Nyckelreaktioner av glukoneogenes. Hur är ämnen involverade i glukoneogenesen? Syntes av glukos från aminosyror

16.2.1. Glukoneogenes är biosyntesen av glukos från olika icke-kolhydratföreningar. Den biologiska rollen för glukoneogenes är att upprätthålla en konstant nivå av glukos i blodet, vilket är nödvändigt för normal energiförsörjning till vävnader som kännetecknas av ett kontinuerligt behov av kolhydrater. Detta gäller särskilt för det centrala nervsystemet.

Glukoneogenesens roll ökar med otillräckligt intag av kolhydrater från maten. Således kan kroppen hos en fastande person syntetisera upp till 200 g glukos per dag. Glukoneogenes reagerar snabbare än andra metaboliska processer på förändringar i kosten: införandet av stora mängder proteiner och fetter med mat aktiverar processerna för glukoneogenes; överskott av kolhydrater, tvärtom, hämmar bildandet av glukos.

Intensiv fysisk aktivitet åtföljs av snabb utarmning av glukosreserver i kroppen. I det här fallet är glukoneogenes det huvudsakliga sättet att fylla på kolhydratresurser, vilket förhindrar utvecklingen av hypoglykemi. Glukoneogenes i kroppen är också nära relaterad till processerna för ammoniakneutralisering och upprätthållande av syra-basbalansen.

16.2.2. Huvudplatsen för glukosbiosyntes de novoär levern. Glukoneogenes sker även i njurbarken. Det är allmänt accepterat att njurens bidrag till glukoneogenes under fysiologiska förhållanden är cirka 10 % av den glukos som syntetiseras i kroppen; under patologiska tillstånd kan denna andel öka avsevärt. Obetydlig aktivitet av glukoneogenesenzymer hittades i slemhinnan i tunntarmen.

16.2.3. Sekvensen av reaktioner av glukoneogenes representerar omkastningen av motsvarande reaktioner av glykolys. Endast tre glykolysreaktioner är irreversibla på grund av betydande energiförskjutningar som inträffar under dem:

a) fosforylering av glukos; b) fosforylering av fruktos-6-fosfat; c) omvandling av fosfoenolpyruvat till pyruvat.

Att kringgå dessa energibarriärer tillhandahålls av nyckelenzymer för glukoneogenes.

Den omvända omvandlingen av pyruvat till fosfoenolpyruvat kräver deltagande av två enzymer. Den första är pyruvatkarboxylas - katalyserar reaktionen för bildning av oxaloacetat (Figur 16.4, reaktion 1). Koenzymet av pyruvatkarboxylas är biotin (vitamin H). Reaktionen fortsätter i mitokondrier. Dess roll är också att fylla på oxaloacetatpoolen för Krebs-cykeln.

Alla efterföljande reaktioner av glukoneogenes inträffar i cytoplasma . Det mitokondriella membranet är ogenomträngligt för oxaloacetat, och det transporteras in i cytoplasman i form av andra metaboliter: malat eller aspartat. I cytoplasman förvandlas dessa föreningar igen till oxaloacetat. Medverkande fosfoenolpyruvatkarboxykinas fosfoenolpyruvat bildas av oxaloacetat (Figur 16.4, reaktion 2).

Fosfoenolpyruvat, som ett resultat av omkastningen av ett antal glykolysreaktioner, omvandlas till fruktos-1,6-bifosfat. Omvandlingen av fruktos 1,6-bisfosfat till fruktos 6-fosfat katalyseras av fruktosdifosfatas (Figur 16.4, reaktion 3).

Fruktos 6-fosfat isomeriserar till glukos 6-fosfat. Den slutliga reaktionen av glukoneogenes är hydrolysen av glukos-6-fosfat med deltagande av enzymet glukos-6-fosfatas (Figur 16.4, reaktion 4).

Figur 16.4. Bypass reaktioner av glukoneogenes .

16.2.4. De huvudsakliga källorna till glukos i glukoneogenesen är laktat, aminosyror, glycerol och Krebs-cykelmetaboliter.

Laktat- slutprodukten av anaerob oxidation av glukos. Det kan ingå i glukoneogenesen efter oxidation till pyruvat i laktatdehydrogenasreaktionen (se avsnittet "Glykolys", figur 15.4, reaktion 11). Under långvarigt fysiskt arbete är den huvudsakliga källan till laktat skelettmuskulatur, i vars celler anaeroba processer dominerar. Ansamlingen av mjölksyra i musklerna begränsar deras prestationsförmåga. Detta beror på att när koncentrationen av mjölksyra i vävnaden ökar, sjunker pH-nivån (laktacidos). Förändringar i pH leder till hämning av enzymer i kritiska metabola vägar. En viktig plats i bortskaffandet av den resulterande mjölksyran tillhör Cori glukos-laktat cykel (Figur 16.5).

Figur 16.5. Cori-cykeln och glukos-alanin-cykeln (förklaringar i texten).

