Глюконеогенез. Этот процесс характерен для представителей всех царств живых организмов, но наиболее важное значение имеет для клеток высших животных. Дело в том, что эмбриональные ткани, мозг, семенники, эритроциты в качестве источника углерода способны использовать только D-глюкозу. Если в рационе недостает углеводов, в печени индуцируется распад гликогена, но и этого источника может оказаться недостаточно (мозг человека в сутки потребляет более 120 г глюкозы). В таком случае глюкоза синтезируется в организме из неуглеводных предшественников в ходе глюконеогенеза. Наиболее активно глюконеогенез осуществляется у животных в клетках печени и почек.
Реакции глюконеогенеза в большой степени тождественны обратным реакциям гликолиза, и многие из них катализируются теми же ферментами, которые задействованы в гликолизе.
Итак, в гликолизе имеется три практически необратимые реакции, взамен которых в глюконеогенезе существуют обходные пути .
Первый обходной путь представляет собой превращение пирувата в фосфоенолпируват. Для непосредственного перевода пирувата в фосфоенолпируват недостаточно энергии расщепления АТР, поэтому данная стадия осуществляется в ходе нескольких реакций. Вначале пируват, образующийся преимущественно в цитоплазме (из лактата, аминокислот, в гликолизе), переводится в митохондрии и там карбоксилируется в оксалоацетат.
Катализирует реакцию пируваткарбоксилаза, использующая в качестве кофактора биотин. Оксалоацетат в митохондриях восстанавливается в малат (митохондриальная малатдегидрогеназа), который с помощью специфических переносчиков транспортируется в цитоплазму. В цитоплазме малат вновь окисляется в оксалоацетат (цитоплазматическая малатдегидрогеназа), который с помощью GTP-зависимой фосфоенолпируваткарбоксилазы декарбоксилируется в фосфоенолпируват (РEP).
Второй обходной путь в глюконеогенезе представляет собой превращение фруктозодифосфата во вруктозо-6-фосфат. В гликолизе фосфофруктокиназная реакция, сопровождающаяся гидролизом АТР, является необратимой. В глюконеогенезе функционирует другой фермент-фруктозодифосфатаза, которая катализирует практически необратимое отщепление фосфатной группы от первого атома углерода. Фруктозодифосфатаза, как и пируваткарбоксилаза, является аллостерическим ферментом. Его активность ингибируется с помощью АМР и активируется при участии АТР.
Третий обходной путь - дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, не может произойти с помощью прямого обращения гексокиназной реакции. Эту реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатаза, которая локализована на внутренней поверхности мембран гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭР). Поэтому для осуществления данной реакции глюкозо-6-фосфат транспортируется в ЭР, где дефосфорилируется в свободную глюкозу. Следует отметить, что глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в таких тканях, как мышцы и мозг, поэтому они не могут поставлять в кровь свободную глюкозу.
Суммарное уравнение глюконеогенеза выглядит следующим образом:
Из приведенного баланса следует, что на образование одной молекулы глюкозы в процессе глюконеогенеза расходуется шесть высокоэнергетических фосфатных связей, а также две молекулы NADH. Важно отметить, что регуляция скорости синтеза глюкозы в этом пути осуществляется с помощью ферментов, не принимающих участие в гликолизе. При этом глюконеогенез наиболее интенсивно протекает в условиях повышенного содержания в клетке топливных молекул, в частности ацетил-СоА, и достаточного количества АТР.
Глицерол включается в путь глюконеогенеза через дигидроксиацетонфосфат, в который он превращается после фосфорилирования (с участием АТР) и дегидрирования.
Аминокислоты поступают в путь через такие метаболиты, как пируват и оксалоацетат, образующиеся в ходе перестроек их углеродных скелетов. Лактат перед вступлением в глюконеогенез должен окислиться до пирувата.
Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Организм может синтезировать глюкозу соединений, способных предварительно превратиться в пируват, т.е. из большинства аминокислот и лактата, поступающих в кровь из работающих мышц. Глюкоза не может быть синтезирована из ацетил-КоА и жирных кислот.
Наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе). Глюконеогенез позволяет сохранить энергию превращений в виде гликогена, а также способствует поддержанию уровня глюкозы в крови в пределах нормы при голодании (что особенно важно для нормальной работы мозга), в период интенсивной физической работы.
Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только три реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глюконеогенеза на 3-х этапах используются другие ферменты (рис.37).
