Биохимия пособие Коновалова 2012

Фосфоенолпируват превращается далее по пути обратному' глико­ лизу при участии тех же ферментов до образования фруктозо-1,6- бисфосфата. Далее следуют необратимые фосфофруктокиназная и гексокиназная реакции. Для их обращения используются специальные ферменты: дефосфорилирование фруктозо-1,6-бисфосфата осуществля­ ется фосфатазой фруктозо-1,6-бисфосфата, глюкозо-6-фосфата - глюко- зо-6-фосфатазой. Это второй и третий обходные пути гликолиза.

Ряд аминокислот, называемых гликопластическими (глицин, ала­ нин, серин, цистеин, треонин, метионин, валин, глютаминовая и аспара­ гиновая кислоты, аргинин, триптофан, гистидин, пролин), в результате специфических путей превращаются в пируват, щавелевоуксусную или а-кетоглутаровую кислоты, которые используются для глюконеогенеза. Глицерин включается в этот процесс на стадии образования 3- фосфоглицеринового альдегида

Между распадом глюкозы (гликогена) в мышцах и глюконеогенезом в печени существует тесная взаимосвязь для координации работы этих тканей в интересах всего организма. При распаде гликогена в пе­ чени образуется глюкоза, которая. кровью доставляется в мышцы, где используется для синтеза гликогена или с энергетической целью при мышечной работе с образованием лактата в анаэробных условиях. Лак­ тат из мышечной ткани кровотоком доставляется в печень, где исполь­ зуется для синтеза глюкозы и гликогена. Этот цикл превращений назван глюкозо-лактатным или циклом Кори.

161

Цикл Кори функционирует и в эритроцитах, которые для получе­ ния энергии используют анаэробный гликолиз, накопившийся лактат также током крови доставляется в печень и вступает в глюконеогенез, образовавшаяся глюкоза вновь поступает в эритроциты и окисляется до лактата.

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза происходит за счет АМФ и АТФ через фермент фосфатаза фруктозо-1,6-бисфосфата (фер­ мент глюконеогенеза). Когда в клетке мало энергии - накапливается АМФ и ингибирует фосфатазу. Глюконеогенез подавляется и весь

'фруктозо-1,6-бисфосфат превращается по пути распада углеводов с це­ лью продукции энергии.

Накопление АТФ активирует фосфатазу и проходят реакции глю­ конеогенеза, т.е. образуется глюкоза, а из нее гликоген.

Пентозофосфатный путь (пентозный цикл) окисления глюкозы

Основным путем превращения глюкозы, обеспечивающим ткани энергией, является дихотомический —расщепление до двух фосфотриоз (т.е. пополам). Однако часть глюкозы в организме превращается еще по одному пути - пентозофосфатному или апотомическому (от слова «арех» - верхушка). Механизмы его расшифрованы работами Варбурга, Дикенса, Рэккера, В.А. Энгельгардта, С.Е. Северина и др.

В аэробных условиях судьба глюкозы решается на стадии образо­ вания фруктозо-6-фосфата: если произошло его фосфорилирование, то образующийся фруктозо-1,6-бисфосфат превращается по дихотомиче­ скому пути до фосфотриоз; если вторичное фосфорилирование не про­ изошло, то фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, ко­ торый превращается по апотомическому пути.

Ферменты процесса локализованы в цитоплазме клеток печени (до 33% глюкозы превращается здесь по пентозному пути), жировой ткани (до 20%), молочной железы, эритроцитов (до 10%), коры надпо­ чечников, половых желез, т.е. в тех тканях, где идет синтез жирных ки­ слот, стероидов, аминокислот, интенсивно протекает микросомальное окисление.

В пентозофосфатном пути превращения глюкозы можно выделить 2 части: окислительный (А) и неокислительный (Б) пути образования

162

1,6 Окислительный путь образования пентоз включает 2 реакции де~ г10ир°ванияКоферментом дегидрогеназ является НАДФ, который ^Останавливается в НАДФН+Н+. Пентозы образуются в результате ре-

окислительного декарбоксилирования.

