След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания

6.2.4 Преодоляване на необратимите гликолитични реакции: фруктозо-1,6-бисфосфат --> фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат --> глюкоза

В гликолизата хексокиназната и фосфофруктокиназната реакция са необратими и екзергонични. И хексокиназата, и фосфофруктокиназата са от групата на фосфотрансферазите. За да протекат в обратна посока тези реакции, необходими са други ензими от групата на хидролазите. С участието на вода фруктозо-1,6-бисфосфат хидролизира до фруктозо-6-фосфат под действие на фруктозо-1,6-бисфосфатаза (фиг. 6-11). Глюкозо-6-фосфат хидролизира до глюкоза и неорганичен фосфат под действие на глюкозо-6-фосфатаза (фиг. 6-11).


Фиг. 6-11. Преодоляване на необратимите стъпала: от фруктозо-1,6-бисфосфат до фруктозо-6-фосфат и от
глюкозо-6-фосфат до глюкоза

6.2.5 Енергетични разходи

За синтеза на една молекула глюкоза от две молекули пируват се изразходват общо 6 макроергични връзки, както следва:

2 молекули АТФ - за карбоксилиране на пируват до оксалацетат;

2 молекули ГТФ - за превръщане на оксалацетат във фосфоенол пируват в карбоксикиназната реакция;

2 молекули АТФ - за превръщане на 3-фосфоглицерат в 1,3-бисфосфоглицерат в глицераткиназната реакция.

Енергетичният добив от разграждане на една молекула глюкоза до две молекули пируват е 2 молекули АТФ.

Тези разходи са необходимата цена за поддържане на два противоположни пътя - гликолиза и глюконеогенеза.

6.2.6 Регулация

Противоположните пътища гликолиза и глюконеогенеза не протичат едновременно in vivo, а се регулират реципрочно в зависимост от нуждите на организма.

Регулаторните ензими за глюконеогенеза са пируват карбоксилаза и ФЕП карбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза (фиг. 6-12). Катализираните от тях реакции са екзергонични и необратими.

Фиг. 6-12. Регулация на глюконеогенеза и гликолиза.

Най-важният регулаторен ензим на глюконеогенезата е фруктозо-1,6-бисфосфатазата. В каква посока ще се изтегли обмяната на глюкоза - към гликолиза или глюконеогенеза зависи от концентрацията на фруктозо-2,6-бисфосфат. Това съединение е мощен алостеричен инхибитор на фруктозо-1,6-бисфосфатазата и активатор на фосфофрукто киназата.

Концентрацията на фруктозо-2,6-бисфосфат зависи от скоростта на синтеза и разграждане на фосфофруктокиназа-2 и фруктозо-бисфосфатаза-2. Тези две различни активности се намират в два различни домена на един и същи ензим. Този бифункционален ензим се регулира от различни алостерични ефектори и чрез фосфорилиране (с протеин киназа А)-дефосфорилиране (с фосфопротеин фосфатаза). Т. е. балансът между гликолиза и глюконеогенеза е под хормонален контрол.

При ниско ниво на глюкоза глюкагон стимулира образуване на цАМФ в чернодробни клетки. Това активира протеин киназа А да фосфорилира фосфофруктокиназа-2 (инактивиране) и да фосфорилира фруктозо-бисфосфатаза 2 (активиране). В резултат се намалява концентрацията на фруктозо-2,6-бисфосфат. Това води до инхибиране на фосфофруктокиназата и активиране на фруктозо-1,6-бисфосфатазата. Това измества баланса в полза на глюконеогенезата.

При високо ниво на глюкоза намалява концентрацията на цАМФ, увеличава се концентрацията на фруктозо-2,6-бисфосфат и това стимулира гликолизата.

6.2.7 Приложение на познанията в медицината

6.2.7.1 Недостатъчност на фруктозо-1,6-бисфосфатаза

При генетично обусловена недостатъчност на фруктозо-1,6-бисфосфатазата [5] се блокира глюконеогенезата. Лактат и други гликогенни субстрати не могат да се превърнат в глюкоза в черния дроб. Това води до възникване на лактатна ацидоза и хипогликемия.

Това е сериозен дефект в глюконеогенезата. При непоемане на храна поддържането на концентрацията на кръвната глюкоза зависи от гликогенолизата и от глюконеогенезата. След 8-12 часово гладуване през нощта гликогеновите запаси са изчерпани, а глюконеогенезата не работи.

Състоянието може да се контролира чрез поемане на храна, богата на въглехидрати с изключение на фруктоза и захароза и като се избягват гладуване.