Glukogena aminosyror, som inkluderar de flesta proteinaminosyror. Den ledande platsen i glukoneogenes bland aminosyror tillhör alanin , som kan omvandlas till pyruvat genom transaminering. Under fasta, fysiskt arbete och andra tillstånd fungerar kroppen glukos-alanin-cykeln , liknande Cori-cykeln för laktat (Figur 16.2). Förekomsten av alanin-glukoscykeln förhindrar förgiftning av kroppen, eftersom det inte finns några enzymer i musklerna som använder ammoniak. Som ett resultat av träning ökar kraften i denna cykel avsevärt.

Andra aminosyror kan, som alanin, omvandlas till pyruvat, liksom Krebs cyklar mellanprodukter (a-ketoglutarat, fumarat, succinyl-CoA). Alla dessa metaboliter kan omvandlas till oxaloacetat och inkluderas i glukoneogenesen.

Glycerol- en produkt av lipidhydrolys i fettvävnad. Denna process förstärks avsevärt av fasta. I levern omvandlas glycerol till dihydroxiacetonfosfat, en mellanprodukt av glykolys och kan användas vid glukoneogenes.

Fettsyra Och acetyl-CoA är inte glukosprekursorer. Oxidationen av dessa föreningar ger energi för processen för glukossyntes.

16.2.5. Energi balans. Vägen för syntesen av glukos från pyruvat (Figur 16.6) innehåller tre reaktioner åtföljda av konsumtion av ATP- eller GTP-energi:

a) bildandet av oxaloacetat från pyruvat (en ATP-molekyl konsumeras); b) bildning av fosfoenolpyruvat från oxaloacetat (en GTP-molekyl konsumeras); c) reversering av den första substratfosforyleringen - bildandet av 1,3-difosfoglycerat från 3-fosfoglycerat (en ATP-molekyl förbrukas).

Var och en av dessa reaktioner upprepas två gånger, eftersom 2 molekyler pyruvat (C3) används för att bilda 1 molekyl glukos (C6). Därför är energibalansen för syntesen av glukos från pyruvat 6 molekyler nukleosidtrifosfater (4 molekyler ATP och 2 molekyler GTP). När man använder andra prekursorer är energibalansen för glukosbiosyntesen annorlunda.

Figur 16.6. Energibalans av glukosbiosyntes från laktat.

16.2.6. Reglering av glukoneogenes. Hastigheten för glukoneogenes bestäms av tillgängligheten av substrat - glukosprekursorer. En ökning av blodkoncentrationen av någon av glukosprekursorerna leder till stimulering av glukoneogenes.

Vissa metaboliter är allosteriska effektorer av glukoneogenesenzymer. Till exempel aktiverar acetyl-CoA vid förhöjda koncentrationer allosteriskt pyruvatkarboxylas, som katalyserar den första reaktionen av glukoneogenes. Adenosinmonofosfat, tvärtom, har en hämmande effekt på fruktosbifosfatas, och överskott av glukos hämmar glukos-6-fosfatas.

Bukspottkörtelhormonet glukagon, binjurehormonerna adrenalin och kortisol ökar hastigheten för glukosbiosyntesen i kroppen genom att öka aktiviteten hos nyckelenzymer för glukoneogenes eller öka koncentrationen av dessa enzymer i celler. Pankreashormonet insulin hjälper till att minska glukoneogeneshastigheten i kroppen.

Glukoneogenes är syntesen av glukos från icke-kolhydratprodukter. Sådana produkter eller metaboliter är i första hand mjölk- och pyrodruvsyror, glykogena aminosyror, glycerol och ett antal andra föreningar. Med andra ord kan prekursorerna för glukos i glukoneogenesen vara pyruvat eller vilken förening som helst som under katabolism omvandlas till pyruvat eller en av mellanprodukterna i trikarboxylsyracykeln.

Hos ryggradsdjur sker glukoneogenesen mest intensivt i cellerna i levern och njurarna (i cortex). De flesta stegen i glukoneogenesen involverar omkastning av den glykolytiska reaktionen. Endast 3 reaktioner av glykolys (hexokinas, fosfofruktokinas och pyruvatkinas) är irreversibla, därför används andra enzymer i processen för glukoneogenes i 3 steg.

Syntesen av fosfoenolpyruvat utförs i flera steg: 1) Omvandling av pyruvat till oxaloacetat. Pyruvat karboxyleras av pyruvatkarboxylas med deltagande av ATP: Pyruvatkarboxylas, som katalyserar denna reaktion, är ett allosteriskt mitokondriellt enzym. Acetyl-CoA krävs som en allosterisk aktivator av detta enzym.

Fosfoenolpyruvat, bildat av pyruvat, omvandlas till fruktos 1,6-bisfosfat som ett resultat av en serie reversibla glykolysreaktioner. Detta följs av en fosfofruktokinasreaktion, som är irreversibel. Glukoneogenes förbigår denna reaktion. Omvandlingen av fruktos 1,6-bis-fosfat till fruktos 6-fosfat katalyseras av ett specifikt fosfatas:

Reglering av glukoneogenes. Acetyl-CoA spelar rollen som en allosterisk aktivator av pyruvatkarboxylas. I frånvaro av acetyl-CoA är enzymet nästan helt inaktivt. När mitokondriell acetyl-CoA ackumuleras i cellen förstärks biosyntesen av glukos från pyruvat. Det är känt att acetyl-CoA samtidigt är en negativ modulator av pyruvatdehydrogenaskomplexet. Ackumuleringen av acetyl-CoA saktar ner den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat, vilket också bidrar till aktiveringen av glukoneogenes.

