Глюконеогенез последовательность реакций. Глюконеогенез, его биологическая роль. Обходные реакции глюконеогенеза (химизм). Энергетические затраты глюконеогензу

В пируват или один из промежуточных продуктов .

Первый этап синтеза протекает в (рис. 10.6). Пируват-карбоксилаза, которая катализирует эту , является аллостери-ческим митохондриальным . В качестве аллостерического данного необходим ацетил-КоА. непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же, в , восстанавливается в малат:

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле .

Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат . Фосфо-енолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат. Далее следует фосфофруктокиназная , которая необратима. идет в обход этой эндергонической . Превращение фруктозо-1,6-бис-фосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической :

Рис. 10.6. Образование фосфоенол-пирувата из пирувата. 1 - ; 2 - малатде-гидрогеназа (митохондриальная); 3 -малатдегидрогеназа (цитоплазматиче-ская); 4 - фосфоенолпируват-карбокси-киназа.

Другой важный момент в регуляции – , катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой – , который ингибиру-ется . Противоположное действие оказывает на фосфофруктокиназу, т. е. для этого он является аллостерическим . При низкой и высоком уровне происходит стимуляция . Напротив, когда величина отношения / мала, в наблюдается расщепление .

В 1980 г. группой бельгийских исследователей (Г. Херс и др.) в был открыт фруктозо-2,6-бисфосфат, который является мощным регулятором двух перечисленных :

Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу. Повышение в уровня фруктозо-2,6-бис-фосфата способствует усилению и уменьшению скорости глю-конеогенеза. При снижении фруктозо-2,6-бисфосфата отмечается обратная картина.

Показано также, что бифункциональный в свою очередь регулируется путем цАМФ-зависимого . Фосфорилирова-ние приводит к увеличению фосфатазной и снижению фосфо-киназной бифункционального . Этот механизм объясняет быстрое воздействие , в частности , на уровень фруктозо-2,6-бисфосфата в (см. главу 16).

Бифункционального регулируется также некоторыми

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.

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.

Глюконеогенез - синтез глюкозы из соединений неуглеводной природы.

В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться до 250 г глюкозы. Глюконеогенез осуществляется главным образом в печени (синтезируетя до 90 % всей глюкозы), в корковом веществе почек и в энтероцитах (совсем незначительно).

Глюконеогенез стимулируется при длительном голодании, при ограничении поступления углеводов с пищей, в период восстановления после мышечной нагрузки, у новорождённых в первые часы после рождения.

Субстраты глюконеогенеза. Истинными субстратами глюконеогенеза являютя пируват, оксалоацетат, фосфодиоксиацетон, которые непосредственно включаются в этот процесс. Все вещества неуглеводной природы, дающие эти метаболиты, являются субстратами глюконеогенеза: лактат→ПВК, метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глицерол→фосфодиоксиацетон, пропионил-КоА→метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глюкогенные аминокислоты→ПВК или ЩУК. Главный источник субстратов глюконеогенеза - глюкогенные аминокислоты. К глюкогенным аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина и лизина.

Стехиометрия:

2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН.Н+ + 2Н + 6Н2О Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн + 2НАД +

Глюконеогенез протекает, в основном, по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Для обхода трех ключевых реакций гликолиза используются четыре специфических фермента глюконеогенеза.
Ключевые ферменты и ключевые реакции глюконеогенеза:

1. Пируваткарбоксилаза
2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа
3. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза (Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н2О и Фруктозо-6-фосфат + ФН)
4. Глюкозо-6-фосфатаза (Глюкозо-6-фосфат + Н2О и Глюкоза + ФН)

Энергетический баланс. На синтез молекулы глюкозы из двух молекул пирувата расходуется 4АТФ и 2ГТФ (6АТФ). Энергию для глюконеогенеза поставляет процесс β-окис- ления жирных кислот.

Регуляция глюконеогенеза. Глюконеогенез стимулируется в условиях гипогликемии при низком уровне инсулина и преобладании его антагонистов (глюкагона, катехоламинов, глюкокортикоидов).

