Manipulate Your Hormones, Increase Size & Strength

For increased size & strength

By George Redmon, Ph.D., ND

The hormones that this report will focus on are: cortisol, growth hormone, insulin and testosterone. Each plays a vital role in helping perpetuate growth and anabolic drive.

1) CORTISOL

Cortisol is classified as a catabolic (muscle-wasting) hormone, but it doesn’t get the press it deserves. Ironically, the focus is placed on hormones like growth hormone, insulin growth factor (IGF) and testosterone, all considered to enhance the body’s growth potential. However, exercise-induced elevation of cortisol production causes muscle tissue breakdown to increase by 5 percent to 20 percent. Additionally, cortisol production is primed to rise with increased physical and mental stress. Conversely, this is one way to determine if you are overtraining by having your blood levels of testosterone to cortisol ratio measured. When it remains elevated, cortisol becomes very destructive, hence the basis of its reference to as the death hormone. For instance, scientists now know that elevated levels of cortisol accelerate aging, tissue and memory destruction because it attacks the hypothalamus, the area of the brain that controls the endocrine system as well as the adrenal glands, where cortisol production takes place.

The Cortisol Flushing Plan

Because of your intense workouts, cortisol can be a reoccurring problem if not recognized as a serious continuous catabolic event. Other potential problems that cortisol can cause are:

• Decreased utilization of glucose and insulin sensitivity.
• Reduced utilization of amino acids for protein formation.
• Redistribution of body fat and storage.
• Reduction of circulating free testosterone levels.
• Sodium retention and potassium excretion, causing bloating.

Furthermore, cortisol reduces growth hormone production by increasing release of somatostatin, the hormone that inhibits growth hormone release, as well as inhibiting IGF-1 (insulin growth factor) expression, which regulates growth hormone manufacture.

Managing Cortisol’s Release

Dr. Robert S. Elliot, director of the Institute of Stress Medicine in Denver, insists that you can disrupt the destructive nature of cortisol substantially by making a few adjustments:

Consume protein and carbs post-workout. This puts the brakes on cortisol’s release.

Maintain a steady flow and a concise amount of calories to match your present size and performance level. A 50 percent reduction in caloric intake can inadvertently signal the body to increase cortisol secretion by as much as 38 percent.

2) GROWTH HORMONE(HGH)

HGH is manufactured in the pituitary gland and is referred to as the youth hormone. It builds muscle and strength, improves fitness, assists in regulating how the body uses food for energy, increases protein, lipid (fat) and carbohydrate metabolism, stimulates cell reproduction and regeneration and the production of insulin-like growth factor (IGF-1), encourages lipolysis (release of fat from lipid cells), accelerates protein synthesis, initiates the growth of all internal organs except the brain, plays a role in maintaining homeostasis, (normal internal conditions), promotes healing, and a host of other biological functions.

HGH: The Biological Key to Growth

From this viewpoint and groundbreaking studies conducted by the late Yale Medical School endocrinologist Dr. Daniel Rudman, sports medicine researchers have also sought to understand the anabolic nature of HGH and how best to manipulate its action. What they have found is that its activity and release is more profound right after a workout and right before sleep.

Correspondingly, sleep deprivation suppresses GH release, according to Dr. Walter Thompson, Ph.D., director of the Center for Sports Medicine, Science and Technology at Georgia State University in Atlanta. Equally, Dr. Eve Van Cauter, a professor of Medicine at the University of Chicago studying subjects with no history of sleep problems, used audio stimulation to disturb the sleep of participants to disrupt deep sleep phases by 90 minutes. This resulted in a 25 percent reduction in the production of HGH. Additionally, elevated blood sugar, poor dietary habits and lack of exercise contribute to a decline in HGH output. On the other hand, resistance-training routines are considered to be one of the most effective ways to boost HGH production.