En annan viktig punkt i regleringen av glukoneogenes är en reaktion som katalyseras av fruktos-1,6-bisfosfatas, ett enzym som hämmas av AMP. AMP har motsatt effekt på fosfofruktokinas, dvs för detta enzym är det en allosterisk aktivator. Vid låga koncentrationer av AMP och höga nivåer av ATP stimuleras glukoneogenesen. Tvärtom, när ATP/AMP-förhållandet är lågt, observeras nedbrytningen av glukos i cellen. Glukoneogenes och glykolys regleras ömsesidigt, så att om aktiviteten hos en väg minskar relativt, ökar aktiviteten hos den andra vägen.

Fruktos-2,6-bisfosfat är en metabolit som bildas av fruktos-6-fosfat och har endast regulatoriska funktioner. Bildningen av fruktos-2,6-bisfosfat genom fosforylering av fruktos-6-fosfat katalyseras av ett bifunktionellt enzym (BIF), som också katalyserar den omvända reaktionen. I reaktionen av fosforylering av fruktos-6-fosfat med användning av ATP, uppvisar BIF kinasaktivitet, och vid defosforylering av det bildade fruktos-2,6-bisfosfatet uppvisar det fosfatasaktivitet. Denna omständighet bestämde namnet på enzymet bifunktionellt.

BIF-kinasaktivitet uppstår när enzymet är i sin defosforylerade form (BIF-OH). Den defosforylerade formen av BIF är karakteristisk för den period då insulin/glukagonindexet är högt. Under denna period ökar mängden fruktos-2,6-bisfosfat. Med ett lågt insulin/glukagon-index, karakteristiskt för en period av långvarig fasta, är BIF fosforylerad och fungerar som ett fosfatas. Resultatet är en minskning av mängden fruktos-2,6-bisfosfat

Glukoneogenes kan också regleras indirekt. Glykolysenzymet pyruvatkinas finns i 2 former - L och M. Form L (från engelskan lever - lever) dominerar i vävnader som kan glukoneogenes. Denna form hämmas av överskott av ATP och vissa aminosyror, särskilt alanin. M-formen (från engelska muskeln - muskler) är inte föremål för sådan reglering. Under förhållanden med tillräcklig energitillförsel till cellen hämmas L-formen av pyruvatkinas. Som ett resultat av hämning saktar glykolysen ner och förhållanden som är gynnsamma för glukoneogenes skapas.

Laktat som bildas i intensivt arbetande muskler eller i celler med en dominerande anaerob metod för glukoskatabolism kommer in i blodet och sedan in i levern. I levern är förhållandet NADH/NAD+ lägre än i den sammandragande muskeln, så laktatdehydrogenasreaktionen fortskrider i motsatt riktning, d.v.s. mot bildning av pyruvat från laktat. Därefter ingår pyruvat i glukoneogenesen, och den resulterande glukosen kommer in i blodet och absorberas av skelettmusklerna. Denna sekvens av händelser kallas glukos-laktatcykeln, eller Cori-cykeln.

Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplex Bildas i processen med oxidativ dekarboxylering" title=" Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl -CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplex Bildas under processen för oxidativ dekarboxylering" class="link_thumb"> 22 !} Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidationen av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplexet.Acetyl-CoA som bildas under oxidativ dekarboxylering genomgår ytterligare oxidation med bildning av CO2 och H2O. Fullständig oxidation av acetyl-CoA sker i trikarboxylsyracykeln (Krebs-cykeln). Denna process, såväl som den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat, sker i cellernas mitokondrier Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplex Bildas i processen för oxidativ dekarboxylering "> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA uppstår med deltagande av ett multienzymsystem, kallat pyruvatdehydrogenaskomplexet.Acetyl-CoA som bildas i processen för oxidativ dekarboxylering genomgår ytterligare oxidation med bildning av CO2 och H2O.Fullständig oxidation av acetyl-CoA sker i trikarboxylsyran Denna process, såväl som den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat, sker i mitokondrierna hos celler"> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem kallas pyruvatdehydrogenaskomplexet Bildas i processen med oxidativ dekarboxylering" title=" Pyruvat + NAD+ + HS-CoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplexet som bildas under processen för oxidativ dekarboxylering"> title="Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation av pyruvat till acetyl-CoA sker med deltagande av ett multienzymsystem som kallas pyruvatdehydrogenaskomplex Bildas under processen för oxidativ dekarboxylering"> !}

El - pyruvatdehydrogenas; E2 - dihydrolipoylacetyltransferas; E3 - dihydrolipoyldehydrogenas Koenzymer: TPP, liponsyraamid, koenzym A, FAD, NAD processsteg

Krebs-cykeln är den allmänna sista vägen för oxidation av acetylgrupper (i form av acetyl-CoA), till vilken de flesta organiska molekyler som spelar rollen som cellulärt bränsle: kolhydrater, fettsyror och aminosyror omvandlas under katabolism. Cykeln sker i mitokondriematrisen och består av åtta sekventiella reaktioner

Som ett resultat av den andra reaktionen genomgår den resulterande citronsyran uttorkning för att bilda cis-akonitsyra, som genom tillsats av en vattenmolekyl blir till isocitronsyra (isocitrat). Dessa reversibla hydrerings-dehydreringsreaktioner katalyseras av enzymet akonitathydratas (akonitas).

