главным образом в жировой ткани. Использовать его могут только те ткани, в которых имеется фермент глицерол киназа, например печень, почки. Этот АТФ-зависимый фермент катализирует превращение глицерола в α-глицерофосфат (глицерол-3-фосфат). При включении глицерол-3-фосфата в глюконеогенез происходит его дегидрирование NAD-зависимой дегидрогеназой с образованием дигидроксиацетонфосфата, который далее превращается в глюкозу.
35.35 Представление о пентозофосфатном пути превращений глюкозы. Окислительные реакции (до стадии рибулозо-5-фосфата). Распространение и суммарные результаты этого пути (образование пентоз, НАДФН и энергетика)
Пентозофосфатный путь , называемый также гексомонофосфатным шунтом, служит альтернативным путём окисления глюкозо-6-фосфата. Пентозофосфатный путь состоит из 2 фаз (частей) - окислительной и неокислительной.
В окислительной фазе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5-фосфат, и образуется восстановленный NADPH. В неокислительной фазе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза. Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и гидрированным коферментом NADPH, который используется в восстановительных процессах. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути выражается следующим образом:
3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP + → 3 СО 2 + 6 (NADPH + Н + ) + 2 Фруктозо-6-фосфат + Глицеральдегид- 3 -фосфат.
Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле. Наиболее активно пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.
В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.
Первая реакция дегидрирования - превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6-фосфат - катализируется NАDР + -зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента NADPH. Далее глюконолактон-6-фосфат быстро превращается в 6-фосфоглюконат при участии фермента глюконолактонгидратазы. Фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует вторую реакцию дегидрирования окислительной части, в ходе которой происходит также и декарбоксилирование. При этом углеродная цепь укорачивается на один атом углерода, образуется рибулозо-5-фосфат и вторая молекула гидрированного NADPH. Восстановленный NADPH ингибирует первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Превращение NADPH в окисленное состояние NADP + приводит к ослаблению ингибирования фермента. При этом скорость соответствующей реакции возрастает, и образуется большее количество NADPH.
Суммарное уравнение окислительного этапа пентозофосфатного пути можно представить в виде:
Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP + + Н 2 О → Рибулозо-5-фосфат + 2 NADPH + Н + + СО 2 .
Реакции окислительного этапа служат основным источником NADPH в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм кислорода.
Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) составляют вместе циклический процесс. Такой процесс можно описать общим уравнением:
6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP + + 2 Н 2 О → 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +12 Н + + 6 СO 2 .
Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул СО 2 . Ферменты неокислительнойфазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом. Протекание пентозофосфатного цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.
Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода - NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.
Глюконеогенез - это процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. У млекопитающих эту функцию выполняет в основном печень , в меньшей мере - почки и клетки слизистой кишечника . Главными субстратами глюконеогенеза являютсяпируват, лактат, глицерин, аминокислоты (рис.10).
Рисунок 10
Глюконеогенез обеспечивает потребности организма в глюкозе в тех случаях, когда диета содержит недостаточное количество углеводов (физическая нагрузка, голодание). Постоянное поступление глюкозы особенно необходимо для нервной системы и эритроцитов. При понижении концентрации глюкозы в крови ниже определенного критического уровня нарушается функционирование мозга; при тяжелой гипогликемии возникает коматозное состояние и может наступить летальный исход.
Запасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребностей в глюкозе в период между приемами пищи. При углеводном или полном голодании, а также в условиях длительной физической работы концентрация глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. На рисунке показаны пункты включения первичных субстратов в глюконеогенез:
Глюкоза необходима для жировой ткани как источник глицерола, входящего в состав глицеридов; она играет существенную роль в поддержании эффективных концентраций метаболитов цикла лимонной кислоты во многих тканях. Даже в условиях, когда большая часть потребностей организма в калориях обеспечивается за счет жира, всегда сохраняется определенная потребность в глюкозе. Кроме того, глюкоза служит единственным видом топлива для работы скелетной мышцы в анаэробных условиях. Она является предшественником молочного сахара (лактозы) в молочных железах и активно потребляется плодом в период развития. Механизм глюконеогенеза используется для удаления из крови продуктов тканевого метаболизма, например лактата, образующегося в мышцах и эритроцитах, глицерола, непрерывно образующегося в жировой ткани
Включение различных субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма. Лактат является продуктом анаэробного гликолиза в эритроцитах и работающих мышцах. Глицерин высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в постабсорбтивный период или при физической нагрузке. Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков.
