2. Регуляция метаболизма углеводов

Главным моносахаридом, подвергающимся окислительным превращениям в клетках, является глюкоза, поскольку именно она в наибольших количествах поступает из кишечника во внутреннюю среду организма, именно она синтезируется при глюконеогенезе или образуется в свободном виде или же в виде фосфорных эфиров при расщеплении гликогена. Роль других моносахаридов менее значительна, так как их количество, поступающее в клетки в количественном отношении сильно варьирует в зависимости от состава пищи [1,6].

Известно несколько метаболических путей окисления глюкозы, главными из которых являются:

а) аэробное расщепление до углекислого газа и воды;

б) анаэробное окисление до лактата;

в) пентозный путь окисления;

г) окисление с образованием глюкуроновой кислоты.

Глубина окислительного расщепления молекулы глюкозы может быть различной: от окисления одной из концевых группировок молекул до карбоксильной группы, что происходит при образовании глюкуроновой кислоты, до полной деградации молекулы глюкозы при ее аэробном распаде [1].

АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ

В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее

аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М

глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свобод-

ной энергии [2]. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разде-

лить на 3 этапа:

1.Расщепление глюкозы до пирувата.

2.Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3.Окисление ацетила в цикле Кребса (ЦТК), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.

Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы (гликолиза).

Осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, принимающих участие в работе этого метаболического пути. С помощью термодинамических механизмов осуществляется контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная( G 50 0= - 5,0 ккал/моль ),фосфофруктокиназная ( G 50 0= -3,4 ккал/моль ) ипируваткиназная( G 50 0= - 7,5 ккал/моль )[2]. Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.

Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля метаболического пути одновременно являются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов. Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа-1.

Фосфофруктокиназа-1

Фосфофруктокиназа-1 - это ключевой фермент гликолиза. Он является "пунктом вторичного контроля". V_maxфосфофруктокиназы больше, чем V_max гексокиназы. Поэтому, когда глюкозы поступает много, гексокиназа лимитирует скорость всего глиеколиза[6].

Фосфофруктокиназа (фосфофруктокиназа-1) яв­ляется еще одним ферментом, регуляция которого осуществляется по принципу обратной связи. Этот фермент играет ключевую роль в регуляции глико­лиза.

• AMФ.

АМР функциони­рует как своего рода индикатор энергетического со­стояния клетки. Благодаря присутствию аденилаткиназы в клетках печени и многих других тканей бы­стро достигается равновесие в реакции

АТФ+AMФ ↔ 2AДФ

Таким образом, при расходовании АТФ в потре­бляющих энергию реакциях и образовании AДФ воз­растает концентрация AMФ. Поскольку в исходном равновесии концентрация АТФ может в 50 раз пре­вышать концентрацию AMФ, то при сравнительно небольшом уменьшении концентрации АТФ может многократно увеличиться концентрация AMФ. Та­ким образом, большое увеличение концентрации AMФ действует как своего рода метаболический уси­литель при незначительном изменении концентрации ATФ. Данный механизм делает фосфофруктокиназу-1 высокочувствительной к небольшим изменениям энергетического состояния клетки и позволяет регулировать количество углеводов, подвергающихся гликолизу, до их вступления в цикл лимонной кисло­ты. Увеличение концентрации AMФ позволяет также объяснить, почему процесс гликолиза усиливается при недостатке кислорода, когда концентрация АТФ снижается. Одновременно AMФ активирует фосфорилазу и тем самым усиливает гликогенолиз [2,6,8].

• Цитрат

Ингибирование фосфофруктокиназы-1 цитратом и АТФ является еще одним путем, который объясняет тор­мозящее действие окисления жирных кислот на окисление глюкозы; это ингибирование объясняет также эффект Пастера, заключающийся в том, что аэробное окисление субстратов в цикле лимонной кислоты ингибирует анаэробное расщепление глю­козы. Следствием ингибирования фосфофруктоки­назы-1 является также накопление глюкозо-6-фосфата, который снижает поступление глюкозы во внепеченочные ткани путем аллостерического ингибирования гексокиназы [6].

