Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Регуляция обмена углеводов

Соотношение между процессами катаболизма и анаболизма глюкозы в клетках печени находится под контролем целого ряда факторов регуляции:

1. концентрация метаболитов и глюкозы;

2. воздействие гормонов.

Внутриклеточные регуляторы

Субстраты и промежуточные продукты метаболических реакций играют важную роль в регуляции соотношения между гликолизом и глюконеогенезом.

Рассмотрим, как регулируется само вступление остатков глюкозы на путь гликолиза. Вовлечение глюкозных остатков в процесс гликолиза обеспечивает важная реакция и эта реакция контролируется регуляторными ферментами. Реакция катализируется гексокиназой и активность этого фермента ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Когда концентрация глюкозо-6-фосфата в клетке сильно возрастает, т.е. когда он образуется быстрее, чем потребляется, наступает ингибирование - гексокиназа под действием глюкозо-6-фосфата выключается и дальнейшего фосфорилирования глюкозы не происходит до тех пор, пока избыток глюкозо-6-фосфата не будет использован.

гексокиназа

Глю Глю-6-ф

В печени преобладает другой фермент - глюкокиназа, который не ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Поэтому в печени, способной хранить большие количества гликогена, избыточная глюкоза крови может фосфорилироваться в глю-6-ф, которая через глю-1-ф превращается в гликоген.

Кроме гексокиназной реакции в гликолизе имеются еще два главных регулируемых этапа: это фосфофруктокиназная и пируваткиназная реакция.

В скелетных мышцах активность фосфофруктокиназы определяется концентрациями субстратов этого фермента (АТФ и фруктозо-6-фосфата) и его продуктов (АДФ и фруктозо-1,6-дифосфата), а также цитрат.

Главными отрицательными модуляторами фосфофруктокиназы являются АТФ и цитрат.

Главными положительными модуляторами являются АМФ и фруктозо-1,6-дф.

цитрат, АТФ (-)

фосфофруктокиназа

Фру-6 Фру-1,6 -фф

АМФ, Фруктозо-1,6 -фф (+)

Третьим регулирующим этапом гликолиза является пируваткиназная реакция.

 

пируваткиназа АТФ, Ацетил-КоА (-)

ФЕП ПИР

Активность пируваткиназы ингибируется АТФ и ацетил-КоА, а также жирными кислотами.

 

реакция/ фермент	ингибитор	активатор
гексокиназа
глю Глю-6-ф   фосфофруктокиназа фру-6-ф фру-1,6-дф   пируваткиназа ФЕП ПИР	глю-6-ф   АТФ, цитрат     АТФ, ацетил-КоА, жирные кислоты	фру-1,6-дф, АМФ

13?

Три стадии катаболизма углеводов обеспечивают получении энергии: гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование.

При уменьшении содержания АТФ, возрастает концентрация АДФ и Фн, это приводит к возрастанию скорости переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Одновременно повышается скорость окисления пирувата через цикл лимонной кислоты, т.е. усиливается приток электронов в дыхательную цепь. Это приводит к увеличению скорости гликолиза, тем самым обеспечивается образование пирувата. Затем наступает момент, когда отношение АТФ/АДФ + Фн возвращается к обычному высокому уровню. Теперь перенос электронов и окислительное фосфорилирование замедляется. Цикл лимонной кислоты замедляется, т.к. АТФ и цитрат являются ингибиторами фосфофруктокиназы и пируваткиназы.

Регуляция ЦТК

Скорость функционирования ЦТК зависит от потребности клеток в АТФ. Важной регуляторной реакцией синтеза является синтез цитрата из ацетил-КоА и оксалоацетата про действием цитратсинтазы. АТФ - аллостерический ингибитор цитратсинтазы. АТФ -

Ацетил-КоА + ЩУК цитрат

 

Вторая регуляторная реакция - это реакция катализируемая изоцитрат-дегидрогеназой. Фермент аллостерически активируется АДФ, НАДН ингибирует изоцитратдегидрогеназу.

