3.4. Регуляция гликолиза
1. Первый фермент гликолиза – гексокиназа ингибируется продуктом реакции (глюкозо-6-фосфат).
Высокая внутриклеточная концентрация глюкозо-6-фосфата сигнализирует о том, что не требуется поступление глюкозы в клетку для получения энергии или запасания в виде гликогена. Ингибирование фосфофруктокиназы ведет к повышению концентрации фруктозо-6-фосфата, а, следовательно, и глюкозо-6-фосфата и ингибированию гексокиназы. Для контроля уровня гликемии в печени имеется специальный изофермент гексокиназы – глюкокиназа. Поскольку фермент имеет в 50 раз меньшее сродство к глюкозе, он функционирует при синтезе гликогена или жирных кислот из избытка глюкозы. Низкая аффинность глюкокиназы печени к глюкозе позволяет обеспечивать мышцы и мозг энергией при низких концентрациях глюкозы в крови.
2. Высокий уровень АТФ аллостерически ингибирует активность фосфофруктокиназы в печени (тетрамер с молекулярной массой 340 кДа), уменьшая его сродство к фруктозо-6-фосфату. Высокая концентрация АТФ превращает гиперболическую кривую связывания фруктозо-6-фосфата в сигмоидную. Этот эффект АТФ оказывает, связываясь с молекулой фермента вне зоны активного центра.
3. АМФ отменяет ингибиторный эффект АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, если отношение АТФ/АМФ уменьшается. Иными словами, гликолиз активируется при уменьшении энергетического заряда клетки.
4. Снижение величины рН также ингибирует активность фосфофруктокиназы. Инибирование фермента протонами предупреждает избыточное образование молочной кислоты и развитие ацидоза.
5. Фосфофруктокиназа ингибируется цитратом, первым метаболитом цикла трикарбоновых кислот.
6. В 1980 году был открыт новый регулятор активности фосфофруктокиназы - фруктозо-2,6-бисфосфат. Фруктозо-2,6-бисфосфат активирует фосфофруктокиназу путем повышения ее сродства к фруктозо-6-фосфату и уменьшения ингибиторного эффекта АТФ.
7. Пируваткиназа контролирует поток метаболитов из гликолиза. Имеется несколько изоферментов пируваткиназы (тетрамерный белок с субъединицами молекулярной массой по 57 кДа): L-тип характерен для печени, а М-тип – для мышц и мозга. Фруктозо-1,6-бисфосфат активирует оба изофермента пируваткиназы, а АТФ и аланин – ингибируют их.
3.5. Метаболизм глюкозы в аэробных условиях
Аэробный распад глюкозы является основным путем катаболизма глюкозы у человека и включает следующие процессы: 1) распад глюкозы до пирувата (гликолиз или специфический путь распада глюкозы); 2) перенос пирувата в митохондрии и окислительное декарбоксилирование с образованием ацетил-КоА; 3) окисление ацетильной группы ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных цепях переноса электронов до СО2 и Н2О.
На стадии окисления глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту образуется восстановленный цитозольный НАДН+Н+. Перенос восстановительных эквивалентов от НАДН+Н+ в митохондрии происходит с помощью малатного челночного механизма (рис. 3.) Молекула восстановленного НАД не может проникать в митохондрии. Поэтому от цитозольного НАДН+Н+ восстановительные эквиваленты сначала при участии малатдегидрогеназы переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью переносчиков проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД+ восстанавливается в НАДН+Н+, который передает электроны в ЦПЭ внутренней мембраны митохондрий. В результате окислительного фосфорилирования образуется 2,5 молекулы АТФ.
Оксалоацетат выйти из митохондрий не может, поэтому он вначале превращается в аспартат, который транспортируется переносчиком в цитозоль. Здесь аспартат дезаминируется, превращаясь в оксалоацетат и челночный цикл замыкается. Часто его называют малат-аспартатный челночный цикл. Результатом этого цикла является окисление цитоплазматического НАДН митохондриальным НАД+.
В некоторых тканях функционирует глицерофосфатный челночный механизм. В цитозоле электроны от НАДН передаются на диоксиацетонфосфат с образованием глицерин-3-фосфата; реакцию катализирует глицерин-3-фрсфатдегидрогеназа. Глицерин-3-фосфат достигает внутренней мембраны митохондрий, где глицерин-3-фосфатдегидрогеназа, встроенная в мембрану и в качестве простетической группы содержащая ФАД, передает электроны от глицерин-3-фосфата в митохондриальную цепь переноса электронов. Образующийся при этом диоксиацетонфосфат возвращается в цитозоль, замыкая тем самым челночный цикл. Следует заметить, что в этом цикле переносчик электронов глицерин-3-фосфат не проникает в матрикс митохондрий, а лишь передает электроны с цитоплазматического НАДН через ФАД→ФАДН2 на цепь переноса электронов во внутренней мембране митохондрий. В этом случае образуется 1,5 молекулы АТФ.