Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_2 (1123310), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Было бы в самом деле биологически бесполезно (растрачивание АТР), если гликолитический путь (превращение глюкозо-6-фосфата до лактата) реализовался бы с максимальной скоростью в печеночной клетке, запятой в этот момент чистым глюконеогенезом с целью экспорта глюкозы. Не является выгодным для клетки одновременно заниматься усиленным синтезом жирных кислот и их окислением (пути 16 и !7).
Такой процесс носит название бесполезный цикл, так как в результате ничего пе достигается, кроме растрачивания прибыли в АТР, возникающей при одном процессе, за счет использования АТР в другом процессе. Возможности бесполезных циклов бесчисленны; простейшая из них приведена на рис. 14,1 и представлена следующими реакциями: (1) (2) глюкоза+ АТР— глюкоза-6-фосфзт+ АОР глюкозо-б-фосфзт+ НзΠ—;- глюкоза+ Р1 ЛТР ЛИ + Рс Ясно, что при одновременном протекании обеих реакций создавался бы бесполезный цикл, который являлся бы пе чем иным, как эквивалентом работающей впустую АТРазы. Однако, хотя н тот и другой вариант реакций необходимы печеночной клетке, реакция (1) должна реализоваться с максимальной скоростью, когда з1артия глюкозы поступает в портальную вену, а реакция (2)— когда активность сокращающейся мышцы снижает содержание глюкозы в крови.
Действительно, эти различные процессы регулируются таким образом, что каждый происходит со скоростью, точно соответствующей существующим условиям. Это становится возможным благодаря большому разнообразию механизмов: отсутствию необходв- ць мвтлеолизм мого компонента реакции, подавлению фермента каким-либо:продуктом пути, стимулированию фермента одним из более ранних интермедиатов пути или,по сигналу, получаемому,в форме гормона от другого органа. Такие регуляторные явления создают возможность тонких и очень быстрых модуляций рассматриваемых процессов.
Более медленный контроль может достигаться путем изменения количества ключевого фермента. Таких примеров много, и они часто встречаются далее. 14.3.1. Глюкозе-6-фосфат 14.3. К К Фаайюрилироеанне глюкозы Все клетки, способные метаболизировать глюкозу, содержат какую-либо форму зексокилазы (мол. масса 104000); фермент состоит из двух идентичных субъединиц и катализнрует реакцию знн глюкоза + ЛТР— е глюкозе-6-фогзраю + ЛОР Н Н е6-В-гоюзозо-о-азоефаге Большинство гексокнназ до известной степени иеспецнфичпы, проявляя некоторую способность каталпзнровать также образование 6-фосфатных эфиров маннозы, фруктозы и галактозы.
Истинным субстратом является Мп"-хелат АТР (Мд-'-АТР'-). Атом кислорода сложноэфирной связи принадлежит исходной гидроксидиой группе гексозы. Предполагается следующий механизм реакции (й--ОН--глюкоза): о О:: еоен — Π— Р~ МК О О О ) ( О Н .Р+( О О О О К О т о — з ааенознн — Π— Р ~Ма.. ! О' Оо- Н о~ 1~ РР— О О -О О в.
!4.метхволнзм уГлеВОдОВ. ! Эйа реакция практически необратима, Аб'= — 5000 кал/моль, что объясняется относительно низкознергетической природой глюкозо-6)фосфата и более низкой стабильностью комплекса Мд'+-АВР'- в сравнении с Мд'~-АТР' —. Ткани животных содержат семейство гексокиназ, лучше всего выявляемых благодаря различиям их К'„; ""; однако значения К" "" " для всех гексокиназ очень невелики и составляют 1 — 1О мкмоль/л. Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование продуктом реакции глюкозо-б-фосфатом, что объясняется связыванием этого сложного эфира в определенном регуляторном пентре, н несколько менее выраженное ингибированне А()Р.
