Биологическая химия - часть 84

Рис. 10.7. Гликолиз и глюконеогенез.

Красными стрелками указаны «обходные»

пути глюконеогенеза при биосинтезе глю-

козы из пирувата и лактата; цифры в круж-

ках обозначают соответствующую стадию

гликолиза.

зо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет

в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фос-

фатазы:

На рис. 10.7 представлены «обходные» реакции глюконеогенеза при

биосинтезе глюкозы из пирувата и лактата.

Регуляция глюконеогенеза. Важным моментом в регуляции глюконеоге-

неза является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой. Роль по-

ложительного аллостерического модулятора этого фермента выполняет

ацетил-КоА. В отсутствие ацетил-КоА фермент почти полностью лишен

активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА,

биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Известно, что ацетил-КоА

одновременно является отрицательным модулятором пируватдегидроге-

назного комплекса (см. далее). Следовательно, накопление ацетил-КоА

замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также спо-

собствует превращению последнего в глюкозу.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция, ката-

лизируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой – ферментом, который ингибиру-

ется АМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофрукто-

341

Глюкоза

Глюкозо-6-фосфат

Н

2

O

Н

3

РO

4

Н

3

РО

4

Н

2

O

Фруктозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Диоксиацетон-

фосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

1,3-Бисфосфоглицериновая кислота

3-Фосфоглицериновая кислота

ГДФ

ГТФ

2-Фосфоглицериновая

кислота

CО

2

Фосфоенолпируват

Оксалоацетат

Пируват

Н

3

РО

4

АДФ

АТФ

СО

2

Лактат

Глюкозо-6-фосфат + Н

2

O

Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкоза + Р

i

.

киназу, т. е. для этого фермента он является аллостерическим активатором.

При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит

стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина отношения

АТФ/АМФ мала, в клетке наблюдается расщепление глюкозы.

В 1980 г. группой бельгийских исследователей (Г. Херс и др.) в ткани

печени был открыт фруктозо-2,6-бисфосфат, который является мощным

регулятором активности двух перечисленных ферментов:

Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу и ингибирует

фруктозо-1,6-бисфосфатазу. Повышение в клетке уровня фруктозо-2,6-бис-

фосфата способствует усилению гликолиза и уменьшению скорости глю-

конеогенеза. При снижении концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата отме-

чается обратная картина.

Установлено, что биосинтез фруктозо-2,6-бисфосфата происходит из

фруктозо-6-фосфата при участии АТФ, а распадается он на фруктозо-6-

фосфат и неорганический фосфат. Биосинтез и распад фруктозо-2,6-бис-

фосфата катализируется одним и тем же ферментом, т.е. данный фермент

бифункционален, он обладает и фосфокиназной, и фосфатазной актив-

ностью:

Показано также, что бифункциональный фермент в свою очередь ре-

гулируется путем цАМФ-зависимого фосфорилирования. Фосфорилирова-

ние приводит к увеличению фосфатазной активности и снижению фосфо-

киназной активности бифункционального фермента. Этот механизм объяс-

няет быстрое воздействие гормонов, в частности глюкагона, на уровень

фруктозо-2,6-бисфосфата в клетке (см. главу 16).

Активность бифункционального фермента регулируется также неко-

торыми метаболитами, среди которых наибольшее значение имеет гли-

церол-3-фосфат. Действие глицерол-3-фосфата на фермент по своей направ-

ленности аналогично эффекту, который наблюдается при его фосфори-

лировании с помощью цАМФ-зависимых протеинкиназ.

342

β-Фруктозо-2,6-бисфосфат

АТФ

АДФ

(фосфокиназное действие)

Фруктозо-6-фосфат

Бифункциональный

фермент

Фруктозо-2,6-бисфосфат

(фосфатазное действие)

P

i

Н

2

О

В настоящее время фруктозо-2,6-бисфосфат, помимо печени, обнаружен

и в других органах и тканях животных, а также у растений и микро-

организмов.

Показано, что глюконеогенез может регулироваться и непрямым путем,

т.е. через изменение активности фермента, непосредственно не участвую-

щего в синтезе глюкозы. Так, установлено, что фермент гликолиза пиру-

ваткиназа существует в 2 формах – L и М. Форма L (от англ. liver – печень)

преобладает в тканях, способных к глюконеогенезу. Эта форма ингиби-

руется избытком АТФ и некоторыми аминокислотами, в частности ала-

нином. М-форма (от англ. muscle – мышцы) такой регуляции не подвержена.

В условиях достаточного обеспечения клетки энергией происходит инги-

бирование L-формы пируваткиназы. Как следствие ингибирования замед-

ляется гликолиз и создаются условия, благоприятствующие глюконеоге-

незу.

Наконец, интересно отметить, что между гликолизом, интенсивно про-

текающим в мышечной ткани при ее активной деятельности, и глюко-

неогенезом, особенно характерным для печеночной ткани, существует

тесная взаимосвязь. При максимальной активности мышц в результате

усиления гликолиза образуется избыток молочной кислоты, диффунди-

рующей в кровь, в печени значительная ее часть превращается в глюкозу

(глюконеогенез). Такая глюкоза затем может быть использована как

энергетический субстрат, необходимый для деятельности мышечной ткани.

Взаимосвязь между процессами гликолиза в мышечной ткани и глю-

конеогенезом в печени может быть представлена в виде схемы:

АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ ПИРУВАТА

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или пол-

ностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство

животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях

и свое органическое «топливо» окисляет полностью до СО

2

 и Н

2

О. В этих

условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восста-

343

Гликоген

Глюкозо-6-фосфат

Глюкоза

Лактат

Мышцы

Экзогенная

глюкоза из

пищеварительного

тракта

Глюкоза

Лактат

Кровяное русло

Гликоген

Глюкоза

Глюкозо-6-фосфат

Лактат

Печень

навливается до лактата, а постепенно окисляется до СО

2

 и Н

2

О в аэробной

стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное

декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА.

Окислительное декарбоксилирование
пировиноградной кислоты

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда фермен-

тов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систе-

му, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На I стадии этого процесса пируват (рис. 10.8) теряет свою карбоксиль-

ную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ)

в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E

1

). На II

стадии оксиэтильная группа комплекса E

1

–ТПФ–СНОН–СН

3

 окисляется

с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на

амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли-

поилацетилтрансферазой (Е

2

). Этот фермент катализирует III стадию – пе-

ренос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием

конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим

(макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из вос-

становленного комплекса дигидролипоамид–Е

2

. При участии фермента

дигидролипоилдегидрогеназы (Е

3

) осуществляется перенос атомов водо-

рода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на

ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента

и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН

2

 дигидро-

липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием

НАДН + Н

+

.

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит

в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного

мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-

гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер-

ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из

Рис. 10.8. Механизм действия
пируватдегидрогеназного комп-
лекса.

Е

1

 - пируватдегидрогеназа; Е

2

 - ди-

гидролипоилацетилтрансфсраза; Е

3

 -

дигидролипоилдегидрогеназа; циф-

ры в кружках обозначают стадии

процесса.

344

Оксиэтилтиамин-
пирофосфат-Е

1

Липоамид-Е

2

Ацетиллипоамид-Е

2

Дигидроли-

поамид-Е

2

Ацетил-КоА

Е

1

-ТПФ

СO

2

НАД

+

НАДН+H

+