Химия и обмен углеводов

Химия и обмен углеводов

Классификация и роль углеводов в организме.

Углеводы – многоатомные спирты, содержащие альдегидную (альдозы) или кетогруппу (кетозы).

Углеводы, в первую очередь целлюлоза, являются самыми распространенными органическими соединениями на Земле. В организме млекопитающих на долю углеводов приходится менее 1 % массы тела, однако их роль чрезвычайно велика. Углеводы, будучи компонентами протеогликанов, входят в состав соединительной ткани. Глико- и мукопротеины являются составной частью защитных слизей организма, входят в состав плазмы крови, формируют гликокаликс клеток. Углеводы являются основным источником энергии.

По величине молекулярной массы углеводы делят:

·  на моносахариды;

·  олигосахариды (2–10 моносахаридов);

·  полисахариды (более 10 моносахаридов).

Моносахарид – это альдегид или кетон многоатомного алифатического спирта. Простейшими моносахаридами являются триозы: глицериновый альдегид (альдоза) и диоксиацетон (кетоза):

Моносахариды с четырьмя углеродными атомами – тетрозы, с пятью – пентозы, с шестью – гексозы, с семью– гептулозы, с восемью– октулозы.

Моносахариды – оптически активные соединения. Их оптическая активность обуславливается асимметричным углеродным атомом (т.е. таким, у которого все четыре валентности связаны с разными радикалами). Таким асимметричным атомом уже обладает самая простейшая альдоза – глицериновый альдегид. Возможны два его пространственных варианта, являющихся зеркальным отражением друг друга, которые нельзя совместить при вращении. Их называют пространственными изомерами или стереоизомерами; у моносахаридов с большим числом хиральных центров для сравнения с глицериновым альдегидом используется конфигурация хирального центра, наиболее удаленного от оксогруппы. При этом, если конфигурация такого атома углерода совпадает с конфигурацией D- глицеринового альдегида (в его проекционной формуле ОН-группы расположены справа, dexter – правый), то в целом моносахарид относится к D-ряду, при совпадении с L-глицериновым альдегидом – к L- ряду (leavus –левый). Химические свойства у стереоизомеров одинаковы, но оптическая активность (угол вращения плоскости поляризованного света при прохождении его через раствор сахара) различна. Направление вращения плоскости поляризации света моносахаридами обозначается знаками “+” – вправо и “-“ – влево и не связано с их принадлежностью к D- и L-рядам. Знак определяется экспериментально. Так, для глицеринового альдегида правовращающей (+) оказалась D-форма.

При удлинении углеродной цепи в моносахаридах число асимметричных атомов углерода увеличивается, при этом количество стереоизомеров будет составлять 2ⁿ (n – количество асимметричных атомов С). Так, у гексоз с 4 асимметричными углеродными атомами будет 16 стереоизомеров и 8 различных химически отличающихся соединений. Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Ферменты клеток строго различают стереоизомеры, синтезируя и вызывая распад в основном D-моносахаридов.

Моносахариды могут существовать в незамкнутых и циклических формах (5-членное – фуранозное кольцо, 6-членное – пиранозное кольцо). Образование кольца приводит к появлению дополнительного центра хиральности у первого углеродного атома. Этот центр называют аномерным, а соответствующие два стереоизомера – -и -аномерами. У -аномера конфигурация аномерного центра совпадает с конфигурацией “концевого” хирального центра, а у аномера –противоположна.

Химические свойства различных моносахаридов схожи в силу сходства их строения.

1.Они обладают свойствами восстановителей (благодаря наличию альдегидной группы в составе их молекулы), что дает возможность проводить качественное и количественное определения сахаров. На этом свойстве базируется о-толуидиновый метод определения уровня глюкозы в крови и реакции (Троммера, Ниландера) определения сахара в моче. Однако эти методы недостаточно специфичны, так как помимо глюкозы цветную реакцию дают и другие редуцирующие сахара.

2.При окислении моносахаридов образуются уроновые кислоты, из которых важнейшей является глюкуроновая кислота, входящая в состав основного вещества соединительной ткани.

3.Моносахариды способны образовывать эфиры; особо важны фосфорные эфиры гексоз (глюкозы, фруктозы, галактозы) и пентоз (рибозы и дезоксирибозы), так как именно фосфорилированные сахара участвуют в реакциях метаболизма.

4.Моносахариды могут присоединять аминогруппу (образуются глюкозамины) и ацетилироваться.

NB! Моносахариды могут связываться друг с другом

Олигосахариды. Особое значение для питания человека имеют дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза), мальтоза (два остатка глюкозы) и лактоза (глюкоза + галактоза). Лактоза, называемая молочным сахаром, - основной углевод молока.

Сахароза – тростниковый (свекловичный) сахар; поскольку фруктоза в составе сахарозы представлена 5-членным (фуранозным) кольцом, связанным с альдегидной группой глюкозы, фруктоза не проявляет свойств восстановителя.