При физиологических концентрациях обоих веществ реакция могла бы протекать со скоростью, составляющей лишь 5!/Б 1!,„, если бы не положительная эффекторная активность Мп"-АТР'- и Рь Во всех клетках часть гексокиназы довольно прочно связана с наружной митохондрнальной мембраной; в тканях мозга это, наверное, может относиться к половине всего количества фермента.
Вторым ферментом, катализирующим указанную реакцию, является глюкакиназа (мол. масса от 15.10! до 20.10""), которая в отличие от гексокнназы не ингибируется глюкозо-6-фосфатом н характеризуется значительно более высокими К"""'*" ( 20 ммоль/л). Это преобладающий фермент во взрослой печени; не исключено даже, что вся гексохиназа взрослой печени находится в непаренхиматозных клетках. Печень крысиного эмбриона содержит только гексокиназу, концентрация которой начинает уменьшаться приблизительно за четверо суток до рождения.
Глюкокиназа появляется спустя две недели после рождения и не достигает уровня, характерного для взрослого организма, до достижения животным месячного возраста. Это может коррелировать с тем фантом, что во время утробной жизни глюкоза в крови обеспечивается плацентой; глюкокиназа, которая не ингибируется глюкозо-б-фосфатом, появляется с того момента, как возникает необходимость улавливания печенью всей глюкозы, поступающей через портальную вену, независимо от концентрации глюкозо-6- фосфата в цитозоле печеночных клеток; зта глюкоза удерживается далее в виде гликогена или превращается в жирные кислоты.
Печеночный синтез глюхокиназы может быть вызван почти на 1О сут ранее нормального срока введением определенного стероида коры надпочечников (гл. 45), но никак не раньше, поскольку до этого времени процесс репрессирован зстрогеиом, проникающим через плаценту из материнского кровотока (гл. 44).
Отметим отсутствие глюкокиназы в печени жвачных животных, у которых углеводы корма сбраживаются бактериями в сычуге (четвертый желудок) до короткоцепочечных жирных кислот (уксусная, пропионовая, масляная), и именно они, в большей степени, чем глюкоза, направляются в печень. 1и. метяаолизя 14.адг.я. гидролог глюкоза-б-фосфктк Глюкозо-б-фосфат, подобно всем другим фосфорплнрованным интермедиатам, «заперт» в клетке, будучи не способным проходить через цитоплазматическую мембрану.
Как отмечалось выше, имеются, однако, три ткани, клетки которых должны быть способны выделять глюкозу в кровоток, а именно ткани печени и эпителий почечных канальцев и тонкого кишечника. Это становится возможным благодаря действию пеобычнога, недостаточно изученного фермента глюкозо-б-фосфатазы, который катализнрует реакцию Як голо«ока-б-фасфзт + Н О вЂ” ~. глюкоза Лл Рг Этот фермент погружен в липиды эндоплазматической сети, и его .полная очистка с освобождением от липндов до сих сзор еще не завершена. Тот же фермент, однако, катализирует со скоростью, ориентировочно сопоставимой с таковой при гндролизе глюкозо-6- фосфата, и гидролиз неорганического ппрофосфата и серию реакций переноса, таких, как РР; -~- глюкоза — » глюкоза-б-фосфзт ",.
Р, кзрбзкоилфосфзтгр глюкоза глюкоза-б-фосфзт ~ СОз ,.'- ХНз АТР+ глюкозв глюкоза-б-фасфзт —' ,АОР Когда фермент освобождается от своего нормального липидного окружения, главная гидролитическая активность уменьшается и значительно возрастает способность катализировать различные реакции переноса. Физиологическое значение этого свойства фермента, если таковое вообще имеется, остается неизвестным. Имевшиеся данные указывают на то, что механизм реакция включает начальный перенос фосфата на М-3 гистидпнового остатка фермента: А — Р+Е» Š— — я+А конг ~н,о К вЂ” Π— Р Е+Р; Мало известно о регуляции этого фермента, в частности о причине его неспособности гидролизовать весь глюкозо-б-фосфат, протекающий через клетку.
