Витамин В12 абсорбируется из последней части тонкого кишечника в комплексе с внутренним фактором, гликопротеином, продуцируемым в желудке. В общем кровотоке витамин В12 транспортируется белком транскобаламином и депонируется в печени. При отсутствии этого гликопротеина витамин В12 не абсорбируется. Недостаток кобальта в кормах скота получил название акобальтоза («сухотка») с симптомами выраженного исхудания животного.
Принимая во внимание тот факт, что ацетил-КоА не может быть превращен в тканях животного в пируват, а затем в оксалоацетат, такие важные источники энергии, как ацетат и бутират у жвачных не приводят к синтезу свободной глюкозы. Отметим, что ацетат активно участвует в синтезе жирных кислот в жировой ткани жвачных, являющихся важнейшим источником энергии.
Почти все количество пропионовой кислоты, абсорбирующейся из рубца, поступает в печень, где используется в глюконеогенезе. Установлено, что пропионат, лактат и глицерол в целом обеспечивают потребности жвачных в глюкозе на 50–75%. При наличии в кормах большого количества глюкозы активность глюконеогенеза снижается, не нарушая использование пропионовой кислоты.
При голодании животного запасы гликогена в мышцах уменьшаются, и происходит образование свободных аминокислот за счет распада белков тканей, и эти кислоты становятся важными предшественниками синтеза глюкозы. Значительная часть тканевых белков может быть мобилизована для продукции глюкозы. Таким образом, аминокислоты являются субстратом для глюконеогенеза. Экспериментально доказано, что 20–30% атомов углерода глюкозы происходят от аминокислот плазмы крови у овец. Эта величина достигает 50% у дойных коров, потребности которых в углеводах более высокие.
Все аминокислоты, исключая лейцин и лизин, могут использоваться для синтеза глюкозы посредством глюконеогенеза. Если катаболизм какой-либо аминокислоты приводит к образованию пировиноградной или щавелевоуксусной кислоты, то в этом случае эта аминокислота может вступить в процесс глюконеогенеза. Такие аминокислоты получили название глюкогенных. Структуры шести аминокислот (аланин, глицин, триптофан, серин, цистеин, треонин) способны частично или полностью трансформироваться в пируват. Пируват затем может быть конвертирован в ацетил-КоА или в щавелевоуксусную кислоту, предшественник для глюконеогенеза. Аланин переходит в пируват за счет прямой реакции трансаминирования с альфа-кетоглутаровой кислотой. Серин трансформируется в пируват в реакции с участием серин дегидратазы. Глицин вначале претерпевает окислительный распад с выходом СО2 и NH3 c участием тетрагидрофолата с получением серина, переходящего в пируват. Переход треонина в пируват происходит через глицин с участием треонин дегидрогеназы. Цистеин переходит в пируват за счет двух реакций
с потерей сульфгидрильной группы и аминогруппы. Триптофан, теряя свою циклическую группировку в четырех реакциях, трансформируется в аланин, а затем в пируват.
Семь аминокислот – лизин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин, тирозин, треонин, способны переходить в ацетил-КоА и (или) ацетоацетил-КоА, переходящий затем в ацетил-КоА. Эти аминокислоты являются кетогенными. Аланин и глутамин, в частности, являются основными молекулами, которые транспортируют аминогруппы из периферических тканей в печень; это важные глюкогенные молекулы в организме млекопитающих. После удаления их аминогруппы в митохондриях печени, остающиеся углеродные скелеты (пируват и альфа-кетоглутаровая кислота, соответственно) способны активно вступать в реакции глюконеогенеза.
Следует указать, что образование молекулы глюкозы из пирувата является процессом сравнительно энергозатратным: необходимо затратить 4АТФ, 2ГТФ, 2НАДН.
У млекопитающих жирные кислоты не могут быть превращены в глюкозу. Из курса общей биохимии известно, что катаболизм большинства жирных кислот приводит к получению молекул ацетилКоА. Животные не могут использовать эти молекулы, как предшественник для синтеза молекул глюкозы, так как пируват-дегидрогеназная реакция необратима и клетки не имеют других реакций для превращения ацетил-КоА в пируват.