Связь, возникающая между моносахаридами, называется гликозидной. Она образуется между ОН-группой С-1 одного моносахарида и ОН-группой С-4 – другого; при этом вследствие асимметрии первого углеродного атома циклической формы моносахарида могут возникать два типа конфигурации: α-гликозидная связь (если обе ОН-группы находятся в одинаковой позиции в структуре ) кольца и β-гликозидная связь (если обе ОН-группы находятся в различных положениях по отношению к кольцу):

Ферменты обладают специфичностью по отношению к типу гликозидной связи, что имеет важнейшее значение в питании. Так, амилаза, расщепляющая крахмал и гликоген, является α-гликозидазой. Фермент, расщепляющий β-гликозидные связи, у человека отсутствует, поэтому целлюлоза (состоит из остатков глюкозы, связанных β-гликозидной связью) не переваривается. Термиты и некоторые другие насекомые целлюлозу усваивают.

Целлюлоза (клетчатка) относится к полисахаридам. Наряду с крахмалом она является главным углеводом растений. Важнейшим полисахаридом человека, также построенным из остатков глюкозы, является гликоген. Крахмал и гликоген представлены разветвленными цепями глюкозы. По химическому строению целлюлоза, крахмал и гликоген являются гомополисахаридами (структура гликогена описана ниже).

Гетерополисахариды представлены мукополисахаридами, протеогликанами и гликопротеинами (об этом – подробнее в гл.17).

NB! Углеводы – не только источники энергии

В питании основную биологическую ценность из углеводов составляют крахмал и гликоген, которые легко усваиваются организмом с высвобождением энергии при их распаде. Клетчатка и гетерополисахарид пектин, хотя и не могут расщепляться ферментами кишечника, также весьма важны в питании.

Клетчатка стимулирует перистальтику кишечника и выделение желчи, удерживает воду и увеличивает объем каловых масс, предупреждая тем самым появление запоров (профилактика рака прямой кишки), она препятствует всасыванию холестерина пищи, а адсорбция клетчаткой желчных кислот ослабляет их коканцерогенный эффект на слизистую оболочку толстого кишечника.

Пектин способен связывать тяжелые металлы, в том числе и радионуклиды, что уменьшает их поступление в ткани организма. Пектином богаты бананы, яблоки, красная и черная смородина.

Биологическая ценность углеводов не исчерпывается их энергетической значимостью (особо отметим, что глюкоза является основным поставщиком энергии для нервной ткани и коркового вещества почек, а для эритроцитов – и единственным). Они выполняют в организме пластическую (структурную) функцию, входя в состав гликопротеинов, межклеточного вещества соединительной ткани, гликокаликса плазматических мембран клеток; моносахариды рибоза и дезоксирибоза являются структурными компонентами нуклеиновых кислот.

Анаболическая функция углеводов заключается в том, что они являются основным источником субстратов для синтеза жирных кислот, а продукты распада глюкозы (-кетокислоты) служат субстратом синтеза гликогенных аминокислот. Обезвреживающая функция углеводов также существенна: УДФ-глюкуроновая кислота в печени связывает многие токсические соединения, придавая им большую гидрофильность и способность растворяться в желчи. Исключительно важна рецепторная функция углеводов – являясь составной частью многочисленных антител, они обеспечивают “узнавание” своих антигенов; углеводы входят в состав рецепторов гормонов и нейромедиаторов, участвуя в регуляции жизнедеятельности клеток.

NB! Переваривание углеводов начинается в ротовой полости

В ротовой полости углеводы перевариваются ферментом слюны α-амилазой. Фермент расщепляет внутренние α(1→4)-гликозидные связи. При этом образуются продукты неполного гидролиза крахмала (или гликогена) – декстрины. В небольшом количестве образуется и мальтоза. В активном центре α-амилазы находятся ионы Са²⁺. Активируют фермент ионы Na⁺.

В желудочном соке переваривание углеводов тормозится, так как амилаза в кислой среде инактивируется.

Главное место переваривания углеводов – двенадцатиперстная кишка, куда выделяется в составе панкреатического сока α-амилаза. Этот фермент завершает расщепление крахмала и гликогена, начатое амилазой слюны, до мальтозы. Гидролиз α(1→6)-гликозидной связи катализируется ферментами кишечника амило-1,6-глюкозидазой и олиго-1,6-глюкозидазой.

Переваривание мальтозы и дисахаридов, поступающих с пищей, осуществляется в области щеточной каемки эпителиальных клеток (энтероцитов) тонкого кишечника. Дисахаридазы являются интегральными белками микроворсинок энтероцита. Они образуют полиферментный комплекс, состоящий из четырех ферментов, активные центры которых направлены в просвет кишечника.

1. Мальтаза (a-глюкозидаза) гидролизует мальтозу на две молекулы D-глюкозы.

2. Лактаза (b-галактозидаза) гидролизует лактозу на D-галактозу и D-глюкозу.

3. Изомальтаза /Сахараза (фермент двойного действия) имеет два активных центра, расположенных в разных доменах. Фермент гидролизует сахарозу до D-фруктозы и D-глюкозы, а с помощью другого активного центра фермент катализирует гидролиз изомальтозы до двух молекул D-глюкозы.