изоцитратдегидрогеназа

2. Изоцитрат альфа-оксоглутарат

АДФ (+) НАДН (-)

 

 

Третьей регуляторной реакцией является реакция, катализируемая альфа-кетоглутаратдегидрогеназой

альфа-кетоглутаратдегидрогеназа

3. альфа-кетоглутарат Сукцинил-КоА

оксоглутарат (-)

Сукцинил-КоА

НАДН

 

Пируват

АТФ активирует Ингибируется АТФ, ацетил-КоА, АДФ

Ацетил-КоА

 

 

ЩУК цитрат

АТФ ингибирует

 

Малат

Изоцитрат

фумарат ингибирется НАДН стимул.АДФ

Альфа-кетоглутарат

сукцинат

ингибируется

сукцинил-КоА,НАДН

Сукцинил-КоА

Механизм действия инсулина

Повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы, способствуя переходу ее из крови в ткани.

Задерживает глюкозу в клетках, активируя гексокиназу (гексокиназная ловушка).

Усиливает распад глюкозы в мышцах путем индукции синтеза регуляторных ферментов гликолиза - гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируватсинтазы.

В печни активирует гликогенсинтетазу, усиливает синтез гликогена.

Подавляет синтез ферментов глюконеогенезеза, препятствует избыточному катаболизму жиров и белков и переходу их в углеводы.

Инсулин регулирует активность ферментов на генетическом уровне - является индуктором синтеза ферментов гликолиза и репрессором синтеза ферментов глюконеогенеза.

6. Инсулин активирует дегидрогеназы пентофосфатного пути.

Патология обмена углеводов

Нарушения обмена глюкозы проявляются в виде гипергликемии, глюкозурии и гипогликемии глюкозы с сопутствующими нарушениями энергетического обмена при гипоксических состояниях.

Гипергликемия характеризуется повышением уровня глюкозы свыше 6 ммоль/л. Различают физиологические и патологические гипергликемии. К физиологическим гипергликемиям относятся алиментарные, возникающие при одномоментном приеме больших количеств углеводов, и нейрогенные, например, при стрессовых ситуациях в результате выброса в кровь адреналина. Физиологические гипергликемии носят транзиторный характе и быстро проходят.

Патологические гипергликемии обусловлены нарушением оптимального соотношения между секрецией гормнов гипо- и гипергикемического действия. Наиболее распостраненная причина патологической гипергликемии - сахарный диабет, связанный с недостатком секреции инсулина поджелудочной железой. Кроме сахарного диабета гипергликемия сопутствует заболеваниям гипофиза, сопровождающимся повышенной секрецией соматотропного гормона и АКТГ (акромегалия, опухоли гипофиза), опухолям мозгового слоя надпочечников, при которых усилено образование катехоламинов и коркового слоя надпочечников с усиленной продукцией глюкокортикоидов, гиперфункции щитовидной железы, некоторым болезням печени (инфекционный гепатит, цирроз печени).

Сахарный диабет - связан с недостаточностью инсулина, вырабатываемого бетта-клетками поджелудочной железы. Развитию сахарного диабета способствует избыточное потребление углеводов и жиров, малоподвижный образ жизни, стрессовые ситуации.

В основе сахарного диабета лежат следующие молекулярные дефекты:

Нарушение превращения проинсулина в инсулин в результате мутаций, затрагивающих аминокислотные остатки в участке соединения А-цепи (или В-цепи) с С-пептидом в проинсулине. У таких больных в крови высокое содержание проинсулина, лишенного гормональной активности.

Нарушение молекулярной структуры инсулина. Замена фен на лей сопровождается снижением гормональной активности в 10 раз.

Дефект рецепторов инсулина. У ряда больных секретируется нормальный инсулин, но нарушено его связывание с клетками-мишенями в результате дефекта рецепторов инсулина в плазматических мембранах.

