|
|
Окисление глюкозы гликолиз, полное окисление, пентозофосфатный путь
Гликолиз регулируется двумя основными путями:
1.Аллостерическая регуляция: период действия кратковременный — от нескольких минут до часов. Осуществляется с помощью аллостерических регуляторов — молекул, связывающихся с ферментами гликолиза и активирующих/выключающих их (регуляторы указаны выше в разделе 2.7).
2.Гормональная регуляция: период действия как кратковременный, так и длительный — от нескольких часов до нескольких дней. Гормоны, связываясь с рецепторами, вызывают фосфорилирование/дефосфорилирование ключевых регуляторных ферментов, а также повышают частоту транскрипции и трансляции этих же ферментов гликолиза. Таким образом достигается 10–20-кратное увеличение скорости реакций.
Регуляция гликолиза 21
Регуляция гликолиза и глюконеогенеза взаимосвязана. Особенности этой связи будут рассмотрены ниже.
ААллостерическая регуляция
Валлостерической регуляции участвуют три фермента гликолиза: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Это наглядно подтверждается данными об из-
менении свободной энергии в реакциях гликолиза — значение G для 1-й, 3-й и 10-й реакций имеет отрицательное значение (реакции экзергонические). Все остальные реакции находятся в термодинамическом равновесии. Скорость этих реакций очень высока, поэтому они едва ли могут ограничивать скорость гликолиза в целом.
Гексокиназа аллостерически ингибируется продуктом своей же реакции — глюкозо-6-фосфатом, а активируется субстратом — глюкозой. Регуляция гексикиназы связана с регуляцией фосфофруктокиназы: если фосфофруктокиназа ингибирована, накапливается её субстрат — фруктозо-6-фосфат, который быстро превращается в глюкозо-6-фосфат в ходе обратной реакции с помощью фосфоглюкоизомеразы. Однако это не относится к печёночному изоферменту глюкокиназе, который имеет меньшее сродство к глюкозе и не ингибируется глюкозо-6-фосфатом.
Фосфофруктокиназа является важнейшим регуляторным ферментом гликолиза. Мышечная фосфофруктокиназа аллостерически ингибируется высокими концентрациями АТФ, который связывается с регуляторным сайтом, расположенным вне активного центра, и снижает сродство фермента к субстрату — фруктозо-6-фосфату. В результате скорость реакции падает. АМФ оказывает обратное действие, повышая сродство фосфофруктокиназы к субстрату. Таким образом, скорость реакции (и гликолиза в целом) повышается. Об энергетическом обеспечении клетки позволяет судить показатель АТФ/АМФ. Такая регуляция фосфофруктокиназы логична, поскольку, если АТФ в клетке достаточно, то абсолютно незачем тратить всю глюкозу на его избыток, когда можно израсходовать эту глюкозу в других метаболических пу-
тях или запасти в клетке. Иными словами, гликолиз ускоряется, когда в клетке мало энергии, и замедляется, когда её много. Всё вышесказанное характерно и для печёночной фосфофруктокиназы. Однако она имеет и некоторые свои особенности: ингибируется цитратом (цитрат участвует в биосинтезе жирных кислот, повышение его концентрации говорит о достаточном количестве энергии в клетке) и активируется фруктозо-2,6-бисфосфатом, важным аллостерическим регулятором (см. ниже).
Пируваткиназа катализирует последнюю реакцию аэробного гликолиза. Мышечный изотип этого фермента ингибируется АТФ, ацетил-КоА и аланином, а активируется фруктозо-1,6-бисфосфатом и фосфоенолпируватом. Печёночная пируваткиназа дополнительно ингибируется путем фосфорилирования под действием глюкагона. Биохимический смысл этой реакции в том, чтобы снизить потребление глюкозы печенью в период голодания, когда глюкоза нужна мышцам и нервным клеткам.
Б Гормональная регуляция
Инсулин. Печень является основным эффекторным органом панкреатических гормонов. Инсулин оказывает множественное действие на печень: он активирует гликолиз, синтез гликогена, жирных кислот и белка, ингибирует глюконеогенез, а также распад перечисленных выше соединений. Инсулин активирует транскрипцию генов глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы и бифункционального фермента в печени. Кроме того, инсулин активирует ферменты фосфофруктокиназу1 и пируваткиназу, ускоряя при этом весь гликолиз в целом.
