Регуляція неоглюкогенезу неоглюкогенезу глюконеогенезу Взаємозв’язок структури функції білка
2. Нагадування про реакцію, каталізовану піруваткіназою
3. Реакція, каталізована піруват-карбоксилазою
4. Реакція, каталізована PEP-карбоксикіназою
5. Реакція, каталізована фруктозо-1,6-бісфосфатазою
6. Реакція, що каталізується глюкозо-6-фосфатазою
7. Регуляція глюконеогенезу
8. Інтернет-посилання та бібліографічні посилання
Наприклад, запас глікогену в печінці, який постачає інші тканини глюкозою, виснажується, наприклад, швидко.
Потім основна глюкоза забезпечується глюконеогенезом (або глюконеогенезом), малюнок нижче .
Неоглюкогенез - це новий синтез глюкози з вуглеводних вуглецевих субстратів (попередників шляху): так званих глюкогенних амінокислот, лактату, гліцерину та пірувату.
У людини це відбувається переважно в печінці та, меншою мірою та за певних умов, у нирках та кишечнику.
Реакції глюконеогенезу однакові у тварин, рослин, грибів та мікроорганізмів.
Глюкогенез використовує значну частину ферментів гліколізу: ті, що каталізують реакції, близькі до рівноваги. Ці ферменти є цитозольними.
Однак три реакції гліколізу характеризуються коливаннями вільної енергії Гіббса настільки негативними, що вони незворотні у фізіологічних умовах (ΔG ').
Ці реакції каталізуються гексокіназою (або глюкокіназою), фосфофруктокіназою та піруваткіназою.
Нижче: порівняння бар'єрів енергії активації, перетнутих під час реакцій, каталізованих відповідно піруваткіназою (фігура А) та PEP карбоксикіназою (фігура В).
Джерело: Carlson & Holyoak (2009)
Отже, ці реакції слід «обійти» під час глюконеогенезу.
піруват + НСО3 - + АТФ ---> оксалоацетат + АДФ + Пі
оксалоацетат + GTP ---> фосфоенолпіруват + ВВП + CO2
2. Нагадування про реакцію, каталізовану піруваткіназою (гліколіз)
В обхід реакції, каталізованої піруваткіназою (малюнок нижче), потрібно втручання 2 ферментів.
Насправді коливання вільної енергії Гіббса, пов'язане з гідролізом фосфоангідридного зв'язку АТФ (ΔG ° '= - 7,3 ккал/моль), є недостатнім для синтезу енол-фосфатного зв'язку фосфоенолпірувату (PEP).
Цей фосфатний зв’язок є найбільш енергетичним з відомих: ΔG ° '= - 14,8 ккал/моль .
PEP - це енольний ефір, гідроліз якого при гліколізі відбувається у три стадії:
Джерело: "Принципи біохімії" Horton et al. (1994), Університети ДеБока
(1) спочатку утворюється резонансно стабілізований енолатний аніон.
(2) цей нестійкий аніон протонований з утворенням енольного пірувату.
(3) нарешті, відбувається таутомеризація між енольною формою та кетоновою формою з отриманням пірувату.
Тому ми можемо пояснити сильний енергетичний характер PEP, вважаючи, що ця молекула відповідає енолу, заблокованому фосфорильною групою: відхід цієї групи дозволяє молекулі прийняти кетонову форму, яка є набагато стабільнішою .
При гліколізі піруваткіназа каталізує перенесення фосфорильної групи з ПЕП в АДФ з утворенням АТФ і пірувату.
Незважаючи на утворення АТФ, реакція дуже ексергонічна: -14,8 - (-7,3) = - 7,5 ккал/моль .
Цей режим синтезу АТФ називається фосфорилюванням на рівні субстрату. .
3. Реакція, каталізована піруват-карбоксилазою
Піруват-карбоксилаза - це гомотетрамер 520 000 Да.
Піруват-карбоксилаза каталізує утворення оксалоацетату з пірувату (малюнок нижче).