Непереносимость некоторыми людьми молока, проявляющаяся болями в животе, его вздутием (метеоризм) и поносом, обусловлена снижением активности лактазы. Можно выделить три типа недостаточности лактазы.

1. Наследственный дефицит лактазы. Симптомы нарушенной толерантности развиваются очень быстро после рождения. Кормление пищей, не содержащей лактозу, приводит к исчезновению симптомов.

2. Низкая активность лактазы первичного характера (постепенное снижение активности лактазы у предрасположенных лиц). У 15 % детей стран Европы и 80% детей стран Востока, Азии, Африки, Японии синтез данного фермента по мере их взросления постепенно прекращается и у взрослых развивается непереносимость молока, сопровождающаяся вышеуказанными симптомами. Кисломолочные продукты такими людьми переносятся хорошо.

Низкая активность лактазы вторичного характера. Неусвояемость молока нередко бывает следствием кишечных заболеваний (тропическая и нетропическая формы спру, квашиоркор, колит, гастроэнтерит).

Симптомы, аналогичные описанным при недостаточности лактазы, характерны для недостаточности других дисахаридаз. Лечение направлено на исключение соответствующих дисахаридов из пищевого рациона.

NB! В клетки разных органов глюкоза проникает различными механизмами

Основными продуктами полного переваривания крахмала и дисахаридов являются глюкоза, фруктоза и галактоза. Моносахариды поступают в кровь из кишечника, преодолевая два барьера: мембрану щеточной каймы, обращенную в просвет кишечника и базолатеральную мембрану энтероцита.

Известны два механизма поступления глюкозы в клетки: облегченная диффузия и вторичный активный транспорт, сопряженный с переносом ионов Na⁺.

Переносчики глюкозы (ГЛУТ), обеспечивающие механизм ее облегченной диффузии через клеточные мембраны, формируют семейство родственных гомологичных белков, характерным признаком структуры которых является длинная полипептидная цепь, образующая 12 трансмембранных спиральных сегментов. Один из доменов, расположенный на внешней поверхности мембраны содержит олигосахарид. N- и C- концевые отделы переносчика обращены внутрь клетки. 3-й, 5-й, 7-й, и 11-й трансмембранные сегменты переносчика, по-видимому, образуют канал, по которому глюкоза поступает в клетку. Изменение конформации этих сегментов обеспечивает процесс перемещения глюкозы внутрь клетки. Переносчики этого семейства содержат 492-524 аминокислотных остатка и различаются по сродству к глюкозе. Каждый транспортер, по-видимому, выполняет специфические функции.

Переносчики, обеспечивающие вторичный, зависимый от ионов натрия, активный транспорт глюкозы из кишечника и почечных канальцев (НГЛТ), значительно отличаются по аминокислотному составу от переносчиков семейства ГЛУТ, хотя также построены из двенадцати трансмембранных доменов.

Ниже, в таблице приводятся некоторые свойства переносчиков моносахаридов.

Таблица Характеристика переносчиков глюкозы у животных
	Функция	KМ (мM)	Основные места образования
Вторичный активный транспорт
НГЛТ 1	Всасывание глюкозы	0,1-1,0	Тонкий кишечник, канальцы почек
НГЛТ 2	Всасывание глюкозы	1,6	Почечные канальцы
Ускоренная диффузия
ГЛУТ 1	Использование глюкозы клетками в физиологических условиях	1-2	Плацента, гематоэнцефалический барьер, мозг, эритроциты, почки, толстый кишечник, др. органы
ГЛУТ 2	Сенсор глюкозы в В клетках; транспорт из эпителиоцитов почек и кишечника	12-20	B клетки островков, печень, эпителий тонкого кишечника, почки
ГЛУТ 3	Использование глюкозы клетками в физиологических условиях	<1	Мозг, плацента, почки, др. органы
ГЛУТ 4	Стимулируемое инсулином поглощение глюкозы	5	Скелетная и сердечная мышца, жировая ткань, другие ткани
ГЛУТ 5	Транспорт фруктозы	1-2	Тонкий кишечник, сперматозоиды

Переходу глюкозы и других моносахаридов в энтероцит способствует ГЛУТ 5, расположенный в апикальной мембране энтероцита (облегченная диффузия по градиенту концентрации) и НГЛТ 1, обеспечивающий совместное с ионами натрия перемещение (симпорт) глюкозы в энтероцит. Ионы натрия затем активно, при участии Na⁺-K⁺-АТФазы, удаляются из энтероцита, что поддерживает постоянный градиент их концентрации. Глюкоза покидает энтероцит через базолатеральную мембрану при помощи ГЛУТ 2 по градиенту концентрации.

Всасывание пентоз происходит путем простой диффузии.

Подавляющее количество моносахаридов поступает в портальную систему кровообращения и в печень, незначительная часть – в лимфатическую систему и малый круг кровообращения. В печени избыток глюкозы откладывается «про запас» в виде гликогена.

