ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ - 2014

ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ

14. ГЛИКОЛИЗ, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ И ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ

14.2. Метаболические пути, питающие гликолиз

В гликолизе принимает участие не только глюкоза, но и многие другие углеводы после их превращения в один из интермедиатов гликолиза. Наиболее важную роль играют запасные полисахариды крахмал и гликоген, дисахариды мальтоза, лактоза, трегалоза и сахароза, а также моносахариды фруктоза, манноза и галактоза (рис. 14-10).

Рис. 14-10. Включение гликогена, крахмала, дисахаридов и гексоз пищи в подготовительную стадию гликолиза.

Полисахариды и дисахариды пищи разлагаются до моносахаридов

Почти у всех людей основным источником углеводов служит крахмал. Расщепление крахмала начинается уже во рту под действием фермента слюны α-амилазы (рис. 14-10), катализирующей гидролиз внутренних гликозидных связей в молекуле крахмала с образованием более коротких полисахаридных фрагментов или олигосахаридов. (Обратите внимание, что в данной реакции гидролиза атаку осуществляет не неорганический фосфат, а молекула воды.) В желудке из-за низкого значения pH α-амилаза слюны инактивируется, но далее начинает работать другая α-амилаза, секретируемая поджелудочной железой в тонкий кишечник. В результате действия панкреатической α-амилазы образуются в основном мальтоза и мальтотриоза (ди- и трисахариды глюкозы с α1 —> 4-связями), а также так называемые лимит- декстрины, представляющие собой фрагменты амилопектина со связями α1 —> 6 в точках ветвления. Мальтоза и декстрины далее разлагаются на щеточной кайме кишечника (на микроскопических выростах кишечного эпителия, благодаря которым площадь поверхности кишечника значительно увеличивается). Структура пищевого гликогена во многом похожа на крахмал, и его расщепление идет по тому же пути.

Эндогенные гликоген и крахмал разлагаются в результате фосфоролиза

Гликоген, запасаемый в тканях животных (в основном в печени и скелетных мышцах) и в клетках микроорганизмов, и крахмал в растениях могут использоваться самими клетками после осуществления реакции фосфоролиза, катализируемой гликогенфосфорилазой (у растений — фосфорилазой крахмала). Эти ферменты катализируют атаку неорганическим фосфатом гликозидной связи (α1 —> 4), соединяющей два концевых остатка глюкозы на невосстанавливающем конце, в результате чего образуется глюкозо- 1-фосфат и укороченный на одну глюкозную единицу полимер (рис. 14-11). Часть энергии, высвобождающейся при фосфоролизе гликозидной связи, запасается в форме эфира фосфорной кислоты глюкозо-1-фосфата. Гликогенфосфорилаза (или фосфорилаза крахмала) действует многократно до тех пор, пока не достигнет участка ветвления с конфигурацией (α1—> 6) (см. рис. 7-15), где ее действие прекращается. Для удаления разветвления необходим специальный фермент. Механизм и контроль расщепления гликогена подробнее обсуждаются в гл. 15.

Рис. 14-11. Расщепление внутриклеточного гликогена под действием гликогенфосфорилазы. Этот фермент катализирует взаимодействие неорганического фосфата (выделен розовым цветом) с концевым остатком глюкозы (голубой) на невосстанавливающем конце гликогена, в результате чего образуется глюкозо-1-фосфат и укороченный на одно звено гликоген. Здесь происходит не гидролиз, а фосфоролиз.

Глюкозо-1-фосфат, образующийся под действием гликогенфосфорилазы, превращается в глюкозо-6-фосфат по обратимой реакции, катализируемой фосфоглюкомутазой:

Глюкозо-1-фосфат ⇄ глюкозо-6-фосфат

Фосфоглюкомутаза действует практически по тому же механизму, что и фосфоглицератмутаза (с. 78). Общее название мутаза применяют к ферментам, катализирующим перенос функциональных групп из одного положения в другое внутри одной молекулы. Мутазы относятся к более широкому классу изомераз, осуществляющих взаимопревращения стереоизомеров, а также структурных или позиционных изомеров (см. табл. 6-3). Образующийся под действием фосфоглюкомутазы глюкозо-6-фосфат может использоваться в гликолизе или другом метаболическом пути, например, в пентозофосфатном пути (разд. 14.5).

Пример 14-1. Запасные энергии при расщеплении гликогена в процессе фосфорилаза

Рассчитайте выигрыш энергии (в молекулах АТР на мономерное звено глюкозы) при расщеплении гликогена не путем гидролиза, а путем фосфоролиза.

Решение. В результате фосфоролиза образуется фосфорилированная глюкоза (глюкозо-1 -фосфат), которая затем превращается в глюкозо-6-фосфат-без затрат энергии клетки (1 АТР) на образование глюкозо-6-фосфата из свободной глюкозы. Таким образом, на подготовительной стадии расходуется в пересчете на одну мономерную единицу глюкозы лишь одна молекула АТР по сравнению с двумя молекулами в том случае, когда гликолиз начинается со свободной глюкозы. Другими словами, клетка экономит три молекулы АТР в расчете на мономерное звено глюкозы (четыре молекулы АТР образуются на стадии запасания энергии и одна, а не две молекулы АТР расходуется на подготовительной стадии), тем самым сохраняется одна молекула АТР на каждый мономер глюкозы.

Расщепление в желудочно-кишечном тракте полисахаридов пищи, таких как гликоген и крахмал, путем фосфоролиза вместо гидролиза не дало бы выигрыша энергии, поскольку фосфорилированные сахара не проникают в клетки слизистой кишечника, а должны быть сначала дефосфорилированы с образованием свободных сахаров.

Чтобы проникнуть в клетку, дисахариды должны сначала подвергнуться гидролизу до моносахаридов. В кишечнике дисахариды и декстрины гидролизуются под действием ферментов, связанных с поверхностью кишечного эпителия:

Образовавшиеся таким путем моносахариды активно транспортируются в эпителиальные клетки (см. рис. 11-44), а затем попадают в кровь и переносятся к различным тканям, где фосфорилируются и вовлекаются в последовательность гликолитических реакций.

Непереносимость лактозы часто встречается среди взрослого населения Земли, за исключением жителей Северной Европы и некоторых регионов Африки. Это состояние связано с полным или частичным отсутствием лактазной активности в клетках кишечника у взрослых. Из- за этого лактоза не полностью расщепляется и не всасывается в тонком кишечнике, а попадает в толстую кишку, где бактерии превращают ее в токсичный продукт, вызывающий спазмы кишечника и диарею. Проблема еще более усугубляется тем обстоятельством, что нерасщепленная лактоза и ее метаболиты повышают осмолярность содержимого кишечника, что способствует удерживанию воды. В тех странах, где распространена непереносимость лактозы, взрослое население использует в пищу не молоко, а молочные продукты, прошедшие обработку лактазой. При некоторых заболеваниях человека в кишечнике могут вообще отсутствовать все или почти все дисахаридазы. Поэтому при проблемах с пищеварением, вызванных потреблением дисахаридов с пищей, рекомендуется соблюдение определенной диеты. ■

Другие моносахариды включаются в гликолиз на разных участках пути

У большинства организмов не только глюкоза, но и другие гексозы могут подвергаться гликолизу после превращения в фосфорилированные производные. D-Фруктоза, встречающаяся в свободном виде во многих фруктах, а также образующаяся в тонком кишечнике позвоночных при гидролизе сахарозы, подвергается фосфорилированию гексокиназой:

Таким же путем основные количества фруктозы включаются в гликолиз в клетках мышц и почек. В печени реализуется другой путь. Фермент печени фруктокиназакатализирует фосфорилирование фруктозы не по С-6, а по С-1:

Далее фруктозо-1-фосфат расщепляется на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат под действием фермента фруктозофосфатальдолазы:

Дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат под действием гликолитического фермента триозофосфатизомеразы. Глицеральдегид фосфорилируется за счет АТР при участии триозокиназы до глипеоальлегил-3-фосфата:

В результате оба продукта гидролиза фруктозо- 1-фосфата включаются в гликолиз в виде глицеральдегид-3-фосфата.

D-галактоза, образующаяся в результате гидролиза дисахарида лактозы (молочного сахара), поступает по кровотоку из кишечника в печень, где сначала за счет АТР фосфорилируется по атому С-1 под действием фермента галактокиназы:

Галактозо-1-фосфат затем переходит в С-4- эпимер — глюкозо-1-фосфат — в результате серии реакций, в которых переносчиком гексозных групп выступает уридиндифосфат (UDР; рис. 14-12). Эпимеризация включает стадию окисления -ОН-группы у атома С-4 до кетогруппы с последующим восстановлением кетогруппы до -ОН-группы с обращением конфигурации. Кофактором в реакциях окисления и восстановления служит NАD⁺.

Рис. 14-12. Превращение галактозы в глюкозо-1-фосфат. Процесс протекает с образованием производного сахара и нуклеотида UDР-галактозы при замещении глюкозо- 1-фосфата в UDР-глюкозе галактозо-1-фосфатом. Далее UDР-галактоза под действием UDР-глюкозо-4-эпимеразы превращается в UDР-глюкозу; при этом сначала происходит окисление -ОН-группы у атома С-4 (выделена розовым цветом) при участии NAD⁺, а затем восстановление при участии NADН. Результатом данной реакции является обращение конфигурации у атома С-4. UDР-глюкоза используется в другом цикле той же реакции. Суммарный итог данного цикла — превращение галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат; при подведении материального баланса получается, что ни UDР-галактоза, ни UDР-глюкоза не образуются и не расходуются.

Нарушение функций любого из трех ферментов, действующих в этой серии реакций, вызывает у человека галактоземию. При недостаточности галактокиназы в крови и моче обнаруживают высокую концентрацию галактозы. У младенцев может развиться катаракта, что связано с отложением в хрусталиках глаз метаболита галактозы галактитола.

Симптомы этого заболевания носят умеренно тяжелый характер; значительно облегчает состояние полное исключение галактозы из рациона питания.

Галактоземия, вызванная недостаточностью трансферазы, — более тяжелое заболевание и характеризуется отставанием в росте, нарушениями речи и умственной недоразвитостью, а также поражением печени, которое может оказаться смертельным даже при исключении галактозы из рациона питания. Недостаточность эпимеразы сопровождается аналогичными симптомами, но при тщательном соблюдении диеты носит менее тяжелый характер. ■

D-Манноза, образующаяся при расщеплении различных полисахаридов и гликопротеинов, фос- форилируется гексокиназой по положению С-6:

Маннозо-6-фосфат изомеризуется под действием фермента фосфоманноизомеразы с образованием фруктозо-6-фосфата — интермедиата гликолиза.

Краткое содержание раздела 14.2 Метаболические пути, питающие гликолиз

■ Запасные формы глюкозы— полисахариды гликоген и крахмал — вовлекаются в гликолиз в результате двустадийного процесса. Фосфоролитическое отщепление остатка глюкозы от конца молекулы полисахарида, приводящее к высвобождению глюкозо-1- фосфата, катализируется гликогенфосфорилазой или фосфорилазой крахмала. Далее фосфоглюкомутаза превращает глюкозо-1- фосфат в глюкозо-6-фосфат, который поступает в путь гликолиза.

■ Потребляемые с пищей полисахариды и дисахариды расщепляются до моносахаридов гидролитическими ферментами кишечника; затем моносахариды проникают в клетки кишечника, а из них транспортируются в печень и другие ткани.

■ Различные D-гексозы, в том числе фруктоза, галактоза и манноза, также могут подвергаться гликолизу, предварительно превратившись в глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6- фосфат или фруктозо-1-фосфат.

■ В превращении галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат задействованы два нуклеотидных производных: UDP-галактоза и UDP-глюкоза. Генетические дефекты любого из трех ферментов, катализирующих превращение галактозы в глюкозо-1-фосфат, вызывают галактоземию разной степени тяжести.