• Фруктозо-2,6-бисфосфат

Аллостерический активатор фосфофруктокиназы-1.

Роль фруктозо-2,6-бисфосфата.

В1980 году группой бельгийских исследователей (Г. Херс и др.) в ткани печени был открыт фруктозо-2,6-бисфосфат, который являетсянаиболее мощным аллостерическим активатором фосфофруктокиназы-1 и ингибитором фруктозо-1,6-бисфосфатазы печени является фруктозо-2,6-бисфосфат [1]. Он снижает ингибирующее действие АТФ на фосфофруктокиназу-1 и увеличивает сродство этого фермента к фруктозо-6-фосфату. При ингибировании фруктозо-1,6-бисфосфатазы фруктозо-2,6-бисфосфатом происходит увеличение К_м для фруктозо-1,6-бисфосфата. Концентрация фруктозо-2,6-бисфосфата регулируется концентрацией фруктозо-6-фосфата и гормонами. Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется при фосфорилировании фруктозо-6-фосфата, катализируемом фосфофруктокиназой-2. Этот фермент является би­функциональным (он обладает также фруктозо-2,6-бисфосфатазной активностью) и находится под аллостерическим контролем фруктозо-6-фосфата (при повышении концентрации фруктозо-6-фосфата, наблюдаемой в случае избытка глюкозы, происхо­дит стимулирование киназной и ингибирование фосфатазной активности). Киназная активность проявляется, когда бифунк­циональный фермент находится в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН) [8]. С другой стороны, при сни­жении концентрации глюкозы глюкагон стимулирует образование цАМФ; последний активирует цАМФ-зависимую протеинкиназу, которая в свою очередь ингибирует фосфофруктокиназу-2 и активирует фруктозо-2,6-бисфосфатазу путем фосфорилирования. Превращение фруктозо-2,6-бисфосфата в фруктозо-6-фосфат не является обратимым процессом. Образование фруктозо-2,6-бисфосфата требует за­трат АТФ, а при образовании фруктозо-6-фосфата из фруктозо-2,6-бисфосфатвысвобождается неорга­нический фосфат. Киназная и фосфатазная реакции катализируют­ся разными активными центрами БИФ, но в каждом из двух состояний фермента - фосфорилированном и дефосфорилированном - один из актив­ных центров ингибирован. Таким образом, при избытке глюкозы увеличивается концентрация фруктозо-2,6-бисфосфата, который активирует фосфофруктокнназу-1 и ингибирует фруктозо-1,6-6исфосфатазу; в результате происходит стимулирование гликолиза. При недостатке глюкозы глюкагон уменьшает концентрацию фруктозо-2,6-бисфосфата; это приводит к сни­жению активности фосфофруктокиназы-1 и повыше­нию активности фруктозо-1,6-бисфосфатазы, в резу­льтате чего стимулируется глюконеогенез.

Рассмо­тренный механизм регуляции позволяет понять, ка­ким образом при стимулировании гликогенолиза глюкагоном происходит высвобождение глюкозы и тормозится ее превращение по гликолитическому пути [1].

Активность бифункционального фермента регулируется также неко­торыми метаболитами, среди которых наибольшее значение имеетглицерол-3-фосфат [1]. Действие глицерол-3-фосфата на фермент по своей направ­ленности аналогично эффекту, вызываемому цАМФ-зависимой протеинкиназой, т.е. глицерол-3-фосфат активирует центр фосфатазной активности бифункционального фермента и ингибирует центр киназной активности.

В настоящее время фруктозо-2,6-бисфосфат, помимо печени, обнаружен и в других органах и тканях животных, а также у растений и микроорганизмов.В тканях животных бифункциональный фермент представлен четырьмя основными изоферментами: изофермент L-типа (печеночный), Н-типа (сердечный), М-типа (мышечный) и Т-типа (тестикулярный)[2].