У здоровых крыс активность печеночной глюкозо-6-фосфатазы примерно в $0 раз превышает активность глюкокиназы, и она возрастает еще больше у животных на богатом углеводамн рационе и при диабете. Таким образом, неясно, какие факторы предотвращают непрерывный бесполезный цикл фосфо- Ы. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. 1 рилирования и гидролиза. Возможно, что гидролитически активный фермент располагается векторно в стенке эндоплазматической сети таким образом, чтобы после гидролиза вся глюкоза обязательно вошла в каналы этого ретнкулярного образования и перешла в пнтерстициальную жидкость, омывающую клетки, тем самым избегая дальнейших превраше шй. Кроме того, может существовать н какое-то переключающее устройство — связывание некоторого пендентпфицнрованного эффектора, который определяет, действует ли фермент как гидролаза иля ьак фосфорнлнрующая система.
14.4. Гликолиз Скорость, с которой должна генерироваться АТР, чтобы обеспечить потребности таких тканей организма, как мозг, почки, селезенка, а также потребности костной и соединительной ткани, кожи и даже тканей печени, относительно постоянна. В этих тканях, как н в скелетной и сердечной мышцах находящегося в состоянии покоя организма, потребности в энергии удовлетворяются за счет АТР, образующегося при митохондрпальпом окислении ХА1УН, хотя, как уже указывалось, поступивший «топливный материал» может быть апетоацетатом, жирными кислотами или глюкозой, которые все превращаются в ацетил-СОА, поступающий в цикл лимонной кислоты (рис. 14.1). Однако скорость потребления АТР в сердечной мышце может внезапно возрасти даже в 10 раз, а в работающей скелетной мышце — более чем в 100 раз.
Эти жесткие требования до некоторой степени удовлетворяются благодаря максимальному окислению в митохондрнях, но даже в том случае, если максимальная митохондриальная активность отвечала бы существующим запросам, она была бы ограничена притоком О, и глюкозы до того момента, пока кровообращение не было бы соответствующим образом отрегулировано. При таких обстоятельствах скелетная мышца и в меньшей мере сердечная мышца получают необходимое большое дополнительное количество АТР в результате функционирования последовательности реакций называемой гликолизом, т.
е. процессу, который использует всю последовательность в норме приводящую к пнрувату, но в которой последний. вместо того чтобы окпсляться в митохондриях, восстанавливается в лактат в цитозоле. Эти взаимоотношения показаны на рис. 14.1 и представляют отведение пирувата от пути 16 к пути 14 этой схемы. Если бы последовательность начиналась с глюкозы, как таковой, то суммарный результат должен был бы .Выглядеть как гэаакоэа+ 2А1УР+ 2Р; — 1- 2 лактат+ 2АТР Преимущество, которое мышца получает от этого, казалось бы лимитированного, процесса, основано на том, что он не нуждается нь метхволизм 558 в кислороде и может, как будет показано в дальнейшем, в равной мере легко и быстро утилизировать запасы гликогена клетка так, «то сокращающаяся мышца в течение некоторого времени не зависит от скорости подачи глюкозы нз крови; существенно, что ферменты, позволяющие реализоваться всем этим событиям, в избытке присутствуют в цнтозоле мышечной клетки.
В действительности этот процесс (рис, 14.2) идентичен таковому в апаэробных организмах, участвующих в процессах брожения при изготовлении кислой капусты, кислого молока н близко родственен процессам брожения у ряда других микроорганизмов, когда также образуется АТР, но конечными продуктами являются не молочная кислота, а этанол, ацетоин или прояионовая кислота. Случайное наблюдение (в 1890 г.) братьев Бухнер, что бесклеточные экстракты дрожжей могут катализировать спиртовое брожение, послужило основанием для изучеяия химизма физиологических процессов вне клетки, что нашло свое развитие в последующих работах Гардена и йонга. 11ринимая во внимание эти исторические факты, а также то, что понимание спиртового брожения недет к пониманию гликолиза и действия «путейз в целом, целесообразно более подробно рассказать о наблюдениях Гардена и йонга над спиртовым брожением экстрактов пекарских дрожжей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