NB! Обмен глюкозы в клетке начинается с ее фосфорилирования

Поступление глюкозы в любую клетку начинается с ее фосфорилирования. Эта реакция решает несколько задач, главные из которых “захват” глюкозы для внутриклеточного использования и ее активирование.

Фосфорилированная форма глюкозы не проходит через плазматическую мембрану, становится “собственностью” клетки и используется практически во всех путях обмена глюкозы. Исключение составляет лишь восстановительный путь.

Реакцию фосфорилирования катализируют два фермента: гексокиназа и глюкокиназа. Хотя глюкокиназа является одним из четырех изоферментов гесокиназы (гексокиназа 4), между гексокиназой и глюкокиназой имеются важные различия: 1) гексокиназа способна фосфорилировать не только глюкозу, но и другие гексозы (фруктозу, галактозу, маннозу), в то время как глюкокиназа активирует только глюкозу; 2) гексокиназа присутствует во всех тканях, глюкокиназа – в гепатоцитах; 3) гексокиназа обладает высоким сродством к глюкозе (К_M < 0,1 ммоль/л), напротив, глюкокиназа имеет высокую К_M (около 10 ммоль/л), т.е. ее сродство к глюкозе мало и фосфорилирование глюкозы возможно только при массивном поступлении ее в клетки, что в физиологических условиях происходит на высоте пищеварения в печеночных клетках. Активирование глюкокиназы препятствует резкому увеличению поступления глюкозы в общий кровоток; в перерывах между приемами пищи для включения глюкозы в обменные процессы вполне достаточно гексокиназной активности. При диабете из-за низкой активности глюкокиназы (синтез и активность которой зависят от инсулина) этот механизм не срабатывает, поэтому глюкоза не задерживается в печени и вызывает гипергликемию.

Образующийся в реакции глюкозо-6-фосфат считается аллостерическим ингибитором гексокиназы (но не глюкокиназы).

Так как глюкокиназная реакция является инсулинзависимой, можно вместо глюкозы больным диабетом назначать фруктозу (фруктоза фосфорилируется гексокиназой сразу во фруктозо-6-фосфат).

Глюкозо-6-фосфат используется в механизмах синтеза гликогена, во всех окислительных путях превращения глюкозы и в синтезе других моносахаридов,необходимых для клетки. Место, которое занимает данная реакции в обмене глюкозы позволяет ее счиатать ключевой реакцией обмена углеводов.

Гексокиназная реакция необратима (G= -16,7 кДж/моль), поэтому для превращения глюкозо-6-фосфата в свободную глюкозу в клетках печени и почек присутствует фермент фосфатаза глюкозо-6-фосфата, катализирующая гидролиз глюкозо-6-фосфата. Клетки этих органов тем самым могут поставлять глюкозу в кровь и обеспечивать другие клетки глюкозой.

NB! Глюкоза запасается в клетках в форме гликогена

Гликоген – большая разветвленная молекула с молекулярной массой 10³-10⁴ кДа (до120 000 остатков глюкозы в молекуле), образует в цитозоле клеток гранулы диаметром до 40 нм. Линейные участки молекулы гликогена построены из молекул глюкозы, соединенных α(1→4)-гликозидными связями, точки ветвления в молекуле образуются α(1→6)- гликозидными связями.

Синтез гликогена (гликогенез) осуществляется почти во всех клетках, но в больших количествах гликоген образуется и накапливается в печени (до 10 % массы органа) и мышечной ткани (1,5-2,0%) Содержание гликогена в других органах значительно меньше.

Образовавшийся в клетке глюкозо-6-фосфат вступает на путь синтеза гликогена под действием фосфоглюкомутазы, которая катализирует его превращение в глюкозо-1-фосфат. Эта реакция проходит через стадию образования глюкозо-1,6-дифосфата в активном центре фермента. Глюкоза-1-фосфат взаимодействует с УТФ, в результате чего образуется еще одна активная форма глюкозы – УДФ-глюкоза. Реакция катализируется ферментом УДФ-глюкозо-пирофосфорилазой.

Гликогенсинтаза – фермент, катализирующий образование гликогена, нуждается в затравке (праймере). Функцию праймера выполняет специальный самогликозилирующийся белок – гликогенин.

Гликогенин, используя УДФ-глюкозу в качестве субстрата, образует октосахарид, присоединяя первую молекулу глюкозы к тирозину (Тир-194) при помощи фермента тирозил-гликозилтрансферазы. Этот процесс происходит в комплексе с гликогенсинтазой, которая после формирования октосахарида продолжает наращивать цепь, образуя α(1→4)-гликозидные связи.

Образование мест ветвления обеспечивает фермент ветвления – амило-(1,4→1,6)-трансглюкозидаза. Он образует (1→6)- гликозидную связь, переносит семь остатков глюкозы с одной из длинных боковых цепей гликогена и формирует новую ветвь. Образование новой ветви происходит на расстоянии не менее четырех остатков глюкозы от соседней цепи.

