этот период затягивается, гликоген кончается и печень включает глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных компонентов (в основном из аминокислот), чтобы организму хоть как-то хватало, но этого мало, поэтому в организме запускается мобилизация нейтральных жиров, поэтому ткани начинают питаться не только глюкозой, но и жирными кислотами (бета-окисление жирных кислот даёт ацетил-КоА), а печень ещё и кетоновые тела синтезирует из жирных кислот, чтобы кормить ткани ими, и всё это, чтобы снизить потребность тканей в глюкозе, чтоб её хоть как-то хватало и её концентрация сильно не падала. Процессы образования глюкозы и её замещения включаются большим числом гормонов – в первую очередь глюкагоном и адреналином, во вторую очередь кортизолом и соматотропином. Вот так и происходит поддержание гомеостаза глюкозы.
А полный метаболизм глюкозы приведёт на схеме – он показывает, что глюкоза – узловой метаболит углеводного обмена.
Теперь обсудим некоторые клинические аспекты.
Нарушение переваривания и всасывания углеводов приводит к тому,
что они попадают в толстый кишечник, осмотически притягивают туда воду, вызывая диарею, там они расщепляются бактериями на продукты,
141
вызывающие болезненные спазмы и газообразование. Примерами таких заболеваний является наследственная недостаточность сахаразоизомальтазного комплекса (не расщепляется сахароза и изомальтоза, они попадают в кишечник и вызывают то, что я описал), наследственный дефицит лактазы (точнее бетта-гликозидазного комплекса, который должен расщеплять лактозу) – можно сесть на диету, но лучше вести заместительную энзимотерапию (глотать ферменты). Однако существуют ещё непереносимость фруктозы и галактоземия, которые возникают в том случае, если нарушается путь включения в гликолиз этих моносахаридов по причине энзимопатии.
Существуют также группы заболеваний, связанных с обменом гликогена. Если при поломке каких-либо ферментов гликоген в печени не может распадаться до глюкозы, начинается гликогеноз, их 10 типов, самый популярный – первый – обусловлен поломкой глюкозо-6-фосфатазы. Чем характеризуется данная болезнь? Увеличением и нарушением функций печени и скелетных мышц, так как те переполняются гликогеном, помимо этого страдает вместе с мышцами вся опорно-двигательная система, вдобавок в абсорбтивный период наблюдается гипергликемия, ибо печени просто некуда запасать углеводы почти, а в постабсорбтивный период гипогликемия, ибо печень не отдаёт глюкозу. При данных заболеваниях нужно регулярное питание малыми порциями.
Существует ещё агликогеноз (гликогеноз нулевого типа), при котором сломана гликогенсинтетаза, поэтому гликоген не синтезируется, следовательно симптоматика почти та же, только без увеличения органов – гипергликемия в абсорбтивный период, ибо недоступен путь утилизации глюкозы, гипогликемия в постабсорбтивный период, ибо печени почти нечего отдавать в кровь (включается глюконеогенез, но этого мало), да и мышцы страдают, потому что не могут запастись гликогеном для нормальной работы, а значит, и вся опорно-двигательная система будет страдать. Заметьте, что при гликогенозе 1-го типа не работает глюкозо-6-фосфатаза, которая нужно не только при мобилизации гликогена, но и при глюконеогенезе, поэтому печень вообще никакими способами не отдаёт глюкозу.
Теперь катаболизм глюкозы. Существует два пути:
•гликолиз и
•пентозо-фосфатный путь.
Сначала мы разберём основной путь, т.е. гликолиз, который протекает во всех тканях в цитоплазме клеток, его основная задача – энергоснабжение клетки, хотя также он может быть источником пирувата, последующие превращения которого позволят синтезировать липиды и аминокислоты.
142
Существует два вида гликолиза: аэробный (в тканях, обеспеченных кислородом) и анаэробный (скелетные мышцы, бедные кислородом) – при первом происходит 10 реакций, а конечный продукт – пируват, при втором происходит 11 реакций, а конечный продукт – лактат.