Изофермент М-типа не фосфорилируется ни протеинкиназой А, ни протеинкиназой С (ПК С), в то время как Н- и Т-изоферменты фосфорилируются протеинкиназой С. Бифункциональный фермент Н-типа модифицируется также и при участии ПК А, при этом активность фосфофруктокиназы-2 возрастает при фосфорилировании как ПК А, так и ПК С [10]. Исследования последних лет показали, что Н-изофермент может активироваться и при фосфорилировании протеинкиназами, участвующими в передаче сигнала от рецептора инсулина, в частности, протеинкиназой В новой серин/треониновой киназой, которая активируется фосфоинозитол-3-киназой.

Гексокиназа

Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой . В качестве фосфорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровождается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в условиях клетки является необратимой. В печени реакция катализируется глюкокиназой[1].

Регуляция:

• Глюкозо-6-фосфат и АТР

Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями глюкозо-6-фосфата. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается фруктозо-6-фосфат, а значит накапливается и глюкозо-6-фосфат, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случаеповышение концентрации АТФв клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы[6].

• Инсулин

Инсулин осуществляет медленную гуморальную регуляцию путем индукции транскрипции генов. Увеличивается синтез гексокиназы и происходит ускорение фосфорилирования глюкозы[1,6,10].

Пируваткиназа

Субстратное фосфорилирование. Фосфат переносится на АДФ с образованием АТФ. ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).

Пируваткиназа , фермент осуществляющий перенос фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ, фосфорилированная форма которой неактивна, а дефосфорилированная активна.

Регулирующее влияние на пируваткиназу оказывают:

• Инсулин(повышение инсулин/глюкагонового индекса),быстрая гормональная регуляция.

В период пищеварения инсулин активирует протеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу, переводя ее в активное состояние. Кроме того, инсулин в печени влияет на количество ферментов, индуцируя синтез пируваткиназы и репрессируя син­тез ФЕП-карбоксикиназы. Следовательно, гликолитическая реакция фосфоенолпируват > пируват ус­коряется при пищеварении и замедляется в постабсорбтивном состоянии [6,8].

• Фруктозо-1,6-бисфосфат

Регулирующее влияние на пируваткиназу оказывает фруктозо-1,6-бисфосфат (гликолитическое направление), который является аллостерическим активатором пируваткиназы. В пе­риод пищеварения вследствие ускорения начальных стадий гликолиза концентрация фруктозо-1,6-бисфосфата повышается, что приводит к дополнитель­ной активации пируваткиназы.

Рис.2Быстрая гормональная регуляция пируваткиназы в печени [8].

• Инсулин(повышение инсулин/глюкагонового индекса), медленная гормональная регуляция.

В период пищеварения после приема богатой углеводами пищи инсулин/глюкагоновый индекс возрастает, индуцируется транскрипция генов и уве­личивается количество пируваткиназы , а также других гликолитических ферментов: глюкокиназы, фосфофруктокиназы, что стимулирует гликолитический путь [8].

• АТФ

АТФ и АМФ являются аллостерическими эффекторами некоторых гликолитических ферментов, в частности АТФ ингибирует пируваткиназу [1].

• Активность фермента также стимулируется глюкозо-6-фосфатом и

глицеральдегид-3-фосфатом по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником[6].

• Высокие внутриклеточные концентрации НАДН₂, цитрата, сукцинил-КоА и

жирных кислот угнетают активность

фермента по аллостерическому механизму.

В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке, т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается, во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.

Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цитратом и сукцинил-КоА – пируваткиназы ? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который затем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его дополнительное образование, что и достигается ингибированием фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.

Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами.

В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобла­дают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂ . Эти изоферменты ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени использующих энергию гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами яв­ляются ЛДГ₅ и ЛДГ₄. Активность ЛДГ₅ максимальна при тех концентра­циях пирувата, которые ингибируют ЛДГ₁. Преобладание изоферментов ЛДГ₄ и ЛДГ₅ обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту(гликолитическая оксидоредукция) [1].