Активация фосфофруктокиназы требует запуска сложного сигнального каскада. Этапы этого процесса приведены ниже:
1.Инсулин связывается с рецептором IR на поверхности мембраны гепатоцита и запускает сигнальный каскад.
2.Результатом сигнального каскада является дефосфорилирование ферментом протеинфосфатазой другого ключевого фермента — бифункционального фермента (БИФ). Кроме этого, происходит дефосфорилирование пируваткиназы.
3.БИФ представляет собой гомодимерный белок массой 100 кДа. Этот белок содержит 2 активных центра, которые имеют отдельные наименования: фосфофруктокиназа-2 (синтезирует фруктозо-2,6-бисфосфат) и фруктозобисфосфатаза-2 (расщепляет фруктозо-2,6-бисфосфат). Фруктозо-2,6-бисфосфат — важный аллостерический активатор фермента гликолиза фосфофруктокиназы.
4.Инсулин вызывает дефосфорилирование БИФ и, следовательно, ингибирование фруктозо-2,6-бисфосфатазы-2. Активируется фосфофрукто- киназа-2, которая синтезирует фруктозо-2,6-бисфосфат.
5.Фруктозо-2,6-бисфосфат (не метаболит гликолиза) аллостерически ак-
тивирует фосфофруктокиназу, фермент гликолиза.
Глюкагон оказывает противоположное инсулину действие. Он стимулирует захват печенью аминокислот, активирует глюконеогенез, ингибирует гликолиз и биосинтез жирных кислот. Глюкагон ингибирует транскрипцию трех регулируемых ферментов гликолиза и активирует продукцию двух ферментов глюконеогенеза.
Сигнальный каскад, запускаемый глюкагоном, приводит к фосфорилированию пируваткиназы и БИФ и, следовательно, к активации фруктозобисфосфатазы и ингибированию фосфофруктокиназы-2. Фруктозобисфосфатаза расщепляет фруктозо- 2,6-бисфосфат, в результате чего снижается скорость гликолиза и запускается глюконеогенез (см. Тему 3).
Адреналин ингибирует гликолиз в печени, подобно глюкагону. Однако он оказывает слабовыраженное активирующее действие на гликолиз в мышцах. Кроме этого, адреналин активирует распад жиров (липолиз), гликогена и глюконеогенез.
Кортизол ингибирует гликолиз и активирует катаболические процессы в организме: распад гликогена, жиров, белков.
Какие реакции гликолиза сопровождаются синтезом АТФ? Назовите способ синтеза АТФ в процессе гликолиза и метаболиты, имеющие макроэргическую связь.
7.10
Субстрат: 1,3-бисфосфоглицерат
|
Продукт: 3-фосфоглицерат
|
|
|
Фермент: фосфоглицераткиназа
|
Кофактор: Mg2+
|
В седьмой реакции образуется молекула АТФ и 3-фосфоглицерат. Эту реакцию катализирует фосфоглицераткиназа. Синтез АТФ в данном случае не требует участия кислорода O2 и осуществляется по механизму субстратного фосфорилирования. Напомним, что кислородзависимый синтез АТФ происходит на дыхательной цепи.
Субстрат: фосфоенолпируват
|
Продукт: пируват
|
|
|
|
Фермент: пируваткиназа
|
|
Кофактор: K+ и Mg2+
|
Аллостерически активируется:
|
Аллостерически ингибируется:
|
фосфоенолпируват,
|
фруктозо-1,6-
|
АТФ, ацетил-КоА, аланин
|
бисфосфат
|
|
|
|
|
|
Гормональная регуляция этого фермента происходит только в печени под действием гормонов:
— фосфорилирование выключает пируваткиназу (адреналин и глюкагон);
— дефосфорилирование активирует её (инсулин). Ключевые гормоны: инсулин, глюкагон,
В десятой реакции гликолиза пируваткиназа обеспечивает сопряжение разрыва макроэргической связи в фосфоенолпирувате с синтезом АТФ. Становится понятен смысл девятой реакции: гидролиз фосфоэфирной связи в 2-фосфоглицерате термодинамически не способен обеспечить энергией синтез АТФ.
Синтез атф может осуществляться двумя путями Либо субстратным фосфорилированием, когда для фосфорилирования АДФ используется энергия макроэргической связи субстрата (Реакция 7,10) Либо путем окислительного фосфорилирования АДФ, спряженного с дыхательной цепью (Реакция 6,11)
Какие реакции гликолиза протекают с затратами АТФ? Для чего используется АТФ?
1.3 АТФ- источник фосфатной группы
Субстрат: глюкоза
Продукт: глюкозо-6-фосфат
Фермент: гексокиназа и глюкокиназа
Кофактор: Mg2+
Аллостерический активатор:
|
|
Аллостерический ингибитор:
|
|
|
глюкоза
|
|
|
глюкозо-6-фосфат
|
|
|
|
|
В первой реакции происходит перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на
|
молекулу глюкозы. Эту реакцию катализирует фермент гексокиназа. Помимо глюкозы гексокиназа фосфорилирует и другие моносахариды: маннозу, фруктозу. В печени присутствует изофермент глюкокиназа, который катализирует ту же реакцию, однако имеет более высокую константу Михаэлиса. Это значит, что его сродство к глюкозе ниже, чем у гексокиназы. Кофактором в реакции служат ионы магния Mg2+. Они нейтрализуют отрицательный заряд двух остатков фосфорной кислоты в молекуле АТФ.
Биохимический смысл этой реакции заключается в том, чтобы «запереть» глюкозу в клетке, путем переноса на неё отрицательно заряженного остатка фосфорной кислоты. Таким образом, значительно снижается обратная диффузия глюкозы из клетки во внешнюю среду, поскольку отрицательно заряженные молекулы глюкозы электростатически отталкиваются отрицательно заряженными фосфолипидами мембран.
Субстрат: фруктозо-6-фосфат
|
Продукт: фруктозо-1,6-бисфосфат
|
|
|
|
|
Фермент: фосфофруктокиназа
|
Кофактор: Mg2+
|
|
Аллостерически активируется:
|
Аллостерически ингибируется:
|
|
АМФ, фруктозо-2,6-бисфосфат
|
АТФ, цитрат
|
|
|
|
|
Гормональная регуляция связана с аллостерической и осуществляется через би-
|
|
функциональный фермент (БИФ) и фруктозу-2,6-бисфосфат (его продукт) 1.
|
|
Ключевые гормоны: инсулин, глюкагон, адреналин.
|
|
|
|
|
Фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозу-6-фосфат до фрук- тозы-1,6-бисфосфата (употребление приставки бис- в данном случае говорит о том, что остатки фосфорной кислоты связаны с разными атомами углерода в молекуле фруктозы; употребление приставки ди-, означающей, что фосфатные группы связаны с одним атомом углерода, в данном случае ошибочно).
Фосфофруктоизомераза — ключевой фермент в регуляции гликолиза, поскольку он катализирует одну из лимитирующих реакций гликолиза.
Назовите окислительно-восстановительную реакцию гликолиза, фермент и кофермент реакции. Как осуществляется транспорт протонов и электронов восстановленного кофермента в митохондрии?
6.
Субстрат: глицеральдегид-3-фосфат
|
Продукт: 1,3-бисфосфоглицерат
|
|
|
Фермент: глицеральдегид-3-фосфатде-
|
Кофермент: NAD+
|
гидрогеназа
|
|
|
|
Шестая реакция гликолиза — это окисление и фосфорилирование глицераль-
дегид-3-фосфата, которые катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа. В этой реакции окисление альдегида — экзергонический процесс — сопряжено с синтезом макроэргического соединения 1,3-бисфосфоглицерата, требующим затрат энергии (эндергонический процесс).
NAD+ восстанавливается в NADH, который затем переносит электроны и протон на дыхательную цепь митохондрий с помощью челночных систем (малат-аспартатной и глицерофосфатной). Дыхательная цепь, принимая 2 электрона от NADH синтезирует ≈ 2,5 АТФ (для удобства это значение округляют до 3 АТФ). Иными словами, образование 1 молекулы NADH эквивалентно 2,5 АТФ (или 3 АТФ).
В гликолизе выделяют центральную окислительно-восстановительную реакцию гликолиза (гликолитическую оксидоредукцию), которая состоит в окислении 3-фосфоглицеролового альдегида с образованием НАДН+Н+ с последующим переносом атомов водорода от восстановленного НАД на пируват.
|
|
|
Скачать 1.18 Mb.