Метаболизм энергетических углеводов

 

       Под действием гормона β-клеток поджелудочной железы инсулина глюкоза проникает в клетки тканей. Что же происходит с глюкозой в клетке?

       Первая реакция, в которую вступает глюкоза в клетке, является для нее единственно возможной. Это реакция активации глюкозы путем фосфорилирования за счет АТФ. Фермент, катализирующий эту необратимую реакцию, есть в любой клетке. Он называется гексокиназа.

Рисунок ХХ. Гексокиназная реакция и ее обходной обратный путь.

 

Включение остатка фосфорной кислоты в состав молекулы повышает энергетический потенциал глюкозы и ослабляет в ней химические связи. В результате продукт гексокиназной реакции - глюкозо-6-фосфат обладает гораздо большей реакционной способностью, чем сама глюкоза, и легко вступает в дальнейшие превращения. Поэтому глюкозо-6-фосфат нередко называют «активной формой глюкозы».

С другой стороны, фосфорилирование превращает молекулу глюкозы в ион, что препятствует ее выходу обратно в кровь, и она не может быть потеряна клеткой.

 

Чтобы связанная молекула могла выйти из клетки, глюкозо-6-фосфат должен превратиться обратно в глюкозу. Фермент, катализирующий обратную реакцию (превращение глюкозо-6-фосфата обратно в глюкозу), называется глюкозо-6-фосфатаза и находится только в печени, почках и слизистой оболочке кишечника. Он гидролизует глюкозо-6-фосфат до глюкозы и Н₃РО₄ (неорганический фосфат), то есть катализирует обходной обратный путь гексокиназной реакции. Но в большинстве тканей глюкозо-6-фосфатаза отсутствует, поэтому для глюкозо-6-фосфата возможны только дальнейшие превращения в клетке.

       Гексокиназа - это ключевой фермент всего метаболизма глюкозы в клетке. Он лимитирует (ограничивает) скорость всех путей метаболизма глюкозы. V_max гексокиназы меньше, чем V_max любого другого фермента метаболизма глюкозы в клетке. У гексокиназы очень маленькая К_М (примерно в 500 раз меньше, чем нормальная концентрация глюкозы в крови), поэтому гексокиназа всегда работает с максимальной скоростью. Фермент аллостерически ингибируется избытком своего продукта – глюкозо-6-фосфата. Если по какой-то причине дальнейшее использование глюкозо-6-фосфата замедляется (его концентрация при этом возрастает), то автоматически тормозится гексокиназная реакция. Поэтому в такой ситуации использование клеткой глюкозы замедляется.

       Только в печени есть уникальный фермент, так же, как и гексокиназа, катализирующий реакцию превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат. Это изофермент гексокиназы - глюкокиназа. У него К_М = 20ммоль/л и низкое, по сравнению с гексокиназой, сродство к глюкозе. Поэтому в период между приемами пищи, когда концентрация глюкозы в системе воротной вены соответствует норме, он реализует лишь ничтожную долю своей потенциальной мощности. Но "на высоте пищеварения" в момент приема пищи, когда концентрация глюкозы в воротной вене во много раз возрастает, глюкокиназа работает очень интенсивно, но V_max этого мощного фермента все равно никогда не достигается. Следовательно, утилизация глюкозы клетками печени "на высоте пищеварения" возрастает при подключении дополнительного пути метаболизма (работа глюкокиназы). Именно благодаря работе глюкокиназы «на высоте пищеварения печень может захватывать избыток глюкозы, поступающей из кишечника и не пускать ее в общий кровоток. Поэтому так называемая алиментарная гипергликемия хотя и возникает в момент приема пищи, но у здорового человека повышение концентрации глюкозы в общем кровотоке очень кратковременное и никогда не достигает чрезмерно высоких значений, даже при единовременном употреблении значительного количества углеводов. Так работает один из механизмов, обеспечивающих поддержание концентрацию глюкозы в крови на постоянном уровне: 3,5 – 5,5 ммоль/л.

       После образования глюкозо-6-фосфата начинается разветвление дальнейших путей метаболизма глюкозы. Таких главных путей существует три:

       1. Синтез гликогена.

       2. Аэробный путь распада углеводов

3. Пентозофосфатный путь распада углеводов (пентозофосфатный цикл).

       Кроме перечисленных основных путей метаболизма глюкозы существуют и так называемые минорные пути. Как правило, в минорных путях используется небольшая доля глюкозы, поступающей в клетку, и они не играют энергетической роли.

 

СИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА

       Гликоген – полисахарид, накапливающийся, главным образом, в печени и в мышцах, и выполняющий функцию энергетического резерва углеводов, который может быть быстро использован при увеличении энергопотребления. Синтез гликогена протекает лишь в условиях «энергетического комфорта», когда количество поступающих углеводов с пищей превышает энергетические потребности клеток организма.

В случае синтеза гликогена после образования глюкозо-6-фосфата (гексокиназная реакция) происходит внутримолекулярный перенос остатка фосфорной кислоты из 6-го положения в 1-е. При этом образуется глюкозо-1-фосфат.

 

 

Рисунок ХХ. Схема метаболизма гликогена в печени

 

       После изомеризации глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат протекает дополнительная активация глюкозного фрагмента. При этом расходуется 1 молекула УТФ, что равнозначно затрате одной молекулы АТФ. В результате образуется УДФ-глюкоза.

Затем глюкозный остаток переносится на молекулу гликогена, и его цепь становится на один глюкозный фрагмент длиннее. Удлинение цепи гликогена катализирует фермент гликогенсинтетаза – ключевой фермент синтеза гликогена, который активируется избытком глюкозо-6-фосфата. Поэтому, если глюкозо-6-фосфат в клетке потребляется медленно, то возрастание его концентрации приводит к увеличению скорости синтеза гликогена. Реакция, катализируемая гликогенсинтазой, необратима.

Гликоген – разветвленная молекула. Для формирования ответвлений (α(1,6)-гликозидных связей) существует специальный фермент - "гликогенветвящий фермент".

       Молекула гликогена синтезируется не «с нуля», а происходит постепенное удлинение уже имеющегося фрагмента цепи – так называемой "затравки". И при распаде гликогена никогда не происходит полного разрушения его молекул – обязательно остаются «затравки» - олигосахаридные фрагменты, которые в момент запуска его синтеза являются матрицей для удлинения полисахаридных цепей и формирования новых отвтевлений.

       Для включения одного остатка глюкозы в молекулу гликогена клетка расходует 2 молекулы АТФ. При распаде гликогена освобождается только Ф_н (неорганический фосфат).

       При увеличении энергопотребления гликоген способен распадаться. Для этого существует свой обходной обратный путь. Его ключевым ферментом является гликогенфосфорилаза, который угнетается избытком АТФ, активируется избытком АДФ и АМФ. Этот фермент расщепляет молекулу гликогена с участием неорганического фосфата (Фн) до глюкозо-1-фосфата и гликогена, укороченного на один глюкозный фрагмент:     (С₆Н₁₀О₅)n + H₃PO₄ ----> (C₆H₁₀O₅)_n-1 + глюкозо-1-фосфат

АЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ

Это главный путь распада углеводов до конечных продуктов, а для клеток некоторых тканей является единственно возможным. В среднем аэробному распаду подвергается 70-75% глюкозы, поступающей в клетку, и для многих тканей этот самый протяженный путь распада углеводов является главным источником получения энергии в клетке. Получение энергии в виде АТФ и является главным биологическим значением аэробного распада углеводов.

Рисунок ХХ. Главные пути метаболизма углеводов (схема).

 

Аэробный путь распада углеводов условно можно разделить на три этапа.