Нарушение сопряжения рецепторов инсулина. У ряда больных секретируется нормальный инсулин, клетки-мишени содержат обычное количество рецепторов, но отсутствует сопряжение между инсулин-рецепторным комплексом и следующим компонентом в цепи передачи гормонального сигнала.

Важнейшими биохимическими признаками сахарного диабета являются:

Гипергликемия. В результате недостатка инсулина нарушается проникновение глюкозы в ткани и глюкоза накапливается в крови. В ответ на дефицит глюкозы в клетках печени усиливается распад гликогена и выход свободной глюкозы в кровь, что усугубляет гипергликемию. Возникает возможность развития гипергликемической комы.

Глюкозурия и полиурия. Когда содержание глюкозы в крови превышает способность почечных канальцев к реабсорбции глюкозы, она выделяется с мочой. Вместе с глюкозой выделяется много воды и больной испытывает голод и жажду.

Кетонемия и кетоурия. Вследствие дефицита глюкозы в тканях, клетки начинают использовать в качестве энергии жиры. При бетта-окислении жирных кислот образуется ацетил-КоА, который не сгорает в ЦТК полностью и из него синтезируются кетоновые тела: ацетоуксусная, бетта-оксимасляная кислоты и ацетон. Увеличение концентрации кетоновых тел в крови - кетонемия и выведение кетоновых тел с мочой - кетонурия.

Нарушение кислотно-щелочного равновесия с развитием кетоацидоза. Кетоновые тела сдвигают рН крови и тканевой жидкости в кислую сторону. Вначале буферные системы компенсируют сдвиги рН - компенсированный ацидоз. При тяжелых состояниях может возникнуть некомпенсированный ацидоз.

Метод сахарной нагрузки

У больных берут кровь натощак, затем дают выпить сироп, содержащий 50 г глюкозы в 200-250 мл воды. Далее через 30, 60, 120 и 150 минут берут кровь и проводят определение глюкозы. У здорового человека (1) исходное содержание сахара в крови нормальное (<5 ммоль/л). После приема глюкозы в течении часа содержание глюкозы в крови возрастает. В ответ на гипергликемию усиливается секреция инсулина, глюкоза переходит в ткани и ее содержание через 3 часа снижается до нормы и даже ниже.

У больного скрытым сахарным диабетом (2) содержание глюкозы на верхней границе нормы (5,7 ммоль/л). После нагрузки подъем сахара в крови более выражен и к 3 часу не достигает нормы из-за недостатка инсулина.

У больного явным сахарным диабетом (3) натощак определяется гипергликемия (9 ммоль/л). К первому часу уровень глюкозы достигает 15 ммоль/ л и к 3 часу снижение незначительное, вследствии инсулиновой недостаточности.

 

15

(3)

 

9 (2)

 

 

5 (1)

30 60 120 180

Клинические симптомы: повышенный аппетит, чувство жажды, полиурия. Поздние симптомы: мышечная слабость, судорги при физических нагрузках, полиневриты - так как нарушается использование глюкозы нервными клетками.

Гемолитические анемии

Гликолиз в эритроцитах и транспорт кислорода связаны участием в обоих процессах 2,3 - дифосфоглицерата. 2,3 - дифосфоглицерат снижает сродство гемоглобина к кислороду и облегчает освобождение кислорода в тканях.

При дефекте гексокиназы снижается концентрация промежуточных продуктов гликолиза, в том числе снижается концентрация 2,3 - дифосфоглицерата. В таких эритроцитах гемоглобин обладает очень высоким сродством с кислородом. Наступает гемолиз эритроцитов, гемоглобин плохо отдает кислород.

При дефекте пируваткиназы нарушается энергетический обмен и мембрана не получает энергию необходимую для ионного обмена наряду с этим образуется избыток 2,3 - дифосфоглицерата и связь гемоглобина с кислородом становится слабой, сродство гемоглобина к кислороду становится низким.