Рис. 37. Гликолиз и глюконеогенез
Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Сначала пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО 2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата:
Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):
Первый этап синтеза протекает в митохондриях. Пируваткарбоксилаза, катализирующая эту реакцию, является аллостерическим 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:
Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Оксалоацетат восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрий через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД + очень мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы:
Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле клетки.
Превращение фруктозо-1,6-бифосфата в фруктозо-6-фосфат . Фосфоенолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бифосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой реакции. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:
Фруктозо-1,6-бифосфат + НО 2 ® Фруктозо-6-фосфат + Р i
Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фосфатазы:
Глюкозо-1,6-фосфат + НО 2 ® Глюкоза + Р i
Регуляция глюконеогенеза . Важным моментом в регуляции глюконеогенеза является пируваткарбоксилазная реакция. В отсутствии ацетил-КоА, выполняющего функцию аллостерического активатора пируваткарбоксилазы, фермент почти полностью лишен активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Одновременно ацетил-КоА является ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса. Следовательно, накопление ацетил-КоА замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также способствует превращению последнего в глюкозу.
Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бифосфотазой – ферментом, который ингибируется 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.
Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой (эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является тем метаболическим путем, который решает данную проблему. Глюконеогенез – это метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты, распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др., рис. 5.8).
Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали ключевыми реакциями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в печени и корковом веществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих необратимые реакции гликолиза и соответствующих им ключевых ферментов глюконеоегенеза.
Таблица 5.2. Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза
При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых” субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субстратом другого фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат первого фермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции. Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.
Принято считать начальным этапом глюконеогенеза реакции, идущие в обход пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа – объект влияния регуляторных систем(рис.5.9), управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. Последний стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А. Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению глюконеогенеза.
. 
Рис.5.9. Регуляция активности пируваткиназы
Рис.5.10. Основные субстраты и ферменты глюконеогенеза:
1–лактатдегидрогеназа; 2– пируваткарбоксилаза; 3–малатдегидрогеназа; 4–фосфоенолпируват карбоксикиназа; 5–фруктозо-1,6-дифосфатаза; 6– глюкозо-6-фосфатаза; 7–глицеролкиназа; 8–a-глицеролфосфатде гидрогеназа
Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа, представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием карбоксибиотина – активной форы СО 2 в клетке. Продукт карбоксилирования – оксалоацетат занимает особое место в метаболизме митохондрий, где протекает данная реакция. Это важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии, высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.
После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции гликолиза. Из каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии фосфотриозоизомеразы превращается в ФДА и обе триозы под влиянием альдолазы конденсируются в фруктозо-1,6-дифосфат. Некоторое количество ФДА образуется путем окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола, поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой-1. Затем вновь следует реакция, обратная гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфатаи образующаяся свободная глюкоза может выходить из клетки.
Суммарная реакция синтеза молекулы глюкозы:
2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2НАДН + 2H + + 6H2O → Глюкоза + 2НАД + + 4АДФ+ 2 ГДФ + 6 Фн +6H +
Таким образом, синтез одной молекулы глюкозы “обходится” клетке затратой шести макроэргов. 2 молекулы АТФ расходуются для активирования СО 2 , 2 молекулы ГТФ используются в фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции и 2 молекулы АТФ – для образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.
Глюконеогенез активируется в клетках печени во время голодания, после продолжительных физических упражнений, при употреблении пищи, богатой белками при низком содержании в ней углеводов и т.д.
Интенсивность процесса зависит от количества субстратов, и активности, и количества ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза.
Основными поставщиками субстратов для печени являются мышцы, эритроциты, жировая ткань. У последней довольно ограниченные возможности, поскольку только глицерол может использоваться для синтеза глюкозы, а это только около 6% от веса капельки жира.
Лактат, образующийся в результате работы мышц в анаэробных условиях или поступающий из эритроцитов, более значимый источник глюкозы. Наиболее важными источниками являются гликогенные аминокислоты, которые могут поступать с пищей, богатой белками или из мышц в условиях голодания.
Рис. 5.11. Цикл Кори
Чтобы непрерывно снабжать глюкозой клетки, для которых она является основным источником энергии, но они не могут окислить ее полностью в силу отсутствия митохондрий (эритроциты) или из-за работы в анаэробных условиях, между печенью и этими клетками устанавливаются циклические процессы по обмену субстратами. Один из таких – цикл Кори: образующаяся в мышцах (эритроцитах) молочная кислота поступает в общий кровоток, захватывается печенью и используется ею в качестве субстрата глюконеогенеза; синтезируемая при этом глюкоза отдается в кровототок и метаболизируется мышцами или эритроцитами для получения энергии (рис. 5.11).