Den tredje reaktionen begränsar hastigheten för Krebs-cykeln. Isocitratsyra dehydreras i närvaro av NAD-beroende isocitratdehydrogenas: NAD-beroende isocitratdehydrogenas är ett allosteriskt enzym som kräver ADP som en specifik aktivator. Dessutom kräver enzymet Mg2+- eller Mn2+-joner för att uppvisa sin aktivitet.

Under den fjärde reaktionen sker oxidativ dekarboxylering av a-ketoglutarsyra för att bilda högenergiföreningen succinyl-CoA. Mekanismen för denna reaktion liknar den för den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvat till acetyl-CoA. α-kliknar strukturen pyruvatdehydrogenaskomplexet. I båda fallen deltar 5 koenzymer i reaktionen: TPP, liponsyraamid, HS-CoA, FAD och NAD+:

Den femte reaktionen katalyseras av enzymet succinyl-CoA-syntetas. Under denna reaktion omvandlas succinyl-CoA, med deltagande av GTP och oorganiskt fosfat, till bärnstenssyra (succinat). Samtidigt sker bildningen av en högenergifosfatbindning av GTP på grund av högenergi tioesterbindningen av succinyl-CoA: ATP-substratfosforylering

Som ett resultat av den sjätte reaktionen dehydreras succinat till fumarsyra. Oxidationen av succinat katalyseras av succinatdehydrogenas, i vars molekyl koenzymet FAD är tätt (kovalent) bundet till proteinet. I sin tur är succinatdehydrogenas tätt bundet till det inre mitokondriella membranet:

Den sjunde reaktionen utförs under inverkan av enzymet fumarathydratas (fumaras). Fumarsyra hydratiseras och reaktionsprodukten är äppelsyra (malat). Det bör noteras att fumarathydratas är stereospecifikt: under reaktionen bildas L-äppelsyra:

En NADH-molekyl (3 ATP-molekyler) produceras genom oxidativ dekarboxylering av pyruvat till acetyl-CoA. När en molekyl glukos bryts ner bildas 2 molekyler pyruvat, och när de oxideras till 2 molekyler acetyl-CoA och de efterföljande 2 varven i trikarboxylsyracykeln, syntetiseras 30 ATP-molekyler (därav oxidationen av en pyruvatmolekyl till CO2 och H2O producerar 15 ATP-molekyler). Till denna mängd måste läggas 2 molekyler ATP, bildade under aerob glykolys, och 6 molekyler ATP, syntetiserade genom oxidation av 2 molekyler av extramitokondriell NADH, som bildas genom oxidation av 2 molekyler glyceraldehyd-3-fosfat. dehydrogenasreaktion av glykolys. Följaktligen, när en glukosmolekyl bryts ner i vävnader, syntetiseras 38 ATP-molekyler. Det råder ingen tvekan om att den fullständiga nedbrytningen av glukos energimässigt är en mer effektiv process än anaerob glykolys.

Extramitokondriella NADH-molekyler kan inte penetrera membranet in i mitokondrier. Elektronerna de donerar kan dock inkluderas i den mitokondriella kedjan av biologisk oxidation med hjälp av den så kallade glycerolfosfat-skyttelmekanismen.I detta fall, som ett resultat av den fullständiga oxidationen av en glukosmolekyl, kan 36 ATP-molekyler bildas. med hjälp av denna skyttelmekanism överförs reducerade ekvivalenter från cytosoliskt NADH endast i skelettmuskler och hjärnan + H+ i mitokondrier.

I cellerna i levern, njurarna och hjärtat fungerar ett mer komplext malate-aspartat-skyttelsystem. Verkan av denna skyttelmekanism möjliggörs av närvaron av malatdehydrogenas och aspartataminotransferas i både cytosolen och mitokondrierna. Om malat-aspartatmekanismen fungerar, kan inte 36 utan 38 ATP-molekyler bildas som ett resultat av den fullständiga oxidationen av en glukosmolekyl

Upptäckten av den direkta oxidationen av kolhydrater, eller, som det kallas, pentosfosfatcykeln, tillhör O. Warburg, F. Lipman, F. Dickens och V.A. Engelhard Hos däggdjur är aktiviteten av pentosfosfatcykeln relativt hög i levern, binjurarna, fostervävnaden och bröstkörteln under amning. Betydelsen av denna väg i ämnesomsättningen är stor. Det ger reducerad NADPH, nödvändig för biosyntesen av fettsyror, kolesterol, etc. På grund av pentosfosfatcykeln täcks cirka 50 % av kroppens behov av NADPH. Den resulterande NADPH används i cytosolen för reduktiva synteser och är inte involverad i oxidativ fosforylering som sker i mitokondrier. Pentosfosfatcykeln tillhandahåller pentosfosfater för syntes av nukleinsyror och många koenzymer.

Pentosfosfatcykeln börjar med oxidationen av glukos-6-fosfat och efterföljande oxidativ dekarboxylering av produkten (som ett resultat avlägsnas den första kolatomen från hexosfosfatet). Detta är det första, så kallade oxidativa, steget i pentosfosfatcykeln.

Den första reaktionen är dehydrering av glukos-6-fosfat med deltagande av enzymet glukos-6-fosfatdehydrogenas och koenzymet NADP+. 6-fosfoglukono-δ-laktonen som bildas under reaktionen är en instabil förening och hydrolyseras i hög hastighet antingen spontant eller med hjälp av enzymet 6-fosfoglukonolaktonas för att bilda 6-fosfoglukonsyra (6-fosfoglukonat) och NADPH:

I den andra, oxidativa, reaktionen, katalyserad av 6-fosfoglukonatdehydrogenas (dekarboxylering), dehydreras och dekarboxyleras 6-fosfoglukonat. Som ett resultat bildas fosforylerad ketopentos - D-ribulos-5-fosfat och ytterligare 1 NADPH-molekyl:

Under inverkan av lämpligt epimeras kan en annan fosfopentos, xylulos-5-fosfat, bildas från ribulos-5-fosfat. Dessutom omvandlas ribulos-5-fosfat, under påverkan av ett speciellt isomeras, lätt till ribos-5-fosfat. Ett tillstånd av mobil jämvikt etableras mellan dessa former av pentosfosfater:

Icke-oxidativt stadium (stadium) av pentosfosfatcykeln. Reaktionerna i detta steg är inte förknippade med användningen av syre och sker under anaeroba förhållanden. I detta fall bildas ämnen som är karakteristiska för det första steget av glykolys (fruktos-6-fosfat, fruktos-1,6-bisfosfat, fosfotrioser) och andra specifika för pentosfosfatvägen (sedoheptulos-7-fosfat, pentos) -5-fosfater, erytros-fosfat), 4-fosfat).

Huvudreaktionerna i det icke-oxidativa steget av pentosfosfatcykeln är transketolas och transaldolas. Dessa reaktioner katalyserar omvandlingen av isomera pentos-5-fosfater. Koenzymet i transketolasreaktionen är TPP, som spelar rollen som en mellanliggande bärare av glykolaldehydgruppen från xylulos-5-fosfat till ribos-5-fosfat. Som ett resultat bildas monosackariden med sju kolatomer sedoheptulos-7-fosfat och glyceraldehyd-3-fosfat:

Wernicke-Kosakoffs syndrom (en neuropsykiatrisk sjukdom) är associerad med en signifikant minskning (10 gånger) i förmågan hos transketolas att binda TPP-koenzymet. En defekt i glukos-6-fosfatdehydrogenasgenen i erytrocyter åtföljs av hemolytisk anemi. Orsaken är brist på NADPH och, som en konsekvens, brist på reducerat glutation (GSH), vilket leder till en ökning av bildningen av reaktiva syrearter och hemolys av röda blodkroppar

Syntes av glukos från mjölksyra

Under fysisk aktivitet i muskler en stor mängd mjölksyra produceras, speciellt om belastningen är intensiv, vid maximal effekt.Mjölksyra bildas också kontinuerligt röda blodceller, oavsett kroppens tillstånd. Det kommer in i hepatocyten med blodomloppet och omvandlas till pyruvat. Ytterligare reaktioner fortskrider enligt det klassiska schemat.

Den totala reaktionen av glukoneogenes från mjölksyra:

Laktat + 4ATP + 2GTP + 2H2O → Glukos + 4ADP + 2GDP + 6P n

Syntes av glukos från aminosyror

Ett antal aminosyror är glukogena, det vill säga deras kolskelett kan i en eller annan grad ingå i glukos. De flesta aminosyror är så här bortsett från leucin och lysin, vars kolatomer aldrig deltar i syntesen av kolhydrater.

Som ett exempel på syntesen av glukos från aminosyror, överväg deltagandet av glutamat, aspartat, serin och alanin i denna process.

Asparaginsyra(efter transamineringsreaktionen) och glutaminsyra(efter deaminering) omvandlas till metaboliter av TCA-cykeln, oxaloacetat respektive α-ketoglutarat.

Alanin, när den transamineras, bildar pyrodruvsyra, som kan karboxylera till oxaloacetat. Oxaloacetat, som är det första elementet i processen för glukoneogenes, ingår sedan i syntesen av glukos.

Serin i en trestegsreaktion under påverkan av serindehydratas förlorar den sin aminogrupp och förvandlas till pyruvat, som går in i glukoneogenesen.

Inkludering av aminosyror i glukossyntes

Syntes av glukos från glycerol

Under fysisk aktivitet under påverkan av adrenalin eller under fasta under påverkan av glukagon och kortisol genomgår adipocyter aktivt nedbrytning av triacylglyceroler(lipolys). En av produkterna i denna process är alkohol glycerol som går till levern. Här är det fosforylerat, oxiderat till dihydroxiacetonfosfat och involverat i glukoneogenesreaktioner.

Glukoneogenes– Syntes av glukos från ämnen av icke-kolhydratnatur, som huvudsakligen förekommer i levern och, mindre intensivt, i njurbarken och tarmslemhinnan.

Funktion av glukoneogenes– bibehålla blodsockernivåerna under långvarig fasta och intensiv fysisk aktivitet. En konstant tillförsel av glukos som energikälla är särskilt nödvändig för nervvävnad och röda blodkroppar.

Substrat för glukoneogenes– PVC, mjölksyra, glycerin, aminosyror. Deras inkludering i glukoneogenesen beror på kroppens fysiologiska tillstånd.

De flesta glukoneogenesreaktioner är det omvända till glykolys. De katalyseras av samma enzymer som motsvarande reaktioner av glykolys.

Tre reaktioner av glykolys (hexokinas (1), fosfofruktokinas (3), pyruvatkinas (10)) är irreversibla, och under glukoneogenes verkar andra enzymer i dessa stadier.

Syntes av glukos från PVC.

1:a etappen– bildning av fosfoenolpyruvat från PVC.

A) karboxylering av PVK under påverkan av pyruvatkarboxylas med bildning av oxaloacetat i mitokondrier:

Pyruvatkarboxylas är ett mitokondriellt enzym vars allosteriska aktivator är acetyl-CoA. Det mitokondriella membranet är ogenomträngligt för oxaloacetat, så oxaloacetat i mitokondrier omvandlas till malat med deltagande av mitokondriellt NAD-beroende malatdehydrogenas:

Malat lämnar mitokondrierna genom mitokondriella membranet in i cytosolen, där det, under verkan av cytoplasmatiskt NAD-beroende malatdehydrogenas, oxideras till oxaloacetat:

b) i cellens cytosol sker dekarboxylering och fosforylering av oxaloacetat med bildning av fosfoenolpyruvat; enzym – fosfoenolpyruvatkarboxykinas:

2:a etappen– omvandling av fruktos-1,6-bisfosfat till fruktos-6-fosfat.

Fosfoenolpyruvat omvandlas till fruktos-1,6-fosfat som ett resultat av reversibla glykolysreaktioner. Detta följs av den irreversibla fosfofruktokinasreaktionen av glykolys. Glukoneogenes kringgår denna reaktion:

3:e etappen– bildning av glukos från fruktos-6-fosfat.

Fruktos-6-fosfat omvandlas till glukos-6-fosfat, som defosforyleras (reaktionen går förbi hexokinas) under påverkan av glukos-6-fosfatas.

Glukoneogenes

Glukoneogenes är syntesen av glukos från icke-kolhydratprekursorer. Glukoneogenes krävs i hjärnan, testiklar, röda blodkroppar och njurmärgen, där glukos är den enda energikällan. Men under fasta kan hjärnan få energi från ketonkroppar, som omvandlas till acetyl CoA.

Initialt karboxyleras pyruvat, under inverkan av pyruvatkarboxylas och med deltagande av CO2 och ATP, för att bilda oxaloacetat (OA).

Pyruvatkarboxylas finns i mitokondrier. Det mitokondriella membranet är ogenomträngligt för den resulterande PIKE. Den senare återställs här i mitokondrierna för att malate.

Reaktionen sker med deltagande av mitokondriellt NAD-beroende malatdehydrogenas. I mitokondrier är förhållandet NADH2/NAD+ relativt högt, och därför reduceras intramitokondriell AP lätt till malat, som lätt lämnar mitokondrien och passerar genom mitokondriemembranet. I cytoplasman är förhållandet NADH2/NAD+ mycket litet, och malat oxideras återigen till PAA med deltagande av NAD-beroende cytoplasmatiskt malatdehydrogenas.

Substrat för glukoneogenes

Laktat bildas vid anaerob glykolys i röda blodkroppar och skelettmuskelceller. Omvandlingen av laktat till glukos sker som ett resultat av Cori-cykeln. Betydelse - med deltagande av Cori-cykeln transporteras slutprodukterna av glykolys från röda blodkroppar och skelettmuskler till levern och används för glukossyntes.

Alanin är den huvudsakliga glukogena aminosyran. Omvandlingen av alanin till glukos sker i alanincykeln. I skelettmuskler kan pyruvat, som bildas under glykolys, omvandlas till alanin. Alanin som produceras i dessa reaktioner är transportformen av NH2-grupper från muskel till levern, där de slutligen inkorporeras i ureamolekyler och utsöndras. När alanin kommer in i hepatocyter kan det omvandlas till pyruvat och användas som substrat vid glukoneogenes. Betydelse - Ammoniak är en extremt giftig förening och det mesta neutraliseras i leverceller (i ornitincykeln binds det till en ureamolekyl och utsöndras sedan). Alanin fungerar som en transportform av ammoniak till levern, där det neutraliseras.

Andra aminosyror. Endast två aminosyror (leucin och lysin) kan inte användas i processen för glukoneogenes. Dessa är strikt ketogena aminosyror. Alla andra glukogena aminosyror producerar under sin metabolism mellanprodukter av glykolys eller Krebs-cykeln.

Glycerol. Det bildas under katabolismen av triacylglyceroler i fettvävnadsceller, kommer in i blodet och går sedan in i levern, där det under inverkan av två enzymer (glycerolkinas och alfa-glycerolfosfatdehydrogenas) omvandlas till fosfodioxiaceton (PDA), en mellanprodukt av glykolys.