Ця реакція відбувається в мітохондріях. Цирозольний піруват імпортується туди транспортером (симпорт з протоном).
Кожен протомер піруват-карбоксилази містить лізин, до якого приєднана молекула біотину. Біотин і бічний ланцюг лізину утворюють гнучку руку, що дозволяє функціональній групі біотину рухатися вперед-назад між двома активними ділянками піруват-карбоксилази.
На одному з активних ділянок піруват-карбоксилази біотин карбоксилюється:
АТФ + НСО3 - + біотин ---> карбоксибіотин + АДФ + Пі
- АТФ реагує з бікарбонатом з утворенням фосфорильованого проміжного продукту: карбоксифосфату.
- карбоксильна група переноситься з цього проміжного продукту в атом азоту уреїдної групи циклу біотину.
В іншому активному місці піруват-карбоксилази активований СО2 переноситься з біотину в піруват:
карбоксибіотин + піруват ---> оксалоацетат + біотин
Ацетил-КоА є алостеричним активатором піруват-карбоксилази:
4. Реакція, каталізована PEP-карбоксикіназою (EC 4.1.1.32)
PEP-карбоксикіназа (PEPCK) каталізує перетворення оксалоацетату в PEP.
Це фермент печінки та нирок. Це мономер приблизно 67000 Да, який потребує двовалентного катіона (зокрема марганцю) як активатора реакції.
Є два типи PEPCK:
- що виявляється у вищих еукаріотів (людина, курка, щур, миша), які використовують ГТФ
- що міститься у бактеріях, рослинах С4 та дріжджах, що використовують АТФ
PEPCK інгібується AMP.
PEPCK локалізований:
- або в мітохондріях: мітохондріальний PEPCK безпосередньо використовує оксалоацетат, утворений піруват-карбоксилазою (також ферментом мітохондрій).
- або в цитозолі: оскільки оксалоацетат не може перетнути мітохондріальну мембрану, він перетворюється в малат за допомогою мітохондріальної малатдегідрогенази з НАДН. Малат транспортується в цитозоль, де він перетворюється назад в оксалоацетат за допомогою цитозольної малатдегідрогенази НАД +. Нарешті, цитозольний PEPCK використовує оксалоацетат.
Реакція, що каталізується PEPCK, вважається одним із контрольних пунктів глюконеогенезу. Не стільки щодо діяльності самого PEPCK, скільки стосовно регуляції біосинтезу PEPCK:
- промотор гена, що кодує PEPCK, має сайти зв'язування факторів транскрипції, пов'язаних з гомеостазом рівня глюкози в клітині (приклади: CREB, Foxo1,.).
- високі концентрації глюкози зменшують транскрипцію.
Синтез PEPCK індукується кортизолом. Кортизол синтезується корою надниркових залоз з холестерину ЛПНЩ. Це глюкокортикоїдний гормон, який активує фактори транскрипції генів, що кодують ферменти, специфічні для глюконеогенезу.
Синтез PEPCK пригнічується інсуліном .
5. Реакція, каталізована фруктозо-1,6-бісфосфатазою (F-1,6BPase)
Хребетне F-1,6BPase - гомотетрамер з молярною масою 148000 Да. Кожен мономер складається з 2 доменів: домену фруктози 1,6-бісфосфату, який містить активний сайт та домен зв'язування AMP.
Місця зв’язування металів лежать між цими двома доменами.
- цитрат є активатором .
- АМФ є алостеричним інгібітором.
- фруктоза-2,6-бісфосфат є конкурентним інгібітором.
Печінка F-1,6BPase є ключовим ферментом у регуляції глюконеогенезу .
Він каталізує гідроліз фруктози 1,6-бісфосфату до фруктози 6-фосфату і вимагає двовалентних катіонів (магнію, марганцю, цинку чи кобальту) як кофактора.
6. Реакція, каталізована глюкозо-6-фосфатазою (EC 3.1.3.9)
Глюкоза-6-фосфатаза (G6Pase) каталізує останню реакцію глюконеогенезу: гідроліз 6-фосфату глюкози до глюкози.