Ветвление повышает гидрофильность молекулы гликогена, при этом в нем увеличивается также количество нередуцирующих концевых остатков – мест действия гликогенсинтазы и фосфорилазы, иными словами, ветвление увеличивает скорость синтеза и распада гликогена.

NB! Гликогенолиз – процесс распада гликогена

Пусковым механизмом гликогенолиза является начинающаяся гипогликемия. Голодание в течение суток приводит практически к полному исчерпанию запасов гликогена в печени; очень быстро он расходуется при интенсивной физической нагрузке и стрессовых ситуациях.

Распад гликогена осуществляется двумя путями: 1) гидролитически с участием α-амилазы; 2) фосфоролитически с участием гликогенфосфорилазы. Основным в клетках является второй путь.

Гликогенфосфорилаза при участии фосфорной кислоты последовательно расщепляет линейные α(1→4)- гликозидные связи с освобождением глюкоза-1-фосфата.

В результате действия гликогенфосфорилазы из гликогена образуется полисахарид с боковыми короткими олигосахаридными цепями – “лимит декстрин”, который становится субстратом специального деветвящего фермента - амило-(1→6)-гликозидазы.

Этот фермент катализирует две реакции. Вначале он переносит 3 остатка глюкозы на другую ветвь гликогена (трансферазная активность), а затем гидролизует α(1→6)-гликозидную связь и освобождает молекулу глюкозы у точки ветвления (глюкозидазная активность).

Вслед за действием деветвящего фермента, включается вновь гликогенфосфорилаза. Отщепившийся под влиянием гликогенфосфорилазы глюкоза-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат (фермент – фосфоглюкомутаза).

В мышцах глюкозо-6-фосфат не переходит в свободную глюкозу и используется как основной иточник энергии. В печени (а также в почках) имеется фермент глюкозо-6-фосфатаза, под действием которого образуется свободная глюкоза. Поскольку последняя способна проходить через плазматическую мембрану клеток в межклеточное пространство, печень является основным органом, поддерживающим нормальный уровень глюкозы в крови.

NB! Регуляция обмена гликогена органоспецифична

Гликоген находится в цитозоле вместе с ферментами, его синтезирующими и разрушающими, поэтому существует большая вероятность возникновения замкнутого круга метаболизма, при котором продукты распада гликогена тотчас же будут использоваться на его синтез и требуется тонкая регуляция взаимоотношений участников этих процессов. Основными регулируемыми ферментами являются гликогенсинтаза и фосфорилаза. Каждый их этих ферментов может находиться в двух конформационных состояних: активном (R, расслабленном) и неактивном (Т, напряженном) и регуляторы поддерживают эти состояние реципрокно. Если один из ферментов находится в R-конформации, то другой – в Т и наоборот. У каждого из ферментов имеются свои аллостерические регуляторы, а также важное место в их регуляции принадлежит ковалентной модификации структуры.

Гликогенфофорилаза представляет гомодимер с молекулярной массой 97 кДа. В образовании активного центра участвуют обе субъединицы. Важную роль в катализе фосфоролиза гликогена играет фосфопиридоксаль, который ковалентно связан с лизином активного центра.

Гликоген в печени и мышцах используется по-разному, и это сказывается на принципах регуляции активности фосфорилазы в этих органах. Мышечная фосфорилаза может находиться в двух формах фосфорилированной (R-форма, фосфорилаза а) и дефосфорилированной (Т-форма, фосфорилаза b). Переход одной формы в другую катализируется ферментом киназой фосфорилазы, которая фосфорилирует серин фосфорилазы. В покоящейся мышце преобладает фосфорилаза b.

Аллостерические регуляторы мышечной фосфорилазы АМФ и АТФ. Они связываются со специальным нуклеотидсвязывающим центром. Связывание с АМФ переводит фосфорилазу b в активную R-конформацию, а с АТФ – в Т-конформацию. Глюкозо-6-фосфат также стабилизирует Т-конформацию. Печеночная фосфорилаза не чувствительна к действию АМФ, но активность фосфорилазы а ингибируется глюкозой, что важно при регуляции уровня сахара в крови, источником которой служит гликоген печени.

Гликогенсинтаза также может находится в двух конформационных состояниях: гликогенсинтаза b –неактивная, ингибируется по аллостерическому механизму АТФ,АДФ, и гликогенсинтаза а –активная, активируется глюкозо-6-фосфатом.

Ковалентная модификация ведущих ферментов обмена гликогена выражается в цикле “фосфорилирование-дефосфориилрование”. Эти процессы катализируются специальными протеинкиназами, которые составляют часть каскадных механизмов действия гормонов на клетки.

Фосфорилирование гликогенфосфорилазы происходит при участии киназы фосфорилазы. Это сложный фермент с молекулярной массой 1200 кДа, состоящий из четырех типов субъединиц:

-  4  субъединицы - каталитические субъединицы;

-  4 субъединицы – регуляторные субъединицы, фосфорилируются протеинкиназой А и при этом активируются;

-  4  субъединицы и

-  4субъединицы представлены кальмодулином – белком, связывающим Ca²⁺и активирующим данную киназу.

