Функции пентозофосфатного пути
1. Образование НАДФН+Н+ (50% потребности организма), необходимого 1) для биосинтеза жирных кислот, холестерола и 2) для реакции детоксикации (восстановление и окисление глутатиона, функционирование цитохром Р-450 зависимых монооксигеназ – микросомальное окисление). Особенно важен НАДФН для функционирования эритроцитов. В этих клетках НАДФН необходим для поддержания отношения (глутатион восстановленный):(глутатион окисленный) на уровне 1:500. Восстановленный глутатион служит для поддержания остатков цистеина в гемоглобине и других белках в восстановленном состоянии.
2. Синтез рибозо-5-фосфата, используемого для образования 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, который необходим для синтеза пуриновых нуклеотидов и присоединения оротовой кислоты в процессе биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов.
3. Синтез углеводов с различным числом атомов углерода (С3-С7).
4. У растений образование рибулозо-1,5-бисфосфата, который используется как акцептор СО2 в темновой стадии фотосинтеза.
Глюконеогенез
Глюконеогенез – синтез углеводов из неуглеводных предшественников (гликогенных аминокислот, глицерола, лактата, пропионовой кислоты). Глюконеогенез протекает в цитозоле клеток печени и почек,хотя некоторые предшественники образуются в митохондриях. Глюконеогенез необходим для синтеза глюкозы, которая является источником энергии, особенно для нервной ткани и эритроцитов. При голодании более 1 суток за счет глюконеогенеза поддерживается базальный уровень глюкозы в крови, и метаболизм обеспечивается промежуточными продуктами ЦТК. При интенсивной физической работе синтез глюкозы происходит из лактатаи глицерола; при голодании – из глицерола, образующегося при распаде жирови аминокислот, освобождающихся в процессе катаболизма белков мышц.
Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Величина DG0¢при образовании пирувата из глюкозы в стандартных условиях клетки равно -20 ккал/моль (-84 кДж/моль). Основное уменьшение свободной энергии имеет место в трех необратимых реакциях, катализируемых гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназной:
В процессе глюконеогенеза для обращения этих трех необратимых этапов используются другие ферменты.
1. При интенсивной мышечной работе образуется лактат, который током крови поступает в печень. В цитозоле под действием лактатдегидрогеназы лактат окисляется в пируват, который поступает в митохондрии.
Прямой синтез фосфоенолпирувата из пирувата невозможен из-за необратимости пируваткиназной реакции, поэтому используется обходной путь из нескольких ферментов. Вначале пируват поступает в митохондрии и при участии биотин-зависимой пируваткарбоксилазы, СО2 и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата. Это ключевой момент для энергетического преодоления пируваткиназной реакции в обходных реакциях.
Для транспорта из митохондрий в цитозоль оксалоацетат восстанавливается в малат с участием фермента НАД-зависимой малатдегидрогеназы.
В цитозоле происходит обратный процесс окисления малата в оксалоацетат под действием цитозольной малатдегидрогеназы с коферментом НАД+.
Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназыпревращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка служит ГТФ. На этом завершается путь обхода необратимой пируваткиназной реакции.
Фосфоенолпируват в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат.
2.. Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой –фруктозо-1,6-бисфосфатазой (обход необратимой фосфофруктокиназной реакции).
3. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат, который дефосфорилируется под влиянием фермента глюкозо-6-фосфатазы (обход необратимой гексокиназной реакции).
В большинстве тканей на этом завершается глюконеогенез и свободная глюкоза не выделяется. Глюкозо-6-фосфат далее превращается разными путями, в том числе и в гликоген. Только два органа – печень и почки, в которых имеется фермент глюкозо-6-фосфатаза, связанный с мембранами эндоплазматического ретикулума, способны освобождать глюкозу в кровь.
В организме существует взаимосвязь гликолиза и глюконеогенеза на органном уровне. Основным субстратом для глюконеогенза является лактат, образованный активной скелетной мышцей. Плазматическая мембрана обладает высокой проницаемостью для лактата. Поступив в кровь, лактат переносится в печень, где в цитозоле окисляется в пируват. Пируват затем превращается в глюкозу по пути глюконеогенеза. Глюкоза поступает далее в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эти превращения составляют цикл Кори.
Регуляция глюконеогенеза
Превращения метаболитов в глюконеогенезе и гликолизе скоординированы так, что один процесс активен, а второй неактивен. Если одновременно активны оба процесса, то следует гидролиз четырех молекул нуклеотидтрифосфатов (2 АТФ и 2 ГТФ) в каждом цикле. Оба процесса экзергоничны, поэтому термодинамически невыгодна одновременная их активация.
1. Ацетил-КоА активирует, а АДФ ингибирует пируваткарбоксилазу (первый фермент глюконеогенеза). Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается.
Скорость гликолиза зависит от концентрации глюкозы, а скорость глюконеогенеза – от концентрации лактата и других предшественников глюкозы.
2. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза ингибируется АМФ. В то же время АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы. При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина АТФ/АМФ низкая, в клетке наблюдается расщепление глюкозы.
3. Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу (гликолиз) и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу (глюконеогенез).
Синтез и распад гликогена
Гликоген – основная форма запасания углеводов у животных. Гликоген запасается, главным образом, в печени (до 6% от массы печени, ~ 150 г) и в мышцах, где его содержание редко превышает 1% (~ 300 г).
Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего между приемами пищи. Поэтому содержание гликогена в печени изменяется в широких пределах. Через 12-18 часов после приема пищи запас гликогена печени практически полностью истощается, после чего начинается снабжение организма глюкозой, полученной с помощью реакций глюконеогенеза. Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой для гликолиза в самой мышце и не участвует в регуляции уровня глюкозы в крови. Содержание мышечного гликогена заметно истощается только после продолжительной и напряженной физической работы.