Семь реакций гликолиза легко обратимы и используются в глюконеогенезе. Но три киназные реакции необратимы и должны шунтироваться (рис. 12). Так, фруктозо-1,6-дифосфат и глюкозо-6-фосфат дефосфорилируются специфическими фосфатазами, а пируват фосфорилируется до образования фосфоенолпирувата посредством двух промежуточных стадий через оксалоацетат. Образование оксалоацетата катализируется пируваткарбоксилазой. Этот фермент содержит в качестве кофермента биотин. Оксалоацетат образуется в митохондриях, транспортируется в цитозоль и включается в глюконеогенез. Следует обратить внимание на то, что каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей необратимой реакцией глюконеогенеза составляют цикл, называемый субстратным:
Рисунок 12
Таких циклов существует три - соответственно трем необратимым реакциям. Эти циклы служат точками приложения регуляторных механизмов , в результате чего изменяется поток метаболитов либо по пути распада глюкозы, либо по пути ее синтеза.
Направление реакцийпервого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении концентрация глюкозы в крови повышается. Активность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется гликолитическая реакцияглюкоза ® глюкозо-6-фосфат. Кроме того, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы и ускоряет тем самым фосфорилирование глюкозы. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата направляется по гликолитическому пути.
Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу катализируется другой специфической фосфатазой-глюкозо-6-фосфатазой. Она присутствует в печени и почках, но отсутствует в мышцах и жировой ткани. Наличие этого фермента позволяет ткани поставлять глюкозу в кровь.
Распад гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата осуществляется фосфорилазой. Синтез гликогена идет по совершенно другому пути, через образование уридиндифосфатглюкозы, и катализируетсягликогенсинтазой .
Второй субстратный цикл: превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат, катализируется специфическим ферментомфруктозо-1,6-бисфосфатазой. Этот фермент имеется в печени и почках, он был также обнаружен в поперечнополосатых мышцах.
Направление реакцийвторого субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. Активность этих ферментов зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата.
Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии бифункционального фермента (БИФ), который катализирует также и обратную реакцию.
Киназная активность проявляется, когда бифункциональный фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода, когда инсулин-глюкагоновый индекс высокий.
При низком инсулин-глюкагоновом индексе, характерном для периода длительного голодания, происходят фосфорилирование БИФ и проявление его фосфатазной активности, результатом чего являются снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата, замедление гликолиза и переключение на глюконеогенез.
Киназная и фосфатазная реакции катализируются разными активными центрами БИФ, но в каждом из двух состояний фермента - фосфорилиро-ванном и дефосфорилированном - один из активных центров ингибирован.
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
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 СО 2 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 СО 2 , 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.
И печени. В периоды между приемами пищи, длительного голодания или интенсивных физических нагрузок запас глюкозы может исчерпываться, поэтому существует метаболический путь глюконеогенеза, что обеспечивает ее образования из неуглеводородных предшественников, таких как пируват и близкие трех-или чотирикарбонови соединения. Глюконеогенез является энергозатратной процессом.
Метаболический путь глюконеогенеза присутствует у представителей всех основных групп живой природы: бактерий , архебактреий , растений , грибов и животных . Реакции глюконеогенеза одинаковы у всех организмов во всех тканях, но может отличаться его метаболический контекст.
Глюконеогенез обеспечивает синтез глюкозы из пирувата, а гликолиз наоборот - расщепление глюкозы до пирувата, однако глюконеогенез не является обратной копией гликолиза, хотя многие реакций (семь из десяти) являются общими для обоих путей. Три реакции гликолиза очень екзергоничнимы (т.е. имеют большую отрицательную смену свободной энергии) и необратимые в живых клетках: превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфата, превращение фруктозо-6-фосфата к фруктозо-1 ,6-бисфосфат и преобразования фосфоенолпирувату (ФЭП) до пирувата (см. гликолиз). В глюконеогенезе есть обходные пути (шунты) для этих реакций, которые также имеют большую отрицательную изменение свободной энергии. Таким образом оба пути - и гликолиз, и глюконеогенез - есть необратимыми в клетке.
