Когда запасы углеводов в организме становятся ниже нормы, некоторое количество глюкозы может образовываться из аминокислот и составной части жиров - глицерола. Этот процесс называют глюконеогенезом.
Глюконеогенез особенно важен для предупреждения существенного снижения уровня глюкозы в крови во время голодания. Глюкоза является основным субстратом, используемым для получения энергии такими тканями, как нервная ткань и клетки крови, поэтому в крови должно присутствовать достаточное количество глюкозы в промежутках между приемами пищи, которые могут составлять несколько часов.
Печень
играет ключевую роль в поддержании уровня глюкозы в крови натощак, обеспечивая превращение депонированного гликогена в глюкозу (гликогенолиз), а также путем синтеза глюкозы, главным образом из лактата и аминокислот (глюконеогенез). Приблизительно 25% глюкозы, синтезированной печенью натощак, образуется путем глюконеогенеза, что способствует доставке необходимого мозгу количества глюкозы.
В условиях длительного отсутствия пищи
значительное количество глюкозы может образовываться в почках из аминокислот и других предшественников.
Приблизительно 60% аминокислот из присутствующих в организме белков свободно превращаются в углеводы. Остальные 40% имеют химическую структуру, затрудняющую их превращение в углеводы или делающую этот процесс невозможным. Превращение каждой аминокислоты в глюкозу сопряжено с индивидуальными особенностями химических реакций.
Например, путем дезаминирования аланин может напрямую превращаться в пировиноградную кислоту; затем пировиноградная кислота превращается в глюкозу или запасается в виде гликогена. Большая часть используемых аминокислот может объединяться, превращаясь в различные сахара, содержащие 3, 4, 5 и даже 7 атомов углерода. Затем они вступают в фосфоглюконатные реакции и преобразуются в глюкозу.
Таким образом, путем дезаминирования и некоторых простых преобразований большое количество аминокислот становится глюкозой. Подобным способом глицерол также преобразуется в глюкозу или гликоген.
Регуляция глюконеогенеза . Уменьшение количества углеводов в клетках или снижение сахара в крови является основным стимулом для увеличения скорости глюконеогенеза. Кроме того, уменьшение количества углеводов может стать причиной изменения направления гликолитических или фосфоглюконатных реакций, что способствует превращению дезаминированных аминокислот в углеводы, наряду с глицеролом. Такой гормон, как кортизол, играет особенно важную роль в регуляции процессов глюконеогенеза.
Роль кортикотропина и глюкокортикоидов в глюконеогенезе. Если количество углеводов в клетках не соответствует нормальному уровню, это по не совсем понятной причине приводит к тому, что аденогипофиз начинает продуцировать большое количество гормона кортикотропина. Кортикотропин стимулирует кору надпочечников к продукции больших количеств глюкокор-тикоидных гормонов, особенно кортизола.
В свою очередь, кортизол мобилизует белки из большинства тканей организма, повышая уровень аминокислот в жидких средах организма. Большая часть выделяемых аминокислот сразу дезаминируется в печени и становится прекрасным субстратом для превращения в глюкозу. Таким образом, один из наиболее важных способов стимуляции глюконеогенеза опосредован выделением глюкокортикоидов из коры надпочечников.
Нормальная концентрация глюкозы
в крови, взятой натощак спустя 3-4 ч после приема пищи, составляет 90 мг/дл. После приема пищи, содержащей большое количество углеводов, уровень глюкозы в крови иногда достигает почти 140 мг/дл, даже если у человека нет сахарного диабета.
Регуляция концентрации глюкозы в крови
тесно связана с гормонами поджелудочной железы, инсулином и глюкагоном.
Глюконеогенез - синтез глюкозы из соединений неуглеводной природы.
В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться до 250 г глюкозы. Глюконеогенез осуществляется главным образом в печени (синтезируетя до 90 % всей глюкозы), в корковом веществе почек и в энтероцитах (совсем незначительно).
Глюконеогенез стимулируется при длительном голодании, при ограничении поступления углеводов с пищей, в период восстановления после мышечной нагрузки, у новорождённых в первые часы после рождения.
Субстраты глюконеогенеза. Истинными субстратами глюконеогенеза являютя пируват, оксалоацетат, фосфодиоксиацетон, которые непосредственно включаются в этот процесс. Все вещества неуглеводной природы, дающие эти метаболиты, являются субстратами глюконеогенеза: лактат→ПВК, метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глицерол→фосфодиоксиацетон, пропионил-КоА→метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глюкогенные аминокислоты→ПВК или ЩУК. Главный источник субстратов глюконеогенеза - глюкогенные аминокислоты. К глюкогенным аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина и лизина.
Стехиометрия:
2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН.Н+ + 2Н + 6Н2О Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн + 2НАД +
Глюконеогенез протекает, в основном, по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Для обхода трех ключевых реакций гликолиза используются четыре специфических фермента глюконеогенеза.
Ключевые ферменты и ключевые реакции глюконеогенеза:
1. Пируваткарбоксилаза
2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа
3. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза (Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н2О и Фруктозо-6-фосфат + ФН)
4. Глюкозо-6-фосфатаза (Глюкозо-6-фосфат + Н2О и Глюкоза + ФН)
Энергетический баланс. На синтез молекулы глюкозы из двух молекул пирувата расходуется 4АТФ и 2ГТФ (6АТФ). Энергию для глюконеогенеза поставляет процесс β-окис- ления жирных кислот.
Регуляция глюконеогенеза. Глюконеогенез стимулируется в условиях гипогликемии при низком уровне инсулина и преобладании его антагонистов (глюкагона, катехоламинов, глюкокортикоидов).
1. Регуляция активности ключевых ферментов:
фруктозо-1,6-бисфосфатаза по аллостерическому механизму активируется АТФ, ингибирутся Фр-1,6-ФФ и АМФ;
пируваткарбоксилаза активируется СН3СО~КоА (аллостерический активатор).
2. Регуляция количества ключевых ферментов: глюкокортикоиды и глюкагон
индуцируют синтез ключевых ферментов, а инсулин - репрессирует.
3. Регуляция количества субстрата: количество субстратов глюконеогенеза увеличивается под действием глюкокортикоидов (катаболическое действие на белки мышечной и лимфоидной ткани, на жировую ткань), а также глюкагона (катаболическое действие на жировую ткань).
Биологическая роль глюконеогенеза:
1. Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.
2. Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов. Лактат, образующийся в процессе анаэробного окисления глюкозы в эритроцитах и скелетных мышцах, транспортируется кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу. Это так называемый межорганный цикл Кори.
Глюконеогенез - процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Процесс протекает в основном в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек, а также в слизистой оболочке кишечника. Эти ткани могут обеспечивать синтез 80-100 г глюкозы в сутки. На долю мозга при голодании приходится большая часть потребности организма в глюкозе. Это объясняется тем, что клетки мозга не способны, в отличие от других тканей, обеспечивать потребности в энергии за счёт окисления жирных кислот.Кроме мозга, в глюкозе нуждаются ткани и клетки, в которых аэробный путь распада невозможен или ограничен, например эритроциты (они лишены митохондрий), клетки сетчатки, мозгового слоя надпочечников и др. Первичные субстраты глюконеогенеза - лактат, аминокислоты и глицерол. Включение этих субстратов в глюконеогенез зависит от физиологического состояния организма.
Лактат - продукт анаэробного гликолиза. Он образуется при любых состояниях организма в эритроцитах и работающих мышцах. Таким образом, лактат используется в глюконеогенезе постоянно.
Глицерол высвобождается при гидролизе жиров в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке.
Аминокислоты образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе.
Большинство реакций глюконеогенеза протекает за счёт обратимых реакций гликолиза и катализируется теми же ферментами. Однако 3 реакции гликолиза термодинамически необратимы. На этих стадиях реакции глюконеогенеза протекают другими путями. Необходимо отметить, что гликолиз протекает в цитозоле, а часть реакций глюконеогенеза происходит в митохондриях.
Образование фосфоенолпирувата из пирувата . Образование фосфоенолпирувата из пирувата происходит в ходе двух реакций первая из которых протекает в митохондриях. Пируват, образующийся из лактата или из некоторых аминокислот, транспортируется в матрикс митохондрий и там карбоксилируется с образованием оксалоацетата.
Пируват-карбоксилаз а, катализирующая данную реакцию, - митохондриальный фермент, коферментом которого является биотин. Реакция протекает с использованием АТФ.
Дальнейшие превращения оксалоацетата протекают в цитозоле. Следовательно, на этом этапе должна существовать система транспорта оксалоацетата через митохондриальную мембрану, которая для него непроницаема. Оксалоацетат в митохондриальном матриксе восстанавливается с образованием малата при участии NADH (обратная реакция цитратного цикла).