Такое строение фермента показывает, что киназа фосфорилазы является ферментом, активность которого изменяется под влиянием вторичных посредников, образующихся в каскадных механизмах усиления нескольких гормонов (инсулина, адреналина и глюкагона).

Дефосфорилирование гликогенфосфорилазы и киназы фосфорилазы катализируется фосфопротеинфосфатазой 1, которая переводит эти ферменты в неактивное (напряженное) состяние. Фосфопротеинфосфатаза 1 состоит из трех субъединиц:

-  каталитической субъединицы;

-  G1-субъединицы, которая связывает гликоген и

-  ингибитора 1, который в фосфорилированной форме тормозит активность протеинфосфатазы.

Фосфорилирование гликогенсинтазы вызывает ее ингибирование и катализируется рядом протеинкиназ, связанных с каскадами действия гормонов: кальмодулинзависимой протеинкиназой, протеинкиназой С, киназой-3 гликогенсинтазы.

Адреналин и глюкагон, активируя аденилатциклазу, способствуют образованию цАМФ, который запускает “каскадный” механизм фосфорилирования ферментов распада и синтеза гликогена. В результате фосфорилирования образуется фосфорилированная, т.е. активная гликогенфосфорилаза и фосфорилированная, т.е. неактивная гликогенсинтаза. В этих условиях будет осуществляться распад гликогена.

Напротив, под действием инсулина, включающего механизм дефосфорилирования ключевых ферментов, появятся дефосфорилированная, т.е. неактивная гликогенфосфорилаза, и дефосфорилированная, т.е. активная, гликогенсинтаза. В этих условиях будет происходить синтез гликогена.

Активность обоих ключевых ферментов синтеза и распада гликогена в печени регулируется также Са⁺⁺ – выход кальция из внутриклеточных депо в цитозоль клетки контролируется инозитолтрифосфатом, который освобождается фосфолипазой С при распаде входящего в состав мембраны фосфатидилинозитол пирофосфата.

Восстановительный путь обмена глюкозы

Нефосфорилированная глюкоза используется некоторыми клетками в востановительном пути ее обмена. Данный путь характерен для интимы сосудистой стенки, хрусталика глаза, шванновских клеток нервной ткани. В этом процессе участвуют два фермента. Альдозоредуктаза восстанавливает глюкозу в сорбитол, который затем окисляется дегидрогеназой во фруктозу. Сорбитол отличается высокой гидрофильностью и при накоплении может служить причиной повышения осмотического давления.

Длительная гипергликемия способствует повышению скорости образования сорбитола в хрусталике глаза. Увеличение осмотического давления наряду с неферментативным гликозилированием белков хрусталика способствует развитию катаракты. Накопление в тех же условиях сорбитола в эндотелиальных клетках вызывает их набухание и нарушение микроциркуляции и трофики тканей.

NB! Глюкоза может окисляться в трех разных участках.

Помимо использования глюкозы для синтеза гликогена и образования других гексоз (галактозы и фруктозы), фосфорилированная глюкоза может окисляться по трем основным направлениям:

1.  Окисление глюкозы в дихотомическом пути, протекающем как в анаэробных (гликолиз), так и аэробных условиях (в этом пути “туловище” глюкозы расщепляется пополам – дихотомия).

2.  Окисление глюкозы и последующее отщепление первого углеродного атома глюкозы в апотомическом пути (apex - верхушка). Этот путь называется также пентозофосфатным.

3.  Окисление глюкозы и последующее отщепление шестого углеродного атома глюкозы – глюкуроновый путь.

NB! Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке

Дихотомический путь – это окислительный распад молекулы глюкозы, при котором ее углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях данного пути энергию можно получить двумя способами:

1.  Путем анаэробного (при отсутствии кислорода) распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза 2 лактат + 134 кДж.

Приблизительно половина этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, остальная энергия рассеивается в виде тепла .

2.  Путем аэробного распада глюкозы до углекислого газа и воды. Суммарное уравнение:

Глюкоза + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + 2850 кДж.

При этом 60 % образующейся энергии депонируется в виде АТФ.

Таким образом, аэробный путь имеет несомненное энергетическое превосходство перед гликолизом.

Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинством тканей нашего организма. Гликолиз – единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление. Гликолиз, протекающий даже в аэробных условиях (в норме он в присутствии кислорода тормозится), - характерная особенность злокачественных клеток. Раковые опухоли являются своеобразной ”ловушкой” глюкозы в организме. Объясняется это тем, что находящиеся в условиях крайне низкого снабжения кислородом злокачественные клетки вынуждены усиленно потреблять глюкозу, чтобы выработать необходимое для их бурной жизнедеятельности количество энергии.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на два этапа: в течении первого этапа осуществляется распад глюкозы на две триозы (подготовительный этап), а второго – окисление триоз с образованием пирувата, который восстанавливается в лактат (этап гликолитической оксидоредукции).

