Механизмы трансмембранного переноса глюкозы

Транспорт моносахаридов из просвета ки­шечника в клетки слизистой оболочки может осу­ществляться путем облегченной диффузии и актив­ного транспорта. При активном транспорте глюкоза и Na⁺ проходят с люминальной стороны, связываясь с разными участками белка-переносчика. При этом Na⁺ поступает в клетку под влиянием электрохимического гради­ента и «тащит» глюкозу за собой. Следователь­но, чем больше градиент Na⁺, тем больше поступ­ление глюкозы. Если концентрация Na⁺ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Градиент концентрации Na⁺ являющийся движущей силой этого симпорта, создается работой Na⁺K⁺ нacoca.

Глюкоза из клетки кишечника затем перемещается во внеклеточную жидкость и далее в кровь с помощью облегченной диффузии. Поступающая из кишечника глюкоза с кровью воротной вены попадает в печень, где часть ее задерживается, а часть через общий кровоток попадает в клетки других органов и тканей.

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит также путем облегченной диффузии при участии специальных белков-транспортеров. Следовательно, скорость трансмембранного пото­ка глюкозы зависит только от градиента ее концентрации.

Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регули­руется инсулином. В отсутствие инсулина плазматическая мемб­рана этих клеток непроницаема для глюкозы.

Белки-переносчики (транспортеры глюкозы — ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях. Существует не­сколько разновидностей ГЛЮТ, которые пронуме­рованы по порядку их обнаружения.

Все 5 типов ГЛЮТ имеют сходную первичную структуру.

ГЛЮТ-1 служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в мозг. В других тканях он поставляет глюкозу в клетки, когда они находятся в стоянии покоя.

ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из энтероцитов после всасывания в кишечнике.

ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, срод­ством к глюкозе. Он также обеспечивает постоян­ный приток глюкозы к клеткам нервной ткани.

ГЛЮТ-4 — главный переносчик глюкозы в мыш­цах и адипоцитах.

ГЛЮТ-5 встречается главным образом в кло­ках тонкой кишки. Его функции известны недо­статочно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазма­тической мембране, так и в цитозольных везикулах.

В отсутствие инсулина ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находится в цитоплаз­ме (рис.3). Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры глюкозы снова переме­щаются в цитозоль.

В клетки печени глюкоза проходит при учас­тии ГЛЮТ-2, независимого от инсулина. Концентрация глюкозы в гепатоцитах в период пище­варения повышается соответственно ее уровню в крови воротной вены. Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глю­козы в гепатоцит в период пищеварения косвенным путем, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.

Рисунок 3

Транспорт глюкозы из первичной мочи в клет­ки канальцев происходит путем актив­ного транспорта подобно тому, как это происходит с люминальной стороны кишечника в клетки. Благодаря этому глюкоза может поступать в клет­ки даже в том случае, если ее концентрация в про­свете кишечника или в первичной моче меньше, чем в клетках. Глюкоза реабсорбируется из первич­ной мочи почти полностью (на 99%) к конечной части канальцев.

Метаболизм глюкозы в клетке

Первая реакция, в которую вступает глюкоза в клетке, является единственной. Это реакция фосфорилирования глюкозы за счёт АТФ. Фермент, катализирующий эту реакцию, есть в любой клетке. Он называется гексокиназа (ГК).

Биологический смысл гексокиназной реакции:

1. Сделать молекулу глюкозы более способной к химическим реакциям, ослабить в ней химические связи, дестабилизировать её ("расшатать").

2. Связать, задержать глюкозу в клетке, чтобы она не смогла выйти обратно в кровь (глюкозо-6-фосфат не способен проходить через клеточную мембрану).

Чтобы связанная молекула могла выйти из клетки, глюкозо-6-фосфат должен превратиться обратно в глюкозу. Фермент, катализирующий обратную реакцию (превращение глюкозо-6-фосфата обратно в глюкозу), называется глюкозо-6-фосфатаза. Он гидролизует глюкозо-6-фосфат до глюкозы и Н₃РО₄ (Фн), то есть катализирует обходной обратный путь гексокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфатаза есть в печени, почках и слизистой оболочке кишечника.