Все реакции и формулы необходимо запомнить, однако это сложно, поэтому постарайтесь запомнить последовательность и логику превращений. Глюкоза попадает в клетку и тут же фосфорилируется глюкокиназой с затратой АТФ (это происходит с глюкозой всегда, куда бы она дальше не собиралась, будь то гликолиз, пентозо-фосфатный путь или синтез гликогена), продукт реакции – глюкозо-6-фосфат. На глюкозо-6-фосфат действует фосфоглюкоизомераза, превращая его во фруктозо-6-фосфат. Важное замечание: изомеразы меняют структуру основной органической молекулы (глюкоза может стать фруктозой, а кетон – альдегидом), а мутазы
143
(трансферазы) не меняют структуру основной органической молекулы, но меняют положение на ней какой-либо группировки (переставляют ортофосфат с места на место). Далее на фруктозо-6-фосфат действует фосфофруктокиназа, которая тратит АТФ и добавляет фруктозо-6-фосфату ещё один ортофосфат в 1-е положение – получается фруктозо-1,6-бисфосфат. На него действует альдолаза, которая разрывает молекулу так, чтобы образовались две фосфотриозы (фосфаты трёхуглеродных углеводов), а именно 3-фосфоглицеральдегид и диоксиацетонфосфат ДАФ, однако дальнейшие реакции предназначены только для альдегида, поэтому фермент фосфотриозоизомераза меняет местами гидроксильную и карбонильную группы у ДАФ, превращая его в 3-фосфоглицеральдегид. Итак,
у нас два 3-фосфоглицеральдегида поступят в дальнейшие реакции, так что в дальнейшем при расчётах все продукты надо будет умножать на 2. Вот эти 5 реакций, которые мы обсудили, относятся к подготовительному этапу гликолиза, на котором мы потратили 2 АТФ на одну молекулу глюкозы. Далее следуют реакции окислительного этапа. Первым делом 3- фосфоглицеральдегид и ортофосфорная кислота встречаются вместе, на них действует 3-фосфоглицеральдегиддегидрогеназа, что она делает? У ортофосфорной кислоты есть гидроксильная группа, от неё отщепляется водород с помощью НАД, а от 3-фосфоглицеральдегида отщепляется водород в альдегидной группе тоже с помощью НАД, остатки молекул соединяются, образуя 1,3-бисфосфоглицерат (глицерат, а не глицеральдегид, ибо уже появилась карбоксильная группа, вместо альдегидной) и НАДН2. Обратите внимание, что в данной молекуле образовалась макроэргическая связь, которая делает возможным субстратное фосфорилирование. На 1,3- бисфосфоглицерат действует 3-фосфоглицераткиназа, которая перемещает ортофосфат из первого положения на АДФ, получается 3-фосфоглицерат и АТФ. Откуда такое название фермента? Если вы прочитаете реакцию в обратную сторону, то фермент можно будет считать киназой (фермент, катализирующий реакции фосфорилирования), поэтому его так и называют: субстрат + киназа (субстрат в смысле субстрат киназной реакции), вот поэтому фермент назван как бы наоборот. Идём дальше. Для дальнейших реакций в 3-фосфоглицерате нам надо переместить ортофосфат во 2-е положение (чтобы в будущем получился пируват, а не альдегидокислота) – это делает фосфотриозомутаза. Дальше на 2-фосфоглицерат действует енолаза, которая отщепляет воду необычным способом, образуя фосфоенолпируват, в котором кстати есть макроэргическая связь – материал для субстратного фосфорилирования. Дальше как раз идёт реакция субстратного фосфорилирования – пируваткиназа (принцип названия фермента, как у седьмого фермента гликолиза) переносит ортофосфат с фосфоенолпирувата на АДФ, превращая его в АТФ, фосфоенолпируват превращается в пируват (на самом деле там сначала образуется
144
