Высвобождение энергии из глюкозы через пентозофосфатный цикл. Превращение глюкозы в жиры

Обновлено: 31.05.2024

Печень самый крупный из паренхиматозных органов. Она выполняет ряд ключевых функций.

1) Принимает и распределяет вещества, поступающие в организм из пищеварительного тракта, которые приносятся с кровью по воротной вене. Эти вещества проникают в гепатоциты, подвергаются химическим превращениям и в виде промежуточных или конечных метаболитов поступают в кровь и разносятся в другие органы и ткани.

2) Служит местом образования желчи.

3) Синтезирует вещества, которые используются в других тканях.

4) Инактивирует экзогенные и эндогенные токсические вещества, а также гормоны.

Особенности строения гепатоцита

Такие разнообразные функции обусловлены особенностями строения печени и ее отдельных клеток. Гепатоцит имеет хорошо развитую систему эндоплазматического ретикулума (ЭР), причем как гладкую, так и шероховатую. Одна из главных функций ЭР - синтез белков, которые используются другими органами и тканями (альбумины), или ферментов работающих в печени. Кроме того, в ЭР синтезируются фосфолипиды, триглицериды и холестерол. Гладкий ЭР содержит ферменты детоксикации ксенобиотиков.

Роль печени в метаболизме углеводов

Печень играет ведущую роль в поддержании физиологической концентрации глюкозы в крови. Из общего количества поступающей из кишечника глюкозы печень извлекает ее большую часть и тратит: 10-15 % от этого количества на синтез гликогена, 60 % на окислительный распад, 30 % на синтез жирных кислот.

При физиологической гипогликемии в печени активируется распад гликогена. Первая стадия этого процесса заключается в отщеплении молекулы глюкозы и ее фосфорилировании (фермент фосфорилаза). Далее Глю-5-Ф может расходоваться по трем направлениям:

1. по пути глтколиза с образованием пировиноградной кислоты и лактата;

2. по пентозофосфатному пути;

3. расщепляться под действием фосфотазы на глюкозу и фосфор.

Преобладает последний путь, который приводит к выбросу в общий кровоток свободной глюкозы.

В печени активно протекает глюконеогенез, при котором предшественниками глюкозы являются пируват и аланин (поступающий из мышц), глицерол - из жировой ткани и с пищей ряд глюкогенных АК. Избыточное поступление глюкозы с пищей увеличивает в гепатоците интенсивность всех путей ее превращения. Так активируется ее окисление с образованием большого количества пирувата. Для его дальнейшего окисления необходимо также большое количество КоА, который также используется и для окисления жирных кислот. В результате окисление жирных кислот и распад липидов в жировых депо замедляется.

Метаболизм липидов

В печени синтезируются желчные кислоты, при дефиците которых переваривания жиров практически не происходит. В регуляции метаболизма липидов печени принадлежит ведущая роль. Так, при дефиците основного энергетического материала - глюкозы, в печени активируется окисление жирных кислот. В условиях избытка глюкозы в гепатоцитах происходит синтез триглицеридов и фосфолипидов из жирных кислот, которые поступают в печень из кишечника.

Печени принадлежит ведущая роль в регуляции обмена холестерола. Исходное вещество в его синтезе - ацетил-КоА. Т. е. Избыточное питание стимулирует образование холестерола.

В печени синтезируются транспортные формы липопротеинов.

В печени, кроме того, синтезируются кетоновые тела, в частности ацетоацетат и гидрооксимаслянная кислота , которые разносятся кровью по организму. Сердечная мышца и корковый слой надпочечников предпочитают в качестве источника энергии использовать именно эти соединения, а не глюкозу.

Метаболизм белков

Печень использует АК, поступающие из пищеварительного тракта для синтеза собственных белков, но большая их часть идет на синтез белков плазмы крови. В печени синтезируются фибриноген, альбумины, a - и b -глобулины и липопротеиды. В печени синтезируется также т.н. лабильный резервный белок, который является как бы запасом АК, которые затем могут использоваться различными органами и тканями по мере необходимости.

