ГЛИКОЛИЗ. 140 Метаболизм углеводов
 Скачать 130.82 Kb.
|
|
140 Метаболизм углеводов ГЛИКОЛИЗ Гликолиз — катаболический путь, протекающий в цитоплазме клеток практически всех без исключения организмов, как аэробных, таки анаэробных. Суть процесса проста молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пиру- вата, при этом образуются две молекулы АТФ и две молекулы В присутствии кислорода пируват и NADH достигают митохондрий, где претерпевают дальнейшие превращения (аэробный гликолиз. В анаэробных условиях из пирувата ив цитоплазме образуются продукты брожения (лактат или этиловый спирт. Это необходимо для регенерации NAD + и продолжения гликолиза анаэробный гликолиз. В анаэробных условиях гликолиз — единственный метаболический путь, позволяющий клеткам животных синтезировать АТФ. А. Реакции гликолиза Гликолиз можно подразделить на 10 отдельных стадий, среди которых три реакции изомеризации и четыре реакции переноса фосфатной группы. Стадия (6) представляет собой единственную на этом пути окислительно-восстано- вительную реакцию) Глюкоза, проникающая из крови в клетки с помощью тканеспецифичных переносчиков, с. 222), сначала фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата . Поскольку соединения со сложноэфирной связью не могут проходить через клеточную мембрану, ключевую роль в гликолизе играет гексокиназа [1]. Ее изофермент в печени, глюкокиназа, находится под контролем инсулина и отчасти регулируется путем компартментализа- ции (с. 150). (2) Глюкозо-6-фосфат превращается во фрук- тозо-6-фосфат под действием глюкозо-6- фосфатизомеразы [2]. (3) В результате следующей реакции фосфорилирования, опять с использованием АТФ, образуется фруктозо-1,6-дифосфат. На этом этапе работает второй ключевой фермент гликолиза — фосфофруктокиназа [3], активность которой регулируется гормонами и метаболитами (с. 148). (4) Фруктозо-1,6-дифосфат, состоящий из шести атомов углерода, под действием альдолазы [4] распадается на два соединения из трех атомов углерода — глицеральдегид-3-фосфат и его изомер дигидроксиацетонфосфат. (5) Во взаимных превращениях этих двух соединений, катализируемых триозофосфа- тизомеразой [5], быстро устанавливается равновесие) Под действием глицеральдегид-3-фосфат- дегидрогеназы [6] глицеральдегид-3- фосфат окисляется до 1,3-дифосфогли- церата. Входе реакции в молекулу включается фосфатная группа (субстратное фосфорилирование, си образуется. Продукт реакции содержит фос- фоангидридную связь, в которой фосфатная группа обладает высоким химическим потенциалом) Под действием фосфоглицераткиназы [7] макроэргическая фосфатная группа переносится на АДФ, в результате чего образуются 3-фосфоглицерат и АТФ. Таким образом, восстанавливается баланс АТФ) Фосфоглицератмутаза [8] переносит оставшуюся фосфатную группу в положение, в результате чего образуется изомер 2-фосфоглицерат. (9) В результате удаления молекулы воды из 2-фосфоглицерата под действием енолазы [9] образуется енолфосфат (с. 16) фосфо- енолпируват (ФЕП). Это соединение содержит энергетически богатую фосфатную группу. (10) Пируваткиназа [10] переносит эту фосфатную группу на АДФ. Енолпируват мгновенно превращается в гораздо более стабильный пируват. Реакция пируваткиназы также очень строго контролируется. Это одна из трех реакций в метаболизме животных (наряду со стадией (7) и реакцией тиокиназы в цикле трикарбоновых кислот (св которой АТФ образуется вне зависимости от реакций дыхательной цепи. Таким образом, в процессе гликолиза сначала расходуются две молекулы АТФ (стадии 1 и 3). Затем в результате превращений каждого трехуглеродного фрагмента на стадиях 7 и 10 образуется еще по две молекулы АТФ. В итоге расщепление каждой молекулы глюкозы сопровождается выделением двух молекул АТФ. Только три реакции из десяти (реакции 1, 3 и 10) сопровождаются значительными изменениями свободной энергии. В каждом из этих случаев равновесие реакции сильно сдвинуто в сторону образования продуктов (с. 28). Все остальные реакции легко обратимы. Те же самые стадии — в