Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими концентрациями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.
Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.
Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.
В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.
Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цитратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который затем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его дополнительное образование, что и достигается ингибированием фосфофруктокиназы и пируваткиназы.
Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.
2.1.1.2. Окислительное декарбоксилирование пирувата
В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входят три различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.
Первый фермент этого комплекса - пируватдекарбоксилаза ( Е1) катализирует реакциюс образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида, связанного с тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.
Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) катализирует два последовательных превращения:
а) на первом этапе идет перенос активированного остатка ацетальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением альдегидной группы до карбоксильной группы: Образуются ацетил-КоА и фермент Е2 с восстановленной формой кофермента.
Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты катализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму: В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кислоты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД+ с образованием его восстановленной формы.
Следует напомнить, что при окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании суммарного уравнения окислительного декарбоксилирования пирувата:
Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, посколько сопровождается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окисленного пирувата. Таким образом, мы имеем дело еще с одним пунктом термодинамического контроля в общей метаболической системе аэробного окисления глюкозы.
Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковалентная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования комплекса: Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( много АТФ и НАДН ) или же цикл Кребса не справляется с окислением имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию - уже известный нам механизм стимуляции предшественником.
Образовавшийся ацетил-КоА, как уже неоднократно упоминалось. поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционировании этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.
В качестве напоминания можно привести суммарную реакцию окисления ацетила ( из ацетил-КоА ) в цикле Кребса:
Далее уже можно написать суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы:
Из уравнения следует, что аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов ( 2АТФ и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных коферментов ( 10 НАДН и 2 ФАДН2)
Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисления глюкозы можно произвести, руководствуясь следующей далее схемой:
На схеме видно следующее:
а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз расходуется 2 АТФ ;
б) за счет субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)
в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восстановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН2 ).
Оценка энергетической эффективности процесса в плане аккумуляции энергии окисления может быть проведена исходя из того, что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисление 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).
Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:
а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты,
б) Фр-6-ф - для синтеза аминосахаров,
в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов,
г) 3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,
д) ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,
е) пируват - для синтеза аланина ж) ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с помощью метода меченых атомов.
2.1.3. Аэробное окисление других углеводов
В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых количествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит образование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.
2.1.3.1. Начальный этап метаболизма галактозы
Галактоза, поступающая в клетки, подвергается фосфорилированию при участии фермента галактокиназы:
В следующей реакции образовавшийся Гал-1-ф взаимодействует с УДФ-глюкозой с образованием УДФ-галактозы:
Реакция катализируется ферментом гексозо 1 фосфатуридилтрансферазой.
Далее УДФ-галактоза изомеризуется в УДФ-глюкозу при участии фермента эпимеразы:
Затем при взаимодействии с следующей молекулой Гал-1-ф образовавшийся в составе УДФ-глюкозы глюкозный остаток выделяется в виде глюкозо-1-фосфата. Гл-1-ф изомеризуется при участии фосфоглюкомутазы в гл-6-фосфат и включается в общий путь окисления глюкозы.
2.1.3.2. Начальный этап метаболизма фруктозы
Фруктоза также после поступления в клетки подвергается фосфорилированию с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Реакция катализируется ферментом фруктокиназай. Образовавшийся Фр-1-ф расщепляется на глицериновый альдегид и фосфогидроксиацетон ( ФГА ) при участии фермента фруктозо-1-фосфатальдолазы . Глицериновый альдегид при участии фермента триозокиназы превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид, в ходе фосфорилирования используется молекула АТФ, переходящая в АДФ. Фосфогидроксиацетон при участии триозофосфатизомеразы также превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, из молекулы фруктозы получается 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, а 3-ФГА является промежуточным метаболитом окислительного расщепления глюкозы.