23.3. Основные метаболические пути и регуляторные этапы

Рассмотрим роль основных путей метаболизма и важнейшие этапы, на которых осуществляется регуляция.

1. Гликолиз, В результате этой последовательности реакций, протекающих в цитозоле, одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата. При этом образуются две молекулы АТР и две молекулы NADH. Для того чтобы реакции гликолиза продолжались непрерывно, необходимо регенерировать NAD + , который расходуется в реакции, катализируемой глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой. В анаэробных условиях, например в активно работающей скелетной мышце, это достигается восстановлением пирувата до лактата. В аэробных условиях регенерирование NAD+ осуществляется по-иному - путем переноса электронов от NADH к по цепи переносчиков. Гликолиз выполняет две основные функции: расщепляет глюкозу с образованием АТР и поставляет углеродные скелеты молекул для биосинтетических реакций. Скорость превращения глюкозы в пируват регулируется в соответствии с этими двумя задачами. Важнейший регулируемый этап - фосфофруктокиназа, катализирующая решающую реакцию гликолиза. Высокая концентрация АТР ин-гибирует фосфофруктокиназу. Ингибирующее действие АТР усиливается в присутствии цитрата и подавляется AMP. Таким образом, скорость гликолиза определяется потребностью в АТР, о которой сигнализирует соотношение АТР/АМР, и потребностью в строительных блоках, о чем сигнализирует концентрация цитрата.

2. Цикл трикарбоновых кислот. Это заключительный общий путь окисления молекул - источников энергии; углеводов, аминокислот и жирных кислот. Он функционирует в митохондриях. Богатые энергией молекулы вступают в цикл главным образом в виде ацетил-СоА. При полном окислении одного ацетильного остатка образуются одна молекула GTP, три молекулы NADH и одна молекула Затем четыре пары электронов переносятся на по цепи переноса электронов; в результате создается градиент концентрации протонов, который обеспечивает синтез одиннадцати молекул АТР. NADH и окисляются только в том случае, если ADP одновременно фосфорилируется до АТР. Это тесное сопряжение называется дыхательным контролем; оно обеспечивает соответствие скорости реакций цикла трикарбоновых кислот потребности в АТР. Кроме того, избыток АТР снижает активность трех ферментов цикла - цитрат-синтазы, изоцитрат-дегидрогеназы и а-оксоглутарат-дегидрогеназы. Помимо этого, цикл трикарбоновых кислот играет важную роль в анаболизме. Он обеспечивает синтез некоторых промежуточных продуктов, например сукцинил-СоА, служащего источником части углеродного скелета пор-фиринов.

3. Пентозофосфатный путь. Этот ряд реакций, протекающих в цитозоле, выполняет две функции: генерирование NADPH

Рис. 23.6. Фосфофруктокиназа - ключевой фермент регуляции гликолиза.

для восстановительных реакций биосинтеза и образование рибозо-5-фосфата для синтеза нуклеотидов. Две молекулы NADPH образуются при превращении глюкозо-6-фосфата в рибозо-5-фосфат. Решающий этап данного пути - дегидрирование глюкозо-6-фосфата. Эта реакция регулируется концентрацией акцептора электронов NADP+. Лишняя фосфорильная группа в NADPH - ярлычок, отличающий его от NADH. Благодаря этому различию в одном и том же компартменте может поддерживаться высокое соотношение и низкое соотношение Следовательно, восстановительные реакции биосинтеза и гликолиз могут протекать одновременно с высокой скоростью.

4. Глюконеогенез. Глюкоза может синтезироваться в печени и почках из предшественников не углеводной природы, таких, как лактат, глицерол и аминокислоты. Различные вещества вступают в реакции этого пути главным образом через пируват, который карбоксилируется в митохондриях с образованием оксалоацатата. Затем оксалоацетат декарбоксилируется и фосфорилируется в цитозоле с образованием фосфоенолпирувата. Еще две гидролитические реакции, характерные для глюконеогенеза, идут в обход необратимых стадий гликолиза. Глюконеогенез и гликолиз обычно взаимно скоординированы таким образом, что в то время, как один путь бездействует, второй весьма активен. Например, AMP ингибирует, а цитрат активирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу - ключевой фермент глюконеогенеза, тогда как на фосфофруктокиназу, определяющую скорость гликолиза, эти молекулы оказывают обратное действие.

5. Синтез и расщепление гликогена. Гликоген - легко мобилизуемая форма запасания энергии. Он представляет собой разветвленный полимер остатков глюкозы. Активированный промежуточный продукт синтеза гликогена-UDP-глюкоза, которая образуется из глюкозо-1-фосфата и UTP. Гликоген-синтаза катализирует перенос глюкозного остатка с UDP-глюкозы на концевую гидроксильную группу растущей цепи. Расщепление гликогена идет другим путем. Фосфорилаза катализирует расщепление гликогена ортофосфатом с образованием глюкозо-1-фосфата. Синтез и расщепление гликогена координируются с

Рис. 23.7. Дегидрирование глюкозо-6-фосфата - решающий этап пентозофосфатного пути.

Рис. 23.8. Фруктозо -1,6 - бисфосфатаза - ключевой этап регуляции глюконеогенеза.

Рис. 23.9. Ацетил-СоА - карбоксилаза - ключевой регуляторный участок синтеза жирных кислот.

помощью усиливающего каскадазапускаемого гормо ном, так что когда неактив на гликоген-синтаза, активна фосфорилаза, и наоборот. Эти ферменты регулируются посредством фосфорилирования и нековалентных аллостерических взаимодействий (разд. 16.15).

6. Синтез и расщепление жирных кислот. Жирные кислоты синтезируются в цитозоле путем присоединения двухуглеродных остатков к растущей цепи, закрепленной на ацилпереносящем белке. Активированный промежуточный продукт малонил-СоА образуется путем карбоксилирования ацетил-СоА. Ацетильные группы переносятся из митохондрий в цитозоль с помощью цитрата. Этот челночный механизм обеспечивает генерирование части NADPH, необходимого для восстановления присоединенного ацетильного остатка. Остальной NADPH поступает из пентозофосфатного пути. Цитрат стимулирует ацетил-СоА-карбоксилазу, фермент, катализирующий решающий этап. Если в клетке имеется избыток АТР и ацетил-СоА, то концентрация цитрата увеличивается, и это ускоряет синтез жирных кислот. Расщепление жирных кислот происходит другим путем и в другом компартменте. Они расщепляются до ацетил-СоА в митохондриальном матриксе путем -окисления. Затем, если поступает достаточное количество оксалоацетата, ацетил-СоА вступает в цикл трикарбоновых кислот. В противном случае ацетил-СоА может превращаться в кетоновые тела. FADH2 и NADH, образующиеся в результате -окисления, отдают свои электроны через цепь переноса электронов. Как и цикл трикарбоновых кислот, -окисление может протекать только при. условии постоянного регенерирования NAD4" и FAD. Следовательно, скорость расщепления жирных кислот также связана с потребностью клетки в АТР.