обратном направлении — происходят в процессе глюконеогенеза (с. 144) при участии тех же самых ферментов. Вместо необратимых стадий ив глюконеогенезе используются обходные пути © 2013 of the original English language edition by Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart, Germany. Original title: ”Color Atlas of Biochemistry”, 3rd edition, by Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm 39 / 51 Гликолиз 141 ATP ADP 2 P P P P O HO OH OH OH H H H H CH 2 H HO O HO OH OH OH H H H H CH 2 H O O CH 2 O OH H CH 2 OH OH H HH O O CH 2 O OH H CH 2 OH H HH O O 2 1 P P C O CH 2 H 2 C O OH NAD+ NADH P H 2 O H 2 O P P HC OH H 2 C C O O O P HC OH H 2 C C O O H P P HC OH H 2 C C O O O 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ATP ADP ATP ADP C O CH 2 C O O C O CH 3 C O O HC OH CH 3 C O O ATP ADP 2 2 2 2 2 HCO H 2 C C O глюкоза + 2 NAD + + 2 АДФ + 2 P i 2 пирувата + 2 NADH + 2 H + + 2 АТФ А. Реакции гликолиза гексокиназа 7 фосфоглицераткиназа 2 глюкозо-6-фосфатизомераза 8 фосфоглицератмутаза 3 фосфофруктокиназа 9 енолаза 4 альдолаза 10 пируваткиназа 5 триозофосфатизомераза 11 лактатдегидрогеназа 6 глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа дигидрокси- ацетон- фосфат фруктозо- 6-фосфат глюкозо- 6-фосфат фруктозо- 1,6-дифосфат глюкоза субстратное фосфорилирование субстратное фосфорилирование лактата фосфоенол- пирувата 2 пирувата 2 3-фосфо- глицерата 2 глицер- альдегид- 3-фосфата 2 1,3-дифосфо- глицерата только в анаэробных условиях 2-фосфо- глицерат 2 Copyright © 2013 of the original English language edition by Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart, Germany. Original title: ”Color Atlas of Biochemistry”, 3rd edition, by Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm 40 / 51 142 Метаболизм углеводов ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ Пентозофосфатный путь (ПФП, другое название гексозомонофосфатный шунт) — окислительный метаболический путь, осуществляющийся в цитоплазме, который, как и гликолиз, начинается от глюкозо-6-фосфата. Он является источником двух важных исходных соединений для анаболических процессов — NADPH, необходимого, например, для биосинтеза жирных кислот и изопреноидов (си предшественника нуклеотидов рибозо- 5-фосфата (с. А. Окислительная фаза пентозофосфатного пути На окислительных стадиях ПФП (А, слева) глюкозо-6-фосфат превращается в рибулозо-5- фосфат. Процесс сопровождается образованием одной молекулы CO 2 и двух молекул NADPH. В зависимости от метаболического состояния клетки в более сложной восстановительной фазе (Б, справа) некоторое количество пен- тозофосфатов может превращаться обратно в гексозофосфаты или включаться в гликолиз. В большинстве клеток не более 10% глюкозо-6- фосфата расщепляется по пентозофосфатному пути) Окислительная фаза начинается с окисления глюкозо-6-фосфата под действием глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. При этом образуется первая молекула NADPH. Второй продукт реакции, 6-фосфоглюконолактон, представляет собой внутримолекулярный сложный эфир (лактон) 6-фосфоглюконата. (2) Специфическая гидролаза расщепляет лактон, освобождая карбоксильную группу 6-фосфоглюконата (3) Последний фермент окислительной фазы, фосфоглюконатдегидрогеназа, отщепляет карбоксильную группу 6-фосфоглюконата в виде CO 2 и одновременно окисляет карбоксильную группу у атома С до кетогруппы. На этой стадии образуется вторая молекула, а также кетопентоза рибулозо- 5-фосфат. Под действием изомеразы это соединение превращается в рибозо-5- фосфат — исходное соединение для синтеза нуклеотидов. Восстановительная фаза ПФП представлена схематично. Функция этой фазы состоит в том, чтобы скоординировать суммарный выходи пентозофосфатов с текущими потребностями клетки. Обычно потребность в NADPH намного выше, чем в пентозофосфатах. В такой ситуации на первой представленной на схеме реакционной стадии шесть молекул рибулозо-5-фосфата превращаются в пять молекул фруктозо-6-фосфата, которые затем изо- меризуются в пять молекул