 

ГЛЮ Глю-6-ф Фру- 6-ф Фру-1,6-дф 3ДФА

 

 

1,3-ДГФК 3 ФГК

 

2,3 - ДГФК 2 - ФГК

 

ФЕП

 

ПИР

 

ЛАК

 

Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы - причина лекарственной гемолитической анемии.

У ряда больных малярией применение противомалярийного препарата сопровождается гемолитической анемией. Через 30 лет после начала применения препарата была выяснена причина анемии. Было установлено, что возникновение анемии связано с недостаточностью глюкозо-6- фосфатдегидрогеназы в эритроцитах. В результате недостаточности фермента нарушается образование НАДФН в пентозофосфатном пути. Главная роль НАДФН в эритроцитах состоит в восстановлении дисульфидной формы глутатиона в сульфидную форму.

 

Глу -S - S - Глу +НАДФН + Н⁺ Глу - SH + НАДФ⁺

 

Восстановленная форма глутатиона обеспечивает обезвреживание перекиси и органических перекисей.

 

2 Г-SH + R-O-OH Г-S-S-Г + H₂O + ROH

 

Клетки со сниженным содержанием восстановленного глутатиона обладают повышенной чувствительностью к гемолизу. Возможно, что в отсутствии восстановленого глутатиона памахин и ряд других лекарственных препаратов, вызывают изменение поверхности мембраны эритроцитов за счет образования токсических перекисей.

Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах, по-видимому, обуславливает устойчивость к тропической малярии, т.к. для роста возбудителя необходимо нормально функционирующий пентозный путь и восстановленный глутатион. Дефект фермента распостранен в тех странах, где распостранена малярия. Такая наследуемая недостаточность фермента может быть относительно безвредной, до тех пор пока не вводятся определенные лекарства.

Регуляция обмена углеводов

Соотношение между процессами катаболизма и анаболизма глюкозы в клетках печени находится под контролем целого ряда факторов регуляции:

1. концентрация метаболитов и глюкозы;

2. воздействие гормонов.

Внутриклеточные регуляторы

Субстраты и промежуточные продукты метаболических реакций играют важную роль в регуляции соотношения между гликолизом и глюконеогенезом.

Рассмотрим, как регулируется само вступление остатков глюкозы на путь гликолиза. Вовлечение глюкозных остатков в процесс гликолиза обеспечивает важная реакция и эта реакция контролируется регуляторными ферментами. Реакция катализируется гексокиназой и активность этого фермента ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Когда концентрация глюкозо-6-фосфата в клетке сильно возрастает, т.е. когда он образуется быстрее, чем потребляется, наступает ингибирование - гексокиназа под действием глюкозо-6-фосфата выключается и дальнейшего фосфорилирования глюкозы не происходит до тех пор, пока избыток глюкозо-6-фосфата не будет использован.

гексокиназа

Глю Глю-6-ф

В печени преобладает другой фермент - глюкокиназа, который не ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Поэтому в печени, способной хранить большие количества гликогена, избыточная глюкоза крови может фосфорилироваться в глю-6-ф, которая через глю-1-ф превращается в гликоген.

Кроме гексокиназной реакции в гликолизе имеются еще два главных регулируемых этапа: это фосфофруктокиназная и пируваткиназная реакция.

В скелетных мышцах активность фосфофруктокиназы определяется концентрациями субстратов этого фермента (АТФ и фруктозо-6-фосфата) и его продуктов (АДФ и фруктозо-1,6-дифосфата), а также цитрат.

Главными отрицательными модуляторами фосфофруктокиназы являются АТФ и цитрат.

Главными положительными модуляторами являются АМФ и фруктозо-1,6-дф.

цитрат, АТФ (-)

фосфофруктокиназа

Фру-6 Фру-1,6 -фф

АМФ, Фруктозо-1,6 -фф (+)

Третьим регулирующим этапом гликолиза является пируваткиназная реакция.

 

пируваткиназа АТФ, Ацетил-КоА (-)

ФЕП ПИР

Активность пируваткиназы ингибируется АТФ и ацетил-КоА, а также жирными кислотами.

