Как вещества включаются в глюконеогенез? Синтез глюкозы из аминокислот Глюконеогенез из глутаминовой кислоты

Из крови в клетки тканей глюкоза поступает по механизму облегчённой диффузии с участием белков-переносчиков. Исключение составляют клетки мышц и жировой ткани, где облегчённая диффузия регулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как она не содержит белки-переносчики (транспортёры) глюкозы.

Глюкозные транспортёры (ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях.

Типы ГЛЮТ	Локализация в органах
	Преимущественно в мозге, плаценте, почках, толстом кишечнике
	Преимущественно в печени, почках, β-клетках островков Лангерханса, энтероцитах
	Во многих тканях, включая мозг, плаценту, почки
	В мышцах (скелетной, сердечной), жировой ткани
(инсулинзависимый)	Содержится в отсутствие инсулина почти полностью в цитоплазме
	В тонком кишечнике. Возможно, является переносчиком фруктозы.

Описанные 5 типов ГЛЮТ имеют сходные первичную структуру и доменную организацию.

ГЛЮТ-1 обеспечивает стабильный поток глюкозы в мозг;

ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов и печени. ГЛЮТ-2 участвует в транспорте глюкозы в β-клетки поджелудочной железы;

ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной и других тканей;

ГЛЮТ-4 - главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;

ГЛЮТ-5 встречается, главным образом, в клетках тонкого кишечника. Его функции известны недостаточно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в мембранных везикулах в цитоплазме. Однако только ГЛЮТ-4, локализованный в везикулах цитоплазмы, встраивается в плазматическую мембрану клеток мышечной и жировой ткани при участии гормона поджелудочной железы инсулина. В связи с тем, что поступление глюкозы в мышцы и жировую ткань зависит от инсулина, эти ткани называются инсулинзависимыми.

Влияние инсулина на перемещение транспортёров глюкозы из цитоплазмы в плазматическую мембрану.

1 - связывание инсулина с рецептором; 2 - участок инсулинового рецептора, обращённый внутрь клетки, стимулирует перемещение транспортёров глюкозы; 3, 4 - транспортёры в составе содержащих их везикул перемещаются к плазматической мембране клетки, включаются в её состав и переносят глюкозу в клетку.

Известны различные нарушения в работе транспортёров глюкозы. Наследственный дефект этих белков может лежать в основе инсулинонезависимого сахарного диабета. Нарушения функции ГЛЮТ-4 возможны на следующих этапах:

передача сигнала инсулина о перемещении этого транспортёра к мембране;

перемещение транспортёра в цитоплазме;

включение в состав мембраны;

отшнуровывание от мембраны и т.д.

Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата , пирувата , глицерола , кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот . Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них (глюкогенных) полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых (смешанных) частично.

Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку лактата , постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе, и глицерола , являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.

Как известно, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). В этих реакциях происходит высвобождение энергии для синтеза АТФ. Поэтому в обратном процессе возникают энергетические барьеры , которые клетка обходит с помощью дополнительных реакций.

Глюконеогенез включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути , т.е. он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках . Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.

На этом этапе глюконеогенеза работают два ключевых фермента – в митохондриях пируваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа, при этом в реакциях тратятся два макроэрга - АТФ и ГТФ.

В химическом плане обходной путь десятой реакции выглядит достаточно просто:

Упрощенный вариант написания обхода десятой реакции гликолиза

Однако дело в том, что пируваткарбоксилаза находится в митохондрии, а – в цитозоле. Дополняет проблему непроницаемость митохондриальной мембраны для оксалоацетата . Зато через мембрану может пройти малат , предшественник оксалоацетата по ЦТК.

Поэтому в реальности все выглядит более сложно:

1. В цитозоле пировиноградная кислота может появиться при окислении молочной кислоты и в реакции трансаминирования аланина . После этого пируват симпортом с ионами Н + , движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат .

Пируваткарбоксилазная реакция идет в клетке постоянно, так как оксалоацетат является главным регулятором скорости ЦТК. Реакция называется анаплеротической (пополняющей) реакцией ЦТК.

2. Далее оксалоацетат мог бы превратиться в фосфоенолпируват, но для этого сначала он должен попасть в цитозоль. Поэтому происходит реакция восстановления оксалоацетата в малат при участии малатдегидрогеназы . В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.

Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисления жирных кислот , активируемого в гепатоците при голодании.

3. В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват , для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

Обход десятой реакции гликолиза

Обход третьей реакции гликолиза

Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы . Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.

Глюконеогенез - это процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. У млекопитающих эту функцию выполняет в основном печень , в меньшей мере - почки и клетки слизистой кишечника . Главными суб­стратами глюконеогенеза являютсяпируват, лактат, глицерин, аминокислоты (рис.10).

Рисунок 10

Глюконеогенез обеспечивает потребности орга­низма в глюкозе в тех случаях, когда диета содержит недостаточное количество углеводов (физическая нагрузка, голодание). Постоянное поступление глюкозы особенно необходимо для нервной системы и эри­троцитов. При понижении концентрации глюкозы в крови ниже определенного критического уровня нарушается функционирование мозга; при тяжелой гипогликемии возникает коматозное состояние и мо­жет наступить летальный исход.

Запасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребностей в глюкозе в период между приемами пищи. При углеводном или полном голодании, а также в условиях длительной физической работы концентрация глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. На рисунке показаны пункты включения первичных субстратов в глюконеогенез:

Глюкоза необходи­ма для жировой ткани как источник глицерола, входящего в состав глицеридов; она играет существенную роль в поддержании эффек­тивных концентраций метаболитов цикла лимон­ной кислоты во многих тканях. Даже в условиях, когда большая часть потребностей организма в калориях обеспечивается за счет жира, всегда сохраняется определенная потребность в глю­козе. Кроме того, глюкоза служит единственным ви­дом топлива для работы скелетной мышцы в анаэробных условиях. Она является предшествен­ником молочного сахара (лактозы) в молочных же­лезах и активно потребляется плодом в период раз­вития. Механизм глю­конеогенеза используется для удаления из крови продуктов тканевого метаболизма, например лактата, образующегося в мышцах и эритроцитах, глицерола, непрерывно образующегося в жировой ткани

Включение различных субстратов в глюконео­генез зависит от физиологического состояния орга­низма. Лактат является продуктом анаэробного гликоли­за в эритроцитах и работающих мышцах. Глицерин высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в постабсорбтивный период или при физической нагрузке. Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков.

Семь реакций гликолиза легко обратимы и используются в глюконеогенезе. Но три киназные реакции необратимы и должны шунтироваться (рис. 12). Так, фруктозо-1,6-дифосфат и глюкозо-6-фосфат дефосфорилируются специфическими фосфатазами, а пируват фосфорилируется до образования фосфоенолпирувата посредством двух промежуточных стадий через оксалоацетат. Образование оксалоацетата катализируется пируваткарбоксилазой. Этот фермент содержит в качестве кофермента биотин. Оксалоацетат образуется в митохондриях, транспортируется в цитозоль и включается в глюконеогенез. Следует обратить внимание на то, что каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей необратимой реакцией глюконеогенеза составляют цикл, называемый субстратным:

Рисунок 12

Таких циклов существует три - соответственно трем необратимым реакциям. Эти циклы служат точками приложения регуляторных механизмов , в результате чего изменяется поток метаболитов либо по пути распада глюкозы, либо по пути ее синтеза.

Направление реакцийпервого субстратного цик­ла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении концентрация глюко­зы в крови повышается. Актив­ность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется гликолитическая реак­цияглюкоза ® глюкозо-6-фосфат. Кроме того, инсу­лин индуцирует синтез глюкокиназы и ускоряет тем самым фосфорилирование глюкозы. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата направляется по гликолитическому пути.

Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу катализируется другой специфической фосфатазой-глюкозо-6-фосфатазой. Она присутствует в пе­чени и почках, но отсутствует в мышцах и жировой ткани. Наличие этого фермента позволяет ткани по­ставлять глюкозу в кровь.

Распад гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата осуществляется фосфорилазой. Синтез гликогена идет по совершенно другому пути, через образование уридиндифосфатглюкозы, и катализи­руетсягликогенсинтазой .

Второй субстратный цик­л: превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат, катализи­руется специфическим ферментомфруктозо-1,6-бисфосфатазой. Этот фермент имеется в печени и почках, он был также обнаружен в поперечнополосатых мышцах.

Направление реакцийвторого субстратного цик­ла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. Активность этих ферментов зависит от концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата.

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии би­функционального фермента (БИФ), который ка­тализирует также и обратную реакцию.

Киназная активность проявляется, когда бифунк­циональный фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН). Дефосфорилированная форма БИФ характерна для абсорбтивного периода, когда инсулин-глюкагоновый индекс высокий.

При низком инсулин-глюкагоновом индексе, ха­рактерном для периода длительного голодания, происходят фосфорилирование БИФ и проявление его фосфатазной активности, результатом чего яв­ляются снижение количества фруктозо-2,6-бисфосфата, замедление гликолиза и переключение на глюконеогенез.

Киназная и фосфатазная реакции катализируют­ся разными активными центрами БИФ, но в каждом из двух состояний фермента - фосфорилиро-ванном и дефосфорилированном - один из актив­ных центров ингибирован.

16.2.1. Глюконеогенез - биосинтез глюкозы из различных соединений неуглеводной природы. Биологическая роль глюконеогенеза заключается в поддержании постоянного уровня глюкозы в крови, что необходимо для нормального энергообеспечения тканей, для которых характерна непрерывная потребность в углеводах. Особенно это касается центральной нервной системы.

Роль глюконеогенеза возрастает при недостаточном поступлении углеводов с пищей. Так, в организме голодающего человека может синтезироваться до 200 г глюкозы в сутки. Глюконеогенез быстрее, чем другие метаболические процессы, реагирует на изменения диеты: введение с пищей большого количества белков и жиров активизирует процессы глюконеогенеза; избыток углеводов, наоборот, тормозит новообразование глюкозы.

Интенсивные физические нагрузки сопровождаются быстрым истощением запасов глюкозы в организме. В этом случае глюконеогенез является основным путём пополнения углеводных ресурсов, предупреждая развитие гипогликемии. Глюконеогенез в организме тесно связан также с процессами обезвреживания аммиака и поддержанием кислотно-основного баланса.

16.2.2. Основным местом биосинтеза глюкозы de novo является печень. Глюконеогенез протекает также в корковом слое почек. Принято считать, что вклад почек в глюконеогенез в физиологических условиях составляет около 10% глюкозы, синтезируемой в организме; при патологических состояниях эта доля может значительно возрастать. Незначительная активность ферментов глюконеогенеза обнаружена в слизистой тонкого кишечника.

16.2.3. Последовательность реакций глюконеогенеза представляет собой обращение соответствующих реакций гликолиза. Лишь три реакции гликолиза необратимы вследствие происходящих в ходе их значительных энергетических сдвигов:

а) фосфорилирование глюкозы; б) фосфорилирование фруктозо-6-фосфата; в) превращение фосфоенолпирувата в пируват.

Обход этих энергетических барьеров обеспечивают ключевые ферменты глюконеогенеза.

Обратный переход пирувата в фосфоенолпируват требует участия двух ферментов. Первый из них - пируваткарбоксилаза - катализирует реакцию образования оксалоацетата (рисунок 16.4, реакция 1). Коферментом пируваткарбоксилазы является биотин (витамин Н). Реакция протекает в митохондриях. Роль её заключается также в пополнении фонда оксалоацетата для цикла Кребса.

Все последующие реакции глюконеогенеза протекают в цитоплазме . Мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, и он переносится в цитоплазму в виде других метаболитов: малата или аспартата. В цитоплазме указанные соединения вновь переходят в оксалоацетат. При участии фосфоенолпируваткарбоксикиназы из оксалоацетата образуется фосфоенолпируват (рисунок 16.4, реакция 2).

Фосфоенолпируват в результате обращения ряда реакций гликолиза переходит во фруктозо-1,6-дифосфат. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируетсяфруктозодифосфатазой (рисунок 16.4, реакция 3).

Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат. Заключительной реакцией глюконеогенеза является гидролиз глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатазы (рисунок 16.4, реакция 4).

Рисунок 16.4. Обходные реакции глюконеогенеза.

16.2.4. Основными источниками глюкозы в глюконеогенезе являются лактат, аминокислоты, глицерол и метаболиты цикла Кребса.

Лактат - конечный продукт анаэробного окисления глюкозы. Может включаться в глюконеогенез после окисления до пирувата в лактатдегидрогеназной реакции (см. раздел «Гликолиз», рисунок 15.4, реакция 11). При продолжительной физической работе основным источником лактата является скелетная мускулатура, в клетках которой преобладают анаэробные процессы. Накопление молочной кислоты в мышцах ограничивает их работоспособность. Это связано с тем, что при повышении концентрации молочной кислоты в ткани снижается уровень рН (молочнокислый ацидоз). Изменение рН приводит к ингибированию ферментов важнейших метаболических путей. В утилизации образующейся молочной кислоты важное место принадлежитглюкозо-лактатному циклу Кори (рисунок 16.5).

Рисунок 16.5. Цикл Кори и глюкозо-аланиновый цикл (пояснения в тексте).

Глюкогенные аминокислоты , к которым относятся большинство белковых аминокислот. Ведущее место в глюконеогенезе среди аминокислот принадлежит аланину , который может превращаться в пируват путём трансаминирования. При голодании, физической работе и других состояниях в организме функционирует глюкозо-аланиновый цикл , подобный циклу Кори для лактата (рисунок 16.2). Существование цикла аланин - глюкоза препятствует отравлению организма, так как в мышцах нет ферментов, утилизирующих аммиак. В результате тренировки мощность этого цикла значительно возрастает.