6.2.7.2 Хипогликемия и недоносени бебета

Недоносени и с поднормено тегло новородени са по-податливи към хипогликемия в сравнение с доносени и с нормално тегло бебета поради няколко причини [6, 7].

1) По начало децата са по-податливи на хипогликемия от възрастните. Поради по-голямото съотношение мозък/тяло при новородените мозъкът консумира повече глюкоза отколкото цялото тяло.

2) Новородените нямат голяма възможност за ползване на други запаси освен глюкоза. Слабо работят важни пътища от липидната обмяна. Транспортът на дълговерижните мастни киселини в черния дроб на новородени е слабо развит. Съответно не се извършва разграждане на мастни киселини, не се синтезират и кетонови тела, които мозъкът би могъл да използва.

3) Новородените имат ограничени възможности да синтезират глюкоза чрез глюконеогенеза. Това е така, тъй като скорост-определящият ензим фосфоенолпируват карбоксикиназа е в много ниско количество в първите часове след раждането. Необходими са няколко часа, за да се индуцира синтезата на този ензим до ниво, което да предотвратява хипогликемията по време на периодите без храна.

4) Недоносените имат по-малки запаси от чернодробен гликоген. Те се изчерпват по-бързо отколкото при доносените деца и зависят изцяло от глюконеогенезата.

6.2.7.3 Хипогликемия и алкохолно отравяне

Консумацията на алкохол, особено на фона на общо недохранване или след тежка физическа работа, може да предизвика хипогликемия [8, 9]. И в двата случая хипогликемията е резултат от инхибиторния ефект на етанол върху чернодробната глюконеогенеза в условията на изчерпани гликогенови запаси.

При обезвреждането на алкохол се натрупва НАДН (виж т. 4.2.10.2), който не може да бъде метаболиран достатъчно бързо от черния дроб. Допълнителните редуциращи еквиваленти изместват равновесието в реакцията пируват-лактат в посока към лактат и в реакцията оксалацетат-малат в посока към малат, както следва:

пируват + НАДН + Н⁺ --> лактат + НАД⁺

оксалацетат + НАДН + Н⁺ --> малат + НАД⁺
Изтеглянето на тези реакции в посока към лактат и малат намалява количеството на пируват и оксалацетат, необходими за пируват карбоксилазната и ФЕП карбоксикиназната реакции от глюконеогенезата.

По същата причина аланин през пируват се превръща в лактат. Всичко това довежда до лактатна ацидоза, макар и обикновено по-лека.

Ниски дози алкохол влошават двигателните и интелектуалните прояви. Високи дози алкохол имат депресиращ ефект, което може да доведе до запек и анестезия. Ниските кръвни нива на глюкоза допринасят за тези ефекти на алкохола. Хипогликемията може да доведе до необратими увреждания на централната нерна система.

Децата са силно зависими от глюконеогенезата, когато не поемат храна, и в случай на поемане на алкохол, могат да получат тежка хипогликемия.

6.3 Пентозо-фосфатен път

6.3.1 Резюме

Пентозофосфатният път (ПФП) е алтернативен път за разграждане на глюкоза, който се отклонява от гликолитичната верига на нивото на глюкозо-6-фосфат и след серия от окислителни, изомеразни и трансферазни реакции отново се свързва с гликолизата на нивото на фруктозо-6-фосфат и глицералдехид-3-фосфат.

Главното значение на този път е производството на:

2) рибозо-5-фосфат, необходим за синтеза на нуклеотиди и нуклеинови киселини.

НАДФН е резултат от действието на двата окислителни ензими в ПФП: глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа и 6-фосфоглюконат дехидрогеназа. Рибозо-5-фосфат се получава при окислителното декарбоксилиране на 6-фосфоглюконат под действие на 6-фосфоглюконат дехидрогеназа.

Чрез трансферазните ензими на ПФП транскетолаза и трансалдолаза се осигурява лесно превръщане на монозахариди с дължина на веригата от 3 до 7 С атоми. В зависимост от нуждите на клетката метаболити от гликолизата могат да се насочват към образуване на рибозо-5-фосфат (важно за бързо делящи се клетки) или пък когато се изисккват по-големи количества НАДФН, излишните пентози се насочват към фруктозо-6-фосфат и глицералдехид-3-фосфат. Последните могат да се използват както за гликолиза, така и за глюконеогенеза.

Индивиди с глюкозо-6-фосфат дехидрогеназна недостатъчност са податливи на хемолитична анемия при поемане на медикаменти, действащи като окислители и изискващи повече НАДФН, отколкото мутантният ензим може да осигури.

6.3.2 Общ поглед, особености и значение

Пентозо-фосфатният път (ПФП) е алтернативен на гликолизата път за разграждане на глюкоза. Това разграждане се съпровожда не с натрупване на АТФ, а с натрупване на редуциращи еквиваленти под форма на НАДФН.

Както се вижда на фиг. 6-13, отклонението от гликолизата започва от глюкозо-6-фосфат. Това съединение е общ метаболит за двата пътя. След серия от окислителни (1-3), изомеразни (4 и 5) и трансферазни (6-8) реакции се получават други два метаболита, общи за гликолизата и ПФП. Това са фруктозо-6-фосфат и глицералдехид-3-фосфат. Така ПФП затваря с гликолизата цикъл. Затова се нарича и пентозофосфатен цикъл. Нарича се още пряко окислително разграждане на глюкозата или хексозофосфатен шънт, тъй като за разлика от гликолизата окислението и разграждането (окислително декарбоксилиране) започва не на ниво триози, а на ниво хексози.

Общите метаболити за този път и гликолизата са глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат и

ГФД - глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа; ФГД - 6-фосфоглюконат дехидрогеназа.

При едновременното навлизане на 6 хексозни молекули в ПФП се отделят 6 молекули СО₂ в реакция 3, което формално съответства на разграждане на 1 молекула хексоза (макар и не индивидуална, както става в комбинацията гликолиза плюс цитратен цикъл. Докато в гликолиза и цитратен цикъл са необходими 7 окислителни ензими, ПФП е много по-икономичен - тук има само два окислителни ензими ГФД и ФГД.

При разграждане на 6 молекули глюкозо-6-фосфат, ако водородът от 12 мола цитоплазмен НАДФН, натрупан в окислителните реакции 1 и 3 , се предаде посредством трансхидрогеназната реакция и малатната, напр. совалка, то хипотетично в дихателната верига биха се получили 12 х 3 = 36 мола АТФ, което е съпоставимо с енергетичния добив при комбинацията гликолиза плюс цитратен цикъл. Трябва да се подчертае обаче, че в действителност това не става, тъй като ПФП е локализиран в цитоплазмата, където са и редукционните синтези.

Така че, докато главното предназначение на гликолизата и цитратния цикъл са окисление и акумулиране на освободената енергия в АТФ, то главното предназначение на ПФП е:

3) Пренасочване на метаболити в различни направления

С₆ ---> С₅ чрез окислително декарбоксилиране в реакция 3;

4) Наред с гликолиза ПФП доставя триозата глицералдехид-3-фосфат за получаване на глицерол-3-фосфат в мастна тъкан, където липсва глицерол киназа. Там глицерол-3-фосфат е необходим за синтеза на триацилглицероли

6.3.3 Химизъм

На фиг. 6-14 са дадени химичните превръщения в ПФП. За да се разглежда процеса като цикъл необходимо е едновременно навлизане на поне 3 молекули глюкозо-6-фосфат. Тогава 3 С атома се отделят като СО₂, т.е. все едно 1/2 молекула хексоза се разгражда. Съответно, при навлизане на 6 молекули глюкозо-6-фосфат в ПФП, формално 1 молекула хексоза се разгражда.

Първата реакция (дехидрогениране на глюкозо-6-фосфат до 6-фосфоглюконо- -лактон) се катализира от глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа с кофактор НАДФ⁺. Този ензим катализира пренос на хидриден йон от С₁ на субстрата върху НАДФ⁺, при което се получава 6-фосфоглюконо- -лактон. Ензимът е специфичен за НАДФ⁺ и се инхибира от НАДФН.

Глюкозо-6-фосфат може да се получи в хексокиназната реакция на гликолизата или от разграждането на гликоген.

Фиг. 6-14. Химични реакции в пентозо-фосфатния цикъл, в който 3 молекули глюкозо-6-фосфат се превръщат в 3 СО₂, 2 фруктозо-6-фосфат и 1 глицералдехид-3-фосфат.

Втората реакция (хидролиза на 6-фосфоглюконо--лактон до 6-фосфоглюконат) може да протича и спонтанно, но се ускорява от 6-фосфоглюконолактоназа.

В третата реакция под действие на 6-фосфоглюконат дехидрогеназа с кофактор НАДФ⁺ се извършва окислително декарбоксилиране на -хидроксикиселината 6-фосфоглюконат до рибулозо-5-фосфат, аналогично на окислителното декарбоксилиране на изоцитрат до -кетоглутарат в цитратния цикъл. Дехидрогенирането на -С атом улеснява отделянето на СО₂. С това завършва окислителният стадий в ПФП. Резултатът е 3 СО₂, 3 рибулозо-5-фосфат и 6 НАДФН (по 2 НАДФН за всяка молекула глюкозо-6-фосфат, навлязъл в ПФП).

В следващия стадий рибулозо-5-фосфат се изомеризира до рибозо-5-фосфат и епимеризира до ксилулозо-5-фосфат в различно съотношение, в зависимост от нуждите на клетките. В бързо делящи се клетки, синтезиращи ДНК, се получава повече рибозо-5-фосфат. Ако ПФП се използва само за получаване на НАДФН, обикновено съотношението на ксилулозо-5-фосфат към рибозо-5-фосфат е 2:1.

В третия стадий се извършват три трансферазни реакции. Първата от тях (пренос на С₂-фрагмент от ксилулозо-5-фосфат върху рибозо-5-фосфат) се катализира от транскетолаза с кофактор тиамин пирофосфат (фиг. 5-14 в т. 5.3.6.2). Получават се триозата глицералдехид-3-фосфат и седохептулозо-7-фосфат. Тези продукти взаимодействат помежду си под действие на трансалдолаза. Ензимът пренася С₃-фрагмент от седохептулозо-7-фосфат върху глицералдехид-3-фосфат. Получават се фруктозо-6-фосфат и еритрозо-4-фосфат. Първият продукт е метаболит от гликолизата, а вторият взаимодейства с втората молекула ксилулозо-5-фосфат във втора транскетолазна реакция. Под действие на транскетолаза отново се пренася С₂-фрагмент от ксилулозо-5-фосфат върху еритрозо-4-фосфат. Получава се фруктозо-6-фосфат и глицералдехид-3-фосфат, които са метаболити от гликолизата.

6.3.4 Приложение на познанията в медицината:

В еритроцитите глюкозо-6-фосфат-дехидрогеназата има важна роля - осигурява НАДФН, който е необходим за поддържане редуцираната форма на глутатион (G-SH) (фиг. 5-9-2 в т. 5.2.6.5). Главната функция на редуцирания глутатион е необходим за обезвреждане на Н₂О₂ и други органични пероксиди, които като активни кислородни производни необратимо увреждат хемоглобин и други белтъци, мембранните фосфолипиди и нуклеиновите киселини (виж т. 5.5.4).

глутатион пероксидаза

Редуциран глутатион се регенерира при редукцията на окисления глутатион с НАДФН под действие на глутатион редуктаза.

глутатион редуктаза
G-S-S-G + НАДФН -----------------> 2 G-SH + НАДФ⁺

При еритроцитите натрупването на пероксиди води до хемолиза. Така че НАДФН е жизнено важен за осигуряване целостта на еритроцитната мембрана.

В индивиди с недостатъчност на глюкозо-6-фосфат-дехидрогеназата еритроцитите са особено чувствителни към окислителен стрес при поемане на различни медикаменти - например антималарийния препарат примакин (primaquin) или когато ядат бакла (Vicia faba). Примакин и токсични гликозиди в баклата стимулират образуване на пероксиди, повишавайки необходимостта от НАДФН до ниво, което еритроцитите с мутантна глюкозо-6-фосфат-дехидрогеназата не могат да осигурят.

Счита се, че главната причина за ниската ензимна активност е увеличената скорост на разграждане на мутантния ензим. Това обяснява защо пациенти със сравнително мека форма на ензимопатията, първоначално след поемане на примакин развиват хемолитична анемия, но след седмица се възстановяват, въпреки продължаващото лечение с примакин. Лизисните продукти стимулират освобождаване на млади незрели еритроцити - ретикулоцити, които съдържат повече ензим и се справят по-добре със стреса, причинен от примакин. Зрелите еритроцити не съдържат ядро, рибозоми и други органели и не могат да синтезират нов ензим.

6.4 Обмяна на гликоген

6.4.1 Резюме

Гликогенът представлява главната резервна форма на въглехидратите в организма - в черния дроб и в мускулите.

В черния дроб главната му функция е да обслужва другите тъкани чрез образуване на кръвната глюкоза. В мускулите той обслужва нуждите само на мускула като непосредствен източник на метаболитно гориво.

Гликогенът е хомополизахарид, изграден от глюкозни остатъци, свързани чрез -1,4-O-гликозидни връзки, като на всеки 8-14 остатъка има разклонения, свързани към главната верига чрез -1,6-О-гликозидни връзки. Гликоген има един редуциращ край (със свободна НО-група при С₁) и много нередуциращи краища (със свободни НО-група при С₄).

