Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Биосинтез углеводов в животных тканях
Краткое содержание главы

Глюконеогенез - это образование «нового» сахара из неуглеводных предшественников, среди которых наибольшее значение имеют пиру ват, лактат, промежуточные продукты цикла лимонной кислоты и многие аминокислоты. Подобно всем прочим биосинтетическим путям, ферментативный путь глюконеогенеза не идентичен соответствующему катаболическому пути, регулируется независимо от него и требует расхода химической энергии в форме АТР. Синтез глюкозы из пирувата происходит у позвоночных главным образом в печени и отчасти в почках. На этом биосинтетическом пути используются семь ферментов, участвующих в гликолизе; они функционируют обратимо и присутствуют в большом избытке. Однако на гликолитическом пути, т.е. на пути «вниз», имеются также три необратимые стадии, которые не могут использоваться в глюконеогенезе. В этих пунктах глюконеогенез идет в обход гликолитического пути, за счет других реакций, катализируемых другими ферментами. Первый обходный путь - это превращение пирувата в фосфоенолпируват через оксалоацетат; второй - это дефосфорилирование фруктозо-1,6-дифосфата, катализируемое фруктозодифосфатазой, и, наконец, третий обходный путь - это дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, катализируемое глюкозо-6-фосфатазой. На каждую молекулу D-глюкозы, образующуюся из пирувата, расходуются концевые фосфатные группы четырех молекул АТР и двух молекул GTP. Регулируется глюконеогенез через две главные стадии: 1) карбоксилирование пирувата, катализируемое пируваткарбоксилазой, которая активируется аллостерическим эффектором ацетил-СоА, и 2) дефосфорилирование фруктозо-1,6-дифосфата, катализируемое фруктозодифосфатазой, которая ингибируется АМР и активируется цитратом. По три атома углерода от каждого промежуточного продукта цикла лимонной кислоты и углеродные скелеты многих аминокислот способны превращаться в глюкозу. Из жирных кислот с четным числом атомов углерода и из ацетил-СоА реального образования глюкозы не происходит, тогда как три углеродных атома жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, а также образуемый бактериями рубца пропионат могут превращаться в глюкозу: при этом в качестве промежуточного продукта образуется метилмалонил-СоА, превращающийся затем в сукцинил-СоА при участии кофермента В₁₂. В периоды восстановления после напряженной мышечной работы глюконеогенез протекает очень активно, благодаря чему присутствующий в крови лактат превращается в гликоген и глюкозу.

Путь синтеза гликогена также отличается от пути, по которому идет его расщепление. Он включает превращение глюкозо-1-фосфата в уридиндифосфат-глюкозу, которая затем - при участии гликоген-синтазы - передает глюкозильные группы на нередуцирующий конец боковых цепей гликогена. Новые боковые цепи возникают в молекулах гликогена в результате действия гликозил-(46)-трансферазы [а(1,4→1,6)- трансгликозилазы]. Процессы синтеза и расщепления гликогена регулируются независимо и репипрокно. Соотношение скоростей этих двух процессов контролируется гормонами адреналином и глюкагоном. Известен ряд генетических дефектов, при которых синтез или расщепление гликогена нарушены.

Синтез лактозы в молочной железе происходит при участии лактальбумингалактозилтрансферазного комплекса. Лактальбумин в этом комплексе выполняет роль субъединицы, изменяющей специфичность фермента. Его образование регулируется гормонами, вызывающими лактацию.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

Cmninggham Е.В. Biochemistry: Mechanisms of Metabolism, McGraw-Hill, New York, 1978.

В гл. 9 содержатся дополнительные сведения, касающиеся биосинтеза углеводов, главным образом энзимологические данные.

Dickens F., Randle P.J., Whelan W.J. (eds.). Carbohydrate Metabolism and Its Disorders, vols. I and II, Academic, New York. 1968. Сборник ценных обзоров.

Newsholme E. A., Start C. Regulation in Metabolism, Wiley, New York, 1973. Гл. 4 и 6 включают более подробные данные по регуляции глюконеогенеза и синтеза гликогена.

Статьи

Bent Н. A. Energy and Exercise, J. Chem. Ed., vol. 55, nos. 7-12, July-December 1978.

Howell R. R. The Glycogen Storage Diseases, pp. 160-181. In: J.B. Stanbury, J. B. Wyngaarden and D. S. Frederickson (eds.), The Metabolic Basis of Inherited Disease, 4th ed, McGraw-Hill, New York, 1978.

Katz J., Rognstad R., Futile Cycles in the Metabolism of Glucose, Curr. Top. Cell Regul., 10, 238-287 (1976).

Krebs H.A. Some Aspects of the Regulation of Fuel Supply in Omnivorous Animals, Adv. Enz. Regul., 10, 397-420 (1972).

Sharon N. Carbohydrates, Sсi. Am, 243, 90-116, November 1980.

Вопросы и задачи

1. Роль окислительного фосфорилирования в глюконеогенезе. Возможен ли реальный синтез глюкозы из пирувата в условиях, когда цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование полностью ингибированы?

2. Путь атомов углерода в глюконеогенезе. Печеночный экстракт, способный катализировать все обычные метаболические реакции, инкубируют непродолжительное время в отдельных опытах со следующими двумя предшественниками, меченными ¹⁴С:

Проследите путь каждого из этих двух предшественников в глюконеогенезе. В каком положении обнаружится метка во всех промежуточных продуктах и в конечном продукте, т. е. в глюкозе?

3. Путь СО₂ в глюконеогенезе. В первой обходной реакции глюконеогенеза превращении пирувата в фосфоенолпируват сначала под действием пируваткарбоксилазы пируват карбоксилируется с образованием оксалоацетата а затем оксало- ацетат декарбоксилируется до фосфоенолпирувата в реакции, катализируемой фосфоенолпируват-карбоксикиназой. Поскольку за присоединением СО₂ непосредственно следует ее отщепление, можно было бы думать, что ¹⁴С из ¹⁴СО₂ не будет включаться в фосфоенолпируват и глюкозу, равно как и в любой другой из промежуточных продуктов глюконеогенеза. Выяснилось, однако, что если срезы крысиной печени синтезируют глюкозу в присутствии ¹⁴СО_2, то ¹⁴С хотя и не сразу, но все же обнаруживается в фосфоенолпирувате и в конце концов - в 3-м и 4-м углеродных атомах глюкозы. Каким образом метка попадает в фосфоенолпируват и в 3-й и 4-й углеродные атомы глюкозы? (Подсказка: если глюконеогенез происходит в присутствии ¹⁴СО₂. то некоторые четырехуглеродные промежу очные продукты цикла лимонной кислоты тоже оказываются мечеными.)

4. Регуляция фруктозодифюсфатазы и фосфофруктокиназы. Как влияет повышение концентраций АТР и АМР на каталитическую активность фруктозодифосфагазы и фосфофруктокиназы? Как сказываются эти эффекты на относительной величине потока метаболитов в глюконеогенезе и гликолизе?

5. Глюкогенные субстраты. Чтобы определить, может ли то или иное соединение служить предшественником глюкозы, поступают обычно следующим образом: сначала оставляют животное голодать, пока у него не истощится запас гликогена в печени, а потом дают ему исследуемое соединение. Те соединения, под влиянием которых количество гликогена в печени увеличивается, принято называть глюкогенными, потому что они сначала превращаются в глюкозо-6-фосфат. Ниже приведены формулы некоторых соединений. Покажите на основе известных ферментативных реакций, какие из них являются глюкогенными.

6. Уровень лактата в крови при большой физической нагрузке. На рисунке показана концентрация лактата в крови до бега на 400 м. во время бега и после него.

Задача 6

а) Чем вызывается быстрое повышение концентрации лактата?

б) Что является причиной снижения уровня лактата после бега? Почему снижение происходит медленнее, чем подъем?

в) Почему в состоянии покоя концентрация лактата в крови не равна нулю?