 

реакция/ фермент	ингибитор	активатор
гексокиназа
глю Глю-6-ф   фосфофруктокиназа фру-6-ф фру-1,6-дф   пируваткиназа ФЕП ПИР	глю-6-ф   АТФ, цитрат     АТФ, ацетил-КоА, жирные кислоты	фру-1,6-дф, АМФ

13?

Три стадии катаболизма углеводов обеспечивают получении энергии: гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование.

При уменьшении содержания АТФ, возрастает концентрация АДФ и Фн, это приводит к возрастанию скорости переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Одновременно повышается скорость окисления пирувата через цикл лимонной кислоты, т.е. усиливается приток электронов в дыхательную цепь. Это приводит к увеличению скорости гликолиза, тем самым обеспечивается образование пирувата. Затем наступает момент, когда отношение АТФ/АДФ + Фн возвращается к обычному высокому уровню. Теперь перенос электронов и окислительное фосфорилирование замедляется. Цикл лимонной кислоты замедляется, т.к. АТФ и цитрат являются ингибиторами фосфофруктокиназы и пируваткиназы.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

Превращение пирувата в ацетил-КоА происходит при участвии пируватдегидрогеназного комплекса, содержащего 5 коферментов: НАД, ФАД, РSКоА, ТДФ, липоевую кислоту. В основе процесса лежит реакция окислительного декарбоксилирования.

Образование ацетил-КоА из пирувата - это ключевой необратимый этап метаболизма, потому что животные неспособны к превращению ацетил-КоА в глюкозу.

Окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-КоА создает возможность превращения атомов глюкозы по 2 путям:

окисление до СО₂ в ЦТК с одновременным регенерированием энергии;

включение в липиды.

Это позволяет считать, что активность пируватдегидрогеназного комплекса должна строго регулироваться.

Активность ПДК (пируватдегидрогеназного комплекса) регулируется 3 путями:

Ингибирование продуктами реакции. Ацетил-КоА и НАДФ ингибируют превращение:

НАД (-)

Пир Ацетил-КоА

(-)

НАДН

Регуляция нуклеотидами по принципу обратной связи. Пируватдегидрогеназный комплекс ингибируется ГТФ и активируется АМФ. Активность комплекса снижается, когда клетка богата легкодоступной энергией.

Регуляция путем ковалентной модификации. Комплекс теряет ферментативную активность, когда специфический остаток серина пируватдегидрогеназного комплекса фосфорилируется АТФ. Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях АТФ/АДФ, ацетил-КоА/СоА, НАДН/НАД+ и ингибируется пируватом.

Регуляция ЦТК

Скорость функционирования ЦТК зависит от потребности клеток в АТФ. Важной регуляторной реакцией синтеза является синтез цитрата из ацетил-КоА и оксалоацетата про действием цитратсинтазы. АТФ - аллостерический ингибитор цитратсинтазы. АТФ -

Ацетил-КоА + ЩУК цитрат

 

Вторая регуляторная реакция - это реакция катализируемая изоцитрат-дегидрогеназой. Фермент аллостерически активируется АДФ, НАДН ингибирует изоцитратдегидрогеназу.

изоцитратдегидрогеназа

2. Изоцитрат альфа-оксоглутарат

АДФ (+) НАДН (-)

 

 

Третьей регуляторной реакцией является реакция, катализируемая альфа-кетоглутаратдегидрогеназой

альфа-кетоглутаратдегидрогеназа

3. альфа-кетоглутарат Сукцинил-КоА

оксоглутарат (-)

Сукцинил-КоА

НАДН

 

Пируват

АТФ активирует Ингибируется АТФ, ацетил-КоА, АДФ

Ацетил-КоА

 

 

ЩУК цитрат

АТФ ингибирует

 

Малат

Изоцитрат

фумарат ингибирется НАДН стимул.АДФ

Альфа-кетоглутарат

сукцинат

ингибируется

сукцинил-КоА,НАДН

Сукцинил-КоА