В последние годы появились работы, которые дают основание предполагать, что в некоторых тканях схема пентозофосфатного превращения углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 19.5. Согласно этой более полной схеме пентозофосфатного пути первые этапы превращения совпадают с прежней схемой, однако после первой транскетолазной реакции начинаются некоторые отклонения (рис. 19.6).
Рис. 19.6. Современная схема пентозофосфатного пути окисления углеводов
Согласно этой схемы, ПФП и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образававшихся в клетке.
Циклический характер ПФП
Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) вместе составляют циклический процесс.
Вернёмся к суммарному уравнению ПФП:
6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н2О + 12 NADP+
5 Глюкозо-6-фосфат + 6СО2 + Рi + 12 NADPH + 12Н+
Это означает, что из шести молекул глюкозы образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и шесть молекул СО2. Ферменты неокислительной фазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом (рис. 19.7)
Рис. 19.7. Пентозофосфатный цикл в жировой ткани
Протекание пентозофосфатногo цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.
Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода – NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительного синтеза, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например в жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.
ЛЕКЦИЯ 20
БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ
Гликоген является запасной формой углеводов в организме животных, синтезируется главным образом в печени и составляет до 6% от её массы. В скелетных мышцах егомасса не превышает 1%. Как и любой анаболический процесс, синтез гликогена является эндергоническим.
Синтез гликогена начинается с затраты молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Фосфорилирование свободной глюкозы в мышцах идет при участии фермента гексокиназы, а в печени – глюкокиназы.
Следующая реакция изомеризации глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат катализируется ферментом фосфоглюкомутазой. Именно в таком виде глюкоза вовлекается в дальнейший синтез гликогена.
Образование UDP-глюкозы
Однако в силу обратимости фосфоглюкомутазной реакции и чтобы синтез гликогена был термодинамически необратим, необходима дополнительная стадия образования уридиндифосфатглюкозы из UDP и глюкозо-1-фосфата под контролем фермента UDP-глюкопирофосфорилазы. Реакция сдвинута вправо, так как образовавшийся в ходе реакции пирофосфат очень быстро расщепляется пирофосфатазой на две молекулы фосфата.
Образование UDP-глюкозы обеспечивает невозможность протекания распада гликогена путем обратных реакций синтеза этого гомополисахарида.
В клетках гликоген никогда не расщепляется полностью и поэтому перенос глюкозидного остатка, входящего в состав UDP-глюкозы идет на гликозидную затравку (праймер) гликогена. В результате образуется a-(1,4)-гликозидная связь между первым атомом углерода, добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы в молекуле гликогена, реакция катализируется ферментом гликогенсинтазой. Донором глюкозидных групп при синтезе крахмала у растений является не UDP-глюкоза, а АDP -D-глюкоза.
Глюкозидные остатки переносятся гликогенсинтазой на нередуцирующий конец олигосахарида. Образование a-1,6-связей происходит в точке ветвления по одной на каждые 8-12 остатков глюкозы, соединенных a-1,4 –связями, при участии амило-1,4-1,6-глюкозилтрансферазы. Этот фермент отщепляет фрагмент из 6-7 остатков линейного участка цепи 1,4-гликана и переносит его на ту же самую или другую цепь, но в положение 6 с образованием a-1,6-гликозидной связи. Новая точка ветвления может формироваться не менее чем через четыре остатка от любой уже существующей. По мере синтеза гликогена число ветвлений многократно возрастает. Гликоген хранится в клетке в форме гранул диаметром 10-40 нм.
Процесс синтеза гликогена и его распада контролируется и согласуется с потребностями организма в глюкозе как источнике энергии. Одновременное протекание этих процессов невозможно, т. к. в этом случае образуется «холостой» цикл, приводящий к бесполезной трате АТР. Переключение процессов синтеза и распада гликогена происходит при смене состояния покоя (абсорбтивный период) на активный режим (постабсорбтивный). В печени переключение этих метаболических путей находится под контролем гормонов поджелудочной железы – инсулина и глюкогона и гормона, вырабатываемого клетками мозгового вещества надпочечников – адреналина, в мышцах ‒ инсулином и адреналином, в мозге – адреналином.
Регуляторным ферментом синтеза гликогена является гликогенсинтаза, которая находится в двух формах, т.е. неактивной (b-форма) и активной (a-форма). Причем она регулируется прямо противоположно (реципроктно) по отношению к гликогенфосфорилазе, то есть дефосфорилированная гликогенсинтаза активна, а фосфорилированная ‒ неактивна. Известна также аллостерическая регуляция активности гликогенсинтазы-b высокими концентрациями глюкозо-6-фосфата, что приводит к повышению активности гликогенсинтазы. В переводе гликогенсинтезы из неактивной формы в активную участвует фосфопротеинфосфатаза.
Глюконеогенез
Глюконеогенез – процесс синтеза глюкозы de novo из неуглеродных предшественников. Главная функция этого процесса заключается в поддержании уровня глюкозы в крови во время голодания и интенсивной физической работы. Наиболее активно процесс протекает в печени, менее интенсивно в корковом слое почек и слизистом эпителии кишечника. Недостаток глюкозы в крови, прежде всего, ощущает головной мозг, который не может удовлетворить потребность в энергии за счет метаболизма других энергоёмких веществ.
Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счет обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако образование фосфоенолпирувата, гидролиз фруктозо-1,6-бисфосфата и глюкозо-6-фосфата термодинамически необратимы и протекают другими путями.
Рис. 20.1. Образование оксалоацетата, транспорт в цитозоль и превращение в фосфоенолпируват. 1 – транспорт пирувата из цитозоля в митохондрию; 2 ‒ превращение пирувата в оксалоацетат (ОА); 3 – превращение ОА в малат или аспартат; 4 – транспорт аспартата и малата из митохондрии в цитозоль; 5 – превращение аспартата в ОА; 6 – превращение ОА в фосфоенолпируват.
Образование фосфоенолпирувата из пирувата происходит в ходе двух реакций: пируват из цитозоля переносится в митохондрии и там карбоксилируется с образованием оксалоацетата.
Митохондриальный фермент пируваткарбоксилаза, катализирующий данное превращение пирувата, в качестве кофермента содержит биотин. Реакция протекает с затратой молекулы АТР (детали реакции см. рис. 19.4, лекция 19).
Для оксалоацетата внутренняя мембрана митохондрий непроницаема, транспорт оксалоацетата в цитоплазму клетки происходит с помощью малатного челночного механизма, смысл которого заключается в восстановлении оксалоацетата до малата под действием митохондриального фермента малатдегидрогеназы.
Малат выходит в цитоплазму, где цитоплазматическая малатдегидрогеназа окисляет малат до оксалоацетата. Митохондриальная малатдегидрогеназа NADH-зависимая, а цитозольная в качестве кофермента содержит NAD+