Propionyl-CoA. Betaoxidation av fettsyror med ett udda antal kolatomer och metabolismen av vissa aminosyror (valin, isoleucin, tryptofan, metionin) åtföljs av bildandet av propionyl-CoA, som kan omvandlas till succinyl-CoA (en Krebs). cykelmetabolit) under verkan av två enzymer:

Propionyl-CoA-karboxylas (biotin används som koenzym - se vitamin H).

Metylmalonyl-CoA-mutas (metylkobalamin som ett koenzym - se vitamin B12).

Sammanfattningsekvation:

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

Syntesen av en glukosmolekyl från två pyruvatmolekyler kräver 4ATP och 2GTP. Processen för FA-oxidation tillhandahåller energi för glukoneogenes. Reduktionsstegen kräver två molekyler av NADH.

Pyruvatkarboxylas, som katalyserar den första reaktionen, har en allosterisk aktivator - acetyl CoA.

Reglering av glukoneogenes

1). Det förträngs efter att ha ätit en kolhydratrik mat (under påverkan av insulin) och induceras under fasta, stress, diabetes (under påverkan av glukokortikoider).

2). Processen med FA-oxidation stimulerar glukoneogenes. Stimulering utförs genom en ökning av nivån av acetyl-CoA.

3). Ömsesidigt förhållande:

AcetylCoA hämmar pyruvatDH och aktiverar pyruvatkarboxylas.

ATP aktiverar fruktosdifosfatas, AMP hämmar det.

Fruktos 2,6-bisfosfat aktiverar fosfofruktokinas-1 och hämmar fruktosdifosfatas-1.

Biologisk roll för glukoneogenes.

1. Säkerställa en konstant koncentration av glukos i blodet under kolhydratsvält.

2. Omfördelning av metabolisk belastning mellan organ. Levern tar del av muskelbelastningen.

Det finns ett nära samband mellan glykolys, som sker intensivt i muskelvävnad under dess aktiva aktivitet, och glukoneogenes, särskilt karakteristisk för levervävnad. Med maximal muskelaktivitet, som ett resultat av ökad glykolys, bildas överskott av mjölksyra som diffunderar in i blodet; i levern omvandlas en betydande del av den till glukos (glukoseogenes). Sådan glukos kan sedan användas som ett energisubstrat som är nödvändigt för aktiviteten av muskelvävnad. Denna cykel i kolhydratmetabolismen kallas Cori-cykeln (glukos-laktatcykeln).

Mellan glykolys, som sker intensivt i muskelvävnad när den är aktiv

7. Kemi av reaktioner i trikarboxylsyracykeln. Irreversibla reaktioner av cykeln. Substratfosforylering under cykeln. Cykelreglering .

TCA-cykeln kan betraktas som en mekanism som produceras av cellen som har ett dubbelt syfte. Dess huvudsakliga funktion är att det är en perfekt cellulär "kittel" där den fullständiga oxidationen av det organiska substratet som är involverat i det och elimineringen av väte utförs. En annan funktion av cykeln är att förse cellen med ett antal prekursorer för biosyntetiska processer. Vanligtvis är TCA-cykeln en ytterligare "överbyggnad" på cellens anaeroba energimekanismer. Det initiala substratet för TCA-cykeln är acetyl-CoA ("aktiverad ättiksyra"), som bildas i aerober från pyruvat i en reaktion som utförs av pyruvatdehydrogenaskomplexet:

CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ går in

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

Själva TCA-cykeln (fig. 92) börjar med kondensationen av acetyl-CoA med en molekyl av oxaloättiksyra, katalyserad av citratsyntas. Reaktionsprodukterna är citronsyra och fritt koenzym A. Citronsyra omvandlas sekventiellt till cis-akonitiska och isocitronsyror av enzymet akonitas. Den senare omvandlas till alfa-ketoglutarsyra i en reaktion som katalyseras av isocitratdehydrogenas. I det första steget av reaktionen sker dehydrering av isocitronsyra, vilket resulterar i bildandet av oxalbärnstenssyra och NAD*H2. I det andra steget genomgår oxalbärnstenssyran, fortfarande troligen bunden till enzymet, dekarboxylering. Reaktionsprodukterna är alfa-ketoglutarsyra, frisatt från enzymet, och CO2.

Alfa-ketoglutarsyra genomgår ytterligare oxidativ dekarboxylering katalyserad av alfa-ketoglutaratdehydrogenaskomplexet, vilket resulterar i bildandet av succinyl-CoA. Denna reaktion är den enda irreversibla reaktionen av de tio komponenterna i TCA-cykeln. En av reaktionsprodukterna, succinyl-CoA, är en förening som innehåller en tioeterbindning med hög energi.

Nästa steg är bildandet av bärnstenssyra från succinyl-CoA, katalyserad av succinyltiokinas, som ett resultat av vilket den energi som frigörs när tioesterbindningen bryts lagras i fosfatbindningen av GTP. GTP donerar sedan sin fosfatgrupp till en ADP-molekyl, vilket resulterar i bildandet av ATP. Följaktligen sker i detta skede av TCA-cykeln substratfosforylering.