Неокислительный путь образования пентоз включает реакции пееНоса 2 и 3 углеродных фрагментов с одной молекулы на другую. Этот Р служит для синтеза пентоз. Неокислительный путь образования пеНтоз обратим, следовательно, с помощью него избыток пентоз, пре­ вышающий потребности клетки, может быть возвращен в фонд гексоз (регенерация глюкозо-6-фосфата). В любом случае постоянным являет­ ся образование 6 С02 и 12 НАДФН+Н+. Регенерация глюкозо-6- фосфата происходит лишь тогда, когда пентозы не используются для синтеза нуклеотидов.

Окислительный путь синтеза пентоз (путь А) и путь возвра­ щения пентоз в гексозы (путь Б в обратном направлении) вместе со­ ставляют циклический процесс (пентозофосфатный цикл) —за один оборот цикла полностью распадается одна молекула глюкозы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла:

6глюкозо-6-фосфат +12 НАДФ —► 12 НАДФН+Н++ 5 глюкозо-б-фосфат + 6С 02

Окислительные реакции Глюкозо-6-фосфат дегидрируется по первому углеродному атому

глюкозо-6-фосфатдегвдрогеназой с коферментом НАДФ, который вос­ станавливается. Образующийся 6-фосфоглюконолактон гидратируется лактоназой и получается 6-фосфоглюконовая кислота. Для удобства дальнейших подсчетов продуктов процесса рассматривают превраще­ ния б молекул глюкозы.

163

6-фосфоглюконовая кислота окисляется по третьему углеродному атому 6-фосфоглюконатдегидрогеназой с коферментом НАДФ с одно­ временным декарбоксилированием карбоксильной группы, в результате чего образуется рибулозо-5-фосфат. На него действуют два фермента: изомераза, превращающая кетозу в альдозу - рибозо-5-фосфат, и эпимераза, превращающая рибулозо-5-фосфат в его эпимер-ксилулозо-5-

фосфат.

н ,о

Неокислительные реакции

Продукты окислительного пути взаимодействуют между собой, вступая в транскетолазную реакцию. Коферментом транскетолазы явля­ ется тиаминпирофосфат (витамин Bi).

седогептулозо- 7-фосфат

164

1Сл~

сн,он

Транскетолаза отщепляет от ксилулозо-5-фосфата гликолевый альдегид и переносит его на рибозо-5-фосфат с образованием седогеп- тулозо-7-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида, на которые дей­ ствует трансальдолаза. Она отщепляет от седогептулозо-7-фосфата диоксиацетон и переносит его на 3-фосфоглицериновый альдегид с обра­ зованием фрукгозо-6-фосфата и тетрозы - эритрозо-4-фосфата.

2 молекулы эритрозо-4-фосфата взаимодействуют с оставшимися двумя молекулами ксилулозо-5-фосфата при участии транскетолазы, которая переносит гликолевый альдегид с пентозы на эритрозо-4- фосфат. В результате образуются еще две молекулы фруктозо-6- фосфата и две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

Одна из молекул 3-фосфоглицеринового альдегида изомеризуется в диокснацетонфосфат, который вступает в реакцию альдольной кон­ денсации с оставшейся молекулой 3-ФГА. Образуется фрукгозо-1,6- бисфосфат, который дефосфорилируется фосфатазой, и получается 5-ая молекула фруктозо-6-фосфата.

■О/

СЦ.ОН

фосфат

Некоторые метаболиты неокислительного пути являются также и метаболитами гликолиза. Из этого следует, что оба процесса тесно связаны и в зависимости от потребностей клетки возможны переключения с одного пути на другой. При сбалансированной потребности в НАДФН+Н и пентозах в клетке происходит

165

Значение пентозофосфатного пути

Процесс используется только с пластической целью:

1.Образующиеся пентозы - рибозо-5-фосфат используются для синтеза нуклеотидов, нуклеиновых кислот.

2.НАДФ-Н+Н* используется для синтеза высших жирных кислот, холестерина, аминокислот.

3.НАДФ-Н+Н* необходим как донор протонов и электронов в процессе микросомального окисления (при превращении эндогенных субстратов и обезвреживании ксенобиотиков).

4.В растениях рибулозо-5-фосфат участвует в темновой стадии фотосинтеза как акцептор С02.

5.В цикле происходят взаимопревращения моносахаридов, со­ держащих от 3 до 7 углеродных атомов.