1. Локализация и значение
Глюконеогенез происходит в клетках бактерий, археобактерий, грибов, растений и животных. Как и гликолиз, почти все преобразования глюконеогенеза локализуется в цитоплазме , однако у эукариот первая реакция этого пути имеет место в митохондриях .
У животных важнейшими предшественниками глюкозы является тривуглецеви соединения, такие как пируват, лактат, глицерол и некоторые аминокислоты . В млекопитающих глюконеогенез наиболее интенсивно протекает в печени, а также в некоторой степени в корковом слое почек и эпителии тонкого кишечника . За сутки в организме человека синтезируется до 80 г глюкозы . После физических нагрузок молочная кислота образована в скелетных мышцах переносится кровь "ю к печени, где превращается в глюкозу, которая транспортируется обратно в мышцы и служит там субстратом для синтеза гликогена. Этот метаболический путь получил название цикл Кори . Глюконеогенез играет особое значение во время голодания, так методом изотопного мечения было показано что на 22 часа воздержания от еды он обеспечивает образование 64% всей глюкозы в крови, а на 46 час эта цифра приближается к 100% .
Глюконеогенез также интенсивно происходит в семенах , которое прорастает, и является частью пути, превращает запасные липиды и белки в дисахариды (преимущественно сахарозу), которые могут транспортироваться во все ткани молодого растения. Также фотоавтотрофам глюконеогенез нужен для преобразования первичных продуктов фотосинтеза к глюкозе. Последняя необходима растениям для синтеза клеточной стенки и как предшественник нуклеотидов , коферментов и многих других веществ .
Многие микроорганизмы начинают глюконеогенез из двокарбонових и трикарбоновых соединений, имеющихся в среде, где они живут, таких как ацетат , лактат, пропионат .
2. Реакции глюконеогенеза
Семь реакций глюконеогенеза являются обратными к реакциям гликолиза. Энергетический барьер трех необратимым гликолитических реакций преодолевается в глюконеогенезе обходными путями, к ним относятся: синтез фосфоенолпирувату с пирувата, преобразования фруктозо-1 ,6-бисфосфат в фруктозо-6-фосфат и превращение глюкозо-6-фосфата к глюкозе . Такая организация противоположных метаболических путей не только позволяет обоим быть термодинамически выгодным при одинаковых условиях, но и дает возможность для их разрешения регуляции .
2.1. Синтез фосфоенолпирувату с пирувата
Последняя реакция гликолиза - превращение фосфоенолпирувату в пируват с одновременным фосфорилированием АДФ - имеет большую отрицательную изменение свободной энергии и является необратимой. В глюконеогенезе противоположное преобразования (пирувата в фосфсфоенолпируват) происходит окольным путем, состоящий как минимум из двух реакций , и у эукариот требует ферментов как митохондрий так и цитоплазмы. Протекания этой стадии отличается в зависимости от того пируват или лактат является предшественником в синтезе глюкозы .
Пируват сначала превращается в оксалоацетата вналслидок карбоксилирование пируваткарбоксилазою. Этот фермент использует в качестве кофермента биотин , реакция сопровождается гидролизом одной молекулы АТФ . Биотин выступает носителем бикарбоната, предварительно активируется путем образования смешанного ангидрида (карбоксифосфату) вследствие переноса фосфатной группы с АТФ . Уравнение реакции:
Пируват + АТФ + HCO - 3 → оксалоацетат + АДФ + Ф н ;
Реакция карбоксилирования необходима для метаболической активации пирувата .
Следующая реакция - одновременное декаброксилювання и фосфорилирования оксалоацетата - катализируется ферментом фосфоенолпіруваткарбоксикіназою, что требует присутоности ионов Mg 2 + и ГТФ в качестве донора фосфатной группы. Продуктом этой реакции является фосфоенолпируват, она обратная по клеточных условий .
Оксалоацетат + ГТФ → фосфоенолпируват + ГДФ + CO 2;
Суммарное уравнение процесса:
Пируват + АТФ + ГТФ + HCO - 3 → Фосфоенолпируват + АДФ + ГДФ + Ф н + CO 2, ΔG 0 = 0,9 кДж / моль.
Таким образом для преобразования пирувата до фосфоенолпирувату необходим гидролиз двух молекул нуклеотидтрифосфатив, тогда как противоположный процесс в гликолизе позволяет синтезировать только одну молекулу АТФ. Хотя стандартная изменение свободной энергии для суммарного процесса составляет 0,9 кДж / моль, в реальных условиях благодаря очень низкой концентрации фосфоенолпирувату ΔG = -25 кДж / моль, т.е. превращение является сильно екзергоничним и необратимым .
