WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 14 |

«Учебная литература для студентов медицинских вузов Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин Биологическая химия Издание третье, переработанное и дополненное Рекомендован Управлением научных и образовательных ...»

-- [ Страница 7 ] --

Активная форма последней образуется при участии цАМФ, которая в свою очередь образуется из АТФ под действием фермента аденилатцик лазы, стимулируемой, в частности, адреналином и глюкагоном. Увеличение содержания адреналина в крови приводит в этой сложной цепи реакций к превращению фосфорилазы b в фосфорилазу а и, следовательно, к осво бождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида гликогена. Обратное превращение фосфорилазы а в фосфорилазу b ка тализируется ферментом фосфатазой (эта реакция практически необра тима).

Образовавшийся в результате фосфоролитического распада гликогена глюкозо-1-фосфат превращается под действием фосфоглюкомутазы в глюкозо-6-фосфат. Для осуществления данной реакции необходима фосфо рилированная форма фосфоглюкомутазы, т.е. ее активная форма, которая образуется, как отмечалось, в присутствии глюкозо-1,6-бисфосфата *.

Фосфоглюкомутаза Глюкозо-6-фосфат Глюкозо-1-фосфат Образование свободной глюкозы из глюкозо-6-фосфата в печени проис ходит под влиянием глюкозо-6-фосфатазы. Данный фермент катализирует гидролитическое отщепление фосфата:

Н2O Pi Глюкозо-6-фосфатаза Глюкоза Глюкозо-6-фосфат * В настоящее время установлено, что в каталитическом центре активной формы молекулы фосфоглюкомутазы присутствует фосфорилированный остаток серина. Во время катализа эта фосфорильная группа, вероятно, переносится на гидроксильную группу при С- глюкозо-1-фосфата с образованием глюкозо-1-бисфосфата. Далее фосфорильная группа ука занного промежуточного продукта переносится на остаток серина в активном центре.

В результате происходят образование глюкозо-6-фосфата и регенерирование фосфорили рованного фермента.

УДФ Гликоген Н3РО УДФ-глюкоза Пирофосфат Глюкозо-1-фосфат УТФ Рис. 10.2. Распад и синтез гликогена Глюкозо-6-фосфат АДФ (схема).

Н2О Жирными стрелками указан путь распада, тонкими - путь синтеза. Цифрами обозна чены ферменты: 1 - фосфорилаза;

2 - фос АТФ фоглюкомутаза;

3 - глюкозо-6-фосфатаза;

4 - гексокиназа (глюкокиназа);

5 - глюко Глюкоза зо-1-фосфат-уридилтрансфераза;

6 - глико Н3РО генсинтаза.

Заметим, что фосфорилированная глюкоза в противоположность неэте рифицированной глюкозе не может легко диффундировать из клеток.

Печень содержит гидролитический фермент глюкозо-6-фосфатазу, который и обеспечивает возможность быстрого выхода глюкозы из этого органа.

В мышечной ткани глюкозо-6-фосфатаза практически отсутствует.

На рис. 10.2 отражены представления о путях распада и синтеза гликогена в печени *.

Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в крови является результатом одновременного протекания двух процессов:

поступления глюкозы в кровь из печени и потребления ее из крови тканями, где она используется в первую очередь как энергетический материал.

В тканях (в том числе в печени) распад глюкозы происходит двумя основными путями: анаэробным (при отсутствии кислорода) и аэробным, для осуществления которого необходим кислород.

ГЛИКОЛИЗ Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это после довательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глю козы в пируват с одновременным образованием АТФ.

При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где пол ностью окисляется до СО2 и Н2О. Если содержание кислорода недоста точно, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат.

Итак, гликолиз – не только главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если * Как отмечалось, в отличие от печени в мышечной ткани глюкозо-6-фосфатаза отсутст вует. Пути распада и синтеза гликогена в печени в целом подобны таковым в мышце, однако имеются существенные различия в структуре печеночных и мышечных ферментов мета болизма, а также в механизмах регуляции их активности.

последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода (анаэробные условия).

Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глю козы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кисло рода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В про цессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН –> 2СН3СН(ОН)СООН + 2АТФ + 2Н2О.

Глюкоза Молочная кислота В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря гликолизу организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд фи зиологических функций в условиях недостаточности кислорода. В тех случаях, когда гликолиз протекает в присутствии кислорода, говорят об аэробном гликолизе *.

Последовательность реакций анаэробного гликолиза, так же как и их промежуточные продукты, хорошо изучена. Процесс гликолиза катали зируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, клисталлическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно известны. Заметим, что гликолиз протекает в гиало плазме (цитозоле) клетки.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорили рование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ.

Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

АТФ АДФ Гексокиназа Глюкоза Глюкозо-6-фосфат Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровож дается освобождением значительного количества свободной энергии систе мы и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, т.е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

Фермент гексокиназа способен катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, в частности D-фруктозы, D-маннозы и т.д. В печени, кроме гексокиназы, существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы. В мышечной ткани этот фермент отсутствует (подробнее см. главу 16).

* В аэробных условиях гликолитический распад глюкозы до пировиноградной кислоты можно рассматривать как первую стадию окисления глюкозы до конечных продуктов этого процесса - СО2 и Н2О.

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фос фата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6 фосфат:

Глюкозо-6-фосфат изомераза Фруктозо-6-фосфат Глюкозо-6-фосфат Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов.

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой;

образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

АТФ АДФ 6-Фосфофруктокиназа Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АМФ *. При значительных величинах отношения АТФ/АМФ активность фосфофруктокиназы угнетается и глико лиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсив ность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая.

Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза.

Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

* Активность фосфофруктокиназы ингибируется также цитратом. Показано, что при диабете, голодании и некоторых других состояниях, когда интенсивно используются жиры как источник энергии, в клетках тканей содержание цитрата может возрастать в несколько раз.

В этих условиях происходит резкое торможение активности фосфофруктокиназы цитратом.

Альдолаза Глицеральде Диоксиацетон фосфат гид-3-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реак ция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидро ксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата) *.

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Ката лизируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Триозофосфатизо мераза Диоксиацетон- Глицеральдегид фосфат 3-фосфат Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигид роксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глице ральдегид-3-фосфата. В последующие реакции гликолиза может непосред ственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы ди гидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия – наиболее сложная и важная. Она вклю чает окислительно-восстановительную реакцию (реакция гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в про цессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутст вии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с обра зованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты ** и восстановленной формы НАД (НАДН). Эта реакция блокируется йод- или бромацетатом, протекает в несколько этапов:

* Животные ткани содержат по меньшей мере три различные альдолазы, характерные для мышцы, печени и мозга соответственно. Все альдолазы расщепляют фруктозо-1,6-бисфосфат до диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата и могут катализировать обратную конденсацию диоксиацетонфосфата с различными оксиальдегидами, хотя и с неодинаковой скоростью.

** Глицеральдегид-3-фосфат - последний углевод в цепи превращений глюкозы. Даль нейшим превращениям подвергаются органические кислоты, которые находятся в диссоцииро ванной форме, поэтому наряду с названием свободных кислот используют также название их анионов, например 3-фосфоглицерат, пируват и др.

+ НАД+ + Н3РO4 Глицеральдегид фосфатдегидрогеназа Глицеральдегид -3-фосфат + НАДН + Н+ 1,3-Бисфосфоглицерат 1,3-Бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соеди нение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда» ~).

Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы +сводится к сле дующему: в присутствии неорганического фосфата НАД выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В про цессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с молеку лой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-бисфосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфогли цериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Мg2+ + АТФ +АДФ Фосфоглицераткиназа 1,3-Бисфосфоглицерат 3-Фосфоглицерат Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральде гидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождаю щаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнерге тических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превра щается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+. Кофак тором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота ана логично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора вы полняет глюкозо-1,6-бисфосфат:

Фосфоглицеромутаза 3-Фосфоглицерат 2-Фосфоглицерат Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

–H O Енолаза +H2O 2-Фосфоглицерат Фосфоенолпируват Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+ или Мn2+ и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстрат ное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Mg2+ + АДФ + АТФ Пируваткиназа Пируват Фосфоенолпируват Для действия пируваткиназы необходимы + ионы Mg2+, а также одно валентные катионы щелочных металлов (К или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция проте кает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

+ НАДН+Н+ + НАД+ Лактатдегидрогеназа Лактат Пируват (молочная кислота) Последовательность протекающих при гликолизе реакций представлена на рис. 10.3.

АТФ АДФ Глюкозо-6-фосфат Ф ру ктозо-6-фосфат АТФ АДФ Фруктозо-1,6-бисфосфат Диоксиаце- Глицеральдегид-3-фосфат (2 мол) тонфосфат НАД+ + Н3РO4 НАД+ + Н3РO4 (по 2 мол) НАДН+Н+ НАДН + Н+ (2мол) 1,3-Бисфосфоглицериновая кислота (2 мол) АДФ АДФ (2 мол) АТФ + АТФ 3-Фосфоглицериновая (2 мол) кислота (2 мол) 2-Фосфоглицериновая кислота (2 мол) Н2О Н2О (2 мол) Фосфоенолпируват (2 мол) АДФ (2 мол) Рис. 10.3. Последовательность ре + АТФ акций гликолиза.

Пировиноградная (2 мол) 1 - гексокиназа;

2 - фосфоглюкоизоме- кислота (2 мол) раза;

3 - фосфофруктокиназа;

4 - альдо НАДН+Н+ НАДН + Н+ лаза;

5 - триозофосфатизомераза;

6 - гли церальдегидфосфатдегидрогеназа;

7 - НАД+ НАД+ (2 мол) фосфоглицераткиназа;

8 - фосфоглице ромутаза;

9 - енолаза;

10 - пируватки наза;

11 - лактатдегидрогеназа.

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно восстановительный цикл гликолиза. НАД+ при этом играет роль проме жуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реак ция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он ре генерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, по лучившем название гликолитический оксидоредукции.

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук токиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Как отмечалось, основной реакцией, лимитирующей скорость глико лиза, является фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая ско рость и регулирующая гликолиз – гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами.

В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобла дают изоферменты ЛДГ1 и ЛДГ2 (см. главу 4). Эти изоферменты инги бируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени использующих энергию гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами яв ляются ЛДГ5 и ЛДГ4. Активность ЛДГ5 максимальна при тех концентра циях пирувата, которые ингибируют ЛДГ1. Преобладание изоферментов ЛДГ4 и ЛДГ5 обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.

Как отмечалось, процесс анаэробного распада гликогена получил назва ние гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии 2 ферментов – фосфорилазы а и фосфо глюкомутазы. Образовавшийся в результате фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После обра зования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:

Н3РO Гликоген Глюкозо-1-фосфат АДФ Фосфоглюкомутаза АТФ Глюкоза Глюкозо-6-фосфат Гликолиз В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапли ваются не две, а три молекулы АТФ (АТФ не тратится на образование глюкозо-6-фосфата). Кажется, что энергетическая эффективность глико генолиза выглядит несколько более высокой по сравнению с процессом гликолиза, но эта эффективность реализуется только при наличии активной фосфорилазы а. Следует иметь в виду, что в процессе активации фосфо рилазы b расходуется АТФ (см. рис. 10.2).

Спиртовое брожение Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

С6Н12O6 –> 2C2H5OH + 2СO Глюкоза Этанол Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гли колизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата.

При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями – пируватдекарбо ксилазной и алкогольдегидрогеназной.

В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвер гается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид.

Данная реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, ко торый требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ):

СО СН3—СО—СООН Пируватдекарбоксилаза, Пируват Ацетальдегид ТПФ, Mg2+ Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляе мый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катали зируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

+ НАДН+Н+ СН3—СН2ОН + НАД+ Алкогольдегидрогеназа Этанол Ацетальдегид Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО2, а не молочная кислота, как при гликолизе.

Процесс молочнокислого брожения имеет большое сходство со спиртовым брожением. Отличие заключается лишь в том, что при молочнокислом брожении пировиноградная кислота не декарбоксилируется, а, как и при гликолизе в животных тканях, восстанавливается при участии ЛДГ за счет водорода НАДН.

Известны 2 группы молочно-кислых бактерий. Бактерии одной группы в про цессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а бактерии другой из каждой молекулы глюкозы «производят» по одной молекуле молочной кислоты, этанола и СО2.

Существуют и другие виды брожения, конечными продуктами которых могут являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения.

Включение других углеводов в процесс гликолиза Фруктоза. Установлено, что фруктоза, присутствующая в свободном виде во многих фруктах и образующаяся в тонкой кишке из сахарозы, всасы ваясь в тканях, может подвергаться фосфорилированию во фруктозо-6 фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ:

АТФ АДФ Фруктоза Фруктозо-6-фосфат Гексокиназа Эта реакция ингибируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-6-фос фат либо превращается в глюкозу через стадии образования глюкозо-6 фосфата и последующего отщепления фосфорной кислоты (рис. 10.4), либо подвергается дальнейшим превращениям. Из фруктозо-6-фосфата под влиянием 6-фосфофруктокиназы и АТФ образуется фруктозо-1,6-бисфос фат:

АДФ АТФ Мg2+ Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат 6-Фосфофруктокиназа Далее фруктозо-1,6-бисфосфат может подвергаться дальнейшим пре вращением по пути гликолиза. Таков главный путь включения фруктозы в метаболизм мышечной ткани, почек, жировой ткани.