Печень занимает центральное место в обмене АК, т.к. в ней активно протекают процессы их химической модификации. Кроме того, именно в печени происходит синтез мочевины.

Детоксицирующая функция печени

Детоксикация ядовитых метаболитов и чужеродных соединений (ксенобиотиков) протекает в гепатоцитах в две стадии. Реакции первой стадии катализируются монооксигеназной системой, компоненты которой встроены в мембраны эндоплазматического ретикулума. Реакции окисления, восстановления или гидролиза являются первой стадией в системе выведения из организма гидрофобных молекул. Они превращают вещества в полярные водорастворимые метаболиты.

Основной фермент гемопротеид цитохромы Р-450 . К настоящему времени выявлено множество изоформ этого фермента и отнесено, в зависимости от их свойств и выполняемых функций, к нескольким семействам. У млекопитающих идентифицировано 13 подсемейств цх Р-450, условно считается, что ферменты семейства I-IV участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, остальные метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простатагландины, жирные кислоты и др.).

Важным свойством цх Р-450 является способность к индукции под действием экзогенных субстратов, что легло в основу классификации изоформ в зависимости от индуцируемости тем или веществом определенной химической структуры.

На первой стадии биотрансформации происходит образование или высвобождение гидрокси-, карбоксильных, тиоловых и аминогрупп, которые являются гидрофильными, и молекула может подвергаться дальнейшему превращению и выведению из организма. В качестве кофермента используется НАДФН. Кроме цх Р-450, в первой стадии биотрансформации принимают участие цх b ₅ и цитохромредуктаза.

Многие лекарственные вещества, попадая в организм, превращаются на первой стадии биотрансформации в активные формы и оказывают необходимый лечебный эффект. Но часто ряд ксенобиотиков не детоксицируется, а наоборот токсифицируется с участием монооксигеназной системы и становится более реакционноспособным.

Продукты метаболизма чужеродных веществ, образовавшихся на первой стадии биотрансформации, подвергаются дальнейшей детоксикации с помощью ряда реакций второй стадии. Образующиеся при этом соединения менее полярны и в связи с этим легко удаляются из клеток. Преобладающим является процесс конъюгации, катализируемый глутатион-S-трансферазой, сульфотрансферазой и UDP-глюкуронилтрансферазой. Конъюгацию с глутатионом, приводящую к образованию меркаптуровых кислот, принято рассматривать в качестве основного механизма детоксикации.

Глутатион (ведущий компонент редокс-буфера клетки) представляет собой соединение, содержащее реактивную тиоловую группу. Большая его часть находится в восстановленной форме (GSH) и играет центральную роль в инактивации токсических и реактивных продуктов. Восстановление окисленного глутатиона осуществляет фермент - глутатионредуктаза, используя как кофермент НАДФН. Коньюгаты с глутатионом, серной и глюкуроновой кислотами выводятся из организма преимущественно с мочой.

Зональность ферментных систем

Зональность метаболических комплексов печени, основного органа поддержания химического гомеостаза, определяет различие в ферментном составе между гепатоцитами перивенозной (центральной) и перипортальной (периферической) зон ацинуса (рис.4.16.1.). Это связано с их неодинаковой потребностью в кислороде различных ферментных систем.

Так, наибольшая концентрация ферментов ЦТК, катаболизма амино- и жирных кислот, цикла мочевины, глюконеогенеза отмечена в перипортальной зоне, получающей более оксигенированную кровь. Поскольку компоненты реакций второй фазы биотрансформации локализованы в клетках этой зоны ацинуса, то они более защищены от действия токсических продуктов. В гепатоцитах перицентральной зоны более активен гликолиз и первая стадия биотрансформации ксенобиотиков.

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .16.3.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

3. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.;

4. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия // М.: Высш. шк., 1988, 400 с.;

5. Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. Под ред. Э.Г.Ларского. - М.: Мир, 1977. - 407 с.