енолпируват, т.е. гидроксильная группа при двойной связи между углеродами, но такое соединение нестабильно, поэтому водород от гидроксигруппы уходит третьему углероду, а между вторым углеродом и кислородом образуется двойная связь – получаем пируват). Вот на этом аэробный гликолиз заканчивается. Каковы его итоги? 1 молекула глюкозы дала 2 молекулы пирувата, 2 молекулы НАДН2 (6-я реакция, вступали две фосфотриозы) и 2 АТФ (2 АТФ потратили в подготовительном этапе, 4 АТФ получили в окислительном этапе за счёт 2-х реакций субстратного фосфорилирования (7-я и 10-я) для двух фосфотриоз). 2 НАДН2 в ЦПЭ дадут 6 АТФ, поэтому аэробный гликолиз даст нам 10 АТФ на одну молекулу глюкозы. А что с анаэробным гликолизом? Он имеет дополнительную 11-юю реакцию, катализируемую лактатдегидрогеназой – из пирувата получается лактат путём присоединения двух водородов. Зачем эта реакция? Дело в том, что анаэробный гликолиз протекает в условиях отсутствия кислорода, а это значит, что ЦПЭ не работает, поэтому НАДН2 не превращается в НАД, но в 6-й реакции гликолиза НАД превращается в НАДН2 – такими темпами НАД просто закончится, полностью превратившись в НАДН2, и 6-я реакция перестанет протекать – гликолиз остановится. Чтобы такого не происходило, была создана 11-я реакция и явление гликолитической оксидоредукции, представляющее собой сопряжение 6-й и 11-й реакции.
Пируват превращается в лактат, затрачивая НАДН2, и обеспечивая 6-ю реакцию НАД, поэтому гликолиз может обходиться без ЦПЭ и кислорода. Энергетический выход анаэробного гликолиза существенно ниже, чем аэробного – 2 АТФ тратится в подготовительном этапе, 4 АТФ получаем субстратным фосфорилированием, НАДН2 АТФ не приносит, поэтому в итоге всего 2 АТФ с одной молекулы глюкозы. Кто-то может сказать, что гликолитическая оксидоредукция лишает нас пирувата, который можно было бы пустить в ПДК, получить ацетил-КоА для ЦТК, но мы говорим об анаэробных условиях – кислорода нет, а без него не работает ЦПЭ, а без неё не работают ПДК и ЦТК, следовательно и пируват нам не нужен – можно и нужно его превращать в лактат. Анаэробный гликолиз протекает в скелетных
145
мышцах, ибо они получают недостаточно кислорода, но на самом деле именно там по большей части протекает не анаэробный гликолиз, а гликогенолиз. Что из себя представляет гликогенолиз? Гликоген распадается до глюкозо-6-фосфата (без затрат АТФ), а тот поступает в гликолиз, а реакция фосфорилирования глюкозы при этом не требуется, т.е. в подготовительном этапе тратится не 2, а 1 АТФ, поэтому гликогенолиз на одну условную молекулу глюкозы (хотя сама глюкоза там не участвует – участвуют её производные) мы получаем 3 АТФ. Вот это, пожалуйста, хорошо запомните.
Теперь небольшое замечание по лактатдегидрогеназе ЛДГ. Это фермент тетрамер, имеющий 5 изоформ. 4-я и 5-я характерны для мышц, они превращают пируват в лактат, ибо там идёт анаэробный гликолиз/гликогенолиз. Но вот в сердце и многих других тканях 1-я и 2-я изоформы катализируют эту же реакцию, но в другую сторону, т.е. лактат, откуда бы он не взялся, превращают в пируват, который отправляется в общий конечный путь катаболизма, ибо в этих тканях кислорода хватает и гликолиз там аэробный. Вот эту тонкость запомните. Печень превращает лактат в пируват и пускает его в глюконеогенез, сердце и ммозг превращают лактат в пируват и пускают его в общий конечный путь катаболизма (ПДК, ЦТК, ЦПЭ).
Ещё я ни раз говорил о субстратном фосфорилировании в гликолизе, это 7-я и 10-я реакции.
Как я и говорил ранее, субстратное фосфорилирование – синтез нуклеозидтрифосфата из нуклеозиддифосфата и ортофосфата с использованием энергии связи субстрата. Однако в данном случае мы синтезируем АТФ не из АДФ и ортофосфата, а только из АДФ, сам же ортофосфат содержится уже в субстрате, но суть та же – АТФ синтезируется за счёт энергии макроэргической связи в субстрате.
