Материал: Биохимия. Углеводы-1

Мышечные гликогенозы

Для этой группы гликогенозов характерны изменения ферментов мышечной тка-

ни. Это приводит к нарушению энергообеспечения мышц при физической нагрузке, болям в мышцах, судорогам.

Гликогеноз V типа (болезнь Мак-Ардля) – отсутствие мышечной фосфорила-

зы. При тяжелой мышечной нагрузке возникают судороги, миоглобинурия, хотя лег-кая работа не вызывает каких-либо проблем.

Смешанные гликогенозы

Эти заболевания касаются и печени, и мышц, и других органов.

Гликогеноз II типа (болезнь Помпе) – поражаются все гликогенсодержащие

клетки из-за отсутствия лизосомальной α-1-4-глюкозидазы. Происходит накопле-

ние гликогена в лизосомах и в цитоплазме. Заболевание составляет почти 10% всех гликогенозов и является наиболее злокачественным. Больные умирают в грудном

возрасте из-за кардиомегалии и .тяжелой сердечной недостаточности.

Агликогенозы

Агликогенозы – состояния, связанные с отсутствием гликогена.

В качестве примера агликогеноза можно привести наследственный аутосомно-

рецессивный дефицит гликоген-синтазы. Симптомами является резкая гипогликемия натощак, особенно утром, появляется рвота, судороги, потеря сознания. В результа-те гипогликемии наблюдается задержка психомоторного развития, умственная от-сталость. Болезнь несмертельна при адекватном лечении (частое кормление), хотя и опасна.

ГЛИКОЛИЗ

Путь, по которому глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты для получе-

ния энергии, называется гликолизом. В зависимости от дальнейшей судьбы пирува-

та различают аэробный и анаэробный гликолиз.

• аэробном процессе пировиноградная кислота превращается в ацетил-S-КоА и

далее сгорает в реакциях тканевого дыхания до СОB₂B и НB₂BО.

• анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молоч-ной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют

молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во

что не превращается, единственная возмож-ность утилизовать лактат – это окислить его

обратно в пируват.

Практически все клетки организма способ-ны к анаэробному гликолизу. Для эритроцитов

он является единственным источником энер-

гии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы спо-

собны выполнять мощную, быструю, интенсив-

ную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спор-

та.

Анаэробный гликолиз локализуется в цито-золе и включает 2 этапа из 11 ферментатив-ных реакций.

Первый этап – подготовительный, здесь происходит

затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование

из нее триозофосфатов.

Первая реакция гликолиза, строго говоря, к гликоли-

зу не относится. Это гексокиназная реакция о которой

ранее уже говорилось ("Метаболизм гликогена"). Ее роль сводится к превращению глюкозы в реакционно способ-

ное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не

включенного в кольцо, атома углерода.

Для печени характерен изофермент гексокиназы –

глюкокиназа. Низкое сродство этого фермента к глюко-

зе обеспечивает ее захват печенью только после приема пищи, когда создается высокая концентрация глюкозы в

крови. При обычных концентрациях глюкозы в крови пе-

чень ее не потребляет и та достается другим тканям. Вторая реакция – реакция изомеризации – необхо-

дима для выведения еще одного атома углерода из

кольца для его последующего фосфорилирования. В ней образуется фруктозо-6-фосфат.

Т ретья реакция – фосфорилирование фруктозо-6-

фосфата с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата.

В четвертой реакции фруктозо1,6-дифосфат разре-

зается пополам с образование двух фосфорилирован-ных триоз-изомеров, альдозы глицеральдегида (ГАФ) и

кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в

друга. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диокси-

ацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глице-ральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее про-

стоте, является вершителем судьбы глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окис-

ления глюкозы диоксиацетонфосфат превраща-

ется в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза;

• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний

отправляется на синтез жиров (см "Синтез триацилглицеридов").

Второй этап гликолиза – это освобождение

энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате,

и запасание ее в форме АТФ.

Шестая реакция гликолиза – окисление глице-

ральдегидфосфата и присоединение к нему фос-

форной кислоты приводит к образованию макроэр-гического соединения 1.3-дифосфоглицериновой

кислоты.

В седьмой реакции энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тра-

тится на образование АТФ. Реакция получила до-

полнительное название –реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии

для получения макроэргической связи в АТФ (суб-

страт) в отличие от окислительного фосфорилиро-вания (электрохимический градиент ионов водоро-

да на мембране митохондрий).

