18. Биохимические механизмы потребления углеводов. Их регуляция.
Остановимся
на этих трех путях.1.В ходе гликолиза
происходит расщепление одной молекулы
шестиатомного моносахарида глюкозы до
двух трёхатомных молекул – пирувата.
Высвобожденная в результате этого
процесса энергия запасается виде АТФ
и НАДН.
Гликолиз является центральным
метаболитическим путём катаболизма
глюкозы почти для всех организмов.
Гликолитическое расщепление глюкозы
– это единственный источник метаболитической
энергии для некоторых тканей и клеток
млекопитающих (эритроцитов, мозга и
пр.).Необходимо отметить, что в результате
гликолиза высвобождается только
маленькая часть той химической энергии,
которая запасена в молекуле глюкозы.
Две образованные молекулы пирувата всё
ещё содержат бóльшую часть химической
энергии глюкозы. Эта энергия может быть
извлечена с помощью окислительных
реакций цикла трикарбоновых кислот и
окислительного фосфорилирования.
Регуляция гликолиза1.
Регуляция активности гексокиназы.
Гексокиназа катализирует процесс
превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат.
Активность гексокиназы аллостерически
ингибируется продуктом реакции –
глюкозо-6-фосфатом.2. Регуляция активности
фосфофруктокиназы. Фосфофруктокиназа
катализирует превращение фруктозо-6-фосфата
и АТФ во фруктозо-1,6-дифосфат и АДФ.
Активность фосфофруктокиназы
аллостерически ингибируется конечным
продуктом гликолиза в целом – АТФ. Это
ингибирование снимается, когда возрастает
концентрация АДФ или АМФ. Цитрат
(ионизированная форма лимонной кислоты)
является аллостерическим ингибитором
активности фосфофруктокиназы.
Фруктозо-2,6-дифосфат (именно -2,6-, а не
1,6-) аллостерический активатор активности
фосфофруктокиназы.3. Регуляция активности
пируваткиназы. Высокие концентрации
ацетил-КоА, АТФ, длинноцепочечных жирных
кислот аллостерически ингибируют
активность пируваткиназы. сАМФ («с»
значит «циклический») может действовать
и как ингибитор, и как активатор активности
пируваткиназы. Фруктоза-1,6-дифосфат
повышает активность пируваткиназы.Итог:
суть регуляции гликолиза в следующем
– большое содержание в клетке
высокоэнергетических молекул таких
как АТФ и продуктов расщепления глюкозы
(ацетил-КоА, цитрат) свидетельствует о
том, что в клетке достаточно энергии и
расщепление глюкозы надо замедлить.
Недостаточный запас энергии в клетке
сопровождается большим содержанием
АМФ и малым АТФ и вызывает активацию
гликолиза для увеличения выработки
энергии.2.В большинстве животных тканей
основным способом переработки глюкозы
является окисление через гликолиз до
пирувата, а затем через ЦТК. Но
альтернативным путём окисления является
пентозофосфатный путь, который ведёт
к образованию различных фосфатов пентоз.
Этот путь активно протекает в клетках,
которым нужен приток пентоз для синтеза
нуклеиновых кислот.Другим важным
продуктом ПФП является восстановленный
НАДФН. Этот продукт нужен: во-первых для
защиты клеток от активных форм кислорода;
во-вторых как сырьё для синтеза липидов.
Пентозофосфатный путь метаболизма
глюкозы играет существенную роль в
реакциях синтеза и имеет особое значение
в формирование циклических структур
(в частности азотсодержащих). Сильным
ингибитором пентозофосфатного пути
является промежуточный продукт этого
цикла – эритрозо-4-фосфат.Но в каких
условиях глюкоза будет направляться
по гликолитическому пути, а в каких по
пентозофосфатному? Большое содержание
в клетке фосфат-аниона приведёт к
торможению ключевого фермента,
вовлекающего глюкозу в пентозофосфатный
путь, и глюкоза будет ассимилироваться
по гликолитическому пути. И это логично,
т.к. большое количество фосфат-аниона
указывает на недостаток АТФ, а значит
и на недостаток энергии в клетке, в таких
условиях надо направлять глюкозу по
пути расщепления с образованием энергии,
что и обеспечивает гликолиз.
Судьба глюкозо-6-фосфата — вступит
ли он в гликолиз или пентозофосфатный
путь — определяется потребностями
клетки в данный момент, а также
концентрацией NADP+ в
цитозоле. Без наличия акцептора электронов
первая реакция пентозофосфатного пути
(катализируемая глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой)
не будет идти. Когда клетка быстро
переводит NADPH в NADP+ в
биосинтетических восстановительных
реакциях, уровень NADP+ поднимается,
аллостерически стимулируя
глюкозо-6-фосфатдегидрогензазу и тем
самым увеличивая ток глюкозо-6-фосфата
через пентозофосфатный путь. Когда
потребление NADPH замедляется, уровень
NADP+ снижается,
и глюкозо-6-фосфат утилизируется
гликолитически. 3.
Первые два его этапа — фосфорилирование
молекулы глюкозы и ее дегидрирование
до 6-фосфоглюконовой кислоты — идентичны
первым двум этапам окислительного
пентозофосфатного пути. Специфичны для
пути Энтнера — Дудорова две следующие
реакции: 1) дегидратирование 6-фосфоглюконовой
кислоты, приводящее к образованию
КДФГ-кислоты; 2) расщепление продукта
первой реакции на два C3-фрагмента.
Конечными продуктами второй реакции
являются пировиноградная кислота и
3-ФГА. Последний окисляется в пировиноградную
кислоту так же, как в гликолитическом
пути. Следовательно, при разложении
молекулы глюкозы до пирувата по пути
Энтнера — Дудорова образуется 1 молекула
АТФ (2 молекулы АТФ синтезируются на
отрезке пути 3-ФГА ® пировиноградная
кислота минус 1 молекула АТФ, затраченная
на фосфорилирование глюкозы), 1 молекула
НАД-H2 и 1 молекула НАДФ-H2.
Путь Энтнера — Дудорова имеет важное значение, когда сбраживаемыми субстратами служат глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты или их производные. Он функционирует у довольно широкого круга эубактерии, главным образом, грамотрицательных, получающих энергию в процессе дыхания (энтеробактерии50, виды Azotobacter, Pseudomonas, Alcaligenes, Rhizobium, Spirillum, Xanthomonas, Thiobacillus и др.). У анаэробов он встречается довольно редко. В качестве примера организма, сбраживающего сахара по пути Энтнера — Дудорова, можно привести облигатно анаэробную бактерию Zymomonas mobilis. Однако ее изучение позволяет предполагать, что Z. mobilis — вторичный анаэроб, произошедший от цитохромсодержащих аэробов. Путь Энтнера — Дудорова обнаружен у некоторых клостридиев, что еще раз подчеркивает неоднородность эубактерий, объединенных в эту таксономическую группу.
У энтеробактерий гликолитический и окислительный пентозофосфатный пути функционируют как центральные конститутивные пути метаболизирования углеводов, путь Энтнера — Дудорова — как индуцибельный.