Метаболизм углеводов и его регуляция

Избыток АТФ и избыток  цитрата сильно ингибируют ФФК. В  этих условиях лимитирующим ферментом  ГБФ-пути вместо гексокиназы становится ФФК.  Из-за угнетения ФФК накапливаются  глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и  фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф).  Г-6-Ф ингибирует гексокиназу,  уменьшая утилизацию глюкозы клеткой и одновременно активирует гликогенсинтетазу.

Если нет избытка  АТФ и цитрата,  а есть избыток  АДФ, то АДФ активирует ФФК,  и  тогда скорость всего ГДФ-пути лимитируется  опять гексокиназой.

В результате фосфофруктокиназной  реакции молекула фруктозо-1,6-бисфосфата дестабилизируется (ослабляется) настолько, что сразу распадается на 2 триозы при участии фермента альдолазы (4-я реакция):

 

5-я реакция:

 

В следующую (шестую) реакцию  ГБФ-пути вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация и  равновесие 5-й реакции  сдвигается в сторону образования ФГА. Постепенно весь ФДА переходит в ФГА, и  поэтому количество АТФ, синтезировавшееся  в последующих реакциях ГБФ-пути, мы учитываем в расчете на 2 молекулы ФГА и других промежуточных метаболитов, которые из него образуются.

В 1-й части 1-ого этапа (от глюкозы до ФГА)  расходуется  2  молекулы АТФ: одна - в гексокиназной  реакции, другая - в фосфофруктокиназной (3-я реакция первого этапа ГБФ-пути). 2-я часть  1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.

 

Эта реакция  катализируется  ферментом "глицеральдегидфосфатдегидрогеназа".  Отщепляемый водород передается на НАД с образованием НАДН₂. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на  то,  чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат).

 

7-я реакция:  субстратное   фосфорилирование.

 

 

Фосфат  с  макроэргической  связью передается на АДФ с образованием АТФ.  В результате 7-й стадии в  молекуле  фосфоглицериновой кислоты  остается 1 остаток фосфорной кислоты.

8-я реакция: Фосфат  переносится из 3-го во второе  положение и образуется 2-фосфоглицериновая  кислота.

 

9-я реакция:

От 2-фосфоглицериновой  кислоты отнимается Н₂О. Это приводит к перераспределению молекулярной энергии.  В  результате  на фосфате во  втором положении накапливается энергия и связь становится макроэргической. Получается фосфоенолпируват(ФЕП).

 

10-я реакция: Субстратное  фосфорилирование. Фосфат переносится  на АДФ с образованием АТФ.  ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).

 

На этом 1-й этап ГДФ-пути заканчивается, ПВК уходит в митохондрию  и вступает во  второй этап ГДФ-пути.

Итоги 1-го этапа: 10 реакций, из которых первая, третья и десятая  реакции необратимы. Сначала расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы. Потом окисляется ФГА. Энергия реализуется в ходе 2-х реакций субстратного фосфорилирования: в каждой из них образуется по 2 АТФ. Следовательно,  на каждую молекулу глюкозы (на 2 молекулы ФГА) получается 4 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Суммарно все 10 стадий можно описать следующем уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ + 2НАД -----> 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАДН₂

                                     (ПВК)

    НАДН₂ по системе митохондриального окисления(МтО) передает водород на кислород воздуха с образованием Н₂О и 3 АТФ,  но 1-й этап протекает в  цитоплазме и НАДН₂ не может проходить через мембрану митохондрий. Существуют челночные механизмы,  обеспечивающие этот переход НАДН₂ через    митохондриальную    мембрану - малат-аспартатный челнок и глицерофосфатный челнок (смотрите лекции "Биологическое окисление".

    В расчете  на одну молекулу глюкозы образуется 2НАДН₂.

    В дополнение  к 2 АТФ,  получаемым на 1-м этапе  путем субстратного фосфорилирования, образуется еще 6 АТФ с участием  кислорода,  итого - 8 молекул АТФ.  Столько АТФ образуется в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы в ходе первого этапа ГБФ-пути.

Если эти 8 АТФ добавить к 30 молекулам АТФ, которые образуются на 2-м и  3-м  этапах,  то  суммарный  энергетический итог всего ГБФ-пути составит 38 АТФ на каждую молекулу глюкозы,  расщепленную  до  СО₂  и Н₂О. В этих 38 АТФ заключено 65 процентов энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе.  Это доказывает очень высокую эффективность работы ГБФ-пути.

Из 38 АТФ основная их часть образуется на 2-м и 3-м этапах.  Каждый из этих  этапов  абсолютно необратим и требует обязательного участия кислорода, так как окислительные стадии этих этапов сопряжены с митохондриальным окислением (без него невозможны).  Весь ГБФ-путь от глюкозы или гликогена до СО₂ и Н₂О называют: АЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ.

Ключевые ферменты первого  этапа ГБФ-пути: ГЕКСОКИНАЗА и  ФОСФОФРУКТОКИНАЗА.

