Глюконеогенез реакции. Схема использования глюкозы в организме. Фосфорилазни реакции глюконеогенеза

Синтез глюкозы из молочной кислоты

При физической нагрузке в мышцах продуцируется большое количество молочной кислоты, особенно если нагрузка интенсивная, максимальной мощности.Также молочная кислота непрерывно образуется эритроцитами , независимо от состояния организма. С током крови она поступает в гепатоцит и здесь превращается в пируват. Далее реакции идут по классической схеме.

Суммарная реакция глюконеогенеза из молочной кислоты:

Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H 2 O → Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф н

Синтез глюкозы из аминокислот

Ряд аминокислот являются глюкогенными , то есть их углеродные скелеты в той или иной степени способны включаться в состав глюкозы. Такими является большинство аминокислот, кроме лейцина и лизина, атомы углерода которых никогда не участвуют в синтезе углеводов.

В качестве примера синтеза глюкозы из аминокислот рассмотрим участие в этом процессе глутамата, аспартата, серина и аланина.

Аспарагиновая кислота (после реакции трансаминирования) и глутаминовая кислота (после дезаминирования) превращаются в метаболиты ЦТК, соответственно, в оксалоацетат и α-кетоглутарат.

Аланин , трансаминируясь, образует пировиноградную кислоту, которая способна карбоксилироваться до оксалоацетата. Оксалоацетат, являясь первым элементом в процессе глюконеогенеза, далее включается в синтез глюкозы.

Серин в трехступенчатой реакции под воздействием сериндегидратазы теряет аминогруппу и превращается в пируват, который вступает в глюконеогенез.

Включение аминокислот в синтез глюкозы

Синтез глюкозы из глицерина

При физической нагрузке под влиянием адреналина или при голодании под влиянием глюкагона и кортизола в адипоцитах активно происходит распад триацилглицеролов (липолиз). Одним из продуктов этого процесса является спирт глицерин , который поступает в печень. Здесь он фосфорилируется, окисляется до диоксиацетонфосфата и вовлекается в реакции глюконеогенеза.

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 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 фосфоенолпируват-карбоксикиназа, при этом в реакциях тратятся два макроэрга - АТФ и ГТФ.

В химическом плане обходной путь десятой реакции выглядит достаточно просто:

Упрощенный вариант написания обхода десятой реакции гликолиза

Однако дело в том, что пируваткарбоксилаза находится в митохондрии, а – 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 гепатоците при голодании.

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.

Когда запасы углеводов в организме становятся ниже нормы, некоторое количество глюкозы может образовываться из аминокислот и составной части жиров - глицерола. Этот процесс называют глюконеогенезом.

Глюконеогенез особенно важен для предупреждения существенного снижения уровня глюкозы в крови во время голодания. Глюкоза является основным субстратом, используемым для получения энергии такими тканями, как нервная ткань и клетки крови, поэтому в крови должно присутствовать достаточное количество глюкозы в промежутках между приемами пищи, которые могут составлять несколько часов.

Печень играет ключевую роль в поддержании уровня глюкозы в крови натощак, обеспечивая превращение депонированного гликогена в глюкозу (гликогенолиз), а также путем синтеза глюкозы, главным образом из лактата и аминокислот (глюконеогенез). Приблизительно 25% глюкозы, синтезированной печенью натощак, образуется путем глюконеогенеза, что способствует доставке необходимого мозгу количества глюкозы.
В условиях длительного отсутствия пищи значительное количество глюкозы может образовываться в почках из аминокислот и других предшественников.

Приблизительно 60% аминокислот из присутствующих в организме белков свободно превращаются в углеводы. Остальные 40% имеют химическую структуру, затрудняющую их превращение в углеводы или делающую этот процесс невозможным. Превращение каждой аминокислоты в глюкозу сопряжено с индивидуальными особенностями химических реакций.

Например, путем дезаминирования аланин может напрямую превращаться в пировиноградную кислоту; затем пировиноградная кислота превращается в глюкозу или запасается в виде гликогена. Большая часть используемых аминокислот может объединяться, превращаясь в различные сахара, содержащие 3, 4, 5 и даже 7 атомов углерода. Затем они вступают в фосфоглюконатные реакции и преобразуются в глюкозу.

Таким образом, путем дезаминирования и некоторых простых преобразований большое количество аминокислот становится глюкозой. Подобным способом глицерол также преобразуется в глюкозу или гликоген.

Регуляция глюконеогенеза . Уменьшение количества углеводов в клетках или снижение сахара в крови является основным стимулом для увеличения скорости глюконеогенеза. Кроме того, уменьшение количества углеводов может стать причиной изменения направления гликолитических или фосфоглюконатных реакций, что способствует превращению дезаминированных аминокислот в углеводы, наряду с глицеролом. Такой гормон, как кортизол, играет особенно важную роль в регуляции процессов глюконеогенеза.

