Последовательность реакций глюконеогенеза. Энергетические барьеры и способы их преодоления.

Последовательность реакций глюконеогенеза. Энергетические барьеры и способы их преодоления.

Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счёт обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях. При этом три реакции гликолиза необратимы. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями.

1. Образование ф осфо е нол п ирувата (ФЕП) из пирувата происходит в ходе двух реакций, первая из которых протекает в митохондриях, а вторая - в цитозоле. В митохондриях имеется специальный фермент пируваткарбоксилаза, который при участии АТФ, биотина и углекислого газа превращает пируват в оксалоацетат (щавелевоуксусную кислоту - ЩУК). Функция биотина (кофермент) – присоединение СО₂ и перенос его на пируват.

Поскольку митохондриальная мембрана непроницаема для оксалоацетата, поэтому существует специальная транспортная система, переносящая оксалоацетат через митохондриальную мембрану. Сначала оксалоацетат в митохондриальном матриксе восстанавливается с образованием малата при участии NADH+Н⁺ (обратная реакция ЦТК). Образовавшийся малат затем проходит через митохондриальную мембрану с помощью специальных переносчиков. Кроме того, оксалоацетат способен также транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата при помощи малат-аспартатного челночного механизма.

В цитозоле малат вновь превращается в оксалоацетат в ходе реакции окисления с участием кофермента NAD+. Обе реакции: восстановление оксалоацетата и окисление малата катализирует малатдегидрогеназа, но в первом случае это митохондриальный фермент, а во втором — цитозольный.

В цитозоле фософоенолпируваткарбоксикиназа (ФЕП-карбоксикиназа) при участии ГТФ превращает оксалоцетат в фосфоенолпируват

 

Все последующие реакции глюконеогенеза протекают в цитозоле вплоть до образования фруктозо-1,6-бисфосфата.

2. Отщепление фосфатной группы из фруктозо-1,6-бисфосфата и глюкозо-6-фосфата - также необратимые реакции глюконеогенеза. В ходе гликолиза эти реакции катализируют специфические киназы (фосфофруктокиназа, гексокиназа/глюкокиназа) с использованием энергии АТФ. В глюконеогенезе они протекают без участия АТФ и АДФ и ускоряются не киназами, а фосфатазами - ферментами, принадлежащими к классу гидролаз. Ферменты фруктозо-1,6-бис- фосфатаза (этот фермент обнаружен в печени и почках, и считается, что он отсутствует в сердечной и гладких мышцах) и глюкозо-6-фосфатаза катализируют отщепление фосфатной группы от фруктозо-1,6-бисфосфата и глюкозо-6-фосфата, соответственно. После этого свободная глюкоза выходит из клетки в кровь.

Схема всех реакций глюконеогенеза представлена ниже.

Таким образом, в печени существуют 4 фермента, которые принимают участие только в глюконеогенезе и катализируют обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Это - пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6- фосфатаза.

Регуляция глюконеогенеза.

По сравнению с другими органами печень отличается наиболее сложным обменом глюкозы. Кроме пары противоположных процессов - гликолиз и глюконеогенез, в печени могут происходить ешё два противоположно направленных процесса - синтез и распад гликогена. В большинстве других органов происходит только гликолиз. Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и обратно происходит с помощью следующих механизмов:

1. Аллостерической регуляции активности ферментов:

а) активность глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: высокие концентрации глюкозо-6-фосфатаза активируют указанный фермент.

б) для пируваткарбоксилазы аллостерическим положительным эффектором является ацетил-СоА.

в) главным аллостерическим регулятором глюконеогенеза является фруктозо-2,6-бифосфат: снижение его концентрации активирует конкурирующую реакцию – образование фруктозо-6-фосфата, т.е. приводит к усилению глюконеогенеза.

2. Ковалентной модификации ферментов путём фосфорилирования / дефосфорилирования:

Активность фруктозо-1,6-бисфосфатазы зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата. Фруктозо-2,6-бисфосфат — метаболит, образующийся в незначительных количествах из фруктозо-6-фосфата и выполняющий только регуляторные функции. Образование фруктозо-2,6-бисфосфата путём фосфорилирования фруктозо-6-фосфата кататизирует бифункциональный фермент (БИФ), который катализирует также и обратную реакцию.

В реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата БИФ проявляет киназную активность, а при дефосфорилировании образованного фруктозо-2,6-бисфосфата — фосфатазную. Это обстоятельство и определило название фермента «бифункциональный».