Bärnstenssyra oxideras till fumarsyra av enzymet succinatdehydrogenas. Därefter hydratiseras fumarsyra av fumaras, vilket resulterar i äppelsyra, som genomgår dehydrering, vilket leder till bildandet av PKA. Reaktionen katalyseras av NAD-beroende malatdehydrogenas. Denna reaktion fullbordar TCA-cykeln, eftersom acceptormolekylen (ASA) regenereras igen, vilket utlöser nästa varv i cykeln. Men eftersom det finns ett konstant utflöde från cykeln för biosyntes av intermediära metaboliter, vilket leder till en minskning av nivån av AP, finns det ett behov av dess ytterligare syntes. Detta uppnås både i karboxyleringsreaktionerna av pyruvat eller fosfoenolpyruvat (tabell 24) och genom en sekvens av två reaktioner som kallas glyoxylatshunten (fig. 92). I den första av dem delas isocitrinsyra, under inverkan av isocitratlyas, upp i bärnstens- och glyoxylsyror. I den andra reaktionen, katalyserad av malatsyntetas, kondenseras glyoxylsyra med acetyl-CoA för att bilda äppelsyra, som vidare omvandlas till PCA. Som ett resultat av två nya reaktioner syntetiseras en C4-syra från två C2-rester. Glyoxylatshunten fungerar inte när den odlas på substrat vars katabolisering leder till bildning av pyrodruvsyra. Den slås på när organismer odlas på C2-föreningar.

Energi-"bränslet" som bearbetas i TCA-cykeln inkluderar inte bara kolhydrater, utan också fettsyror (efter preliminär nedbrytning till acetyl-CoA), såväl som många aminosyror (efter avlägsnande av aminogruppen i deaminerings- eller transamineringsreaktioner). Som ett resultat av ett varv av cykeln inträffar 2 dekarboxyleringar, 4 dehydreringar och 1 fosforylering. Resultatet av 2 dekarboxyleringar är avlägsnandet av 2 kolatomer (2 CO2-molekyler) från cykeln, d.v.s. exakt lika mycket som det kom i form av en acetylgrupp. Som ett resultat av 4 dehydreringar bildas 3 molekyler NAD*H2 och 1 molekyl FAD*H2. Som du kan se hamnar allt väte på vissa bärare i processen med omvandlingarna som beskrivs ovan, och uppgiften är nu att överföra det genom andra bärare till molekylärt syre.

Hur representeras detta i eubakterier? Vi möter vissa sekvenser av enzymatiska reaktioner som liknar de som äger rum i TCA-cykeln i eubakterier i olika stadier av evolutionär utveckling. Vissa reaktioner i cykeln fungerar under anaeroba förhållanden i bakterier som får energi genom jäsningsprocesser.

I propionbakterier innehåller sekvensen av jäsningsreaktioner som leder till syntesen av propionsyra "inbyggda" reaktioner från bärnstenssyra till ACA, liknande de i TCA-cykeln, men går i motsatt riktning och förknippas i två steg med reduktion av reaktionssubstrat (fig. 54). Vid propionsyrafermentering fungerar dessa reaktioner för att acceptera väte, vilket är ett av alternativen för att lösa donator-acceptorproblemet under anaeroba förhållanden.

I andra eubakterier möter vi en mer fullständigt bildad sekvens av reaktioner som liknar TCA-cykeln, men som ännu inte är slutna i en hel cykel. Oftast saknas det enzymatiska steget att omvandla alfa-ketoglutarsyra till bärnstenssyra, vilket resulterar i att TCA-cykeln verkar vara "bruten" (Fig. 85). En "trasig" TCA-cykel finns i bakterier som utför syrefri fotosyntes, cyanobakterier, kemoautotrofer och vissa kemoheterotrofer. Förmodligen, i denna form, kan TCA-cykeln inte fungera i cellens energiproducerande mekanismer. I det här fallet är dess huvudfunktion biosyntetisk. Det faktum att en "trasig" TCA-cykel finns i olika fysiologiska grupper av eubakterier, vitt åtskilda från varandra, indikerar komplexa evolutionära vägar för denna mekanism. Denna fråga kräver viss förklaring.

Cykelreglering

Krebs-cykeln regleras "av en negativ återkopplingsmekanism"; i närvaro av en stor mängd substrat (acetyl-CoA, oxaloacetat) fungerar cykeln aktivt, och när det finns ett överskott av reaktionsprodukter (NADH, ATP), den är hämmad (Guldberg-Waage-principen). Reglering utförs också med hjälp av hormoner; den huvudsakliga källan till acetyl-CoA är glukos, därför bidrar hormoner som främjar den aeroba nedbrytningen av glukos till att Krebs-cykeln fungerar. Dessa hormoner är: insulin och adrenalin. Glukagon stimulerar glukossyntesen och hämmar Krebs-cykelreaktioner.

Som regel avbryts inte arbetet i Krebs-cykeln på grund av anaplerotiska reaktioner som fyller på cykeln med substrat: Pyruvat + CO2 + ATP = Oxaloacetat (substrat av Krebs-cykeln) + ADP + Fn.