Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

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

РO

РО

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

Фосфоенолпируват

Оксалоацетат

Пируват

РО

АДФ

АТФ

СО

Лактат

Глюкозо-6-фосфат + Н

Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкоза + Р

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)

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

и Н

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

и Н

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

). На II

стадии оксиэтильная группа комплекса E

–ТПФ–СНОН–СН

окисляется

с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на

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

поилацетилтрансферазой (Е

). 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

. При участии фермента

дигидролипоилдегидрогеназы (Е

) 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

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.

- пируватдегидрогеназа; Е

- ди-

гидролипоилацетилтрансфсраза; Е

дигидролипоилдегидрогеназа; циф-

ры в кружках обозначают стадии

процесса.

344

Оксиэтилтиамин-

пирофосфат-Е

Липоамид-Е

Ацетиллипоамид-Е

Дигидроли-

поамид-Е

Ацетил-КоА

-ТПФ

СO

НАД

НАДН+H

которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E

, ли-

поамид-Е

и ФАД-Е

), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты

организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты

способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что со-

ставляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-

ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого

расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. При-

нято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем са-

мосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комп-

лексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД

+ HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н

+ СO

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной сво-

бодной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-

тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО

и Н

О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых

кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-

ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)

Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком

Г. Кребсом *.

Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания

пирувата, главным источником которого является гликолитическое пре-

вращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбо-

новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все

метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь

окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается

в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих

роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования

пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный

цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последова-

тельных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА

к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимон-

ная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований

(отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО

) теряет

два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат

(четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла

одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО

и Н

О, а молекула окса-

лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реак-

ций (этапов) цикла Кребса.

* За это выдающееся открытие Г. Кребс получил Нобелевскую премию в 1953 г.

(совместно с Ф. Липманом). Цикл трикарбоновых кислот часто называют его именем - цикл

Кребса (цикл лимонной кислоты Кребса).

345

Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых

кислот (цикл Кребса).

Первая реакция ката-

лизируется ферментом цит-

рат-синтазой, при этом аце-

тильная группа ацетил-КоА

конденсируется с оксалоаце-

татом, в результате чего об-

разуется лимонная кислота:

По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта

образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний само-

произвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и

HS-KoA.

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота

подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты,

которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту

(изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидра-

тации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит

взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

346

цис-Аконитат

Цитрат

Изоцитрат

НАД

НАДН + Н

СО

α-Кетоглутарат

НАД

НАДН + Н

HS-KoA

СО

Сукцинил-КоА

HS-KoA

РО

+ ГДФ

ГТФ

Сукцинат

Е-ФАД

Е-ФАДН

Фумарат

Малат

НАД

НАДН+ Н

Оксалоацетат

Ацетил-КоА

HS-KoA

HS-КoA

Цитрат-синтаза

Ацетил-КоА

Оксалоацетат

Цитрат

Аконитат-гидратаза

цис-Анонитат

Аконитат-гидратаза

Изоцитрат

Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса.

Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-

цитратдегидрогеназы *.

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одно-

временно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа

является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического

активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей

активности нуждается в ионах Mg

или Мn

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси-

лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетическо-

го соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым

реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА,

α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре

пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае

в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кис-

лоты, HS-KoA, ФАД и НАД

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета-

зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического

фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно

происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ ** за счет

высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

* В митохондриях существует 2 типа изоцитратдегидрогеназ: НАД- и НАДФ-зависимый;

первый тип встречается только в митохондриях, второй - как в митохондриях, так и

в цитозоле.

** Образовавшийся ГТФ отдает затем свою концевую фосфатную группу на АДФ,

вследствие чего образуется АТФ. Образование высокоэргического нуклеозидтрифосфата в ходе

сукцинил-КоА-синтетазной реакции - еще один пример фосфорилирования на уровне субстрата

(субстратное фосфорилирование).

347

Изоцитратдегидрогеназа

Изоцитрат

α-Кетоглутарат

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс

α-Кетоглутарат

Сукцинил-КоА

НАД

НАДН + Н

СО

HS-KoA

НАД

НАДH + Н

СO

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую

кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой,

в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.

В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-

тохондриальной мембраной:

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума-

ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота

гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат).

Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью

(см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:

Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под

влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы проис-

ходит окисление L-малата в оксалоацетат:

348

Сукцинил-КоА-синтетаза

Сукцинил-КоА

Сукцинат

Сукцинатдегидрогеназа

Сукцинат

Фумарат

Фумараза

L-малат

L- малат

Малатдегидрогеназа

Оксалоацетат

+ ГДФ + P

+ ГТФ + HS-KoA

Е-ФАД

Е-ФАДН

+ НАД

+ НАДН + Н

Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми фермента-

тивных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной мо-

лекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоян-

ное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД

и ФАД),

перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окис-

ляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов

в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной

в мембране митохондрий. Образовавшийся ФАДН

прочно связан с СДГ,

поэтому он передает атомы водорода через KoQ. Освобождающаяся

в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосре-

доточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из 4 пар атомов

водорода 3 пары переносят НАДН на систему транспорта электронов; при

этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления

образуется 3 молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного

фосфорилирования), а всего, следовательно, 9 молекул АТФ (см. главу 9).

Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-ФАДН

попадает в систему

транспорта электронов через KoQ, в результате образуется только 2 моле-

кулы АТФ. В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула ГТФ

(субстратное фосфорилирование), что равносильно одной молекуле АТФ.

Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и системе

окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ.

Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического рас-

щепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся моле-

кул пирувата до СО

и Н

О, то он окажется значительно большим.

Как отмечалось, одна молекула НАДН (3 молекулы АТФ) * образуется

при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА. При

расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата,

а при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих 2 оборотов

цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следователь-

но, окисление молекулы пирувата до СО

и Н

О дает 15 молекул АТФ).

К этому количеству надо добавить 2 молекулы АТФ, образующиеся при

аэробном гликолизе, и 6 молекул АТФ, синтезирующихся за счет окисления

2 молекул внемитохондриального НАДН, которые образуются при окис-

лении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции

гликолиза. Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы

глюкозы по уравнению С

+ 6О

—> 6СО

+ 6Н

О синтезируется 38

молекул АТФ. Несомненно, что в энергетическом отношении полное

расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем ана-

эробный гликолиз.

Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения

глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН в дальнейшем при окислении

могут давать не 6 молекул АТФ, а только 4. Дело в том, что сами молекулы

внемитохондриального НАДН не способны проникать через мембрану

внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться

в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так

называемого глицеролфосфатного челночного механизма (рис. 10.10). Ци-

топлазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим ди-

гидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализи-

* Напомним, что при прохождении по цепи дыхательных ферментов восстановительные

эквиваленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством

образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования (см. главу 9).

349

Рис. 10.10. Глицеролфосфатный челноч-

ный механизм. Объяснение в тексте.

руется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидроге-

назой:

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н

<=> Глицерол-3-фосфат + НАД

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохонд-

риальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная)

глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет

глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + ФАД <=> Диоксиацетонфосфат + ФАДН

Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН

) вводит на уровне

KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления

и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиаце-

тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимо-

действовать с цитоплазматическим НАДН + Н

. Таким образом, пара

электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н

), вво-

димая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного

механизма, дает не 3, а 2 АТФ.

350

НАДН + Н

НАД

Цитоплазматическая

глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа

Цитозоль

Диокси-

ацетонфосфат

Глицерол-3-

фосфат

Митохондриальная

глицерол-3-фосфат-дегидро-

Митохондрия

геназа

ФАДН

ФАД

KoQ

2е

АТФ