Glukoneogeneesin keskeiset reaktiot. Miten aineet osallistuvat glukoneogeneesiin? Glukoosin synteesi aminohapoista

16.2.1. Glukoneogeneesi on glukoosin biosynteesi useista ei-hiilihydraattiyhdisteistä. Glukoneogeneesin biologisena tehtävänä on ylläpitää vakiona veren glukoositasoa, mikä on välttämätöntä kudosten normaalille energiansyötölle, joille on ominaista jatkuva hiilihydraattitarve. Tämä koskee erityisesti keskushermostoa.

Glukoneogeneesin rooli kasvaa, kun hiilihydraatteja ei saada riittävästi ruoasta. Siten paastoavan ihmisen keho voi syntetisoida jopa 200 g glukoosia päivässä. Glukoneogeneesi reagoi nopeammin kuin muut aineenvaihduntaprosessit ruokavalion muutoksiin: suurten proteiinien ja rasvojen lisääminen ruoan kanssa aktivoi glukoneogeneesin prosesseja; ylimääräiset hiilihydraatit päinvastoin estävät glukoosin muodostumista.

Intensiiviseen fyysiseen toimintaan liittyy kehon glukoosivarantojen nopea ehtyminen. Tässä tapauksessa glukoneogeneesi on tärkein tapa täydentää hiilihydraattivaroja, mikä estää hypoglykemian kehittymisen. Glukoneogeneesi kehossa liittyy myös läheisesti ammoniakin neutralointiprosesseihin ja happo-emästasapainon ylläpitämiseen.

16.2.2. Glukoosin biosynteesin pääpaikka de novo on maksa. Glukoneogeneesiä tapahtuu myös munuaiskuoressa. On yleisesti hyväksyttyä, että munuaisten osuus glukoneogeneesissä fysiologisissa olosuhteissa on noin 10 % kehossa syntetisoidusta glukoosista; patologisissa olosuhteissa tämä osuus voi kasvaa merkittävästi. Glukoneogeneesientsyymien aktiivisuutta havaittiin ohutsuolen limakalvolla.

16.2.3. Glukoneogeneesin reaktioiden järjestys edustaa vastaavien glykolyysireaktioiden käänteisyyttä. Vain kolme glykolyysireaktiota ovat peruuttamattomia niiden aikana tapahtuvien merkittävien energiasiirtymien vuoksi:

a) glukoosin fosforylaatio; b) fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatio; c) fosfoenolipyruvaatin muuttaminen pyruvaaiksi.

Näiden energiaesteiden ohittaminen tapahtuu glukoneogeneesin avainentsyymien avulla.

Pyruvaatin käänteinen muuntaminen fosfoenolipyruvaaiksi vaatii kahden entsyymin osallistumista. Ensimmäinen on pyruvaattikarboksylaasi - katalysoi oksaloasetaatin muodostumisreaktiota (kuva 16.4, reaktio 1). Pyruvaattikarboksylaasin koentsyymi on biotiini (H-vitamiini). Reaktio etenee mitokondrioissa. Sen tehtävänä on myös täydentää oksaloasetaattivarastoa Krebsin sykliä varten.

Kaikki myöhemmät glukoneogeneesin reaktiot tapahtuvat sytoplasma . Mitokondriokalvo on oksaloasetaattia läpäisemätön, ja se kuljetetaan sytoplasmaan muiden metaboliittien muodossa: malaatti tai aspartaatti. Sytoplasmassa nämä yhdisteet muuttuvat jälleen oksaloasetaatiksi. Pääosassa fosfoenolipyruvaattikarboksikinaasi fosfoenolipyruvaatti muodostuu oksaloasetaatista (kuva 16.4, reaktio 2).

Fosfenolipyruvaatti muuttuu fruktoosi-1,6-bifosfaatiksi useiden glykolyysireaktioiden kumoamisen seurauksena. Fruktoosi-1,6-bisfosfaatin muuttumista fruktoosi-6-fosfaatiksi katalysoi fruktoosidifosfataasi (Kuva 16.4, reaktio 3).

Fruktoosi-6-fosfaatti isomeroituu glukoosi-6-fosfaatiksi. Glukoneogeneesin lopullinen reaktio on glukoosi-6-fosfaatin hydrolyysi glukoosi-6-fosfataasientsyymin mukana (kuva 16.4, reaktio 4).

Kuva 16.4. Glukoneogeneesin ohitusreaktiot .

16.2.4. Tärkeimmät glukoosin lähteet glukoneogeneesissä ovat laktaatti, aminohapot, glyseroli ja Krebsin syklin metaboliitit.

Laktaatti- glukoosin anaerobisen hapettumisen lopputuote. Se voidaan sisällyttää glukoneogeneesiin lpyruvaaiksi hapettumisen jälkeen (katso kohta "Glykolyysi", kuva 15.4, reaktio 11). Pitkäaikaisessa fyysisessä työssä pääasiallinen laktaatin lähde on luustolihas, jonka soluissa anaerobiset prosessit hallitsevat. Maitohapon kertyminen lihaksiin rajoittaa niiden suorituskykyä. Tämä johtuu siitä, että kun maitohapon pitoisuus kudoksessa kasvaa, pH-taso laskee (maitohappoasidoosi). pH:n muutokset johtavat entsyymien estoon kriittisillä aineenvaihduntareiteillä. Tärkeä paikka syntyvän maitohapon hävittämisessä kuuluu Cori glukoosi-laktaatti -kierto (Kuva 16.5).

Kuva 16.5. Cori-sykli ja glukoosi-alaniinisykli (selitykset tekstissä).

Glukogeeniset aminohapot, jotka sisältävät useimmat proteiinien aminohapot. Johtava paikka glukoneogeneesissä aminohappojen joukossa kuuluu alaniini , joka voidaan muuttaa pyruvaaiksi transaminaatiolla. Paaston, fyysisen työn ja muiden olosuhteiden aikana keho toimii glukoosi-alaniini kierto , samanlainen kuin laktaatin Cori-sykli (kuva 16.2). Alaniini-glukoosikierron olemassaolo estää kehon myrkytyksen, koska lihaksissa ei ole ammoniakkia hyödyntäviä entsyymejä. Harjoittelun seurauksena tämän syklin teho kasvaa merkittävästi.