2.1.1. Челночный транспорт оксалоацетата
Увторення оксалоацетата является так называемой анаплеротичною реакцией цикла трикарбоновых кислот , то есть такой, который поддерживает достаточный уровень его метаболитов . Поэтому, как и сам ЦТК, она происходит в матриксе митохондрий, пируваткарбоксилаза является исключительно митохондриальных ферментов у эукариот. Зато локализация ФЭУ-карбоксикиназы отличается у разных организмов: в печени мышей и крыс она содержится только в цитозоле, в кроликов и голубей - только в митохондриях, а у человека и морских свинок примерно поровну распределена между двумя компартментами . Остальные ферментов глюконеогенеза является цитозольного, таким образом для прохождения этого метаболического пути оксалоацетат или фосфоенолпируват должны транспортироваться из митохондрий в цитоплазму. Конкретный механизм транспорта зависит от организма и вещества, выступает предшественником в синтезе глюкозы.
Если предшественником является пируват, то используется преимущественно малатний путь транспорта. Пировиноградная кислота переносится в матрикса митохондрий или образуется там с аминокислоты аланина в реакции переаминирования, здесь происходит карбоксилазна реакция. Образован оксалоацетат не может быть транспортирован в цитзолю, из-за того, что внутренняя мембрана митохондрий у него нет транспортера. Поэтому оксалоацетат восстанавливается малатдегидрогеназы в малата за счет переноса гидрид иона с НАД H. Несмотря на то, что стандартная изменение свободной энергии для этой реакции достаточно высока, в условиях характерных для матрикса митохондрий (в частности высокой концентрации оксалоацетата), она является обратимой (ΔG ~ 0). Образован L-малат покидает митохондрии при посредничестве специального переносчика и в цитоплазме снова окисляется до оксалоацетата. Последний превращается в ФЭП. Этот путь обеспечивает экспорт в цитозоль не только оксалоацетата но и восстановительных эквивалентов НАДH, необихдних для протекания глюконеогензу (восстановление 1,3-бисфосфогицерату до глицеральдегид-3-фосфата). В цитоплазме соотношение НАДH / НАД + составляет около 8 ? 10 -4 и есть в сто тысяч раз меньше, чем в митохондриях. Образование малата в матриксе митохондрий, его транспорт в цитоплазму и дегидрогенизации обеспечивает баланс между образованным и использованным НАДH в цитоплазме при глюконеогенеза .
Несколько отличается начало глюконеогенеза в том случае, когда субстратом для синтеза глюкозы служит лактат (образован в эритроцитах или скелетных мышцах во время интенсивных нагрузок). В таком случае молочная кислота дегидрогенизуеться в цитоплазме, эта реакция является источником НАДH, а значит нет необходимости в переносе восстановительных эквивалентов в виде малата из митохондрий. Образован пируват транспортируется митохондрий, где является субстратом для пируваткарбоксилазы. После этого оксалоацетат сразу же в матриксе подлежит декарбоксилированию и фосфорилированию благодаря митохондриальной фосфоенолпіруваткарбоксикіназі. Образован фосфоенолпируват покидает митохондрии .
Существует еще один путь, не предусматривает переноса НАДH - аспартатных. В этом случае оксалоацетат в матриксе вступает в реакцию переаминирования с аминокислотами катлизовану АсАТ . Вследствие этого он превращается в аспартат , который транспортируется в цитозоль. Там опять происходит переаминирования с участием аспартатаминотрасферазы, в результате чего образуется оксалоацетат. Этот путь также используется тогда, когда предшественником в глюконеогенезе является молочная кислота, в частности организмами не содержащие митохондриальной ФЭУ-каброксикиназы.
2.2. Фосфорилазни реакции глюконеогенеза
Две другие необратимые стадии гликолиза - киназного реакции: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата и глюкозы с использованием АТФ. Обратные реакции требовали бы перенос фосфатной группы с фосфорильованих моносахаридов назад на АДФ, однако в глюконеогенезе этого не происходит, соответствующие преобразования вместо катализируемых другими энзимами - фосфатазы (фруктозо-1 ,6-бисфосфатазою (ФБФ-1) и глюкозо-6-фосфатазой). Фосфатазни реакции - это простой гидролиз, продуктом которого является фосфатная кислота :
Фруктозо-1 ,6-бисфосфат + H 2 O → фруктозо-6-фосфат + Ф н; Глюкозо-6-фосфат + H 2 O → глюкоза + Ф н.
