Метаболический путь глюконеогенеза от пирувата к глюкозе.

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, катализируемое ферментами гликолиза, является центральным путем катаболизма углеводов в большинстве клеток как в аэробных, так и в анаэробных условиях (см. разд. 9.1). Точно так же обратный процесс превращения пирувата в глюкозу является центральным путем биосинтеза моносахаридов и полисахаридов.

В центральный путь глюконеогенеза вливаются два пути, начинающихся с различных наборов неуглеводных предшественников.

Один из этих путей состоит из ряда последовательных реакций, в которых промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот превращаются в пировиноградную кислоту.

Второй путь состоит из ряда реакций, приводящих к восстановлению С02 до глюкозы. Этот путь отсутствует у гетеротрофных организмов и является отличительной особенностью автотрофов, в особенности фотосинтезирующих клеток.

Расходящиеся пути, которые начинаются с глюкозо-6-фосфата (см. рис. 9.9) приводят к образованию свободной глюкозы, запасных полимеров (крахмала и гликогена) и других моносахаридов и их производных.

Еще один важный путь глюконеогенеза начинается с аминокислот. Все организмы могут превращать аминокислоты в различные промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот и затем в глюкозу. Однако количества образуемой

/0. Глюкоза и ес метаболиты в процессах жизнедеятельности

Рис. 9. /0. Глюкоза и ес метаболиты в процессах жизнедеятельности

при этом глюкозы могут значительно варьировать в зависимости от потребности организма в аминокислотах для синтеза белка и от доступности других видов клеточного топлива.

У человека и высших животных в период восстановления после интенсивной мышечной работы особенно активно происходит синтез глюкозы из молочной кислоты (лактата) крови, осуществляющийся главным образом в печени.

Пути, ведущие от глюкозо-6-фосфата к другим продуктам, различаются у разных организмов. Способность к образованию свободной глюкозы сравнительно ограниченна; ею обладают лишь некоторые растения, а также клетки печени, почек и тонкого кишечника позвоночных. В то же время пути, ведущие к синтезу крахмала и гликогена, по-видимому, почти универсальны, но используются в разной степени в зависимости от потребностей обмена и ресурсов питания. Следует отметить, что пути, ведущие к образованию внеклеточных гликогена и крахмала, сильно дифференцированы и отличаются высокой специфичностью.

Центральный путь, ведущий от пирувата к глюкозе, - образование фосфо- енолпирувата из пирувата. Большинство реакций биосинтетического пути образования глюкозы из пирувата катализируется ферментами гликолитического цикла. Таким образом, эти реакции обратны реакциям, реализующимся в процессе гликолиза (см. рис. 9.2). Однако в нормальном гл и колитическом пути, т. е. в пути «вниз», имеются три стадии, которые не могут использоваться при превращении пирувата в глюкозу, т. е. в пути «вверх».

Глюконеогенез идет в обход необратимых стадий, используя альтернативные реакции, которые термодинамически выгодны. Первая из них - превращение пирувата в фосфоенолпируват:

Эта реакция не идет путем прямого обращения пиру ватки казной реакции вследствие большого положительного изменения стандартной энергии Гиббса (ДG°' = +30 кДж/моль).

Фосфорилирование пирувата достигается обходным путем последовательности реакций, катализируемых как ферментами цитоплазмы, так и ферментами митохондрий. В результате многочисленных исследований были установлены ферменты этой последовательности.

В первой реакции ферментом является митохондриальная пируваткарбоксила- за, которая катализирует реакцию образования промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот из пирувата:

Пируваткарбоксилаза - регуляторный фермент, который неактивен в отсутствие ацетил-КоА. Оксалоацетат, образующийся в этой реакции, восстанавливается затем в митохондриях в малат - реакция, идущая с участием NADH:

Затем малат диффундирует из митохондрий в цитоплазму, где он окисляется цитоплазматической NAD-зависимой формой малатдегидрогеназы с образованием внемитохондриального оксапоацетата:

Хотя, как видно из уравнения, эта реакция является сильно эндергонической, тем не менее ее равновесие сдвинуто вправо, поскольку ее конечный продукт быстро удаляется. Под действием фосфопируваткарбоксилазы из оксапоацетата образуется фосфоенолпируват. Донором фосфата в этой реакции служит GTP:

Этот фермент обнаружен в цитоплазме клеток печени крысы и мыши, в митохондриях кролика и цыпленка, а также в цитоплазме и митохондриях морской свинки.

Суммарное уравнение для этого обходного пути образования фосфоенолпиру- вата получают, суммируя все реакции и изменения энергии Гиббса:

Эта суммарная реакция обратима, поскольку общее изменение стандартной энергии Гиббса невелико. При высоком отношении концентраций [АТР]/[ ADP] и в присутствии избытка пирувата равновесие будет сдвинуто вправо.

Можно разделить этот процесс на эндергонические и экзергонические реакции.

Эндергонической (идущей с потреблением энергии) реакцией является превращение пирувата в фосфоенолпируват:

Гидролиз АТР представляет собой экзергоническую реакцию:

Ясно, что на фосфорилирование одной молекулы пирувата расходуется в конечном счете энергия двух высокоэнергетических фосфатных связей АТР и GTP, каждой из которых соответствует величина AG° равная -30 кДж/моль.

Обходный путь, ведущий к образованию фосфоенолпирувата, основан на том, что в митохондриях отношение концентраций NADH / NAD' относительно велико. Поэтому митохондриальный оксалоацетат легко восстанавливается в малат.

