10. Основные анаболические процессы
10.1. Глюконеогенез
Главным быстро мобилизуемым источником энергии в клетках явля-ется глюкоза, запасы которой находятся в виде крахмала и гликогена. В крови человека поддерживается постоянная концентрация глюкозы около 5 ммоль/л, но небольшие отклонения от этого нормального уровня возмож-ны при интенсивной работе или после еды. Глюкоза поступает в клетки за счёт градиента концентраций через интегрированный в мембрану транс-портный белок. Уровень глюкозы в крови поддерживается с помощью гормона поджелудочной железы инсулина и ряда других гормонов.
Инсулин имеет пептидную природу, он состоит из 51 аминокислоты, но секреторные клетки (островки Лангерганса) производят проинсулин, который у разных животных содержит от 78 до 86 аминокислотных составляющих в виде одной цепочки с тремя дисульфидными связями. Активация с образованием самого инсулина происходит путём гидролити-ческого расщепления молекулы проинсулина с элиминированием из неё центрального участка (С‑цепь) с сохранением дисульфидных связей в образовавшемся активном двухцепочечном полипептиде (А- и В‑цепи). Инсулин не проходит через клеточную мембрану, но он связывается с бел-ком переносчиком глюкозы и ускоряет её диффузию в клетку. При избыт-ке глюкозы она превращается в гликоген, а при интенсивном расходовании глюкозы она образуется из гликогена. При недостатке инсулина или при нарушении механизма поступления глюкозы в клетки организм повышает её концентрацию в крови для того, чтобы увеличить движущую силу диф-фузии за счёт градиента концентраций. Однако это приводит и к интенсив-ному выделению глюкозы почками (сахарный диабет). Испытывающие дефицит по глюкозе клетки начинают синтезировать её из аминокислот сократительных белков, подключая к этому окислительные превращения жирных кислот. В результате этого мышечные ткани диабетиков атрофи-руются и разрастается жировая ткань.
Для клеток нервной системы, почек, семенников, тканей эмбриона глюкоза является единственным поставщиком энергии. Важно, что для транспорта глюкозы в нейроны инсулин не нужен и мозг диабетиков, как и мозг здоровых людей, расходует около 120 г глюкозы в сутки.
Роль глюкозы в метаболизме очевидна, но возможности депонирова-ния её в виде гликогена ограничены: в организме взрослого человека со-держится всего лишь несколько сот граммов этого полисахарида. Поступ-ление глюкозы с пищей (в основном в виде крахмала) не всегда соответст-вует действительным потребностям и поэтому организм животных в значительной мере зависит от образования глюкозы из поступающих с пищей веществ. У теплокровных избыток пищевых веществ закладывается в жировую ткань, а при недостатке глюкозы в пище на её биосинтез рас-ходуются белки, поскольку образующийся из жирных кислот ацетил-СоА не может превращаться в глюкозу. Ключевое вещество цикла Кребса – оксалоацетат – также не может быть получен из ацетил-СоА, поэтому правило диетологии гласит: жиры сгорают в пламени углеводов.
Напомним три основных положения, относящиеся к течению метабо-лических процессов:
Катаболические и анаболические пути превращения одного вещества различны. Это означает, что есть по крайней мере одна стадия, по которой они не совпадают.
Катаболический и анаболический путь превращения одного вещества контролируется различными регуляторными ферментами, но регуляция биосинтеза и биодеградации одного вещества взаимосвязаны.
Анаболические процессы расходуют АТФ, поставляемый катаболичес-кими процессами. Поскольку эффективность прямых и обратных пре-вращений всегда менее 100%, на анаболический обратный путь расхо-дуется большее количество АТФ, чем поставляемое прямым катаболи-ческим. Это обеспечивает необратимость метаболических превращений.
При изучении процесса гликолиза было установлено, что конечный продукт анаэробного превращения глюкозы – молочная кислота – может снова превращаться в глюкозу.
В процессе гликолитического превращения глюкозы образованию мо-лочной кислоты предшествует катализируемое пируваткиназой образова-ние пирувата из фосфоенолпирувата с генерированием АТФ (АТР):
Эта реакция необратима по термодинамическим показателям, по-скольку прямая реакция сопровождается выделением энергии около 7,5 ккал/моль. Поэтому для глюконеогенеза образование фосфоенолпиру-вата из пирувата включает обходной путь. Сначала пируват переносится в матрикс митохондрий и карбоксилируется биотинзависимым ферментом с образованием оксалоацетата. Для его переноса в цитозоль, где идёт био-синтез глюкозы, оксалоацетат восстанавливается в малат (анион яблочной кислоты), для которого существует специальная транспортная система, и уже в цитозоле малат дегидрируется с образованием оксалоацетата. Щаве-левоуксусная кислота в енольной форме фосфорилируется действием ГТФ в присутствии фосфоенолпируваткарбоксикиназы с одновременным декарбоксилированием:
Хотя изменение стандартной свободной энергии при этом равно + 0,2 ккал/моль, в реальных условиях клетки этот процесс сопровождается выделением энергии (-6 ккал/моль), что делает его необратимым.
В обращение процессов гликолиза фосфоенолпируват гидратируется, образовавшаяся 2-фосфоглицериновая кислота изомеризуется и восстанав-ливается до 3-фосфоглицеринового альдегида, половина которого изоме-ризуется в фосфат диоксиацетона, после чего под действием альдолазы из фосфоглицеринового альдегида и фосфата диоксиацетона образуется 1,6‑дифосфат фруктозы. При катаболическом гликолизе идёт фосфори-лирование глюкозы и фосфофруктозы аденозинтрифосфатом, но обратный процесс образования АТФ из дифосфата фруктозы или фосфоглюкозы и АДФ невозможен по термодинамическим причинам, поэтому при глюко-неогенезе фосфатные группы отщепляются гидролитически.
Если суммарный процесс гликолиза представляется схемой:
то на обратный процесс затрачивается уже втрое больше АТФ, чем обра-зуется в прямом (поэтому около 15% образовавшейся в результате глико-лиза молочной кислоты идёт на энергетическое обеспечение глюконео-генеза):
В начале глюконеогенеза лежит пируваткарбоксилаза – аллостеричес-кий фермент, активируемый ацетилкоферментом А, а это означает, что при накоплении в клетке неиспользуемого ацетилкофермента А начинается усиленный биосинтез глюкозы из пирувата.
В глюкозу и далее в гликоген могут превращаться все промежуточные продукты цикла Кребса. Исходными соединениями для образования глю-козы могут быть и многие аминокислоты. К глюкогенным аминокислотам относятся аланин, глютаминовая, аспарагиновая кислота и их амиды, пре-вращающиеся (амиды после гидролиза) трансаминазами в пировиноград-ную, кетоглутаровую и щавелевоуксусную кислоты. Кроме того, эти кетокислоты образуются и из других аминокислот. Особенно интенсивно идёт превращение аминокислот в глюкозу при недостатке инсулина.