В печени, однако, для этого существует другой путь. В ней имеется фермент фруктокиназа, который катализирует фосфорилирование фрук тозы не по 6-му, а по 1-му атому углерода:

АТФ АДФ Кетогексокиназа D-фруктоза Фруктозо-1-фосфат Эта реакция не блокируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-1 фосфат расщепляется затем под действием кетозо-1-фосфатальдолазы на диоксиацетонфосфат и D-глицеральдегид:

Фруктозо-1-фосфат <=> Диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид.

Образовавшийся D-глицеральдегид под влиянием соответствующей киназы (триокиназы) подвергается фосфорилированию до глицеральде гид-3-фосфата. В этот же промежуточный продукт гликолиза переходит и дигидроксиацетонфосфат.

Существует врожденная аномалия обмена фруктозы, или эссенциальная фруктозурия, которая связана с врожденным недостатком фермента фрук токиназы, т.е. в организме не образуется фруктозо-1-фосфат. В резуль Глюкоза Н3РО Н2О АТФ АТФ Фруктоза Глюкозо-6-фосфат АДФ Ф руктозо-6-фосфат Фруктозо-1-фосфат АТФ АДФ Фруктозо-1,6-бисфосфат Дигидр Рис. 10.4. Метаболизм фруктозы.

оксиацетонфосфат 1 - гексокиназа;

2 - 6-фосфофруктоки Глицер Глицеральде альдегид наза;

3 - фруктозобисфосфатальдолаза;

гид-3-фосфат 4 - кетогексокиназа;

5 - кетозо-1-фосфа тальдолаза;

6 - триокиназа;

7 - глюко Далее по пути зофосфатизомераза;

8 - глюкозо-6-фос АТФ гликолиза АДФ фатаза;

9 - триозофосфатизомераза.

Галактоза АТФ Галактокиназа АДФ Галактозо-1-фосфат УДФ-глюкоза Гексозо-1-фосфат уридилилтрансфераза УДФ-галактоза Глюкозо-1-фосфат УДФ-глюкоза-4-эпимераза УДФ-глюкоза Пирофосфат УДФ-глюкоза-пиро УТФ, фосфорилаза Рис. 10.5. Метаболизм галак Глюкозо-1-фосфат тозы.

тате обмен фруктозы возможен только путем фосфорилирования до фрук тозо-6-фосфата, но эта реакция тормозится глюкозой, вследствие чего фруктоза накапливается в крови. «Почечный порог» для фруктозы очень низок, поэтому фруктозурия обнаруживается уже при концентрации фрук тозы в крови 0,73 ммоль/л.

Галактоза. Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы (рис. 10.5).

Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат.

Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ:

АДФ АТФ Галактоза Галактозо-1-фосфат Галактокиназа В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексо зо-1-фосфатуридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1 фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфат галактоза (УДФ-галактоза):

Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза Гексозо-1-фосфат уридилилтрансфераза Глюкозо-1-фосфат + УДФ-галактоза.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат в дальнейшем либо переходит в глюкозо-6-фосфат и далее подвергается уже известным превращениям, либо под влиянием фосфатазы образует свободную глюкозу, а УДФ-га лактоза подвергается весьма своеобразной эпимеризации:

УДФ-глюкоза.

УД Ф-галактоза УДФ-глюкоза-4-эпимераза Затем УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза катализирует расщепление УДФ-глюкозы с образованием глюкозо-1-фосфата:

УДФ-глюкоза + Пирофосфат Глюкозо-1-фосфат + УТФ.

УДФ-глюкоза пирофосфорилаза О дальнейших превращениях глюкозо-1-фосфата см. ранее.

Одно из патологических состояний, возникающих в результате на рушения обмена углеводов,– это рецессивно наследуемое заболевание га лактоземия. При этом заболевании общее содержание моносахаридов в крови повышается главным образом за счет уровня галактозы, достигая 11,1–16,6 ммоль/л. Концентрация глюкозы в крови существенно не из меняется. Кроме галактозы, в крови накапливается также галактозо-1-фос фат. Галактоземия приводит к умственной отсталости и катаракте хрус талика. Возникновение данной болезни у новорожденных связано с недостатком фермента гексозо-1-фосфатуридилилтрансферазы. С возрас том наблюдается ослабление этого специфического нарушения обмена углеводов.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими про дуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пи ровиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, гли церол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из проме жуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот *.

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

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только 3 реакции гликолиза (гексокиназная, фосфо фруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глю конеогенеза на 3 этапах используются другие ферменты. Рассмотрим путь синтеза глюкозы из пирувата.

Образование фосфоенолпирувата из пирувата. Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Первоначально пируват под влиянием * У высших растений и микроорганизмов в процессе глюконеогенеза важную роль играет глиоксилатный цикл. Благодаря данному циклу высшие растения и микроорганизмы способны превращать двууглеродные метаболиты, а следовательно, и ацетил-КоА в углеводы.

В клетках животных отсутствуют два ключевых фермента глиоксилатного цикла: изоцитрат лиаза и малат-синтаза, поэтому у них этот цикл осуществляться не может.

пируваткарбоксилазы и при участии СО2 и АТФ карбоксилируется * с об разованием оксалоацетата:

+ СО2 + АТФ + АДФ + Рi Пируваткарбоксилаза Оксалоацетат Пируват Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорили рования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превра щается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

+ ГДФ + СО + ГТФ Фосфоенолпируват карбоксикиназа Фосфоенолпируват Оксалоацетат Установлено, что в процессе образования фосфоенолпирувата участ вуют ферменты цитозоля и митохондрий.

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

+ + + НАД + НАДH+Н Малатдегидрогеназа (митохондриальная) Малат Оксалоацетат Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН/НАД+ относи тельно велико, в связи с чем внутримитохондриальный оксалоацетат легко восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД+ очень мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-за висимой малатдегидрогеназы:

* В реакцию вступает так называемая активная форма СО, в образовании которой, помимо АТФ, участвует биотин (см. главу 7).

+ НАД+ + НАДН + Н+ Малатдегидрогеназа (цитоплазматическая) L-малат Оксалоацетат Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происхо дит 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:

Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н2О Фруктозо-6-фосфат + Pi.

Фруктозо бисфосфатаза Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюко Митохондрия Цитоплазма Пируват Пируват АТФ СO АДФ + Н3РO Оксалоацетат НАДН + Н+ НАД+ Малат Малат НАД+ НАДН+Н+ Оксалоацетат ГТФ Рис. 10.6. Образование фосфоенол пирувата из пирувата.

1 - пируваткарбоксилаза;

2 - малатде гидрогеназа (митохондриальная);

3 ГДФ СO малатдегидрогеназа (цитоплазматиче ская);

4 - фосфоенолпируват-карбокси Фосфоенолпируват киназа.

Глюкозо-6-фосфат Глюкоза Н2O Н3РO4 Фруктозо-6-фосфат Н3РО Н2O Фруктозо-1,6-бисфосфат Диоксиацетон- Глицеральдегид-3-фосфат фосфат 1,3-Бисфосфоглицериновая кислота 3-Фосфоглицериновая кислота 2-Фосфоглицериновая ГДФ кислота CО Фосфоенолпируват ГТФ Пируват Оксалоацетат Рис. 10.7. Гликолиз и глюконеогенез.

Красными стрелками указаны «обходные» АДФ СО пути глюконеогенеза при биосинтезе глю Н3РО4 АТФ козы из пирувата и лактата;

цифры в круж Лактат ках обозначают соответствующую стадию гликолиза.

зо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фос фатазы:

Глюкозо-6-фосфат + Н2O Глюкоза + Рi.

Глюкозо-6-фосфатаза На рис. 10.7 представлены «обходные» реакции глюконеогенеза при биосинтезе глюкозы из пирувата и лактата.

Регуляция глюконеогенеза. Важным моментом в регуляции глюконеоге неза является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой. Роль по ложительного аллостерического модулятора этого фермента выполняет ацетил-КоА. В отсутствие ацетил-КоА фермент почти полностью лишен активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Известно, что ацетил-КоА одновременно является отрицательным модулятором пируватдегидроге назного комплекса (см. далее). Следовательно, накопление ацетил-КоА замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также спо собствует превращению последнего в глюкозу.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция, ката лизируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой – ферментом, который ингибиру ется АМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофрукто киназу, 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 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 отме чается обратная картина.

Установлено, что биосинтез фруктозо-2,6-бисфосфата происходит из фруктозо-6-фосфата при участии АТФ, а распадается он на фруктозо-6 фосфат и неорганический фосфат. Биосинтез и распад фруктозо-2,6-бис фосфата катализируется одним и тем же ферментом, т.е. данный фермент бифункционален, он обладает и фосфокиназной, и фосфатазной актив ностью:

АДФ АТФ (фосфокиназное действие) Бифункциональный Фруктозо-2,6-бисфосфат Фруктозо-6-фосфат фермент (фосфатазное действие) Н2О Pi Показано также, что бифункциональный фермент в свою очередь ре гулируется путем цАМФ-зависимого фосфорилирования. Фосфорилирова ние приводит к увеличению фосфатазной активности и снижению фосфо киназной активности бифункционального фермента. Этот механизм объяс няет быстрое воздействие гормонов, в частности глюкагона, на уровень фруктозо-2,6-бисфосфата в клетке (см. главу 16).

Активность бифункционального фермента регулируется также неко торыми метаболитами, среди которых наибольшее значение имеет гли церол-3-фосфат. Действие глицерол-3-фосфата на фермент по своей направ ленности аналогично эффекту, который наблюдается при его фосфори лировании с помощью цАМФ-зависимых протеинкиназ.

В настоящее время фруктозо-2,6-бисфосфат, помимо печени, обнаружен и в других органах и тканях животных, а также у растений и микро организмов.

Показано, что глюконеогенез может регулироваться и непрямым путем, т.е. через изменение активности фермента, непосредственно не участвую щего в синтезе глюкозы. Так, установлено, что фермент гликолиза пиру ваткиназа существует в 2 формах – L и М. Форма L (от англ. liver – печень) преобладает в тканях, способных к глюконеогенезу. Эта форма ингиби руется избытком АТФ и некоторыми аминокислотами, в частности ала нином. М-форма (от англ. muscle – мышцы) такой регуляции не подвержена.

В условиях достаточного обеспечения клетки энергией происходит инги бирование L-формы пируваткиназы. Как следствие ингибирования замед ляется гликолиз и создаются условия, благоприятствующие глюконеоге незу.

Наконец, интересно отметить, что между гликолизом, интенсивно про текающим в мышечной ткани при ее активной деятельности, и глюко неогенезом, особенно характерным для печеночной ткани, существует тесная взаимосвязь. При максимальной активности мышц в результате усиления гликолиза образуется избыток молочной кислоты, диффунди рующей 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.

Взаимосвязь между процессами гликолиза в мышечной ткани и глю конеогенезом в печени может быть представлена в виде схемы:

Экзогенная глюкоза из Гликоген Гликоген пищеварительного тракта Глюкозо-6-фосфат Глюкоза Глюкоза Глюкоза Глюкозо-6-фосфат Лактат Лактат Лактат Печень Мышцы Кровяное русло АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ ПИРУВАТА Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или пол ностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях и свое органическое «топливо» окисляет полностью до СО2 и Н2О. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восста навливается до лактата, а постепенно окисляется до СО2 и Н2О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда фермен тов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систе му, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На I стадии этого процесса пируват (рис. 10.8) теряет свою карбоксиль ную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E1). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E1–ТПФ–СНОН–СН3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли поилацетилтрансферазой (Е2). Этот фермент катализирует III стадию – пе ренос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из вос становленного комплекса дигидролипоамид–Е2. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е3) осуществляется перенос атомов водо рода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН2 дигидро липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н+.

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из Е1-ТПФ СO Оксиэтилтиамин пирофосфат-Е Ацетиллипоамид-Е Липоамид-Е Рис. 10.8. Механизм действия пируватдегидрогеназного комп лекса.

НАД+ Е - пируватдегидрогеназа;

Е - ди 1 гидролипоилацетилтрансфсраза;

Е НАДН+H+ Дигидроли- поамид-Е дигидролипоилдегидрогеназа;

циф ры в кружках обозначают стадии Ацетил-КоА процесса.

которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E1, ли поамид-Е2 и ФАД-Е3), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что со ставляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. При нято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем са мосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комп лексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2.

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной сво бодной энергии и практически необратима.

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО и Н2О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА) Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом *.

Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое пре вращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбо новых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последова тельных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимон ная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула окса лоацетата регенерируется. Рассмотрим все восемь последовательных реак ций (этапов) цикла Кребса.

* За это выдающееся открытие Г. Кребс получил Нобелевскую премию в 1953 г.

(совместно с Ф. Липманом). Цикл трикарбоновых кислот часто называют его именем - цикл Кребса (цикл лимонной кислоты Кребса).

цис-Аконитат Рис. 10.9. Цикл трикарбоновых Н2О Н2О кислот (цикл Кребса).

Изоцитрат Цитрат + НАД Н2О + НАДН + Н HS-KoA СО Ацетил-КоА -Кетоглутарат + НАД Оксалоацетат + НАДН+ Н + НАДН + Н + HS-KoA НАД Малат СО Первая реакция ката Сукцинил-КоА Н2О лизируется ферментом цит Фумарат HS-KoA рат-синтазой, при этом аце Н РО + ГДФ тильная группа ацетил-КоА 3 конденсируется с оксалоаце ГТФ Е-ФАДН Сукцинат 2 татом, в результате чего об Е-ФАД разуется лимонная кислота:

Н2О HS-КoA Цитрат-синтаза Оксалоацетат Ацетил-КоА Цитрат По-видимому, в данной реакции в качестве промежуточного продукта образуется связанный с ферментом цитрил-КоА. Затем последний само произвольно и необратимо гидролизуется с образованием цитрата и HS-KoA.

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидра тации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата:

Н2О Н2О Н2О Н2О Аконитат-гидратаза Аконитат-гидратаза Цитрат цис-Анонитат Изоцитрат Третья реакция, по-видимому, лимитирует скорость цикла Кребса.

Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо цитратдегидрогеназы *.

+ + СО НАД НАДН + Н Изоцитратдегидрогеназа Изоцитрат -Кетоглутарат В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одно временно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+ или Мn2+.

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси лирование -кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетическо го соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кис лоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.

+ + HS-KoA НАД НАДH + Н СO -Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс -Кетоглутарат Сукцинил-КоА Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтета зой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ ** за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

* В митохондриях существует 2 типа изоцитратдегидрогеназ: НАД- и НАДФ-зависимый;

первый тип встречается только в митохондриях, второй - как в митохондриях, так и в цитозоле.

** Образовавшийся ГТФ отдает затем свою концевую фосфатную группу на АДФ, вследствие чего образуется АТФ. Образование высокоэргического нуклеозидтрифосфата в ходе сукцинил-КоА-синтетазной реакции - еще один пример фосфорилирования на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование).

+ ГДФ + Pi Сукцинил-КоА-синтетаза + ГТФ + HS-KoA Сукцинат Сукцинил-КоА В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД.

В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми тохондриальной мембраной:

Е-ФАД Е-ФАДН Сукцинатдегидрогеназа Сукцинат Фумарат Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фума ратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат).

Следует отметить, что фумаратгидратаза обладает стереоспецифичностью (см. главу 4) – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота:

H2O H2O Фумараза L-малат Фумарат Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы проис ходит окисление L-малата в оксалоацетат:

+ НАД+ + НАДН + Н+ Малатдегидрогеназа Оксалоацетат L- малат Как видно, за один оборот цикла, состоящего из восьми фермента тивных реакций, происходит полное окисление («сгорание») одной мо лекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоян ное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД+ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окис ляться. Это окисление осуществляется в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованной в мембране митохондрий. Образовавшийся ФАДН2 прочно связан с СДГ, поэтому он передает атомы водорода через KoQ. Освобождающаяся в результате окисления ацетил-КоА энергия в значительной мере сосре доточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Из 4 пар атомов водорода 3 пары переносят НАДН на систему транспорта электронов;

при этом в расчете на каждую пару в системе биологического окисления образуется 3 молекулы АТФ (в процессе сопряженного окислительного фосфорилирования), а всего, следовательно, 9 молекул АТФ (см. главу 9).

Одна пара атомов от сукцинатдегидрогеназы-ФАДН2 попадает в систему транспорта электронов через KoQ, в результате образуется только 2 моле кулы АТФ. В ходе цикла Кребса синтезируется также одна молекула ГТФ (субстратное фосфорилирование), что равносильно одной молекуле АТФ.

Итак, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и системе окислительного фосфорилирования может образоваться 12 молекул АТФ.

Если подсчитать полный энергетический эффект гликолитического рас щепления глюкозы и последующего окисления двух образовавшихся моле кул пирувата до СО2 и Н2О, то он окажется значительно большим.

Как отмечалось, одна молекула НАДН (3 молекулы АТФ) * образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, а при окислении их до 2 молекул ацетил-КоА и последующих 2 оборотов цикла трикарбоновых кислот синтезируется 30 молекул АТФ (следователь но, окисление молекулы пирувата до СО2 и Н2О дает 15 молекул АТФ).

К этому количеству надо добавить 2 молекулы АТФ, образующиеся при аэробном гликолизе, и 6 молекул АТФ, синтезирующихся за счет окисления 2 молекул внемитохондриального НАДН, которые образуются при окис лении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата в дегидрогеназной реакции гликолиза. Следовательно, при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы по уравнению С6Н12О6 + 6О2 —> 6СО2 + 6Н2О синтезируется молекул АТФ. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем ана эробный гликолиз.

Необходимо отметить, что образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата 2 молекулы НАДН в дальнейшем при окислении могут давать не 6 молекул АТФ, а только 4. Дело в том, что сами молекулы внемитохондриального НАДН не способны проникать через мембрану внутрь митохондрий. Однако отдаваемые ими электроны могут включаться в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью так называемого глицеролфосфатного челночного механизма (рис. 10.10). Ци топлазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим ди гидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализи * Напомним, что при прохождении по цепи дыхательных ферментов восстановительные эквиваленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования (см. главу 9).

+ + НАДН + Н НАД Цитозоль Цитоплазматическая глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа Диокси- Глицерол-3 ацетонфосфат фосфат Митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидро геназа Митохондрия ФАДН ФАД KoQ 2е АТФ АТФ О Рис. 10.10. Глицеролфосфатный челноч ный механизм. Объяснение в тексте.

руется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидроге назой:

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н+ <=> Глицерол-3-фосфат + НАД+.

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохонд риальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная) глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + ФАД <=> Диоксиацетонфосфат + ФАДН2.

Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН2) вводит на уровне KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиаце тонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимо действовать с цитоплазматическим НАДН + Н+. Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н+), вво димая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ.

Внутренняя митохондриальная Матрикс мембрана митохондрии Цитозоль Малат Малат + + НАД НАД Малатде- Малатде гидрогеназа гидрогеназа | + + Цепь НАДН + Н НАДН + H переноса Оксалоацетат Оксалоацетат электронов Глутамат Глутамат Аспартатамино Аспартатамино трансфераза трансфераза Аспартат Аспартат -Кетоглутарат -Кетоглутарат Рис. 10.11. Малат-аспартатная челночная система для переноса восстанавливающих эквивалентов от цитозольного НАДН в митохондриальный матрикс. Объяснение в тексте.

В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н+ в мито хондрии.

В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малат-ас партатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и ас партатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях.

Установлено, что от цитозольного НАДН + Н+ восстановленные эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы (рис.

10.11) переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты, проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс.

Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД+ восстанавли вается в НАДН + Н+, который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов, локализованную на внутренней мембране митохондрии. В свою очередь образовавшийся оксалоацетат * в присутст вии глутамата и фермента АсАТ вступает в реакцию трансаминирования.

Образующиеся аспарат и -кетоглутарат с помощью специальных транс портных систем способны проходить через мембрану митохондрий.

Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызы вает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легко обратимые реакции, происходит без потребления энергии, «движущей силой» его является постоянное восстановление НАД+ в цитозоле гли церальдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы.

Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результа те полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ (табл. 10.1).

* Образовавшийся оксалоацетат непосредственно не может возвратиться в цитозоль через мембрану.

Таблица 10.1. Образование высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы Число АТФ, Место образования АТФ Метаболический образовавших Фермент (точнее, высокоэргической путь ся на 1 моль связи) и сопряженный процесс глюкозы Гликолиз 6 * Глицеральдегид-3- Окисление 2НАДН в ды фосфатдегидрогеназа хательной цепи Фосфоглицератки- Фосфорилирование на наза уровне субстрата (субст ратное фосфорилирова ние) Пируваткиназа То же Итого... С учетом расходования АТФ в реакциях, катализируемых гексо киназой и фосфофруктокиназой – Итого... Окислительное Пируватдегидрогена- Окисление 2НАДН в ды декарбоксилиро- за (пируватдегидро- хательной цепи вание пировино- геназный комплекс) градной кислоты Итого... Цикл лимонной Изоцитратдегидроге- Окисление 2НАДН в ды кислоты (цикл наза хательной цепи Кребса) -Кетоглутаратде- То же гидрогеназа Сукцинил-КоА-син- Фосфорилирование на тетаза (сукцинаттио- уровне субстрата (субстрат киназа) ное фосфорилирование) Сукцинатдегидроге- Окисление 2 ФАДН2 в наза дыхательной цепи Малатдегидрогеназа Окисление 2НАДН в дыха тельной цепи Итого... Всего на 1 моль глюкозы в аэробных условиях... 38 АТФ * Считают, что НАДН, образовавшийся в ходе гликолиза, поступает в митохондрию с помощью малатного челночного механизма (см. с. 351). Если используется глицерофосфат ный челночный механизм, то образуется только 2 АТФ на 1 моль НАДН и количество образовавшихся всего высокоэргических фосфатных связей будет не 38, а 36.

В табл. 10.1 приведены реакции, в которых происходит образование высокоэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы, с ука занием эффективности процесса в аэробных и анаэробных условиях.

Эффект Пастера Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лак тата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных иссле дований роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано, что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях, где кислород тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера, т.е. перехода в присутствии кислорода от анаэробного гликолиза или брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на наиболее эффек тивный и экономичный путь получения энергии. В результате скорость потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии кислорода сни жается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-ви димому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения) за АДФ, используемый для образования АТФ. Как известно, в аэробных условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление Pi и АДФ, генерация АТФ, а также регенерирование НАД+, окисленного из восстановленного НАДН. Иными словами, уменьшение в присутствии кислорода количества Рi и АДФ и соответствующее увеличение количества АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ Открытие пути прямого окисления углеводов, или, как его называют, пентозофосфатного цикла, принадлежит О. Варбургу, Ф. Липману, Ф. Ди кенсу и В.А. Энгельгарду. Расхождение путей окисления углеводов – клас сического (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) и пентозофос фатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфо рилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, ко торая, окисляясь до ацетил-КоА, затем «сгорает» в цикле Кребса.

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозофосфатного цикла относительно высока в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН, необходимый для биосинтеза жир ных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он 6 Глюкозо-6-фосфат 6 НАДФ+ 6 НАДФН + H+ 6 Фосфоглюконо--лактон 6 Н2О 6 Фосфоглюконат 6 НАДФ+ 6 СО2 6 НАДФН + Н+ 6 Рибулозо-5-фосфат 2 Ксилулозо-5-фосфат 2 Рибозо-5-фосфат 2 Ксилулозо-5-фосфат 2 Седогептулозо-7-фосфат 2 Глицеральдегид-3-фосфат 2 Фруктозо-6-фосфат 2 Эритрозо-4-фосфат 2 Глюкозо-6-фосфат 2 Фруктозо-6-фосфат 2 Глицеральдегид-3 фосфат 2 Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат Pi Фруктозо-6-фосфат Глюкозо-6-фосфат Рис. 10.12. Пентозофосфатный путь окисления углеводов.

поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пенто зофосфатного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм реакций пентозофосфатного цикла достаточно расшифрован.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в ре зультате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла.

Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата (рис. 10.12). Реакции пен тозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки.

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фер мента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и кофермента НАДФ+. Образо вавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо--лактон – соединение неста бильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента 6-фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фос фоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат):

НАДФ+ НАДФН + Н+ H2O Глюкозо-6-фосфат дегидрогеназа 6-Фосфоглюноно Глюкозо-6-фосфат --лактон 6-Фосфоглюконолактоназа 6-Фосфоглюконат Во второй – окислительной – реакции, катализируемой 6-фосфоглюко натдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрирует ся и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН:

НАДФ+ НАДФН + Н+ СO 6-Фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) Рибулозо-5-фосфат 6-Фосфоглюконат Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превра щается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов уста навливается состояние подвижного равновесия:

Эпимераза Изомераза Рибозо-5-фосфат Рибулозо-5-фосфат Ксилулозо-5-фосфат При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так назы ваемый неокислительный этап (стадия) пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэроб ных условиях. При этом образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, фосфотрио зы), а другие – специфические для пентозофосфатного пути (седогептуло зо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозофосфатного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции ка тализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Транскетолаза Глицеральдегид-3-фосфат Ксилулозо-5-фосфат Рибозо-5-фосфат Седогептулозо-7-фосфат Коферментом в транскетолазной реакции служит ТПФ, играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5 фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный моносахарид седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, вто рой раз – при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в ре зультате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритро зо-4-фосфатом:

Транскетолаза Фруктозо-6-фосфат Глицеральдегид-3-фосфат Эритрозо-4-фосфат Ксилулозо-5-фосфат Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на гли церальдегид-3-фосфат:

Трансальдолаза Глицеральдегид-3-фосфат Эритрозо-4-фосфат Фрунтозо-6-фосфат Седогептулозо-7-фосфат Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО2, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюко зо-6-фосфата (см. рис. 10.12). Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 мо лекул СО2 образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пенто зофосфатного цикла можно представить в следующем виде:

6Глюкозо-6-фосфат + 7Н2O + 12НАДФ+ —> 5Глюкозо-6-фосфат + + 6СO2 + Pi + 12 НАДФН + 12Н+ или Глюкозо-6-фосфат + 7Н2O + 12НАДФ+ —> 6СO2 + Рi + 12НАДФН + 12Н+.