6. Мишнев О.Д., Щеголев А.И. Структурно-метаболическая характеристика ацинуса печени // Арх. патологии, гистологии и эмбриологии. 1988. Т. ХСV, № 10, с. 89-96.;

7. Парк Д.В. Биохимия чужеродных соединений. - М.: Медицина, 1973, 287 с.;

8. Чекман И.С., Гриневич А.И. Конъюгация ксенобиотиков // Фармакологи и токсикология, 1988, № 1, с. 86-93.

9. Щербаков В.М., Тихонов А.В. Изоформы цитохрома Р-450 печени человека // М.: АО “Биохимические технологии”, 1995, 102 с.

Высвобождение энергии из глюкозы через пентозофосфатный цикл. Превращение глюкозы в жиры

а) Высвобождение энергии из глюкозы с помощью пентозофосфатного цикла. Большинство мышц организма для получения энергии используют в основном углеводы, для этого они расщепляются посредством гликолиза до пировиноградной кислоты с последующим ее окислением. Однако процесс гликолиза не является единственным способом, с помощью которого глюкоза может расщепляться и использоваться для энергетических целей. Другим важным механизмом расщепления и окисления глюкозы служит пентозофосфатный путь (или фосфоглюконатный путь), который ответствен за 30% распада глюкозы в печени, что превышает ее расщепление в жировых клетках.

Этот путь особенно важен, поскольку обеспечивает клетки энергией независимо от всех ферментов цикла лимонной кислоты, поэтому он является альтернативным путем обмена энергии в случаях нарушений ферментных систем цикла Кребса, что принципиально важно для обеспечения энергией многочисленных процессов синтеза в клетках.

б) Выделение углекислого газа и водорода в пентозофосфатном цикле . На рисунке ниже показано большинство основных химических реакций пентозофосфатного цикла.

Пентозофосфатный путь метаболизма глюкозы

Видно, что на различных этапах превращения глюкозы могут выделяться 3 молекулы углекислого газа и 4 атома водорода с образованием сахара, содержащего 5 атомов углерода, — D-рибулезы. Это вещество может последовательно превращаться в различные другие пяти-, четырех-, семи- и трехуглеродные сахара. В итоге путем различных комбинаций этих углеводов может ресинтезироваться глюкоза.

При этом ресинтезируются только 5 молекул глюкозы на каждые 6 молекул, исходно вступивших в реакции, поэтому пентозофосфатный путь является циклическим процессом, приводящим к метаболическому распаду одной молекулы глюкозы в каждом завершившемся цикле. При повторении цикла вновь все молекулы глюкозы превращаются в углекислый газ и водород. Затем водород вступает в реакции окислительного фосфорилирования, образуя АТФ, однако чаще он используется для синтеза жиров и других веществ следующим образом.

в) Использование водорода для синтеза жиров. Функции никотинамидадениндинуклеотидфосфата. Водород, выделяющийся во время пентозофосфатного цикла, не объединяется с НАД+, как во время гликолиза, но взаимодействует с НАДФ+, который практически идентичен НАД+, за исключением фосфатного радикала. Эта разница имеет существенное значение, т.к. только при условии связывания с НАДФ+ с образованием НАДФ-Н водород может использоваться для образования жиров из углеводов и синтеза некоторых других веществ.

Когда гликолитический процесс использования глюкозы замедляется в связи с меньшей активностью клеток, пентозофосфатный цикл остается действенным (особенно в печени) и обеспечивает расщепление глюкозы, которая продолжает поступать в клетки. Образующийся при этом в достаточных количествах НАДФ-Н способствует синтезу из ацетил-КоА (производного глюкозы) длинных цепочек жирных кислот. Это еще один путь, который обеспечивает использование энергии, заключенной в молекуле глюкозы, но в этом случае для образования не АТФ, а запасов жира в организме.

в) Превращение глюкозы в гликоген или жиры. Если глюкоза не используется сразу на энергетические нужды, но избыток ее продолжает поступать в клетки, она начинает запасаться в виде гликогена либо жиров. Пока глюкоза хранится преимущественно в виде гликогена, который запасается в максимально возможном количестве, этого количества гликогена хватает для обеспечения энергетических потребностей организма в течение 12-24 ч.

