: Главная arrow Клетка и ее структура arrow Вспомогательные циклы и глюконеогенез  

Вспомогательные циклы и глюконеогенез

Печать E-mail
 

 

Если во время роста клеток промежуточные продукты цикла трикарбо­новых кислот используются в биосинтетических процессах, недостаток этих продуктов компенсируется восполняющими (анаплеротическими) реакциями. Одна из функций таких реакций - регенерация оксалоацета­та, из которого в результате взаимодействия с ацетилкоферментом А образуется цитрат.

Когда субстратом для роста клетки служит глюкоза, этот сахар ис­пользуется для синтеза всех клеточных компонентов, содержащих глю­козу, рибозу, дезоксирибозу и другие производные Сахаров. В этом слу­чае анаплеротические реакции обеспечивают прежде всего бесперебой­ную работу цикла трикарбоновых кислот. При росте микроорганизмов на среде с лактатом, пируватом, ацетатом, глиоксилатом и другими углеродными соединениями дополнительные метаболические пути необ­ходимы не только для поддержания цикла трикарбоновых кислот, но и для образования промежуточных продуктов, используемых при био­синтезе Сахаров (глюконеогенезе).

Глюкоза как субстрат. Важнейшими и наиболее распространенными анаплеротическими реакциями, восполняющими расход промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот у животных, растений и ми­кроорганизмов, являются реакции карбоксилирования С3-кислот (пиру-вата,   фосфоенолпирувата),   ведущие   к    образованию    оксалоацетата

 (рис. 7.13). В животных тканях (в печени и почках), а также в клетках не­которых псевдомонад происходит карбоксилирование пирувата при уча­стии пируваткарбоксилазы:

Пируват + С02 + АТР -> Оксалоацетат + ADP + Pj

Самой распространенной реакцией следует, по-видимому, считать карбоксилирование фосфоенолпирувата (ФЕП) с помощью ФЕП-кар-боксилазы:

ФЕП + С02 + Н20 -> Оксалоацетат + Pi

Эта реакция практически необратима.

Лактат, пируват и другие С3-соединения как субстраты. При росте на средах с пируватом или родственными соединениями клеткам прихо­дится не только восполнять расход промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот, но, кроме того, синтезировать глюкозу и ее про­изводные, т. е. осуществлять глюкоиеогенез. Синтез Сахаров из лактата происходит через те же промежуточные соединения, что и гликолиз (фруктозобисфосфатный путь). Однако этапы, катализируемые гексо-киназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой, необратимы, и для их обхода используются ферментативные реакции, которые являются эк-зергоническими, когда процесс протекает в направлении синтеза глю­козы (рис. 7.3). В животных тканях (печень, почки) существует следую­щий путь в обход практически необратимой пируваткиназной реакции: сначала пируват карбоксилируется в оксалоацетат (под действием пиру­ваткарбоксилазы), а последний при участии ФЕП-карбоксикиназы пре­вращается в фосфоенолпируват (ФЕП):

Оксалоацетат +. GTP -* ФЕП + С02 + GDP

Этот синтез, ведущий от пирувата через оксалоацетат к фосфоенол-пирувату, требует двух высокоэнергетических фосфатов: одного для карбоксилирования пирувата, а другого-для образования фосфоенол­пирувата из оксалоацетата.

Недавно выяснилось, что обратная реакция, катализируемая ФЕП-карбокси-лазой,-это единственный путь синтеза оксалоацетата из С3-соединений у многих строго анаэробных бактерий (и червей). В среде с высоким содержанием С02 эта реакция  протекает  преимущественно   в  сторону  образования   оксалоацетата.

У Escherichia coli и других бактерий пируват непосредственно фосфо-рилируется под действием ФЕП-синтетазы (рис. 7.13):

Пируват   +   АТР   +   Н20  -►  ФЕП   +   AMP   +   Р;

Для этого тоже требуются две высокоэнергетические фосфатные свя­зи. Синтез оксалоацетата происходит в этом случае под действием ФЕП-карбоксилазы. Пируваткарбоксилаза у Е. coli отсутствует.

Пропионовые (пропионовокислые) бактерии, Acetobacter aceti, Entamoeba histolytica и Fusobacterium symbiosus имеют еще один фермент, образующий ФЕП из пирувата, а именно пируват-ортофосфатдикина-

 

Image

зу1, которая катализирует обратимую реакцию: Пируват + АТР + Р| ^i Фосфоенолпируват + АМР+ РР,

Следует отметить, что высокоэнергетическая связь дифосфата при этом сохраняется. У С4-растений, накапливающих дикарбоновые кис­лоты (кукуруза, сахарный тростник), пируват-ортофосфатдикиназа тоже ответственна за синтез фосфоенолпирувата, который затем с помощью ФЕП-карбоксилазы превращается в оксалоацетат.

Ацетат как субстрат. Рост микроорганизмов на среде с ацетатом или соединениями, катаболизм которых ведет к образованию ацетата (жирные кислоты, углеводороды), оказывается возможным благодаря глиоксилатному циклу, или циклу Кребса-Корнберга (рис. 7.14). Эта ана-плеротическая последовательность реакций протекает при участии двух ферментов: изоцитратлиаза расщепляет изоцитрат на сукцинат и глиок-силат:

Таким образом, под действием изоцитратлиазы и малатсинтазы происходит превращение одного моля изоцитрата и одного моля аце-тилкофермента А в два моля С4-дикарбоновых кислот. Эти кислоты под действием малатдегидрогеназы (декарбоксилирующей) превращают­ся в пируват или под действием ФЕП-карбоксилазы - в фосфоенолпиру-ват, т. е. могут использоваться для глюконеогенеза. Кроме того, из этих соединений образуется оксалоацетат для цитратсинтазной реакции, что служит источником строительных блоков для процессов биосинтеза. Для поддержания цикла трикарбоновых кислот во время превращений глюкозы, а также пирувата или других С3-соединений глиоксилатный цикл, видимо, существенного значения не имеет.

Глиоксилат как субстрат. Когда источником углерода служит глиок-силат (или его предшественники - гликолат, мочевая кислота), индуци­руются ферменты D-глицератного пути. Две молекулы глиоксилата под действием синтазы тартроновой кислоты (этот фермент называют так­же глиоксилат-карболигазой) превращаются в полуальдегид тартроно­вой кислоты (2-гидрокси-З-оксопропанат) с выделением С02. Этот аль­дегид восстанавливается с помощью специфической редуктазы до D-глицерата и фосфорилируется с образованием 3-фосфоглицерата:

 

Image

 

Образующийся из 3-фосфоглицерата обычным путем ацетилкофермент А включается в цикл трикарбоновых кислот и окисляется (рис. 17.15). Поставку промежуточных продуктов обеспечивает малатсинтаза; она катализирует реакцию еще одной молекулы глиоксилата с ацетилкофер-ментом А, в результате которой образуется малат.

В то время как ферменты главных метаболических путей всегда при­сутствуют в клетках, растущих, например, на таких субстратах, как глю­коза, ферменты вспомогательных циклов могут быть индуцибельными. При росте на средах с глюкозой содержание этих ферментов в клетках очень невелико, и часто их с трудом удается выявить. Этот мини­мальный уровень ферментативной активности называют основным уров­нем. Лишь после переноса клеток в питательную среду, содержащую в качестве единственного источника энергии и углерода ацетат или глиоксилат, индуцируется синтез соответствующих ферментов. При полной индукции содержание таких ферментов может в 100 и более раз превышать основной уровень.  Определяя их  активность до  и  после

смены субстрата, можно установить, действительно ли их образование было индуцировано субстратом. Если фермент образовался, то мы вправе заключить, что он участвует в метаболизме нового субстрата. Однако для полной уверенности следует провести опыты с мечеными соединениями, т.е. внести в среду вещества с радиоактивной меткой, а затем убедиться в том, что меченые атомы вошли в состав промежу­точных и конечных продуктов метаболизма.

Не следует думать, что все ферменты, участвующие в углеводном обмене, входят в постоянный набор клеточных ферментов, т. е. являют­ся конститутивными. Если, например, бактериальные клетки растут на среде с ацетатом, то в них часто образуются только те из ферментов обмена глюкозы, которые участвуют также и в глюконеогенезе; фер­менты же, катализирующие только реакции катаболизма глюкозы, со­держатся в таких клетках лишь в малых количествах или вовсе не выявляются.

Если среда содержит сразу два субстрата, то клетки нередко исполь­зуют только один из них. Например, при росте Escherichia coli или псев­домонад на среде с глюкозой и ацетатом сначала метаболизируется глюкоза. Ферменты, необходимые для использования ацетата, не обра­зуются-их синтез не индуцируется до тех пор, пока в среде присут­ствует глюкоза. В таком случае говорят о катаболитной репрессии синте­за ферментов, необходимых для использования ацетата.
 
« Пред.   След. »