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
дополнительных источников энергии. Овцематки испытывают стресс синтеза глюкозы во вторую стадию беременности. В этот период энергия глюкозы необходима для роста и развития плода и плаценты. У овцематок, по сравнению с другими видами животных, высокое отношение массы плода к массе матери, что создает определенное напряжение гомеостаза глюкозы. Нарушения механизмов гомеостаза углеводного обмена отмечаются и при кетозах дойного стада.
Процессы глюконеогенеза и гликолиза взаимно согласованы; если один из них сравнительно не активен, то в этом случае другой будет проявлять высокую активность. Количество и активность определенных ферментов обоих процессов контролируется таким образом, что оба процесса не будут одновременно активными. Степень гликолиза так же детерминируется концентрацией глюкозы, а степень глюконеогенеза зависит от концентрации лактата и других предшественников глюкозы.
Взаимосвязь фруктозо-6-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата строго контролируется. Активность фосфофруктокиназы стимулируется АМФ и ингибируется АТФ и лимонной кислотой. Активность фруктозо1,6-дифосфатазы, с другой стороны, ингибируется АМФ и активируется лимонной кислотой. Высокий уровень АМФ в клетке указывает, что величина энергии – низкая, и свидетельствует о необходимости синтеза АТФ. Напротив, высокий уровень АТФ и лимонной кислоты показывает на высокий уровень энергии и уровень посредников биосинтеза. В этих условиях активность гликолиза снижается и возрастает активность глюконеогенеза.
Взаимосвязь фосфоенолпирувата и пирувата так же строго регулируется. Напомним, что активность пируват киназы контролируется аллостерическими эффекторами и фосфорилированием. В печени активность фермента ингибируется высоким уровнем АТФ и аланина, свидетельствуя о высоком уровне энергии и посредников этого синтеза. С другой стороны, активность пируват карбоксилазы угнетается АДФ, когда уровень энергии в клетке низкий. Поэтому процесс глюконеогенеза будет активным при наличии в клетке посредников синтеза и количества АТФ. Пируват киназа, ключевой фермент гликолиза, снижает свою активность, когда есть острая необходимость в глюкозе для функций мозга и мышц.
Метаболизм глюкозы в крови происходит в основном по пути гликолиза в эритроцитах. Так как эритроциты имеют малое число митохондрий, то конечным продуктом гликолиза является молочная кислота, которая из клеток поступает обратно в плазму крови. В эритроцитах глюкоза используется по пентозофосфатному пути для продукции НАДФН+Н+ , необходимого в этих клетках для поддержания восстановленной формы глютатиона. Восстановленный глютатион играет важную роль в разложении органических перекисей и перекиси водорода в реакции с участием глютатион-пероксидазы. НАДФН+Н+ абсолютно