Еще одно ключевое звено  находится в ЦТК (3-й этап ГБФ-пути). Ключевое звено на 3-м этапе необходимо потому, что АцКоА, вступающий в ЦТК, образуется не только из углеводов,  но и из жиров и аминокислот. Следовательно, ЦТК  - это конечный "котёл" для сжигания ацетильных остатков, образующихся из углеводов, жиров и белков. ЦТК объединяет все метаболиты, образующиеся при распаде углеводов, жиров и белков.

Ключевые ферменты ЦТК: цитратсинтетаза и изоцитратдегидрогеназа. Оба  фермента угнетаются избытком АТФ и избытком НАДН₂.  Изоцитратдегидрогеназа активируется избытком АДФ. АТФ ингибирует эти ферменты по-разному: изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза. Поэтому при избытке АТФ накапливаются промежуточные продукты: цитрат и изоцитрат. В этих условиях цитрат может выходить в цитоплазму по градиенту концентраций.

2-й и  3-й этапы ГБФ-пути протекают в митохондриях,  а 1-й - в цитоплазме.

1-й этап отделен  от 2-го и 3-го  этапов  митохондриальной  мембраной.

Поэтому 1-й этап может  выполнять свои особенные функции.  Эти функции

связаны с двумя особенностями 1-го этапа.

ОСОБЕННОСТИ ПЕРВОГО ЭТАПА ГБФ-ПУТИ

    1. 1-Й ЭТАП  ПОЛНОСТЬЮ ОБРАТИМ.

Из 10  стадий 1-го этапа 7 полностью обратимы.  Для остальных 3-х этапов есть обходные пути.

    Для гексокиназы  (1-я  стадия) обходной обратный  путь катализируется глюкозо-6-фосфатазой.

    Для фосфофруктокиназы (3-я стадия) обходной обратный путь катализируется фруктозодифосфатазой.

    Третьим необратимым   звеном  1-го  этапа является 10-я  стадия.  В прямом направлении  эта реакция катализируется пируваткиназой,  а  обходной обратный  путь  протекает  через  2 стадии.  В 1-й реакции СО₂ присоединяется к ПВК с образованием щавелево-уксусной  кислоты  (ЩУК). Эта реакция катализируется пируваткарбоксилазой.  Эта реакция синтеза требует затраты 1 АТФ. Кофермент пируваткарбоксилазы: биотин (vit H).

Вторая реакция:  ЩУК  поступает в цитоплазму (с участием челночных механизмов) и превращается в ФЕП. Эта реакция требует  затраты ГТФ.

С учетом 7-й стадии, где  происходит субстратное фосфорилирование, получается, что на пути от пирувата до глюкозы расходуется 3 АТФ,  то есть 6  АТФ в расчете на каждую молекулу глюкозы,  синтезированную из ПВК.

Если не считать НАДН₂,  который образуется на 6-й стадии,  а при обратном пути расходуется, то распад глюкозы до ПВК требует расхода 6 АТФ. Это подтверждает, что на любой биосинтез определенного метаболита требуется энергии больше,  чем образуется при распаде этого же метаболита.

 

ВТОРАЯ ОСОБЕННОСТЬ  ПЕРВОГО ЭТАПА ГБФ-ПУТИ: НА 1-М  ЭТАПЕ НЕТ ПОЛНОЙ ЗАВИСИМОСТИ  ОТ КИСЛОРОДА.

Среди 10-ти стадий 1-го этапа  только одна является окислительной.

Это 6-я стадия:  ФГА ----> 1,3-бисфосфоглицериновая кислота.  Сама эта реакция не требует кислорода. Обычно НАДН₂ поступает в митохондрии и по дыхательной цепи  отдает водород на кислород.

Транспорт водорода от цитоплазматического  НАДН₂ к митохондриальному НАДН₂ обычно обеспечивается малат-аспартатным челночным механизмом, изображенном на рисунке.

 В этом случае  весь 1-й этап работает как часть  ГБФ-пути. 

 

ГЛИКОЛИЗ. ГЛИКОГЕНОЛИЗ. ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ. ОБРАЩЕНИЕ  ГЛИКОЛИЗА

В условиях интенсивной  мышечной работы бывают ситуации, когда  в клетку  не успевает поступать  кислород. При этом распад углеводов  временно протекает в анаэробных условиях. Молекулам  НАДН₂ некуда отдавать свой водород, так как не работают дыхательные цепи в митохондриях и челночные механизмы.  Это не мешает протеканию первых пяти реакций 1-го этапа ГБФ-пути.  Но НАД -  это кофермент, запасы которого в цитоплазме невелики. После того, как весь этот НАД превратится в НАДН₂ в 6-й реакции, новые молекулы ФГА не могут окисляться до фосфоглицериновой кислоты, и тогда все последующие реакции  1-го этапа ГБФ-пути должны прекратиться. Но этого не происходит. В цитоплазме хорошим акцептором водорода  является ПВК - конечный продукт 1-го этапа. Возникает сопряжение между двумя реакциями, которое называется ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ:

Реакции гликолитической  оксидоредукции полностью обратимы. В отсутствие кислорода сколько  НАДН₂ образуется на 6-й стадии, столько же НАДН₂ и отдаст свой водород на ПВК.

