ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов.
Такими продуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная
и пи-ровиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, гли-церол и ряд других соединений.
Иными словами, предшественникамиглюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое
соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных
продуктов цикла трикарбоновых кислот.
У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе).
Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только 3 реакции гликолиза (гексокиназная, фосфо-фруктокиназная
и пируваткиназная) необратимы, поэтому
в процесс глю-конеогенеза на 3 этапах
используются другие ферменты. Рассмотрим путь синтеза глюкозы из пирувата.
Образование фосфоенолпирувата
из пирувата. Синтез фосфоенолпирувата
осуществляется в несколько этапов. Первоначально
пируват под влиянием
пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием
оксалоацетата:
Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорили-рования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы
превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):
Установлено, что в процессе
образования фосфоенолпирувата участвуют ферменты цитозоля и митохондрий.
Первый этап синтеза протекает
в митохондриях (рис. 10.6). Пируват-карбоксилаза,
которая катализирует эту реакцию, является аллостери-ческим
митохондриальным ферментом. В качестве аллостерического активатора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрийнепроницаема для образовавшегося
оксалоацетата. Последний здесь же, в митохондриях, восстанавливается в малат:
Реакция протекает при участии митохондриальной
НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН/НАД+ относительно
велико, в связи с чем внутримитохондриальный
оксалоацетат легко восстанавливается
в малат, который легко выходит из митохондрии через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД+ очень
мало, и малат вновь окисляется при участии
цитоплазматической НАД-за-висимой малатдегидрогеназы:
Дальнейшее превращение
оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит
в цитозоле клетки.
Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата
во фруктозо-6-фосфат. Фосфо-енолпируват, образовавшийся
из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат.
Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима.Глюконеогенез идет в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-бис-фосфата
во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:
Рис. 10.6. Образование фосфоенол-пирувата
из пирувата. 1 - пируваткарбоксилаза; 2 - малатде-гидрогеназа (митохондриальная);
3 -малатдегидрогеназа (цитоплазматиче-ская);
4 - фосфоенолпируват-карбокси-киназа.
Рис. 10.7. Гликолиз и глюконеогенез. Красными стрелками указаны
«обходные» пути глюконеогенеза при биосинтезе глюкозы из пирувата и лактата; цифры
в кружках обозначают соответствующую
стадию гликолиза.
Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается
в глюкозо-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 положительного аллостерического
модулятора этого фермента выполняет ацетил-КоА. В отсутствие
ацетил-КоА фермент почти полностью лишенактивности. 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 способствует превращению
последнего в глюкозу.
Другой важный момент в
регуляции глюконеогенеза – реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой
– ферментом, который ингибиру-етсяАМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофруктокиназу,
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, вклетке 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 отмечается
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 ферментбифункционален, он обладает
и фосфокиназной, и фосфатазной активностью:
Показано также, что бифункциональный фермент в свою очередь регулируется
путем цАМФ-зависимого фосфорилирования. Фосфорилирова-ние приводит
к увеличению фосфатазной активности и снижению фосфо-киназной активности бифункционального фермента. Этот механизм объясняет быстрое
воздействие гормонов, в частности глюкагона, на уровень фруктозо-2,6-бисфосфата
в клетке (см. главу 16).
Активность бифункционального фермента регулируется также некоторыми метаболитами, среди которых наибольшее
значение имеет гли-церол-3-фосфат. Действие
глицерол-3-фосфата на фермент по своей направленности аналогично
эффекту, который наблюдается при его
фосфори-лировании с помощью цАМФ-зависимых протеинкиназ.
В настоящее время фруктозо-2,6-бисфосфат,
помимо печени, обнаружен и в других органах
и тканях животных, а также у растений
имикроорганизмов.
Показано, что глюконеогенез может регулироваться и непрямым
путем, т.е. через изменение активности фермента, непосредственно не участвующего 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
замедляется гликолиз и создаются условия, благоприятствующие
глюконеоге-незу.
Наконец, интересно отметить,
что между гликолизом, интенсивно протекающим 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, диффундирующей 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: