Материал: 1. Лекция. Обмен углеводов (часть 1)
Фосфорилирование глюкозы в гепатоцитах в период пищеварения обеспечивается
свойствами глюкокиназы, которая имеет высокое значение Кm=10 ммоль/л. В этот
период концентрация глюкозы в воротной вене больше, чем в других отделах кровяного русла и может превышать 10 ммоль/л.
Глюкокиназа, в отличие от гексокиназы, не ингибируется продуктом катализируемой реакции – глюкозо-6-фосфатом. Это обстоятельство обеспечивает повышение
концентрации глюкозы в клетке в фосфорилированной форме, соответственно еѐ
уровню в крови.
ГЛЮТ-2 (независимый от инсулина), так же, как глюкокиназа, имеет высокую Кт, что способствует повышению скорости поступления глюкозы в гепатоциты в период пищеварения, следовательно, ускоряет еѐ фосфорилирование и дальнейшее
использование для депонирования.
Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоциты в период пищеварения косвенным путѐм, индуцируя синтез глюкокиназы, и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.
Преимущественное потребление глюкозы гепатоцитами, обусловленное свойствами глюкокиназы, предотвращает чрезмерное повышение еѐ концентрации в крови в абсорбтивном периоде. Это, в свою очередь, снижает последствия протекания нежелательных реакций с участием глюкозы, например гликозилирования белков.
Гексокиназа отличается от глюкокиназы высоким сродством к глюкозе (Кm=0,1 ммоль/л). Следовательно, реакция, катализируемая этим ферментом, возможна даже при низкой концентрации глюкозы в крови, что характерно для постабсорбтивного состояния (натощак). Печень в этот период поглощает гораздо меньше глюкозы, так как скорость еѐ внутриклеточного фосфорилирования глюкокиназой резко снижается. Тогда как потребление глюкозы мозгом, эритроцитами и другими тканями обеспечивается активной в этих условиях гексокиназой.
Гексокиназа может катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но и других гексоз, хотя и с меньшей скоростью. Активность гексокиназы изменяется в зависимости от потребностей клетки в энергии. В качестве регуляторов выступают соотношение АТФ/АДФ и внутриклеточный уровень глюкозо-6-фосфата. При снижении расхода энергии в клетке повышаются отношение АТФ/АДФ и [глюкозо-6-фосфата]. В этом случае активность гексокиназы снижается, и, следовательно, уменьшается скорость поступления глюкозы в клетку.
Следует отметить, что в разных тканях гексокиназа присутствует в различных изоформах, отличающихся Кm. Глюкокиназа печени и почек является изоформой IV (гексокиназа IV). В клетках мышц содержится гексокиназа II, а в клетках опухолевых тканей преобладает гексокиназа III, с более высоким, чем у гексокиназы II, сродством к глюкозе.
МЕТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТА
Глюкозо-6-фосфат может использоваться в клетке в различных превращениях, основными из которых являются: синтез гликогена, катаболизм с образованием СО2 и Н2О или лактата, синтез пентоз. Распад глюкозы до конечных продуктов служит источником энергии для организма. Вместе с тем в процессе метаболизма глюкозо- 6-фосфата образуются промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для синтеза аминокислот, нуклеотидов, глицерина и жирных кислот. Таким образом, глюкозо-6-фосфат - не только субстрат для окисления, но и строительный материал для синтеза новых соединений
ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТА
Превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу возможно в печени, почках и клетках эпителия кишечника. В клетках этих органов имеется фермент глюкозо-6- фосфатаза, катализирующая гидролиз:
Глюкозо-6-фосфат +Н2О → Глюкоза + Н3РО4
Образовавшаяся свободная глюкоза способна диффундировать из этих органов в
кровь. В других органах и тканях глюкозо-6-фосфатазы нет, и поэтому дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата невозможно. Пример подобного необратимого проникновения глюкозы в клетку – мышцы, где глюкозо-6-фосфат может использоваться только в метаболизме этой клетки.
СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА (ГЛИКОГЕНОГЕНЕЗ)
Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2 ч после приѐма углеводной пищи). Следует отметить, что синтез гликогена из глюкозы, как и любой анаболический процесс, является эндергоническим, т.е. требующим затрат энергии.
Глюкоза, поступающая в клетку, фосфорилируется при участии АТФ (реакция 1). Затем глюкозо-6- фосфат в ходе обратимой реакции превращается в глюкозо-1-фосфат (реакция 2) под действием фермента фосфоглюкомутазы. Глюкозо-1-фосфат по термодинамическому состоянию мог бы служить субстратом для синтеза гликогена. Но в силу обратимости реакции глюкозо-6-фосфат ↔ глюкозо-1- фосфат синтез гликогена из глюкозо-1-фосфата и его распад оказались бы также обратимыми и поэтому неконтролируемыми. Чтобы синтез гликогена был термодинамически необратимым, необходима дополнительная стадия образования уридин-дифосфатглюкозы из УТФ и глюкозо-1-фосфата (реакция 3). Фермент, катализирующий эту реакцию, назван по обратной реакции: УДФ-глюкопирофосфорилаза. Однако в клетке обратная реакция не протекает, потому что образовавшийся в ходе прямой реакции пирофосфат очень быстро расщепляется пирофосфатазой на 2 молекулы Н3РО4.
Реакция образования УДФ-глюкозы обусловливает необратимость всей серии реакций, протекающих при синтезе гликогена. Этим же объясняется невозможность протекания распада гликогена путѐм простого обращения процесса его синтеза.
Образованная УДФ-глюкоза далее используется как донор остатка глюкозы при синтезе. Эту реакцию катализирует фермент гликогенсинтаза (глюкозилтрансфераза). Поскольку в данной реакции не используется АТФ, фермент называют синтазой, а не синтетазой. Нуклеотидная часть УДФ-глюкозы играет существенную роль в действии гликоген синтазы, выполняя функцию «рукоятки»,
при помощи которой фермент располагает глюкозу в полисахаридной цепи в нужном положении. Кроме того, нуклеотидная часть УДФ-глюкозы необходима для узнавания субстрата при катализе.
Так как гликоген в клетке никогда не расщепляется полностью, синтез гликогена осуществляется путѐм удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой «затравка», или «праймер». К «затравке» последовательно присоединяются молекулы глюкозы. Строением молекулы «затравки» как бы предопределяется тип связи, который возникает в реакции трансгликозилирования. Таким образом, синтезируется полисахарид, аналогичный по строению с «затравочным». В состав «затравки» может входить белок гликогенин, в котором к ОН-группе одного из тирозиновых остатков присоединена олигосахаридная цепочка (примерно 8 остатков глюкозы). Глюкозные остатки переносятся гликогенсинтазой на нередуцирующий конец олигосахаридной цепочки и связываются α-1,4- гликозидными связями. По окончании синтеза гликоген остаѐтся включѐнным в гранулу.