Здесь, как и в первой реакции, затрачивается молекула АТФ и происходит значительное высвобождение энергии, что делает эту реакцию необратимой.

Данная реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой-1 , имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфофруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует указать на двоякую роль АТФ, вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, – как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.

Важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктоза-2,6-дифосфат (см.ниже).

Четвертая реакция обратима. Катализирующий ее фермент называется альдолазой.

Описано несколько различных альдолаз. В большинстве тканей находится альдолаза А. Все типы альдолаз построены из четырех субъединиц и действуют преимущественно на “открытые” формы фруктозофосфатов, хотя в клетках преобладают их фуранозные формы. Продуктами действия альдолаз являются триозофосфаты: 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА). Триозофосфаты могут превращаться друг в друга при помощи триозофосфатизомеразы. И хотя равновесие триозофосфатизомеразной реакции сдвинуто в сторону образования ФДА (соотношение фосфотриоз в клетках – 95 % ФДА и 5 % 3-ФГА), в гликолитическом пути окисляется 3-ФГА, что позволяет при дальнейшем обсуждении считать результатом дихотомического этапа гликолиза образование двух молекул 3-ФГА.

Определение активности альдолазы используют в энзимодиагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток: так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда – в 3-10 раз, при миодистрофии – в 4-10 раз.

Второй этап гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложным.

В пятой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-ФГА. Фермент состоит из четырех одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Коферментом данной дегидрогеназы является НАД⁺.

Реакция начинается с образования фермент-субстратного комплекса, в котором 3-ФГА связывается с SH-группой активного центра дегидрогеназы ковалентной связью. На втором этапе реакции происходит окисление альдегидной группы 3ФГА и формирование макроэргической связи между продуктом окисления и группой активного центра. Затем в реакцию вступает молекула фосфорной кислоты, которая обеспечивает фосфоролиз ферментсубстратного комплекса с образованием макроэрга – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК). Этот механизм уже упоминался в главе 4 как механизм преобразования энергии окисления в макроэргическое соединение.

Шестая реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества энергии, поэтому ее равновесие сдвинуто вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.

Седьмая реакция. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:

Эта реакция катализируется фосфоглицеромутазой и играет важную роль не только в процессе гликолиза, но и служит источником 2,3-дифосфоглицерата, который является регулятором механизма связывания кислорода гемоглобином. Механизм фосфоглицеромутазной реакции подобен фосфоглюкомутазной реакции. Оба фермента служат донором фосфатных групп в процессе реакции. Остатки фосфорной кислоты связаны ковалентно с аминокислотами ферментов ( с серином в фосфоглюкомутазе и гистидином в фосфоглицеромутазе).

Восьмая реакция. Образование макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата (ФЕПВК). Реакция катализируется енолазой. Фермент отщепляет молекулу воды от 2-фосфоглицерата и перераспределяет внутримолекулярную энергию субстрата таким образом, что фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.

Девятая реакция. Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично шестой реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата.

Реакция образования пировиноградной кислоты (ПВК) необратима.

Десятая реакция.

В заключительной реакции гликолиза ПВК, выполняя функцию конечного акцептора водородов, превращается в молочную кислоту. Водороды для этой реакции поступают из единственной окислительной реакции гликолиза. Дегидрогеназа 3-ФГА освобождается от водородов и вновь может участвовать в окислении. Две дегидрогеназые реакции гликолиза образуют сопряжено работающую пару, катализирующую процесс, получивший название гликолитическая оксидоредукция.

В мышцах молочная кислота не используется, она поступает с током крови в печень, где вновь превращается (благодаря обратимости ЛДГ-азной реакции) в пируват. Изоферменты лактатдегидрогеназы принимают участие в контроле гликолиза: так, в сердечной мышце преобладает ЛДГ₁, который ингибируется даже небольшими концентрациями пирувата, что затрудняет образование молочной кислоты в кардиомиоцитах и способствует дальнейшему окислению (а не восстановлению) пирувата; в скелетных мышцах преобладает изофермент ЛДГ₅, активно превращающий ПВК в лактат в анаэробных условиях.

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки, он не нуждается в участии кислорода для получения клеткой энергии. В ходе гликолиза в двух реакциях субстратного фосфорилирования (реакции шестая и девятая) образуется четыре молекулы АТФ (в пересчете на молекулу глюкозы), однако в подготовительной стадии две молекулы АТФ расходуются (реакции первая и третья), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.

NB! В анаэробных условиях конечным акцептором водорода может быть ацетальдегид (спиртовое брожение глюкозы).

В анаэробных условиях глюкоза может превращаться в этанол. Ранее полагали, что образование этилового спирта – привилегия дрожжей и некоторых плесневых грибков. Однако уже доказано, что в тканях млекопитающих алкоголь также образуется. Он является нормальным метаболитом клеток. Тяга к алкоголю, по-видимому, возникает вследствие недостаточности ферментных систем, его производящих.

Реакции спиртового брожения глюкозы совпадают с реакциями гликолиза до стадии образования ПВК.