Роль кортикотропина и глюкокортикоидов в глюконеогенезе. Если количество углеводов в клетках не соответствует нормальному уровню, это по не совсем понятной причине приводит к тому, что аденогипофиз начинает продуцировать большое количество гормона кортикотропина. Кортикотропин стимулирует кору надпочечников к продукции больших количеств глюкокор-тикоидных гормонов, особенно кортизола.

В свою очередь, кортизол мобилизует белки из большинства тканей организма, повышая уровень аминокислот в жидких средах организма. Большая часть выделяемых аминокислот сразу дезаминируется в печени и становится прекрасным субстратом для превращения в глюкозу. Таким образом, один из наиболее важных способов стимуляции глюконеогенеза опосредован выделением глюкокортикоидов из коры надпочечников.

Нормальная концентрация глюкозы в крови, взятой натощак спустя 3-4 ч после приема пищи, составляет 90 мг/дл. После приема пищи, содержащей большое количество углеводов, уровень глюкозы в крови иногда достигает почти 140 мг/дл, даже если у человека нет сахарного диабета.
Регуляция концентрации глюкозы в крови тесно связана с гормонами поджелудочной железы, инсулином и глюкагоном.

Глюконеогенез. Этот процесс характерен для представителей всех царств живых организмов, но наиболее важное значение имеет для клеток высших животных. Дело в том, что эмбриональные ткани, мозг, семенники, эритроциты в качестве источника углерода способны использовать только D-глюкозу. Если в рационе недостает углеводов, в печени индуцируется распад гликогена, но и этого источника может оказаться недостаточно (мозг человека в сутки потребляет более 120 г глюкозы). В таком случае глюкоза синтезируется в организме из неуглеводных предшественников в ходе глюконеогенеза. Наиболее активно глюконеогенез осуществляется у животных в клетках печени и почек.

Реакции глюконеогенеза в большой степени тождественны обратным реакциям гликолиза, и многие из них катализируются теми же ферментами, которые задействованы в гликолизе.

Итак, в гликолизе имеется три практически необратимые реакции, взамен которых в глюконеогенезе существуют обходные пути .

Первый обходной путь представляет собой превращение пирувата в фосфоенолпируват. Для непосредственного перевода пирувата в фосфоенолпируват недостаточно энергии расщепления АТР, поэтому данная стадия осуществляется в ходе нескольких реакций. Вначале пируват, образующийся преимущественно в цитоплазме (из лактата, аминокислот, в гликолизе), переводится в митохондрии и там карбоксилируется в оксалоацетат.

Катализирует реакцию пируваткарбоксилаза, использующая в качестве кофактора биотин. Оксалоацетат в митохондриях восстанавливается в малат (митохондриальная малатдегидрогеназа), который с помощью специфических переносчиков транспортируется в цитоплазму. В цитоплазме малат вновь окисляется в оксалоацетат (цитоплазматическая малатдегидрогеназа), который с помощью GTP-зависимой фосфоенолпируваткарбоксилазы декарбоксилируется в фосфоенолпируват (РEP).

Второй обходной путь в глюконеогенезе представляет собой превращение фруктозодифосфата во вруктозо-6-фосфат. В гликолизе фосфофруктокиназная реакция, сопровождающаяся гидролизом АТР, является необратимой. В глюконеогенезе функционирует другой фермент-фруктозодифосфатаза, которая катализирует практически необратимое отщепление фосфатной группы от первого атома углерода. Фруктозодифосфатаза, как и пируваткарбоксилаза, является аллостерическим ферментом. Его активность ингибируется с помощью АМР и активируется при участии АТР.

Третий обходной путь - дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, не может произойти с помощью прямого обращения гексокиназной реакции. Эту реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатаза, которая локализована на внутренней поверхности мембран гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭР). Поэтому для осуществления данной реакции глюкозо-6-фосфат транспортируется в ЭР, где дефосфорилируется в свободную глюкозу. Следует отметить, что глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в таких тканях, как мышцы и мозг, поэтому они не могут поставлять в кровь свободную глюкозу.

Суммарное уравнение глюконеогенеза выглядит следующим образом:

Из приведенного баланса следует, что на образование одной молекулы глюкозы в процессе глюконеогенеза расходуется шесть высокоэнергетических фосфатных связей, а также две молекулы NADH. Важно отметить, что регуляция скорости синтеза глюкозы в этом пути осуществляется с помощью ферментов, не принимающих участие в гликолизе. При этом глюконеогенез наиболее интенсивно протекает в условиях повышенного содержания в клетке топливных молекул, в частности ацетил-СоА, и достаточного количества АТР.

Глицерол включается в путь глюконеогенеза через дигидроксиацетонфосфат, в который он превращается после фосфорилирования (с участием АТР) и дегидрирования.

Аминокислоты поступают в путь через такие метаболиты, как пируват и оксалоацетат, образующиеся в ходе перестроек их углеродных скелетов. Лактат перед вступлением в глюконеогенез должен окислиться до пирувата.

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.