Утворення моносахаридів. Біосинтез оліго- та полісахаридів.

Біосинтез глюкози й інших вуглеводів із простіших попередників у кількісному відношенні є найбільш важ­ливим процесом у біосфері. Фотосинтезуючі (автотрофні) організми утворюють велику кількість гексоз із вугле­кислого газу і води, а в клітинах гетеротрофних орга­нізмів центральне місце в обміні вуглеводів займає піро­виноградна і молочна кислоти, амінокислоти та інші прості попередники глюкози і глікогену.

Центральний біосинтетичний шлях складається із двох головних шляхів, що починаються з двох різних набо­рів невуглеводних попередників. Один з них скла­дається з ряду реакцій, завдяки яким проміжні продукти циклу трикарбонових кислот перетворюються у піро­виноградну кислоту. Процес проходить в усіх організ­мах і називається глюконеогенезом. Другий важливий шлях складається з реакцій, які ведуть до від­новлення С02 в глюкозу. Цей шлях характерний тільки для автотрофних організмів.

3 глюкозо-6-фосфату можуть утворюватися різні вуглеводи: вільна глюкоза; запасні, полімери — крох­маль і глікоген; різні моносахариди та їх похідні; ди­сахариди й олігосахариди; компоненти клітинної стінки й оболонки, такі як целюлоза, ксилани, муреїни, кислі мукополісахариди.

Утворення глюкози з пірувату. Більшість стадій біосинтетичного шляху утворення глюкози із пірувату каталізується ферментами гліколітичного циклу, отже вони є оборотними реакціями гліколізу. Але в нормаль­ному гліколітичному шляху є три необоротні стадії, які використати при перетворенні пірувату в глюкозу не можна. При біосинтезі глюкози процес проходить в обхід цих стадій. Перша з них — перетворення піру­вату в фосфоенолпіруват відбувається за рахунок кількох реакцій, що каталізуються як ферментами цитоплазми, так і ферментами мітохондрій. У цій послідовності 1 реакція каталізується мітохондріальною піруваткарбоксилазою за схемою:

Піруваткарбоксилаза є регуляторним ферментом, який повністю неактивний за відсутності ацетил-КоА. Оксало­ацетат потім відновлюється в мітохондріях у малат:

Потім малат дифундує із мітохондрій у цитоплазму, де він окислюється цитоплазматичною НАД-залежною малатдегідрогеназою з утв позамітохондріального оксалоацетату:

Під дією фосфоенолпіруваткарбоксилази із оксалоацетату утв. фосфоенолпіруват; донором фосфату в цій раекції є ГТФ:

На фосфорилювання 1 молекули пірувату вик енергія 2 макроергічних фосфатних зв'язків — АТФ і ГТФ.

Фосфоенолпіруват далі легко перетворюється у фрук­тозо-1, 6-дифосфат за рахунок оборотних реакцій гліко­лізу. Фруктозо-1, 6-дифосфат у гліколітичному циклі утворюється за участю ферменту фосфофруктокінази, і ця реакція необоротна. Біосинтез глюкози проходить в об­хід цієї реакції за допомогою ферменту фруктозо-дифосфатази (гексозодифосфатази), що каталізує гідроліз першої фосфатної групи. На наступній (оборотній) стадії біосинтезу фруктозо-6-фосфат перетворюється у глюкозо-6-фосфат за участю ферменту фосфогексозоізомерази.

У більшості клітин глюкозо-6-фосфат використову­ється як попередник при біосинтезі запасних полі-, ди- і моносахаридів. А є в клітинах печінки, нирок, епіте­лію кишок хребетних глюкозо-6-фосфат може дефосфорилюватися глюкозо-6-фосфатазою з утворенням вільної глюкози. Гексокіназна реакція, яка приводить до утво­рення глюкозо-6-фосфату, є необоротною.

Сумарне рівняння утворення глюкози з пірувату має такий вигляд:

2СН3СОСООН + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАД • Н + + 2Н+ + 6Н20 = Глюкоза + 2НАД+ + 4АДФ + 2ГДФ + 6РН,

Отже, на утворення однієї молекули глюкози з піру­вату використовується шість високоенергетичних фосфат­них зв'язків і дві молекули НАД • Н для відновлення.

Глюконеогенез із проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот. Біосинтез глюкози із пірувату дає змогу синтезувати глюкозу з різних попередників пірувату або фосфоенолпірувату. Головними з них є проміжні продукти циклу 3карбонових к-т: цитрат, ізоцитрат, 2-оксиглутарат, сукцинат, фумарат і малат. Потім малат може виділятися з мітохондрій і окислюватися у цитоплазмі в оксалоацетат з утворенням фосфоенолпірувату під дією цитоплазматичної фосфоенолпіруваткарбоксилази.

У тканинах вищих тварин синтез глюк з 2 атомів С ацетильної групи ацетил-КоА не відбувається, бо ацетил-КоА, що утв при β -окисленні ЖК, далі перетворюється в циклі Кребса, проміжні продукти якого можуть бути попередниками в біосинтезі глюкози, то таким шляхом і жирні кислоти можуть брати участь у біосинтезі глюкози, а потім глі­когену.

Глюконеогенез з амінокислот. Вивчення перетворення амінокислот у живих організмах показало, що деякі або всі атоми вуглецю цих сполук можуть утворювати або ацетил-КоА, або проміжні сполуки циклу Кребса. Амінокислоти, що можуть бути попередниками фосфо­енолпірувату, а через нього глюкози, називаються глікогенними амінокислотами. Наприклад, глутамінова й аспарагінова кислоти безпосередньо пере­творюються відповідно в 2-кетоглутарат і оксалоацетат.

Лейцин та інші амінокислоти, які при деградації утворюють ацетил-КоА, що здатний давати початок ацетоацетату, називаються кетогенними аміно­кислотами, Наприклад, фенілаланін і тирозин є од­ночасно глікогенними і кетогенними тому, що при роз­щепленні їх в організмі утворюється глікогенна фумарова кислота і кетогенний ацетил-КоА. Отже, глікогенними є такі амінокислоти: аланін, аргінін, аспарагінова кислота, аспарагін, валін, цистеїн, глутамінова кислота, глутамін, гліцин, гістидин, метіонін, пролін, серин, треонін, трипто­фан. До кетогенних амінокислот належить лейцин; гліко­генними і кетогенними є такі амінокислоти: ізолейцин, лізин, фенілаланін і тирозин.

У рослин і багатьох мікроорганізмів немає відмінності між глікогенними і кетогенними амінокислотами в зв'язку з тим, що всі амінокислоти можуть сприяти утворенню глюкози через реакції циклу трикарбонових кислот.

Синтез глікогену і крохмалю. Починається біосинтез з глюкозо-6-Ф, який під дією ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-1-фосфат.

Спочатку вважали, що фермент глікогенфосфорилаза, що каталізує розщеплення (фосфороліз) глікогену, може каталізувати і його синтез. Але тепер встановлено, що в умовах, які існують у клітині, цей фермент може каталізувати тільки розщеплення глікогену. В клітинах тварин був відкритий інший шлях перетворення глюкозо-1-фосфату в глікоген, який важливий також у біосинтезі ди- і олігосахаридів. Завдяки роботам Л. Лелуара і співробітників зараз відомо, що в таких біосинтетичних реакціях донором глікозильних груп є нуклеозиддифосфатцукри, що утворюються із нуклеозидтрифосфатів під дією ферментів пірофосфорилаз. Утворені при цьому нуклеозиддифосфати є переносниками глікозильних груп. У вищих тварин таким переносником є уридиндифосфат. Перша стадія синтезу глікогену у тварин каталізується ферментом УДФ—глюкоза-пірофосфорилаза (глюкозо-1-фосфат уридилтрансфераза).

На другій стадії, яка приводить до утворення глікогену, глікозильна група УДФ-глюкози переноситься на кінцевий залишок ланцюга амілози нередукованого кінця з утворенням α (1-> 4)-глікозильного зв'язку між першим атомом вуглецю глікозильного залишку, що приєднується, і 4-гідроксильною групою кінцевого залишку глюкози ланцюга:

Ця реакція каталізується глікогенсинтетазою. Затравкою для цього ферменту є ланцюг α (1 -> 4)-поліглюкоза, який має не менше, ніж чотири залишки глюкози.

Глікогенсинтетаза не синтезує α (1 -> 6)-глікозильні зв'язки, що присутні в крохмалі й особливо в глікогені у місцях розгалуження молекули. Для цього існує спеціальний фермент розгалуження аміло(1, 4-> 1, 6-)трансглікозилаза. Він каталізує перенесення кінцевого олігосахаридного фрагменту з шостого-сьомого глікозильних залишків з кінця головного ланцюга глікогену на шосту гідроксильну групу залишку глюкози цього самого або іншого ланцюга глікогену. При цьому утворюється а(1 -> 6)-глікозильний зв'язок.

Синтез крохмалю в тканинах рослин відбувається аналогічним шляхом за участю ферменту амілосинтетази. У більшості рослин активним донором глюкози є не УДФ-глюкоза, а АДФ-глюкоза.

Синтез дисахаридів. за участю нуклеозиддифосфатцукрів. Так, у рослин сахароза утворюється за участю серії реплікацій:

АТФ + Глюкоза -> Глюкозо-6-фосфат + АДФ;

Глюкозо-6-фосфат -> Глюкозо-1-фосфат;

УТФ + Глюкозо-1 -фосфат -> УДФ-Глюкоза + РРН;

Фруктоза + АТФ -> Фруктозо-6-фосфат + АДФ;

УДФ-Глюкоза + Фруктозо-6-фосфат -> УДФ + Сахарозо-б-фосфат;

Сахарозо-6-фосфат + Н20 -> Сахароза + Рн.

Сумарне рівняння цього процесу таке: 2АТФ+ УТФ + Глюк + Фрукт -> Сахароза + 2АДФ + УДФ + РРн + Рн.

Дисахарид лактоза утворюється в молочній залозі під час лактації. Він утворюється з D-глюкози і УДФ-галактози під дією лактатсинтетазної системи.

У свою чергу D-глікозильний залишок перетворюється у D-галактозильний через нуклеозиддифосфатгексози, утворення яких каталізується пірофосфорилазами. Перетворення D-глікозильного залишку в D-галактозильний відбувається шляхом ферментативної епімеризації УДФ-глюкози при четвертому вуглецевому атомі залишку глюкози. Каталізує цю реакцію фермент УДФ-глюкозоепімераза, який має НАД у своєму складі. Вільна D-галактоза, що утворюється в травному каналі, перетворюється у D-глюкозу в тканинах тварин. Так, у печінці D-галактоза спочатку фосфорилюється за участю ферменту галактокінази з утворенням D-галактозо-1-фосфату:

АТФ + D-Галактоза -> АДФ + D-Галактозо-1-фосфат.

Далі галактозо-1-фосфат перетворюється у УДФ-галактозу або за допомогою реакції, яку каталізує фермент гексозо-1-фосфат-уридилтрансфераза:

УДФ-Глюкоза + Галактозо-1-фосфат -> УДФ-Галактоза + Глюкозо-1-фосфат,

або за допомогою ферменту УДФ-галактопірофосфорилази

УТФ + Галактозо-1-фосфат -> УДФ-Галактоза + РРн.

Перший фермент знаходиться у печінці в значних кількостях, особливо у дітей. Другий фермент зустрічається у печінці тільки новонароджених. У дорослих людей цього ферменту немає.

УДФ-Глюкоза може окислюватися в УДФ-глюкуронову кислоту за такою схемою:

УДФ-Глюкоза + 2НАД+ = УДФ-Глюкуронова кислота + 2НАД • Н + 2Н+.

Отже, у біосинтезі і перетворенні основної кількості вуг­леводів беруть участь нуклеозиддифосфатсахари, що вико­нують коферментні функції.