Лекция 14

СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА

Синтез гликогена

Гликоген играет роль депо глюкозы в организме. Структура его молекулы идеально приспособлена для этой цели:

1) крупные полимерные молекулы не диффундируют через клеточ­ ные мембраны и являются стабильным источником глюкозы в клетке;

2) гликоген - высокомолекулярное вещество и, в отличие от глюко­ зы, очень мало влияет на величину осмотического давления в клетке.

166

3) накопление свободной глюкозы привело бы к повышению осмо­ тического давления и, как следствие, отеку клетки;

4) разветвленная молекула выгодна, т.к. ветвление увеличивает скорость синтеза и распада гликогена;

5) ветвление повышает растворимость гликогена.

Депонирование глюкозы в виде гликогена происходит в печени и мышечной ткани, ферменты синтеза локализованы в цитоплазме клеток. Процесс включает 3 этапа:

1. Активация Q атома глюкозы, образование активной фо мы глюкозы - УДФ-глюкозы.

Глюкоза фосфорилируется гексокиназой (или глюкокиназой в пе­ чени) с образованием глюкозо-6-фосфата.

Фосфоглюкомутаза переносит фосфатную группировку из шесто­ го положения в первое, и образуется глюкозо-1-фосфат, который взаи­ модействует с УТФ при участии глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферазы. Образуется активная форма глюкозы - УДФ-глюкоза.

167

ОН Глюкозо-1-фосфат- ц

0 Н уридилтрансф&разд

УДФ-глюкоза Н

Образование УДФ-глюкозы необратимо, т.к. пирофосфат гидро­ лизуется пирофосфатазой с выделением энергии.

2. Образование а-1,4-гликозидных связей - удлинение ветв гликогена. Для этого этапа необходимо наличие «затравки» гликогена - т.е. цепи гликогена, содержащей не менее 4-х остатков глюкозы, обра­ зуется при гидролитическом расщеплении гликогена. Фермент гликогенсинтаза присоединяет остаток глюкозы из УДФ глюкозы ее С) ато­ мом к С4 атому глюкозы «затравки», т.е. к нередуцирующему концу, образуя а-1,4-гликозидную связь.

3. Образование а-1,6-гликозидных связей (ветвление моле лы). Молекула гликогена сильно разветвлена за счет наличия а -1,6- гликозидных связей. Образование их осуществляет амилозо-1,4—И,6- трансглюкозидаза (ветвящий, браншинг фермент). Когда длина линей­ ного участка цепи включает минимально 11 остатков глюкозы, этот фермент переносит фрагмент (1—>4) цепи (с минимальным количеством 6-7 остатков глюкозы) на соседнюю цепь или на несколько остатков глюкозы дальше, образуя а-1,6-гликозидную связь. Образуется точка ветвления. Ветви растут путем присоединения остатков глюкозы а - 1,4- гликозидной связью, т.е. линейно, а затем вновь ветвятся.

168

Гликоген• синтаза

синтаза

Распад (мобилизация) гликогена.

Осуществляется двумя путями:

1. Амилолитическое (или гидролитическое) расщепление менее значимо, заключается в гидролитическом отщеплении концевых остат­ ков глюкозы от цепей гликогена с помощью фермента а-1,4- глюкозидазы (у-амилазы). При этом в цитозоле появляются молекулы свободной глюкозы. Полагают, что этот путь служит для подготовки небольших количеств «затравок» для синтеза гликогена.

2. Фосфоролитическое расщепление гликогена имеет большее значение, при этом образуется фосфорилированная глюкоза - глюкозо- 1-фосфат. Расщепление проводит фермент фосфорилаза в присутствии неорганического фосфата. Это основной путь распада гликогена.

169

Глюкото-1-фосфат Глюкото-6-фосфат Глюкоза

Механизм распада гликогена

1. Фосфорилаза расщепляет a-l-4-гликозидные связи, образуя глюкозо-1-фосфат, действуя с нередуцирующих концов ветвей гликоге­ на до тех пор, пока на ветвях, идущих от точки ветвления (а-1-6 гликозидная связь), не останется примерно по 4 остатка глюкозы.

2.Фермент а-1,4—И ,6-глюкотрансфераза переносит фрагмент из 3-х остатков глюкозы с одной ветви на другую.

3.Оставшийся один остаток глюкозы из бывших 4-х, связанный

а- 1,6-гликозидной связью отщепляется гидролитически с помощью деветвящего фермента.

^юримпа

Особенности мобилизации гликогена в печени и в мышцах

170