Рис.5.12.Аланиновый цикл
В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл(рис.5.12) протекает при условии потребления периферическими тканями кислорода и требует митохондрий. При употреблении пищи богатой белами или при голодании происходит довольно активный обмен между печенью и мышцами аланином и глюкозой. Аланин из мышц передается клеткам печени, где он переаминируется и ПВК используется для синтеза глюкозы. По мере необходимости глюкоза поступает в мышцы и окисляется до ПВК, а затем, путем переаминирования, превращается в аланин который может вновь повторить этот цикл. Энергетически это более выгодный путь, чем цикл Кори.
Глюконеогенез
Глюконеогенез - синтез глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюконеогенез необходим в мозге, яичках, эритроцитах и мозговом веществе почек, где глюкоза является единственным источником энергии. Однако, во время голодания мозг может получать энергию из кетоновых тел, которые превращаются в ацетилКоА.
Первоначально пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата (ЩУК).
Пируваткарбоксилаза находится в митохондриях. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося ЩУКа. Последний здесь же в митохондриях восстанавливается в малат.
Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН2/НАД+ относительно высоко, и поэтому внутримитохондриальный ЩУК легко восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии, проходя мембрану митохондрий. В цитоплазме же отношение НАДН2/НАД+ очень мало, и малат вновь окисляется в ЩУК при участии НАД-зависимой цитоплазматической малатдегидрогеназы.
Субстраты глюконеогенеза
Лактат - образуется в процессе анаэробного гликолиза в эритроцитах и клетках скелетных мышц. Превращение лактата в глюкозу происходитв результате работы цикла Кори. Значение - с участием цикла Кори конечные продукты гликолиза из эритроцитов и скелетных мышц транспортируется в печень и используются на синтез глюкозы.
Аланин - основная глюкогенная аминокислота. Превращение аланина в глюкозу происходит в аланиновом цикле. В скелетных мышцах пируват, образующий в ходе гликолиза, может превращаться в аланин. Аланин, образующийся в этих реакциях, является транспортной формой NH2-групп из мышц в печень, где они в конечном счёте включаются в молекулы мочевины и экскретируются. При поступлении аланина в гепатоциты он может превращаться в пируват и использоваться как субстрат в глюконеогенезе. Значение - Аммиак является чрезвычайно токсическим соединением и основное его количество обезвреживается в клетках печени (в орнитиновом цикле происходит связывание его в молекулу мочевины и затем экскреция). Аланин служит транспортной формой аммиака в печень, где осуществляется его обезвреживание.
Другие аминокислоты. Только две аминокислоты (лейцин и лизин) не могут использоваться в процессе глюконеогенеза. Это строго кетогенные аминокислоты. Все остальные глюкогенные аминокислоты при своём метаболизме дают промежуточные продукты гликолиза или цикла Кребса.
Глицерол. Образуется при катаболизме триацилглицеролов в клетках жировой ткани, выходит в кровь и затем попадает в печень, где под действием двух ферментов (глицеролкиназа и альфа-глицеролфосфатдегидрогеназа) превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА), промежуточный продукт гликолиза.
Пропионил-КоА. Бетта-окисление ЖК с нечётным числом атомов углерода и метаболизм некоторых аминокислот (валин, изолейцин, триптофан, метионин) сопровождается образованием пропионил-КоА, который может быть превращён в сукцинил-КоА (метаболит цикла Кребса) под действием двух ферментов:
Пропионил-КоА-карбоксилаза (в качестве кофермента используется биотин - смотри витамин Н).
Метилмалонил-КоА-мутаза (метилкобаламин в качестве кофермента - смотри витамин В12).
Суммарное уравнение:
2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2Н+ + 6Н2О = глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф + 2НАД+
На синтез молекулы глюкозы из двух молекул пирувата расходуется 4АТФ и 2ГТФ. Процесс окисления ЖК поставляет энергию для глюконеогенеза. Для восстановительных этапов требуется две молекулы НАДН.
Пируваткарбоксилаза, катализирующая первую реакцию, имеет аллостерического активатора - ацетилКоА.
Регуляция глюконеогенеза
1).Репрессируется после приёма богатой углеводами пищи (под действием инсулина) и индуцируется при голодании, стрессе, диабете (под действием глюкокортикоидов).
2).Процесс окисления ЖК стимулирует глюконеогенез. Стимуляция осуществляется через увеличение уровня ацетил-КоА.
3).Реципрокная взаимосвязь:
АцетилКоА ингибирует пируватДГ и активирует пируваткарбоксилазу.
АТФ активирует фруктозодифосфатазу, АМФ - ингибирует.
Фруктозо-2,6-дифосфат активирует фосфофруктокиназу-1 и ингибирует фруктозодифосфатазу-1.
Биологическая роль глюконеогенеза.
1. Обеспечение постоянства концентрации глюкозы в крови при углеводном голодании.
2. Перераспределение метаболической нагрузки между органами. Печень берет часть нагрузки мышц.
Между гликолизом, интенсивно протекающим в мышечной ткани при ее активной деятельности, и глюконеогенезом, особенно характерным для печеночной ткани, существует тесная взаимосвязь. При максимальной активности мышц в результате усиления гликолиза образуется избыток молочной кислоты, диффундирующей в кровь, в печени значительная ее часть превращается в глюкозу (глюконеогенез). Такая глюкоза затем может быть использована как энергетический субстрат, необходимый для деятельности мышечной ткани. Данный цикл в обмене углеводов получил название цикла Кори (глюкозо-лактатный цикл).
Между гликолизом, интенсивно протекающим в мышечной ткани при ее активной
7. Химизм реакций цикла трикарбоновых кислот. Необратимые реакции цикла. Субстратное фосфорилирование в ходе цикла. Регуляция цикла .
ЦТК можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение. Основная функция его заключается в том, что это совершенный клеточный "котел", в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в него органического субстрата и отщепление водорода. Другая функция цикла - снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов. Обычно ЦТК является дальнейшей "надстройкой" над анаэробными энергетическими механизмами клетки. Исходным субстратом ЦТК служит ацетил-КоA ("активированная уксусная кислота"), образующийся у аэробов из пирувата в реакции, осуществляемой пируватдегидрогеназным комплексом:
СН3-СО-СООН + КоA-SH + НАД+ переходит в
СН3-СО~S-КоA + НАД*Н2 + СО2
Собственно ЦТК (рис. 92) начинается с конденсации ацетил-КоA с молекулой щавелевоуксусной кислоты, катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент A . Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты. Последняя превращается в альфа-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. На первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуется щавелевоянтарная кислота и НАД*Н2 . На втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции - альфа-кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и СО2.
альфа-Кетоглутаровая кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, катализируемому альфа-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, в результате чего образуется сукцинил-КоA . Эта реакция - единственная необратимая реакция из десяти составляющих ЦТК. Один из продуктов реакции - сукцинил-КоA - представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь.
Следующий этап - образование янтарной кислоты из сукцинил-КоA, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, освобождающаяся при разрыве тиоэфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ. ГТФ затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, что приводит к образованию АТФ. Следовательно, на данном этапе ЦТК имеет место субстратное фосфорилирование.
Янтарная кислота окисляется в фумаровую с помощью фермента сукцинатдегидрогеназы. Далее фумаровая кислота гидратируется под действием фумаразы, в результате чего возникает яблочная кислота, которая подвергается дегидрированию, приводящему к образованию ЩУК. Реакция катализируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой. Этой реакцией завершается ЦТК, так как вновь регенерируется молекула-акцептор (ЩУК), запускающая следующий оборот цикла. Однако поскольку из цикла происходит постоянный отток для биосинтезов промежуточных метаболитов, приводящий к понижению уровня ЩУК, возникает необходимость в ее дополнительном синтезе. Это обеспечивается как в реакциях карбоксилирования пирувата или фосфоенолпирувата (табл. 24), так и с помощью последовательности из двух реакций, получивших название глиоксилатного шунта (рис. 92). В первой из них изолимонная кислота под действием изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты. Во второй реакции, катализируемой малатсинтетазой, глиоксиловая кислота конденсируется с ацетил-КоA с образованием яблочной кислоты, превращающейся далее в ЩУК. В результате двух новых реакций происходит синтез С4-кислоты из двух С2- остатков. Глиоксилатный шунт не работает при выращивании на субстратах, катаболизирование которых приводит к образованию пировиноградной кислоты. Он включается при выращивании организмов на С2- соединениях.