Теперь обсудим полное окисление глюкозы, после аэробного гликолиза пируват может поступить в ПДК, затем ЦТК для ацетила-КоА, ЦПЭ для протонов. Снизу приведена схема полного распада глюкозы.
146
Глюкоза в аэробном гликолизе распадается на два пирувата, даёт 2 АТФ и 2 НАДН2. 2 пирувата в ПДК дают 2 ацетила-КоА и 2 НАДН2. 2 ацетилаКоА в ЦТК дают 6 НАДН2, 2 ФАДН2 и 2 ГТФ (=2 АТФ). 10 НАДН2 дадут в ЦПЭ 30 АТФ, 2 ФАДН2 дадут в ЦПЭ 4 АТФ, не забываем про 4 АТФ от субстратного фосфорилирования из гликолиза и ЦТК, получается 38 АТФ. Обратите также внимание, что от глюкозы остаётся только углекислый газ и вода, что подтверждает, что распад полный.
Итак, по энергетике запомните очень хорошо следующее: аэробный гликолиз – 10 АТФ; анаэробный гликолиз – 2 АТФ; гликогенолиз (анаэробный обычно) – 3 АТФ; полный распад глюкозы – 38 АТФ.
Теперь перейдём к такому важному вопросу, как регуляция гликолиза. Если вы обратили внимание, из всех 10/11-ти реакций все обратимы, кроме 1-й, 3-й и 10-й, их катализируют ферменты, подающиеся регуляции. Глюкокиназа аллостерически активируется АДФ, ингибируется АТФ и продуктом реакции (глюкозо-6-фосфат, ретроингибирование), помимо этого, активация инсулином. Фосфофруктокиназа вообще является ключевым ферментом, ибо катализирует самую медленную реакцию, аллостерически активируется НАД, АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфатом (не путайте с фруктозо- 1,6-бисфосфатом, 2,6-версия является не метаболитом, а специальным аллостерическим эффектором, причём самым мощным), ингибируется НАДН2, АТФ, цитратом. Пируваткиназа аллостерически активируется НАД, АМФ, ингибируется НАДН2, АТФ, помимо этого, инсулин активириует, глюкагон ингибирует. Как вы заметили, у гликолиза есть гормональная регуляция – инсулин активирует, глюкагон ингибирует. Однако эти гормоны действуют на гликолиз, а заодно и на глюконеогенез, несколько необычно. Существует так называемый бифункциональный фермент БИФ, который,
147
будучи дефосфорилированным (за это отвечает фосфопротеинфосфатаза, включаемая инсулином) превращает фруктозо-6-фосфат во фруктозо-2,6- бисфосфат, а вот фосфорилированный (спасибо протеинкиназе, включаемой глюкагоном) БИФ катализирует обратную реакцию, уничтожает фруктозо-2,6-
бисфосфат. Фруктозо-2,6-бисфосфат аллостерически активирует фосфофруктокиназу (ключевой фермент гликолиза), существенно ускоряя весь гликолиз, вместе с этим фруктозо-2,6-бисфосфат аллостерически ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу (ключевой фермент глюконеогенеза), существенно замедляя этим весь глюконеогенез – рецепрокная регуляция (два противоположенных процесса не должны протекать одновременно). Дополнительным общим фактором регуляции только аэробного гликолиза является парциальное давление кислорода, ибо от кислорода зависит ЦПЭ, а от ЦПЭ (через НАД) зависит аэробный гликолиз, так как он лишён гликолитической оксидорудукции на случаи нехватки кислорода.
Пару слов о значении гликолиза и гликогенолиза. Глюкоза является основным источником энергии для клеток, а гликолиз – это процесс, по разложению глюкозы, поэтому для всех тканей гликолиз – источник получения энергии и важное звено катаболизма, хотя также гликолиз даёт пируват, а тот ацетил-КоА для ЦТК – материал для синтеза аминокислот и липидов. Гликогенолиз же – основной путь получения энергии скелетными мышцами, в отличии от анаэробного гликолиза, он даёт не 2, а 3 АТФ с одной условной молекулы глюкозы.
