Углеводный обмен

Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление фосфорилированной фруктозы ведёт к нарушению обмена неорганического фосфата и гипофосфатемии.

Для пополнения внутриклеточного фосфата ускоряется распад адениловых нуклеотидов. Продукты распада этих нуклеотидов включаются в катаболизм, проходя стадии образования гипоксантина, ксантина и, наконец, мочевой кислоты. Повышение количества мочевой кислоты и снижение экскреции уратов в условиях метаболического ацидоза проявляются в виде гиперурикемии. Следствием гиперурикемии может быть подагра даже в молодом возрасте.

Нарушения метаболизма  галактозы

Обмен галактозы  особенно интересен в связи с  наследственным заболеванием — галактоземией.

Галактоземия возникает при нарушении обмена галактозы, обусловленном наследственным дефектом любого из трёх ферментов, включающих галактозу в метаболизм глюкозы.

Галактоземия, вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ), наиболее хорошо изучена. Это заболевание проявляется очень рано, и особенно опасно для детей, так как основным источником углеводов для них служит материнское молоко, содержащее лактозу. Ранние симптомы дефекта ГАЛТ: рвота, диарея, дегидратация, уменьшение массы тела, желтуха. Они появляются вскоре после рождения, как только ребёнок начинает получать молоко. В крови, моче и тканях повышается концентрация галактозы и галактозо-1-фосфата. В тканях глаза (в хрусталике) галактоза восстанавливается альдоредуктазой с образованием галактитола (дульцита). В этой реакции в качестве донора водорода используется

НАДФН. Восстановление галактозы происходит и в ходе нормального метаболизма, но протекает с небольшой скоростью. При галактоземии галактитол накапливается в стекловидном теле и связывает большое количество воды. Вследствие этого нарушается баланс электролитов, а чрезмерная гидратация хрусталика приводит к развитию катаракты, которая наблюдается уже через несколько дней после рождения.

Тяжёлые последствия  дефекта ГАЛТ наблюдают в печени. Это связано с накоплением галактозо-1-фосфата и его токсическим действием на гепатоциты. В результате возникают нарушения функции печени: гепатомегалия, жировая дистрофия. В почках таких больных также повышена концентрация галактитола и галактозо-1-фосфата, что влияет на их функции. Отмечают нарушения в клетках полушарий головного мозга и мозжечка, в тяжёлых случаях — отёк мозга, задержку умственного развития, возможен летальный исход.

Для галактоземии, вызванной дефектом галактокиназы, тоже характерна катаракта, но при этом заболевании, в отличие от дефекта ГАЛТ, не отмечают нарушений функций печени, почек, мозга. Наиболее тяжёлые последствия снижения активности ГАЛТ связывают с влиянием галактозо-1-фосфата на активность других ферментов, участвующих в углеводном обмене (фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Пентозофосфатный путь

Открытие пути прямого  окисления углеводов, или, как его называют, пентозофосфатного цикла, принадлежит О.Варбургу, Ф.Липману, Ф.Диккенсу и В. А. Энгельгардту. Расхождение путей окисления углеводов — классического (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) и пентозофосфатного — начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат, который фосфолируется второй раз и превращается в фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием ПВК, которая, окисляясь до ацетил-KoA, затем сгорает в цикле Кребса. Ключевую роль в реакциях этого цикла играют пентозофосфаты.

Пентозофосфатный  путь является альтернативным путем  окисления глюкозы. Он включает несколько циклов, в результате функционирования которых из трех молекул глюкозо-6-фосфата образуются три молекулы СО₂ и три молекулы пентоз. Последние используются для регенерации двух молекул глюкозо-6-фосфата и одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Поскольку из двух молекул глицеральдегид-3-фосфата можно регенерировать молекулу глюкозо-6-фосфата, глюкоза может быть полностью окислена при превращении по пентозофосфатному пути:

3Глюкозо-6-фосфат + 6НАДФ⁺ → 3СО₂ + 2Глюкозо-6-фосфат + Глицеральдегид-3-фосфат + 6НАДФН + 6Н⁺.

Ферменты пентозофосфатного  пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле.

Наиболее активно  пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.

Последовательность реакций:

Ферменты пентозофосфатного  пути локализованы во внемитохондриальном  пространстве клетки — в цитозоле. Как и в процессе гликолиза, окисление осуществляется путем дегидрогенирования, однако акцептором водорода в этом случае служит не НАД, a НАДФ. Последовательность реакций пути можно разделить на две фазы: окислительную и неокислительную. В реакциях первой фазы глюкозо-6-фосфат дегидрогенируется и декарбоксилируется с образованием рибулозо-5-фосфата. В ходе второй фазы рибулозо-5-фосфат превращается снова в глюкозо-6-фосфат в результате серии реакций, в которых главную роль играют два фермента: транскетолаза и трансальдолаза

Окислительная фаза

Дегидрирование глюкозо-6-фосфата

Дегидрирование 6-фосфоглюконата с образованием рибулозо-5-фосфата

Неокислительная фаза

Гидролиз 6-фосфоглюконолактона с образованием 6-фосфоглюконата

Взаимопревращение, или изомеризация, пентозофосфатов

Первая транскетолазная реакция

Перенос дигидроксиацетонового фрагмента с седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат

Вторая транскетолазная реакция

Пентозофосфатный цикл

Окислительный этап образования пентоз и неокислительный  этап (путь возвращения пентоз в  гексозы) составляют вместе циклический  процесс.

Такой процесс можно  описать общим уравнением:

6Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 2Н₂О = 5Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФН + 12Н⁺ + 6СO₂.

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата  и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекул СО₂ образуются из С₁-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Протекание пентозофосфатного  цикла позволяет клеткам продуцировать  НАДФН, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.

Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высокоэнергетического  донора водорода — НАДФН. Гидрированный НАДФН служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия НАДФН преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах, например жирных кислотах, высвобождается при их катаболизме и используется клетками.

В последние годы появились работы, которые дают основание  предполагать, что в некоторых  тканях схема пентозофосфатного  превращения углеводов сложнее, чем это представлено схемой (смотрите выше). Согласно этой более полной схеме пентозофосфатного пути, первые этапы превращения совпадают с прежней схемой, однако после первой транскетолазной реакции начинаются некоторые отклонения.

Считают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в  цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в  зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке.

Взаимосвязь пентозофосфатного цикла и гликолиза

Оба превращения  углеводов тесно связаны. продукты пентозофосфатного пути — фруктозо-6-фософта и глицеральдегид-3-фосфат — являются также метаболитами гликолиза, поэтому они вовлекаются в гликолизе и превращаются его ферментами. Две молекулы фруктозо-6-фосфата могут регенерироваться в две молекулы глюкозо-6-фосфата с помощью глюкофосфатизомеразы — фермента гликолиза. В этом случае пентозофосфатный путь выглядит как цикл. Другой продукт — глицеральдегид-3-фосфат, включившись в гликолиз, превращается в анаэробных условиях в лактат, а в аэробных сгорает до CO₂ и H₂O^[7].

Сравнение с гликолизом

Пентозофосфатный  путь существенно отличается от гликолиза. Окисление осуществляется на первой стадии, и в нём участвует не НАД, как в гликолизе, a НАДФ; одним из продуктов пентозофосфатного пути является СО₂, который в реакциях гликолиза не образуется. Наконец, пентозофосфатный путь не генерирует АТФ.

Образование рибозы

Пентозофосфатный  путь поставляет рибозу для синтеза  нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Источником рибозы является интермедиат  рибозо-5-фосфат, который в реакции  с АТФ образует PRPP — 5-фосфорибозил-1-пирофосфат, используемый в биосинтезе нуклеотидов. Мышечная ткань содержит очень малые количества глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы. Тем не менее скелетная мышца способна синтезировать рибозу. Вероятно, это осуществляется при обращении неокислительной фазы пентозофосфатного пути, утилизирующей фруктозо-6-фосфат. Таким образом, синтез рибозы может осуществляться в ткани, если в ней протекает часть реакций пентозофосфатного пути.

Биологическая функция пентозофосфатного цикла

Пентозофосфатный  цикл не приводит к синтезу АТФ, он выполняет две главные функции:

1. образование НАДФН для восстановительных синтезов, таких, как синтез жирных кислот и стероидов;
2. Обеспечение рибозой синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Метилглиоксалевый окольный путь

Метилглиоксаль  был обнаружен в тканевых автолизатах  полвека назад. Позднее было убедительно  доказано широкое распространение  глиоксалазы, катализирующей превращение метилглиоксаля в лактат. Однако смысл этих данных оставался непонятным, поскольку источник метилглиоксаля не был выявлен. Это соединение приобрело новое значение в связи с описанием метилглиоксальсинтазы, изолированной из Е. coli и P. vulgaris.

Аэробный метаболизм пирувата

Клетки недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме в аэробных условиях и все свое «органическое топливо» окисляет до углекислого газа и воды. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до CO₂ и H₂O в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

Дополнительные сведения: Пируватдегидрогеназный комплекс

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии  ряда ферментов и коферментов, объединённых структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный  комплекс».

На I стадии этого  процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E₁). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E₁-ТПФ-СНОН-СН₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е₂). Этот фермент катализирует III стадию — перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид-Е₂. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН₂ дигидролипоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н⁺.

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нём принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E₁, липоамид-Е₂ и ФАД-Е₃), а два — легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим  образом:

Пируват + НАД⁺ + HS-KoA = Ацетил-КоА + НАДН + Н⁺ + СO₂.

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной  свободной энергии и практически  необратима.

Образовавшийся  в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО² и Н₂О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбоксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

Клинические аспекты метаболизма пирувата

Арсенат, а также  ионы ртути образуют комплексы с  —SH-группами липоевой кислоты и ингибируют пируватдегидрогеназу; при недостаточном содержании тиамина в диете активность пируватдегидрогеназы снижается и пируват может накапливаться. Недостаток тиамина возникает у алкоголиков с нарушенным режимом питания; при введении им глюкозы может происходить быстрое накопление пирувата и лактата, приводящее к лактатацидозу, нередко с летальным исходом. У больных с наследственной недостаточностью пируватдегидрогеназы также может развиваться лактатацидоз, особенно после глюкозной нагрузки. Зарегистрированы мутации практически всех ферментов углеводного метаболизма, и в каждом случае их следствием является заболевание человека.