Образовавшийся малат затем проходит через митохондриальную мембрану с помощью специальных переносчиков. Кроме того, оксалоацетат способен транспортироваться из митохондрий в цитозоль в виде аспартата в ходе малат-аспартатного челночного механизма. В цитозоле малат вновь превращается в оксалоацетат в ходе реакции окисления с участием кофермента NAD + . Обе реакции: восстановление оксалоацетата и окисление малага катализируют малатдегидрогеназа, но в первом случае это митохондриальный фермент, а во втором - цитозольный. Образованный в цитозоле из ма-лата оксалоацетат затем превращается в фосфоенолпируват в ходе реакции, катализируемой фосфоенолпируваткарбоксикиназой - ГТФ-зависимым ферментом.
Образование глюкозы из лактата. Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение NADH/NAD + ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют " глюкозо-лактатным циклом", или "циклом Кори " .
Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции: 1 - обеспечивает утилизацию лактата; 2 - предотвращает накопление лактата и, как следствие этого, опасное снижение рН (лактоацидоз). Часть пирувата, образованного из лактата, окисляется печенью до СО 2 и Н 2 О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций глюконеогенеза.
Образование глюкозы из аминокислот. Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, окса-лоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратногр цикла, так и глюконеогенеза. Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюкозонеогенез. Следовательно, существует следующая последовательность событий (глюкозо-аланиновый цикл ) : глюкоза в мышцах → пируват в мышцах → аланин в мышцах → аланин в печени → глюкоза в печени → глюкоза в мышцах. Весь цикл не приводит к увеличению количества глюкозы в мышцах, но он решает проблемы транспорта аминного азота из мышц в печень и предотвращает лактоацидоз.
Образование глюкозы из глицерола . Глицерол образуется при гидролизе триацил-глицеролов, главным образом в жировой ткани. Использовать его могут только те ткани, в которых имеется фермент глицерол киназа, например печень, почки. Этот АТФ-зависимый фермент катализирует превращение глицерола в α-глицерофосфат (глицерол-3-фосфат). При включении глицерол-3-фосфата в глюконеогенез происходит его дегидрирование NAD-зависимой дегидрогеназой с образованием дигидроксиацетонфосфата, который далее превращается в глюкозу.
35.35 Представление о пентозофосфатном пути превращений глюкозы. Окислительные реакции (до стадии рибулозо-5-фосфата). Распространение и суммарные результаты этого пути (образование пентоз, НАДФН и энергетика)
Пентозофосфатный путь , называемый также гексомонофосфатным шунтом, служит альтернативным путём окисления глюкозо-6-фосфата. Пентозофосфатный путь состоит из 2 фаз (частей) - окислительной и неокислительной.
В окислительной фазе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5-фосфат, и образуется восстановленный NADPH. В неокислительной фазе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза. Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и гидрированным коферментом NADPH, который используется в восстановительных процессах. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути выражается следующим образом:
3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP + → 3 СО 2 + 6 (NADPH + Н + ) + 2 Фруктозо-6-фосфат + Глицеральдегид- 3 -фосфат.
Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле. Наиболее активно пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.
В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.
Первая реакция дегидрирования - превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6-фосфат - катализируется NАDР + -зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента NADPH. Далее глюконолактон-6-фосфат быстро превращается в 6-фосфоглюконат при участии фермента глюконолактонгидратазы. Фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует вторую реакцию дегидрирования окислительной части, в ходе которой происходит также и декарбоксилирование. При этом углеродная цепь укорачивается на один атом углерода, образуется рибулозо-5-фосфат и вторая молекула гидрированного NADPH. Восстановленный NADPH ингибирует первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Превращение NADPH в окисленное состояние NADP + приводит к ослаблению ингибирования фермента. При этом скорость соответствующей реакции возрастает, и образуется большее количество NADPH.
Суммарное уравнение окислительного этапа пентозофосфатного пути можно представить в виде:
Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP + + Н 2 О → Рибулозо-5-фосфат + 2 NADPH + Н + + СО 2 .
Реакции окислительного этапа служат основным источником NADPH в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм кислорода.
Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) составляют вместе циклический процесс. Такой процесс можно описать общим уравнением:
6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP + + 2 Н 2 О → 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +12 Н + + 6 СO 2 .
Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул СО 2 . Ферменты неокислительнойфазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последовательном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образующийся в окислительной фазе пентозофосфатного пути. Такой процесс называют пентозофосфатным циклом. Протекание пентозофосфатного цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.
Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода - NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.
Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой (эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является тем метаболическим путем, который решает данную проблему. Глюконеогенез – это метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты, распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др., рис. 5.8).
Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали ключевыми реакциями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в печени и корковом веществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих необратимые реакции гликолиза и соответствующих им ключевых ферментов глюконеоегенеза.
Таблица 5.2. Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза
При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых” субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субстратом другого фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат первого фермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции. Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.
Принято считать начальным этапом глюконеогенеза реакции, идущие в обход пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа – объект влияния регуляторных систем(рис.5.9), управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. Последний стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А. Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению глюконеогенеза.
. 
Рис.5.9. Регуляция активности пируваткиназы
Рис.5.10. Основные субстраты и ферменты глюконеогенеза:
1–лактатдегидрогеназа; 2– пируваткарбоксилаза; 3–малатдегидрогеназа; 4–фосфоенолпируват карбоксикиназа; 5–фруктозо-1,6-дифосфатаза; 6– глюкозо-6-фосфатаза; 7–глицеролкиназа; 8–a-глицеролфосфатде гидрогеназа
Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа, представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием карбоксибиотина – активной форы СО 2 в клетке. Продукт карбоксилирования – оксалоацетат занимает особое место в метаболизме митохондрий, где протекает данная реакция. Это важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии, высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.
После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции гликолиза. Из каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии фосфотриозоизомеразы превращается в ФДА и обе триозы под влиянием альдолазы конденсируются в фруктозо-1,6-дифосфат. Некоторое количество ФДА образуется путем окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола, поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется фруктозо-1,6-дифосфатазой-1. Затем вновь следует реакция, обратная гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфатаи образующаяся свободная глюкоза может выходить из клетки.
Суммарная реакция синтеза молекулы глюкозы:
2 ПВК + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2НАДН + 2H + + 6H2O → Глюкоза + 2НАД + + 4АДФ+ 2 ГДФ + 6 Фн +6H +
Таким образом, синтез одной молекулы глюкозы “обходится” клетке затратой шести макроэргов. 2 молекулы АТФ расходуются для активирования СО 2 , 2 молекулы ГТФ используются в фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции и 2 молекулы АТФ – для образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.
Глюконеогенез активируется в клетках печени во время голодания, после продолжительных физических упражнений, при употреблении пищи, богатой белками при низком содержании в ней углеводов и т.д.
Интенсивность процесса зависит от количества субстратов, и активности, и количества ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза.
Основными поставщиками субстратов для печени являются мышцы, эритроциты, жировая ткань. У последней довольно ограниченные возможности, поскольку только глицерол может использоваться для синтеза глюкозы, а это только около 6% от веса капельки жира.
Лактат, образующийся в результате работы мышц в анаэробных условиях или поступающий из эритроцитов, более значимый источник глюкозы. Наиболее важными источниками являются гликогенные аминокислоты, которые могут поступать с пищей, богатой белками или из мышц в условиях голодания.
Рис. 5.11. Цикл Кори
Чтобы непрерывно снабжать глюкозой клетки, для которых она является основным источником энергии, но они не могут окислить ее полностью в силу отсутствия митохондрий (эритроциты) или из-за работы в анаэробных условиях, между печенью и этими клетками устанавливаются циклические процессы по обмену субстратами. Один из таких – цикл Кори: образующаяся в мышцах (эритроцитах) молочная кислота поступает в общий кровоток, захватывается печенью и используется ею в качестве субстрата глюконеогенеза; синтезируемая при этом глюкоза отдается в кровототок и метаболизируется мышцами или эритроцитами для получения энергии (рис. 5.11).
Рис.5.12.Аланиновый цикл
В отличие от цикла Кори, аланиновый цикл(рис.5.12) протекает при условии потребления периферическими тканями кислорода и требует митохондрий. При употреблении пищи богатой белами или при голодании происходит довольно активный обмен между печенью и мышцами аланином и глюкозой. Аланин из мышц передается клеткам печени, где он переаминируется и ПВК используется для синтеза глюкозы. По мере необходимости глюкоза поступает в мышцы и окисляется до ПВК, а затем, путем переаминирования, превращается в аланин который может вновь повторить этот цикл. Энергетически это более выгодный путь, чем цикл Кори.
