Переваривание и транспорт глюкозы

Пищеварительные ферменты расщепляют крахмал и сахара до моносахаридов, которые с помощью белков-переносчиков поступают в кровь, а затем в клетки 12.

Амилазы расщепляют крахмал до мальтозы, мальтотриозы и предельных декстринов; ферменты щёточной каймы высвобождают из них глюкозу и гидролизуют лактозу и сахарозу 1. SGLT1 переносит каждую молекулу глюкозы или галактозы в энтероцит вместе с двумя ионами Na+, а GLUT2 выводит эти моносахариды в кровь 2.

Переваривание крахмала и всасывание глюкозыПолость рта и просвет тонкой кишки; щёточная кайма, цитозоль и базолатеральная мембрана энтероцитов
  1. Крахмал (амилоза и амилопектин)
  2. α-Амилаза (слюнная AMY1, панкреатическая AMY2A)Гидролизует внутренние α-1,4-связи; α-1,6-связи в точках ветвления не расщепляет
  3. Мальтоза, мальтотриоза и α-предельные декстрины
  4. Мальтаза-глюкоамилаза (MGAM) и сахараза-изомальтаза (SI)Экзогидролазы щёточной каймы; α-1,6-связи расщепляет почти исключительно SI
  5. Глюкоза в просвете кишечника
  6. SGLT1 (SLC5A1)2 Na⁺Вторично-активный транспорт через апикальную мембрану
  7. Глюкоза в энтероците
  8. GLUT2 (SLC2A2)Облегчённая диффузия через базолатеральную мембрану
  9. Глюкоза в крови воротной вены

GLUT1 переносит глюкозу через гематоэнцефалический барьер, GLUT2 — через мембрану гепатоцитов, а GLUT3 в большом количестве содержится в головном мозге; инсулин вызывает перемещение GLUT4 на поверхность мышечных и жировых клеток 2.

Гликолиз

В ходе гликолиза каждая молекула глюкозы расщепляется внутри клетки на две молекулы пирувата; чистый выход составляет две молекулы АТФ 1.

ГликолизЦитозоль
  1. Глюкоза
  2. Гексокиназы 1–3 (HK1–HK3); глюкокиназа (GCK) в печени и β-клеткахАТФ → АДФГлюкозо-6-фосфат (HK1–HK3)Необратима; у GCK выше Km и слабее ингибирование продуктом
  3. Глюкозо-6-фосфат
  4. Глюкозо-6-фосфатизомераза (GPI)
  5. Фруктозо-6-фосфат
  6. Фосфофруктокиназа-1 (PFKL, PFKM, PFKP)АТФ → АДФ, Mg2+АТФЦитратПервая специфическая стадия; активаторы — АМФ, АДФ и фруктозо-2,6-бисфосфат
  7. Фруктозо-1,6-бисфосфат
  8. Альдолаза (ALDOA, ALDOB, ALDOC)Образуется также ДГАФ, изомеризуемый TPI1; далее все стадии — дважды на глюкозу
  9. Глицеральдегид-3-фосфат
  10. Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH)НАД+ → НАДН, Фосфат
  11. 1,3-Бисфосфоглицерат
  12. Фосфоглицераткиназа 1 (PGK1)АДФ → АТФ, Mg2+Первое субстратное фосфорилирование
  13. 3-Фосфоглицерат
  14. Фосфоглицератмутаза (PGAM1, PGAM2)2,3-Бисфосфоглицерат (праймер)
  15. 2-Фосфоглицерат
  16. Енолаза (ENO1, ENO2, ENO3)Mg2+Отщепляется вода
  17. Фосфоенолпируват
  18. Пируваткиназа (PKLR в печени и эритроцитах; PKM)АДФ → АТФ, Mg2+, K+Необратима; фруктозо-1,6-бисфосфат активирует PKLR и PKM2
  19. Пируват

Гексокиназы, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа катализируют три физиологически необратимые стадии гликолиза 1. Глюкозо-6-фосфат ингибирует гексокиназы; глюкокиназа, которая присутствует в гепатоцитах и β-клетках, отличается более высоким значением Km и меньшей чувствительностью к ингибированию продуктом и служит сенсором глюкозы в β-клетках 12. Варианты гена GCK вызывают MODY2 и семейную гиперинсулинемическую гипогликемию 2. Фосфофруктокиназу-1, реакция которой окончательно направляет глюкозу на путь гликолиза, активируют АМФ, АДФ и фруктозо-2,6-бисфосфат, а ингибируют АТФ и цитрат 2; инсулин повышает, а глюкагон снижает уровень фруктозо-2,6-бисфосфата 1. Фруктозо-1,6-бисфосфат активирует пируваткиназу печени и эритроцитов, а варианты гена PKLR вызывают гемолитическую анемию 12.

Лактат и цикл Кори

В отсутствие кислорода, а также в клетках без митохондрий, например в эритроцитах, пируват восстанавливается до лактата, который печень вновь превращает в глюкозу 1.

В этой реакции НАДН, образовавшийся при гликолизе, окисляется обратно до НАД+ 1. Ресинтез одной молекулы глюкозы путём глюконеогенеза требует затраты шести макроэргических фосфатных связей, тогда как гликолиз даёт две молекулы АТФ 1. Концентрация лактата в крови выше 5 mmol/l — признак лактоацидоза, ассоциированного с приёмом метформина 3.

Пируватдегидрогеназа и тиамин

В митохондриях ферментный комплекс, для работы которого необходим витамин B1, необратимо превращает пируват в ацетил-КоА 1456.

Цикл липоильной группы пируватдегидрогеназного комплексаМитохондриальный матрикс
123S-Ацетилдигидролипоил-E2Дигидролипоил-E2Липоил-E2
  1. S-Ацетилдигидролипоил-E2Дигидролипоил-E2Дигидролипоамидацетилтрансфераза (E2; DLAT)Кофермент А → ацетил-КоА
  2. Дигидролипоил-E2Липоил-E2Дигидролипоамиддегидрогеназа (E3; DLD)ФАД, НАД+ → НАДНЭлектроны переносятся с дигидролипоильной группы на ФАД, а затем на НАД+
  3. Липоил-E2S-Ацетилдигидролипоил-E2Пируватдегидрогеназа (E1; PDHA1, PDHB)Тиаминпирофосфат, Mg2+, Пируват → CO2Декарбоксилирует пируват, затем восстановительно ацетилирует липоильную группу

Компонент E1 декарбоксилирует пируват с участием тиаминпирофосфата 42. Четыре киназы инактивируют E1 путём фосфорилирования, а две фосфатазы восстанавливают его активность 12; голодание индуцирует экспрессию PDK4, а дихлорацетат ингибирует PDK1–3 2. Дефицит тиамина вызывает бери-бери и энцефалопатию Вернике, ассоциированную с алкоголизмом 51.

Цикл трикарбоновых кислот

В цикле трикарбоновых кислот ацетильная группа окисляется до углекислого газа, а её электроны передаются на молекулы-переносчики 1.

Цикл трикарбоновых кислотМитохондриальный матрикс; сукцинатдегидрогеназа — во внутренней мембране
12345678ОксалоацетатЦитратИзоцитрат2-ОксоглутаратСукцинил-КоАСукцинатФумаратМалат
  1. ОксалоацетатЦитратЦитратсинтаза (CS)Ацетил-КоА, H2OНеобратимое включение ацетильной группы; высвобождается КоА
  2. ЦитратИзоцитратАконитаза 2 (ACO2)Кластер [4Fe-4S]Через цис-аконитат
  3. Изоцитрат2-ОксоглутаратИзоцитратдегидрогеназа 3 (IDH3A, IDH3B, IDH3G)НАД+ → НАДН, Mg2+ или Mn2+НАДНАТФ (в высоких концентрациях)Высвобождается CO2; фермент активируют АДФ и цитрат
  4. 2-ОксоглутаратСукцинил-КоА2-Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс (OGDH, DLST, DLD)Тиаминпирофосфат, Липоат, КоА, ФАД, НАД+ → НАДННАДНАТФВысвобождается CO2; активность стимулируют Ca2+ и АДФ
  5. Сукцинил-КоАСукцинатСукцинил-КоА-синтетаза (SUCLG1 с SUCLG2 или SUCLA2)ГДФ → ГТФ или АДФ → АТФ, ФосфатВысвобождается КоА; единственное субстратное фосфорилирование в цикле
  6. СукцинатФумаратСукцинатдегидрогеназа, комплекс II (SDHA, SDHB, SDHC, SDHD)Ковалентно связанный ФАД, Убихинон → убихинолПередаёт электроны непосредственно в дыхательную цепь
  7. ФумаратМалатФумаратгидратаза (FH)H2O
  8. МалатОксалоацетатМалатдегидрогеназа 2 (MDH2)НАД+ → НАДНЭндергоническая; при работе цикла реакция смещается в прямом направлении

При окислении одной молекулы ацетил-КоА образуются три НАДН, один ФАДН2, который остаётся связанным с ферментом, один ГТФ или АТФ и две молекулы CO2 1. АДФ активирует изоцитратдегидрогеназу, а НАДН её ингибирует 1; Ca2+ и АДФ стимулируют 2-оксоглутаратдегидрогеназу, а АТФ и НАДН подавляют её активность 2.

Окислительное фосфорилирование

В митохондриях эти электроны передаются на кислород, а высвобождающаяся энергия используется для синтеза большей части АТФ, образующегося из глюкозы 1.

Комплексы I, III и IV переносят протоны из матрикса; их обратный ток приводит в действие АТФ-синтазу 7. Измеренные коэффициенты P/O составляют 2,5 для НАДН и 1,5 для сукцината 8. Электроны цитозольного НАДН поступают в митохондрии через малат-аспартатную или глицерофосфатную челночную систему; глицерофосфатная система передаёт их в обход комплекса I 1.

Выход АТФ на молекулу глюкозы

При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется около 30 молекул АТФ 9.

При таких коэффициентах 10 НАДН и 2 ФАДН2 дают 28 АТФ; гликолиз и цикл трикарбоновых кислот добавляют ещё по 2, в сумме 32 1. Если НАДН, образовавшийся при гликолизе, окисляется через глицерофосфатную челночную систему, каждая его молекула даёт 1,5 АТФ вместо 2,5, и общий выход снижается до 30 1.