Muut aminohapot, kuten alaniini, voidaan muuntaa pyruvaaiksi, samoin kuin Krebsin syklin välituotteet (α-ketoglutaraatti, fumaraatti, sukkinyyli-CoA). Kaikki nämä metaboliitit voivat muuttua oksaloasetaatiksi ja sisällyttää glukoneogeneesiin.

Glyseroli- rasvakudoksen lipidihydrolyysin tuote. Tätä prosessia tehostaa suuresti paasto. Maksassa glyseroli muuttuu dihydroksiasetonifosfaatiksi, glykolyysin välituotteeksi ja jota voidaan käyttää glukoneogeneesissä.

Rasvahappo Ja asetyyli-CoA eivät ole glukoosin esiasteita. Näiden yhdisteiden hapetus tarjoaa energiaa glukoosin synteesiprosessiin.

16.2.5. Energiatasapaino. Reitti glukoosin synteesiin pyruvaatista (kuva 16.6) sisältää kolme reaktiota, joihin liittyy ATP- tai GTP-energian kulutus:

a) oksaloasetaatin muodostuminen pyruvaatista (ATP-molekyyli kuluu); b) fosfoenolipyruvaatin muodostuminen oksaloasetaatista (GTP-molekyyli kuluu); c) ensimmäisen substraatin fosforylaation kumoaminen - 1,3-difosfoglyseraatin muodostuminen 3-fosfoglyseraatista (ATP-molekyyli kuluu).

Jokainen näistä reaktioista toistetaan kahdesti, koska 2 pyruvaattimolekyyliä (C3) käytetään muodostamaan 1 glukoosimolekyyli (C6). Siksi energiatase glukoosin synteesiä varten pyruvaatista on 6 nukleosiditrifosfaattimolekyyliä (4 molekyyliä ATP:tä ja 2 molekyyliä GTP:tä). Muita esiasteita käytettäessä glukoosin biosynteesin energiatase on erilainen.

Kuva 16.6. Glukoosin biosynteesin energiatase laktaatista.

16.2.6. Glukoneogeneesin säätely. Glukoneogeneesin nopeus määräytyy substraattien - glukoosin esiasteiden - saatavuuden mukaan. Minkä tahansa glukoosin esiasteen pitoisuuden nousu veressä johtaa glukoneogeneesin stimulaatioon.

Jotkut metaboliitit ovat glukoneogeneesientsyymien allosteerisia efektoreita. Esimerkiksi asetyyli-CoA kohonneissa pitoisuuksissa aktivoi allosteerisesti pyruvaattikarboksylaasin, joka katalysoi glukoneogeneesin ensimmäistä reaktiota. Adenosiinimonofosfaatilla on päinvastoin estävä vaikutus fruktoosibifosfataasia, ja ylimääräinen glukoosi estää glukoosi-6-fosfataasia.

Haimahormoni glukagoni, lisämunuaisen hormonit adrenaliini ja kortisoli lisäävät glukoosin biosynteesin nopeutta elimistössä lisäämällä glukoneogeneesin avainentsyymien aktiivisuutta tai lisäämällä näiden entsyymien pitoisuutta soluissa. Haimahormoni insuliini auttaa vähentämään glukoneogeneesiä kehossa.

Glukoneogeneesi on glukoosin synteesiä ei-hiilihydraattituotteista. Tällaisia ​​tuotteita tai metaboliitteja ovat pääasiassa maito- ja palorypälehappoja, glykogeenisiä aminohappoja, glyserolia ja useita muita yhdisteitä. Toisin sanoen glukoosin esiasteet glukoneogeneesissä voivat olla pyruvaatti tai mikä tahansa yhdiste, joka muuttuu katabolismin aikana pyruvaattiksi tai yhdeksi trikarboksyylihapposyklin välituotteeksi.

Selkärankaisilla glukoneogeneesi tapahtuu voimakkaimmin maksan ja munuaisten soluissa (aivokuoressa). Useimpiin glukoneogeneesin vaiheisiin liittyy glykolyyttisen reaktion kumoaminen. Vain 3 glykolyysireaktiota (heksokinaasi, fosfofruktokinaasi ja pyruvaattikinaasi) ovat peruuttamattomia, joten muita entsyymejä käytetään glukoneogeneesiprosessissa 3 vaiheessa.

Fosfenolipyruvaatin synteesi suoritetaan useissa vaiheissa: 1) Pyruvaatin muuntaminen oksaloasetaatiksi. Pyruvaatti karboksyloituu pyruvaattikarboksylaasilla ATP:n osallistuessa: Tätä reaktiota katalysoiva pyruvaattikarboksylaasi on allosteerinen mitokondrioentsyymi. Asetyyli-CoA tarvitaan tämän entsyymin allosteerisena aktivaattorina.

Pyruvaatista muodostuva fosfoenolipyruvaatti muuttuu fruktoosi-1,6-bisfosfaatiksi useiden palautuvien glykolyysireaktioiden seurauksena. Tätä seuraa fosfofruktokinaasireaktio, joka on peruuttamaton. Glukoneogeneesi ohittaa tämän reaktion. Fruktoosi-1,6-bis-fosfaatin muuttumista fruktoosi-6-fosfaatiksi katalysoi spesifinen fosfataasi:

Glukoneogeneesin säätely. Asetyyli-CoA:lla on pyruvaattikarboksylaasin allosteerisen aktivaattorin rooli. Asetyyli-CoA:n puuttuessa entsyymi on lähes täysin inaktiivinen. Kun mitokondrioiden asetyyli-CoA kerääntyy soluun, glukoosin biosynteesi pyruvaatista tehostuu. Tiedetään, että asetyyli-CoA on samanaikaisesti pynegatiivinen modulaattori. Asetyyli-CoA:n kerääntyminen hidastaa pyruvaatin oksidatiivista dekarboksylaatiota, mikä myös edistää glukoneogeneesin aktivoitumista.

Toinen tärkeä kohta glukoneogeneesin säätelyssä on fruktoosi-1,6-bisfosfataasin katalysoima reaktio, entsyymi, jota AMP estää. AMP:lla on päinvastainen vaikutus fosfofruktokinaasiin, eli tälle entsyymille se on allosteerinen aktivaattori. Pienillä AMP-pitoisuuksilla ja korkeilla ATP-tasoilla glukoneogeneesi stimuloituu. Päinvastoin, kun ATP/AMP-suhde on alhainen, glukoosin hajoamista havaitaan solussa. Glukoneogeneesiä ja glykolyysiä säädellään vastavuoroisesti, joten jos yhden reitin aktiivisuus on suhteellisesti vähentynyt, toisen reitin aktiivisuus lisääntyy.

Fruktoosi-2,6-bisfosfaatti on fruktoosi-6-fosfaatista muodostuva metaboliitti, joka suorittaa vain säätelytoimintoja. Fruktoosi-2,6-bisfosfaatin muodostumista fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatiolla katalysoi bifunktionaalinen entsyymi (BIF), joka katalysoi myös käänteistä reaktiota. Fruktoosi-6-fosfaatin fosforylaatioreaktiossa ATP:tä käyttämällä BIF osoittaa kinaasiaktiivisuutta, ja kun muodostunut fruktoosi-2,6-bisfosfaatti defosforyloidaan, se osoittaa fosfataasiaktiivisuutta. Tämä seikka määritti entsyymin nimen bifunktionaaliseksi.

BIF-kinaasiaktiivisuutta ilmenee, kun entsyymi on defosforyloidussa muodossaan (BIF-OH). BIF:n defosforyloitunut muoto on ominaista ajanjaksolle, jolloin insuliini/glukagoni-indeksi on korkea. Tänä aikana fruktoosi-2,6-bisfosfaatin määrä kasvaa. BIF fosforyloituu ja toimii fosfataasina, sillä sen insuliini/glukagoniindeksi on matala, mikä on ominaista pitkittyneelle paastojaksolle. Tuloksena on fruktoosi-2,6-bisfosfaatin määrän väheneminen

Glukoneogeneesiä voidaan säädellä myös epäsuorasti. Glykolyysientsyymi pyruvaattikinaasi esiintyy kahdessa muodossa - L ja M. L-muoto (englanniksi maksa - maksa) vallitsee glukoneogeneesiin kykenevissä kudoksissa. Ylimääräinen ATP ja tietyt aminohapot, erityisesti alaniini, estävät tätä muotoa. M-muoto (englannin kielestä lihas - lihakset) ei ole tällaisen säätelyn alainen. Olosuhteissa, joissa solulle on riittävästi energiaa, pyruvaattikinaasin L-muoto estyy. Eston seurauksena glykolyysi hidastuu ja syntyy glukoneogeneesille suotuisia olosuhteita.

Intensiivisesti työskentelevissä lihaksissa tai soluissa, joissa on vallitseva anaerobinen glukoosin katabolia, muodostuva laktaatti pääsee vereen ja sitten maksaan. Maksassa NADH/NAD+-suhde on pienempi kuin supistuvassa lihaksessa, joten laktaattidehydrogenaasireaktio etenee päinvastaiseen suuntaan, ts. kohti pyruvaatin muodostumista laktaatista. Seuraavaksi pyruvaatti sisällytetään glukoneogeneesiin, ja tuloksena oleva glukoosi pääsee vereen ja imeytyy luurankolihaksiin. Tätä tapahtumasarjaa kutsutaan glukoosi-laktaattisykliksi tai Cori-sykliksi.

Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi. Muodostuu oksidatiivisessa dekarboksylaatioprosessissa" title=" Pyruvaatti + NAD+ + HS-KoA) –> Asetyyli -CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi. Muodostuu oksidatiivisen dekarboksylaatioprosessin aikana." class="link_thumb"> 22 !} Pyruvaatti + NAD+ + HS-KoA –> Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi, osallistuessa. CO2:n ja H2O:n muodostumisen kanssa. Asetyyli-CoA:n täydellinen hapettuminen tapahtuu trikarboksyylihapposyklissä (Krebsin sykli). Tämä prosessi, samoin kuin pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio, tapahtuu solujen mitokondrioissa Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi. Muodostuu oksidatiivisessa dekarboksylaatioprosessissa "> Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA esiintyy monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi, osallistuessa. Oksidatiivisessa dekarboksylaatioprosessissa muodostuva asetyyli-CoA hapettuu edelleen, jolloin muodostuu CO2:ta ja H2O:ta. Asetyyli-CoA:n täydellinen hapettuminen tapahtuu trikarboksyylihapossa Tämä prosessi, samoin kuin pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio, tapahtuu solujen mitokondrioissa"> Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän mukana kutsutaan pyruMuodostuu oksidatiivisessa dekarboksylaatioprosessissa" title=" Pyruvaatti + NAD+ + HS-CoA –> Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu mukana monientsyymijärjestelmä, jota kutsutaaniksi, joka muodostuu oksidatiivisen dekarboksylaatioprosessin aikana"> title="Pyruvaatti + NAD+ + HS-KoA –> Asetyyli-CoA + NADH + H+ + CO2 Pyruvaatin hapettuminen asetyyli-CoA:ksi tapahtuu monientsyymijärjestelmän, jota kutsutaaniksi. Muodostuu oksidatiivisen dekarboksylaatioprosessin aikana."> !}

E1 - pyruvaattidehydrogenaasi; E2 -asi; E3 - dihydrolipoyylidehydrogenaasi Koentsyymit: TPP, lipoiinihappoamidi, koentsyymi A, FAD, NAD prosessivaiheet

Krebsin kierto on yleinen lopullinen polku asetyyliryhmien hapettumiselle (asetyyli-CoA:n muodossa), johon useimmat solupolttoaineena toimivat orgaaniset molekyylit: hiilihydraatit, rasvahapot ja aminohapot muuttuvat katabolian aikana. Kierto tapahtuu mitokondriomatriisissa ja koostuu kahdeksasta peräkkäisestä reaktiosta

Toisen reaktion seurauksena tuloksena oleva sitruunahappo dehydratoituu, jolloin muodostuu cis-akoniittihappoa, joka vesimolekyyliä lisäämällä muuttuu isositrihapoksi (isositraatti). Näitä palautuvia hydrataatio-dehydrataatioreaktioita katalysoi akonitaattihydrataasi (aconitase) -entsyymi.

Kolmas reaktio rajoittaa Krebsin syklin nopeutta. Isositrihappo dehydrataan NAD-riippuvaisen isositraattidehydrogenaasin läsnä ollessa: NAD-riippuvainen isositraattidehydrogenaasi on allosteerinen entsyymi, joka vaatii ADP:tä spesifisenä aktivaattorina. Lisäksi entsyymi vaatii Mg2+- tai Mn2+-ioneja osoittaakseen aktiivisuuttaan.

Neljännen reaktion aikana tapahtuu a-ketoglutaarihapon oksidatiivinen dekarboksylaatio, jolloin muodostuu suurienerginen yhdiste sukkinyyli-CoA. Tämän reaktion mekanismi on samanlainen kuin pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio asetyyli-CoA:ksi. α-ketoglon rakenteeltaan samanlainen kuini. Molemmissa tapauksissa reaktioon osallistuu 5 koentsyymiä: TPP, lipoiinihappoamidi, HS-CoA, FAD ja NAD+:

Viidennen reaktion katalysoi sukkinyyli-CoA-syntetaasientsyymi. Tämän reaktion aikana sukkinyyli-CoA, jossa on mukana GTP ja epäorgaaninen fosfaatti, muunnetaan meripihkahapoksi (sukkinaatiksi). Samaan aikaan GTP:n korkeaenergisen fosfaattisidoksen muodostuminen tapahtuu sukkinyyli-CoA:n korkeaenergisen tioesterisidoksen vuoksi: ATP-substraattifosforylaatio

Kuudennen reaktion tuloksena sukkinaatti dehydrataan fumaarihapoksi. Sukkinaatin hapettumista katalysoi sukkinaattidehydrogenaasi, jonka molekyylissä koentsyymi FAD on tiukasti (kovalenttisesti) sitoutunut proteiiniin. Sukkinaattidehydrogenaasi puolestaan ​​on tiukasti sidottu mitokondrioiden sisäiseen kalvoon:

Seitsemäs reaktio suoritetaan fumaraattihydrataasientsyymin (fumaraasi) vaikutuksen alaisena. Fumaarihappo hydratoituu ja reaktiotuote on omenahappoa (malaattia). On huomattava, että fumaraattihydrataasi on stereospesifinen: reaktion aikana muodostuu L-omenahappoa:

Yksi NADH-molekyyli (3 ATP-molekyyliä) tuotetaan pyruvaatin oksidatiivisella dekarboksylaatiolla asetyyli-CoA:ksi. Kun yksi glukoosimolekyyli hajoaa, muodostuu 2 pyruvaattimolekyyliä, ja kun ne hapetetaan kahdeksi asetyyli-CoA-molekyyliksi ja sitä seuraavat 2 kierrosta trikarboksyylihapposyklissä, syntetisoituu 30 ATP-molekyyliä (siis hapettuu pyruvaattimolekyyli CO2:ksi ja H2O:ksi tuottaa 15 ATP-molekyyliä). Tähän määrään on lisättävä 2 ATP-molekyyliä, jotka muodostuvat aerobisen glykolyysin aikana, ja 6 ATP-molekyyliä, jotka syntetisoidaan hapettamalla kaksi ekstramitokondriaalista NADH-molekyyliä, jotka muodostuvat hapettumalla 2 glyseraldehydi-3-fosfaattimolekyyliä glykolyysin dehydrogenaasireaktio. Näin ollen, kun yksi glukoosimolekyyli hajoaa kudoksissa, syntetisoituu 38 ATP-molekyyliä. Ei ole epäilystäkään siitä, että energeettisesti glukoosin täydellinen hajottaminen on tehokkaampi prosessi kuin anaerobinen glykolyysi.

Ekstramitokondriaaliset NADH-molekyylit eivät pysty tunkeutumaan kalvon läpi mitokondrioihin. Niiden luovuttamat elektronit voidaan kuitenkin sisällyttää biologisen hapettumisen mitokondriaaliseen ketjuun ns. glyavulla, jolloin yhden glukoosimolekyylin täydellisen hapettumisen seurauksena voi muodostua 36 ATP-molekyyliä. Tämän sukkulamekanismin avulla sytosolisen NADH:n vähentyneet ekvivalentit siirtyvät vain luurankolihaksissa ja aivoissa + H+ mitokondrioissa.

Maksan, munuaisten ja sydämen soluissa toimii monimutkaisempi malaatti-aspartaatti-sukkulajärjestelmä. Tämän sukkulamekanismin toiminnan tekee mahdolliseksi malaattidehydrogenaasin ja aspartaattiaminotransferaasin läsnäolo sekä sytosolissa että mitokondrioissa. Jos malaatti-aspartaattimekanismi toimii, yhden glukoosimolekyylin täydellisen hapettumisen seurauksena ei voi muodostua 36, ​​vaan 38 ATP-molekyyliä

Hiilihydraattien suoran hapettumisen tai, kuten sitä kutsutaan, pentoosifosfaattisyklin löytö kuuluu O. Warburgille, F. Lipmanille, F. Dickensille ja V.A. Engelhard Nisäkkäillä pentoosifosfaattisyklin aktiivisuus on suhteellisen korkeaa maksassa, lisämunuaisissa, sikiökudoksessa ja maitorauhasessa imetyksen aikana. Tämän reitin merkitys aineenvaihdunnassa on suuri. Se tuottaa vähentynyttä NADPH:ta, jota tarvitaan rasvahappojen, kolesterolin jne. biosynteesiin. Pentoosifosfaattikierron ansiosta noin 50 % elimistön NADPH-tarpeesta katetaan, ja tuloksena olevaa NADPH:ta käytetään sytosolissa pelkistäviä synteesiä varten, eikä se osallistu mitokondrioissa tapahtuvaan oksidatiiviseen fosforylaatioon. Pentoosifosfaattikierto tuottaa pentoosifosfaatteja nukleiinihappojen ja monien koentsyymien synteesiä varten.

Pentoosifosfaattisykli alkaa glukoosi-6-fosfaatin hapettumisesta ja sitä seuraavasta tuotteen oksidatiivisesta dekarboksylaatiosta (seurauksena ensimmäinen hiiliatomi poistetaan heksoosifosfaatista). Tämä on pentoosifosfaattisyklin ensimmäinen, niin kutsuttu oksidatiivinen vaihe.

Ensimmäinen reaktio on glukoosi-6-fosfaatin dehydraus glukoosi-6-ja koentsyymin NADP +:n kanssa. Reaktion aikana muodostunut 6-fosfoglukono-δ-laktoni on epästabiili yhdiste ja hydrolysoituu suurella nopeudella joko spontaanisti tai entsyymin 6-fosfoglukonolaktonaasi avulla muodostaen 6-fosfoglukonihappoa (6-fosfoglukonaattia) ja NADPH:ta:

Toisessa, oksidatiivisessa reaktiossa, jota katalysoi 6-fosfoglukonaattidehydrogenaasi (dekarboksylaatio), 6-fosfoglukonaatti dehydrataan ja dekarboksyloidaan. Tämän seurauksena muodostuu fosforyloitua ketopentoosia - D-ribuloosi-5-fosfaattia ja 1 NADPH-molekyyli lisää:

Sopivan epimeraasin vaikutuksesta toinen fosfopentoosi, ksyluloosi-5-fosfaatti, voi muodostua ribuloosi-5-fosfaatista. Lisäksi ribuloosi-5-fosfaatti muuttuu erityisen isomeraasin vaikutuksesta helposti riboosi-5-fosfaatiksi. Näiden pentoosifosfaattimuotojen välille muodostuu liikkuva tasapainotila:

Pentoosifosfaattisyklin ei-hapettava vaihe (vaihe). Tämän vaiheen reaktiot eivät liity hapen käyttöön ja tapahtuvat anaerobisissa olosuhteissa. Tällöin muodostuu aineita, jotka ovat ominaisia ​​glykolyysin ensimmäiselle vaiheelle (fruktoosi-6-fosfaatti, fruktoosi-1,6-bisfosfaatti, fosfotrioosit) ja muita pentoosifosfaattireitille spesifisiä aineita (sedoheptuloosi-7-fosfaatti, pentoosi -5-fosfaatit, erytroosi-fosfaatti). 4-fosfaatti).

Pentoosifosfaattisyklin ei-oksidatiivisen vaiheen pääreaktiot ovat transketolaasi ja transaldolaasi. Nämä reaktiot katalysoivat isomeeristen pentoosi-5-fosfaattien konversiota. Transketolaasireaktion koentsyymi on TPP, joka toimii glykolialdehydiryhmän välikantajana ksyluloosi-5-fosfaatista riboosi-5-fosfaattiin. Seurauksena muodostuu seitsemänhiilistä monosakkaridia sedoheptuloosi-7-fosfaattia ja glyseraldehydi-3-fosfaattia:

Wernicke-Kosakoffin oireyhtymä (neuropsykiatrinen sairaus) liittyy merkittävään (10-kertaiseen) laskuun transketolaasin kyvyssä sitoa TPP-koentsyymiä. Punasolujen glukoosi-6-fosfaattidehydrogenaasigeenin vikaan liittyy hemolyyttinen anemia. Syynä on NADPH:n puute ja sen seurauksena vähentyneen glutationin (GSH) puute, mikä johtaa reaktiivisten happilajien muodostumisen lisääntymiseen ja punasolujen hemolyysiin.

Glukoosin synteesi maitohaposta

Fyysisen toiminnan aikana sisään lihaksia maitohappoa syntyy suuri määrä, varsinkin jos kuormitus on kova, maksimiteholla Maitohappoa muodostuu myös jatkuvasti punasolut, kehon tilasta riippumatta. Se menee hepatosyytteihin verenkierron mukana ja muuttuu pyruvaaiksi. Muut reaktiot etenevät klassisen kaavion mukaisesti.

Maitohapon glukoneogeneesin kokonaisreaktio:

Laktaatti + 4ATP + 2GTP + 2H 2 O → glukoosi + 4ADP + 2GDP + 6P n

Glukoosin synteesi aminohapoista

Monet aminohapot ovat glukogeenisiä, toisin sanoen niiden hiilirungot voidaan jossain määrin sisällyttää glukoosiin. Useimmat aminohapot ovat tällaisia paitsi leusiini ja lysiini, joiden hiiliatomit eivät koskaan osallistu hiilihydraattien synteesiin.

Esimerkkinä glukoosin synteesistä aminohapoista, harkitse glutamaatin, aspartaatin, seriinin ja alaniinin osallistumista tähän prosessiin.

Asparagiinihappo(transaminaatioreaktion jälkeen) ja glutamiinihappo(deaminoinnin jälkeen) muuttuvat TCA-syklin metaboliiteiksi, vastaavasti, oksaloasetaatiksi ja α-ketoglutaraatiksi.

Alaniini Transaminoituessaan muodostaa palorypälehappoa, joka voi karboksyloitua oksaloasetaatiksi. Oksaloasetaatti, joka on ensimmäinen alkuaine glukoneogeneesiprosessissa, sisällytetään sitten glukoosin synteesiin.

Serin kolmivaiheisessa reaktiossa seriinidehydrataasin vaikutuksesta se menettää aminoryhmänsä ja muuttuu pyruvaaiksi, joka siirtyy glukoneogeneesiin.

Aminohappojen sisällyttäminen glukoosisynteesiin

Glukoosin synteesi glyserolista

Fyysisen toiminnan aikana adrenaliinin vaikutuksen alaisena tai paaston aikana glukagonin ja kortisolin vaikutuksen alaisena adiposyytit käyvät läpi aktiivisesti triasyyliglyserolien hajoaminen(lipolyysi). Yksi tämän prosessin tuotteista on alkoholi glyseroli joka menee maksaan. Täällä se fosforyloituu, hapettuu dihydroksiasetonifosfaatiksi ja osallistuu glukoneogeneesireaktioihin.

Glukoneogeneesi– glukoosin synteesi ei-hiilihydraattisista aineista, joita esiintyy pääasiassa maksassa ja vähemmän intensiivisesti munuaiskuoressa ja suoliston limakalvossa.

Glukoneogeneesin toiminta– verensokeritason ylläpitäminen pitkäaikaisen paaston ja intensiivisen fyysisen toiminnan aikana. Jatkuva glukoosin saanti energianlähteenä on erityisen välttämätöntä hermostokudokselle ja punasoluille.

Glukoneogeneesin substraatit– PVC, maitohappo, glyseriini, aminohapot. Niiden sisällyttäminen glukoneogeneesiin riippuu kehon fysiologisesta tilasta.

Useimmat glukoneogeneesireaktiot ovat glykolyysin vastakohta. Niitä katalysoivat samat entsyymit kuin vastaavat glykolyysireaktiot.

Kolme glykolyysireaktiota (heksokinaasi (1), fosfofruktokinaasi (3), pyruvaattikinaasi (10)) ovat peruuttamattomia, ja glukoneogeneesin aikana muut entsyymit toimivat näissä vaiheissa.

Glukoosin synteesi PVC:stä.

1. vaihe– fosfoenolipyruvaatin muodostuminen PVC:stä.

A) PVK:n karboksylaatio pyruvaattikarboksylaasin vaikutuksesta oksaloasetaatin muodostumisen kanssa mitokondrioissa:

Pyruvaattikarboksylaasi on mitokondrioentsyymi, jonka allosteerinen aktivaattori on asetyyli-CoA. Mitokondriokalvo on oksaloasetaattia läpäisemätön, joten mitokondrioissa oleva oksaloasetaatti muuttuu malaatiksi mitokondrioiden NAD-riippuvaisen malaattidehydrogenaasin osallistuessa:

Malaatti poistuu mitokondrioista mitokondriokalvon kautta sytosoliin, jossa se hapettuu sytoplasmisen NAD-riippuvaisen malaattidehydrogenaasin vaikutuksesta oksaloasetaatiksi:

b) solun sytosolissa tapahtuu oksaloasetaatin dekarboksylaatiota ja fosforylaatiota, jolloin muodostuu fosfoenolipyruvaattia; entsyymi -asi:

2. vaihe– fruktoosi-1,6-bisfosfaatin muuntaminen fruktoosi-6-fosfaatiksi.

Fosfenolipyruvaatti muuttuu fruktoosi-1,6-fosfaatiksi palautuvien glykolyysireaktioiden seurauksena. Tätä seuraa glykolyysin peruuttamaton fosfofruktokinaasireaktio. Glukoneogeneesi ohittaa tämän reaktion:

3. vaihe– glukoosin muodostuminen fruktoosi-6-fosfaatista.

Fruktoosi-6-fosfaatti muuttuu glukoosi-6-fosfaatiksi, joka defosforyloituu (reaktio ohittaa heksokinaasin) glukoosi-6-fosfataasin vaikutuksesta.

Glukoneogeneesi

Glukoneogeneesi on glukoosin synteesi muista kuin hiilihydraattien esiasteista. Glukoneogeneesiä tarvitaan aivoissa, kiveksissä, punasoluissa ja munuaisytimessä, joissa glukoosi on ainoa energianlähde. Paaston aikana aivot voivat kuitenkin saada energiaa ketonikappaleista, jotka muuttuvat asetyyli-CoA:ksi.

Aluksi pyruvaatti karboksyloidaan pyruvaattikarboksylaasin vaikutuksesta ja CO2:n ja ATP:n osallistuessa muodostaen oksaloasetaattia (OA).

Pyruvaattikarboksylaasia löytyy mitokondrioista. Mitokondriokalvo on läpäisemätön tuloksena olevalle PIKE:lle. Jälkimmäinen palautetaan täällä mitokondrioissa malaattiksi.

Reaktio tapahtuu mitokondrioiden NAD-riippuvaisen malaattidehydrogenaasin osallistuessa. Mitokondrioissa NADH2/NAD+-suhde on suhteellisen korkea, ja siksi intramitokondriaalinen AP pelkistyy helposti malaatiksi, joka poistuu helposti mitokondriosta kulkeutuen mitokondrion kalvon läpi. Sytoplasmassa NADH2/NAD+-suhde on hyvin pieni, ja malaatti hapettuu jälleen PAA:ksi NAD-riippuvaisen sytoplasmisen malaattidehydrogenaasin osallistuessa.

Glukoneogeneesin substraatit

Laktaattia muodostuu punasoluissa ja luustolihassoluissa anaerobisen glykolyysin aikana. Laktaatti muuttuu glukoosiksi Cori-syklin seurauksena. Merkitys - Cori-syklin osallistuessa punasolujen ja luustolihasten glykolyysin lopputuotteet kuljetetaan maksaan ja käytetään glukoosisynteesiin.

Alaniini on tärkein glukogeeninen aminohappo. Alaniinin muuntaminen glukoosiksi tapahtuu alaniinikierrossa. Luurankolihaksissa glykolyysin aikana muodostunut pyruvaatti voi muuttua alaniiniksi. Näissä reaktioissa syntyvä alaniini on NH2-ryhmien kuljetusmuoto lihaksesta maksaan, jossa ne lopulta liitetään ureamolekyyleihin ja erittyvät. Kun alaniini pääsee maksasoluihin, se voidaan muuttaa pyruvaaiksi ja käyttää substraattina glukoneogeneesissä. Merkitys - Ammoniakki on erittäin myrkyllinen yhdiste ja suurin osa siitä neutraloituu maksasoluissa (ornitiinikierrossa se sitoutuu ureamolekyyliin ja sitten erittyy). Alaniini toimii ammoniakin kuljetusmuotona maksaan, jossa se neutraloituu.

Muut aminohapot. Vain kahta aminohappoa (leusiini ja lysiini) ei voida käyttää glukoneogeneesiprosessissa. Nämä ovat ehdottomasti ketogeenisiä aminohappoja. Kaikki muut glukogeeniset aminohapot tuottavat aineenvaihdunnan aikana glykolyysin tai Krebsin syklin välituotteita.

Glyseroli. Se muodostuu triasyyliglyserolien katabolian aikana rasvakudossoluissa, menee vereen ja sitten maksaan, jossa se muuttuu kahden entsyymin (glyserolikinaasi ja alfa-glyserolifosfaattidehydrogenaasi) vaikutuksesta fosfodioksiasetoniksi (PDA), glykolyysin välituote.

Propionyyli-CoA. Parittomien hiiliatomien rasvahappojen beetahapettumiseen ja joidenkin aminohappojen (valiini, isoleusiini, tryptofaani, metioniini) aineenvaihduntaan liittyy propionyyli-CoA:n muodostuminen, joka voi muuttua sukkinyyli-CoA:ksi (a Krebs). syklin metaboliitti) kahden entsyymin vaikutuksesta:

Propionyyli-CoA-karboksylaasi (biotiinia käytetään koentsyyminä - katso H-vitamiini).

Metyylimalonyyli-CoA-mutaasi (metyylikobalamiini koentsyyminä - katso B12-vitamiini).

Yhteenvetoyhtälö:

2PVK + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O = glukoosi + 4ADP + 2GDP + 6P + 2NAD+

Glukoosimolekyylin synteesi kahdesta pyruvaattimolekyylistä vaatii 4ATP:tä ja 2GTP:tä. FA:n hapetusprosessi tuottaa energiaa glukoneogeneesille. Pelkistysvaiheet vaativat kaksi NADH-molekyyliä.

Pyruvaattikarboksylaasilla, joka katalysoi ensimmäistä reaktiota, on allosteerinen aktivaattori - asetyyli-CoA.

Glukoneogeneesin säätely

1). Se tukahdutetaan hiilihydraattipitoisen ruoan syömisen jälkeen (insuliinin vaikutuksen alaisena) ja indusoituu paaston, stressin, diabeteksen aikana (glukokortikoidien vaikutuksen alaisena).

2). FA:n hapettumisprosessi stimuloi glukoneogeneesiä. Stimulointi suoritetaan nostamalla asetyyli-CoA:n tasoa.

3) Vastavuoroinen suhde:

AsetyyliCoA estää pyruvaatti-DH:ta ja aktivoi pyruvaattikarboksylaasin.

ATP aktivoi fruktoosidifosfataasia, AMP estää sitä.

Fruktoosi-2,6-bisfosfaatti aktivoi fosfofruktokinaasi-1:tä ja estää fruktoosidifosfataasi-1:tä.

Glukoneogeneesin biologinen rooli.

1. Veren glukoosipitoisuuden jatkuvan varmistaminen hiilihydraattinälkään.

2. Metabolisen kuormituksen uudelleenjako elinten välillä. Maksa ottaa osan lihaskuormituksesta.

Glykolyysin, jota esiintyy intensiivisesti lihaskudoksessa sen aktiivisen toiminnan aikana, ja glukoneogeneesin, erityisesti maksakudokselle ominaisen, välillä on läheinen yhteys. Lihasten maksimaalisella aktiivisuudella lisääntyneen glykolyysin seurauksena muodostuu ylimääräistä maitohappoa, joka diffundoituu vereen; maksassa merkittävä osa siitä muuttuu glukoosiksi (glukoneogeneesi). Tällaista glukoosia voidaan sitten käyttää energiasubstraattina, joka on välttämätön lihaskudoksen toiminnan kannalta. Tätä hiilihydraattiaineenvaihdunnan sykliä kutsutaan Cori-sykliksi (glukoosi-laktaattikierto).

Glykolyysin välillä, jota tapahtuu intensiivisesti lihaskudoksessa sen ollessa aktiivinen

7. Trikarboksyylihapposyklin reaktioiden kemia. Kierteen peruuttamattomat reaktiot. Substraatin fosforylaatio syklin aikana. Syklin säätely .

TCA-sykliä voidaan pitää solun tuottamana mekanismina, jolla on kaksi tarkoitusta. Sen päätehtävä on, että se on täydellinen solujen "kattila", jossa siihen liittyvän orgaanisen substraatin täydellinen hapetus ja vedyn eliminointi suoritetaan. Toinen syklin tehtävä on toimittaa solulle joukko esiasteita biosynteettisiä prosesseja varten. Tyypillisesti TCA-sykli on lisä "superrakenne" solun anaerobisissa energiamekanismeissa. TCA-syklin alkusubstraatti on asetyyli-CoA ("aktivoitu etikkahappo"), joka muodostuu aerobeissa pyruvaatista pysuorittamassa reaktiossa:

CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ menee sisään

CH3-CO~S-CoA + NAD*H2 + CO2

Itse TCA-sykli (kuvio 92) alkaa asetyyli-CoA:n kondensaatiolla oksaloetikkahappomolekyylin kanssa sitraattisyntaasin katalysoimalla. Reaktiotuotteet ovat sitruunahappo ja vapaa koentsyymi A. Sitruunahappo muunnetaan peräkkäin cis-akoniitti- ja isositrihapoiksi akonitaasientsyymin vaikutuksesta. Jälkimmäinen muuttuu alfa-ketoglutaarihapoksi isositraattidehydrogenaasin katalysoimassa reaktiossa. Reaktion ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu isositrihapon dehydraus, jolloin muodostuu oksalomeripihkahappoa ja NAD*H2:ta. Toisessa vaiheessa oksalomeripihkahappo, joka on edelleen todennäköisesti sitoutunut entsyymiin, dekarboksyloituu. Reaktiotuotteet ovat entsyymistä vapautuva alfa-ketoglutaarihappo ja CO2.

Alfa-ketoglutaarihappo käy läpi edelleen oksidatiivista dekarboksylaatiota, jota katalysoi alfa-ketoglutaraattidehydrogenaasikompleksi, mikä johtaa sukkinyyli-CoA:n muodostumiseen. Tämä reaktio on TCA-syklin kymmenen komponentin ainoa peruuttamaton reaktio. Yksi reaktiotuotteista, sukkinyyli-CoA, on yhdiste, joka sisältää korkeaenergisen tioeetterisidoksen.

Seuraava vaihe on meripihkahapon muodostus sukkinyyli-CoA:sta sukkinyylitiokinaasin katalysoimana, jonka seurauksena tioesterisidoksen katkeamisesta vapautuva energia varastoidaan GTP:n fosfaattisidoksessa. GTP luovuttaa sitten fosfaattiryhmänsä ADP-molekyylille, mikä johtaa ATP:n muodostumiseen. Tämän seurauksena tässä TCA-syklin vaiheessa tapahtuu substraatin fosforylaatio.

Meripihkahappo hapetetaan fumaarihapoksi suvaikutuksesta. Seuraavaksi fumaarihappo hydratoituu fumaraasilla, jolloin saadaan omenahappoa, joka dehydrataan, mikä johtaa PKA:n muodostumiseen. Reaktiota katalysoi NAD-riippuvainen malaattidehydrogenaasi. Tämä reaktio päättää TCA-syklin, koska akseptorimolekyyli (ASA) regeneroituu uudelleen, mikä laukaisee syklin seuraavan kierroksen. Koska väliaineenvaihduntatuotteiden biosynteesin syklistä kuitenkin virtaa jatkuvasti ulos, mikä johtaa AP:n tason laskuun, on olemassa tarve sen lisäsynteesille. Tämä saavutetaan sekä pyruvaatin tai fosfoenolipyruvaatin karboksylaatioreaktioissa (taulukko 24) että kahden reaktion sekvenssillä, jota kutsutaan glyoksylaattishunttiksi (kuva 92). Ensimmäisessä niistä isositraattihappo jakautuu isositraattilyaasin vaikutuksesta meripihka- ja glyoksyylihapoiksi. Toisessa, malaattisyntetaasin katalysoimassa reaktiossa glyoksyylihappo kondensoidaan asetyyli-CoA:n kanssa muodostaen omenahappoa, joka muuntuu edelleen PCA:ksi. Kahden uuden reaktion tuloksena kahdesta C2-tähteestä syntetisoituu C4-happo. Glyoksylaattishuntti ei toimi, kun sitä kasvatetaan substraateilla, joiden kataboloituminen johtaa pyruviinihapon muodostumiseen. Se kytkeytyy päälle, kun organismeja kasvatetaan C2-yhdisteillä.

TCA-syklissä prosessoitu energia "polttoaine" ei sisällä vain hiilihydraatteja, vaan myös rasvahappoja (esim. asetyyli-CoA:ksi hajotuksen jälkeen) sekä monia aminohappoja (aminoryhmän poistamisen jälkeen deaminaatio- tai transaminaatioreaktioissa). Syklin yhden kierroksen seurauksena tapahtuu 2 dekarboksylaatiota, 4 dehydrausta ja 1 fosforylaatio. Kahden dekarboksyloinnin tuloksena on 2 hiiliatomin (2 CO2-molekyylin) poistuminen kierrosta, ts. täsmälleen yhtä paljon kuin se tuli asetyyliryhmän muodossa. Neljän dehydrauksen tuloksena muodostuu 3 NAD*H2- ja 1 FAD*H2-molekyyliä. Kuten näette, edellä kuvatuissa muunnosprosessissa kaikki vety päätyy tiettyihin kantajiin, ja nyt tehtävänä on siirtää se muiden kantajien kautta molekyylihapelle.

Miten tämä on edustettuna eubakteerissa? Kohtaamme tiettyjä entsymaattisten reaktioiden sekvenssejä, jotka ovat samanlaisia ​​kuin ne, jotka tapahtuvat TCA-syklissä eubakteereissa evolutionaarisen kehityksen eri vaiheissa. Jotkut syklin reaktiot toimivat anaerobisissa olosuhteissa bakteereissa, jotka saavat energiaa käymisprosessien kautta.

Propionibakteereissa propionihapon synteesiin johtava fermentaatioreaktioiden sarja sisältää "sisäänrakennettuja" reaktioita meripihkahaposta ACA:han, jotka ovat samanlaisia ​​kuin TCA-syklissä, mutta kulkevat vastakkaiseen suuntaan ja liittyvät kahdessa vaiheessa reaktiosubstraattien pelkistys (kuva 54). Propionihappofermentaatiossa nämä reaktiot toimivat vetyä, mikä on yksi vaihtoehdoista luovuttaja-akseptori-ongelman ratkaisemiseksi anaerobisissa olosuhteissa.

Muissa eubakteereissa kohtaamme täydellisemmin muodostuneen reaktiosarjan, joka on samanlainen kuin TCA-sykli, mutta ei vielä sulkeutunut täyteen sykliin. Useimmiten entsymaattinen vaihe, jossa alfa-ketoglutaarihappo muunnetaan meripihkahapoksi, puuttuu, minkä seurauksena TCA-sykli näyttää "katkoutuneen" (kuva 85). "Rikkoutunut" TCA-sykli löytyy bakteereista, jotka suorittavat hapetonta fotosynteesiä, syanobakteereissa, kemoautotrofeissa ja joissakin kemoheterotrofeissa. Todennäköisesti tässä muodossa TCA-sykli ei voi toimia solun energiaa tuottavien mekanismien järjestelmässä. Tässä tapauksessa sen päätehtävä on biosynteettinen. Se tosiasia, että "katkoutunut" TCA-sykli löytyy erilaisista eubakteerien fysiologisista ryhmistä, jotka ovat laajasti toisistaan ​​erillään, osoittaa tämän mekanismin monimutkaisia ​​evoluutiopolkuja. Tämä kysymys vaatii selitystä.

Syklin säätely

Krebsin sykliä säätelee "negatiivinen takaisinkytkentämekanismi"; suuren substraattimäärän (asetyyli-CoA, oksaloasetaatti) läsnä ollessa sykli toimii aktiivisesti ja kun reaktiotuotteita (NADH, ATP) on liikaa, se on estetty (Guldberg-Waage-periaate). Säätely tapahtuu myös hormonien avulla, pääasiallinen asetyyli-CoA:n lähde on glukoosi, joten glukoosin aerobista hajoamista edistävät hormonit myötävaikuttavat Krebsin syklin toimintaan. Nämä hormonit ovat: insuliini ja adrenaliini. Glukagoni stimuloi glukoosisynteesiä ja estää Krebsin syklin reaktioita.

Krebsin syklin työ ei yleensä keskeydy anapleroottisten reaktioiden vuoksi, jotka täydentävät sykliä substraateilla: Pyruvaatti + CO2 + ATP = Oksaloasetaatti (Krebsin syklin substraatti) + ADP + Fn.