Образовавшийся НАДФН используется в цитозоле на восстановитель ные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфори лировании, протекающем в митохондриях.

В последние годы появились работы, которые дают основание предпо лагать, что в некоторых тканях схема пентозофосфатного превращения углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 10.12. Согласно этой более полной схеме пентозофосфатного пути, первые этапы превращения совпа дают с прежней схемой, однако после первой транскетолазной реакции начинаются некоторые отклонения (рис. 10.13).

Считают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в ци тозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зави симости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, обра зовавшихся в клетке (см. рис. 10.13).

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА УГЛЕВОДОВ Пути регуляции метаболизма углеводов крайне разнообразны. На любых уровнях организации живого организма обмен углеводов регулируется факторами, влияющими на активность ферментов, участвующих в реакциях углеводного обмена. К этим факторам относятся концентрация субстратов, содержание продуктов (метаболитов) отдельных реакций, кислородный Неокислительная стадия Окислительная стадия пентозофосфатного пентозофосфатного пути пути Гликолиз Октулозо-8-Ф Глюкоза 6-Фосфоглюконо--лактон Глюкозо-6-Ф Эритрозо-4-Ф Фруктозо-6-Ф Диокси ацетонфосфат Фруктозо-1,6-Ф2 6-ФосФоглюконат Седогептулозо-1,7-Ф Глицеральде Диоксиацетон гид-3-Ф фосфат Седогептулозо-7-Ф СО Пируват Рибулозо-5-Ф Лактат Ксилулозо-5-Ф Рибозо-5-Ф Рис. 10.13. Современная схема пентозофосфатного пути окисления углеводов, отра жающая его связь с гликолизом (по Херсу).

1 - транскетолаза;

2 - трансальдолаза;

3 - альдолаза;

4 - фосфофруктокиназа;

5 - фруктозо-1,6 бисфосфатаза;

6 - гексокиназа;

7 - глюкозофосфатизомераза;

8 - триозофосфатизомераза;

9 глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа;

10 - 6-фосфоглюконолактоназа;

11 - 6-фосфоглюконатдегид рогеназа;

12 - изомераза;

13 - эпимераза;

14 - лактатдегидрогеназа.

режим, температура, проницаемость биологических мембран, концентрация коферментов, необходимых для отдельных реакций, и т.д. (см. главу 4).

В данной главе было показано влияние перечисленных факторов на актив ность ферментных систем углеводного обмена. И тем не менее некоторые аспекты регуляции метаболизма углеводов напомним.

Гликолиз – это совокупность реакций превращения глюкозы в пируват.

У аэробных организмов гликолиз служит как бы прелюдией к циклу трикарбоновых кислот (циклу Кребса). Десять реакций гликолиза про текают в цитозоле. Гликолитический путь играет двоякую роль: приводит к генерированию АТФ в результате распада глюкозы, и он же поставляет строительные блоки для синтеза клеточных компонентов. Реакции гли колитического пути в физиологических условиях легкообратимы, кроме реакций, катализируемых гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируват киназой. Фосфофруктокиназа – наиболее важный регуляторный элемент (фермент) в процессе гликолиза, ингибируется высокими концентрациями АТФ и цитрата и активируется АМФ.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) представляет собой конеч ный общий путь для окисления «топливных» молекул. Большинство «топ ливных» молекул вступает в цикл в виде ацетил-КоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата, приводящее к образованию ацетил-КоА, является связующим звеном между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот. Заметим, что последний служит также источником строительных блоков для процессов биосинтеза. Все реакции цикла протекают в мито хондриях.

Скорость цикла трикарбоновых кислот зависит от потребности в АТФ.

Высокий энергетический заряд клетки понижает активность цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и -кетоглутаратдегидрогеназы. Еще один важ ный регуляторный момент – необратимое образование ацетил-КоА из пи рувата. В результате пентозофосфатного пути происходит генерирование НАДФН и рибозо-5-фосфата в цитозоле. НАДФН участвует в восста новительных биосинтезах, а рибозо-5-фосфат используется в синтезах РНК, ДНК и нуклеотидных коферментов.

Взаимодействие гликолитического и пентозофосфатного путей обес печивает возможность постоянного приспособления концентраций НАДФН, АТФ и строительных блоков, например рибозо-5-фосфата и пирувата, для удовлетворения потребностей клеток.

Наконец, глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно, так что, если активность одного из путей относительно понижается, то активность другого пути повышается.

У человека и животных на всех стадиях синтеза и распада углеводов регуляция углеводного обмена осуществляется при участии ЦНС и гормо нов.

Например, установлено, что концентрация глюкозы в крови ниже 3,3–3,4 ммоль/л (60–70 мг/100 мл) приводит к рефлекторному возбужде нию высших метаболических центров, расположенных в гипоталамусе.

В регуляции углеводного обмена особая роль принадлежит высшему отделу ЦНС – коре большого мозга. Наряду с ЦНС важное влияние на содержание глюкозы оказывают гормональные факторы, т.е. регуляции уровня глю козы в крови осуществляется ЦНС через ряд эндокринных желез (см.

главу 8).

НАРУШЕНИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА При некоторых состояниях можно наблюдать повышение содержания глюкозы в крови – гипергликемию, а также понижение концентрации глю козы – гипогликемию. Гипергликемия является довольно частым симпто мом различных заболеваний, прежде всего связанных с поражением эн докринной системы.

Сахарный диабет. В регуляции гликолиза и глюконеогенеза большую роль играет инсулин. При недостаточности содержания инсулина возникает заболевание, которое носит название «сахарный диабет»: повышается концентрация глюкозы в крови (гипергликемия), появляется глюкоза в моче (глюкозурия) и уменьшается содержание гликогена в печени. Мышечная ткань при этом утрачивает способность утилизировать глюкозу крови.

В печени при общем снижении интенсивности биосинтетических процессов:

биосинтеза белков, синтеза жирных кислот из продуктов распада глю козы – наблюдается усиленный синтез ферментов глюконеогенеза. При вве дении инсулина больным диабетом происходит коррекция метаболических сдвигов: нормализуется проницаемость мембран мышечных клеток для глюкозы, восстанавливается соотношение между гликолизом и глюко неогенезом. Инсулин контролирует эти процессы на генетическом уровне как индуктор синтеза ключевых ферментов гликолиза: гексокиназы, фос фофруктокиназы и пируваткиназы. Инсулин также индуцирует синтез гли когенсинтазы. Одновременно инсулин действует как репрессор синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза. Следует отметить, что индукторами синтеза ферментов глюконеогенеза служат глюкокортикоиды. В связи с этим при инсулярной недостаточности и сохранении или даже повышении секреции кортикостероидов (в частности, при диабете) устранение влияния инсулина приводит к резкому повышению синтеза и концентрации фер ментов глюконеогенеза, особенно фосфоенолпируват-карбоксикиназы, оп ределяющей возможность и скорость глюконеогенеза в печени и почках.

Развитие гипергликемии при диабете можно рассматривать также как результат возбуждения метаболических центров в ЦНС импульсами с хе морецепторов клеток, испытывающих энергетический голод в связи с не достаточным поступлением глюкозы в клетки ряда тканей. Роль системы фруктозо-2,6-бисфосфата в регуляции метаболизма углеводов, а также нарушения ее функционирования при сахарном диабете см. главу 16.

Гипергликемия может возникнуть не только при заболевании под желудочной железы, но и в результате расстройства функции других эндокринных желез, участвующих в регуляции углеводного обмена. Так, гипергликемия может наблюдаться при гипофизарных заболеваниях, опу холях коркового вещества надпочечников, гиперфункции щитовидной же лезы. Иногда гипергликемия появляется во время беременности. Наконец, гипергликемия возможна при органических поражениях ЦНС, расстройст вах мозгового кровообращения, болезнях печени воспалительного или дегенеративного характера. Поддержание постоянства уровня глюкозы в крови, как отмечалось,– важнейшая функция печени, резервные возмож ности которой в этом отношении весьма велики. Поэтому гипергликемия, обусловленная нарушением функции печени, выявляется обычно при тя желых ее поражениях.

Большой клинический интерес представляет изучение реактивности ор ганизма на сахарную нагрузку у здорового и больного человека. В связи с этим в клинике довольно часто исследуют изменения во времени уровня глюкозы в крови, обычно после приема per os 50 г или 100 г глюкозы, растворенной в теплой воде,– так называемая сахарная нагрузка. При оценке построенных гликемических кривых обращают внимание на время максимального подъема, высоту этого подъема и время возврата кон центрации глюкозы к исходному уровню. Для оценки гликемических кривых введено несколько показателей, из которых наиболее важное зна чение имеет коэффициент Бодуэна:

В – А х 100%, А где А – уровень глюкозы в крови натощак;

В – максимальное содержание глюкозы в крови после нагрузки глюкозой. В норме этот коэффициент составляет около 50%. Значения, превышающие 80%, свидетельствуют о серьезном нарушении обмена углеводов.

Гипогликемия. Нередко гипогликемия связана с понижением функций тех эндокринных желез, повышение функций которых приводит, как от мечалось, к гипергликемии. В частности, гипогликемию можно наблюдать при гипофизарной кахексии, аддисоновой болезни, гипотиреозе. Резкое снижение уровня глюкозы в крови отмечается при аденомах поджелудочной железы вследствие повышенной продукции инсулина -клетками панкреа тических островков. Кроме того, гипогликемия может быть вызвана голо данием, продолжительной физической работой, приемом -ганглиоблока торов. Низкий уровень глюкозы в крови иногда отмечается при беремен ности, лактации.

Гипогликемия может возникнуть при введении больным сахарным диабетом больших доз инсулина. Как правило, она сопровождает почечную глюкозурию, возникающую вследствие снижения «почечного порога» для глюкозы.

Глюкозурия. Обычно присутствие глюкозы в моче (глюкозурия) яв ляется результатом нарушения углеводного обмена вследствие патоло гических изменений в поджелудочной железе (сахарный диабет, острый панкреатит и т.д.). Реже встречается глюкозурия почечного происхождения, связанная с недостаточностью резорбции глюкозы в почечных канальцах.

Как временное явление глюкозурия может возникнуть при некоторых острых инфекционных и нервных заболеваниях, после приступов эпилепсии, сотрясения мозга.

Отравления морфином, стрихнином, хлороформом, фосфором также обычно сопровождаются глюкозурией. Наконец, необходимо помнить о глюкозурии алиментарного происхождения, глюкозурии беременных и Таблица 10.2. Типы гликогенозов и их характеристика Основные органы, Тип гликогеноза, Молекулярная причина Структура ткани и клетки, название болезни болезни депонирующие гликогена гликоген I тип, болезнь Дефицит глюкозо-6- Нормальная Печень, почки Гирке фосфатазы II тип, болезнь Дефицит кислой -1,4- » Печень, селезенка, Помпе глюкозидазы почки, мышцы, нервная ткань, эритроциты III тип, болезнь Полное или частич- Короткие много- Печень, мышцы, Форбса, или ное отсутствие ак- численные внеш- лейкоциты, эритро болезнь Кори тивности амило- ние ветви (лимит- циты (1–>6)-глюкозидазы декстрин) и(или) гликогенвет вящего фермента IV тип, болезнь Отсутствие 1,4-глю- Длинные внешние Печень, мышцы, Андерсена кан-6--глюкозил- и внутренние ветви лейкоциты трансферазы с малым числом точек ветвления (амилопектин) V тип, болезнь Недостаточность Нормальная Скелетная муску Мак-Ардла фосфорилазы мышц латура VI тип, болезнь Недостаточность » Печень, лейкоциты Герса фосфорилазы печени VII тип, болезнь Недостаточность » Печень и(или) Томсона фосфоглюкомутазы мышцы VIII тип, болезнь Недостаточность или » Мышцы, эритро Таруи полное отсутствие циты фосфофруктокиназы мышц IX тип, болезнь Недостаточность ки- » Печень Хага назы фосфорилазы b глюкозурии при нервных стрессовых состояниях (эмоциональная глюко зурия).

Изменение углеводного обмена при гипоксических состояниях. Отставание скорости окисления пирувата от интенсивности гликолиза наблюдается чаще всего при гипоксических состояниях, обусловленных различными нарушениями кровообращения или дыхания, высотной болезнью, анемией, понижением активности системы тканевых окислительных ферментов при некоторых инфекциях и интоксикациях, гипо- и авитаминозах, а также в результате относительной гипоксии при чрезмерной мышечной работе.

