Преобразование глюкозы в иные моносахариды является процессом обратимым. Поэтому оно может использоваться не только для выработки ее аналогов, но и, наоборот, в целях трансформации в глюкозу других сахаров, всасываемых в кишечнике.
Взаимопревращения гексоз и пентоз требуют множества промежуточных реакций, среди которых центральное место занимает пен- тозофосфатный цикл. Он выполняет и другие специфические функции, из-за чего логичнее рассмотреть его отдельно (раздел 6.6).
Гораздо проще осуществляются взаимопе- реходы гексоз: глюкозы, ее стереоизомеров (галактоза, манноза) и изомерной ей фруктозы.
Один из способов таких преобразований - изомеризация. Ей подвергается, однако, не сама глюкоза, а ее фосфорилированные формы. В частности, уже упоминавшийся ГлбФ под действием фосфогексоизомеразы обратимо превращается во фруктозо-6-фосфат. Последний с участием фосфоманноизомеразы преобразуется в маннозо-6-фосфат (тоже обратимо). Оба метаболита могут гидролизоваться с освобождением фруктозы и маннозы, но в основном используются в других путях метаболизма, включая синтез олигосахаридов.
Несколько сложнее протекает обратный процесс - преобразование фруктозы и маннозы, всасываемых в кишечнике, в глюкозу. Его начальной стадией является фосфорилироваиие этих гексоз. С маннозой это осуществляет та же гексокиназа, которая воздействует на глюкозу (см. рис. 6-6, А). Образующийся маннозо- 6-фосфат может вступать в только что упомянутые обратимые реакции, превращаясь во фруктозо-6-фосфат и, далее, в ГлбФ, при необходимости гидролизуемый до глюкозы и фосфата (см. рис. 6-6, Б).
Свободная фруктоза может преобразовываться в глюкозу разными путями. Лишь в мышцах и почках начальное превращение ее во фруктозо-6-фосфат может осуществляться все той же гексокиназой. Основная же масса пищевой фруктозы подвергается воздействию фруктокиназы печени. Этот фермент совсем неактивен в отношении глюкозы, но с высоким сродством фосфорилирует фруктозу, причем, в положении 1. Кроме того, в отличие от гексо- киназы, фруктокиназа нечувствительна к избытку своего продукта, а также к гормональной регуляции со стороны инсулина (поэтому утилизация пищевой фруктозы не нарушается при сахарном диабете).
Дальнейшие превращения фруктозо-1-фосфата подобны реакциям начального этапа ГБФ- пути (они показаны на рис. 6-22). Сначала альдолаза печени расщепляет этот гексозофосфат на 2 триозы, одна из которых сохраняет фосфатную группу, а другая подвергается фос- форилированию триозокиназой. Затем обе фосфотриозы конденсируются под действием той же альдолазы, образуя фруктозо- 1,6-бис- фосфат. Он является промежуточным метаболитом ГБФ-пути распада глюкозы и может либо расщепляться далее, либо превращаться в глюкозо-6-фосфат, а затем в глюкозу (см. рис. 6-6, Б). Врожденная недостаточность фруктокиназы, триозокиназы или упомянутой альдо- лазы вызывает фруктоземию и прочие проявления непереносимости пищевой фруктозы.
Другой способ взаимопревращения гексоз требует вовлечения нуклеозидтрифосфатов. Как правило, в таких процессах участвует ури- диндифосфат-глюкоза (УДФ-глюкоза), которая является активированной формой этого моносахарида. Образование ее требует предварительной изомеризации ГлбФ в глюкозо-1- фосфат (рис. 6-7).
Последующая конденсация молекул УТФ и глюкозо-1-фосфата (рис. 6-8) происходит с выделением ФФ, быстрый гидролиз которого пирофосфатазой делает реакцию синтеза УДФ- глюкозы необратимой.
Молекула УДФ-глюкозы участвует во многих процессах. В частности, под действием эпимеразы глюкоза в составе этой молекулы обратимо трансформируется в галактозу:
1>глюкозо-6-фосфат 1>глюкозо-1 -фосфат
Рис. 6-7. Взаимопревращения глюкозо-6-фосфата и глюкозо-1-фосфата.
В принципе, галактозный фрагмент может отделиться в виде свободной молекулы («демонстрируя» итоговый результат такого способа превращения глюкозы в галактозу). Для этого сначала соответствующая уридттрансфе- раза должна перенести УМФ-фрагмент из состава УДФ-галактозы на глюкозо-1-фосфат:
Освобожденный при этом галактозо-1-фосфат может быть гидролизован до галактозы и Фн.
В норме, однако, УДФ-галактоза не продуцирует свободную галактозу, а используется в биогенезе гликополимеров. С помощью га- пактозиптрапсферазы она может передавать свой углеводный фрагмент на синтезируемую молекулу многих олиго- и ряда полисахаридов, присоединяя его галактозидной связью. Простейшим примером служит синтез дисахарида лактозы («молочный сахар»), осуществляемый в молочной железе:
Вообще-то обычной «мишенью» галакто- зилтрансферазы в разных клетках служит концевой (нередуцирующий) остаток 1Ч-ацетил- глюкозамина в растущей полимерной цепи. Но в молочной железе к началу лактации субстратная специфичность фермента совершенно изменяется. Это обусловлено гормональной перестройкой органа, приводящей к экспрессии • особого белка - а-лактальбумина. Оказалось, что он представляет собой модулятор, в ком
плексе с которым галактозилтрансфераза обретает новое качество — способность переносить галактозу на О-глюкозу (т.е., становится фактически лактозосштетазой).
Обратимость показанных реакций (эпи- меразной [6-3] и уридилтрансферазной [6-4]) имеет очень важное значение. Благодаря ей возможно не только независимое от диеты образование в клетках «собственноручной» галактозы (из глюкозы), но, при необходимости, и обратный процесс, - превращение пищевой галактозы в глюкозу. Как и у других моносахаридов, он начинается с реакции фосфорилиро- вания, осуществляемой в данном случае га- лактокиназой:
Затем в обратимых реакциях, катализируемых упомянутыми уридилтрансферазой ([6-4]) и, далее, эпимеразой ([6-3]), возникший галактозо-1-фосфат может преобразоваться в глюкозо-1-фосфат, который либо используется в процессах метаболизма, либо, если потребуется, гидролизуется до глюкозы и фосфата (см. рис. 6-6, Б).
МОДИФИКАЦИЯ МОНОСАХАРИДНЫХ МОЛЕКУЛ
Среди всевозможных производных моносахаридов чаще всего для синтеза структурных углеводов нужны глюкуроновая кислота, гек- созамины, их М-ацетилированные формы, а также дезоксисахара (включая 2-дезокси-0-ри- бозу для синтеза ДНК). Все эти производные ради краткости часто именуют тоже моносахаридами, хотя их состав не отвечает обычному для углеводов соотношению СпН2пОп, так как они являются продуктами химической модификации «настоящих» моносахаридов.
Путь уроновых кислот начинает отличаться от других путей метаболизма сразу после стадии образования УДФ-глюкозы (см. рис. 6-8). В данном соединении остаток гексо- зы подвергается окислению по 6-му углеродному атому (группа -СН2ОН). Процесс этот НАД-зависимая дегидрогеназа УДФ-глюкозы осуществляет по общей схеме, показанной на рис. 5-1. Двукратное отнятие атомов водорода с промежуточным гидратированием преобразует группу -СН2ОН в карбоксильную -СООН (рис. 6-9).
В реакции гидролиза образовавшийся УДФ-глюкуронат может распадаться на УДФ и свободную глюкуроновую кислоту. Она, в свою очередь, может превращаться в аскорбиновую кислоту (у приматов и морских свинок этого не происходит из-за отсутствия одного из необходимых ферментов) либо трансформироваться в некоторые пентозы (через реакцию декарбоксилирования).
Однако основная масса УДФ-глюкуроната используется в биосинтетических процессах, — главным образом, для включения глюкуроно- вой кислоты в строящиеся высокополимерные цепи структурных полисахаридов соединительной ткани.
Рис. 6-10. Строение билирубин-диглюкуронида [в билирубине глюкуронированию подвергаются не гидроксильные группы, как обычно, а карбоксильные].
Заметные количества УДФ-глюкуроната потребляются также в целях гидрофилизации неполярных молекул, подлежащих удалению из организма. К ним относятся билирубин, возникающий при распаде тема (см. рис. 1-26); продукты гниения белков в кишечнике (а том числе фенол, крезол, а также индол и скатол после их гидроксилирования в печени); многие ксенобиотики; различные лекарственные препараты. Если такие вещества обладают хотя бы одной гидроксильной группой, то к ней и присоединяется (гликозидной связью) глюкуроновая кислота, переносимая с УДФ-глюкуроната под действием соответствующей УДФ-глю- куронилтрансферазы. Возникающие глюкуро- ниды нередко менее токсичны и всегда - гораздо более водорастворимы, что облегчает их экскрецию. Так, почти весь билирубин, образующийся в организме, превращается гепато- цитами в моно-, а затем и в диглюкуронид (рис. 6-10), которые с желчью выводятся (почти необратимо) в кишечник.
Образование аминосахаров осуществляется благодаря использованию аминокислоты глутамина. Как показано на рис. 6-11, первым на этом пути возникает один из наиболее распространенных гексозаминов — глюкозамин, более точно обозначаемый как 2-амино-0-глюкоза (см. рис. 1-25). Он появляется в процессе переаминирования между глутамином и фруктозо-6-фосфатом. Реакция эта аналогична приведенной на рис. 5-31, но в данном случае аминокислота участвует в ней не а-аминогруппой, а амидной группой - С(0)МН2. В результате глутамин превращается в глутамат, а фруктозо-6-фосфат трансформируется в глюкозамин-6-фосфат. В ацилирова- нии азота аминогруппы этого гексозамина участвует ацетил-КоА, что и приводит к образованию молекулы Г^-ацетил-О-глюкозамин-б-фос- фата (2-ацетиламино-0-глюкозо-6-фосфат). В обоих аминопроизводных глюкозы фосфатная группа легко (и обратимо) переносится из положения 6 в положение 1, после чего возможно взаимодействие этих молекул с УТФ (аналогичное реакции на рис. 6-8). Так возникают активированные формы ацетилглюкозамина и 1^-ацетилглюкозамина. Последняя под действием эпимеразы превращается в УДФ-(1^-ацетил)- О-галактозамин. Аналогичным образом молекула 1Ч~ацетилглюкозамин-6-фосфата может подвергаться обратимой эпимеризации в 1^-ацетил- маннозамин-6-фосфат (см. рис. 6-11). Конденсация последнего с фосфоенолпируватом (ФЕП, рис. 6-25) приводит к образованию Ы-ацетш- нейрамиповой кислоты, фосфорилированной в положении 9. Гидролитическое отщепление фосфата освобождает молекулу М-ацетилней- рамината (см. рис. 1-25). Это — наиболее распространенный представитель сиаловых кислот, различающихся лишь местом прикрепления ацетильного остатка либо наличием вместо него других ацильных фрагментов.
Дезоксипроизводные моносахаридов очень немногочисленны и в свободном виде почти не встречаются. К важнейшим из них относится 2-дезокси4)~рибоза (см. рис. 2-2), - структурный элемент ДНК. Образуется она единственным способом - путем восстановления О-рибозы, входящей в состав того или иного рибонуклеозидцифосфата. Источником водорода служит особый белок - тиоре- доксип. В восстановленной форме он содержит расположенные по соседству две функционально значимые группы -БН, которые использует рибоиуклеотидредуктаза для передачи их атомов водорода на кислород, отнимаемый у Б-рибозы (рис. 6-12, а).
Окисленный тиоредоксин восстанавливается затем флавиновым ферментом тиоредок- синредуктазой за счет водорода НАДФ-#2(рис. 6-12, б).
Рис. 6-11. Схема биогенеза аминосахаров [формулы глюкоза ми на, галактозамина, их М-ацетилированных форм, а также М-ацетилнейраминовой кислоты приведены на рис. 1-25]
Эта не совсем обычная редокс-система функционирует только в период активного синтеза ДНК при делении клеток и обеспечивает выработку всех дезоксирибонуклеотидов, кроме тимидинового. Источником последнего служит молекула с1-УДФ, предварительно гидролизуемая до с!-УМФ, который и подвергается метилированию, превращаясь в ё-ТМФ (подробности будут представлены в разделе 9.5.1).
Другой распространенный дезоксисахар — Ь-фукоза (см. рис. 1-25). Ее часто называют металпентозой. Однако в действительности она образуется путем устранения атома кислорода в позиции С6 маннозы. Процесс протекает с участием двух ферментов. Один из них отнимает молекулу воды от гликозильного остатка гуанозиндифосфат-О-маннозы (за счет атомов водорода при С4 и кислорода при С6). Затем
другой фермент, используя водород молекулы НАДФ-Д». восстанавливает кето-группу, возникшую при С4, с одновременной эпимериза- цией по С5. В результате ГДФ-Б-манноза превращается в ГДФ-Ь-фукозу. В принципе возможен гидролиз последней с образованием L-фукозо-1 -фосфата, а затем и свободной L-фу- козы. Однако практически единственным путем использования молекул ГДФ-Ь-фукозы является перенос гликозильного остатка на синтезируемые цепи олигосахаридов (включая антигенные детерминанты групп крови системы АВО).
