Практически единственное ферментативное превращение, которому подвергается глюкоза в наших клетках, - это реакция фосфорилирования с участием АТФ (рис. 6-6, А). Катализирует ее гексокиназа, имеющаяся в любой клетке. Она осуществляет перенос концевого фосфата АТФ в положение 6 глюкозы. Таким образом, образование первого метаболита глюкозы - глюкозо-6-фосфата - происходит за счет энергии разрыва макроэргической связи в молекуле АТФ. Поэтому гексокиназная реакция необратима.
Биологический смысл ее многозначен. Прежде всего - «расшатать», расслабить довольно симметричную и устойчивую структуру циклической формы глюкозы; введением фосфатной группы сделать молекулу более податливой к новым воздействиям и тем самым облегчить дальнейшие преобразования моносахарида.
Во-вторых - удержать, «запереть» глюкозу внутри клетки, ибо, в отличие от самой глюкозы, глюкозо-6-фосфат (ГлбФ) не может проникать через клеточные мембраны. Тем самым создаются условия для дальнейшего метаболизма глюкозы, поступившей в клетку.
Однако, некоторые ткани содержат активную глюкозо-6-фосфатазу (ГлбФаза), способную гидролитически отщеплять фосфат. Освобождая глюкозу, фермент как бы преодолевает
О-глюкоза (в а-форме) О-глюкозо-6-фосфат (ГлбФ)
Рис. 6-6. Реакции, катализируемые гексокиназой (А) и глюкозо-6-фосфатазой (Б).
необратимость гексокиназной реакции. Вместе с тем, АТФ при этом не регенерируется! Следовательно, ГлбФаза катализирует не реакцию, обратную гексокиназной (да это и невозможно), а совершенно другую реакцию, но приводящую к реставрации глюкозы (рис. 6-6, Б). Такого рода окольный процесс, нуждающийся в участии отдельного фермента, принято обозначать термином обходной обратный путь.
Способность «обходить» гексокиназную реакцию наиболее важна в гепатоцитах. Как уже отмечалось, в промежутках между приемами пищи в печени преобладает распад гликогена. Молекулы ГлбФ, образующиеся при этом (а также при биосинтезе из небольших молекул типа ПВК), легко расщепляются ГлбФазой, а образующаяся глюкоза поступает в кровь для питания остальных клеток. Достаточно богаты этим ферментом также энтероци- ты и клетки почек, которые тоже способны синтезировать ГлбФ из более простых молекул, а затем отдавать полученную глюкозу в кровь. Вместе с тем, в мышцах, мозгу и жировой ткани ГлбФаза отсутствует, и потому ГлбФ (образующийся здесь в основном из «внешней» глюкозы) эта клетки утилизируют сами, не отдавая сахар в кровь.
В-третьих, гексокиназная реакция, будучи начальной, является к тому же ключевым звеном всего метаболизма глюкозы, выполняя и лимитирующую, и регуляторную роль.
Лимитирующая роль обусловлена кинетическими свойствами гексокиназы. Как уже отмечалось (раздел 4.12.3), исключительно высокое сродство к глюкозе (Км порядка 0,01 мМ) «вынуждает» гексокиназу функционировать с максимально возможной для нее скоростью. А этот параметр гораздо ниже, чем Утах любого
другого фермента катаболизма глюкозы (в расчете на их содержание в клетке). Отсюда следует, что суммарная скорость всех дальнейших путей метаболизма глюкозы не может превышать величину присущую гексо-
киназе.
Единственное исключение - печеночные клетки, где, наряду с гексокиназой (ГК), есть еще ее изофермент глюкокиназа (см. раздел
. Обладая в 1000 раз меньшим сродством к глюкозе (Км ~ 20 мМ), он перерабатывает дополнительные количества ее практически только на высоте пищеварения, когда резко возрастает содержание этого моносахарида в притекающей к печени крови воротной вены. Следует отметить, что глюкокиназа обнаружена и в Р-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Полагают, что здесь она участвует в модулировании секреции инсулина.
Регуляторная роль ГК реализуется по принципу обратной связи. Аллостерические свойства фермента таковы, что непосредственный продукт реакции (ГлбФ) является ингибитором своего фермента. Если дальнейшая утилизация этого продукта почему-либо уменьшается, то накапливающийся избыток его тормозит гексокиназу, т.е., замедляет использование новых порций поступающей глюкозы (глюкокиназа избытком ГлбФ не угнетается)
Итак, гексокиназная реакция является первым звеном утилизации пищевых углеводов клетками. Затем происходит разветвление путей метаболизма. Часть из них направлена на реализацию структурной роли сахаров. Нередко они начинаются с модификации глюкозы (и других моносахаридов) с тем, чтобы сформировать те варианты мономерных звеньев, которые необходимы для дальнейшего синтеза разнообразных олиго- и полисахаридных структур. Однако основная масса глкжозо-6-фосфата используется далее в энергетическом метаболизме, подвергаясь распаду сразу же либо после дополнительного фосфорилирования. В некоторых клетках часть глюкозо-6-фосфата временно выводится в резерв, - для создания запасов гликогена. Обобщая, можно выделить
разных направления дальнейшего метаболизма глкжозо-6-фосфата:
биогенез структурных углеводов;
синтез гликогена (и его распад);
гексозомонофосфатный пуп> (ГМФ- путь);
гексозобисфосфатный путь (ГБФ-путь).
Именно в такой очередности целесообразно рассмотреть важнейшие аспекты всего углеводного обмена в целом.