Оба фермента является магний-зависимыми. Глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в большинстве тканей, поэтому глюконеогенез в них завершается формированием глюкозо-6-фосфата, который может быть использован для синтеза гликогена или участия в других метаболических путях. Такие ткани не способны пополнять уровень глюкозы в крови, поскольку глюкозо-6-фосфат не может транспортироваться плазматической мембраной . Глюкозо-6-фосфатаза присутствует в гепатоцитах, и, в меньшей степени, в клетках печени и эпителия тонкого кишечника . Локализуется она в полости эндоплазматического ретикулума , куда специальным переносчиком транспортируется глюкозо-6-фосфат, а позже другим транспортным белком скачивается глюкоза и фосфат .
3. Энергетические затраты глюконеогензу
Формирование глюкозы из пирувата является термодинамически невыгодным процессом, поэтому оно должно быть сопряженное с екзергоничнимы реакциями, а именно гидролизом нуклеотидтрифосфатив . Суммарное уравнение глюконеогенеза, в случае, когда исходным веществом выступает пируват, выглядит так:
2 Пируват + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДH (H +) + 4H 2 O → глюкоза + 4АДФ + 2ГТФ + 6Ф н + 2НАД +;
Так что для образования одной молекулы глюкозы необходима энергия шести високоенргетичних фосфатных групп (четырех от АТФ и двух от ГТФ). Также в этом процессе используются две молекулы НАДH для восстановления 1,3-бисфосфоглицерату.
Для сравнения суммарное уравнение гликолиза:
Глюкоза + 2АДФ + 2Ф р + НАД + → 2 пируват + 2АТФ + 2H 2 O + НАДH (H +);
Очевидно, что глюконеогенез не просто обратным к гликолиза, поскольку в таком случае для его прохождения хватало бы всего двух молекул АТФ. Глюконеогенез относительно энергетически "дорогой" метаболический путь, многие из энергии требуется для обеспечения его необратимости. По клеточных условий суммарное изменение свободной энергии в процессе гликолиза составляет около -63 кДж / моль, а в глюконеогенезе - 16 кДж / моль .
4. Предшественники в синтезе глюкозы
| Глюкогенни аминокислоты | |
|---|---|
| Аланин | Пируват |
| Цистеин | |
| Глицин | |
| Серин | |
| Треонин | |
| Триптофан | |
| Аргинин | α-кетоглутарат |
| Глутамат | |
| Глутамин | |
| Гистидин | |
| Пролин | |
| Изолейцин | Сукцинил-КоА |
| Метионин | |
| Треонин | |
| Валин | |
| Фенилаланин | Фумарат |
| Тирозин | |
| Аспарагин | Оксалоацетат |
| Аспартат | |
4.1. Пируват и промежуточные продукты ЦТК
Описанный метаболический путь глюконеогенеза может использоваться для биосинтеза глюкозы не только с пирувата и лактата, а также и многих других веществ, в частности промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Такие соединения как цитрат , изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, сукцинат , фумарат и малат превращаются в ходе ЦТК в оксалоацетата, а следовательно могут быть субстратами для глюконеогенеза .
Среди глюкогенних аминокислот наибольшее значение для глюконеогенеза имеют аланин и глутамин, поскольку они являются основными переносчиками аминогрупп от различных органов к печени. В митохондриях гепатоцитов от них отщепляются аминогруппы, а карбоновые скелеты используются на биосинтез глюкозы .
4.2. Глицерол
Предшественником в синтезе глюкозы также может выступать продукт гидролиза нейтральных жиров гилцерол. Для этого в клетках печени он фосфорилируется глицеролкиназою, после чего происходит окисление второго атома углерода и образуется глицеральдегид-3-фосфат, который может вступать в глюконеогенез. Хотя глицеролфосфат является важным предшественником в синтезе триглицеридов в адипоцитах , эти клетки не имеют глицеролкиназы. Поэтому они используют для синтеза этого вещества сокращенный вариант глюконеогенеза: гилцеронеогенез, который включает преобразования пирувата до дигидроксиацетонфосфату с его последующим восстановлением до глицеролфосфату .
