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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 10.11. Малат-аспартатная челночная система для переноса восстанавливающих

эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс. Объяснение

в тексте.

В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного

механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос

восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н

в мито-

хондрии.

В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малат-ас-

партатная челночная система. Действие такого челночного механизма

становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и ас-

партатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях.

Установлено, что от цитозольного НАДН + Н

восстановленные

эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы (рис.

10.11) переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется

малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые

кислоты, проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс.

Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД

восстанавли-

вается в НАДН + Н

, который может теперь передавать свои электроны

в цепь дыхательных ферментов, локализованную на внутренней мембране

митохондрии. В свою очередь образовавшийся оксалоацетат * в присутст-

вии глутамата и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования.

Образующиеся аспарат и α-кетоглутарат с помощью специальных транс-

портных систем способны проходить через мембрану митохондрий.

Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызы-

вает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легко-

обратимые реакции, происходит без потребления энергии, «движущей

силой» его является постоянное восстановление НАД

в цитозоле гли-

церальдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы.

Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результа-

те полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36,

а 38 молекул АТФ (табл. 10.1).

* Образовавшийся оксалоацетат непосредственно не может возвратиться в цитозоль через

мембрану.

351

Цитозоль

Внутренняя

митохондриальная

мембрана

Матрикс

митохондрии

НАД

НАДН + H

Оксалоацетат

Малат

Малатде-

гидрогеназа

Аспартатамино-

трансфераза

Глутамат

Аспартат

Малат

Малатде-

гидрогеназа

НАД

НАДН + Н

Цепь

переноса

электронов

Оксалоацетат

Глутамат

Аспартатамино-

трансфераза

Аспартат

α-Кетоглутарат

Таблица 10.1. Образование высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма

глюкозы

Метаболический

путь

Гликолиз

Фермент

Глицеральдегид-3-

фосфатдегидрогеназа

Фосфоглицератки-

наза

Пируваткиназа

Место образования АТФ

(точнее, высокоэргической

связи) и сопряженный процесс

Окисление 2НАДН в ды-

хательной цепи

Фосфорилирование на

уровне субстрата (субст-

ратное фосфорилирова-

ние)

То же

Итого...

С учетом расходования АТФ в реакциях, катализируемых гексо-

киназой и фосфофруктокиназой

Окислительное

декарбоксилиро-

вание пировино-

градной кислоты

Цикл лимонной

кислоты (цикл

Кребса)

Пируватдегидрогена-

за (пируватдегидро-

геназный комплекс)

Изоцитратдегидроге-

наза

α-Кетоглутаратде-

гидрогеназа

Сукцинил-КоА-син-

тетаза (сукцинаттио-

киназа)

Сукцинатдегидроге-

наза

Малатдегидрогеназа

Итого...

Окисление 2НАДН в ды-

хательной цепи

Итого...

Окисление 2НАДН в ды-

хательной цепи

То же

Фосфорилирование на

уровне субстрата (субстрат-

ное фосфорилирование)

Окисление 2 ФАДН

дыхательной цепи

Окисление 2НАДН в дыха-

тельной цепи

Итого...

Всего на 1 моль глюкозы в аэробных условиях...

Число АТФ,

образовавших-

ся на 1 моль

глюкозы

6 *

–2

38 АТФ

* Считают, что НАДН, образовавшийся в ходе гликолиза, поступает в митохондрию

с помощью малатного челночного механизма (см. с. 351). Если используется глицерофосфат-

ный челночный механизм, то образуется только 2 АТФ на 1 моль НАДН и количество

образовавшихся всего высокоэргических фосфатных связей будет не 38, а 36.

352

В табл. 10.1 приведены реакции, в которых происходит образование

высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы, с ука-

занием эффективности процесса в аэробных и анаэробных условиях.

Эффект Пастера

Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лак-

тата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые

это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных иссле-

дований роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано,

что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях,

где кислород тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера,

т.е. перехода в присутствии кислорода от анаэробного гликолиза или

брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на наиболее эффек-

тивный и экономичный путь получения энергии. В результате скорость

потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии кислорода сни-

жается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-ви-

димому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения)

за АДФ, используемый для образования АТФ. Как известно, в аэробных

условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление

и АДФ, генерация АТФ, а также регенерирование НАД

, окисленного из

восстановленного НАДН. Иными словами, уменьшение в присутствии

кислорода количества Р

и АДФ и соответствующее увеличение количества

АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ

УГЛЕВОДОВ

Открытие пути прямого окисления углеводов, или, как его называют,

пентозофосфатного цикла, принадлежит О. Варбургу, Ф. Липману, Ф. Ди-

кенсу и В.А. Энгельгарду. Расхождение путей окисления углеводов – клас-

сического (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) и пентозофос-

фатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если

глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфо-

рилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат, то

в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному

гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, ко-

торая, окисляясь до ацетил-КоА, затем «сгорает» в цикле Кребса.

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит,

то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению

до фосфопентоз. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном

превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов

и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозофосфатного цикла относительно

высока в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе

в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он

поставляет восстановленный НАДФН, необходимый для биосинтеза жир-

ных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно

на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он

353

Рис. 10.12. Пентозофосфатный путь окисления углеводов.

поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих

коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пенто-

зофосфатного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм реакций

пентозофосфатного цикла достаточно расшифрован.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата

и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в ре-

зультате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это

первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла.

Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов

с образованием исходного глюкозо-6-фосфата (рис. 10.12). Реакции пен-

тозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки.

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фер-

мента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и кофермента НАДФ

. Образо-

вавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо-δ-лактон – соединение неста-

бильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо

с помощью фермента 6-фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фос-

фоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат):

354

6 Глюкозо-6-фосфат

6 НАДФ

6 НАДФН + H

6 Фосфоглюконо-δ-лактон

6 Н

6 Фосфоглюконат

6 НАДФ

6 СО

6 НАДФН + Н

6 Рибулозо-5-фосфат

2 Рибозо-5-фосфат

2 Ксилулозо-5-фосфат

2 Седогептулозо-7-фосфат

2 Глицеральдегид-3-фосфат

2 Фруктозо-6-фосфат

2 Эритрозо-4-фосфат

2 Глюкозо-6-фосфат

2 Фруктозо-6-фосфат

2 Глюкозо-6-фосфат

2 Глицеральдегид-3-

фосфат

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Фруктозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфат

Во второй – окислительной – реакции, катализируемой 6-фосфоглюко-

натдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрирует-

ся и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная

кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН:

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата

может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме

того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превра-

щается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов уста-

навливается состояние подвижного равновесия:

355

Глюкозо-6-фосфат-

дегидрогеназа

Глюкозо-6-фосфат

6-Фосфоглюноно-

-δ-лактон

6-Фосфоглюконолактоназа

6-Фосфоглюконат

6-Фосфоглюконатдегидрогеназа

(декарбоксилирующая)

6-Фосфоглюконат

Рибулозо-5-фосфат

Изомераза

Эпимераза

Рибозо-5-фосфат

Рибулозо-5-фосфат Ксилулозо-5-фосфат

НАДФ

НАДФН + Н

НАДФ

НАДФН + Н

СO

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе

может быть завершен. Однако при других условиях наступает так назы-

ваемый неокислительный этап (стадия) пентозофосфатного цикла. Реакции

этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэроб-

ных условиях. При этом образуются вещества, характерные для первой

стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, фосфотрио-

зы), а другие – специфические для пентозофосфатного пути (седогептуло-

зо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозофосфатного

цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции ка-

тализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной реакции служит ТПФ, играющий роль

промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5-

фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный

моносахарид седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, вто-

рой раз – при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в ре-

зультате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритро-

зо-4-фосфатом:

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка диоксиацетона

(но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на гли-

церальдегид-3-фосфат:

356

Ксилулозо-5-фосфат

Рибозо-5-фосфат

Транскетолаза

Седогептулозо-7-фосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

Ксилулозо-5-фосфат

Эритрозо-4-фосфат

Транскетолаза

Фруктозо-6-фосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл,

образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО

, после чего из

6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюко-

зо-6-фосфата (см. рис. 10.12). Однако это не означает, что молекула

глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 мо-

лекул СО

образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пенто-

зофосфатного цикла можно представить в следующем виде:

6Глюкозо-6-фосфат + 7Н

O + 12НАДФ

—> 5Глюкозо-6-фосфат +

+ 6СO

+ P

+ 12 НАДФН + 12Н

или

Глюкозо-6-фосфат + 7Н

O + 12НАДФ

—> 6СO

+ Р

+ 12НАДФН + 12Н

Образовавшийся НАДФН используется в цитозоле на восстановитель-

ные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфори-

лировании, протекающем в митохондриях.

В последние годы появились работы, которые дают основание предпо-

лагать, что в некоторых тканях схема пентозофосфатного превращения

углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 10.12. Согласно этой более

полной схеме пентозофосфатного пути, первые этапы превращения совпа-

дают с прежней схемой, однако после первой транскетолазной реакции

начинаются некоторые отклонения (рис. 10.13).

Считают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в ци-

тозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зави-

симости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, обра-

зовавшихся в клетке (см. рис. 10.13).

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА УГЛЕВОДОВ

Пути регуляции метаболизма углеводов крайне разнообразны. На любых

уровнях организации живого организма обмен углеводов регулируется

факторами, влияющими на активность ферментов, участвующих в реакциях

углеводного обмена. К этим факторам относятся концентрация субстратов,

содержание продуктов (метаболитов) отдельных реакций, кислородный

357

Седогептулозо-7-фосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

Трансальдолаза

Эритрозо-4-фосфат

Фрунтозо-6-фосфат

Рис. 10.13. Современная схема пентозофосфатного пути окисления углеводов, отра-

жающая его связь с гликолизом (по Херсу).

1 - транскетолаза; 2 - трансальдолаза; 3 - альдолаза; 4 - фосфофруктокиназа; 5 - фруктозо-1,6-

бисфосфатаза; 6 - гексокиназа; 7 - глюкозофосфатизомераза; 8 - триозофосфатизомераза; 9 -

глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 10 - 6-фосфоглюконолактоназа; 11 - 6-фосфоглюконатдегид-

рогеназа; 12 - изомераза; 13 - эпимераза; 14 - лактатдегидрогеназа.

режим, температура, проницаемость биологических мембран, концентрация

коферментов, необходимых для отдельных реакций, и т.д. (см. главу 4).

В данной главе было показано влияние перечисленных факторов на актив-

ность ферментных систем углеводного обмена. И тем не менее некоторые

аспекты регуляции метаболизма углеводов напомним.

Гликолиз – это совокупность реакций превращения глюкозы в пируват.

У аэробных организмов гликолиз служит как бы прелюдией к циклу

трикарбоновых кислот (циклу Кребса). Десять реакций гликолиза про-

текают в цитозоле. Гликолитический путь играет двоякую роль: приводит

к генерированию АТФ в результате распада глюкозы, и он же поставляет

строительные блоки для синтеза клеточных компонентов. Реакции гли-

колитического пути в физиологических условиях легкообратимы, кроме

реакций, катализируемых гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируват-

киназой. Фосфофруктокиназа – наиболее важный регуляторный элемент

(фермент) в процессе гликолиза, ингибируется высокими концентрациями

АТФ и цитрата и активируется АМФ.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) представляет собой конеч-

ный общий путь для окисления «топливных» молекул. Большинство «топ-

ливных» молекул вступает в цикл в виде ацетил-КоА. Окислительное

декарбоксилирование пирувата, приводящее к образованию ацетил-КоА,

является связующим звеном между гликолизом и циклом трикарбоновых

кислот. Заметим, что последний служит также источником строительных

358

Неокислительная стадия

пентозофосфатного

пути

Гликолиз

Окислительная стадия

пентозофосфатного

пути

Октулозо-8-Ф

Эритрозо-4-Ф

Диокси-

ацетонфосфат

Седогептулозо-1,7-Ф

Седогептулозо-7-Ф

Ксилулозо-5-Ф

Глюкоза

6-Фосфоглюконо-δ-лактон

Глюкозо-6-Ф

Фруктозо-6-Ф

Фруктозо-1,6-Ф

6-ФосФоглюконат

Глицеральде-

гид-3-Ф

Диоксиацетон-

фосфат

Пируват

Лактат

Рибозо-5-Ф

СО

Рибулозо-5-Ф

блоков для процессов биосинтеза. Все реакции цикла протекают в мито-

хондриях.

Скорость цикла трикарбоновых кислот зависит от потребности в АТФ.

Высокий энергетический заряд клетки понижает активность цитратсинтазы,

изоцитратдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназы. Еще один важ-

ный регуляторный момент – необратимое образование ацетил-КоА из пи-

рувата. В результате пентозофосфатного пути происходит генерирование

НАДФН и рибозо-5-фосфата в цитозоле. НАДФН участвует в восста-

новительных биосинтезах, а рибозо-5-фосфат используется в синтезах РНК,

ДНК и нуклеотидных коферментов.

Взаимодействие гликолитического и пентозофосфатного путей обес-

печивает возможность постоянного приспособления концентраций НАДФН,

АТФ и строительных блоков, например рибозо-5-фосфата и пирувата, для

удовлетворения потребностей клеток.

Наконец, глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно, так что,

если активность одного из путей относительно понижается, то активность

другого пути повышается.

У человека и животных на всех стадиях синтеза и распада углеводов

регуляция углеводного обмена осуществляется при участии ЦНС и гормо-

нов.

Например, установлено, что концентрация глюкозы в крови ниже

3,3–3,4 ммоль/л (60–70 мг/100 мл) приводит к рефлекторному возбужде-

нию высших метаболических центров, расположенных в гипоталамусе.

В регуляции углеводного обмена особая роль принадлежит высшему отделу

ЦНС – коре большого мозга. Наряду с ЦНС важное влияние на содержание

глюкозы оказывают гормональные факторы, т.е. регуляции уровня глю-

козы в крови осуществляется ЦНС через ряд эндокринных желез (см.

главу 8).

НАРУШЕНИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА

При некоторых состояниях можно наблюдать повышение содержания

глюкозы в крови – гипергликемию, а также понижение концентрации глю-

козы – гипогликемию. Гипергликемия является довольно частым симпто-

мом различных заболеваний, прежде всего связанных с поражением эн-

докринной системы.

Сахарный диабет. В регуляции гликолиза и глюконеогенеза большую

роль играет инсулин. При недостаточности содержания инсулина возникает

заболевание, которое носит название «сахарный диабет»: повышается

концентрация глюкозы в крови (гипергликемия), появляется глюкоза в моче

(глюкозурия) и уменьшается содержание гликогена в печени. Мышечная

ткань при этом утрачивает способность утилизировать глюкозу крови.

В печени при общем снижении интенсивности биосинтетических процессов:

биосинтеза белков, синтеза жирных кислот из продуктов распада глю-

козы – наблюдается усиленный синтез ферментов глюконеогенеза. При вве-

дении инсулина больным диабетом происходит коррекция метаболических

сдвигов: нормализуется проницаемость мембран мышечных клеток для

глюкозы, восстанавливается соотношение между гликолизом и глюко-

неогенезом. Инсулин контролирует эти процессы на генетическом уровне

как индуктор синтеза ключевых ферментов гликолиза: гексокиназы, фос-

фофруктокиназы и пируваткиназы. Инсулин также индуцирует синтез гли-

когенсинтазы. Одновременно инсулин действует как репрессор синтеза

ключевых ферментов глюконеогенеза. Следует отметить, что индукторами

359

синтеза ферментов глюконеогенеза служат глюкокортикоиды. В связи

с этим при инсулярной недостаточности и сохранении или даже повышении

секреции кортикостероидов (в частности, при диабете) устранение влияния

инсулина приводит к резкому повышению синтеза и концентрации фер-

ментов глюконеогенеза, особенно фосфоенолпируват-карбоксикиназы, оп-

ределяющей возможность и скорость глюконеогенеза в печени и почках.

Развитие гипергликемии при диабете можно рассматривать также как

результат возбуждения метаболических центров в ЦНС импульсами с хе-

морецепторов клеток, испытывающих энергетический голод в связи с не-

достаточным поступлением глюкозы в клетки ряда тканей. Роль системы

фруктозо-2,6-бисфосфата в регуляции метаболизма углеводов, а также

нарушения ее функционирования при сахарном диабете см. главу 16.

Гипергликемия может возникнуть не только при заболевании под-

желудочной железы, но и в результате расстройства функции других

эндокринных желез, участвующих в регуляции углеводного обмена. Так,

гипергликемия может наблюдаться при гипофизарных заболеваниях, опу-

холях коркового вещества надпочечников, гиперфункции щитовидной же-

лезы. Иногда гипергликемия появляется во время беременности. Наконец,

гипергликемия возможна при органических поражениях ЦНС, расстройст-

вах мозгового кровообращения, болезнях печени воспалительного или

дегенеративного характера. Поддержание постоянства уровня глюкозы

в крови, как отмечалось,– важнейшая функция печени, резервные возмож-

ности которой в этом отношении весьма велики. Поэтому гипергликемия,

обусловленная нарушением функции печени, выявляется обычно при тя-

желых ее поражениях.

Большой клинический интерес представляет изучение реактивности ор-

ганизма на сахарную нагрузку у здорового и больного человека. В связи

с этим в клинике довольно часто исследуют изменения во времени уровня

глюкозы в крови, обычно после приема per os 50 г или 100 г глюкозы,

растворенной в теплой воде,– так называемая сахарная нагрузка. При

оценке построенных гликемических кривых обращают внимание на время

максимального подъема, высоту этого подъема и время возврата кон-

центрации глюкозы к исходному уровню. Для оценки гликемических

кривых введено несколько показателей, из которых наиболее важное зна-

чение имеет коэффициент Бодуэна:

где А – уровень глюкозы в крови натощак; В – максимальное содержание

глюкозы в крови после нагрузки глюкозой. В норме этот коэффициент

составляет около 50%. Значения, превышающие 80%, свидетельствуют

о серьезном нарушении обмена углеводов.

Гипогликемия. Нередко гипогликемия связана с понижением функций

тех эндокринных желез, повышение функций которых приводит, как от-

мечалось, к гипергликемии. В частности, гипогликемию можно наблюдать

при гипофизарной кахексии, аддисоновой болезни, гипотиреозе. Резкое

снижение уровня глюкозы в крови отмечается при аденомах поджелудочной

железы вследствие повышенной продукции инсулина β-клетками панкреа-

тических островков. Кроме того, гипогликемия может быть вызвана голо-

данием, продолжительной физической работой, приемом β-ганглиоблока-

торов. Низкий уровень глюкозы в крови иногда отмечается при беремен-

ности, лактации.

360

В – А

100%