1. Регуляция активности ключевых ферментов:

фруктозо-1,6-бисфосфатаза по аллостерическому механизму активируется АТФ, ингибирутся Фр-1,6-ФФ и АМФ;

пируваткарбоксилаза активируется СН3СО~КоА (аллостерический активатор).

2. Регуляция количества ключевых ферментов: глюкокортикоиды и глюкагон

индуцируют синтез ключевых ферментов, а инсулин - репрессирует.

3. Регуляция количества субстрата: количество субстратов глюконеогенеза увеличивается под действием глюкокортикоидов (катаболическое действие на белки мышечной и лимфоидной ткани, на жировую ткань), а также глюкагона (катаболическое действие на жировую ткань).

Биологическая роль глюконеогенеза:

1. Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.

2. Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов. Лактат, образующийся в процессе анаэробного окисления глюкозы в эритроцитах и скелетных мышцах, транспортируется кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу. Это так называемый межорганный цикл Кори.

16.2.1. Глюконеогенез - биосинтез глюкозы из различных соединений неуглеводной природы. Биологическая роль глюконеогенеза заключается в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови, что необходимо для нормального энергообеспечения тканей, для которых характерна непрерывная потребность в углеводах. Особенно это касается центральной нервной системы.

Роль глюконеогенеза возрастает при недостаточном поступлении углеводов с пищей. Так, в организме голодающего человека может синтезироваться до 200 г глюкозы в сутки. Глюконеогенез быстрее, чем другие метаболические процессы, реагирует на изменения диеты: введение с пищей большого количества белков и жиров активизирует процессы глюконеогенеза; избыток углеводов, наоборот, тормозит новообразование глюкозы.

Интенсивные физические нагрузки сопровождаются быстрым истощением запасов глюкозы в организме. В этом случае глюконеогенез является основным путём пополнения углеводных ресурсов, предупреждая развитие гипогликемии. Глюконеогенез в организме тесно связан также с процессами обезвреживания аммиака и поддержанием кислотно-основного баланса.

16.2.2. Основным местом биосинтеза глюкозы de novo является печень. Глюконеогенез протекает также в корковом слое почек. Принято считать, что вклад почек в глюконеогенез в физиологических условиях составляет около 10% глюкозы, синтезируемой в организме; при патологических состояниях эта доля может значительно возрастать. Незначительная активность ферментов глюконеогенеза обнаружена в слизистой тонкого кишечника.

16.2.3. Последовательность реакций глюконеогенеза представляет собой обращение соответствующих реакций гликолиза. Лишь три реакции гликолиза необратимы вследствие происходящих в ходе их значительных энергетических сдвигов:

а) фосфорилирование глюкозы; б) фосфорилирование фруктозо-6-фосфата; в) превращение фосфоенолпирувата в пируват.

Обход этих энергетических барьеров обеспечивают ключевые ферменты глюконеогенеза.

Обратный переход пирувата в фосфоенолпируват требует участия двух ферментов. Первый из них - пируваткарбоксилаза - катализирует реакцию образования оксалоацетата (рисунок 16.4, реакция 1). Коферментом пируваткарбоксилазы является биотин (витамин Н). Реакция протекает в митохондриях. Роль её заключается также в пополнении фонда оксалоацетата для цикла Кребса.

Все последующие реакции глюконеогенеза протекают в цитоплазме . Мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, и он переносится в цитоплазму в виде других метаболитов: малата или аспартата. В цитоплазме указанные соединения вновь переходят в оксалоацетат. При участии фосфоенолпируваткарбоксикиназы из оксалоацетата образуется фосфоенолпируват (рисунок 16.4, реакция 2).

Фосфоенолпируват в результате обращения ряда реакций гликолиза переходит во фруктозо-1,6-дифосфат. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируетсяфруктозодифосфатазой (рисунок 16.4, реакция 3).

Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат. Заключительной реакцией глюконеогенеза является гидролиз глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатазы (рисунок 16.4, реакция 4).

Рисунок 16.4. Обходные реакции глюконеогенеза.

16.2.4. Основными источниками глюкозы в глюконеогенезе являются лактат, аминокислоты, глицерол и метаболиты цикла Кребса.

