Ključne reakcije glukoneogeneze. Kako su tvari uključene u glukoneogenezu? Sinteza glukoze iz aminokiselina

16.2.1. Glukoneogeneza je biosinteza glukoze iz različitih spojeva koji nisu ugljikohidrati. Biološka uloga glukoneogeneze je održavanje konstantne razine glukoze u krvi koja je neophodna za normalnu opskrbu energijom tkiva koja karakteriziraju stalne potrebe za ugljikohidratima. To posebno vrijedi za središnji živčani sustav.

Uloga glukoneogeneze raste s nedovoljnim unosom ugljikohidrata iz hrane. Tako organizam osobe koja gladuje može sintetizirati do 200 g glukoze dnevno. Glukoneogeneza brže od drugih metaboličkih procesa reagira na promjene u prehrani: unošenje velike količine bjelančevina i masti s hranom aktivira procese glukoneogeneze; višak ugljikohidrata, naprotiv, inhibira stvaranje glukoze.

Intenzivna tjelesna aktivnost popraćena je brzim trošenjem zaliha glukoze u tijelu. U ovom slučaju, glukoneogeneza je glavni način nadopunjavanja resursa ugljikohidrata, sprječavajući razvoj hipoglikemije. Glukoneogeneza u tijelu također je usko povezana s procesima neutralizacije amonijaka i održavanja acidobazne ravnoteže.

16.2.2. Glavno mjesto biosinteze glukoze de novo je jetra. Glukoneogeneza se također događa u korteksu bubrega. Općenito je prihvaćeno da je doprinos bubrega glukoneogenezi u fiziološkim uvjetima oko 10% glukoze sintetizirane u tijelu; u patološkim stanjima taj se udio može značajno povećati. U sluznici tankog crijeva nađena je neznatna aktivnost enzima glukoneogeneze.

16.2.3. Slijed reakcija glukoneogeneze predstavlja obrat odgovarajućih reakcija glikolize. Samo su tri reakcije glikolize nepovratne zbog značajnih energetskih pomaka koji se događaju tijekom njih:

a) fosforilacija glukoze; b) fosforilacija fruktoza-6-fosfata; c) pretvorba fosfoenolpiruvata u piruvat.

Zaobilaženje ovih energetskih barijera osiguravaju ključni enzimi glukoneogeneze.

Obrnuta pretvorba piruvata u fosfoenolpiruvat zahtijeva sudjelovanje dvaju enzima. Prvi je piruvat karboksilaza - katalizira reakciju stvaranja oksaloacetata (Slika 16.4, reakcija 1). Koenzim piruvat karboksilaze je biotin (vitamin H). Reakcija se nastavlja u mitohondrijima. Njegova je uloga također popuniti bazen oksaloacetata za Krebsov ciklus.

Sve kasnije reakcije glukoneogeneze odvijaju se u citoplazma . Mitohondrijska membrana je nepropusna za oksaloacetat, a u citoplazmu se prenosi u obliku drugih metabolita: malata ili aspartata. U citoplazmi se ti spojevi ponovno pretvaraju u oksaloacetat. Glumi fosfoenolpiruvat karboksikinaza iz oksaloacetata nastaje fosfoenolpiruvat (slika 16.4, reakcija 2).

Fosfoenolpiruvat, kao rezultat preokreta niza reakcija glikolize, pretvara se u fruktoza-1,6-bifosfat. Pretvorba fruktoza 1,6-bisfosfata u fruktoza 6-fosfat je katalizirana fruktoza difosfataza (Slika 16.4, reakcija 3).

Fruktoza 6-fosfat izomerizira u glukoza 6-fosfat. Konačna reakcija glukoneogeneze je hidroliza glukoza-6-fosfata uz sudjelovanje enzima glukoza-6-fosfataze (slika 16.4, reakcija 4).

Slika 16.4. Premosne reakcije glukoneogeneze .

16.2.4. Glavni izvori glukoze u glukoneogenezi su laktat, aminokiseline, glicerol i metaboliti Krebsovog ciklusa.

Laktat- krajnji produkt anaerobne oksidacije glukoze. Može se uključiti u glukoneogenezu nakon oksidacije u piruvat u reakciji laktat dehidrogenaze (vidi odjeljak "Glikoliza", slika 15.4, reakcija 11). Tijekom dugotrajnog fizičkog rada glavni izvor laktata su skeletni mišići u čijim stanicama prevladavaju anaerobni procesi. Nakupljanje mliječne kiseline u mišićima ograničava njihovu izvedbu. To je zbog činjenice da se s povećanjem koncentracije mliječne kiseline u tkivu smanjuje pH razina (mliječna acidoza). Promjene u pH dovode do inhibicije enzima u kritičnim metaboličkim putovima. Važno mjesto u zbrinjavanju nastale mliječne kiseline pripada Cori glukoza-laktatni ciklus (Slika 16.5).

Slika 16.5. Corijev ciklus i glukoza-alaninski ciklus (objašnjenja u tekstu).

Glukogene aminokiseline, koji uključuju većinu proteinskih aminokiselina. Vodeće mjesto u glukoneogenezi među aminokiselinama pripada alanin , koji se transaminacijom može pretvoriti u piruvat. Za vrijeme posta, fizičkog rada i drugih uvjeta tijelo funkcionira glukoza-alanin ciklus , slično Cori ciklusu za laktat (Slika 16.2). Postojanje alanin-glukoznog ciklusa sprječava trovanje organizma, jer u mišićima nema enzima koji iskorištavaju amonijak. Kao rezultat treninga, snaga ovog ciklusa značajno se povećava.

Druge aminokiseline mogu se, poput alanina, pretvoriti u piruvat, kao i Intermedijeri Krebsovog ciklusa (α-ketoglutarat, fumarat, sukcinil-CoA). Svi ovi metaboliti mogu se pretvoriti u oksaloacetat i uključiti u glukoneogenezu.

Glicerol- produkt hidrolize lipida u masnom tkivu. Taj se proces znatno pospješuje postom. U jetri se glicerol pretvara u dihidroksiaceton fosfat, međuprodukt glikolize i može se koristiti u glukoneogenezi.

Masna kiselina I acetil-CoA nisu prekursori glukoze. Oksidacija ovih spojeva osigurava energiju za proces sinteze glukoze.

16.2.5. Energetska ravnoteža. Put sinteze glukoze iz piruvata (slika 16.6) sastoji se od tri reakcije praćene potrošnjom energije ATP ili GTP:

a) stvaranje oksaloacetata iz piruvata (troši se molekula ATP); b) stvaranje fosfoenolpiruvata iz oksaloacetata (troši se molekula GTP); c) preokret fosforilacije prvog supstrata - nastanak 1,3-difosfoglicerata iz 3-fosfoglicerata (troši se molekula ATP-a).

Svaka od ovih reakcija se ponavlja dva puta, budući da se 2 molekule piruvata (C3) koriste za stvaranje 1 molekule glukoze (C6). Dakle, bilanca energije za sintezu glukoze iz piruvata je 6 molekula nukleozid trifosfata (4 molekule ATP-a i 2 molekule GTP-a). Kada se koriste drugi prekursori, energetska ravnoteža biosinteze glukoze je drugačija.

Slika 16.6. Energetska bilanca biosinteze glukoze iz laktata.

16.2.6. Regulacija glukoneogeneze. Brzina glukoneogeneze određena je dostupnošću supstrata – prekursora glukoze. Povećanje koncentracije bilo kojeg od prekursora glukoze u krvi dovodi do stimulacije glukoneogeneze.

Neki metaboliti su alosterički efektori enzima glukoneogeneze. Na primjer, acetil-CoA u povišenim koncentracijama alosterički aktivira piruvat karboksilazu, koja katalizira prvu reakciju glukoneogeneze. Adenozin monofosfat, naprotiv, ima inhibicijski učinak na fruktoza bifosfatazu, a višak glukoze inhibira glukoza-6-fosfatazu.

Hormon gušterače glukagon, hormoni nadbubrežne žlijezde adrenalin i kortizol povećavaju brzinu biosinteze glukoze u tijelu povećanjem aktivnosti ključnih enzima glukoneogeneze ili povećanjem koncentracije tih enzima u stanicama. Hormon gušterače inzulin pomaže smanjiti stopu glukoneogeneze u tijelu.

Glukoneogeneza je sinteza glukoze iz proizvoda koji nisu ugljikohidrati. Takvi produkti ili metaboliti su prvenstveno mliječna i pirogrožđana kiselina, glikogene aminokiseline, glicerol i niz drugih spojeva. Drugim riječima, prekursori glukoze u glukoneogenezi mogu biti piruvat ili bilo koji spoj koji se tijekom katabolizma pretvara u piruvat ili jedan od intermedijarnih produkata ciklusa trikarboksilne kiseline.

U kralješnjaka se glukoneogeneza najintenzivnije odvija u stanicama jetre i bubrega (u korteksu). Većina koraka u glukoneogenezi uključuje preokret glikolitičke reakcije. Samo 3 reakcije glikolize (heksokinaza, fosfofruktokinaza i piruvat kinaza) su ireverzibilne, stoga se drugi enzimi koriste u procesu glukoneogeneze u 3 faze.

Sinteza fosfoenolpiruvata odvija se u nekoliko faza: 1) Pretvorba piruvata u oksalacetat. Piruvat karboksilira piruvat karboksilaza uz sudjelovanje ATP-a: Piruvat karboksilaza, koja katalizira ovu reakciju, je alosterički mitohondrijski enzim. Acetil-CoA je potreban kao alosterički aktivator ovog enzima.

Fosfoenolpiruvat, nastao iz piruvata, pretvara se u fruktozu 1,6-bisfosfat kao rezultat niza reverzibilnih reakcija glikolize. Nakon toga slijedi reakcija fosfofruktokinaze, koja je ireverzibilna. Glukoneogeneza zaobilazi ovu reakciju. Pretvorbu fruktoza 1,6-bis-fosfata u fruktoza 6-fosfat katalizira specifična fosfataza:

Regulacija glukoneogeneze. Acetil-CoA ima ulogu alosteričkog aktivatora piruvat karboksilaze. U nedostatku acetil-CoA, enzim je gotovo potpuno neaktivan. Kada se mitohondrijski acetil-CoA nakuplja u stanici, biosinteza glukoze iz piruvata je pojačana. Poznato je da je acetil-CoA ujedno i negativni modulator kompleksa piruvat dehidrogenaze. Nakupljanje acetil-CoA usporava oksidativnu dekarboksilaciju piruvata, što također pridonosi aktivaciji glukoneogeneze.

Druga važna točka u regulaciji glukoneogeneze je reakcija koju katalizira fruktoza-1,6-bisfosfataza, enzim koji inhibira AMP. AMP ima suprotan učinak na fosfofrukto kinazu, tj. za ovaj enzim on je alosterički aktivator. Pri niskim koncentracijama AMP i visokim razinama ATP, stimulira se glukoneogeneza. Naprotiv, kada je omjer ATP/AMP nizak, dolazi do razgradnje glukoze u stanici. Glukoneogeneza i glikoliza regulirane su recipročno, tako da ako je aktivnost jednog puta relativno smanjena, aktivnost drugog puta je povećana.

Fruktoza-2,6-bisfosfat je metabolit nastao iz fruktozo-6-fosfata i obavlja samo regulacijske funkcije. Stvaranje fruktoza 2,6-bisfosfata fosforilacijom fruktozo 6-fosfata katalizira bifunkcionalni enzim (BIF), koji također katalizira obrnutu reakciju. U reakciji fosforilacije fruktozo-6-fosfata pomoću ATP-a, BIF pokazuje aktivnost kinaze, a kod defosforilacije nastalog fruktozo-2,6-bisfosfata pokazuje aktivnost fosfataze. Ova okolnost odredila je naziv bifunkcionalnog enzima.

Aktivnost BIF kinaze javlja se kada je enzim u defosforiliranom obliku (BIF-OH). Defosforilirani oblik BIF karakterističan je za razdoblje kada je inzulin/glukagon indeks visok. U tom razdoblju povećava se količina fruktoza-2,6-bisfosfata. S niskim indeksom inzulin/glukagon, karakterističnim za razdoblje produljenog gladovanja, BIF je fosforiliran i djeluje kao fosfataza. Rezultat je smanjenje količine fruktoza-2,6-bisfosfata

Glukoneogeneza se također može regulirati neizravno. Enzim glikolize piruvat kinaza postoji u 2 oblika - L i M. Oblik L (od engleskog liver - jetra) prevladava u tkivima sposobnim za glukoneogenezu. Ovaj oblik je inhibiran viškom ATP-a i određenih aminokiselina, posebice alanina. M-forma (od engleskog muscle - mišići) ne podliježe takvoj regulaciji. U uvjetima dovoljne opskrbe stanice energijom, L-oblik piruvat kinaze je inhibiran. Kao rezultat inhibicije, glikoliza se usporava i stvaraju se uvjeti pogodni za glukoneogenezu.

Laktat nastao u mišićima koji intenzivno rade ili u stanicama s prevladavajućim anaerobnim načinom katabolizma glukoze ulazi u krv, a zatim u jetru. U jetri je odnos NADH/NAD+ niži nego u mišiću kontrakciji, pa se reakcija laktat dehidrogenaze odvija u suprotnom smjeru, tj. prema stvaranju piruvata iz laktata. Zatim se piruvat uključuje u glukoneogenezu, a nastala glukoza ulazi u krv i apsorbira je skeletni mišići. Ovaj slijed događaja naziva se glukoza-laktatni ciklus ili Corijev ciklus.

Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA događa se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava koji se zove kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje u procesu oksidativne dekarboksilacije" title=" Piruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetil -CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA događa se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava koji se zove kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje tijekom procesa oksidativne dekarboksilacije" class="link_thumb"> 22 !} Piruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA odvija se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava koji se naziva kompleks piruvat dehidrogenaze. Acetil-CoA nastao tijekom oksidativne dekarboksilacije prolazi daljnju oksidaciju uz nastanak CO2 i H2O. Potpuna oksidacija acetil-CoA događa se u ciklusu trikarboksilnih kiselina (Krebsov ciklus). Ovaj proces, kao i oksidativna dekarboksilacija piruvata, odvija se u mitohondrijima stanica Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA odvija se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava koji se zove kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje u procesu oksidativne dekarboksilacije "> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA nastaje uz sudjelovanje višeenzimskog sustava, koji se naziva kompleks piruvat dehidrogenaze. Acetil-CoA nastao u procesu oksidativne dekarboksilacije podvrgava se daljnjoj oksidaciji uz stvaranje CO2 i H2O. Potpuna oksidacija acetil-CoA događa se u trikarboksilnoj kiselini ciklus (Krebsov ciklus). Ovaj proces, kao i oksidativna dekarboksilacija piruvata, odvija se u mitohondrijima stanica"> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA odvija se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava zove se kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje u procesu oksidativne dekarboksilacije" title=" Piruvat + NAD+ + HS-CoA –> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA odvija se uz sudjelovanje multienzimski sustav nazvan kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje u procesu oksidativne dekarboksilacije"> title="Piruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oksidacija piruvata u acetil-CoA događa se uz sudjelovanje višeenzimskog sustava koji se zove kompleks piruvat dehidrogenaze Nastaje tijekom procesa oksidativne dekarboksilacije"> !}

E1 - piruvat dehidrogenaza; E2 - dihidrolipoilacetiltransferaza; E3 - dihidrolipoil dehidrogenaza Koenzimi: TPP, amid lipoične kiseline, koenzim A, FAD, NAD faze procesa

Krebsov ciklus je opći konačni put za oksidaciju acetilnih skupina (u obliku acetil-CoA), u koje se tijekom katabolizma pretvara većina organskih molekula koje imaju ulogu staničnog goriva: ugljikohidrati, masne kiseline i aminokiseline. Ciklus se odvija u matrici mitohondrija i sastoji se od osam uzastopnih reakcija

Kao rezultat druge reakcije, nastala limunska kiselina prolazi kroz dehidraciju i formira cis-aconitic kiselinu, koja, dodavanjem molekule vode, postaje izocitrična kiselina (izocitrat). Ove reverzibilne reakcije hidratacije-dehidracije katalizira enzim akonitat hidrataza (aconitase).

Treća reakcija ograničava brzinu Krebsovog ciklusa. Izocitratna kiselina se dehidrogenira u prisutnosti izocitrat dehidrogenaze ovisne o NAD: izocitrat dehidrogenaza ovisna o NAD je alosterički enzim koji zahtijeva ADP kao specifični aktivator. Osim toga, enzim zahtijeva ione Mg2+ ili Mn2+ da bi pokazao svoju aktivnost.

Tijekom četvrte reakcije dolazi do oksidativne dekarboksilacije α-ketoglutarne kiseline pri čemu nastaje visokoenergetski spoj sukcinil-CoA. Mehanizam ove reakcije sličan je onom kod oksidativne dekarboksilacije piruvata u acetil-CoA. Kompleks α-ketoglutarat dehidrogenaze sličan je po strukturi kompleksu piruvat dehidrogenaze. U oba slučaja u reakciji sudjeluje 5 koenzima: TPP, amid lipoične kiseline, HS-CoA, FAD i NAD+:

Petu reakciju katalizira enzim sukcinil-CoA sintetaza. Tijekom ove reakcije sukcinil-CoA, uz sudjelovanje GTP-a i anorganskog fosfata, pretvara se u sukcinatnu kiselinu (sukcinat). U isto vrijeme dolazi do stvaranja visokoenergetske fosfatne veze GTP zbog visokoenergetske tioesterske veze sukcinil-CoA: ATP fosforilacija supstrata

Kao rezultat šeste reakcije, sukcinat se dehidrogenira u fumarnu kiselinu. Oksidaciju sukcinata katalizira sukcinat dehidrogenaza, u čijoj je molekuli koenzim FAD čvrsto (kovalentno) vezan za protein. Zauzvrat, sukcinat dehidrogenaza je čvrsto vezana za unutarnju membranu mitohondrija:

Sedma reakcija odvija se pod utjecajem enzima fumarat hidrataze (fumaraze). Fumarna kiselina je hidratizirana, a proizvod reakcije je jabučna kiselina (malat). Treba napomenuti da je fumarat hidrataza stereospecifična: tijekom reakcije nastaje L-jabučna kiselina:

Jedna molekula NADH (3 molekule ATP) nastaje oksidativnom dekarboksilacijom piruvata u acetil-CoA. Kada se jedna molekula glukoze razgradi, nastaju 2 molekule piruvata, a kada se oksidiraju u 2 molekule acetil-CoA i sljedeća 2 okretaja ciklusa trikarboksilne kiseline, sintetizira se 30 molekula ATP-a (dakle, oksidacija molekula piruvata na CO2 i H2O proizvodi 15 molekula ATP). Toj količini treba dodati 2 molekule ATP-a, nastale tijekom aerobne glikolize, i 6 molekula ATP-a, sintetiziranih oksidacijom 2 molekule ekstramitohondrijskog NADH, koji nastaju oksidacijom 2 molekule gliceraldehid-3-fosfata u dehidrogenazna reakcija glikolize. Posljedično, kada se jedna molekula glukoze razgradi u tkivima, sintetizira se 38 molekula ATP-a. Nema sumnje da je energetski potpuna razgradnja glukoze učinkovitiji proces od anaerobne glikolize.

Ekstramitohondrijske molekule NADH ne mogu prodrijeti kroz membranu u mitohondrije. Međutim, elektroni koje doniraju mogu se uključiti u mitohondrijski lanac biološke oksidacije pomoću takozvanog glicerol fosfat shuttle mehanizma. U ovom slučaju, kao rezultat potpune oksidacije jedne molekule glukoze, može nastati 36 molekula ATP. uz pomoć ovog shuttle mehanizma, reducirani ekvivalenti iz citosolnog NADH prenose se samo u skeletne mišiće i mozak + H+ u mitohondrije.

U stanicama jetre, bubrega i srca djeluje složeniji malat-aspartatni shuttle sustav. Djelovanje ovog mehanizma prijenosa omogućeno je prisutnošću malat dehidrogenaze i aspartat aminotransferaze u citosolu i mitohondrijima. Ako funkcionira malat-aspartatni mehanizam, tada kao rezultat potpune oksidacije jedne molekule glukoze može nastati ne 36, već 38 molekula ATP-a.

Otkriće izravne oksidacije ugljikohidrata ili, kako se naziva, pentozofosfatnog ciklusa, pripada O. Warburgu, F. Lipmanu, F. Dickensu i V.A. Engelhard Kod sisavaca, aktivnost pentozofosfatnog ciklusa je relativno visoka u jetri, nadbubrežnim žlijezdama, fetalnom tkivu i mliječnoj žlijezdi tijekom dojenja. Važnost ovog puta u metabolizmu je velika. Dobavlja reducirani NADPH, neophodan za biosintezu masnih kiselina, kolesterola itd. Zbog pentozofosfatnog ciklusa pokriva se približno 50% tjelesnih potreba za NADPH.Rezultirajući NADPH koristi se u citosolu za reduktivne sinteze i ne sudjeluje u oksidativnoj fosforilaciji koja se odvija u mitohondrijima. Pentozofosfatni ciklus opskrbljuje pentozofosfate za sintezu nukleinskih kiselina i mnogih koenzima.

Ciklus pentozo-fosfata počinje oksidacijom glukoza-6-fosfata i naknadnom oksidativnom dekarboksilacijom produkta (kao rezultat, prvi atom ugljika uklanja se iz heksoza-fosfata). Ovo je prvi, takozvani oksidativni stupanj pentozofosfatnog ciklusa.

Prva reakcija je dehidrogenacija glukoza-6-fosfata uz sudjelovanje enzima glukoza-6-fosfat dehidrogenaze i koenzima NADP +. 6-fosfoglukono-δ-lakton koji nastaje tijekom reakcije je nestabilan spoj i hidrolizira se velikom brzinom spontano ili uz pomoć enzima 6-fosfoglukonolaktonaze ​​u 6-fosfoglukonsku kiselinu (6-fosfoglukonat) i NADPH:

U drugoj, oksidativnoj reakciji, koju katalizira 6-fosfoglukonat dehidrogenaza (dekarboksilacija), 6-fosfoglukonat se dehidrogenira i dekarboksilira. Kao rezultat toga nastaje fosforilirana ketopentoza - D-ribuloza-5-fosfat i još 1 NADPH molekula:

Pod djelovanjem odgovarajuće epimeraze iz ribuloza-5-fosfata može nastati još jedna fosfopentoza, ksiluloza-5-fosfat. Osim toga, ribuloza-5-fosfat, pod utjecajem posebne izomeraze, lako se pretvara u riboza-5-fosfat. Stanje pokretne ravnoteže uspostavlja se između ovih oblika pentozofosfata:

Neoksidativni stadij (stadij) pentozofosfatnog ciklusa. Reakcije ove faze nisu povezane s upotrebom kisika i odvijaju se u anaerobnim uvjetima. U tom slučaju nastaju tvari koje su karakteristične za prvi stupanj glikolize (fruktoza-6-fosfat, fruktoza-1,6-bisfosfat, fosfotrioze) i druge specifične za pentozofosfatni put (sedoheptuloza-7-fosfat, pentoza -5-fosfati, eritroza-fosfat).4-fosfat).

Glavne reakcije neoksidativnog stadija pentozofosfatnog ciklusa su transketolaza i transaldolaza. Ove reakcije kataliziraju pretvorbu izomernih pentoza-5-fosfata. Koenzim u reakciji transketolaze je TPP, koji ima ulogu intermedijarnog nosača glikol-aldehidne skupine od ksiluloza-5-fosfata do riboza-5-fosfata. Kao rezultat toga nastaju monosaharid sa sedam ugljika sedoheptuloza-7-fosfat i gliceraldehid-3-fosfat:

Wernicke-Kosakoffov sindrom (neuropsihijatrijska bolest) povezan je sa značajnim smanjenjem (10 puta) sposobnosti transketolaze da veže koenzim TPP. Defekt gena glukoza-6-fosfat dehidrogenaze u eritrocitima prati hemolitička anemija. Razlog je nedostatak NADPH i kao posljedica toga nedostatak reduciranog glutationa (GSH), što dovodi do povećanja stvaranja reaktivnih kisikovih spojeva i hemolize crvenih krvnih stanica

Sinteza glukoze iz mliječne kiseline

Tijekom tjelesne aktivnosti u mišići stvara se velika količina mliječne kiseline, pogotovo ako je opterećenje intenzivno, pri maksimalnoj snazi.Kontinuirano se stvara i mliječna kiselina crvene krvne stanice, bez obzira na stanje tijela. S krvotokom ulazi u hepatocit i pretvara se u piruvat. Daljnje reakcije odvijaju se prema klasičnoj shemi.

Ukupna reakcija glukoneogeneze iz mliječne kiseline:

Laktat + 4ATP + 2GTP + 2H 2 O → Glukoza + 4ADP + 2GDP + 6P n

Sinteza glukoze iz aminokiselina

Brojne aminokiseline su glukogene, to jest, njihovi ugljični kosturi su, u jednom ili drugom stupnju, sposobni biti uključeni u glukozu. Većina aminokiselina je ovakva osim leucin i lizin, čiji ugljikovi atomi nikad ne sudjeluju u sintezi ugljikohidrata.

Kao primjer sinteze glukoze iz aminokiselina, razmotrimo sudjelovanje glutamata, aspartata, serina i alanina u ovom procesu.

Asparaginska kiselina(nakon reakcije transaminacije) i glutaminska kiselina(nakon deaminacije) pretvaraju se u metabolite TCA ciklusa, odnosno u oksaloacetat i α-ketoglutarat.

Alanin, kada se transaminira, formira pirogrožđanu kiselinu, koja se može karboksilirati u oksaloacetat. Oksaloacetat, kao prvi element u procesu glukoneogeneze, zatim se uključuje u sintezu glukoze.

Serin u reakciji u tri koraka pod utjecajem serin dehidrataze gubi amino skupinu i prelazi u piruvat koji ulazi u glukoneogenezu.

Uključivanje aminokiselina u sintezu glukoze

Sinteza glukoze iz glicerola

Tijekom tjelesne aktivnosti pod utjecajem adrenalina ili tijekom gladovanja pod utjecajem glukagona i kortizola, adipociti se aktivno podvrgavaju razgradnju triacilglicerola(lipoliza). Jedan od proizvoda ovog procesa je alkohol glicerol koji ide u jetru. Ovdje se fosforilira, oksidira u dihidroksiaceton fosfat i uključuje u reakcije glukoneogeneze.

Glukoneogeneza– sinteza glukoze iz tvari neugljikohidratne prirode, koja se odvija uglavnom u jetri, a manje intenzivno u bubrežnom korteksu i crijevnoj sluznici.

Funkcija glukoneogeneze– održavanje razine glukoze u krvi tijekom dugotrajnog posta i intenzivne tjelesne aktivnosti. Stalna opskrba glukozom kao izvorom energije posebno je neophodna za živčano tkivo i crvena krvna zrnca.

Supstrati glukoneogeneze– PVC, mliječna kiselina, glicerin, aminokiseline. Njihovo uključivanje u glukoneogenezu ovisi o fiziološkom stanju organizma.

Većina reakcija glukoneogeneze je obrnuto od glikolize. Njih kataliziraju isti enzimi kao i odgovarajuće reakcije glikolize.

Tri reakcije glikolize (heksokinaza (1), fosfofruktokinaza (3), piruvat kinaza (10)) su nepovratne, a tijekom glukoneogeneze u tim fazama djeluju drugi enzimi.

Sinteza glukoze iz PVC-a.

1. faza– stvaranje fosfoenolpiruvata iz PVC-a.

A) karboksilacija PVK pod utjecajem piruvat karboksilaze uz stvaranje oksalacetata u mitohondrijima:

Piruvat karboksilaza je mitohondrijski enzim čiji je alosterički aktivator acetil-CoA. Mitohondrijska membrana je nepropusna za oksaloacetat, pa se oksaloacetat u mitohondrijima pretvara u malat uz sudjelovanje mitohondrijske NAD-ovisne malat dehidrogenaze:

Malat izlazi iz mitohondrija kroz mitohondrijsku membranu u citosol, gdje se pod djelovanjem citoplazmatske NAD-ovisne malat dehidrogenaze oksidira u oksaloacetat:

b) u citosolu stanice dolazi do dekarboksilacije i fosforilacije oksaloacetata uz stvaranje fosfoenolpiruvata; enzim – fosfoenolpiruvat karboksikinaza:

2. faza– pretvaranje fruktozo-1,6-bisfosfata u fruktozo-6-fosfat.

Fosfoenolpiruvat se pretvara u fruktozo-1,6-fosfat kao rezultat reverzibilnih reakcija glikolize. Nakon toga slijedi ireverzibilna fosfofruktokinazna reakcija glikolize. Glukoneogeneza zaobilazi ovu reakciju:

3. faza– stvaranje glukoze iz fruktozo-6-fosfata.

Fruktoza-6-fosfat se pretvara u glukoza-6-fosfat, koji se defosforilira (reakcija zaobilazi heksokinazu) pod utjecajem glukoza-6-fosfataze.

Glukoneogeneza

Glukoneogeneza je sinteza glukoze iz prekursora koji nisu ugljikohidrati. Glukoneogeneza je potrebna u mozgu, testisima, crvenim krvnim stanicama i bubrežnoj srži, gdje je glukoza jedini izvor energije. Međutim, tijekom posta mozak može dobiti energiju iz ketonskih tijela koja se pretvaraju u acetil CoA.

U početku se piruvat, pod utjecajem piruvat karboksilaze i uz sudjelovanje CO2 i ATP, karboksilira u oksaloacetat (OA).

Piruvat karboksilaza se nalazi u mitohondrijima. Mitohondrijska membrana je nepropusna za nastalu PIKE. Potonji se ovdje u mitohondrijima obnavlja u malat.

Reakcija se odvija uz sudjelovanje mitohondrijske NAD-ovisne malat dehidrogenaze. U mitohondrijima je omjer NADH2/NAD+ relativno visok, pa se intramitohondrijski AP lako reducira u malat, koji lako napušta mitohondrije prolazeći kroz membranu mitohondrija. U citoplazmi je omjer NADH2/NAD+ vrlo mali, a malat se ponovno oksidira u PAA uz sudjelovanje NAD-ovisne citoplazmatske malat dehidrogenaze.

Supstrati glukoneogeneze

Laktat nastaje tijekom anaerobne glikolize u crvenim krvnim stanicama i stanicama skeletnih mišića. Pretvorba laktata u glukozu događa se kao rezultat Cori ciklusa. Značaj - uz sudjelovanje Cori ciklusa, krajnji produkti glikolize iz crvenih krvnih stanica i skeletnih mišića transportiraju se u jetru i koriste za sintezu glukoze.

Alanin je glavna glukogena aminokiselina. Pretvorba alanina u glukozu događa se u ciklusu alanina. U skeletnim mišićima, piruvat, nastao tijekom glikolize, može se pretvoriti u alanin. Alanin proizveden u ovim reakcijama je transportni oblik NH2 skupina od mišića do jetre, gdje se na kraju ugrađuju u molekule uree i izlučuju. Kada alanin uđe u hepatocite, može se pretvoriti u piruvat i koristiti kao supstrat u glukoneogenezi. Značaj – Amonijak je izuzetno toksičan spoj i veći dio se neutralizira u stanicama jetre (u ornitinskom ciklusu se veže u molekulu uree i potom izlučuje). Alanin služi kao transportni oblik amonijaka do jetre, gdje se neutralizira.

Ostale aminokiseline. Samo dvije aminokiseline (leucin i lizin) ne mogu se koristiti u procesu glukoneogeneze. To su striktno ketogene aminokiseline. Sve ostale glukogene aminokiseline tijekom svog metabolizma stvaraju intermedijarne produkte glikolize ili Krebsovog ciklusa.

Glicerol. Nastaje tijekom katabolizma triacilglicerola u stanicama masnog tkiva, ulazi u krv i zatim u jetru, gdje se pod djelovanjem dvaju enzima (glicerol kinaze i alfa-glicerol fosfat dehidrogenaze) pretvara u fosfodioksiaceton (PDA), međuprodukt glikolize.

Propionil-CoA. Beta-oksidacija masnih kiselina s neparnim brojem ugljikovih atoma i metabolizam nekih aminokiselina (valin, izoleucin, triptofan, metionin) praćeni su stvaranjem propionil-CoA, koji se može pretvoriti u sukcinil-CoA (Krebs metabolit ciklusa) pod djelovanjem dva enzima:

Propionil-CoA karboksilaza (biotin se koristi kao koenzim – vidi vitamin H).

Metilmalonil-CoA mutaza (metilkobalamin kao koenzim - vidi vitamin B12).

Sažeta jednadžba:

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

Za sintezu molekule glukoze iz dvije molekule piruvata potrebni su 4ATP i 2GTP. Proces oksidacije FA daje energiju za glukoneogenezu. Koraci redukcije zahtijevaju dvije molekule NADH.

Piruvat karboksilaza, koja katalizira prvu reakciju, ima alosterički aktivator - acetil CoA.

Regulacija glukoneogeneze

1).Potiskuje se nakon unosa hrane bogate ugljikohidratima (pod utjecajem inzulina) i inducira tijekom posta, stresa, dijabetesa (pod utjecajem glukokortikoida).

2).Proces oksidacije FA potiče glukoneogenezu. Stimulacija se provodi povećanjem razine acetil-CoA.

3). Recipročni odnos:

AcetilCoA inhibira piruvatDH i aktivira piruvat karboksilazu.

ATP aktivira fruktozo difosfatazu, AMP je inhibira.

Fruktoza 2,6-bisfosfat aktivira fosfofruktokinazu-1 i inhibira fruktoza difosfatazu-1.

Biološka uloga glukoneogeneze.

1. Osiguravanje stalne koncentracije glukoze u krvi tijekom ugljikohidratnog gladovanja.

2. Preraspodjela metaboličkog opterećenja između organa. Jetra preuzima dio mišićnog opterećenja.

Postoji bliska veza između glikolize, koja se intenzivno javlja u mišićnom tkivu tijekom njegove aktivne aktivnosti, i glukoneogeneze, posebno karakteristične za tkivo jetre. Uz maksimalnu mišićnu aktivnost, kao rezultat pojačane glikolize, stvara se višak mliječne kiseline koja difundira u krv, au jetri se značajan dio pretvara u glukozu (glukoneogeneza). Takva se glukoza zatim može koristiti kao energetski supstrat neophodan za aktivnost mišićnog tkiva. Ovaj ciklus u metabolizmu ugljikohidrata naziva se Cori ciklus (glukoza-laktatni ciklus).

Između glikolize, koja se intenzivno javlja u mišićnom tkivu kada je ono aktivno

7. Kemija reakcija ciklusa trikarboksilnih kiselina. Ireverzibilne reakcije ciklusa. Fosforilacija supstrata tijekom ciklusa. Regulacija ciklusa .

TCA ciklus se može smatrati mehanizmom koji proizvodi stanica i koji ima dvostruku svrhu. Njegova glavna funkcija je da je savršen stanični "kotao" u kojem se odvija potpuna oksidacija organskog supstrata koji je u njemu uključen i eliminacija vodika. Još jedna funkcija ciklusa je opskrba stanice s nizom prekursora za biosintetske procese. Tipično, TCA ciklus je daljnja "superstruktura" na anaerobnim energetskim mehanizmima stanice. Početni supstrat TCA ciklusa je acetil-CoA ("aktivirana octena kiselina"), koji nastaje u aerobima iz piruvata u reakciji koju provodi kompleks piruvat dehidrogenaze:

Ulazi CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+

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

Sam ciklus TCA (slika 92) počinje kondenzacijom acetil-CoA s molekulom oksaloctene kiseline, kataliziranu citrat sintazom. Produkti reakcije su limunska kiselina i slobodni koenzim A. Limunska kiselina se sekvencijalno pretvara u cis-akonitnu i izocitričnu kiselinu pomoću enzima akonitaze. Potonji se pretvara u alfa-ketoglutarnu kiselinu u reakciji koju katalizira izocitrat dehidrogenaza. U prvom stupnju reakcije odvija se dehidrogenacija izocitrične kiseline, što rezultira stvaranjem oksalojantarne kiseline i NAD*H2. U drugom koraku, oksalojantarna kiselina, još uvijek vjerojatno vezana za enzim, prolazi kroz dekarboksilaciju. Produkti reakcije su alfa-ketoglutarna kiselina, oslobođena iz enzima, i CO2.

Alfa-ketoglutarna kiselina prolazi daljnju oksidativnu dekarboksilaciju kataliziranu kompleksom alfa-ketoglutarat dehidrogenaze, što rezultira stvaranjem sukcinil-CoA. Ova reakcija je jedina ireverzibilna reakcija od deset komponenti TCA ciklusa. Jedan od produkata reakcije, sukcinil-CoA, spoj je koji sadrži tioetersku vezu visoke energije.

Sljedeći korak je stvaranje jantarne kiseline iz sukcinil-CoA, katalizirano sukciniltiokinazom, uslijed čega se energija oslobođena prekidom tioesterske veze pohranjuje u fosfatnu vezu GTP-a. GTP zatim donira svoju fosfatnu skupinu ADP molekuli, što rezultira stvaranjem ATP-a. Posljedično, u ovoj fazi TCA ciklusa odvija se fosforilacija supstrata.

Jantarna kiselina se oksidira u fumarnu kiselinu pomoću enzima sukcinat dehidrogenaze. Zatim se fumarna kiselina hidratizira pomoću fumaraze, što rezultira jabučnom kiselinom, koja se podvrgava dehidrogenaciji, što dovodi do stvaranja PKA. Reakciju katalizira NAD-ovisna malat dehidrogenaza. Ova reakcija dovršava TCA ciklus, budući da se akceptorska molekula (ASA) ponovno regenerira, pokrećući sljedeću revoluciju ciklusa. Međutim, budući da postoji stalni odljev iz ciklusa za biosintezu intermedijarnih metabolita, što dovodi do smanjenja razine AP, postoji potreba za njegovom dodatnom sintezom. To se postiže u reakcijama karboksilacije piruvata ili fosfoenolpiruvata (tablica 24) i nizom dviju reakcija koje se nazivaju glioksilatni shunt (slika 92). U prvom od njih izocitrična kiselina se pod djelovanjem izocitrat-liaze cijepa na jantarnu i glioksilnu kiselinu. U drugoj reakciji, koju katalizira malat sintetaza, glioksilna kiselina se kondenzira s acetil-CoA u obliku jabučne kiseline, koja se dalje pretvara u PCA. Kao rezultat dvije nove reakcije, C4 kiselina se sintetizira iz dva C2 ​​ostatka. Glioksilatni shunt ne radi kada se uzgaja na supstratima čija katabolizacija dovodi do stvaranja pirogrožđane kiseline. Uključuje se kada se organizmi uzgajaju na C2 spojevima.

Energetsko "gorivo" koje se obrađuje u TCA ciklusu uključuje ne samo ugljikohidrate, već i masne kiseline (nakon preliminarne razgradnje na acetil-CoA), kao i mnoge aminokiseline (nakon uklanjanja amino skupine u reakcijama deaminacije ili transaminacije). Kao rezultat jedne revolucije ciklusa događaju se 2 dekarboksilacije, 4 dehidrogenacije i 1 fosforilacija. Rezultat 2 dekarboksilacije je uklanjanje 2 atoma ugljika (2 molekule CO2) iz ciklusa, tj. točno onoliko koliko je došlo u obliku acetilne skupine. Kao rezultat 4 dehidrogenacije nastaju 3 molekule NAD*H2 i 1 molekula FAD*H2. Kao što vidite, u procesu gore opisanih transformacija, sav vodik završava na određenim nosačima, a zadatak je sada prenijeti ga preko drugih nosača do molekularnog kisika.

Kako je to predstavljeno u eubakterijama? Susrećemo određene sekvence enzimskih reakcija slične onima koje se odvijaju u ciklusu TCA u eubakterijama na različitim stupnjevima evolucijskog razvoja. Neke reakcije u ciklusu odvijaju se u anaerobnim uvjetima u bakterijama koje dobivaju energiju procesima fermentacije.

U propionskim bakterijama, slijed reakcija fermentacije koji vodi do sinteze propionske kiseline sadrži "ugrađene" reakcije od jantarne kiseline do ACA, slične onima u TCA ciklusu, ali idu u suprotnom smjeru i povezane su u dvije faze s redukcija reakcijskih supstrata (slika 54). U fermentaciji propionske kiseline, ove reakcije funkcioniraju za prihvaćanje vodika, što je jedna od opcija za rješavanje problema donor-akceptor u anaerobnim uvjetima.

Kod drugih eubakterija susrećemo potpunije formiran slijed reakcija sličan TCA ciklusu, ali još uvijek nije zatvoren u puni ciklus. Najčešće je odsutan enzimski korak pretvaranja alfa-ketoglutarne kiseline u jantarnu kiselinu, zbog čega se čini da je ciklus TCA "prekinut" (Sl. 85). “Prekinuti” TCA ciklus nalazi se u bakterijama koje provode fotosintezu bez kisika, cijanobakterijama, kemoautotrofima i nekim kemoheterotrofima. Vjerojatno, u ovom obliku, TCA ciklus ne može funkcionirati u sustavu mehanizama za proizvodnju energije stanice. U ovom slučaju, njegova glavna funkcija je biosintetska. Činjenica da se „isprekidani“ TCA ciklus nalazi u različitim fiziološkim skupinama eubakterija, međusobno široko odvojenih, ukazuje na složene evolucijske putove ovog mehanizma. Ovo pitanje zahtijeva neko objašnjenje.

Regulacija ciklusa

Krebsov ciklus reguliran je "mehanizmom negativne povratne sprege"; u prisutnosti velike količine supstrata (acetil-CoA, oksaloacetat) ciklus aktivno radi, a kada postoji višak produkata reakcije (NADH, ATP), inhibiran je (Guldberg-Waageov princip). Regulacija se također provodi uz pomoć hormona; glavni izvor acetil-CoA je glukoza, stoga hormoni koji potiču aerobnu razgradnju glukoze doprinose funkcioniranju Krebsovog ciklusa. Ti hormoni su: inzulin i adrenalin. Glukagon stimulira sintezu glukoze i inhibira reakcije Krebsovog ciklusa.

Rad Krebsovog ciklusa u pravilu se ne prekida zbog anaplerotskih reakcija koje nadopunjuju ciklus supstratima: Piruvat + CO2 + ATP = Oksaloacetat (supstrat Krebsovog ciklusa) + ADP + Fn.