3. Гексокиназа - это ключевой фермент всего метаболизма глюкозы. Он лимитирует (ограничивает) скорость всех путей метаболизма глюкозы в клетке. Гексокиназа всегда работает с максимальной скоростью.

Только в печени есть ещё один фермент, катализирующий реакцию превращения глюкозы в глюкозо-6-фосфат. Это изофермент гексокиназы - глюкокиназа. "На высоте пищеварения", когда концентрация глюкозы в воротной вене во много раз возрастает, глюкокиназа работает очень интенсивно. Следовательно, утилизация глюкозы клетками печени "на высоте пищеварения" возрастает при подключении дополнительного пути метаболизма (работа глюкокиназы).

Регуляторная роль гексокиназы: этот фермент угнетается избытком своего продукта - глюкозо-6-фосфата. Если по какой-то причине дальнейшее использование глюкозо-6-фосфата замедляется (его концентрация при этом возрастает), то автоматически тормозится гексокиназная реакция. Поэтому в такой ситуации замедляется использование в клетке глюкозы в целом.

После образования глюкозо-6-фосфата начинается разветвление дальнейших путей метаболизма глюкозы. Таких главных путей три.

1. Гексозомонофосфатный путь распада углеводов (ГМФ-путь)

2. Гексозобисфосфатный путь распада углеводов (ГБФ-путь).

3. Синтез гликогена.

Есть ещё минорные пути (в них используется небольшая доля глюкозы, поступающей в клетку). Эти пути не играют энергетической роли, а используются для построения олиго- и полисахаридных цепей гликопротеинов, то есть выполняют структурную роль.

 

Г Б Ф - П У Т Ь.

(ГЕКСОЗОБИСФОСФАТНЫЙ ПУТЬ РАСПАДА УГЛЕВОДОВ)

 

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГБФ-ПУТИ.

1. Это главный путь распада углеводов до конечных продуктов. Во многих клетках это - единственный путь. Так распадается 70-75% глюкозы, которая поступает в клетку.

2. Только ГБФ-путь дает клетке энергию в виде АТФ. Это основной источник получения энергии в клетке.

3. Это самый длинный путь распада углеводов.

ГБФ-путь делим на 3 этапа.

1-й этап протекает в цитоплазме, дает 8 молекул АТФ при распаде 1 молекулы глюкозы или 9АТФ при распаде одного глюкозного фрагмента гликогена. Заканчивается образованием 2-х молекул пирувата (ПВК).

2-й и 3-й этапы - (исключительно аэробные!) в митохондриях с обязательным участием кислорода. 2-й этап ГБФ-пути называется "окислительное декарбоксилирование пирувата". Пируват превращается в ацетил-коэнзим А. Молекула ацетил-коэнзима А вступает в 3-й этап. Этот 3-й этап называется циклом трикарбоновых кислот (ЦТК). В этом цикле АцКоА полностью расщепляется до СО₂ и Н₂О. 2-й и 3-й этапы дают 30 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

1-й этап проходит 10 промежуточных стадий. В ходе первой части этого этапа молекула глюкозы расщепляется пополам до 2-х молекул фосфоглицеринового альдегида (ФГА).

ОСОБЕННОСТИ ПЕРВОЙ ЧАСТИ 1-ГО ЭТАПА:

Гексокиназа работает, чтобы ослабить прочную молекулу глюкозы:

 

2-я реакция - изомеризации:

 

На 3-й стадии фруктозо-6-фосфат еще более ослабляется фосфофруктокиназой (ФФК) и образуется фруктозо-1,6-бисфосфат:

 

Фосфофруктокиназа - это ключевой фермент ГБФ-пути. Он является "пунктом вторичного контроля". Избыток АТФ и избыток цитрата сильно ингибируют ФФК. Из-за угнетения ФФК накапливаются глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф).

глюкозо-6-фосфат ингибирует гексокиназу, уменьшая утилизацию глюкозы клеткой и одновременно активирует гликогенсинтетазу.