4.3. Жирные кислоты
5. Регуляция глюконеогенеза
Если гликолиз и глюконеогенез могли протекать одновременно протекать с высокой интенсивностью в клетке, результатом было бы бесполезно потребления энергии и преобразования ее в тепло. Например фосфофруктокиназна и фруктозо-1 ,6-фосфатазна реакции:
Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1 ,6-бисфосфат + АДФ; Фруктозо-1 ,6-бисфосфат + H 2 O → фруктозо-6-фосфат + Ф н;
давали бы в сумме только гидролиз АТФ (происходит так называемый субстратный цикл)
АТФ + H 2 O → АДФ + Ф н.
Поэтому эти два пути реципрокной регулируются алостерично, путем ковалентной модификации ферментов и регуляции их синтеза . На скорость глюконеогенеза также влияет доступность сусбтратив. В общем, когда клетке нужна энергия, в ней более активно происходит гликолиз, а когда энергии в избытке, то преобладать глюконеогенез .
5.1. Регуляция пируваткарбоксилазы
Пиурваткарбоксилаза является первым регуляторным ферментом глюконеогенеза. Для функционирования она требует присоединения алостеричного активатора ацетил-КоА, высокий уровень которого свидетельствует о достаточном запасе жирных кислот, которые могут быть окисленной с целью получения энергии . Однако продукт пируваткарбоксилазнои реакции - оксалоацетат - использоваться на пополнение цикла трикарбоновых кислот, а не на глюконеогенез, если только ЦТК НЕ ингибуватиметься высокими уровнями АТФ или НАДH . Негативным модулятором пируваткарбоксилазы является АДФ .
5.2. Регуляция ФЭУ-карбоксикиназы
ФЭУ-карбоксикиназа катализирует первую комитований шаг глюконеогенеза (то есть, однозначно определяет метаболизм определенной соединения по этому пути). У млекопитающих его регуляция происходит преимущественно на транскрипционных уровне в ответ на изменение диеты и уровня гормонов . В частности, глюкагон , гена ФЭУ-карбоксикиназы, активируя экспрессию последнего .
5.3. Регуляция фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы
Последний регуляторный фермент глюконеогенеза ингибируется АМФ , высокий уровень которого свидетельствует об исчерпании запасов АТФ . В гепатоцитах его активность привязана к уровню глюкозы в крови благодаря сигнальной молекуле фруктозо-2 ,6-бисфосфат, которая одновременно выступает алостеричним ингибитором фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы и алостеричним активатором соответствующего фермента гликолиза - фосфофруктокиназы. Концентрация фруктозо-2 ,6-бисфосфат зависит от скорости его образования из фруктозо-6-фосфата фосфофруктокиназы-2 (ФФК-2) и гидролиза фруктозо-2 ,6-бисфосфатазою (ФБФаза-2). ФФК-2 и ФБФаза-2 - это две разные активности одного бифункционального фермента, который "переключается" путем фосфорилирования .
В случае, когда уровень глюкагона в крови высокий, он стимулирует в гепатоцитах цАМФ-зависимый сигнальный путь, что приводит к фосфорилирования бифункционального фермента протеинкиназой А. Фосфорилированная форма этого белка функционирует как ФБФаза-2 и гидролизует фруктозо-2 ,6-бисфосфат, в результате чего происходит активация фруктозо-1 ,6-бисфосфатазы и угнетение фосфофруктокиназы-1. Итак глюконеогенез происходит интенсивнее, чем гликолиз. Инсулин вызывает противоположную ответ: дефосфорилювання бифункционального фермента, увеличение концентрации фруктозо-2 ,6-бисфосфат, активацию ФФК-1 и угнетение ФБФазы-1 .
Примечания
Источники
- Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L Biochemistry 6th. - WH Freeman and Company, 2007. ISBN 0-7167-8724-5 .
- Nelson DL, Cox MM Lehninger Principles of Biochemistry 5th. - WH Freeman, 2008. ISBN 978-0-7167-7108-1 .
- Prescott LM Microbiology 5th. - McGraw-Hill, 2002. ISBN 0-07-282905-2 .
- Voet D., Voet JG Biochemistry 4th. - С. 487-496. - Wiley, 2011. ISBN 978-0470-57095-1 .
- Губский Ю.И. Биологическая химия. - С. 191. - Киев-Одесса: Новая книга, 2007.