90212 (612786), страница 3
Текст из файла (страница 3)
С помощью термодинамических механизмов осуществляется контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G0= - 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G0= -3,4 ккал/моль ) и пируваткиназная ( G0= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.
Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля метаболического пути одновременно являются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов.
Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими концентрациями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.
Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.
Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.
В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.
Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цитратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который затем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его дополнительное образование, что и достигается ингибированием фосфофруктокиназы и пируваткиназы.
Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.
2.1.1.2. Окислительное декарбоксилирование пирувата
В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входят три различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.
Первый фермент этого комплекса - пируватдекарбоксилаза ( Е1) катализирует реакцию с образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида, связанного с тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.
Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) катализирует два последовательных превращения:
а) на первом этапе идет перенос активированного остатка ацетальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением альдегидной группы до карбоксильной группы: Образуются ацетил-КоА и фермент Е2 с восстановленной формой кофермента.
Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты катализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму: В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кислоты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД+ с образованием его восстановленной формы.
Следует напомнить, что при окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании суммарного уравнения окислительного декарбоксилирования пирувата:
Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, посколько сопровождается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окисленного пирувата. Таким образом, мы имеем дело еще с одним пунктом термодинамического контроля в общей метаболической системе аэробного окисления глюкозы.
Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковалентная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования комплекса: Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( много АТФ и НАДН ) или же цикл Кребса не справляется с окислением имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию - уже известный нам механизм стимуляции предшественником.
Образовавшийся ацетил-КоА, как уже неоднократно упоминалось. поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционировании этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.
В качестве напоминания можно привести суммарную реакцию окисления ацетила ( из ацетил-КоА ) в цикле Кребса:
Далее уже можно написать суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы:
Из уравнения следует, что аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов ( 2АТФ и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных коферментов ( 10 НАДН и 2 ФАДН2)
Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисления глюкозы можно произвести, руководствуясь следующей далее схемой:
На схеме видно следующее:
а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз расходуется 2 АТФ ;
б) за счет субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)
в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восстановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН2 ).
Оценка энергетической эффективности процесса в плане аккумуляции энергии окисления может быть проведена исходя из того, что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисление 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).
Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:
а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты,
б) Фр-6-ф - для синтеза аминосахаров,
в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов,
г) 3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,
д) ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,
е) пируват - для синтеза аланина ж) ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с помощью метода меченых атомов.
2.1.3. Аэробное окисление других углеводов
В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых количествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит образование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.
2.1.3.1. Начальный этап метаболизма галактозы
Галактоза, поступающая в клетки, подвергается фосфорилированию при участии фермента галактокиназы:
В следующей реакции образовавшийся Гал-1-ф взаимодействует с УДФ-глюкозой с образованием УДФ-галактозы:
Реакция катализируется ферментом гексозо 1 фосфатуридилтрансферазой.
Далее УДФ-галактоза изомеризуется в УДФ-глюкозу при участии фермента эпимеразы:
Затем при взаимодействии с следующей молекулой Гал-1-ф образовавшийся в составе УДФ-глюкозы глюкозный остаток выделяется в виде глюкозо-1-фосфата. Гл-1-ф изомеризуется при участии фосфоглюкомутазы в гл-6-фосфат и включается в общий путь окисления глюкозы.
2.1.3.2. Начальный этап метаболизма фруктозы
Фруктоза также после поступления в клетки подвергается фосфорилированию с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Реакция катализируется ферментом фруктокиназай. Образовавшийся Фр-1-ф расщепляется на глицериновый альдегид и фосфогидроксиацетон ( ФГА ) при участии фермента фруктозо-1-фосфатальдолазы . Глицериновый альдегид при участии фермента триозокиназы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид, в ходе фосфорилирования используется молекула АТФ, переходящая в АДФ. Фосфогидроксиацетон при участии триозофосфатизомеразы также превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, из молекулы фруктозы получается 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, а 3-ФГА является промежуточным метаболитом окислительного расщепления глюкозы.
Возможен другой вариант начального этапа метаболизма фруктозы. В этом случае фруктоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы с образованием фруктозо-6-фосфата с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Однако способность гексокиназы фосфорилировать фруктозу сильно ингибируется в присутствии глюкозы, поэтому считается маловероятным, чтобы этот вариант использования фруктозы играл сколь-либо существенную роль в ее метаболизме.
2.1.3.3. Начальный этап метаболизма гликогена
Окислительное расщепление остатков глюкозы из молекулы гликогена чаще всего начинается с его фосфоролитического расщепления: при участии фермента фосфорилазы с использованием неорганического фосфата от молекулы гликогена последовательно отщепляются моносахаридные блоки с образованием глюкозо-1-фосфата. Гл-1-ф при участии фосфоглюкомутазы превращается в гл-6-Ф - метаболит окислительного пути расщепления глюкозы. Такой путь использования гликогена характерен для клеток мышц или печени.
Для клеток мозга или кожи преобладающим является амилолитический путь расщепления гликогена: вначале под действием ферментов амилазы и мальтазы гликоген расщепляется до свободной глюкозы, а затем глюкоза фосфорилируется и подвергается дальнейшему окислению уже известным нам путем.
2.1.4. Анаэробный метаболизм углеводов
Человек является аэробным организмом, так как основным конечным акцептором отщепляемых от окисляемых субстратов атомов водорода является кислород. Парциальное давления кислорода в тканях составляет в среднем 35-40 мм рт. ст. Но это вовсе не значит, что при определенных условиях в тканях не возникает дефицит кислорода, делающий невозможным протекание аэробных окислительных процессов. Торможение окислительных процессов при дефиците кислорода связано с тем, что клеточный пул НАД+ и других коферментов. способных акцептировать атомы водорода от окисляемых субстратов, весьма ограничен. Как только основная их масса переходит в восстановленное состояние из-за дефицита кислорода, дегидрирование субстратов прекращается. Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.
В подобного рода условиях в клетках различных органов и тканей включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не зависящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэробное окисление глюкозы - анаэробный гликолиз, и анаэробное расщепление гликогена - гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ранее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образования пирувата. Однако далее эти пути расходятся: если в аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию, то в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой:
Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 - 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии ( ~ 50 ккал/моль ), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена ( 1 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется ). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении количества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода. Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, вопервых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером чего может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Во-вторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.
Активация анаэробного окисления углеводов приводит к увеличению продукции лактата в клетках и тканях. При сохранении кровообращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мышце. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 - ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.
Если же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации протонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибируются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних источников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