Хидролитното разграждане на гликоген и скорбяла в храносмилателния тракт става под действие на амилази (слюнчена и панкреатична), които разкъсват -1,4-O-гликозидни връзки във вътрешността на веригата и от деразклоняващ ензим, късащ -1,4- и -1,6-връзки. Получаващите се олигозахариди се разграждат от малтаза и други хидролази до глюкоза. Глюкозата се абсорбира в тънките черва и се транспортира по кръвен път към органи и тъкани.

Фосфоролитичното разграждане на гликоген глюкоза става чрез четири ензими. Гликоген фосфорилазата откъсва един по един глюкозни остатъци от нередуциращ край на гликоген и ги пренася върху фосфат. Полученият глюкозо-1-фосфат се превръща в глюкозо-6-фосфат от фосфоглюкомутаза. Деразклоняващият ензим чрез двете си активности (глюкан трансферазна и -1,6--гликозидазна) премахва разклоненията и отделя глюкоза. В черния дроб глюкозо-6-фосфат се хидролизира от глюкозо-6-фосфатаза до глюкоза за експорт към тъканите. В мускулите глюкозо-6-фосфат се разгражда в гликолизата, тъй като липсва глюкозо-6-фосфатаза.

Синтезата на гликоген е различен път от разграждането. Субстрат е глюкоза, която се активира с АТФ до глюкозо-6-фосфат, изомеризира се в глюкозо-1-фосфат и допълнително активира при участие на УТФ до УДФ-глюкоза. Тирозин гликозилтрансфераза гликозилира Тир194 в гликогенин, който след това автокаталитично се гликозилира до получаване на фрагмент от 7-8 глюкозни остатъци. Тези прикрепени към гликогенин остатъци са зародишът, към който гликоген синтазата може да добавя глюкозни остатъци от УДФ-глюкоза към нередуциращи краища и така да удължава веригите. Разклоняващият ензим образува разклонения като пренася фрагмент от 7 остатъци от нередуциращия край на главната верига към С₆-ОН група от глюкозен остатък от същата ири друга верига.

Гликоген фосфорилазата е регулаторният ензим на гликогенолизата, а гликоген синтазата - на синтезата на гликоген. И двата ензима катализират неравновесни необратими реакции. И двата се регулират чрез алостерично повлияване и чрез ковалентно фосфорилиране-дефосфорилиране.

Обратимато ковалентно фосфорилиране-дефосфорилиране на двата ензима измества равновесието

активна форма а <====> неактивна форма b

и променя чувствителността им към алостерични ефектори.

Гликотен фосфорилазата се активира от фосфорилиране, докато гликоген синтазата се активира от дефосфорилиране. Отношението активна фосфорилаза a към неактивна фосфорилаза b зависи от активността на киназата на фосфорилазата и активността на фосфопротеин фосфатазата. Киназата на фосфорилазата от своя страна се регулира от цАМФ-зависима протеин киназа А

Хормони като глюкагон и адреналин, които генерират цАМФ като вторичен посредник или сигнали, които увеличават вътреклетъчния Ca²⁺, който се свързва към калмодулиновата субединица на киназата на фосфорилазата, активират гликогенолизата. Обратно, инсулин стимулира синтезата на гликоген чрез активиране на фосфопротеин фосфатазата.

Гликогенозите са група наследствени заболявания (10 типа - виж табл. 6-2), при които гликогенът е с променено качество или количество [10]. Дължат се на дефекти в различни ензими, участващи в метаболизма на гликоген.

6.4.2 Резервни полизахариди: гликоген и скорбяла

Гликогенът е хомополизахарид, изграден от глюкозни остатъци, свързани, чрез -1,4-O-гликозидни връзки, като на всеки 8-14 остатъка има разклонения, свързани към главната верига чрез -1,6-О-гликозидни връзки (фиг. 6-15). Гликогеновата молекула съдържа около 120 000 глюкозни остатъци. Гликоген има един редуциращ край (със свободна НО-група при С1) и много нередуциращи краища (със свободни НО-група при С4).

Гликогенът е резервен полизахарид в животни и човек, гъби и бактерии. В човека и животните присъства във всички клетки, но най-значими гликогенови запаси има в черния дроб (около 10 % от теглото му) и в скелетни мускули (около 1 - 2 % от теглото им).

С електронна микроскопия е установено, че гликогеновите сфероподобни молекули (с диаметър 10 до 40 nm) изграждат гранули съвместно с ензимите за разграждане и синтеза на гликоген, както и белтъци, регулиращи тези процеси.