Потребность в глюконеогенезе
- для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии;
- нервная ткань потребляет около 120 г глюкозы в сутки и эта величина практически не зависит от интенсивности ее работы. Только в экстремальных ситуациях (длительное голодание) она способна получать энергию из неуглеводных источников;
- глюкоза играет весомую роль для поддержания необходимых концентраций метаболитов цикла трикарбоновых кислот (в первую очередь оксалоацетата).
Таким образом, при определенных ситуациях - при низком содержании углеводов в пище, голодании, длительной физической работе, то есть когда глюкоза крови расходуется и наступает гипогликемия, организм должен иметь возможность синтезировать глюкозу и нормализовать ее концентрацию в крови. Это достигается реакциями глюконеогенеза.
Необходимость глюконеогенеза в организме демонстрируют два цикла – глюкозо-лактатный и глюкозо-аланиновый.
Глюкозо-лактатный (выделен желтым) и глюкозо-аланиновый циклы
Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори)
Глюкозо-лактатный цикл - это циклический процесс, объединяющий реакции глюконеогенеза и реакции анаэробного гликолиза . Глюконеогенез происходит в печени, субстратом для синтеза глюкозы является лактат, поступающий в основном из эритроцитов или мышечной ткани.
В эритроцитах молочная кислота образуется непрерывно, так как для них анаэробный гликолиз является единственным способом образования энергии.
В скелетных мышцах высокое накопление молочной кислоты (лактата) является следствием гликолиза при очень интенсивной, субмаксимальной мощности, работе, при этом внутриклеточный рН снижается до 6,3-6,5. Но даже при работе низкой и средней интенсивности в скелетной мышце всегда образуется некоторое количество лактата. Убрать молочную кислоту можно только одним способом - превратить ее в пировиноградную кислоту. Однако сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за особенностей изофермента лактатдегидрогеназы-5 . Зато клеточная мембрана высоко проницаема для лактата и он движется по градиенту концентрации наружу. Поэтому во время и после нагрузки (при восстановлении) лактат легко удаляется из мышцы. Это происходит довольно быстро, всего через 0,5-1,5 часа в мышце лактата уже нет. Малая часть молочной кислоты выводится с мочой.
Большая часть лактата крови захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза. Глюкоза, образованная в печени используется самим гепатоцитом или возвращается обратно в мышцы, восстанавливая во время отдыха запасы гликогена . Также она может распределиться по другим органам.
Глюкозо-аланиновый цикл
Целью глюкозо-аланинового цикла также является уборка пирувата, но, кроме этого решается еще одна немаловажная задача - уборка лишнего азота из мышцы.
При мышечной работе и в покое в миоците распадаются белки и образуемые аминокислоты трансаминируются с α-кетоглутаратом. Полученный глутамат взаимодействует с пируватом. Образующийся аланин является транспортной формой азота и пирувата из мышцы в печень. В гепатоците идет обратная реакция трансаминирования, аминогруппа передается на синтез мочевины, пируват используется для синтеза глюкозы.
Глюконеогенез энергетически затратен
Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них - глюкогенных - полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых - смешанных - частично. Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку «шлаков» - лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе, и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.
Обходные пути
Как известно, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). В этих реакциях происходит высвобождение энергии для синтеза АТФ. Поэтому в обратном процессе возникают энергетические барьеры, которые клетка обходит с помощью дополнительных реакций.
Глюконеогенез включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути, то есть он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках. Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.
Обход десятой реакции гликолиза
На этом этапе глюконеогенеза работают два ключевых фермента - в митохондриях пируваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.
В химическом плане обходной путь десятой реакции выглядит достаточно просто:
Упрощенный вариант обхода десятой реакции гликолиза
Однако дело в том, что пируваткарбоксилаза находится в митохондрии, а фосфоенолпируват-карбоксикиназа - в цитозоле. Дополняет проблему непроницаемость митохондриальной мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК.
Поэтому в реальности все выглядит более сложно:
Обход десятой реакции гликолиза
- В цитозоле пировиноградная кислота может появиться при окислении молочной кислоты и в реакции трансаминирования аланина. После этого пируват с импортом с ионами Н+, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротической (пополняющей) реакцией ЦТК.
- Далее оксалоацетат мог бы превратиться в фосфоенолпируват, но для этого сначала он должен попасть в цитозоль. Поэтому происходит реакция восстановления оксалоацетата в малат при участии малатдегидрогеназы. В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат. Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из β-окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците.
- В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.