Ещё замечания касательно того, что происходит с фруктозой и галактозой в нашем организме. Фруктоза попадает в клетки, там фосфорилируется фруктокиназой по 1-му положению, на образовавшийся фруктозо-1-фосфат действует альдолаза-Б (альдолаза-А действует на фруктозо-1,6-бисфосфат), которая разрезает его на диоксиацетонфосфат ДАФ
и глицеральдегид, последний фосфорилируется одноимённой киназой, получается 3-фосфоглицеральдегид. ДАФ и 3-фосфоглицеральдегид могут вступить в гликолиз или глюконеогенез (так фруктоза превращается в глюкозу). Бывает такое, что альдолаза-Б сломана, тогда в клетке накапливается фруктозо-1-фосфат, который является обратимым конкурентным ингибитором фосфоглюкомутазы (фермент, используемый в синтезе и распаде гликогена), что вызывает некоторые симптомы гликогенозов (нарушение обмена гликогена). Данная болезнь называется непереносимостью фруктозы – энзимопатия. Превращения фруктозы представлены на рисунке ниже.
148
Метаболизм галактозы
Теперь разберёмся с превращениями галактозы.
Галактоза, как и фруктоза, попадая в клетку, фосфорилируется по 1-му положению – получается галактозо-1-фосфат. Фермент галактозо-1- фосфатуридилтрансфераза берёт УДФ-глюкозу и галактозо-1-фосфат, меняет сахара местами – получается глюкозо-1-фосфат (может превратиться в глюкозо-6-фосфат фосфоглюкомутазой, а потом превратиться в глюкозу или использоваться для синтеза гликогена, гликолиза, пентозо-фосфатного пути),
а вот УДФ-галактоза с помощью эпимеразы (переворачивает гидроксильную группу 4-го углерода, превращая галактозу в глюкозу) превратится в УДФглюкозу. Так галактоза превращается в глюкозу. Если какой-то из приведённых ферментов ломается, галактоза никак не используется и накапливается в крови – галактоземия.
Пентозо-фосфатный путь ПФП
Теперь можем разобрать второй путь катаболизма глюкозы – пентозофосфатный путь. Пентозофосфатный путь – альтернативный путь катаболизма глюкозы с прямым её окислением и параллельным синтезом пентоз. Это определение отражает практически всю суть пентозофосфатного пути ПФП, разберём определение по частям. ПФП является альтернативным
149
путём катаболизма, потому что по большей части используется гликолиз, но, если глюкозы в клетку поступает много, накапливается глюкозо-6-фосфат, тогда тот отправляется в ПФП, чтобы куда-то деться. Почему ПФП это прямое окисление? А потому, что в нём выделяется углекислый газ из состава углевода, а это конечный продукт метаболизма. Как и в гликолизе, в ПФП существует окислительный и неокислительный этап, но, в отличии от гликолиза, окислительный этап идёт первым.
На глюкозо-6-фосфат действует глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа, с помощью НАДФ она отщепляет два водорода от 1-го углерода и гликозидного гидроксила, образуется такая необычная молекула, как 6- фосфоглюконолактон, на который затем действует одноимённая гидратаза – она встраивает воду, осуществляя гидролиз – получается 6-фосфоглюконат, а на него действует одноимённая дегидрогеназа, которая отщепляет углекислый газ из карбоксильной группировки, а ещё с помощью НАДФ отщепляет водород от 3-го углерода и его гидроксильной группы – на выходе получается рибулозо-5-фосфат. Вот эти три реакции представляют собой окислительный этап. Дальше следует неокислительный этап, позволяющий получить нам самые разнообразные углеводы. Из рибулозо-5-фосфата изомеразой можно получить рибозо-5-фосфат (поменять местами карбонильную и гидроксильную группы), также из рибулозо-5-фосфата можно получить ксилулозо-5-фосфат эпимеразой (переворачивает
150