Лактат - конечный продукт анаэробного окисления глюкозы. Может включаться в глюконеогенез после окисления до пирувата в лактатдегидрогеназной реакции (см. раздел «Гликолиз», рисунок 15.4, реакция 11). При продолжительной физической работе основным источником лактата является скелетная мускулатура, в клетках которой преобладают анаэробные процессы. Накопление молочной кислоты в мышцах ограничивает их работоспособность. Это связано с тем, что при повышении концентрации молочной кислоты в ткани снижается уровень рН (молочнокислый ацидоз). Изменение рН приводит к ингибированию ферментов важнейших метаболических путей. В утилизации образующейся молочной кислоты важное место принадлежитглюкозо-лактатному циклу Кори (рисунок 16.5).

Рисунок 16.5. Цикл Кори и глюкозо-аланиновый цикл (пояснения в тексте).

Глюкогенные аминокислоты , к которым относятся большинство белковых аминокислот. Ведущее место в глюконеогенезе среди аминокислот принадлежит аланину , который может превращаться в пируват путём трансаминирования. При голодании, физической работе и других состояниях в организме функционирует глюкозо-аланиновый цикл , подобный циклу Кори для лактата (рисунок 16.2). Существование цикла аланин - глюкоза препятствует отравлению организма, так как в мышцах нет ферментов, утилизирующих аммиак. В результате тренировки мощность этого цикла значительно возрастает.

Другие аминокислоты могут, подобно аланину, превращаться в пируват, а также в промежуточные продукты цикла Кребса (α-кетоглутарат, фумарат, сукцинил-КоА). Все эти метаболиты способны преобразовываться в оксалоацетат и включаться в глюконеогенез.

Глицерол - продукт гидролиза липидов в жировой ткани. Этот процесс значительно усиливается при голодании. В печени глицерол превращается в диоксиацетонфосфат - промежуточный продукт гликолиза и может быть использован в глюконеогенезе.

Жирные кислоты и ацетил-КоА не являются предшественниками глюкозы. Окисление этих соединений обеспечивает энергией процесс синтеза глюкозы.

16.2.5. Энергетический баланс. Путь синтеза глюкозы из пирувата (рисунок 16.6) содержит три реакции, сопровождающиеся потреблением энергии АТФ или ГТФ:

а) образование оксалоацетата из пирувата (затрачивается молекула АТФ); б) образование фосфоенолпирувата из оксалоацетата (затрачивается молекула ГТФ); в) обращение первого субстратного фосфорилирования - образование 1,3-дифосфоглицерата из 3-фосфоглицерата (затрачивается молекула АТФ).

Каждая из этих реакций повторяется дважды, так как для образования 1 молекулы глюкозы (С6 ) используются 2 молекулы пирувата (С3 ). Поэтому энергетический баланс синтеза глюкозы из пирувата составляет - 6 молекул нуклеозидтрифосфатов (4 молекулы АТФ и 2 молекулы ГТФ). При использовании других предшественников энергетический баланс биосинтеза глюкозы отличается.

Рисунок 16.6. Энергетический баланс биосинтеза глюкозы из лактата.

16.2.6. Регуляция глюконеогенеза. Скорость глюконеогенеза определяется доступностью субстратов - предшественников глюкозы. Увеличение концентрации в крови любого из предшественников глюкозы приводит к стимуляции глюконеогенеза.

Некоторые метаболиты являются аллостерическими эффекторами ферментов глюконеогенеза. Например, ацетил-КоА в повышенных концентрациях аллостерически активирует пируваткарбоксилазу, катализирующую первую реакцию глюконеогенеза. Аденозинмонофосфат, наоборот, оказывает ингибирующее действие на фруктозодифосфатазу, а избыток глюкозы ингибирует глюкозо-6-фосфатазу.

Гормон поджелудочной железы глюкагон, гормоны надпочечников адреналин и кортизол повышают скорость биосинтеза глюкозы в организме, увеличивая активность ключевых ферментов глюконеогенеза либо увеличивая концентрацию этих ферментов в клетках. Гормон поджелудочной железы инсулин способствует снижению скорости глюконеогенеза в организме.