В печени глюконеогенез активно осуществляется у скота, в частности, из молочной кислоты, поступающей из работающих мышц. Синтез глюкозы при этом идет за счет обращений реакций гликолиза, хотя три его реакции, названные выше, являются необратимыми. Как известно, гликолиз – это распад глюкозы до получения молочной кислоты в анаэробных условиях. В аэробных условиях молочная кислота переходит при участии ЛДГ в пировиноградную кислоту. Под влиянием пируваткарбоксилазы пировиноградная кислота при участии АТФ превращается в щавелевоуксусную кислоту. Щавелевоуксусная кислота является основой для синтеза глюкозы в обратимых реакциях гликолиза.
Лактат и пируват являются кислотами, легко проникающими сквозь мембраны клеток. Они проходят из активной мышечной ткани в кровь и поступают в печень. При этом благодаря высокому НАДН/НАД+ отношению в сокращающейся мышце в печень приходит значительно большее количество лактата. В печени лактат окисляется в пируват благодаря низкому НАДН/НАД+ отношению в цитозоле гепатоцитов. Пируват затем конвертируется в процессе глюконеогенеза в глюкозу. Глюкоза поступает из печени в скелетные мышцы. Таким образом, печень снабжает глюкозой сокращающиеся скелетные мышцы, в которых образуется АТФ за счет гликолитического превращения глюкозы в лактат. Эти реакции составляют цикл Кори (Нобелевская премия, 1947).
При должном наличии глюкозы в печени и мышцах активно протекает синтез гликогена (гликогенез). Гликоген – важнейший резервный полисахарид организма как источник энергии. Доля гликогена в печени составляет в норме 3–6% сырой массы органа и 0,5–2,0% мышечной ткани. В крови гликоген находится в основном в лейкоцитах.
Почему глюкоза запасается в организме в форме гликогена? Это объясняется тем, что, во-первых, жир в мышцах не может быть использован как источник энергии так быстро, как гликоген. Во-вторых, жир не может быть использован как источник энергии в анаэробных условиях. В-третьих, жир не может быть превращен в глюкозу каким-либо путем с целью поддержания уровня глюкозы для такой ткани, как мозг.
Почему глюкоза не запасается в клетках в свободном состоянии? Проблема состоит в том, что глюкоза осмотически активна. Для поступления ее в клетку нужно было бы затратить АТФ; при этом ее концентрация внутри клеткок печени возрасла бы до 400 мМ. Такая концентрация глюкозы явилась бы причиной значительного притока воды и осмотического лизиса клеток. В действительности, запасы гликогена в клетки составляют лишь 0,01 мкМ и не создают проблемы осмотического давления. Гликоген мышц и печени выполняют разную роль. Гликоген мышц служит резервом синтеза АТФ внутри клеток этой ткани, тогда как функция гликогена печени состоит в резерве глюкозы для поддержания ее концентрации в крови. Уровень гликогена в печени варьирует в зависимости от содержания углеводов в кормах рациона. Гликоген печени никогда полностью не распадается. Его структура постоянно укорачивается (за счет гликоген-фосфорилазы) или удлиняется (за счет гликоген-синтазы).
Гликоген в скелетных мышцах используется этой тканью в случае необходимости как источник АТФ для мышечной активности без образования свободной глюкозы, как посредника, и лишь около 8% гликогена мышц превращается в свободную глюкозу внутри ткани. Небольшое количество этой свободной глюкозы поступает в кровяное русло, но большинство ее метаболизируется путем гликолиза. Клетки скелетных мышц имеют недостаток глюкозо-6-фосфатазы, а значит, большинство свободной глюкозы, образующейся за счет распада гликогена, катаболизируется. Поэтому «мышечный» гликоген не является количественно важным в поддержании уровня глюкозы в крови. Мышечный гликоген менее вариабелен, чем гликоген печени, в ответ на поступление углеводов в составе кормов.
Метаболические болезни жвачных имеют место в периоды, когда их система гемостаза глюкозы находится в состоянии стресса. Дойные коровы особенно уязвимы в период пика лактации, так как синтез лактозы, молочного сахара, требует затрат глюкозы. У высокопродуктивных коров почти вся синтезируемая глюкоза поступает на синтез лактозы, тогда как другие функции тканей обеспечиваются за счет
