Регулфяция метаболизма - Ньюсхолм Э.
Скачать (прямая ссылка):
7. РЕГУЛЯЦИЯ СУБСТРАТНЫМ ЦИКЛОМ
ФОСФОФРУКТОКИНАЗА — ФРУКТОЗОДИФОСФАТАЗА
Усиление, которое может быть достигнуто благодаря субстратному циклу, обсуждалось в гл. 2, разд. Е.2.а.1, а возможные примеры субстратных циклов обсуждались в связи-с регуляцией гликолиза в некоторых скелетных мышцах (гл. 3, разд. Г.4.д) и в связи с регуляцией поглощения глюкозы в печени (разд. Б.2.а). В срезах печени и коркового-вещества почек для протекания гликолиза и глюконеогенеза должны присутствовать и фосфофруктокиназа, и фруктозоди-фосфатаза. Следовательно, в условиях, когда протекает гликолиз, фруктозодифосфатаза могла быть неактивной, и наоборот, при протекании глюконеогенеза неактивной могла-быть фосфофруктокиназа. Возможно также, что в большинстве физиологических условий оба фермента одновременно^ активны и катализируют субстратный цикл. Хотя и не имеется данных, прямо поддерживающих или опровергающих ги^ потезу субстратного цикла на уровне этих ферментов в коре* почек и в печени, существуют косвенные доводы в пользу-этой теории.
а) Энергия, поглощаемая
фосфофруктокиназным — фруктозодифосфатазным
субстратным циклом в печени
Одно из основных возражений против роли субстратных циклов в регуляции метаболизма состоит в том, что субстратные циклы энергетически невыгодны. Превращение одной молекулы фруктозо-6-фосфата в фруктозодифосфат и обратно сопровождается в этом цикле затратой одной молекулы АТФ. Максимальная скорость функционирования цикла определяется активностью фермента, который обладает самой низкой максимальной активностью, измеренной в условиях in vitro. В рассматриваемом цикле максимальная активность фосфофруктокиназы в печени составляет около 5 мкмоль/(мин-г) при 37 °С, тогда как активность фруктозодифосфатазы втрое превышает активность фосфофруктокиназы. Таким образом, наибольшая скорость утилизации АТФ в этом цикле будет равна 5 мкмоль/(мин-г) при 37°С. Скорость образования АТФ в печени может составлять величину . порядка 50 мкмоль/(мин-г) (рассчитано по поглощению кислорода перфузируемой печенью ['46]), так что фосфофруктокиназ-ный/фруктозодифосфатазный цикл мог бы обусловить образование не более 10% общего количества АТФ в печени. В действительности же свойства обоих ферментов таковы, что ферменты эти никогда не будут обладать максимальной активностью одновременно и, следовательно, 10%—величина завышенная. ,
Однако в случае этого субстратного цикла в печенй не ,все энергетические соображения связаны с дебетом. Субстратный цикл гарантирует, что сложные регуляторные свойства фосфофруктокиназы доступны для регуляции обоих метаболических путей (-гликолиза и глюконеогенеза). Если бы оба фермента должны были контролироваться по отдельности и совершенно независимо (чтобы избежать субстратного цикла), следовало бы ожидать, что свойства фруктозодифосфатазы должны, по-видимому, быть зеркальным отражением свойств фосфофруктокиназы, т. е. фруктозодифосфатаза должна была бы обладать шестью регуляторными свойствами вместо одного. Так как стереоспецифическое место связывания, вероятно, требует пептидной структуры с молекулярным весом 10000 или более, энергия, затрачиваемая на синтез хотя бы одного такого пептида, будет значительной.
б) Избыточное поглощение кислорода при глюконеогенезе
В перфузируемой печени (или почках) добавленный лактат превращается почти исключительно в глюкозу, причем
количество синтезируемой глюкозы можно легко измерить. Так как последовательность реакций глюконеогенеза хорошо установлена, можно рассчитать, количество АТФ, требуемой для синтеза глюкозы, и, следовательно, количество требуемого для печени кислорода также может быть рассчитано. Однако оказалось, что количество поглощаемого кислорода значительно превышает расчетное количество [’46]. Избыточное
Лактат
АТФ для метабол^** ческого пути ¦
Фруктоз<ь_
6-фосфат
“ЯгФ для цикла
Тлюкозо-6-
фосфат
Глюкоза
АТФ с
$>АДФ
Рис. 83. Энергетические затраты при глкхконеогенезе. Штрих-пунктирными стрелками показан АТФ, используемый при валовом потоке 3-углеродиых остатков к глюкозе. Пунктирными стрелками показан АТФ, используемый для функционирования субстратных циклов.
потребление кислорода может быть объяснено наличием субстратных циклов. Добавление лактата к перфузируемой печени (по сравнению с контролем — без добавления лактата) увеличивает концентрацию промежуточных продуктов гликолиза, включая и те из них, которые служат субстратами ферментов, образующих цикл ['47]. Увеличение концентрации промежуточных продуктов гликолиза инициирует образова-' ние глюкозы и циклическое превращение субстратов, что со- 4 провождается избыточным поглощением кислорода для обеспечения энергетических затрат, происходящих при функционировании таких циклов (рис. 83).
в) Влияние жирных кислот и кетоновых тел на утилизацию
и образование глюкозы в срезах коры почек
Срезы коркового вещества почек поглощают глюкозу из инкубационной среды со скоростью около 10 мкмоль на 1 г сырого веса за 1 ч. При добавлении в инкубационную среду жирных кислот или кетоновых тел скорость поглощения глюкозы снижается по крайней мере на 50%. Скорость поглощения глюкозы уменьшается также при голодании животного-донора. Однако при замещении глюкозы в инкубационной