Подобных реакций в клетке всего три – 1) ука-занная реакция, 2) пируваткиназная реакция, деся-тая реакция гликолиза (см ниже), 3) тиокиназная

реакция цикла трикарбоновых кислот.

Восьмая реакция – синтезированный в преды-

дущей реакции 3-фосфоглицерат изомеризуется в

2-фосфоглицерат.

Девятая реакция – отрыв молекулы воды от

2-фосфоглицериновой кислоты приводит к образо-

ванию еще одной макроэргической фосфоэфирной связи.

Еще одна реакция субстратного фосфорили-рования – десятая реакция гликолиза – заключа-

ется в переносе макроэргического фосфата с фос-

фоенолпирувата на АДФ.

Последняя реакция , одиннадцатая, образова-ние молочной кислоты из пирувата под действием

лактатдегидрогеназы. Важно то, что эта реакция

осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, об-

разующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может поступать и окисляться в митохондриях.

При наличии кислорода пировиноградная ки-

слота превращается в ацетил-S-КоА.

ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИРЕДУКЦИЯ

Процесс циклического восстановления и окис-

ления НАД в реакциях анаэробного гликолиза полу-

чил название гликолитическая оксиредукция.

В анаэробных условиях образуемый в шестой, ГАФ-дегидрогеназной реакции, НАДН используется

в последней реакции для восстановления пирувата до лактата. Образуемый таким образом НАД опять возвращается в шестую реакцию.

В аэробных условиях НАДН отдает свои атомы водорода на челночные систе-

мы (см ниже) для их передачи в дыхательную цепь митохондрий.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

На подготовительном этапе

на активацию глюкозы затра-

чивается 2 молекулы АТФ, ка-ждая из которых оказывается

на триозе – глицеральдегид-

фосфате и диоксиацетонфос-фате. В следующий второй

этап входит только глицераль-

дегидфосфат, но его уже две молекулы, каждая из которых

окисляется до пирувата с об-

разованием 2-х молекул АТФ

• реакциях субстратного фос-

форилирования. Таким обра-

зом, суммируя, получаем, что

на пути от глюкозы до пирувата

• чистом виде образуется 2

молекулы АТФ.

Однако надо иметь в виду

и глицеральдегидфосфат-

дегидрогеназную реакцию, из которой выходит НАДН. Если

условия анаэробные, то он

используется в лактатдегидро-геназной реакции – окисляется

для образования лактата и в

получении АТФ не участвует.

Если же имеется кислород

– НАДН направляется в мито-хондрию, на процессы окисли-

тельного фосфорилирования, и

там его окисление приносит дивиденды в форме АТФ.

ЭФФЕКТ ПАСТЕРА

Эффект Пастера – это снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода.

Луи Пастер, занимавшийся вопросами виноделия, наблюдал подобный фено-мен при производстве вина. Забегая вперед, отметим, что спиртовое броже-ние весьма похоже на гликолиз, только вместо молочной кислоты из пирува-та образуется спирт.

Биохимический механизм эффекта Пастера заключается в конкуренции между

пируватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-S-КоА, и лактатдегид-

рогеназой, превращающей пируват в лактат. При отсутствии кислорода внутрими-тохондриальные процессы дыхания не идут, цикл трикарбоновых кислот тормозится

и накапливающийся ацетил-S-КоА ингибирует ПВК-дегидрогеназу. В этой ситуации

пировиноградной кислоте не остается ничего иного как превращаться в молочную. При наличии кислорода ингибирование ПВК-дегидрогеназы прекращается и она, об-

ладая большим сродством к пирувату, выигрывает конкуренцию.

Важно то, что пировиноградная кислота является для клетки токсичным

веществом, и клетке необходимо избавиться от нее каким угодно образом. Так как через мембраны она не проходит, то обезвреживание достигается

превращением пирувата 1) в лактат; 2) в ацетил-S-КоА; 3) в аланин (см "Ала-нинаминотрансфераза"), 4) в оксалоацетат.

Иллюстрацией к сказанному служит от-личие изоферментов лактатдегидроге-наз (ЛДГ) друг от друга. Сердечный

изофермент ЛДГ-1 обладает высоким сродством к молочной кислоте и "стре-

мится" поднять концентрацию пирува-та с целью его включения в ЦТК и полу-чения энергии для деятельности мио-

карда. Большое количество митохонд-

рий и поступление сюда лактата из других органов обеспечивает работу сердца при аэробных условиях. При не-хватке кислорода свойства ЛДГ-1 не из-

менятся, он по-прежнему будет сдвигать реакцию в сторону продукции пиро-

виноградной кислоты. Изофермент скелетной мышцы ЛДГ -5 обладает высо-ким сродством к пирувату, при отсутствии кислорода в клетке быстро и эффективно превращает его в лактат, легко проникающий сквозь мембраны. Таким образом, в анаэробных условиях сильнее будет страдать сердечная мышца, что, собственно говоря, и наблюдается в медицинской практике.

ЧЕЛНОЧНЫЕ СИС-ТЕМЫ

Челночные системы –

механизм доставки обра-

зованных в гликолизе ио-

нов Н⁺ (в составе НАДН)

из цитозоля в митохонд-рию.

Так как сама молекула

НАДН через мембрану не проходит, природа поза-

ботилась о том, чтобы

создать системы, прини-

мающие этот водород в цитоплазме и отдающие его в матриксе митохонд-рий.

Определены две основные челночные системы – глицеролфосфатная и малат-

аспартатная.

Глицеролфосфатный челнок активен в печени и в быстрых мышечных волок-нах. Его ключевыми ферментами являются изоферменты глицерол-3-фосфат-

дегидрогеназы, цитоплазматический и митохондриальный. Они отличаются своими

коферментами: у цитоплазматической формы – НАД, у митохондриальной – ФАД. Метаболиты гликолиза – диоксиацетонфосфат и НАДН образуют глицерол-3-

фосфат, поступающий в матрикс митохондрий, где он окисляется с образованием

ФАДН ₂. Далее ФАДН₂ направляется в дыхательную цепь и используется для полу-чения энергии.

Малат-аспартатный челнок более сложен: постоянно идущие в цитоплазме ре-

акции трансаминирования аспартата поставляют оксалоацетат, который под дейст-вием цитозольного пула малатдегидрогеназы восстанавливается до яблочной ки-

слоты. Последняя антипортом с α-кетоглутаратом проникает в митохондрии и, явля-

ясь метаболитом ЦТК, окисляется в оксалоацетат с образованием НАДН. Так как

мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, то он аминируется до ас-

парагиновой кислоты, которая в обмен на глутамат выходит в цитозоль.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата. глицерола, метаболитов цикла Кребса, аминокислот. Все аминокислоты,

кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Неко-

торые из них – глюкогенные – полностью включаются в молекулу глюкозы, некото-рые – смешанные – частично.

• организме всегда существует потребность в глюкозе:

• для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии,

• нервная ткань потребляет 120 г глюкозы в сутки, притом эта величина не за-висит от интенсивности ее работы. Только в экстремальных ситуациях (дли-

тельное голодание) она способна получать энергию из неуглеводных источ-

ников,

• глюкоза играет весомую роль для поддержания необходимых концентраций

метаболитов цикла трикарбоновых кислот (в первую очередь оксалоацета-

та).

Таким образом, при определенных ситуациях – при низком содержании углево-

дов в пище, голодании, длительной физической работе – организм должен иметь

возможность получить глюкозу. Это достигается процессом глюконеогенеза. Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лак-

тата, образованного при мышечной работе и в эритроцитах, и глицерола, являюще-

гося продуктом липолиза в жировой ткани.

Глюконеогенез лишь отчасти повторяет реакции окисления глюкозы. Как указы-

валось ранее, в гликолизе существуют три необратимые стадии: пируваткиназная

(десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). На этих стадиях существуют энергетические барьеры, которые обходятся с помощью специальных реакций.

Обход десятой реакции гликолиза

На этом этапе глюконеогенеза работают два основных фермента – в митохонд-

риях пируваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.

Пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Необ-

ходимо отметить, что эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротиче-

ской (пополняюшей) реакцией ЦТК. Далее оксалоацетат должен попасть в цитозоль

и превратиться в фосфоенолпируват. Однако дело осложняется непроницаемостью мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшест-венник оксалоацетата по ЦТК. Так как в условиях недостаточности глюкозы в клетке активируется липолиз и окисление жирных кислот, то повышается количество НАДН в митохондриях. Этот избыток позволяет повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять. Малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается в ок-салоацетат.

В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа

осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенол-

пируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молеку-лы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

Обход третьей реакции гликолиза

Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фос-

фофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью

фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы. Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким

образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-

фосфат и глюкозо-6-фосфат.