Тема 6. 9. Регуляция гликолиза и глюконеогенеза

В ПЕЧЕНИ

1. Переключение метаболизма печени с гликолиза на глюконеогенез и наоборот происходит при помощи:

- аллостерических механизмов регуляции активности ключевых ферментов;

- ковалентной модификации ферментов путем фосфорилирования (дефосфорилирования) с участием инсулина и глюкагона;

- индукции (репрессии) синтеза ключевых ферментов, катализирующих реакции субстратных циклов.

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза в печени направлена на необратимые стадии гликолиза и глюконеогенеза, которые формируют три субстратных цикла (на рис. 6.20 обозначены I, II, III). Название «субстратный цикл» означает объединение реакций синтеза и распада субстрата.

2. Направление реакций первого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы. При пищеварении (абсорбтивный период) концентрация глюкозы в крови повышается (до 120-140 мг/дл, или 7-8 ммоль/л). Активность глюкокиназы в этих условиях максимальна. Вследствие этого ускоряется реакция Глюкоза - Глюкозо-6-фосфат. Поскольку глюкокиназа печени не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (в отличие от гексокиназы мышц), то основная часть глюкозо-6-фосфата направляется в гликолиз и на синтез гликогена.

3. Направление реакций второго субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы фруктозо-1,6-бисфосфата. В этом цикле действует фруктозо-2,6-бисфосфат, который одновременно выполняет функцию аллостерического активатора фосфофруктокиназы (регуляторный фермент гликолиза) и аллостерического ингибитора фосфатазы фруктозо- 1,6-бисфосфата (регуляторный фермент глюконеогенеза).

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется в абсорбтивный период путем фосфорилирования фруктозо-6-фосфата при участии бифункционального фермента (БИФ), который в дефосфорилированной форме (БИФ-ОН) проявляет киназную активность (рис. 6.24). Дефосфорилирование БИФ происходит с помощью фермента фосфопротеинфосфатазы, который активируется при высоком инсулин-глюкагоновом индексе за счет инсулинового рецептора.

При низком инсулин-глюкагоновом индексе, характерном для периода голодания, происходит фосфорилирование БИФ (БИФ-ОРО₃Н₂) с помощью протеинкиназы А, которая активируется вследствие активации аденилатциклазной системы в результате взаимодействия гормона глюкагона с рецепторами. При этом БИФ проявляет фосфатазную активность. В результате

Рис. 6.24. Реакции, катализируемые бифункциональным ферментом (БИФ) в печени.

БИФ катализирует реакции обратимого превращения фруктозо-6-фосфата в фруктозо-2,6-бисфосфат. БИФ может находиться в двух формах: дефосфорилированной (БИФ-ОН) и фосфорилированной (БИФ-ОРО₃Н₂). БИФ-ОН обладает киназной активностью и способствует образованию фруктозо-2,6-бисфосфата. БИФ-ОРО₃Н₂ обладает фосфатазной активностью и способствует уменьшению концентрации фруктозо-2,6-бисфосфата и образованию фруктозо-6-фосфата. Фосфорилирование и дефосфорилирование БИФ связано с ритмом питания и регулируется гормонами. Инсулин (абсорбтивный период) активирует фермент фосфопротеинфосфатазу, что приводит к появлению формы БИФ-ОН, а глюкагон (постабсорбтивный период) активирует аденилатциклазную систему, что вызывает активацию протеинкиназы А и появление формы БИФ-ОРО₃Н₂

Уменьшается количество фруктозо-2,6-бисфосфата, что приводит к замедлению гликолиза и переключению метаболизма на глюконеогенез. Наличие двух активностей (киназной и фосфатазной) у БИФ определило название фермента - «бифункциональный».

БИФ присутствует только в гепатоцитах. Киназную и фосфатазную реакции катализируют разные активные центры БИФ, которые функционируют по очереди в зависимости от состояния фермента фосфорилированного или дефосфорилированного. Превращение фруктозо-2,6-бисфосфата в фрукто- зо-6-фосфат не является обратимым процессом. Образование фруктозо-2,6- бисфосфата требует затрат АТФ, а при образовании фруктозо-6-фосфата из фруктозо-2,6-бисфосфата высвобождается неорганический фосфат.

4. В регуляции третьего субстратного цикла основная роль принадлежит пируваткиназе, фосфорилированная форма которой неактивна, а дефосфорилированная активна (рис. 6.25). Дефосфорилирование пируваткиназы происходит в период пищеварения, когда инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует пируваткиназу, переводя ее в активное состояние. Следовательно, реакция превращенияфосфоенолпируват в пируват ускоряется при пищеварении (абсорбтивный период). В постабсорбтивном состоянии пируваткиназа при действии глюкагона на печень переходит в фосфорилированное неактивное состояние.

Реакция глюконеогенеза превращения пирувата - оксалоацетат катализитуется биотин-зависимым ферментом - пируваткарбоксилазой с участием АТФ в качестве источника энергии. Регуляция этой реакции осуществляется с помощью аллостерической активации ацетил-КоА.Биологическое значение этого эффекта объясняется тем, что при голодании организм начинает использовать жирные кислоты как источник энергии.

Рис. 6.25. Регуляция пируваткиназы в печени.