В цитоплазме отношение концентраций NADH/NAD’ очень мало и вне митохондрий малат вновь окисляется в оксалоацетат. Малат, легко проходящий через митохондриальную мембрану, служит переносчиком восстановительных эквивалентов между двумя отсеками клетки.

Фосфоенолпируват, образованный из пирувата в результате описанных выше реакций, легко превращается в фруктозо-1,6-дифосфат в последовательности реакций, которые представляют собой реакции гликолиза, идущие в обратном направлении.

Свободный глицерин, образованный при гидролизе жиров - триацилглицери- дов, и глицерил-3-фосфат служат предшественниками глюкозы. Они включаются в последовательность реакций, ведущих от пирувата к глюкозе, после превращения в диоксиацстонфосфат.

Реакция образования фруктозо-6-фосфата не идет в направлении синтеза глюкозы:

Биосинтез глюкозы идет в обход этой эндергонической реакции при помощи фермента гексозодифосфатазы. Этот фермент осуществляет необратимый гидролиз 1,6-дифосфатной группы:

Установлено, что гексозодифосфатаза представляет собой регуляторный фермент, активность которого сильно подавляется АТР. Этот фермент имеет три или более центра связывания АМР. Фермент наиболее активен в направлении синтеза глюкозы, когда концентрация АМР мала, а концентрация АТР велика.

На следующей (обратимой) стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат при участии фосфогексозоизомеразы:

В большинстве клеток глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе глюко- неогенеза, используется как предшественник запасных полимеров, различных моносахаридов (кроме глюкозы), дисахаридов и структурных полимеров.

В клетках ряда органов, например печени, почек и кишечного эпителия, позвоночных глюкозо-6-фосфат может отщепить фосфорную группу (дефосфорили- роваться) с образованием свободной глюкозы.

Свободная глюкоза получается при действии глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей конечную реакцию глюконеогенеза:

В кровь синтезированная глюкоза поступает главным образом из печени. Глю- козо-6-фосфатаза не содержится в мышцах и в мозге, соответственно из этих тканей свободная глюкоза в кровь не поступает.

Суммарное уравнение метаболического пути глюконеогенеза, ведущего от пи- рувата к свободной глюкозе, имеет вид

На образование каждой молекулы глюкозы расходуется шесть высокоэнергетических фосфатных связей АТР и GTP, и две молекулы NADH используются в качестве восстановителей.

Суммарная реакция протекает с выделением энергии. Легко видеть, что это уравнение сильно отличается от уравнения обратной реакции превращения глюкозы в пировиноградную кислоту, которая также является экзергонической:

Синтез глюкозы из пирувата контролируется содержанием «топлива» для дыхания (ацетил-КоА), а также содержанием энергетического заряда системы АТР. Синтез глюкозы ускоряется при образовании избыточного количества митохондриального ацетил-КоА, превышающего то количество, которое клетка может использовать в данный момент в качестве топлива.

Описанный выше путь синтеза глюкозы из пирувата открывает также возможность для образования глюкозы из различных предшественников пирувата или фосфоенолпирувата. Главными из них являются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот, которые могут окисляться в малат. Затем малат может выходить из митохондрий и окисляться в цитоплазме в оксалоацетат с последующим образованием фосфоенолпирувата под действием цитоплазматической фосфо- енолпируваткарбоксикиназы.

В тканях животных имеется альтернативный путь образования фосфоенолпирувата из а-кетоглутарата и предшествующих ему 6-углеродных кислот цикла Кребса.

В конечном счете при любой последовательности реакций три атома углерода разных промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот превращаются в три атома углерода фосфопирувата.

С помощью различных экспериментов установлено также, что у позвоночных промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот используются для глюконеогенеза. Например, в одной серии опытов крысы голодали 24 ч или более. При этом уровень гликогена в печени снизился примерно от 7 до 1% сырой массы. Последующее скармливание янтарной кислоты или других промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот голодавшим крысам вызывало увеличение общего количества гликогена, главным образом благодаря повышению уровня гликогена в печени.

Превращение промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в глюкозу наблюдали также у животных, получавших токсичный гликозид флоридзин. Флоридзин блокирует реабсорбцию глюкозы из почечных канальцев, вследствие чего глюкоза крови почти полностью выводится с мочой. Оказалось, что скармливание янтарной кислоты или других промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот животным, получившим флоридзин, приводит к выделению глюкозы в количествах, почти точно эквивалентных содержанию углерода в этих промежуточных продуктах, полученных животными.

В тканях высших животных истинный синтез глюкозы из двух атомов углерода ацетильной группы ацетил-КоА не происходит. Одна из причин этого заключается в том, что цитрат - шестиуглеродный проду кт конденсации ацетил-КоА и ок- салоацетата - в цикле Кребса при окислении в фосфоенолпируват теряет три атома углерода в виде СО2. Следовательно, цитрат не может служить источником добавочных количеств глюкозы сверх того, что образуется из оксалоацетата. Кроме того, в животных тканях ацетил-КоА не может непосредственно превращаться ни в пируват. ни в сукцинат. У высших животных метаболический путь, в котором атомы углерода жирных кислот могли бы использоваться для глюконеогенеза, отсутствует.

Напротив, растения и многие микроорганизмы могут синтезировать углеводы из жирных кислот через ацетил-КоА при помощи реакций глиоксилатного цикла. Для такого превращения необходимы два специфичных фермента - изоцитратлиа- за и малатсинтаза. Оба эти фермента отсутствуют у высших животных.

Сукцинат, образующийся в глиоксилатном цикле, превращается в оксапоаце- тат, который, в свою очередь, служит предшественником фосфоенолпирувата. Именно с помощью этого пути запасные жиры превращаются в глюкозу в прорастающих семенах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >