Глюконеогенез, источники, механизм и регуляция процесса.

Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы, протекающий в основном в печени, и, менее интенсивно, – в корковом веществе почек и слизистой оболочке кишечника. Большинство реакций глюконеогенеза являются обратными гликолизу и катализируются теми же ферментами (рис. 41).

Функция глюконеогенеза – поддержание уровня глюкозы в крови при длительном голодании и интенсивных физических нагрузках. Постоянное поступление глюкозы в качестве источника энергии особенно необходимо для нервной ткани и эритроцитов.

Субстраты глюконеогенеза – ПВК, молочная кислота, глицерин, аминокислоты, метаболиты цикла Кребса. Их включение в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.

На примере синтеза глюкозы из пирувата рассмотрим подробно реакции, не являющиеся обратными реакциям гликолиза (гексокиназная (1), фосфофруктокиназная (3), пируваткиназная (10)).

1-ый этап – образование фосфоенолпирувата из ПВК.

а) карбоксилирование ПВК под влиянием пируваткарбоксилазы с образованием оксалоацетата в митохондрии:

Пируваткарбоксилаза – митохондриальный фермент, аллостерическим активатором которого является ацетил-KоА.

Для оксалоацетата митохондриальная мембрана непроницаема, поэтому оксалоацетат в митохондриях превращается в малатпри участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы:

Малат выходит из митохондрии через митохондриальную мембрану в цитозоль, где под действием цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в оксалоацетат:

б) в цитозоле клетки протекает декарбоксилирование и фосфорилирование оксалоацетата с образованием фосфоенолпирувата; фермент – фосфоенолпируваткарбоксикиназа:

2-ой этап – превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат.

Фосфоенолпируват в результате обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-фосфат. Далее следует необратимая фосфофруктокиназная реакция гликолиза. Глюконеогенез идет в обход этой реакции:

3-ий этап – образование глюкозы из фруктозо-6-фосфата.

Фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, который дефосфолирируется (реакция протекает в обход гексокиназной) под влиянием глюкозо-6-фосфатазы:

Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и наоборот также происходит с участием инсулина и глюкагона и осуществляется с помощью:

- аллостерических механизмов;

- фосфорилирования/дефосфорилирования;

- индукции/репрессии синтеза ключевых ферментов.

Регуляция направлена на необратимые стадии гликолиза и глюконеогенеза.

При уменьшении инсулин-глюкагонового индекса синтез ключевых ферментов гликолиза снижается, а ферментов глюконеогенеза (фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-6-фосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза) - увеличивается, и стимулируется глюконеогенез.

Направление реакций гликолиза регулируется содержанием глюкозы. При пищеварении концентрация глюкозы в крови возрастает до 10-20 мкмоль/л и активность глюкокиназы будет максимальной. Ускоряется гликолитическая реакция

глюкоза → глюкозо-6-фосфат.

Инсулин индуцирует синтез глюкокиназы и поэтому ускоряет фосфорилирование глюкозы.

Важная роль в регуляции гликолиза и глюконеогенеза принадлежит фруктозо-2,6-бисфосфату. Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется фосфорилированием фруктозо-6-фосфата при участии бифункционального фермента (БИФ). Этот фермент обладает двумя видами ферментативной активности:

 

Киназная активность проявляется при дефосфорилированной форме БИФ, которая характерна для абсорбтивного периода (инсулин-глюкагоновый индекс высокий). Увеличивается количество фруктозо-2,6-бисфосфата, который аллостерически активирует фосфофруктокиназу – гликолиз усиливается. Фруктозо-2,6-бисфосфат также ингибирует фосфатазу фруктозо-1,6-бифосфата (замедляется глюконеогенез).

Фосфатазная активность проявляется при фосфорилированной форме БИФ (длительное голодание, инсулин/глюкагоновый индекс низкий): снижается количество фруктозо-2,6-бисфосфата, гликолиз замедляется и переключается на глюконеогенез.

В период пищеварения инсулин активирует протеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу и переводит ее в активное состояние: реакция

фосфоенолпируват → пируват (гликолитическая)

ускоряется при пищеварении и замедляется в постабсорбтивном периоде.

Реакции глюконеогенеза

пируват → оксалоацетат → фосфоенолпируват

могут протекать при любом состоянии организма.

В период пищеварения из-за ускорения начальных стадий гликолиза повышается содержание фруктозо-1,6-бисфосфата, что ведет к активации пируваткиназы (гликолиз усиливается).

После приема пищи, богатой углеводами, инсулин-глюкагоновый индекс возрастает, увеличивается количество глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы (гликолитические ферменты), и стимулируется гликолитический путь.

Глюкоза в клетках печени используется также для энергообеспечения гепатоцитов. Основными потребителями АТФ в гепатоцитах являются трансмембранный перенос веществ, синтез белков, гликогена, жиров, глюконеогенез.

АТФ и АМФ – аллостерические эффекторы некоторых гликолитических ферментов: АМФ активирует гексокиназу, фосфофруктокиназу и пируваткиназу и ингибирует фосфатазу фруктозо-1,6-бисфосфата. АТФ ингибирует фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Т.о., при расходовании АТФ (растет концентрация АМФ) активируются гликолиз и синтез АТФ, глюконеогенез замедляется.