При усилении гликолиза происходит накопление пирувата и лактата в крови, что сопровождается обычно изменением кислотно-основного равновесия, уменьшением щелочных резервов крови. Увеличение содержа ния лактата и пирувата в крови может наблюдаться также при поражениях паренхимы печени (поздние стадии гепатита, цирроз печени и т.п.) в результате торможения процессов глюконеогенеза в печени.

Гликогенозы. Ряд наследственных болезней связан с нарушением обмена гликогена. Эти болезни получили название гликогенозов. Они возникают в связи с дефицитом или полным отсутствием ферментов, катализирующих процессы распада или синтеза гликогена, и характеризуются избыточным его накоплением в различных органах и тканях (табл. 10.2).

Гликогеноз I типа (болезнь Гирке) встречается наиболее часто, обуслов лен наследственным дефектом синтеза фермента глюкозо-6-фосфатазы в печени и почках. Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Патологические симптомы появляются уже на первом году жизни ребенка:

увеличена печень, нередко увеличены почки. В результате гипогликемии появляются судороги, задержка роста, возможен ацидоз. В крови – по вышенное количество лактата и пирувата. Введение адреналина или глюка гона вызывает значительную гиперлактатацидемию, но не гипергликемию, так как глюкозо-6-фосфатаза в печени отсутствует и образования свободной глюкозы не происходит.

Глава МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ РОЛЬ ЛИПИДОВ В ПИТАНИИ Липиды являются обязательной составной частью сбалансированного пи щевого рациона человека. В среднем в организм взрослого человека с пищей ежесуточно поступает 60–80 г жиров животного и растительного происхождения. В пожилом возрасте, а также при малой физической нагрузке потребность в жирах снижается, в условиях холодного климата и при тяжелой физической работе – увеличивается.

Значение жиров как пищевого продукта весьма многообразно. Жиры в питании человека прежде всего имеют важное энергетическое значение.

Энергетическая ценность жиров выше, чем белков и углеводов. Известно, что при окислении 1 г жиров организм получает 38,9 кДж (9,3 ккал), тогда как при окислении 1 г белков или углеводов – 17,2 кДж (4,1 ккал). Кроме того, жиры являются растворителями витаминов A, D, Е и К, в связи с чем обеспеченность организма этими витаминами в значительной степени зависит от поступления жиров в составе пищи. С жирами в организм вводятся и некоторые полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые относят к категории незаменимых (эссенциальных) жирных кислот, так как ткани человека и ряда животных потеряли способность синтезировать их. Эти кислоты условно объединены в группу под названием «витамин F».

Известно также, что жир обеспечивает вкусовые качества пищи;

кроме того, он необходим для ее приготовления и хранения. Все это привело к тому, что потребление жира в высокоразвитых странах столь велико, что за его счет покрывается более 35%, а во многих странах более 40% энерготрат организма. Это в свою очередь очень часто ведет к тому, что прием обогащенной жирами пищи перекрывает физиологические потреб ности организма в энергии. Отсюда такие неблагоприятные явления, как ожирение значительной части населения. Поэтому знание метаболизма липидов нормального организма необходимо и для понимания причин многих болезней. Известно, что нарушения метаболизма липидов возни кают, например, как при избыточном, так и при недостаточном приеме жиров, дефиците тех или иных ферментов, при дисбалансе гормонов и т.д.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ ЛИПИДОВ Расщепление триглицеридов в пищеварительном тракте. Слюна не содержит расщепляющих жиры ферментов. Следовательно, в полости рта жиры не подвергаются никаким изменениям. У взрослых людей жиры проходят через желудок также без особых изменений. В желудочном соке содержится липаза, получившая название желудочной, однако роль ее в гидролизе пищевых триглицеридов у взрослых людей невелика. Во-первых, в же лудочном соке взрослого человеа и других млекопитающих содержание липазы крайне низкое. Во-вторых, рН желудочного сока далек от оптимума действия этого фермента (оптимальное значение рН для желудочной липазы 5,5–7,5). Напомним, что значение рН желудочного сока около 1,5.

В-третьих, в желудке отсутствуют условия для эмульгирования тригли церидов, а липаза может активно действовать только на триглицериды, находящиеся в форме эмульсии. Поэтому у взрослых неэмульгированные триглицериды, составляющие основную массу пищевого жира, проходят через желудок без особых изменений. Вместе с тем расщепление три глицеридов в желудке играет важную роль в пищеварении у детей, особенно грудного возраста. Слизистая оболочка корня языка и примыкающей к нему области глотки ребенка грудного возраста секретирует собственную липазу в ответ на сосательные и глотательные движения (при кормлении грудью). Эта липаза получила название лингвальной. Активность линг вальной липазы не успевает «проявиться» в полости рта, и основным местом ее воздействия является желудок. Оптимум рН лингвальной липазы в пределах 4,0–4,5;

он близок к величине рН желудочного сока у таких детей. Лингвальная липаза наиболее активно действует на триглицериды, содержащие жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи, что характерно для триглицеридов молока. Иными словами, жир молока – самый подходящий субстрат для этого энзима. У взрослых активность лингвальной липазы крайне низкая.

Расщепление триглицеридов в желудке взрослого человека невелико, но оно в определенной степени облегчает последующее переваривание их в кишечнике. Даже незначительное по объему расщепление триглицеридов в желудке приводит к появлению свободных жирных кислот, которые, не подвергаясь всасыванию в желудке, поступают в кишечник и способствуют там эмульгированию жиров, облегчая таким образом воздействие на них липазы панкреатического сока.

После того как химус попадает в двенадцатиперстную кишку, прежде всего происходит нейтрализация попавшей в кишечник с пищей соляной кислоты желудочного сока бикарбонатами, содержащимися в панкреати ческом и кишечном соках. Выделяющиеся при разложении бикарбонатов пузырьки углекислого газа способствуют хорошему перемешиванию пи щевой кашицы с пищеварительными соками. Одновременно начинается эмульгирование жира. Наиболее мощное эмульгирующее действие на жиры оказывают соли желчных кислот, попадающие в двенадцатиперстную кишку с желчью в виде натриевых солей. Большая часть желчных кислот конъюгирована с глицином или таурином. По химической природе желчные кислоты являются производными холановой кислоты:

Холановая кислота Желчные кислоты представляют собой основной конечный продукт метаболизма холестерина.

В желчи человека в основном содержатся холевая (3,7,12-триоксихола новая), дезоксихолевая (3,12-диоксихолановая) и хенодезоксихолевая (3,7 диоксихолановая) кислоты (все гидроксильные группы имеют -конфи гурацию и поэтому обозначены пунктирной линией):

Холевая кислота Дезоксихолевая кислота Хенодезоксихолевая кислота Кроме того, в желчи человека в малых количествах содержатся лито холевая (3-оксихолановая) кислота, а также аллохолевая и уреодезокси холевая кислоты – стереоизомеры холевой и хенодезоксихолевой кислот.

Как отмечалось, желчные кислоты присутствуют в желчи в конъюги рованной форме, т.е. в виде гликохолевой, гликодезоксихолевой, гли кохенодезоксихолевой (около 2/3 – 4/5 всех желчных кислот) или таурохо левой, тауродезоксихолевой и таурохенодезоксихолевой (около 1/5 – 1/3 всех желчных кислот) кислот. Эти соединения иногда называют парными желч ными кислотами, так как они состоят из двух компонентов – желчной кислоты и глицина или таурина. Соотношения между конъюгатами обоих видов могут меняться в зависимости от характера пищи: в случае преобла дания в ней углеводов увеличивается относительное содержание глицино вых конъюгатов, а при высокобелковой диете – тауриновых конъюгатов.

Строение парных желчных кислот может быть представлено в следующем виде:

Гликохолевая кислота Таурохолевая кислота Считают, что только комбинация соль желчной кислоты + ненасыщен ная жирная кислота + моноглицерид придает необходимую степень эмуль гирования жира. Соли желчных кислот резко уменьшают поверхностное натяжение на поверхности раздела жир/вода, благодаря чему они не только облегчают эмульгирование, но и стабилизируют уже образовавшуюся эмульсию.

Известно, что основная масса пищевых глицеридов подвергается рас щеплению в верхних отделах тонкой кишки при действии липазы панкреа тического сока. Этот фермент был впервые обнаружен известным фран цузским физиологом С. Bernard в середине прошлого века.

Панкреатическая липаза (КФ 3.1.1.3) является гликопротеидом, имею щим мол. массу 48000 (у человека) и оптимум рН 8–9. Данный фермент расщепляет триглицериды, находящиеся в эмульгированном состоянии (действие фермента на растворенные субстраты значительно слабее). Как и другие пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин), панкреатическая липаза поступает в верхний отдел тонкой кишки в виде неактивной пролипазы.

Превращение пролипазы в активную липазу происходит при участии желчных кислот и еще одного белка панкреатического сока – колипазы (мол.

масса 10000). Последняя присоединяется к пролипазе в молекулярном соотношении 2:1. Это приводит к тому, что липаза становится активной и устойчивой к действию трипсина.

Установлено, что основными продуктами расщепления триглицеридов при действии панкреатической липазы являются (2)-моноглицерид и жир ные кислоты. Фермент катализирует гидролиз эфирных связей в (1), '(3)-положениях, в результате чего и образуются (2)-моноглицерид и две частицы (молекулы) жирной кислоты. На скорость катализируемого липа зой гидролиза триглицеридов не оказывает существенного влияния ни степень ненасыщенности жирных кислот, ни длина ее цепи (от С12 до С18).

Гидролиз триглицеридов при участии панкреатической липазы можно изобразить в виде следующей схемы:

Н2О Н2О R3COOH R1COOH Триглицерид 1,2-Диглицерид 2,3-Диглицерид H2O Н2О R1COOH R3COOH 2-Моноглицерид Н2О R2COOH Глицерин (глицерол) В панкреатическом соке наряду с липазой содержится моноглицеридная изомераза – фермент, катализирующий внутримолекулярный перенос ацила из (2)-положения моноглицерида в (1)-положение. В процессе перева ривания пищевых жиров при участии этого фермента примерно треть -моноглицерида превращается в -моноглицерид. Поскольку эфирная связь в -положении чувствительна к действию панкреатической липазы, последняя расщепляет большую часть -моноглицеридов до конечных продуктов – глицерина и жирной кислоты. Меньшая часть -моноглице ридов успевает всосаться в стенку тонкой кишки, минуя воздействие липазы.

Всасывание триглицеридов и продуктов их расщепления. Всасывание происходит в проксимальной части тонкой кишки. Тонкоэмульгированные жиры (величина жировых капель эмульсии не должна превышать 0,5 мкм) частично могут всасываться через стенки кишечника без предварительного гидролиза. Основная часть жира всасывается лишь после расщепления его панкреатической липазой на жирные кислоты, моноглицериды и глицерин.

Жирные кислоты с короткой углеродной цепью (менее 10 атомов углерода) и глицерин, будучи хорошо растворимыми в воде, свободно всасываются в кишечнике и поступают в кровь воротной вены, оттуда в печень, минуя какие-либо превращения в кишечной стенке.

Более сложно происходит всасывание жирных кислот с длинной угле родной цепью и моноглицеридов. Этот процесс осуществляется при участии желчи и главным образом желчных кислот, входящих в ее состав. В желчи соли желчных кислот, фосфолипиды и холестерин содержатся в соотно шении 12,5:2,5:1,0. Жирные кислоты с длинной цепью и моноглицериды в просвете кишечника образуют с этими соединениями устойчивые в водной среде мицеллы. Структура мицелл такова, что их гидрофобное ядро (жирные кислоты, моноглицериды и др.) оказывается окруженным снаружи гидрофильной оболочкой из желчных кислот и фосфолипидов. Мицеллы примерно в 100 раз меньше самых мелких эмульгированных жировых капель. В составе мицелл высшие жирные кислоты и моноглицериды переносятся от места гидролиза жиров к всасывающей поверхности ки шечного эпителия. Относительно механизма всасывания жировых мицелл единого мнения нет. Одни исследователи считают, что в результате так называемой мицеллярной диффузии, а возможно, и пиноцитоза мицеллы целиком проникают в эпителиальные клетки ворсинок, где происходит распад жировых мицелл. При этом желчные кислоты сразу поступают в ток крови и через систему воротной вены попадают сначала в печень, а оттуда вновь в желчь. Другие исследователи допускают возможность перехода в клетки ворсинок только липидного компонента жировых мицелл. Соли желчных кислот, выполнив свою физиологическую роль, остаются в про свете кишечника;

позже основная масса их всасывается в кровь (в под вздошной кишке), попадает в печень и затем выделяется с желчью. Таким образом, все исследователи признают, что происходит постоянная цирку ляция желчных кислот между печенью и кишечником. Этот процесс получил название печеночно-кишечной (гепатоэнтеральной) циркуляции.

С помощью метода меченых атомов было показано, что в желчи содержится лишь небольшая часть желчных кислот (10–15% от общего количества), вновь синтезированных печенью. Таким образом, основная масса желчных кислот (85–90%) – это желчные кислоты, реабсорбирован ные в кишечнике и повторно секретируемые в составе желчи. Установлено, что у человека общий пул желчных кислот составляет примерно 2,8–3,5 г, при этом они совершают 6–8 оборотов в сутки.

Расщепление и всасывание фосфолипидов и холестерина. Подавляющая часть фосфолипидов содержимого тонкой кишки приходится на фосфати дилхолин (лецитин), основная масса которого поступает в кишечник с желчью (11–12 г/сут) и меньшая часть (1–2 г/сут) – с пищей.

Существует две точки зрения относительно судьбы поступивших в тон кую кишку экзогенных и эндогенных фосфолипидов. Согласно одной из них, и те, и другие фосфолипиды подвергаются в кишечнике атаке со стороны фосфолипазы А2, катализирующей гидролиз сложноэфирной связи в -положении. В результате катализируемой фосфолипазой А2 реакции глицерофосфолипиды расщепляются с образованием лизофосфолипида и жирной кислоты. Лизофосфолипид может подвергаться расщеплению при действии другого фермента панкреатического сока – лизофосфолипазы.

В результате из лизолецитина освобождается последняя частица жирной кислоты и образуется глицерофосфохолин, который хорошо растворяется в водной среде и всасывается из кишечника в кровь.

Сторонники другой точки зрения считают, что фосфолипиды «желч ного» (более точно печеночного) происхождения в отличие от пище вых фосфолипидов не подвергаются воздействию фосфолипазы А2. Сле довательно, функция «желчных» фосфолипидов исключительно связана с гепатоэнтеральной циркуляцией желчи: с желчью они поступают в кишечник, с желчными кислотами участвуют в мицеллярной солюбили зации липидов и вместе с ними возвращаются в печень. Таким обра зом, существует как бы два пула фосфолипидов в кишечнике: «желч ный», защищенный от действия фосфолипазы А2, и «пищевой», подвер женный ее действию. Пока трудно объяснить причину существования двух пулов фосфолипидов и их различное отношение к действию фосфоли пазы А2.

В зависимости от пищи организм взрослого человека получает ежеднев но 300–500 мг холестерина, содержащегося в пищевых продуктах частично в свободном (неэстерицифицированном) виде, частично в виде эфиров с жирными кислотами. Эфиры холестерина расщепляются на холестерин и жирные кислоты особым ферментом панкреатического и кишечного соков – гидролазой эфиров холестерина, или холестеролэстеразой (КФ 3.1.1.13). В тонкой кишке происходит всасывание холестерина, источником которого являются:

– холестерин пищи (0,3–0,5 г/сут;

у вегетарианцев значительно меньше);

– холестерин желчи (ежедневно с желчью выделяется 1–2 г эндогенного неэстерифицированного холестерина);

– холестерин, содержащийся в слущенном эпителии пищеварительного тракта и в кишечных соках (до 0,5 г/сут).

В общей сложности в кишечник поступает 1,8–2,5 г эндогенного и экзо генного холестерина. Из этого количества около 0,5 г холестерина вы деляется с фекалиями в виде восстановленного продукта – копростерина и очень небольшая часть в виде окисленных продуктов – холестенона и др.

И восстановление, и окисление холестерина происходят в толстой кишке под воздействием ферментов микробной флоры. Основная часть холесте рина в неэстерифицированной форме подвергается всасыванию в тонкой кишке в составе смешанных жировых мицелл, состоящих из желчных кислот, жирных кислот, моноглицеридов, фосфолипидов и лизофосфо липидов.

Ресинтез липидов в кишечной стенке. Триглицериды. По современным представлениям, ресинтез триглицеридов происходит в эпителиальных клетках (энтероцитах слизистой оболочки ворсинок тонкой кишки) двумя путями. Первый путь – -моноглицеридный. Долгое время этот путь счи тался единственным. Суть его состоит в том, что -моноглицериды и жир ные кислоты, проникающие в процессе всасывания в эпителиальные клетки кишечной стенки, задерживаются в гладком эндоплазматическом рети кулуме клеток. Здесь из жирных кислот образуется их активная форма – ацил-КоА и затем происходит ацилирование -моноглицеридов с обра зованием сначала диглицеридов, а затем триглицеридов:

-Моноглицерид + R—СО—S-KoA –> Диглицерид + HS-KoA ;

Диглицерид + R1—СО—S-KoA –> Триглицерид + HS-KoA.

Все реакции катализируются ферментным комплексом – триглицерид синтетазой, включающим в себя ацил-КоА-синтетазу, моноглицеридацил трансферазу и диглицеридацилтрансферазу.

Второй путь ресинтеза триглицеридов протекает в шероховатом эндо плазматическом ретикулуме эпителиальных клеток и включает следующие реакции:

1) образование активной формы жирной кислоты – ацил-КоА при учас тии ацил-КоА-синтетазы;

2) образование -глицерофосфата при участии глицеролкиназы;

3) превращение -глицерофосфата в фосфатидную кислоту при участии глицерофосфат-ацилтрансферазы;

4) превращение фосфатидной кислоты в диглицерид при участии фос фатидат-фосфогидролазы;

5) ацилирование диглицерида с образованием триглицерида при участии диглицеридацилтрансферазы.

Как видно, первая и последняя реакции повторяют аналогичные реакции -моноглицеридного пути. Установлено, что -глицерофосфатный путь ресинтеза жиров (триглицеридов) приобретает значение, если в эпите лиальные клетки слизистой оболочки тонкой кишки поступили преиму щественно жирные кислоты. В случае, если в стенку кишки поступили жирные кислоты вместе с -моноглицеридами, запускается -моногли церидный путь. Как правило, наличие в эпителиальных клетках избытка -моноглицеридов тормозит протекание -глицерофосфатного пути.

Ресинтез фосфолипидов в кишечной стенке. В энтероцитах наряду с ре синтезом триглицеридов происходит также и ресинтез фосфолипидов.

В образовании фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов участвует ресинтезированный диглицерид, а в образовании фосфатидилинозитолов – ресинтезированная фосфатидная кислота. Участие этих субстратов в обра зовании фосфолипидов в стенке кишечника происходит по тем же зако номерностям, что и в других тканях (см. с. 396, 397).

Необходимо подчеркнуть, что в стенке кишечника синтезируются жиры, в значительной степени специфичные для данного вида животного и отли чающиеся по своему строению от пищевого жира. В известной мере это обеспечивается тем, что в синтезе триглицеридов (а также фосфолипидов) в кишечной стенке принимают участие наряду с экзогенными и эндогенные жирные кислоты. Однако способность к осуществлению в стенке кишечника синтеза жира, специфичного для данного вида животного, все же огра ничена. Показано, что при скармливании животному (например, собаке), особенно предварительно голодавшему, больших количеств чужеродного жира (например, льняного масла или верблюжьего жира) часть его обна руживается в жировых тканях животного в неизмененном виде. Жировая ткань скорее всего является единственной тканью, где могут откладываться чужеродные жиры. Липиды, входящие в состав протоплазмы клеток других органов и тканей, отличаются высокой специфичностью, их состав и свойст ва мало зависят от пищевых жиров.

Образование хиломикронов и транспорт липидов. Ресинтезированные в эпителиальных клетках кишечника триглицериды и фосфолипиды, а также поступивший в эти клетки из полости кишечника холестерин (здесь он может частично эстерифицироваться) соединяются с небольшим коли чеством белка и образуют относительно стабильные комплексные час тицы – хиломикроны (ХМ). Последние содержат около 2% белка, 7% фосфолипидов, 8% холестерина и его эфиров и более 80% триглицеридов.

Диаметр ХМ колеблется от 0,1 до 5 мкм. Благодаря большим размерам частиц ХМ не способны проникать из эндотелиальных клеток кишечника в кровеносные капилляры и диффундируют в лимфатическую систему кишечника, а из нее – в грудной лимфатический проток. Затем из грудного лимфатического протока ХМ попадают в кровяное русло, т.е. с их помощью осуществляется транспорт экзогенных триглицеридов, холесте рина и частично фосфолипидов из кишечника через лимфатическую систему в кровь. Уже через 1–2 ч после приема пищи, содержащей жиры, наблю дается алиментарная гиперлипемия. Это физиологическое явление, харак теризующееся в первую очередь повышением концентрации триглицеридов в крови и появлением в ней ХМ. Пик алиментарной гиперлипемии наблю дается через 4–6 ч после приема жирной пищи. Обычно через 10–12 ч после приема пищи содержание триглицеридов возвращается к нормальным величинам, а ХМ полностью исчезают из кровяного русла.

Известно, что печень и жировая ткань играют наиболее существенную роль в дальнейшей судьбе ХМ. Последние свободно диффундируют из плазмы крови в межклеточные пространства печени (синусоиды). Допуска ется, что гидролиз триглицеридов ХМ происходит как внутри печеночных клеток, так и на поверхности. ХМ не способны (из-за своих размеров) проникать в клетки жировой ткани. В связи с этим триглицериды ХМ подвергаются гидролизу на поверхности эндотелия капилляров жировой ткани при участии фермента липопротеидлипазы.

ЖИРОВАЯ ТКАНЬ И ЕЕ УЧАСТИЕ В ОБМЕНЕ ЛИПИДОВ Общее количество жировой ткани у взрослого мужчины со средней массой тела равно примерно 20 кг, а у тучных людей – на десятки килограммов больше. Жировая ткань, состоящая в основном из жировых клеток, или адипоцитов, распространена по всему организму: под кожей, в брюшной полости, образует жировые прослойки вокруг отдельных органов. Около 65% от массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триглицеридов, что составляет приблизительно 95% от всех триглицеридов организма.

Известно, что главным источником жирных кислот, используемых в качестве «топлива», служит резервный жир, содержащийся в жировой ткани. Принято считать, что триглицериды жировых депо выполняют в обмене липидов такую же роль, как гликоген в печени в обмене углеводов, а высшие жирные кислоты по своей энергетической роли напоминают глюкозу, которая образуется в процессе фосфоролиза гликогена. При физической работе и других состояниях организма, требующих повы шенных энергозатрат, потребление триглицеридов жировой ткани как энергетического резерва увеличивается.

Липолиз триглицеридов в жировой ткани *. В качестве источника энергии могут использоваться только свободные, т.е. неэстерифицированные, жир ные кислоты. Поэтому триглицериды сначала гидролизуются при помощи специфических тканевых ферментов – липаз – до глицерина и свободных жирных кислот. Последние из жировых депо могут переходить в плазму крови (мобилизация высших жирных кислот), после чего они используются тканями и органами тела в качестве энергетического материала.

В жировой ткани содержится несколько липаз, из которых наибольшее значение имеют триглицеридлипаза (так называемая гормоночувствитель ная липаза), диглицеридлипаза и моноглицеридлипаза. Активность двух последних ферментов в 10–100 раз превышает активность первого. Три глицеридлипаза активируется рядом гормонов (например, адреналином, норадреналином, глюкагоном и др.), тогда как диглицеридлипаза и мо ноглицеридлипаза не чувствительны к их действию. Триглицеридлипаза является регуляторным ферментом.

Установлено, что гормоночувствительная липаза (триглицеридлипаза) находится в жировой ткани в неактивной форме, и активация ее гормонами протекает сложным каскадным путем, включающим участие по крайней мере двух ферментативных систем. Процесс начинается со взаимодействия гормона с клеточным рецептором, в результате чего модифицируется структура рецептора (сам гормон в клетку не поступает) и такой рецептор активирует аденилатциклазу (КФ 4.6.1.1). Последняя, как известно, ка тализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из аденозинтрифосфата (АТФ):

Аденилатциклаза АТФ цАМФ + РРi + Н+.

Образовавшийся цАМФ активирует фермент протеинкиназу (КФ 2.7.1.37), который путем фосфорилирования неактивной триглицеридлипазы пре вращает ее в активную форму (рис. 11.1). Активная триглицеридлипаза расщепляет триглицерид на диглицерид и жирную кислоту. Затем при действии ди- и моноглицеридлипаз образуются конечные продукты липо лиза – глицерин и свободные жирные кислоты, которые поступают в кровя ное русло.

Скорость липолиза триглицеридов не является постоянной, она под вержена регулирующему влиянию различных факторов, среди которых особое значение имеют нейрогормональные (табл. 11.1).

Связанные с альбуминами плазмы крови в виде комплекса свободные жирные кислоты с током крови попадают в органы и ткани, где комплекс распадается, а жирные кислоты подвергаются либо -окислению, либо частично используются для синтеза триглицеридов, глицерофосфолипидов, сфингофосфолипидов и других соединений, а также на эстерификацию холестерина.

* В жировых клетках (адипоцитах), помимо активного липолиза триглицеридов, про текают и такие метаболические процессы, как гликолиз, окисление глюкозы через пенто зофосфатный путь, цикл трикарбоновых кислот, -окисление жирных кислот, синтез жирных кислот, реэстерификация последних (образование триглицеридов) и мобилизация (высво бождение) жирных кислот.