Энергетическим "топливом", перерабатываемым в ЦТК, служат не только углеводы, но и жирные кислоты (после предварительной деградации до ацетил-КоA), а также многие аминокислоты (после удаления аминогруппы в реакциях дезаминирования или переаминирования). В результате одного оборота цикла происходят 2 декарбоксилирования, 4 дегидрирования и 1 фосфорилирование. Итогом 2 декарбоксилирований является выведение из цикла 2 атомов углерода (2 молекулы СО2), т.е. ровно столько, сколько его поступило в виде ацетильной группы. В результате 4 дегидрирований образуются 3 молекулы НАД*Н2 и 1 молекула ФАД*Н2 . Как можно видеть, в процессе описанных выше превращений весь водород оказывается на определенных переносчиках и задача теперь - передать его через другие переносчики на молекулярный кислород.
Как представлено это у эубактерий? С определенными последовательностями ферментативных реакций, аналогичных тем, которые имеют место в ЦТК, мы встречаемся у эубактерий, находящихся на разных этапах эволюционного развития. Некоторые реакции цикла функционируют в анаэробных условиях у бактерий, получающих энергию в процессах брожения.
У пропионовых бактерий в последовательность реакций брожения, ведущих к синтезу пропионовой кислоты, "вмонтированые" реакции от янтарной кислоты до ЩУК, аналогичные таковым ЦТК, но идущие в противоположном направлении и связанные на двух этапах с восстановлением субстратов реакций (рис. 54). В пропионовокислом брожении эти реакции функционируют для акцептирования водорода, являясь одним из вариантов решения донор-акцепторной проблемы в анаэробных условиях.
У других эубактерий мы встречаемся с более полно сформированной последовательностью реакций, аналогичных ЦТК, но еще не замкнутых в полный цикл. Наиболее часто отсутствует ферментативный этап превращения альфа-кетоглутаровой кислоты в янтарную, в результате чего ЦТК представляется как бы "разорванным" (рис. 85). "Разорванный" ЦТК обнаружен у бактерий, осуществляющих бескислородный фотосинтез, цианобактерий, хемоавтотрофов и у некоторых хемогетеротрофов. Вероятно, в таком виде ЦТК не может функционировать в системе энергодающих механизмов клетки. В этом случае его основная функция - биосинтетическая. Тот факт, что "разорванный" ЦТК встречается у различных далеко отстоящих друг от друга физиологических групп эубактерий, указывает на сложные пути эволюции данного механизма. Этот вопрос требует своего объяснения.
Регуляция цикла
Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится (принцип Гульдберга-Вааге). Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.
Как правило работа цикла Кребса не прерывается за счёт анаплеротических реакций, которые пополняют цикл субстратами: Пируват + СО2 + АТФ = Оксалоацетат (субстрат Цикла Кребса) + АДФ + Фн.
Синтез глюкозы из молочной кислоты
При физической нагрузке в мышцах продуцируется большое количество молочной кислоты, особенно если нагрузка интенсивная, максимальной мощности.Также молочная кислота непрерывно образуется эритроцитами , независимо от состояния организма. С током крови она поступает в гепатоцит и здесь превращается в пируват. Далее реакции идут по классической схеме.
Суммарная реакция глюконеогенеза из молочной кислоты:
Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H 2 O → Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф н
Синтез глюкозы из аминокислот
Ряд аминокислот являются глюкогенными , то есть их углеродные скелеты в той или иной степени способны включаться в состав глюкозы. Такими является большинство аминокислот, кроме лейцина и лизина, атомы углерода которых никогда не участвуют в синтезе углеводов.
В качестве примера синтеза глюкозы из аминокислот рассмотрим участие в этом процессе глутамата, аспартата, серина и аланина.
Аспарагиновая кислота (после реакции трансаминирования) и глутаминовая кислота (после дезаминирования) превращаются в метаболиты ЦТК, соответственно, в оксалоацетат и α-кетоглутарат.
Аланин , трансаминируясь, образует пировиноградную кислоту, которая способна карбоксилироваться до оксалоацетата. Оксалоацетат, являясь первым элементом в процессе глюконеогенеза, далее включается в синтез глюкозы.
Серин в трехступенчатой реакции под воздействием сериндегидратазы теряет аминогруппу и превращается в пируват, который вступает в глюконеогенез.
Включение аминокислот в синтез глюкозы
Синтез глюкозы из глицерина
При физической нагрузке под влиянием адреналина или при голодании под влиянием глюкагона и кортизола в адипоцитах активно происходит распад триацилглицеролов (липолиз). Одним из продуктов этого процесса является спирт глицерин , который поступает в печень. Здесь он фосфорилируется, окисляется до диоксиацетонфосфата и вовлекается в реакции глюконеогенеза.