Киназная активность БИФ проявляется, когда фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода (т.е. периода переваривания пищи), когда инсулин/глюкагоновый индекс высокий. В этот период количество фруктозо-2,6-бисфосфата увеличивается. При низком инсулин-глюкагоновом индексе, характерном для периода длительного голодания, происходит фосфорилирование БИФ, и он функционирует как фосфатаза. Результат - снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата.

3. Индукции/репрессии синтеза ключевых ферментов:

а) глюкагон репрессирует транскрипцию пируваткиназы и активирует транскрипцию фосфоенолпируваткарбоксикиназы.

б) инсулин репрессирует транскрипцию генов фосфоенолпируваткарбоксикиназы.

4. Гормональной регуляцией:

Гипогликемия (низкий уровень глюкозы) провоцирует поступление в кровоток глюкагона (гормон β-клеток поджелудочной железы) и глюкокортикоидов (кортизол, кортикостерон - гормоны, вырабатываемые корковым веществом надпочечников), которые являются мощными активаторами глюконеогенеза. Следствием стимулированного глюконеогенеза становится повышение концентрации глюкозы в крови. Инсулин (гормон поджелудочной железы), напротив, угнетает глюконеогенез.

Распад гликогена или его мобилизация происходят в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Гликоген печени распадается в основном в интервалах между приёмами пищи, кроме того, этот процесс в печени и мышцах ускоряется во время физической работы.

Распад гликогена происходит путём последовательного отщепления остатков глюкозы с нередуцирующего конца полисахарида в виде глюкозо-1-фосфата. Гликозидная связь расщепляется с использованием неорганического фосфата, поэтому процесс называется фосфоролизом. Осуществляет фосфоролиз фермент гликогенфосфорилаза. Этот фермент катализирует разрыв 1-4 - гликозидных связей с образованием глюкозо-1-фосфата. Остатки глюкозы отщепляются до тех пор, пока на ветвях, идущих от точки ветвления, не останется примерно 4 остатка.

В дальнейшем три оставшихся до точки ветвления глюкозных остатка переносятся при участии олигосахаридтрансферазы (реакция 2) на нередуцирующий конец соседней цепи, удлиняя её и создавая условия для действия фосфорилазы. Оставшийся в точке ветвления глюкозный остаток гидролитически отщепляется с помощью α-1,6-глюкозидазы в виде свободной глюкозы (реакция 3), после чего неразветвлённый участок гликогена может вновь атаковаться фосфорилазой.

Считают, что перенос трёх остатков глюкозы и удаление мономера из точки ветвления (реакции 2 и 3) катализирует один и тот же фермент, который обладает двумя разными ферментативными активностями — трансферазной и гликозидазной. Его называют дебранчинг (деветвящим) ферментом (от англ. debranching enzyme).

Продукт действия гликогенфосфорилазы - глюкозо-1-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат фосфоглюкомутазой. Далее глюкозо-6-фосфат включается в процесс катаболизма или другие метаболические пути. В печени (но не в мышцах!!![1]) глюкозо-6-фосфат может гидролизоваться под действием глюкозо-6-фосфатазы с образованием глюкозы, которая выделяется в кровь. Реакция протекает в просвете ЭПС, куда с помо­щью специального белка транспортируется глюкозо-6-фосфат, а продукты его гидролиза (глюкоза и неорганический фосфат) с помощью транспортных систем возвращаются в цитоплазму.

Последовательность реакций глюконеогенеза. Энергетические барьеры и способы их преодоления.

Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счёт обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях. При этом три реакции гликолиза необратимы. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями.

1. Образование ф осфо е нол п ирувата (ФЕП) из пирувата происходит в ходе двух реакций, первая из которых протекает в митохондриях, а вторая - в цитозоле. В митохондриях имеется специальный фермент пируваткарбоксилаза, который при участии АТФ, биотина и углекислого газа превращает пируват в оксалоацетат (щавелевоуксусную кислоту - ЩУК). Функция биотина (кофермент) – присоединение СО₂ и перенос его на пируват.

Поскольку митохондриальная мембрана непроницаема для оксалоацетата, поэтому существует специальная транспортная система, переносящая оксалоацетат через митохондриальную мембрану. Сначала оксалоацетат в митохондриальном матриксе восстанавливается с образованием малата при участии NADH+Н⁺ (обратная реакция ЦТК). Образовавшийся малат затем проходит через митохондриальную мембрану с помощью специальных переносчиков. Кроме того, оксалоацетат способен также транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата при помощи малат-аспартатного челночного механизма.

