4. Существенное влияние на глюконеогенез оказывает этанол. Метаболизм этанола на 90% происходит в печени.

Превращение этанола включает две реакции дегидрирования с образованием ацетил-КоА и его последующее окисление в цитратном цикле (рис. 6.23). Алкогольдегидрогеназа содержится в основном в печени (95%), а также в других органах (мозге, почках, легких, кишечнике). Для окисления суточной нормы углеводов (500 г) требуется такое же количество NAD⁺, как и для окисления 125 г этанола. Частично окисление этанола протекает под действием микросомальных ферментов окисления (см. модуль 12).

В результате катаболизма этанола увеличивается количество NADH, что приводит к смещению лактатдегидрогеназной реакции в сторону образования лактата, снижению образования пирувата и замедлению глюконеогенеза.

Рис. 6.23. Окисление этанола в печени (ферменты указаны слева синим цветом)

Тема 6.9. Регуляция гликолиза и глюконеогенеза

В ПЕЧЕНИ

1. Переключение метаболизма печени с гликолиза на глюконеогенез и наоборот происходит при помощи:

- аллостерических механизмов регуляции активности ключевых ферментов;

- ковалентной модификации ферментов путем фосфорилирования (дефосфорилирования) с участием инсулина и глюкагона;

- индукции (репрессии) синтеза ключевых ферментов, катализирующих реакции субстратных циклов.

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза в печени направлена на необратимые стадии гликолиза и глюконеогенеза, которые формируют три субстратных цикла (на рис. 6.20 обозначены I, II, III). Название «субстратный цикл» означает объединение реакций синтеза и распада субстрата.

2. Направление реакций первого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении (абсорбтивный период) концентрация глюкозы в крови повышается (до 120-140 мг/дл, или 7-8 ммоль/л). Активность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется реакция Глюкоза - Глюкозо-6-фосфат. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата направляется в гликолиз и на синтез гликогена.

3. Направление реакций второго субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. В этом цикле действует фруктозо-2,6-бисфосфат, который одновременно выполняет функцию аллостерического активатора фосфофруктокиназы (регуляторный фермент гликолиза) и аллостерического ингибитора фосфатазы фруктозо- 1,6-бисфосфата (регуляторный фермент глюконеогенеза).

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется в абсорбтивный период путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии бифункционального фермента (БИФ), который в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН) проявляет киназную активность (рис. 6.24). Дефосфорилирование БИФ происходит с помощью фермента фосфопротеинфосфатазы, который активируется при высоком инсулин-глюкагоновом индексе за счет инсулинового рецептора.

При низком инсулин-глюкагоновом индексе, характерном для периода голодания, происходит фосфорилирование БИФ (БИФ-ОРО₃Н₂) с помощью протеинкиназы А, которая активируется вследствие активации аденилатциклазной системы в результате взаимодействия гормона глюкагона с рецепторами. При этом БИФ проявляет фосфатазную активность. В результате

Рис. 6.24. Реакции, катализируемые бифункциональным ферментом (БИФ) в печени.

БИФ катализирует реакции обратимого превращения фруктозо-6-фосфата в фруктозо-2,6-бисфосфат. БИФ может находиться в двух формах: дефосфорилированной (БИФ-ОН) и фосфорилированной (БИФ-ОРО₃Н₂). БИФ-ОН обладает киназной активностью и способствует образованию фруктозо-2,6-бисфосфата. БИФ-ОРО₃Н₂ обладает фосфатазной активностью и способствует уменьшению концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата и образованию фруктозо-6-фосфата. Фосфорилирование и дефосфорилирование БИФ связано с ритмом питания и регулируется гормонами. Инсулин (абсорбтивный период) активирует фермент фосфопротеинфосфатазу, что приводит к появлению формы БИФ-ОН, а глюкагон (постабсорбтивный период) активирует аденилатциклазную систему, что вызывает активацию протеинкиназы А и появление формы БИФ-ОРО₃Н₂

уменьшается количество фруктозо-2,6-бисфосфата, что приводит к замедлению гликолиза и переключению метаболизма на глюконеогенез. Наличие двух активностей (киназной и фосфатазной) у БИФ определило название фермента - «бифункциональный».

БИФ присутствует только в гепатоцитах. Киназную и фосфатазную реакции катализируют разные активные центры БИФ, которые функционируют по очереди в зависимости от состояния фермента фосфорилированного или дефосфорилированного. Превращение фруктозо-2,6-бисфосфата в фрукто- зо-6-фосфат не является обратимым процессом. Образование фруктозо-2,6- бисфосфата требует затрат АТФ, а при образовании фруктозо-6-фосфата из фруктозо-2,6-бисфосфата высвобождается неорганический фосфат.

4. В регуляции третьего субстратного цикла основная роль принадлежит пируваткиназе, фосфорилированная форма которой неактивна, а дефосфорилированная активна (рис. 6.25). Дефосфорилирование пируваткиназы происходит в период пищеварения, когда инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу, переводя ее в активное состояние. Следовательно, реакция превращенияфосфоенолпируват в пируват ускоряется при пищеварении (абсорбтивный период). В постабсорбтивном состоянии пируваткиназа при действии глюкагона на печень переходит в фосфорилированное неактивное состояние.

Реакция глюконеогенеза превращения пирувата - оксалоацетат катализитуется биотин-зависимым ферментом - пируваткарбоксилазой с участием АТФ в качестве источника энергии. Регуляция этой реакции осуществляется с помощью аллостерической активации ацетил-КоА.Биологическое значение этого эффекта объясняется тем, что при голодании организм начинает использовать жирные кислоты как источник энергии.

Рис. 6.25. Регуляция пируваткиназы в печени.

Регуляция активности пируваткиназы в печени осуществляется путем фосфорилирования (дефосфорилирования) в зависимости от ритма питания

Ацетил-КоА - продукт окисления жирных кислот, активируя пируваткарбоксилазу, направляет пируват по пути глюконеогенеза.

5. Координация в регулировании субстратных циклов II и III достигается с помощью фруктозо-1,6-бисфосфата - продукта субстратного цикла II (гликолитическое направление), который является аллостерическим активатором пируваткиназы. В период пищеварения вследствие ускорения начальных стадий гликолиза концентрация фруктозо-1,6-бисфосфата повышается, что приводит к дополнительной активации пируваткиназы.

Общая схема регуляции гликолиза и глюконеогенеза в печени в зависимости от ритма питания представлена на рис. 6.26.

6. Регуляция энергетического статуса гепатоцитов осуществляется путем изменения скорости аэробного распада глюкозы. АТФ, AДФ, АМФ, а также NADH, NAD+ служат аллостерическими эффекторами ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза (рис. 6.27).

При высокой концентрации энергетических молекул АТФ и NADH,характерных для высокоэнергетического статуса клетки, происходит ингибирование ключевых ферментов гликолиза - фосфофруктокиназы и пируваткиназы, что вызывает торможение гликолиза. Высокая концентрация AMФ вызывает активацию фосфофруктокиназы (фермент гликолиза) и ингибирование фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата (фермент глюконеогенеза), а AДФ ингибирует пируваткарбоксилазу, замедляя глюконеогенез. Таким образом, в случае низкого энергетического статуса клетки наблюдается активация гликолиза и ингибирование глюконеогенеза.

7. Индукция (репрессия) синтеза ключевых ферментов регулируется с помощью гормонов. Стероидные гормоны осуществляют регуляцию экспрессии генов, изменяя (увеличивая или уменьшая) синтез ключевых ферментов (см. модуль 3). Глюкагон и инсулин также влияют на синтез ключевых ферментов, однако в отличие от стероидных гормонов они, используя системы трансмембранной передачи сигналов, вызывают изменение активности факторов транскрипции, что также приводит к ослаблению или повышению синтеза регуляторных ферментов гликолиза и глюконеогенеза.

В период пищеварения инсулин индуцирует синтез глюкокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы, что приводит к активации гликолиза и вызывает репрессию фосфоенолпируваткарбоксикиназы и замедляет глюконеогенез.

В постабсорбтивный период глюкагон повышает транскрипцию генов и синтез ключевых ферментов глюконеогенеза - фосфоенолпируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы, в результате чего активируется глюконеогенез. В период длительного голодания особое значение в стимуляции глюконеогенеза имеет стероидный гормон кортизол, который вызывает индукцию фермента глюконеогенеза - фосфоенолпируваткарбоксикиназы.