Образование ацетальдегида из ПВК осуществляется путем прямого декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазой с участием ее кофермента – тиаминпирофосфата. Ацетальдегид превращается в этанол с помощью алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАДН ·Н⁺. Уксусный альдегид – чрезвычайно токсичное соединение, его высокая концентрация в крови при потреблении спиртных напитков способна вызвать смертельный исход. Экзогенный этанол обезвреживается также алкогольдегидрогеназой (кофермент – НАД⁺), окисляясь в печени до ацетальдегида (реакция обратима) и далее с помощью альдегиддегидрогеназы – до уксусной кислоты. Активность альдегиддегидрогеназы (от ее зависит переносимость алкоголя) значительно варьирует у разных лиц и наций. Уксусная кислота, активируясь, превращается в ацетил-КоА, который “сгорает” в цикле Кребса с образованием энергии. В обезвреживании этанола принимают также участие микросомная система детоксикации гепатоцитов и фермент каталаза. Однако их роль менее значима.

Систематическое потребление алкоголя приводит к циррозу печени и увеличивает риск развития рака (причем не только печени), особенно на фоне хронического воздействия малых доз облучения.

NB! Глюконеогенез – механизм синтеза глюкозы

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.).

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 Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза

Ферменты гликолиза	Ферменты глюконеогенеза
Гексокиназа	Глюкозо-6-фосфатаза
Фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1)	Фруктозо-1,6-дифосфатаза
Пируваткиназа	1.  Пируваткарбоксилаза 2.  Фосфоенолпируваткарбоксикиназа

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, 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.

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 СО₂ 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-фосфата и 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 СО₂, 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.

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.

В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл 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.

NB! Гликолиз и глюконеогенез – взаимосвязанные процессы

Условия, благоприятствующие глюконеогенезу, сопровождаются рядом изменений, оказывающих регулирующее влияние на ключевые ферменты гликолиза и глюконеогенеза. Эти изменения выражаются в следующем:

·  увеличивается секреция глюкагона и снижается секреция инсулина поджелудочной железой, что способствует повышению содержания цАМФ в гепатоцитах;

·  увеличивается секреция глюкокортикоидов и адреналина надпочечниками;

·  усиливается мобилизация липидов из жировых депо, что способствует повышению уровня ацетил-КоА в клетках печени (усиливаются процессы b-окисления жирных кислот);

·  повышается выход аминокислот из мышечной ткани (аланин и другие гликогенные аминокислоты).

Перечисленные изменения могут оказывать влияние на активность ферментов глюконеогенеза и гликолиза, а также менять их количество в клетках печени.

В начале параграфа уже было показано, что активность одного из ферментов гликолиза (пируваткиназы) ингибируется в условиях, благоприятствующих глюконеогенезу. Второй фермент, активно использующий ПВК в аэробных условиях – пируватдегидрогеназа, также ингибируется. Этому способствует повышение уровня ацетил-КоА – аллостерического ингибитора пируватдегидрогеназы и ее фосфорилирование протеинкиназаой А, которая активируется условиях благоприятстующих глюконеогенезу(повышение уровня цАМФ). Напротив, ацетил-КоА является аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы, и повышение количества ПВК в еще большей степени способствует усилению работы этого фермента – одного из ключевых ферментов глюконеогенеза.

Пируваткарбоксилаза катализирует образование оксалоацетата, который затем декарбоксилируется и фосфорилируется под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы с образованием фосфоенолпирувата. Повышение уровня цАМФ в гепатоцитах вызывает путем активирования факторов транскрипции протеинкиназами усиление синтеза фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Неактивное состояние пируваткиназы (см.выше) – условие предупреждения возможного холостого субстратного цикла на этом этапе глюконеогенеза.

Второй субстратный цикл на пути глюконеогенеза может возникнуть на этапе превращения фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат. Благодаря особой роли фруктозо-2,6-дифосфата этого удается избежать. Фруктозо-2,6-дифосфат – аллостерический активатор фосфофруктокиназы -1 –ключевого фермента гликолиза, синтезируется бифункциональным ферментом - фосфофруктокиназой-2 (ФФК-2). Один домен этого фермента проявляет 2-киназную активность, а другой – 2-фосфатазную. Протеинкиназа А, фосфорилируя ФФК-2, активирует ее фосфатазную активность, что ведет к распаду фруктозо-2,6-дифосфата с образованием фруктозо-6-фосфата. Снижение фруктозо-2,6-дифосфата вызывает торможение гликолитического направления в использовании фруктозо-1,6-дифосфата и усиливает глюконеогенез. Фруктозо-1,6-дифосфатаза относится к индуцируемым ферментам и при повышении цАМФ происходит усиление транскрипции ее генов.

Активности гексокиназы и глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: гексокиназа им ингибируется, а фермент глюконеогенеза (т.е.глюкозо-6-фосфатаза) активируется.

NB! В аэробных условиях ПВК окончательно окисляется Цепь реакций аэробного распада глюкозы можно разделить на три основных этапа.