В цитозоле малат вновь превращается в оксалоацетат в ходе реакции окисления с участием кофермента NAD+. Обе реакции: восстановление оксалоацетата и окисление малата катализирует малатдегидрогеназа, но в первом случае это митохондриальный фермент, а во втором — цитозольный.

В цитозоле фософоенолпируваткарбоксикиназа (ФЕП-карбоксикиназа) при участии ГТФ превращает оксалоцетат в фосфоенолпируват

 

Все последующие реакции глюконеогенеза протекают в цитозоле вплоть до образования фруктозо-1,6-бисфосфата.

2. Отщепление фосфатной группы из фруктозо-1,6-бисфосфата и глюкозо-6-фосфата - также необратимые реакции глюконеогенеза. В ходе гликолиза эти реакции катализируют специфические киназы (фосфофруктокиназа, гексокиназа/глюкокиназа) с использованием энергии АТФ. В глюконеогенезе они протекают без участия АТФ и АДФ и ускоряются не киназами, а фосфатазами - ферментами, принадлежащими к классу гидролаз. Ферменты фруктозо-1,6-бис- фосфатаза (этот фермент обнаружен в печени и почках, и считается, что он отсутствует в сердечной и гладких мышцах) и глюкозо-6-фосфатаза катализируют отщепление фосфатной группы от фруктозо-1,6-бисфосфата и глюкозо-6-фосфата, соответственно. После этого свободная глюкоза выходит из клетки в кровь.

Схема всех реакций глюконеогенеза представлена ниже.

Таким образом, в печени существуют 4 фермента, которые принимают участие только в глюконеогенезе и катализируют обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Это - пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6- фосфатаза.

Регуляция глюконеогенеза.

По сравнению с другими органами печень отличается наиболее сложным обменом глюкозы. Кроме пары противоположных процессов - гликолиз и глюконеогенез, в печени могут происходить ешё два противоположно направленных процесса - синтез и распад гликогена. В большинстве других органов происходит только гликолиз. Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и обратно происходит с помощью следующих механизмов:

1. Аллостерической регуляции активности ферментов:

а) активность глюкозо-6-фосфатазы регулируются уровнем глюкозо-6-фосфата: высокие концентрации глюкозо-6-фосфатаза активируют указанный фермент.

б) для пируваткарбоксилазы аллостерическим положительным эффектором является ацетил-СоА.

в) главным аллостерическим регулятором глюконеогенеза является фруктозо-2,6-бифосфат: снижение его концентрации активирует конкурирующую реакцию – образование фруктозо-6-фосфата, т.е. приводит к усилению глюконеогенеза.

2. Ковалентной модификации ферментов путём фосфорилирования / дефосфорилирования:

Активность фруктозо-1,6-бисфосфатазы зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата. Фруктозо-2,6-бисфосфат — метаболит, образующийся в незначительных количествах из фруктозо-6-фосфата и выполняющий только регуляторные функции. Образование фруктозо-2,6-бисфосфата путём фосфорилирования фруктозо-6-фосфата кататизирует бифункциональный фермент (БИФ), который катализирует также и обратную реакцию.

В реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата БИФ проявляет киназную активность, а при дефосфорилировании образованного фруктозо-2,6-бисфосфата — фосфатазную. Это обстоятельство и определило название фермента «бифункциональный».

Киназная активность БИФ проявляется, когда фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода (т.е. периода переваривания пищи), когда инсулин/глюкагоновый индекс высокий. В этот период количество фруктозо-2,6-бисфосфата увеличивается. При низком инсулин-глюкагоновом индексе, характерном для периода длительного голодания, происходит фосфорилирование БИФ, и он функционирует как фосфатаза. Результат - снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата.

3. Индукции/репрессии синтеза ключевых ферментов:

а) глюкагон репрессирует транскрипцию пируваткиназы и активирует транскрипцию фосфоенолпируваткарбоксикиназы.

б) инсулин репрессирует транскрипцию генов фосфоенолпируваткарбоксикиназы.

4. Гормональной регуляцией:

Гипогликемия (низкий уровень глюкозы) провоцирует поступление в кровоток глюкагона (гормон β-клеток поджелудочной железы) и глюкокортикоидов (кортизол, кортикостерон - гормоны, вырабатываемые корковым веществом надпочечников), которые являются мощными активаторами глюконеогенеза. Следствием стимулированного глюконеогенеза становится повышение концентрации глюкозы в крови. Инсулин (гормон поджелудочной железы), напротив, угнетает глюконеогенез.