Поэтому в анаэробных условиях конечным продуктом распада глюкозы является ЛАКТАТ.

Процесс распада глюкозы  до лактата в анаэробных условиях называется ГЛИКОЛИЗОМ, а гликогена - ГЛИКОГЕНОЛИЗОМ.

Таким образом, ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ  ОКСИДОРЕДУКЦИЯ - это сопряжение между  6-й  стадией  (окисление  ФГА)  и  11-й стадией (восстановление ПВК до лактата) гликолиза.

 

В состоянии покоя, наступающего после интенсивной мыщечной работы, в клетку начинает поступать кислород. Это приводит к запуску митохондриальных дыхательных цепей. Запускаются окислительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК и челночный механизм переноса водорода в митохондрии, а, значит, и ГБФ-путь распада глюкозы (гликогена). При этом процесс гликолиза тормозится автоматически. Торможение гликолиза поступившим в клетку кислородом называется ЭФФЕКТОМ ПАСТЕРА по имени ученого, открывшего это явление.

В раковых клетках  такого эффекта не наблюдается. В  них одновременно могут протекать  сразу два процесса: и ГБФ-путь, и гликолиз. Отсутствие эффекта Пастера  в тканях, пораженных злокачественными опухолями, называется ЭФФЕКТОМ КРЭБТРИ.

СУДЬБА ЛАКТАТА, ОБРАЗОВАВШЕГОСЯ  ПРИ ГЛИКОЛИЗЕ 

Накопившийся в ходе гликолиза лактат при поступлении  кислорода в клетку начинает постепенно превращаться обратно в ПВК. Часть  этого пирувата окисляется во втором и третьем этапах ГБФ-пути. АТФ, образующаяся при этом, используется для синтеза из оставшегося количества ПВК глюкозы или гликогена (в условиях покоя). Процесс синтеза глюкозы или гликогена из лактата называется ОБРАЩЕНИЕМ ГЛИКОЛИЗА.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

 

ГЛИКОНЕОГЕНЕЗ - это образование  углеводов (например, глюкозы или  гликогена из веществ, имеющих неуглеводное происхождение.

Некоторые промежуточные  метаболиты ГБФ-пути могут образоваться из веществ других классов (не из углеводов): например, из аминокислот, липидов.

Приведем пример. ПВК  может получиться в ходе реакции  трансаминирования из аланина:

Далее из пирувата синтезируется  глюкоза (в печени) или гликоген (в  печени и в мышцах). Для обходных реакций необратимых стадий 1-го этапа ГБФ-пути существуют специальные ферменты: для 1-й - глюкозо-6-фосфатаза (только в печени!), для 3-й - фруктозо-1,6-бисфосфатаза, и для 10-й реакции - пируваткарбоксилаза. Ключевым ферментом глюконеогенеза из пирувата является пируваткарбоксилаза. В состав его кофермента входит витамин H - биотин. Этот фермент обычно малоактивен,  но он сильно активируется даже при небольшом накоплении АцКоА в цитоплазме.  Тогда обходной обратный путь 10-й стадии и весь процесс синтеза углеводов из ПВК может протекать быстрее, чем их распад.

 

АВТОНОМНАЯ  САМОРЕГУЛЯЦИЯ ГБФ-ПУТИ.

Рассмотрим регуляцию  на примере мышечной ткани, потому что  именно в этой ткани наблюдается  очень быстрый и огромный перепад  в расходовании энергии АТФ (от состояния  покоя к интенсивной мышечной работе и обратно к состоянию покоя).

1. ИНТЕНСИВНАЯ МЫШЕЧНАЯ  РАБОТА.

Резко падает [АТФ] и возрастает [АДФ]. Это приводит к активации  ключевых ферментов ЦТК цитратсинтазы  и изоцитратдегидрогеназы. ЦТК работает интенсивнее, что приводит к снижению концентраций его начальных продуктов: Ацетил-КоА и цитрата. В итоге ацетил-КоА прекращает активировать ключевой фермент гликонеогенеза - пируваткарбоксилазу - то есть синтез углеводов резко замедляется. Снижение концентраций цитрата и АТФ приводит к прекращению их угнетающего действия на ФФК, а накопление АДФ еще и активирует ФФК - 3-я стадия 1-го этапа ГБФ-пути идет быстрее и понижается концентрация метаболитов-предшественников, в том числе глюкозо-6-фосфата. При этом снимается   тормозящее действие глюкозо-6-фосфата на гексокиназу (поэтому глюкоза утилизируется быстрее) и его активирующее действие на гликогенсинтазу (прекращается синтез гликогена). Уменьшение [АТФ] снимает ее ингибирующее действие на фосфорилазу (ключевой фермент распада гликогена), а накопление АДФ активирует этот фермент - поэтому усиливается распад гликогена и его продукты окисляются в ГБФ-пути.