Углеводный обмен

В мышцах в период пищеварения, если он совпадает с состоянием покоя, происходит стимуляция синтеза гликогена. Мышечная работа во время пищеварения замедляет процесс синтеза гликогена, так как при этом мышцы используют для окисления глюкозу крови, поступающую из кишечника.

В переключении мобилизации  гликогена на запасание глюкозы  участвует инсулин. Как уже говорилось, глюкоза поступает в мышечные и жировые клетки с помощью глюкозо-транспортёров ГЛЮТ-4. Транспортёры в отсутствие инсулина находятся в цитоплазме клеток, и глюкоза клетками не используется, так как в мембране нет белков-переносчиков. Инсулин стимулирует перемещение ГЛЮТ-4 и встраивание их в мембрану клеток. Механизм подобного влияния инсулина изучен недостаточно, но определены его основные этапы. Цепь событий при стимуляции инсулином потребления глюкозы мышцами и жировыми клетками выглядит следующим образом:

• рецептор инсулина (IR) — инсулинстимулируемая тирозиновая протеинкиназа — обязательный посредник всех действий инсулина;
• активированный инсулином IR фосфорилирует специфические цитоплазматические белки — субстраты инсулина (IRS);
• фосфорилированный субстрат (в основном IRS-1) соединяется с фосфатидилинозитол-3-киназой (ФИ-3-киназа) и активирует этот фермент;
• активная ФИ-3-киназа катализирует фосфорилирование по позиции 3 ряд компонентов инозитолфосфатной сигнальной системы, приводящей к стимуляции транслокации ГЛЮТ из цитозоля в плазматическую мембрану;
• глюкоза с помощью ГЛЮТ-4 поступает в мышечные клетки и включается в синтез гликогена.

Влияние инсулина на скорость синтеза гликогена в мышцах осуществляется посредством изменения активности гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы — ключевых ферментов, о чём уже говорилось при обсуждении влияния инсулина на метаболизм гликогена в печени.

Катаболизм глюкозы

Под катаболизмом глюкозы — подразумевается её расщепление в организме под действием ферментативных процессов, идущих с образованием запаса энергии в виде АТФ и выделением так называемых «отходов» ПВК, лактата, этанола, масляной кислоты итд. Катаболизм глюкозы — основной поставщик энергии для процессов жизнедеятельности организма.

Основные пути катаболизма глюкозы:

Окисление глюкозы до СО₂ и Н₂О (аэробный распад). Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + Н₂О + 2820 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

• Аэробный гликолиз — процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;
• Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратом цикле;
• ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы

В определённых ситуациях  обеспечение кислородом тканей может  не соответствовать их потребностям. Например, на начальных стадиях интенсивной  мышечной работы при стрессе сердечные  сокращения могут не достигать нужной частоты, а потребности мышц в  кислороде для аэробного распада  глюкозы велики. В подобных случаях  включается процесс, который протекает  без кислорода и заканчивается  образованием лактата из пировиноградной  кислоты. Этот процессназывают анаэробным распадом, или анаэробным гликолизом. Анаэробный распад глюкозы энергетически  малоэффективен, но именно этот процесс  может стать единственным источником энергии для мышечной клетки в  описанной ситуации. В даньнейшем, когда снабжение мышц кислородом будет достаточным в результате перехода сердца на ускоренный ритм, анаэробный распад переключается на аэробный.

Гликолиз.

Гликолиз представляет собой — один из сложных последовательных ферментативных процессов, в результате которых, расщепляется глюкоза и одновременно синтезируется АТФ. Название «гликолиз» происходит от греч. glykos — сладкий и греч., lysis — растворение.

Анаэробный гликолиз

В анаэробном процессе, не нуждающемся в митохондриальной дыхательной цепи, АТФ образуется за счет двух реакций субстратного фосфорилирования.

При анаэробном гликолизе в цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных аэробному гликолизу. Лишь 11-я реакция, где происходит восстановление пирувата цитозольным НАДH, является специфической для анаэробного гликолиза Восстановление пирувата в лактат катализирует лактатдегидрогеназа (реакция обратимая, и фермент назван по обратной реакции). С помощью этой реакции обеспечивается регенерация НАД⁺ из НАДH без участия митохондриальной дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от НАДH (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию НАД⁺. К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Это вещество выводится в кровь и утилизируется, превращаясь в печени в глюкозу, или при доступности кислорода превращается в пируват, который вступает в общий путь катаболизма, окисляясь до СО₂ и Н₂О.

Баланс АТФ при анаэробном гликолизе

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэробным менее эффективен (в аэробном из 1 моль глюкозы образуется 38 моль АТФ). В этом процессе катаболизм 1 моль глюкозы без участия митохондриальной дыхательной цепи сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. АТФ образуется за счёт 2 реакций субстратного фосфорилирования. Поскольку глюкоза распадается на 2 фосфотриозы, то с учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, количество моль синтезированного АТФ равно 4. Учитывая 2 моль АТФ, использованных на первом этапе гликолиза, получаем конечный энергетический эффект процесса, равный 2 моль АТФ. Таким образом, 10 цитозольных ферментов, катализирующих превращение глюкозы в пируват, вместе с лактатдегидрогеназой обеспечивают в анаэробном гликолизе синтез 2 моль АТФ (на 1 моль глюкозы) без участия кислорода.

Значение  анаэробного гликолиза

Анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии  для скелетных мышц в начальном периоде интенсивной работы, то есть в условиях, когда снабжение кислородом ограничено. Кроме того, зрелые эритроциты извлекают энергию за счет анаэробного окисления глюкозы, потому что не имеют митохондрий.

Аэробный гликолиз

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

Аэробный гликолиз — основной путь для образования энергии в клетках организма. Он может протекать как прямым (апотомическим, или, как его называют пентозофосфатным), так и непрямым (дихотомическим) путем. В результате непрямого окисления глюкоза полностью распадается на углекислый газ и воду, и при этом выделяется большое количество энергии (2870 кДж/моль)

В аэробном гликолизе  можно выделить 2 этапа:

1. Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.
2. Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

Реакции аэробного гликолиза:

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Окисление цитоплазматического НАДН в митохондриальной дыхательной цепи, челночные системы

Баланс АТФ при аэробном гликолизе

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов

Этапы аэробного распада глюкозы	Количество использованного АТФ, моль	Количество синтезированного АТФ, моль
I. Аэробный гликолиз
Глюкоза → 2 Пируват	-2	+10
II. Окислительное декарбоксилирование  пирувата	-
2 (Пируват → Ацетил-КоА)		+6
III. Цитратный цикл
2 (Ацетил-КоА → СО2 + Н2О)		+24
Суммарный выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы		+38

Значение катаболизма  глюкозы

Основное  физиологическое назначение катаболизма глюкозы заключается в использовании энергии, освобождающейся в этом процессе для синтеза АТФ. Энергия, выделяющаяся в процессе полного распада глюкозы до СО₂ и Н₂О, составляет 2880 кДж/моль. Если эту величину сравнить с энергией гидролиза высокоэнергетических связей — 38 моль АТФ (50 кДж на моль АТФ), то получим: 50×38 = 1900 кДж, что составляет 65 % от всей энергии, выделяющейся при полном распаде глюкозы. Такова эффективность использования энергии распада глюкозы для синтеза АТФ. Необходимо учитывать, что реальная эффективность процесса может быть ниже. Точно оценить выход АТФ можно только при субстратном фосфорилировании, а соотношение между поступлением водорода в дыхательную цепь и синтезом АТФ является приблизительным.

Аэробный распад глюкозы происходит во многих органах и тканях и служит основным, хотя и не единственным, источником энергии для жизнедеятельности. Некоторые ткани находятся в наибольшей зависимости от катаболизма глюкозы как источника энергии. Например, клетки мозга расходуют до 100 г глюкозы в сутки, окисляя её аэробным путём. Поэтому недостаточное снабжение мозга глюкозой или гипоксия проявляются симптомами, свидетельствующими о нарушении функций мозга (головокружения, судороги, потеря сознания).

Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах, в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (в которых отсутствуют митохондрии), а также в разных органах в условиях ограниченного снабжении их кислородом, в том числе в клетках опухолей. Для метаболизма клеток опухолей характерно ускорение как аэробного, так и анаэробного гликолиза. Но преимущественный анаэробный гликолиз и увеличение синтеза лактата служит показателем повышенной скорости деления клеток при недостаточной обеспеченности их системой кровеносных сосудов.

Кроме энергетической функции, процесс катаболизма глюкозы  может выполнять и анаболические  функции. Метаболиты гликолиза используются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат участвуют в образовании рибозо-5-фосфата — структурного компонента нуклеотидов; 3-фосфоглицерат может включаться в синтез аминокислот, таких как серин, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани ацетил-КоА, образующийся из пирувата, используется как субстрат при биосинтезе жирных кислот, холестерина, а дигидроксиацетонфосфат как субстрат для синтеза глицерол-3-фосфата.

Регуляция катаболизма  глюкозы

Поскольку основное значение гликолиза состоит в  синтезе АТФ, его скорость должна коррелировать с затратами энергии  в организме.

Большинство реакций гликолиза обратимы, за исключением трёх, катализируемых гексокиназой (или глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой. Регуляторные факторы, изменяющие скорость гликолиза, а значит и образование АТФ, направлены на необратимые реакции. Показателем потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Последний образуется в реакции, катализируемой аденилаткиназой: 2 АДФ ↔ АМФ + АТФ

Даже небольшой  расход АТФ ведёт к заметному  увеличению АМФ. Отношение уровня АТФ  к АДФ и АМФ характеризует  энергетический статус клетки, а его  составляющие служат аллостерическими регуляторами скорости как общего пути катаболизма, так и гликолиза. На рисунке показана аллостерическая регуляция скорости катаболизма глюкозы в скелетных мышцах.

Существенное значение для регуляции гликолиза имеет  изменение активности фосфофруктокиназы, потому что этот фермент, как упоминалось  ранее, катализирует наиболее медленную  реакцию процесса.

Фосфофруктокиназа активируется АМФ, но ингибируется АТФ. АМФ, связываясь с аллостерическим  центром фосфофруктокиназы, увеличивает  сродство фермента к фруктозо-6-фосфату  и повышает скорость его фосфорилирования. Эффект АТФ на этот фермент — пример гомотропного ашюстеризма, поскольку АТФ может взаимодействовать как с аллостерическим, так и с активным центром, в последнем случае как субстрат.

При физиологических  значениях АТФ активный центр  фосфофруктокиназы всегда насыщен  субстратами (в том числе АТФ). Повышение уровня АТФ относительно АДФ снижает скорость реакции, поскольку  АТФ в этих условиях действует  как ингибитор: связывается с  аллостерическим центром фермента, вызывает конформационные изменения  и уменьшает сродство к его  субстратам.

Изменение активности фосфофруктокиназы способствует регуляции  скорости фосфорилирования глюкозы  гексокиназой. Снижение активности фосфофруктокиназы  при высоком уровне АТФ ведёт  к накоплению как фруктозо-6-фосфата, так и глюкозо-6-фосфата, а последний ингибирует гексокиназу. Следует напомнить, что гексокиназа во многих тканях (за исключением печени и β-клеток поджелудочной железы) ингибируется глюкозо-6-фосфатом.