Гормон Первичный Модифицированный акцептор первичный акцептор Активная Неактивная аденилатциклаза аденилатциклаза Циклич. 3',5'-АМФ АТФ Активная Неактивная протеинкиназа протеинкиназа Активная Неактивная липаза липаза ДГ + ЖК ТГ МГ + ЖК ГЛ + ЖК Рис. 11.1. Липолитический каскад (по Стайнбергу).

ТГ - триглицериды;

ДГ - диглицериды;

МГ - моноглицериды;

ГЛ - глицерин;

ЖК - жирные кис лоты.

Таблица 11.1. Влияние некоторых факторов на липолиз григлицеридов в жировой ткани [Климов А.Н., Никульчева Н.Г., 1995] Характер Предполагаемый механизм Фактор действия действия Катехоламины Усиление Активация аденилатциклазы Глюкагон » » » » Тироксин » » » Глюкокортикоиды Активация синтеза протеинкиназы » Гормон роста Активация синтеза аденилатциклазы » АКТГ » » » » Стресс Повышение секреции катехоламинов и снижение секреции инсулина » Физическая нагрузка То же » » » Голодание » Охлаждение » » Инсулин Угнетение Активация фосфодиэстеразы (усиле ние гидролиза цАМФ), снижение активности аденилатциклазы » Простагландины Снижение активности аденилатцик лазы » Никотиновая кислота То же ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна;

основным ис точником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу -окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе (-углеродного атома) был замещен радикалом (С6Н5–).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в -положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты. После очередного -окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория -окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила ос новой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транс порт жирной кислоты в клетку;

при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля;

при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих ос новных этапов.

Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окисле нию, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg2+. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА синтетазой:

R—COOH + HS-KoA + АТФ R—CO—S-KoA + Ацил-КоА-синтетаза Жирная кислота + АМФ + РРi.

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представ ляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидро ксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

+ R-CO-S-KoA Карнитин Ацил-КоА + HS-KoA Ацилкарнитин (в цитоплазме) Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий проис ходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

+ HS-KoA Ацилкарнитин (в митохондрии) R-CO-S-КоА + Ацил-КоА Карнитин Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последо вательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в - и -положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3:

+ ФАД Ацил-КоА-дегидрогеназа Ацил-КоА + ФАДН Еноил-КоА Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каж дая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды.

В результате образуется -оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Н2О Еноил-КоА-гидратаза Еноил-КоА -Оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гид ратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-2-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся -оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД+-зависимые дегидрогеназы:

НАД+ 3-Гидроксиацил-КоА 3-Гидроксиацил-КоА дегидрогеназа + НАДН + Н+ 3-Оксоацил-КоА Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окис ление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (-ке тотиолазой):

HS-KoA Ацетил-КоА-ацилтрансфераза -Кетоацил-КоА (3-оксоацил-КоА) R–CH2–CO–S-KoA + СН3–СО–S-KoA Ацил-КоА Ацетил-КоА Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь -окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисля ется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С16) повторяется 7 циклов -окисления. Запом ним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных АМФ + PPi + АТФ ЖК с длинной цепью Ацил-КоА + КоА Ацил-КоА, Ацетил-КоА укороченный на С ФАД КоА ФАДН -Кетоацил-КоА,-Ненасыщен ный ацил-КоА Н2O + НАДН+Н + НАД -Гидроксиацил-КоА Рис. 11.2. Окисление жирной кислоты («спираль Линена»). Подробно представлен первый цикл окисления - укорочение цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Остальные циклы аналогичны первому (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульче вой).

1 - ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3);

2 - еноил-КоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17.);

3 - -гидро ксиацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.1.1.35);

4 - тиолаза (КФ 2.3.1.9).

атомов, происходит n/2–1 цикл -окисления (т.е. на один цикл меньше, чем n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование 2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Сле довательно, суммарное уравнение -окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД+ + 7Н2O + 7HS-KoA –> –> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН2 + 7НАДН + 7Н+.

Баланс энергии. При каждом цикле -окисления образуются одна молекула ФАДН2 и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают:

ФАДН2 – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе -окисления пальмити новой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном -окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальми тиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии F при полном сгорании 1 моля пальмитиновой кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что при мерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окис ления жирных кислот при стандартных условиях составляет ~ 40%, что близко к соответствующей величине для гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования.

Окисление ненасыщенных жирных кислот Окисление ненасыщенных жирных кислот в принципе происходит так же, как и окисление насыщенных жирных кислот, но с некоторыми особен ностями. Двойные связи природных ненасыщенных жирных кислот (олеи новой, линолевой и т.д.) имеют цис-конфигурацию, а в КоА-эфирах ненасыщенных кислот, являющихся промежуточными продуктами при -окислении насыщенных жирных кислот, двойные связи имеют транс конфигурацию. Кроме того, последовательное удаление двууглеродных фрагментов при окислении ненасыщенных жирных кислот до первой двой ной связи дает 3,4-ацил-КоА, а не 2,3-ацил-КоА, который является промежуточным продуктом при -окислении ненасыщенных жирных кис лот:

В тканях существует фермент, который осуществляет перемещение двойной связи из положения 3–4 в положение 2–3, а также изменяет конфигурацию двойной связи из 2,3цис- в транс-положение. Этот фермент получил название 3,4-цис –> -транс-еноил-КоА-изомеразы. На рис.

11.3 представлен путь -окисления олеиновой кислоты, иллюстрирующий назначение данного фермента *.

Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов Как отмечалось, основная масса природных липидов содержит жирные кислоты с четным числом углеродных атомов. Однако в липидах многих растений и некоторых морских организмов присутствуют жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода. Кроме того, у жвачных животных при переваривании углеводов в рубце образуется большое количество про пионовой кислоты, которая содержит три углеродных атома. Пропионат всасывается в кровь и окисляется в печени и других тканях. Установлено, что жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов окисляются * При -окислении жирных кислот, имеющих две и более ненасыщенные связи, требуется еще один дополнительный фермент - 3-гидроксиацил-КоА-эпимераза.

+ АТФ + HS-KoA Олеиновая кислота + АМФ + РРi Олеиноил-КоА -Окисление 3,4-цис-Еноил-КоА 3,4-цис-2,3-транс-Еноил-КоА изомераза 2,3-транс-Еноил-КоА -Окисление 6СН3–СО–S-КоА Рис. 11.3. Этапы -окисле ния олеиновой кислоты.

Ацетил-КоА таким же образом, как и жирные кислоты с четным числом углеродных атомов, с той лишь разницей, что на последнем этапе расщепления (-окисления) образуется одна молекула пропионил-КоА и одна молекула ацетил-КоА, а не 2 молекулы ацетил-КоА.

Активированный трехуглеродный фрагмент – пропионил-КоА – включа ется в цикл трикарбоновых кислот после превращения в сукцинил-КоА.

АТФ АМФ РРi Пропионил-КоА-карбоксилаза Пропионил-КоА D-метилмалонил-КоА Метилмалонил эпимераза Метилмалонил-КоА-мутаза L-метилмалонил-КоА Сукцинил-КоА МЕТАБОЛИЗМ КЕТОНОВЫХ ТЕЛ Под термином «кетоновые (ацетоновые) тела» подразумевают ацетоук сусную кислоту (ацетоацетат) СН3СОСН2СООН, -оксимасляную кислоту (-оксибутират, или D-3-гидроксибутират) СН3СНОНСН2СООН и ацетон СН3СОСН3.

В здоровом организме ацетон в крови присутствует в крайне низких концентрациях, образуется в результате спонтанного декарбоксилирования ацетоацетата и, по-видимому, не имеет определенного физиологического значения.

Кетоновые тела образуются в печени. Прежние представления о том, что кетоновые тела являются промежуточными продуктами -окисления жир ных кислот, оказались ошибочными.

Во-первых, в обычных условиях промежуточными продуктами -окис ления жирных кислот являются КоА-эфиры этих кислот, например -окси бутирил-КоА, ацетоацетил-КоА.

Во-вторых, -оксибутирил-КоА, образующийся в печени при -окисле нии жирных кислот, имеет L-конфигурацию, в то время как -оксибутират, обнаруживаемый в крови, представляет собой D-изомер. Именно -окси бутират D-конфигурации образуется в ходе метаболического пути синтеза -окси--метилглутарил-КоА (3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА):

Ацетил-КоА Ацетил-КоА ацетил-транс фераза (3-ке HS-КoA тотиолаза) CH3–CO–CH2–CO–S-КoA Ацетоацетил-КоА СН3СО–S-KoA Гидроксиметилглу Н2О тарил-КоА-синте таза HS-КoA -Окси--метилглутарил-КоА (3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА) Гидроксиметилглу тарил-КоА-лиаза СН3–СО–S-КoA СН3–СО–СН2–СООН СН3–СО–СН Ацетон Ацетоацетат НАДН + Н+ Гидроксибутират дегидрогеназа НАД+ СН3–СНОН–СН2–СООН -Оксибутират (D-3-гидроксибутират) На первом этапе из 2 молекул ацетил-КоА образуется ацетоацетил-КоА.

Реакция катализируется ферментом ацетил-КоА-ацетилтрансферазой (3-ке тотиолазой). Затем ацетоацетил-КоА взаимодействует еще с одной моле кулой ацетил-КоА. Реакция протекает под влиянием фермента гидро ксиметилглутарил-КоА-синтетазы. Образовавшийся -окси--метилглута рил-КоА способен под действием гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы расщепляться на ацетоацетат и ацетил-КоА.

Ацетоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой D-3-гид роксибутиратдегидрогеназы, при этом образуется D--оксимасляная кис лота (D-3-гидроксибутират). Следует подчеркнуть, что фермент специфичен по отношению к D-стереоизомеру и не действует на КоА-эфиры.

Существует второй путь синтеза кетоновых тел. Образовавшийся путем конденсации 2 молекул ацетил-КоА ацетоацетил-КоА способен отщеплять коэнзим А и превращаться в ацетоацетат. Этот процесс катализируется ферментом ацетоацетил-КоА-гидролазой (деацилазой):

CH3—CO—CH2—CO—S-KoA + Н2О –> СН3—СО—СН2—СООН + HS-KoA Ацетоацетил-КоА Ацетоацетат Однако второй путь образования ацетоуксусной кислоты (ацетоацетата) не имеет существенного значения, так как активность деацилазы в печени низкая.

В настоящее время ясна молекулярная основа изречения, что «жиры сгорают в пламени углеводов». Известно, что ацетил-КоА, образовавшийся при окислении жирных кислот, включается в цикл трикарбоновых кислот в условиях, когда расщепление жиров и углеводов соответствующим образом сбалансировано. Включение ацетил-КоА в цикл Кребса зависит от доступности оксалоацетата для образования цитрата. Однако если рас щепление жиров преобладает, судьба ацетил-КоА изменяется. Объясняется это тем, что в отсутствие углеводов или при нарушении их использования концентрация оксалоацетата снижается. При голодании или диабете окса лоацетат расходуется на образование глюкозы и поэтому не может кон денсироваться с ацетил-КоА. В таких условиях путь метаболизма аце тил-КоА отклоняется в сторону образования ацетоацетата и D-3-гидрокси бутирата, т.е. кетоновых тел.

В крови здорового человека кетоновые тела содержатся лишь в очень небольших концентрациях (в сыворотке крови 0,03–0,2 ммоль/л).

При патологических состояниях (у лиц с тяжелой формой сахарного диабета, при голодании, а также у животных с экспериментальным острым стрептозотоциновым или аллоксановым диабетом) концентрация кетоно вых тел в сыворотке крови увеличивается и может достигать 16– ммоль/л.

Следует подчеркнуть важную роль кетоновых тел в поддержании энер гетического баланса. Кетоновые тела – поставщики «топлива» для мышц, почек и действуют, возможно, как часть регуляторного механизма с обрат ной связью, предотвращая чрезвычайную мобилизацию жирных кислот из жировых депо. Печень в этом смысле является исключением, она не использует кетоновые тела в качестве энергетического материала.

Как отмечалось, основным местом образования ацетоацетата и 3-гид роксибутирата служит печень. Из митохондрий печени эти соединения диффундируют в кровь и переносятся к периферическим тканям.

Действительно, сердечная мышца и корковый слой почек предпочти тельно используют в качестве «топлива» ацетоацетат, а не глюкозу.

В противоположность этому глюкоза является главным «топливом» для мозга у лиц, получающих сбалансированную пищу. При голодании и диа бете мозг адаптируется к использованию ацетоацетата. Установлено, что в условиях длительного голодания 75% потребности мозга в «топливе» удовлетворяется за счет ацетоацетата.

Известно, что в периферических тканях 3-гидроксибутират (-оксимас ляная кислота) способен окисляться до ацетоацетата, а последний акти вируется с образованием соответствующего КоА-эфира (ацетоацетил-КоА).

Ацетоацетат может быть активирован путем переноса КоА с сукцинил-КоА в реакции, катализируемой специфической КоА-трансферазой. Образовав шийся ацетоацетил-КоА далее расщепляется тиолазой с образованием 2 молекул ацетил-КоА, которые затем включаются в цикл Кребса:

Ацетоацетат Сукцинил-КоА КоА-трансфераза Сукцинат Ацетоацетил-КоА КоА Тиолаза 2 Ацетил-КоА Не исключено, что существует и второй путь активации ацетоаце тата – это использование АТФ и HS-KoA аналогично тому, как при активации жирных кислот:

АТФ АМФ HS-КoA РРi СН3–СО–СН2–СООН СН3–СО–CH2–CO–S-КоА Ацил-КоА-синтетаза Ацетоацетат Ацетоацетил-КоА БИОСИНТЕЗ НАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В настоящее время в достаточной степени изучен механизм биосинтеза жирных кислот в организме животных и человека, а также катализирующие этот процесс ферментные системы. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных атомов), а в митохондриях этих клеток из уже синтезированной в цито плазме клетки пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кис лоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома.

Иными словами, митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, включающая несколько модифицированную последовательность реакций -окисления, осуществляет только удлинение существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА активно протекает в цитозоле, т.е.

вне митохондрий, по совершенно другому пути.

Внемитохондриальная система биосинтеза de novo жирных кислот (ли погенез). Эта система находится в растворимой (цитозольной) фракции клеток многих органов, в частности печени, почек, мозга, легких, молочной железы, а также в жировой ткани. Биосинтез жирных кислот протекает с участием НАДФН, АТФ, Мn2+ и НСО3– (в качестве источника СО2);

субстратом является ацетил-КоА, конечным продуктом – пальмитиновая кислота. Потребности в кофакторах процессов биосинтеза и -окисления жирных кислот значительно различаются.

Как отмечалось, строительным блоком для синтеза жирных кислот в цитозоле клетки служит ацетил-КоА, который в основном поступает из митохондрий. Было выявлено, что цитрат стимулирует синтез жирных кислот в цитозоле клетки. Известно также, что образующийся в мито хондриях в процессе окислительного декарбоксилирования пирувата и окисления жирных кислот ацетил-КоА не может диффундировать в цито золь клетки, так как митохондриальная мембрана непроницаема для данного субстрата. Поэтому вначале внутримитохондриальный ацетил КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат. Реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой. Образовав шийся цитрат переносится через мембрану митохондрий в цитозоль при помощи специальной трикарбоксилаттранспортирующей системы.

В цитозоле цитрат реагирует с HS-KoA и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат. Эта реакция катализируется АТФ-цитрат-лиа зой. Уже в цитозоле оксалоацетат при участии цитозольной малатдегидро геназы восстанавливается до малата. Последний при помощи дикарбокси латтранспортирующей системы возвращается в митохондриальный мат рикс, где окисляется до оксалоацетата, завершая тем самым так назы ваемый челночный цикл:

Мембрана Матрикс Цитозоль митохондрии митохондрии АТФ + HS-КoA Цитрат Цитрат HS-КoA АДФ + Рi Ацетил-КоА Ацетил-КоА Оксалоацетат Оксалоацетат НАДН + Н+ Н+ + НАДН НАД+ НАД+ Малат Синтез жирных Малат кислот Существует еще один путь переноса внутримитохондриального аце тил-КоА в цитозоль клетки – с участием карнитина. Как отмечалось, кар нитин играет роль переносчика ацильных групп из цитозоля в митохондрии при окислении жирных кислот. По-видимому, он может выполнять эту роль и в обратном процессе, т.е. в переносе ацильных радикалов, в том числе ацетильного радикала, из митохондрий в цитозоль клетки. Однако, когда речь идет о синтезе жирных кислот, данный путь переноса ацетил-КоА не является главным.

Образование малонил-КоА. Первой реакцией биосинтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА, для чего требуются бикарбонат, АТФ, ионы марганца. Катализирует эту реакцию фермент ацетил-КоА-кар боксилаза. Фермент содержит в качестве простетической группы биотин.

Авидин – ингибитор биотина угнетает эту реакцию, как и синтез жирных кислот в целом.

Установлено, что ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из переменного числа оди наковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу, карбоксибиотинпереносящий белок, транскарбоксилазу, а также регуляторный ал лостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс.

Реакция протекает в два этапа: I – карбоксилирование биотина с учас тием АТФ и II – перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в ре зультате чего образуется малонил-КоА:

карбоксибиотин-фермент + АДФ + Pi (1) СО2 + АТФ + биотин-Фермент Карбоксибиотин-фермент + СН3–СО–S-КоА Ацетил-КоА (2) HOOC–СН2–СО–S-КоА + биотин-фермент Малонил-KоА Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт био синтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной систе мы малонил-КоА быстро превращается в жирные кислоты.

Энзиматические системы, осуществляющие синтез жирных кислот, на зываются жирно-кислотными синтетазами. Они широко встречаются в природе и могут быть изолированы из различных одноклеточных орга низмов, растений и животных тканей.

Жирно-кислотные синтетазы делятся на 2 группы. К первой группе относятся полиэнзимные, не поддающиеся фракционированию комплексы с мол. м. порядка 500000, в которых все индивидуальные энзимы собраны в компактную структуру. В частности, в эту группу входят жирно-кислот ные синтетазы животных тканей и дрожжей.

Вторая группа включает жирно-кислотные синтетазы, из которых от дельные энзимы могут быть выделены методами белкового фракциониро вания. Такие синтетазы встречаются у ряда микроорганизмов (в частности, у E.coli) и растений. Иными словами, в этих случаях все индивидуальные ферменты синтетазной системы находятся в виде автономных полипепти дов.

Мультиферментный комплекс, называемый синтетазой (синтазой) жир ных кислот, состоит из 6 ферментов, связанных с так называемым ацилпе реносящим белком (АПБ). Этот белок относительно термостабилен, имеет две свободные HS-группы (цистеина и фосфопантетеинового остатка, при соединенного к ОН-группе серина) и вовлекается в процесс синтеза высших жирных кислот практически на всех его этапах. Мол. масса АПБ составляет около 10000. Данный белок в синтетазной системе выполняет роль КоА.

Заметим, что в животных тканях не удалось обнаружить свободного АПБ, подобного микробному. Из печени выделен полиэнзимный комплекс, содер жащий все энзимы, необходимые для синтеза жирных кислот. Энзимы комплекса настолько прочно связаны друг с другом, что все попытки изолировать их в индивидуальном виде не увенчались успехом. Приво дим последовательность реакций, происходящих при синтезе жирных кислот:

+ HS-АПБ CH3–CO–S-КoA Ацетил-трансацилаза Ацетил-КоА (1) + СН3–СО–S-АПБ HS-KoA Ацетил-АПБ + HOOC–CH2–CO–S-КoA HS-АПБ Маломил-трансацилаза Малонил-КоА (2) + HOOC–CH2–CO–S-АПБ HS-КoA Малонил-АПБ + CH3–CO–S-АПБ НООС–СН2–СО–S-АПБ Ацил-малонил-АПБ Ацетил-АПБ Малонил-АПБ (конденсирующий фермент) (З) + + CH3–CO–CH2–CO–S-АПБ HS-АПБ СО + НАДФН+Н+ CH3–CO–CH2–CO–S-АПБ -Кетоацил-АПБ-редуктаза Ацетоацетил-АПБ (4) + СН3–СН(ОН)–СН2–СО–S-АПБ НАДФ+ -Гидроксибутирил-АПБ CH3–CH(OH)–CH2–CO–S-АПБ -Гидроксиацил-АПБ-дегидратаза -Гидроксибутирил-АПБ (5) + СН3–СН=СН–CO–S-АПБ Н2O Кротонил-АПБ + СН3–СН=СН–CO–S-АПБ НАДФН+Н+ Еноил-АПБ-редуктаза Кротонил-АПБ (6) + СН3–СН2–СН2–CO–S-АПБ НАДФ+ Бутирил-АПБ Далее цикл реакций повторяется. Допустим, что идет синтез пальми тиновой кислоты (С16). В этом случае образованием бутирил-АПБ завер шается лишь первый из 7 циклов, в каждом из которых началом является присоединение молекулы малонил-АПБ к карбоксильному концу растущей цепи жирной кислоты. При этом отщепляется дистальная карбоксильная группа малонил-АПБ в виде СО2. Например, образовавшийся в первом цикле бутирил-АПБ взаимодействует с малонил-АПБ:

+ CH3–CH2–CH2–CO–S-АПБ НООС–СН2–СО–S-АПБ Бутирил-АПБ Малонил-АПБ + СН3–СН2–СН2–СО–СН2–СО–S-АПБ СО -Кетокапронил-АПБ Завершается синтез жирной кислоты отщеплением HS-АПБ от ацил АПБ под влиянием фермента деацилазы. Например:

СН3–(СН2)14–СО–S-АПБ + Н2О СН3(СН2)14СООН + HS-АПБ.

Деацилаза Пальмитоил-АПБ Пальмитиновая кислота Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты можно записать так:

СН –СО–S-KoA + 7НООС–СН –СО–S-KoA + 14НАДФН + 14Н+ –> 3 Ацетил-КоА Малонил-КоА –> СН3–(СН2)14СООН + 7СO2 + 8HS-KoA + 14НАДФ+ + 6Н2O Пальмитиновая кислота Или, учитывая, что на образование одной молекулы малонил-КоА из ацетил-КоА расходуются одна молекула АТФ и одна молекула СО2, которая затем отщепляется, суммарное уравнение можно представить в следующем виде:

8СН3–СО–S-KoA + 7АТФ + 14НАДФН + 14Н+ –> Ацетил-КоА –> СН3–(СН2)14–СООН + 14НАДФ+ + 8HS-KoA + 7АДФ + 7Н3РO4 + 6Н2O Пальмитиновая кислота Основные этапы биосинтеза жирных кислот можно представить в виде схемы:

Высшая жирная кислота с четным числом углеродных атомов В общем виде синтез жирных кислот у кишечной палочки представлен на рис. 11.4. Последовательность и характер реакций в синтезе жирных кислот, начиная с образования -кетоацил-АПБ (на рис. 11.4 – ацетоацетил-АПБ) и кончая завершением одного цикла удлинения цепи на два углеродных атома, являются как бы обратными реакциями окисления жирных кислот.

На самом деле пути синтеза и окисления жирных кислот не пересекаются даже частично. Это становится очевидным, если принять во внимание некоторые особенности синтеза и окисления жирных кислот.

По сравнению с -окислением биосинтез жирных кислот имеет ряд характерных особенностей: синтез жирных кислот в основном осуществ ляется в цитозоле клетки, а окисление – в митохондриях;

участие в процессе биосинтеза жирных кислот малонил-КоА, который образуется путем свя АПБ КоА АПБ+СО Ацетил-КоА Ацетил-АПБ Ацетоацетил-АПБ Малонил-КоА Малонил-АПБ + НАДФН + Н АПБ КоА + НАДФ Малонил-АПБ -Гидроксибутирил-АПБ Н2О Кротонил-АПБ Малонил-АПБ + НАДФН + Н + НАДФ Бутирил-АПБ Малонил-АПБ Малонил-АПБ Малонил-АПБ Малонил-АПБ Рис. 11.4. Синтез пальмитиновой кислоты у кишечной палочки при участии одной молекулы ацетил-КоА и 7 молекул малонил-КоА. Подробно представлен первый цикл синтеза - образование бутирил-АПБ. Остальные 6 циклов аналогичны первому.

зывания СО2 (в присутствии биотин-фермента и АТФ) с ацетил-КоА;

на всех этапах синтеза жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок (HS-АПБ);

при биосинтезе образуется D(–)-изомер 3-гидроксикис лоты, а не L(+)-изомер, как это имеет место при -окислении жирных кислот;

необходимость для синтеза жирных кислот кофермента НАДФН.

Последний в организме частично (на 50%) образуется в реакциях пен тозофосфатного цикла, частично – в других реакциях, в частности в реакциях:

Малат + НАДФ+ –> Пируват + СO2 + НАДФН + Н+ Изоцитрат + НАДФ+ –> -Кетоглутарат + СO2 + НАДФН + Н+.

Образование ненасыщенных жирных кислот. Элонгация жирных кислот.

В отличие от растительных тканей ткани животных обладают весьма ограниченной способностью превращать насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные.

Установлено, что две наиболее распространенные мононенасыщенные жирные кислоты – пальмитоолеиновая и олеиновая – синтезируются из пальмитиновой и стеариновой кислот.

Эти превращения протекают в микросомах клеток печени и жировой ткани при участии молекулярного кислорода, восстановленной системы пиридиновых нуклеотидов и цитохрома b5. Превращению подвергаются только активированные формы пальмитиновой и стеариновой кислот.

Ферменты, участвующие в этих превращениях, получили название деса тураз.

Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей) в микросомах происходит и их удлинение (элонгация), причем оба эти процесса могут сочетаться и повторяться. Удлинение цепи жирной кислоты происходит путем последовательного присоединения к соответствующему ацил-КоА двууглеродных фрагментов при участии малонил-КоА и НАДФН. Энзиматическая система, катализирующая удлинение жирных кислот, получила название элонгазы. На схеме представлены пути превра щения пальмитиновой кислоты в реакциях десатурации и элонгации.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 14 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.