Другие аминокислоты могут, подобно аланину, превращаться в пируват, а также в промежуточные продукты цикла Кребса (α-кетоглутарат, фумарат, сукцинил-КоА). Все эти метаболиты способны преобразовываться в оксалоацетат и включаться в глюконеогенез.

Глицерол - продукт гидролиза липидов в жировой ткани. Этот процесс значительно усиливается при голодании. В печени глицерол превращается в диоксиацетонфосфат - промежуточный продукт гликолиза и может быть использован в глюконеогенезе.

Жирные кислоты и ацетил-КоА не являются предшественниками глюкозы. Окисление этих соединений обеспечивает энергией процесс синтеза глюкозы.

16.2.5. Энергетический баланс. Путь синтеза глюкозы из пирувата (рисунок 16.6) содержит три реакции, сопровождающиеся потреблением энергии АТФ или ГТФ:

а) образование оксалоацетата из пирувата (затрачивается молекула АТФ); б) образование фосфоенолпирувата из оксалоацетата (затрачивается молекула ГТФ); в) обращение первого субстратного фосфорилирования - образование 1,3-дифосфоглицерата из 3-фосфоглицерата (затрачивается молекула АТФ).

Каждая из этих реакций повторяется дважды, так как для образования 1 молекулы глюкозы (С6 ) используются 2 молекулы пирувата (С3 ). Поэтому энергетический баланс синтеза глюкозы из пирувата составляет - 6 молекул нуклеозидтрифосфатов (4 молекулы АТФ и 2 молекулы ГТФ). При использовании других предшественников энергетический баланс биосинтеза глюкозы отличается.

Рисунок 16.6. Энергетический баланс биосинтеза глюкозы из лактата.

16.2.6. Регуляция глюконеогенеза. Скорость глюконеогенеза определяется доступностью субстратов - предшественников глюкозы. Увеличение концентрации в крови любого из предшественников глюкозы приводит к стимуляции глюконеогенеза.

Некоторые метаболиты являются аллостерическими эффекторами ферментов глюконеогенеза. Например, ацетил-КоА в повышенных концентрациях аллостерически активирует пируваткарбоксилазу, катализирующую первую реакцию глюконеогенеза. Аденозинмонофосфат, наоборот, оказывает ингибирующее действие на фруктозодифосфатазу, а избыток глюкозы ингибирует глюкозо-6-фосфатазу.

Гормон поджелудочной железы глюкагон, гормоны надпочечников адреналин и кортизол повышают скорость биосинтеза глюкозы в организме, увеличивая активность ключевых ферментов глюконеогенеза либо увеличивая концентрацию этих ферментов в клетках. Гормон поджелудочной железы инсулин способствует снижению скорости глюконеогенеза в организме.

В пируват или один из промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот .

У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе).

Первый этап синтеза протекает в митохондриях (рис. 10.6). Пируват-карбоксилаза, которая катализирует эту реакцию , является аллостери-ческим митохондриальным ферментом . В качестве аллостерического активатора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же, в митохондриях , восстанавливается в малат:

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле клетки .

Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат . Фосфо-енолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция , которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой эндергонической реакции . Превращение фруктозо-1,6-бис-фосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой :

Рис. 10.6. Образование фосфоенол-пирувата из пирувата. 1 - пируваткарбоксилаза ; 2 - малатде-гидрогеназа (митохондриальная); 3 -малатдегидрогеназа (цитоплазматиче-ская); 4 - фосфоенолпируват-карбокси-киназа.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция , катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой – ферментом , который ингибиру-ется АМФ . Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофруктокиназу, т. е. для этого фермента он является аллостерическим активатором . При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза . Напротив, когда величина отношения АТФ /АМФ мала, в клетке наблюдается расщепление глюкозы .

В 1980 г. группой бельгийских исследователей (Г. Херс и др.) в ткани печени был открыт фруктозо-2,6-бисфосфат, который является мощным регулятором активности двух перечисленных ферментов :

Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу. Повышение в клетке уровня фруктозо-2,6-бис-фосфата способствует усилению гликолиза и уменьшению скорости глю-конеогенеза. При снижении концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата отмечается обратная картина.

Показано также, что бифункциональный фермент в свою очередь регулируется путем цАМФ-зависимого фосфорилирования . Фосфорилирова-ние приводит к увеличению фосфатазной активности и снижению фосфо-киназной активности бифункционального фермента . Этот механизм объясняет быстрое воздействие гормонов , в частности глюкагона , на уровень фруктозо-2,6-бисфосфата в клетке (см. главу 16).

Активность бифункционального фермента регулируется также некоторыми