Не фосфорилюючись, глюкоза вільніше досягає крові до транспортерів.
Таким чином, G6Pase грає важливу роль у гомеостазі концентрації глюкози в крові.
G6Pase локалізована в мембрані ендоплазматичного ретикулуму (ER) клітин печінки:
- N-кінець і каталітичний майданчик орієнтовані на просвіт ER
- С-кінець орієнтований на цитоплазму
Через сильну асоціацію з ендоплазматичним ретикулумом точна структура глюкози-6-Пази ще не визначена. .
Нижче, передбачувана 9-спіральна трансмембранна структура людської G6Pase.
Джерело: Pan et al. (1998)
Субодиниця цього ферменту, здається, діє як транслоказа для добування субстратом до цієї ділянки.
Нижче наведена схема функціонування G6Pase згідно з гіпотезою, відомою як каталітична одиниця - транслокація субстрату ("субстрат транслоказно-каталітична одиниця").
Джерело: Фостер і Нордлі (2002)
Каталітичною одиницею є G6Pase, розташована в мембрані ендоплазматичної сітки. Це не дуже специфічно для основи .
Це (принаймні) 3 додаткові транслокації, які нададуть системі специфічності шляхом вибіркового фільтрування доступу субстратів та продуктів. Такими транспортерами та/або допоміжними білками із зазначеними особливостями є: T1 ("передбачуваний транспортер глюкози-6-P"), T2α, T2β і T3.
Кола у внутрішній петлі каталітичної установки вказують на амінокислоти, які охоплюють фосфатазний мотив G6Pase.
Запропонована інша модель: транспорт субстрату та конформаційна гнучкість, поєднані в одному білку (G6Pase).
7. Регуляція глюконеогенезу
Загалом негативні ефектори (інгібітори) гліколізу є позитивними ефекторами (активаторами) глюконеогенезу.
Основним контрольним пунктом деградації або, навпаки, синтезу глюкози є регуляція активності фосфофруктокінази-1 (PFK-1) та F-1,6BPase.
Це регулювання по суті забезпечується F2,6BP, який активує PFK-1 і є алостеричним інгібітором F-1,6BPase.
Концентрація F2.6BP знаходиться під контролем глюкагону .
Глюкагон - пептидний гормон з 29 амінокислот, що виділяються підшлунковою залозою: він стимулює ліполіз та перетворення вільних жирних кислот у кетони, пригнічує синтез та сприяє розщепленню білків.
Єдині клітини, які мають багато рецепторів глюкагону, - це клітини печінки. Тому глюкагон діє надзвичайно вибірково.
Глюкагон пов'язується з рецептором глюкагону, який активує білок G, званий GS, що складається з 3 субодиниць (αβγ). Субодиниця α зв’язується з аденилатциклазою, яка активується і перетворює АТФ в циклічний АМФ (цАМФ).
Це, в свою чергу, активує фосфорилати протеїнкінази А [PFK2/F26BPase].
- знижує його кіназну активність (синтез F2,6BP знижується)
- підвищує свою фосфатазну активність (збільшується гідроліз F2.6BP)
Це призводить до зменшення концентрації F2,6BP.
Однак F2.6BP є:
- активатор PFK-1 -> гліколіз сповільнюється .
- інгібітор F-1,6BPase ---> стимулюється глюконеогенез .
Зниження інсуліну збільшує ефекти глюкагону:
- активація глікогенолізу (гідроліз глікогену) в печінці, нирках і м’язах
- інгібування глікогенезу (синтез глікогену з глюкозо-6-фосфату)
- стимуляція глюконеогенезу (синтез глюкози з пірувату)
- інгібування гліколізу шляхом фосфорилювання та інактивації піруваткінази
Індуковані глюкагоном зміни метаболізму сприяють глюконеогенезу проти гліколізу і призводять до гіперглікемії.
| 8. Інтернет-посилання та бібліографічні посилання |