Если гликоген-запасающие клетки (главным образом клетки печени и мышц) приближаются к пределу своих возможностей по запасанию гликогена, продолжающая поступать глюкоза превращается в клетках печени и жировой ткани в жиры, которые направляются на хранение в жировые ткани. Другие пути превращения жиров изложены в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска выше).

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Гексозомонофосфатный путь [ГМП (HMW), часто называемый также пентозофосфатным путем ] является окислительным обменом веществ в цитоплазме, в котором, как и в гликолизе, исходным субстратом служит глюкозо-6-фосфат . ГМП поставляет два важных исходных соединения для анаболических процессов: НАДФН + Н + (NADPH + Н + ), необходимый для биосинтеза жирных кислот и изопреноидов (см. с. 170), и рибозо-5-фосфат , предшественник в биосинтезе нуклеотидов (см. с. 190).

А. Гексозомонофосфатный путь: окисление

В процессе окисления глюкозо-6-фосфат превращается в рибулозо-5-фосфат. При этом образуются 1 молекула CO 2 и 2 НАДФН + Н + . Значительно более сложная часть пути — восстановительная ( Б ) — в зависимости от обмена веществ либо превращает часть образованного пентозофосфата снова в гексозофосфат, либо включает его в гликолиз для деградации. В большинстве клеток за счет ГМП разрушается не более 10% глюкозо-6-фосфата.

Окислительная часть ГМП начинается с окисления глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой [ 1 ]. При этом образуется НАДФН + Н + и 6-фосфоглюколактон — внутримолекулярный сложный эфир (лактон) 6-фосфоглюконата. Специфическая гидролаза (фермент [ 2 ]) расщепляет сложноэфирную связь и оставляет свободной карбоксильную группу 6-фосфоглюконата . Последний фермент окислительной части, фосфоглюконатдегидрогеназа ( 3 ), отщепляет карбоксильную группу 6-фосфоглюконата в виде CO 2 с одновременным окислением гидроксильной группы при С-3 до кетогруппы. Наряду со второй молекулой НАДФН + Н + при этом образуется кетопентоза, рибулозо-5-фосфат , которая под действием изомеразы превращается в рибозо-5-фосфат, исходное соединение для нуклеотидного синтеза (на схеме сверху).

Восстановительная часть ГМП показана здесь только схематически. Полная схема реакции представлена на с. 396.

Функция восстановительной ветви состоит в том, чтобы производство НАДФН + Н + и пентозофосфатов соответствовало метаболическим потребностям клеток. Обычно потребность в НАДФН + Н + намного выше, чем в пентозофосфатах. В этих условиях 6 молекул рибулозо-5-фосфата под действием трансальдолаз и транскетолаз образуют 5 молекул фруктозо-6-фосфата, которые изомеризуются в 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат вновь участвует в окислительной части ГМП в процессе получения НАДФН + Н + . Неоднократное повторение этих реакций позволяет окислить глюкозо-6-фосфат до 6 молекул CO 2 . При этом образуется 12 молекул НАДФН + Н + , а пентозофосфат не образуется.

При взаимном превращении фосфатов сахаров в восстановительной части ГМП особенно важны два фермента. Трансальдолаза [ 5 ] переносит С 3 -звенья от седогептулозо-7-фосфата, кетосахара с 7 атомами углерода, на альдегидную группу глицеральдегид-3-фосфата. Аналогичным образом транскетолаза [ 4 ] катализирует перенос С 2 -фрагмента с одного фосфата сахара на другой.

Реакции восстановительной части ГМП обратимы, т.е. гексозофосфаты могут непосредственно превращаться в пентозофосфаты. Это превращение может происходить при высокой потребности клетки в пентозофосфатах, например на стадии репликации ДНК и S-фазе клеточного цикла (см. с. 380).

Если наряду с НАДФН + Н + клетке требуется энергия в форме АТФ, продукты восстановительной части ГМП (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат) включаются в гликолиз и далее в цитратный цикл и дыхательную цепь с образованием CO 2 и воды. На этом пути из 6 молей глюкозо-6-фосфата образуется 12 молей НАДФН + Н + и примерно 150 молей АТФ.

Читайте также: