Глюконеогенез. глюконеогенез – синтез глюкози із невуглеводних продуктів. такими продуктами або метаболітами є насамперед молочна та піровиноградна. Які речовини включаються в глюконеогенез? Де відбувається первинний синтез глюкози

Глюконеогенез. Цей процес уражає представників всіх царств живих організмів, але найважливіше значення має тут для клітин вищих тварин. Справа в тому, що ембріональні тканини, мозок, сім'яники, еритроцити як джерело вуглецю здатні використовувати тільки D-глюкозу. Якщо в раціоні не вистачає вуглеводів, у печінці індукується розпад глікогену, але і цього джерела може виявитися недостатньо (мозок людини на добу споживає понад 120 г глюкози). У такому разі глюкоза синтезується в організмі з невуглеводних попередників у ході глюконеогенезу. Найбільш активно глюконеогенез здійснюється у тварин у клітинах печінки та нирок.

Реакції глюконеогенезувеликою мірою тотожні зворотним реакціям гліколізу, і з них каталізуються тими ж ферментами, які задіяні в гліколізі.

Отже, у гліколізі є три практично незворотні реакції, замість яких у глюконеогенезі існують обхідні шляхи .

Перший обхідний шляхявляє собою перетворення пірувату на фосфоенолпіруват. Для безпосереднього переведення пірувату у фосфоенолпіруват недостатньо енергії розщеплення АТР, тому дана стадія здійснюється протягом декількох реакцій. Спочатку піруват, що утворюється переважно в цитоплазмі (з лактату, амінокислот, у гліколізі), перекладається в мітохондрії і там карбоксилюється в оксалоацетат.

Каталізує реакцію піруваткарбоксилазу, яка використовує як кофактор біотин. Оксалоацетат у мітохондріях відновлюється в малат (мітохондріальна малатдегідрогеназа), який за допомогою специфічних переносників транспортується до цитоплазми. У цитоплазмі малат знову окислюється в оксалоацетат (цитоплазматична малатдегідрогеназа), який за допомогою GTP-залежної фосфоенолпіруваткарбоксилази декарбоксилюється у фосфоенолпіруват (РEP).

Другий обхідний шляхв глюконеогенезі є перетворення фруктозодифосфату на вруктозо-6-фосфат. У гліколізі фосфофруктокіназна реакція, що супроводжується гідролізом АТР, є незворотною. У глюконеогенезі функціонує інший фермент-фруктозодифосфатаза, що каталізує практично необоротне відщеплення фосфатної групи від першого атома вуглецю. Фруктозодифосфатаза, як і піруваткарбоксилаза, є алостерічним ферментом. Його активність пригнічується за допомогою АМР та активується за участю АТР.

Третій обхідний шлях- дефосфорилювання глюкозо-6-фосфату, що не може статися за допомогою прямого звернення до гексокіназної реакції. Цю реакцію каталізує глюкозо-6-фосфатаза, яка локалізована на внутрішній поверхні мембран гладкого ендоплазматичного ретикулуму (ЕР). Тому для здійснення даної реакції глюкозо-6-фосфат транспортується до ЕР, де дефосфорилюється у вільну глюкозу. Слід зазначити, що глюкозо-6-фосфатаза відсутня у таких тканинах, як м'язи та мозок, тому вони не можуть постачати у кров вільну глюкозу.

Сумарне рівняння глюконеогенезу виглядає так:

З наведеного балансу випливає, що на утворення однієї молекули глюкозиу процесі глюконеогенезу витрачається шість високоенергетичних фосфатних зв'язків, і навіть дві молекули NADH. Важливо відзначити, що регуляція швидкості синтезу глюкози на цьому шляху здійснюється за допомогою ферментів, що не беруть участь у гліколізі. При цьому глюконеогенез найбільш інтенсивно протікає в умовах підвищеного вмісту в клітині паливних молекул, зокрема ацетил-СОА, та достатньої кількості АТР.

Гліцерол включається в шлях глюконеогенезу через дигідроксиацетонфосфат, який він перетворюється після фосфорилювання (за участю АТР) і дегідрування.

Амінокислоти надходять у шлях через такі метаболіти, як піруват і оксалоацетат, що утворюються в ході перебудов їх вуглецевих скелетів. Лактат перед вступом до глюконеогенезу повинен окислитися до пірувату.

Синтез глюкози із молочної кислоти

При фізичному навантаженні м'язахпродукується велика кількість молочної кислоти, особливо якщо навантаження інтенсивне, максимальної потужності. Також молочна кислота безперервно утворюється еритроцитаминезалежно від стану організму. Зі струмом крові вона надходить у гепатоцит і тут перетворюється на піруват. Далі реакції йдуть за класичною схемою.

Сумарна реакція глюконеогенезу із молочної кислоти:

Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H 2 O → Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Ф н

Синтез глюкози з амінокислот

Ряд амінокислот є глюкогенними, тобто їх вуглецеві скелети тією чи іншою мірою здатні включатися до складу глюкози. Такими є більшість амінокислот, крімлейцину та лізину, атоми вуглецю яких ніколи не беруть участь у синтезі вуглеводів.

Як приклад синтезу глюкози з амінокислот розглянемо участь у цьому процесі глутамату, аспартату, серину та аланіну.

Аспарагінова кислота(після реакції трансамінування) та глутамінова кислота(після дезамінування) перетворюються на метаболіти ЦТК, відповідно, на оксалоацетат та α-кетоглутарат.

Аланін, трансамінуючись, утворює піровиноградну кислоту, яка здатна карбоксилюватися до оксалоацетату Оксалоацетат, будучи першим елементом у процесі глюконеогенезу, далі входить у синтез глюкози.

Серіну триступінчастій реакції під впливом сериндегідратази втрачає аміногрупу і перетворюється на піруват, який вступає в глюконеогенез.

Включення амінокислот у синтез глюкози

Синтез глюкози із гліцерину

При фізичному навантаженні під впливом адреналіну або при голодуванні під впливом глюкагону та кортизолу в адипоцитах активно відбувається розпад триацилгліцеролів(ліполіз). Одним із продуктів цього процесу є спирт гліцерин, що надходить у печінку. Тут він фосфорилюється, окислюється до діоксиацетонфосфату і залучається до реакції глюконеогенезу.

16.2.1. Глюконеогенез – біосинтез глюкози з різних сполук невуглеводної природи. Біологічна роль глюконеогенезу полягає у підтримці постійного рівня глюкози в крові, що необхідно для нормального енергозабезпечення тканин, для яких характерна безперервна потреба у вуглеводах. Особливо це стосується центральної нервової системи.

Роль глюконеогенезу зростає за недостатнього надходження вуглеводів з їжею. Так, в організмі людини, що голодує, може синтезуватися до 200 г глюкози на добу. Глюконеогенез швидше, ніж інші метаболічні процеси, реагує на зміни дієти: введення з їжею великої кількості білків та жирів активізує процеси глюконеогенезу; надлишок вуглеводів, навпаки, гальмує новоутворення глюкози.

Інтенсивні фізичні навантаженнясупроводжуються швидким виснаженням запасів глюкози в організмі. І тут глюконеогенез є основним шляхом поповнення вуглеводних ресурсів, попереджаючи розвиток гіпоглікемії. Глюконеогенез в організмі тісно пов'язаний також із процесами знешкодження аміаку та підтримкою кислотно-основного балансу.

16.2.2. Основним місцем біосинтезу глюкози de novoє печінка. Глюконеогенез протікає також у кірковому шарі нирок. Вважають, що внесок нирок у глюконеогенез у фізіологічних умовах становить близько 10% глюкози, що синтезується в організмі; за патологічних станів ця частка може значно зростати. Незначна активність ферментів глюконеогенезу виявлена ​​у слизовій оболонці тонкого кишечника.

16.2.3. Послідовність реакцій глюконеогенезу є зверненням відповідних реакцій гліколізу. Лише три реакції гліколізу незворотні внаслідок значних енергетичних зрушень, що відбуваються в ході їх:

Обхід цих енергетичних бар'єрів забезпечують ключові ферменти глюконеогенезу.

Зворотний перехід пірувату у фосфоенолпіруват потребує участі двох ферментів. Перший з них - піруваткарбоксилаза - каталізує реакцію утворення оксалоацетату (рис. 16.4, реакція 1). Коферментом піруваткарбоксилази є біотин (вітамін Н). Реакція протікає у мітохондріях. Роль її також у поповненні фонду оксалоацетата для циклу Кребса.

Всі наступні реакції глюконеогенезу протікають у цитоплазмі . Мембрана мітохондрій непроникна для оксалоацетату, і він переноситься до цитоплазми у вигляді інших метаболітів: малату або аспартату. У цитоплазмі зазначені сполуки знову переходять до оксалоацетату. За участю фосфоенолпіруваткарбоксикінази з оксалоацетату утворюється фосфоенолпіруват (рисунок 16.4, реакція 2).

Фосфоенолпіруват внаслідок звернення низки реакцій гліколізу перетворюється на фруктозо-1,6-дифосфат. Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату на фруктозо-6-фосфат каталізується. фруктозодифосфатазою (Рисунок 16.4, реакція 3).

Фруктозо-6-фосфат ізомеризується в глюкозо-6-фосфат. Заключною реакцією глюконеогенезу є гідроліз глюкозо-6-фосфату за участю ферменту глюкозо-6-фосфатази (рис. 16.4, реакція 4).

Малюнок 16.4.Обхідні реакції глюконеогенезу .

16.2.4. Основними джерелами глюкози в глюконеогенезі є лактат, амінокислоти, гліцерол та метаболіти циклу Кребса.

Лактат- Кінцевий продукт анаеробного окиснення глюкози. Може включатися в глюконеогенез після окиснення до пірувату в лактатдегідрогеназної реакції (див. розділ «Гліколіз», рис. 15.4, реакція 11). При тривалій фізичній роботі основним джерелом лактату є скелетна мускулатура, у клітинах якої переважають анаеробні процеси. Накопичення молочної кислоти у м'язах обмежує їхню працездатність. Це з тим, що з підвищенні концентрації молочної кислоти у тканини знижується рівень рН (молочнокислий ацидоз). Зміна рН призводить до інгібування ферментів найважливіших метаболічних шляхів. В утилізації молочної кислоти, що утворюється, важливе місце належить глюкозо-лактатного циклу Корі (Рисунок 16.5).

Малюнок 16.5.Цикл Корі та глюкозо-аланіновий цикл (пояснення в тексті).

Глюкогенні амінокислоти, до яких належать більшість білкових амінокислот Провідне місце у глюконеогенезі серед амінокислот належить аланіну , який може перетворюватися на піруват шляхом трансамінування. При голодуванні, фізичній роботі та інших станах в організмі функціонує глюкозо-аланіновий цикл , подібний до циклу Корі для лактату (рисунок 16.2). Існування циклу аланіну - глюкоза перешкоджає отруєнню організму, так як у м'язах немає ферментів, що утилізують аміак. Внаслідок тренування потужність цього циклу значно зростає.

Інші амінокислоти можуть, подібно до аланіну, перетворюватися на піруват, а також на проміжні продукти циклу Кребса (α-кетоглутарат, фумарат, сукциніл-КоА). Всі ці метаболіти здатні перетворюватися на оксалоацетат і включатися в глюконеогенез.

Гліцерол- продукт гідролізу ліпідів у жировій тканині. Цей процес значно посилюється під час голодування. У печінці гліцерол перетворюється на діоксиацетонфосфат - проміжний продукт гліколізу і може бути використаний у глюконеогенезі.

Жирні кислоти і ацетил-КоА є попередниками глюкози. Окислення цих сполук забезпечує енергією процес синтезу глюкози.

16.2.5. Енергетичний баланс.Шлях синтезу глюкози з пірувату (рисунок 16.6) містить три реакції, що супроводжуються споживанням енергії АТФ або ГТФ:

Кожна з цих реакцій повторюється двічі, так як для утворення 1 молекули глюкози (С6) використовуються 2 молекули пірувату (С3). Тому енергетичний баланссинтезу глюкози з пірувату становить - 6 молекул нуклеозидтрифосфатів (4 молекули АТФ та 2 молекули ГТФ). При використанні інших попередників енергетичний баланс біосинтезу глюкози відрізняється.

Малюнок 16.6.Енергетичний баланс біосинтезу глюкози із лактату.

16.2.6. Регулювання глюконеогенезу.Швидкість глюконеогенезу визначається доступністю субстратів – попередників глюкози. Збільшення концентрації у крові будь-якого з попередників глюкози призводить до стимуляції глюконеогенезу.

Деякі метаболіти є алостеричними ефекторами ферментів глюконеогенезу. Наприклад, ацетил-КоА у підвищених концентраціях алостерично активує піруваткарбоксилазу, що каталізує першу реакцію глюконеогенезу. Аденозинмонофосфат, навпаки, інгібує на фруктозодифосфатазу, а надлишок глюкози інгібує глюкозо-6-фосфатазу.

Гормон підшлункової залози глюкагон, гормони надниркових залоз адреналін і кортизол підвищують швидкість біосинтезу глюкози в організмі, збільшуючи активність ключових ферментів глюконеогенезу або збільшуючи концентрацію цих ферментів у клітинах. Гормон підшлункової залози інсулін сприяє зниженню швидкості глюконеогенезу в організмі.

Глюконеогенез - процес синтезу глюкози із речовин невуглеводної природи. Його основною функцією є підтримання рівня глюкози у крові в період тривалого голодування та інтенсивних фізичних навантажень. Процес протікає в основному в печінці і менш інтенсивно в кірковій речовині нирок, а також у слизовій оболонці кишечника. Ці тканини можуть забезпечувати синтез 80-100 г глюкози на добу. Перед мозку при голодуванні припадає більшість потреби організму в глюкозі. Це пояснюється тим, що клітини мозку не здатні, на відміну від інших тканин, забезпечувати потреби в енергії за рахунок окислення жирних кислот. Крім мозку, глюкози потребують тканини і клітини, яких аеробний шлях розпаду неможливий або обмежений, наприклад еритроцити (вони позбавлені мітохондрій), клітини сітківки, мозкового шару надниркових залоз та ін. Первинні субстрати глюконеогенезу - лактат, амінокислоти та гліцерол. Включення цих субстратів до глюконеогенезу залежить від фізіологічного стану організму.

Лактат - продукт анаеробного гліколізу. Він утворюється за будь-яких станах організму в еритроцитах і працюючих м'язах. Таким чином, лактат використовується у глюконеогенезі постійно.

Гліцерол вивільняється при гідроліз жирів у жировій тканині в період голодування або при тривалому фізичному навантаженні.

Амінокислоти утворюються в результаті розпаду м'язових білків і включаються до глюконеогенезу при тривалому голодуванні або тривалій м'язовій роботі.

Більшість реакцій глюконеогенезу протікає рахунок оборотних реакцій гліколізу і каталізується тими самими ферментами. Однак 3 реакції гліколізу термодинамічно необоротні. На цих стадіях реакції глюконеогенезу протікають іншими шляхами. Необхідно відзначити, що гліколіз протікає в цитозолі, а частина реакцій глюконеогенезу відбувається у мітохондріях.

Утворення фосфоенолпірувату з пірувату . Утворення фосфоенолпірувату з пірувату відбувається в ході двох реакцій перша з яких протікає в мітохондріях. Піруват, що утворюється з лактату або деяких амінокислот, транспортується в матрикс мітохондрій і там карбоксилюється з утворенням оксалоацетату.

Піруват-карбоксилаз а,що каталізує цю реакцію, - мітохондріальний фермент, коферментом якого є біотин. Реакція відбувається з використанням АТФ.

Подальші перетворення оксалоацетату протікають у цитозолі. Отже, цьому етапі має існувати система транспорту оксалоацетата через мітохондріальну мембрану, яка йому непроникна. Оксалоацетат у мітохондріальному матриксі відновлюється з утворенням малату за участю NADH (зворотна реакція цитратного циклу).

Малат, що утворився, потім проходить через мітохондріальну мембрану за допомогою спеціальних переносників. Крім того, оксалоацетат здатний транспортуватися з мітохондрій до цитозолі у вигляді аспартату в ході малат-аспартатного човникового механізму. У цитозолі малат знову перетворюється на оксалоацетат у ході реакції окислення за участю коферменту NAD+. Обидві реакції: відновлення оксалоацетату та окислення малага каталізують малатдегідрогеназу, але в першому випадку це мітохондріальний фермент, а в другому – цитозольний. Утворений у цитозолі з ма-лату оксалоацетат потім перетворюється на фосфоенолпіруват у ході реакції, що каталізується фосфоенолпіруваткарбоксикіназою - ГТФ-залежним ферментом.

Утворення глюкози з лактату. Лактат, що утворився в м'язах, що інтенсивно працюють, або в клітинах з переважним анаеробним способом катаболізму глюкози, надходить в кров, а потім в печінку. У печінці відношення NADH/NAD + нижче, ніж у м'язі, що скорочується, тому лактатдегідрогеназна реакція протікає у зворотному напрямку, тобто. у бік утворення пірувату з лактату. Далі піруват включається в глюконеогенез, а глюкоза, що утворилася, надходить у кров і поглинається скелетними м'язами. Цю послідовність подій називають " глюкозо-лактатним циклом", або "циклом Корі " .

Цикл Корі виконує дві найважливіші функції: 1 - забезпечує утилізацію лактату; 2 - запобігає накопиченню лактату і, як наслідок, небезпечне зниження рН (лактоацидоз). Частина пірувату, утвореного з лактату, окислюється печінкою до СО 2 і Н 2 О. Енергія окиснення може використовуватись для синтезу АТФ, необхідного для реакцій глюконеогенезу.

Утворення глюкози з амінокислот. Амінокислоти, які при катаболізмі перетворюються на піруват або метаболіти цитратного циклу, можуть розглядатися як потенційні попередники глюкози та глікогену і носять назву глікогенних. Наприклад, окса-лоацетат, що утворюється з аспарагінової кислоти, є проміжним продуктом як цитратногр циклу, так і глюконеогенезу. З усіх амінокислот, що у печінку, приблизно 30% посідає частку аланина. Це пояснюється тим, що при розщепленні м'язових білків утворюються амінокислоти, багато з яких перетворюються відразу на піруват або спочатку на оксалоацетат, а потім на піруват. Останній перетворюється на аланін, набуваючи аміногрупи від інших амінокислот. Аланін з м'язів переноситься кров'ю в печінку, де знову перетворюється на піруват, який частково окислюється і частково входить у глюкозонеогенез. Отже, існує така послідовність подій (глюкозо-аланіновий цикл ) : глюкоза у м'язах → піруват у м'язах → аланін у м'язах → аланін у печінці → глюкоза у печінці → глюкоза у м'язах. Весь цикл не призводить до збільшення кількості глюкози в м'язах, але він вирішує проблеми транспорту амінного азоту з м'язів у печінку та запобігає лактоацидозу.

Утворення глюкози з гліцеролу . Гліцерол утворюється при гідролізі триацил-гліцеролів, головним чином жирової тканини. Використовувати його можуть ті тканини, в яких є фермент гліцерол кіназу, наприклад печінка, нирки. Цей АТФ-залежний фермент каталізує перетворення гліцеролу на α-гліцерофосфат (гліцерол-3-фосфат). При включенні гліцерол-3-фосфату в глюконеогенез відбувається його дегідрування NAD-залежною дегідрогеназою з утворенням дигідроксиацетонфосфату, який далі перетворюється на глюкозу.

35.35 Уявлення про пентозофосфатний шлях перетворень глюкози. Окисні реакції (до стадії рибулозо-5-фосфату). Поширення та сумарні результати цього шляху (освіта пентоз, НАДФН та енергетика)

Пентозофосфатний шлях , званий також гексомонофосфатним шунтом, є альтернативним шляхом окислення глюкозо-6-фосфату. Пентозофосфатний шлях складається з 2 фаз (частин) - окисної та неокислювальної.

В окислювальній фазі глюкозо-6-фосфат необоротно окислюється в пентозу - рибулозо-5-фосфат, і утворюється відновлений NADPH. У неокислювальній фазі рибулозо-5-фосфат оборотно перетворюється на рибозо-5-фосфат та метаболіти гліколізу. Пентозофосфатний шлях забезпечує клітини рибозою для синтезу пуринових та піримідинових нуклеотидів та гідрованим коферментом NADPH, який використовується у відновлювальних процесах. Сумарне рівняння пентозофосфатного шляху виражається так:

3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP + → 3 СО 2 + 6 (NADPH + Н + ) + 2 Фруктозо-6-фосфат + Гліцеральдегід-3-фосфат.

Ферменти пентозофосфатного шляху, як і, як і ферменти гліколізу, локалізовані в цитозоле. Найбільш активно пентозофосфатний шлях протікає у жировій тканині, печінці, корі надниркових залоз, еритроцитах, молочній залозі в період лактації, насінниках.

В окисній частині пентозофосфатного шляху глюкозо-6-фосфат піддається окисному декарбоксилюванню, в результаті якого утворюються пентози. Цей етап включає 2 реакції дегідрування.

Перша реакція дегідрування - перетворення глюкозо-6-фосфату в глюконолактон-6-фосфат - каталізується NАDР + ​​-залежної глюкозо-6-фосфатдегідрогенази і супроводжується окисленням альдегідної групи у першого атома вуглецю та утворенням однієї молекули відновленого кофер. Далі глюконолактон-6-фосфат швидко перетворюється на 6-фосфоглюконат за участю ферменту глюконолактонгідратази. Фермент 6-фосфоглюконатдегідрогеназу каталізує другу реакцію дегідрування окисної частини, в ході якої відбувається також і декарбоксилювання. При цьому вуглецевий ланцюг коротшає на один атом вуглецю, утворюється рибулозо-5-фосфат та друга молекула гідрованого NADPH. Відновлений NADPH пригнічує перший фермент окисного етапу пентозофосфатного шляху - глюкозо-6-фосфатдегідрогеназу. Перетворення NADPH на окислений стан NADP+ призводить до послаблення інгібування ферменту. При цьому швидкість відповідної реакції зростає і утворюється більша кількість NADPH.

Сумарне рівняння окисного етапу пентозофосфатногошляхи можна представити у вигляді:

Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP + + Н 2 Про → Рибулозо-5-фосфат + 2 NADPH + Н + + СО 2 .

Реакції окисного етапу є основним джерелом NADPH в клітинах. Гідровані коферменти забезпечують воднем біосинтетичні процеси, окислювально-відновлювальні реакції, що включають захист клітин від активних форм кисню.

Окислювальний етап утворення пентоз та неокислювальний етап (шлях повернення пентоз у гексози) становлять разом циклічний процес. Такий процес можна описати загальним рівнянням:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP + + 2 Н 2 Про → 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +12 Н + + 6 С 2 .

Це означає, що з 6 молекул глюкози утворюються 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентози) та 6 молекул СО 2 . Ферменти неокислювальної фази перетворюють 6 молекул рибулозо-5-фосфат на 5 молекул глюкози (гексози). При послідовному проведенні цих реакцій єдиним корисним продуктом є NADPH, що утворюється в фазі окисної пентозофосфатного шляху. Такий процес називають пентозофосфатним циклом. Протікання пентозофосфатного циклу дозволяє клітинам продукувати NADPH, необхідний синтезу жирів, не накопичуючи пентози.

Енергія, що виділяється при розпаді глюкози, трансформується на енергію високоенергетичного донора водню - NADPH. Гідрований NADPH служить джерелом водню для відновлювальних синтезів, а енергія NADPH перетворюється і зберігається у знову синтезованих речовинах, наприклад жирних кислот, вивільняється при їх катаболізмі і використовується клітинами.

Глюконеогенез – синтез глюкози з невуглеводних продуктів. Такими продуктами або метаболітами є насамперед молочна та піровиноградна кислоти, так звані глікогенні амінокислоти та ряд інших сполук. Іншими словами, попередниками глюкози в глюконеогенезі можуть бути піруват або будь-яка сполука, що перетворюється в процесі катаболізму на піруват або один із проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот. У хребетних найбільш інтенсивно глюконеогенез протікає у клітинах печінки та нирок (кіркова речовина).

Більшість стадій глюконеогенезу є зверненням реакцій гліколізу. Тільки три реакції гліколізу (гексокіназна, фосфофруктокіназна та піруваткиназна) необоротні, тому в процесі глюконеогенезу на трьох етапах використовуються інші ферменти. Розглянемо шлях синтезу глюкози із пірувату.

Утворення фосфоенолпірувату з пірувату.Синтез фосфоенолпірувату здійснюється у кілька етапів. Спочатку піруват під впливом піруваткарбоксилази та за участю СО 2 і АТФ карбоксилюється ( У реакцію вступає так звана активна форма 2, в освіті якої, крім АТФ, бере участь біотин.) з утворенням оксалоацетату:

Потім оксалоацетат в результаті декарбоксилювання та фосфорилювання під впливом ферменту фосфоенолпіруваткарбоксикінази ( Назва ферменту дано за зворотною реакцією) перетворюється на фосфоенолпіруват. Донором фосфатного залишку реакції служить гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Надалі було встановлено, що у процесі утворення фосфоенолпірувату беруть участь як ферменти цитоплазми, так і мітохондрій.

Перший етап локалізується у мітохондріях (рис. 88). Піруват-карбоксилаза, що каталізує цю реакцію, є алостеричним мітохондріальним ферментом. Як алостеричний активатор даного ферменту необхідний ацетил-КоА. Мембрана мітохондрій непроникна для оксалоацетату, що утворився. Останній тут же у мітохондріях відновлюється в малат:

Реакція протікає за участю мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази. У мітохондріях відношення НАДН 2 / НАД відносно велике, у зв'язку з чим внутрішньомітохондріальний оксалоацетат легко відновлюється малат, який легко виходить з мітохондрії, проходячи мітохондріальну мембрану. У цитоплазмі відношення НАДН 2 / НАД дуже мало і малат знову окислюється в оксалоацетат за участю цитоплазматичної НАД-залежної малатдегідрогенази:

Подальше перетворення оксалоацетату на фосфоенолпіруват відбувається в цитоплазмі клітини. На рис. 89 зображено викладений вище процес утворення фосфоенолпірувату з пірувату.

Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату на фруктозо-6-фосфат.Фосфоенолпіруват, що утворився з пірувату, внаслідок низки оборотних реакцій гліколізу перетворюється на фруктозо-1,6-дифосфат. Далі слідує фосфофруктокіназна реакція, яка необоротна. Глюконеогенез йде в обхід цієї ендергонічної реакції. Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату на фруктозо-6-фосфат каталізується специфічною фосфатазою:

Слід зазначити, що фруктозобісфосфатаза інгібується АМФ та активується АТФ, тобто дані нуклеотиди надають на фруктозобісфосфатазу дію, протилежну їх дії на фосфофруктокіназу (див. с. 329). Коли концентрація АМФ мала, а концентрація АТФ велика, стимулюється глюконеогенез. Навпаки, коли величина відношення АТФ/АМФ низька, у клітині відбувається розщеплення глюкози.

Утворення глюкози із глюкозо-6-фосфату.У наступній оборотній стадії біосинтезу глюкози фруктозо-6-фосфат перетворюється на глюкозо-6-фосфат. Останній може дефосфорилуватися (тобто реакція йде в обхід гексокіназної реакції) під впливом ферменту глюкозо-6-фосфатази:

На рис. 89 представлені «обхідні» реакції при біосинтезі глюкози з пірувату та лактату. Цікаво відзначити, що між гліколізом, що інтенсивно протікає в м'язовій тканині при її активній діяльності, і глюконеогенезом, особливо характерним для печінкової тканини, існує тісний взаємозв'язок. При максимальній активності м'язів у результаті посилення гліколізу утворюється надлишок молочної кислоти, що дифундує кров. Значна частина надлишку лактату в печінці перетворюється на глюкозу (глюконеогенез). Глюкоза, що утворилася в печінці, потім може бути використана як енергетичний субстрат, необхідний для діяльності м'язової тканини. Взаємозв'язок між процесами гліколізу в м'язовій тканині та глюконеогенезом у печінці представлений на схемі.

Аеробний метаболізм пірувату

Клітини, що погано постачаються киснем, можуть частково або повністю існувати за рахунок енергії гліколізу. Однак більшість тканин енергію отримує в основному за рахунок аеробних процесів (наприклад, окислення пірувату). При гліколізі піровиноградна кислота відновлюється і перетворюється на молочну кислоту – кінцевий продукт анаеробного обміну; у разі ж аеробного перетворення піровиноградна кислота піддається окисному декарбоксилюванню з утворенням ацетил-КоА, який може окислюватися до води і СО 2 .

Окислення пірувату до ацетил-КоА (окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти)

Окислення пірувату до ацетил-КоА, що каталізується піруватдегідрогеназною системою, протікає в кілька стадій (рис. 90). У ньому беруть участь три ферменти (піруватдегідрогеназа, ліпоатацетилтрансфераза, ліпоаміддегідрогеназа) та п'ять коферментів (НАД, ФАД, тіаміндифосфат, амід ліпоєвої кислоти та коензим А). Сумарно реакцію можна написати так:

Піруват + НАД + HS-KoA --> Ацетил-КоА + НАДН 2 + СО 2

Реакція супроводжується значним зменшенням стандартної вільної енергії та практично необоротна.

Перша стадія окисного декарбоксилювання пірувату каталізується ферментом піруватдегідрогеназою (E 1); коферментом у цій реакції служить ТДФ. Відщеплюється СО 2 і з пірувату утворюється гідроксиетильне похідне ТДФ:

У другій стадії процесу оксиетильна група комплексу E 1 - ТДФ-СНОН-СН 3 переноситься на амід ліпоєвої кислоти, який у свою чергу пов'язаний з ферментом ліпоатацетилтрансферазою (Е 2). Утворюється ацетил, пов'язаний з відновленою формою аміду ліпоєвої кислоти, та звільняється ТДФ-Е 1 .

Ацетил-ліпоат (пов'язаний із ферментним комплексом) потім взаємодіє з коензимом А (третя стадія). Реакція каталізується ферментом ліпоат-ацетилтрансферазою (Е2). Утворюється ацетил-КоА, який відокремлюється від ферментного комплексу.