глюкозо-6-фосфата. Из глюкозо-6-фосфата в окислительной фазе ПФП вновь могут образовываться молекулы NADPH. Повторение этих реакций в конечном итоге приводит к образованию из одной молекулы глюкозо-6-фосфата шести молекул CO 2 и 12 молекул NADPH, причем без образования пентозофосфатов. Если клетке кроме NADPH требуется еще и АТФ, она способна направлять продукты восстановительной фазы (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат) в реакции гликолиза. Дальнейшее расщепление в цикле трикарбоновых кислот и реакциях дыхательной цепи приводит к образованию CO 2 и воды. В сумме из шести молей глюкозо-6-фосфата получается 12 молей NADPH и около 150 молей АТФ. Инсулин стимулирует активность ПФП (с. 438). Это не только повышает скорость расщепления глюкозы, но и приводит к образованию дополнительных молекул NADPH, которые используются для синтеза жирных кислот. Все реакции восстановительной фазы ПФП обратимы. Следовательно, с помощью этих же реакций гексозофосфаты можно превратить в пентозофосфаты. Такая ситуация реализуется при повышении потребностей клетки в пенто- зофосфатах, например при репликации ДНК в фазе клеточного цикла (с. Б. Реакция транскетолазы Во взаимных превращениях метаболитов восстановительной фазы ПФП наиболее важную роль играют два фермента, переносящие С 2 или С фрагменты от одного сахарофосфата на другой. Транскетолаза [6] осуществляет перенос С- фрагментов. Например, в результате такого превращения два пятиуглеродных сахара превращаются в один семиуглеродный кетосахар седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3- фосфат или наоборот (5 + 5 = 7 + 3). Коферментом в данной реакции служит тиаминдифос- фат (ТДФ, TPP, с. 98), который также помогает дегидрогеназам кетокислот (с. В аналогичном процессе, только безучастия ТДФ, трансальдолаза [7] (см. А) катализирует перенос С 3 -фрагментов, превращая гептозо- фосфаты и триозофосфаты в тетрозофосфаты и гексозофосфаты (7 + 3 = 4 + 6). Copyright © 2013 of the original English language edition by Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart, Germany. Original title: ”Color Atlas of Biochemistry”, 3rd edition, by Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm 41 / 51 Пентозофосфатный путь 143 CO 2 A Б H 2 O O C H C H C H OH C H OH C O H H OH P P OH OH OH H O C H C H C H C H C OH C H O– O O C HO OH OH H H H CH 2 H O O P P H O HO OH OH OH H H H H CH 2 O NADP NADPH 2 3 1 NADP NADPH 4 6 7 6 5 + +А. Окислительная фаза пентозофосфатного пути 6 глюкозо-6-фосфат + 12 NADP + 6 рибулозо-6-фосфат + 6 СО + 12 NADPH + 12 Б 6 рибулозо-6-фосфат + H 2 O 5 глюкозо-6-фосфат + P i анаболический путь 6-фосфо- глюконат рибулозо- 5-фосфат ксилулозо- 5-фосфат глицер- альдегид- 3-фосфат седо- гептулозо- 7-фосфат эритрозо- 4-фосфат фруктозо- 6-фосфат глицер- альдегид- 3-фосфат рибулозо- 5-фосфат рибулозо- 5-фосфат рибулозо- 5-фосфат рибозо- 5-фосфат 6-фосфо- глюконо- лактон глюкозо- 6-фосфат 1 глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа 2 глюконолактоназа 3 фосфоглюконатдегидрогеназа 4 рибулозо-5-фосфатизомераза 5 рибозо-5-фосфатэпимераза 6 транскетолаза 7 трансальдолаза Б. Реакция транскетолазы ксилулозо- 5-фосфат глицеральдегид- 3-фосфат седогептулозо- 7-фосфат рибозо- 5-фосфат 6 транскетолаза тиамин- дифосфат Copyright © 2013 of the original English language edition by Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart, Germany. Original title: ”Color Atlas of Biochemistry”, 3rd edition, by Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm 42 / 51 144 Метаболизм углеводов ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Некоторым тканями клеткам, таким, как головной мозги эритроциты, глюкоза требуется постоянно (с. 382). Если с пищей в организм попадает недостаточное количество углеводов, какое-то время уровень глюкозы в крови может поддерживаться за счет расщепления гликогена в печени (с. 146). Когда и этот источник сахара исчерпан, начинается синтез глюкозы de novo (глюконеогенез). Этот процесс происходит главным образом в печени, но также в клетках почечных канальцев (с. 348). Главными предшественниками для синтеза глюкозы служат глюкогенные аминокислоты (с. 178), образующиеся в основном в процессе гликолиза в мышцах. Другой важный предшественник – лактат, образующийся в эритроцитах и мышцах при недостатке кислорода. Глицерин, появляющийся в результате расщепления жиров, тоже может использоваться для глюконеогенеза. Однако превращение жирных кислот в глюкозу в организме животных невозможно (с. 154). За счет глюконеогенеза в организме человека за сутки образуется несколько сотен граммов глюкозы. А. Реакции глюконеогенеза Многие стадии глюконеогенеза катализируют те же ферменты, что участвуют в гликолизе с. 141). Однако ферменты [12–15] являются специфическими ферментами глюконеогенеза и синтезируются только в случае необходимости по сигналу кортизола и глюкагона (с. 148). Гликолиз протекает исключительно в цитоплазме, тогда как глюконеогенез происходит еще ив митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме ЭПР. Для синтеза одной молекулы глюкозы в процессе глюконеогенеза расходуются четыре молекулы АТФ и две молекулы ГТФ, те. в три раза больше нуклеозидтрифосфатов, чем образуется при гликолизе) Лактат для глюконеогенеза производится в основном в мышцах (цикл Кори, си эритроцитах Лактатдегидрогеназа (с. окисляет его до пирувата с выделением молекулы) Первая стадия глюконеогенеза протекает в митохондриях. Это связано с необходимостью сдвига равновесия экзергонической реакции, катализируемой пируваткиназой (6G = –62 кДж/моль, с. 116). Даже сопряжения с гидролизом АТФ недостаточно для прямого превращения пирувата в фосфо- енолпируват (ФЕП). Поэтому пируват сначала транспортируется в митохондри- альный матрикс с помощью монокарбок- силатного переносчика ситам под действием пируваткарбоксилазы и при участии биотина карбоксилируется до ок- салоацетата. Оксалоацетат одновременно является промежуточным соединением цикла трикарбоновых кислот. Поэтому аминокислоты, которые включаются в цикл или превращаются в пируват, называют глюко- генными кислотами (с. Образовавшийся в митохондриях оксалоацетат с помощью малатного челночного механизма экспортируется в цитоплазму (с. 128). (13) В цитоплазме оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват (ФЕП) под действием ФЕП-карбоксикиназы; при этом расходуется одна молекула ГТФ (ноне АТФ. Следующие стадии, вплоть до фруктозо-1,6- дифосфата, представляют собой обратные реакции гликолиза. Еще одна молекула АТФ используется при превращении каждого С- фрагмента в 1,3-дифосфоглицерат. Далее две специфические для глюконеогене- за фосфатазы последовательно отщепляют от фруктозо-1,6-дифосфата две фосфатные группы. Между этими двумя реакциями происходит изомеризация фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат — еще одна гликолитиче- ская реакция. (14) Реакция, катализируемая фруктозо-1,6- дифосфатазой, очень важна для регуляции всего процесса в целом (с. 148). (15) Последний фермент этого пути, глюкозо- 6-фосфатаза, содержится в печени, но ее нет в мышцах (с. 146). Этот интегральный мембранный белок локализован в гладком эндоплазматическом ретикулуме. Специфические переносчики позволяют глюкозо- 6-фосфату проникнуть в ЭПР, а образовавшейся здесь глюкозе выйти в цитоплазму. Отсюда глюкоза наконец попадает в кровь с помощью переносчика Glut-2 (с. Свободный глицерин, образующийся в основном при расщеплении жиров, сначала подвергается фосфорилированию по положению С (16). Образующийся глицерофосфат окисляется под действием зависимой дегидрогеназы до дигидроксиацетон-3-фосфата (17) и таким образом включается в глюконеогенез. Еще один зависимый митохондриальный фермент тоже способен катализировать эту реакцию (это так называемый глицерофосфатный челночный механизм, с. 128). Copyright © 2013 of the original English language edition by Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart, Germany. Original title: ”Color Atlas of Biochemistry”, 3rd edition, by Jan Koolman, Klaus-Heinrich Roehm 43 / 51 |