7. Избыточное потребление кислорода во время глюконеогенеза. Поглощаемый печенью лактат превращается в глюкозу. Этот процесс требует затраты АТР; 6 молекул АТР расходуются на образование 1 молекулы глюкозы. Об интенсивности этого процесса в срезах крысиной печени можно судить, вводя в среду ¹⁴С-лактат и измеряя количество образовавшейся ¹⁴С-глюкозы. Поскольку стехиометрические соотношенич между потреблением О₂ и синтезом АТР известны (гл. 17), мы можем предсказать, какое дополнительное количество кислорода (сверх обычного уровня) должно быть потреблено при введении данного количества лактата. Фактические измерения показывают, однако, что этот избыток О₂, необходимый для образования глюкозы из лактата, всегда выше предсказанного на основе известных стехиометрических соотношений. Предложите возможное объяснение этого факта.

8. В какой точке регулируется синтез гликогена? Объясните, каким образом два приведенных ниже наблюдения могут помочь определить регулируемую стадию синтеза гликогена в скелетных мышцах?

а) Измеренная активность гликоген-синтазы в покоящейся мышце (выраженная в микромолях UDP-глюкозы, использованной на грамм в минуту) ниже, чем активность фосфоглюкомутазы или UDP-глюкозопирофосфорилазы (выраженная в микромолях субстрата, переработанного на грамм в минуту).

б) Стимуляция синтеза гликогена вызывает незначительное снижение концентраций глюкозо-6-фосфата и глюкозо-1-фосфата, резкое падение концентрации UDP-глюкозы и существенное увеличение концентрации UDP.

9. Во что обходится организму хранение глюкозы в форме гликогена? Напишите ряд последовательных реакций и суммарную реакцию, которые позволят определить число молекул АТР, расходуемых на превращение цитоплазматического глюкозо-6-фосфата в гликоген и гликогена обратно в глюкозо-6-фосфат. Какую часть это число составит от максимального числа молекул АТР, образующегося при полном расщеплении глюкозо-6-фосфата?

10. Выявление дефектных ферментов углеводного обмена. Проводилось патолого-анатомическое исследование кусочка ткани печени. У больного подозревали генетический дефект одного из ферментов углеводного обмена. Было показано, что гомогенат ткани 1) расщеплял гликоген до глюкозо-6-фосфата, 2) не обладал способностью синтезировать гликоген из какого бы то ни было сахара, так же как и способностью использовать галактозу в качестве источника энергии, и 3) синтезировал глюкозо-6-фосфат из лактата. Ниже названы три фермента; какой из них был дефектным в этом случае:

а) гликоген-фосфорилаза,

б) фруктозодифосфатаза,

в) UDP-глюкозопирофосфорилаза? Аргументируйте свой выбор.

11. Кетоз у овец. Около 80% всей глюкозы, синтезируемой в организме овцы, используется в вымени. Расходуется глюкоза на образование молока, главным образом на синтез лактозы, а также глицеролфосфата, необходимого для синтеза триацилглицеролов молока. Зимой при низком качестве корма образуется меньше молока и у овец иногда развивается кетоз, т.е. повышается концентрация кетоновых тел в плазме крови. Из-за чего происходят эти изменения? Обычно животным в таких случаях дают большие дозы пропионата. На чем основано его действие?

12. Адаптация к галактоземии. Галактоземия - это патологическое состояние, в основе которого лежит неспособность к утилизации галактозы, образующейся из лактозы, содержащейся в пище. Одна из форм этою заболевания обусловлена отсутствием фермента, называемого галактозо-1-фосфат - уридилтрансферазой. Если ребенок с таким дефектом не умирает в раннем возрасте, то позже у него может в какой-то мере развиться способность метаболизировать галактозу. Эта способность появляется за счет усиленного образования фермента UDP-галактозопирофосфорилазы, катализирующего следующую реакцию:

Каким образом благодаря присутствию этого фермента у таких больных развивается способность метаболизировать галактозу?