Если нет избытка АТФ и цитрата, а есть избыток АДФ, то АДФ активирует ФФК, и тогда скорость всего ГДФ-пути лимитируется опять гексокиназой.

В результате фосфофруктокиназной реакции молекула фруктозо-1,6-бисфосфата распадается на 2 триозы при участии фермента альдолазы (4-я реакция):

 

5-я реакция:

 

В следующую (шестую) реакцию ГБФ-пути вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация и равновесие 5-й реакции сдвигается в сторону образования ФГА. Постепенно весь ФДА переходит в ФГА, и поэтому количество АТФ, синтезировавшееся в последующих реакциях ГБФ-пути, мы учитываем в расчете на 2 молекулы ФГА и других промежуточных метаболитов, которые из него образуются.

В 1-й части 1-ого этапа (от глюкозы до ФГА) расходуется 2 молекулы АТФ: одна - в гексокиназной реакции, другая - в фосфофруктокиназной (3-я реакция первого этапа ГБФ-пути).

2-я часть первого 1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.

 

Эта реакция катализируется ферментом "глицеральдегидфосфатдегидрогеназа". Отщепляемый водород передается на НАД с образованием НАДН₂. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на то, чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат).

7-я реакция: субстратное фосфорилирование.

 

 

Фосфат с макроэргической связью передается на АДФ с образованием АТФ. В результате 7-й стадии в молекуле фосфоглицериновой кислоты остается 1 остаток фосфорной кислоты.

8-я реакция: Фосфат переносится из 3-го во второе положение и образуется 2-фосфоглицериновая кислота.

 

9-я реакция:

От 2-фосфоглицериновой кислоты отнимается Н₂О. Это приводит к перераспределению молекулярной энергии. В результате на фосфате во втором положении накапливается энергия и связь становится макроэргической. Получается фосфоенолпируват(ФЕП).

10-я реакция: Субстратное фосфорилирование. Фосфат переносится на АДФ с образованием АТФ. ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).

На этом 1-й этап ГДФ-пути заканчивается, ПВК уходит в митохондрию и вступает во второй этап ГДФ-пути.

Итоги 1-го этапа: 10 реакций, из которых первая, третья и десятая реакции необратимы. Сначала расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы. Потом окисляется фосфоглицероальдегид. Энергия реализуется в ходе 2-х реакций субстратного фосфорилирования: в каждой из них образуется по 2 АТФ. Следовательно, на каждую молекулу глюкозы (на 2 молекулы ФГА) получается 4 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Суммарно все 10 стадий можно описать следующем уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ + 2НАД -----> 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАДН₂

НАДН₂ по системе митохондриального окисления передает водород на кислород воздуха с образованием Н₂О и 3 АТФ, но 1-й этап протекает в цитоплазме и НАДН₂ не может проходить через мембрану митохондрий.

Существуют челночные механизмы, обеспечивающие этот переход НАДН₂ через митохондриальную мембрану - малат-аспартатный челнок и глицерофосфатный челнок

В расчете на одну молекулу глюкозы образуется 2НАДН₂.

В дополнение к 2 АТФ, получаемым на 1-м этапе путем субстратного фосфорилирования, образуется еще 6 АТФ с участием кислорода, итого - 8 молекул АТФ. Столько АТФ образуется в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы в ходе первого этапа ГБФ-пути.

Если эти 8 АТФ добавить к 30 молекулам АТФ, которые образуются на 2-м и 3-м этапах, то суммарный энергетический итог всего ГБФ-пути составит 38 АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную до СО₂ и Н₂О. В этих 38 АТФ заключено 65 процентов энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе. Это доказывает очень высокую эффективность работы ГБФ-пути.

Из 38 АТФ основная их часть образуется на 2-м и 3-м этапах. Каждый из этих этапов абсолютно необратим и требует обязательного участия кислорода, так как окислительные стадии этих этапов сопряжены с митохондриальным окислением (без него невозможны). Весь ГБФ-путь от глюкозы или гликогена до СО₂ и Н₂О называют: АЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ.

Ключевые ферменты первого этапа ГБФ-пути: ГЕКСОКИНАЗА и ФОСФОФРУКТОКИНАЗА.