3) INSULIN

Insulin is secreted by the pancreas and governs the metabolism of carbohydrates, protein and fats. It’s considered to be one of the body’s most anabolic hormones that increases muscle development due to its ability to promote glucose utilization, inhibit breakdown of muscle tissue and encourage cell volumizing. Increasing the cell’s volumizing capacity centers on infusing a larger proportion of nutrients into muscle cells, which accelerates the creation of new muscle. This occurs due to insulin-signaling molecules imbedded within receptors on muscle cells. Once insulin enters the cell, these receptors transmit instructions to the muscle to open wide, literally sucking glucose, amino acids, creatine and other nutrients into the muscles like a vacuum cleaner. Hence, combining protein and carbs with leucine and/or other amino acids manipulates insulin’s release at post-workout, which facilitates muscle repair and recovery.

Additionally, this post-workout spike of insulin also boosts vascularity, causing blood vessels to relax and dilate. More vascularity equates to more blood vessels, more oxygen being delivered to muscles, and less anaerobic metabolism taking place, meaning reduced lactic acid production as well as acceleration of its disposal. This will help minimize bouts of muscle catabolism. Insulin also disrupts cortisol production by accelerating cortisol’s exit from the body.

The Insulin Blood Sugar Connection

Insulin is considered to be an anabolic hormone, but when it is overly secreted and/or remains in excessive amounts in the blood, it blocks the production of HGH. Likewise, consuming an enormous amount of simple carbohydrates (sugar) as compared to protein and fiber-based foods, your HGH output is probably low. However, sports nutrition researchers have discovered that consuming a protein-carbohydrate meal two hours prior to working out and another meal immediately afterward elicited a significant increase in growth hormone. This protocol has a positive impact on blood sugar stabilization.

The other factor here as reported by researchers at UCLA (University of California, Los Angeles) is a large decline in growth hormone (up to 24%) secretion when only carbohydrates were consumed before workouts. Additionally, these researchers also discovered that when food was consumed within a two-hour window, rather than before workouts, that those partially digested food stuffs, as well as elevation of insulin within the system decreased growth hormone production by 54 percent.

Too Much Insulin Works in Reverse

When insulin is secreted unnecessarily or remains elevated, it sends signals to store more fat. Over time, elevated insulin levels can eat away at blood vessels and result in organ dysfunction, as seen in diabetic patients. This is why manipulating or balancing spikes in its release at the right time is important. This can be accomplished by eating six to eight smaller meals versus two or three larger ones. Consumption of low-glycemic foods (fruits, vegetables, whole and minimally processed grains and legumes) as well as high-fiber foods helps stabilize insulin’s secretion.

4) TESTOSTERONE

Testosterone is responsible for the development of male physical characteristics, muscle mass, strength, fat distribution and sexual drive. After testosterone is secreted into the bloodstream, 98 percent is bound to proteins called albumin and globulin. The resulting testosterone known as free testosterone is considered to be active and carries out its anabolic commands or capabilities. When levels of testosterone drop below normal, the brain signals the testes to make more.

Boosting Testosterone Naturally

Generally, testosterone levels tend to be about 30 percent higher in the mornings than compared to evenings, which physiologically suggests that regular sleep patterns (8 to 10 hours) enhance nighttime secretion of testosterone. This irregularity has long been verified, which parallels the notion that hormones rise and fall via a pre-programmed cyclic loop. In this case, during sleep, controlled bursts of luteinizing hormone, the hormone that stimulates the testes in men and the ovaries in women, jumpstarts testosterone production.

Conversely, like growth hormone when normal sleep patterns are interrupted, so are circulating levels of testosterone upon awakening. In fact, in a recent study appearing in the Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, researchers at the Rambam Medical Center in Israel concluded the better men sleep, the higher their testosterone level rises. Contrarily, researchers at the National University of Singapore reported that one extra hour of sleep a night beyond normal sleep patterns can increase testosterone production by 12 percent. On the other hand, researchers have found that surgery foods and snacks before bedtime inhibits nighttime production of testosterone. Other testosterone killers are elevated blood sugar, cholesterol, triglycerides and uric acid levels.

Keep On Pumping

Researchers now know that pumping iron in short concise bursts of powerlifts naturally causes the body to stimulate testosterone release. How much of a hormonal response you get depends on the amount of muscle you use, as well as the training intensity and volume. The key here truly depends on the concept of resistance training, meaning your ability to handle a heavier weight capacity during short reps, to attain a substantial bump of testosterone.

Conclusions

To achieve large gains in lean muscle mass with significant body fat decreases, many hormonal events need to occur in the body. Exercise intensity with consistent bouts of resistance training, paralleled with some sound nutritional and supplemental choices designed to illicit the appropriate hormone response can and will jumpstart and shift your anabolic potential into overdrive. However, how adept you become at manipulating those hormones will to a large degree determine how well this process goes.

References

Backhouse, S.H., et.al., Carbohydrate ingestion during prolonged high-intensity intermittent exercise: impact of effect and perceived exertion. Scandinavian Journal of Medical Science and Sports. 2007 Oct.; 17(50): 605-610.

Alan, W. Barclay, P.P. Glycemic index, glycemic load, and chronic disease risk—a meta-analysis of observational studies. American Journal of Clinical Nutrition. March; 2008 87( 3): 627-637 .

Bird, S. P., Tarpenning, K. M. Effects of liquid carbohydrate/ essential amino acid ingestion on acute hormonal response during a single bout of resistance exercise in untrained men. Nutrition . 2006 Apr; 22(4): 367-375.

Brubaker, P.L., Anini, Y. Direct and indirect mechanisms regulating secretion of glucagon-like peptide-1 and glucagon-like peptide-2. Canadian Journal of Physiology and. Pharmacology. 2004;81 (11): 1005–1012.

Chandler, R.M., Burne, J.G., et al. Dietary supplements affect the anabolic hormones after weight training exercise. Journal of Applied Physiology. 1994;76 (2): 839-845.

Cunningham, I. Six Proven Ways to Boost Human Growth Hormone Output Naturally. On Line at: www.selfgrowth.com › … › Health Products and Services. Accessed on 08-31-13.

Eliot, R.S., From Stress to Strength, Bantam Books: New York, 1994.

Foksett, A., Williams, C. et.al., Carbohydrate availability and muscle energy metabolism during intermittent running. Medicine and Science in Sports and Exercise. 2008 Jan; 40(1): 96-103.

Goh, V. H., Tong, T. Y. Sleep, sex steroid hormones, sexual activities and aging in Asian men. Journal of Andrology. 2010 Mar-Apr; 31(2): 131-137.

Hammes, S, R. The further redefining of steroid-mediated signaling. Proceedings of the Natural Academy of Science USA. 2003; 100 (5): 21680–21700.

Hanson, P. Deep Sleep Tied To Hormone Production. Chicago Tribune News. August 16, 2000. On line at: articles.chicagotribune.com/…/0008160337_1_eve-van-cauter-sleep-hgh. Accessed on 08-28-13.

Ivy, J.L., Golorth, H.W., et.al. Early post exercise muscle glycogen recovery is enhanced with a carbohydrate –protein supplement. Journal of Applied Physiology. 2002 Oct; 93(4):1337-1344.

Ivy, J.L., Regulation of muscle glycogen repletion, muscle protein synthesis and repair following exercise. Journal of Science and Medicine. 2004; 3: 131- 138.

Izquierdo, M., Hakkinen, K. et al. Maximal strength and power, endurance performance, and serum hormones in middle-aged and elderly men. Medicine and Science in Sports Exercise. 2001; 33 (9): 1577-1587.

Kaline, K., Bornstein, S.R., et. al., The importance and effect of dietary fiber in diabetes prevention with particular consideration of whole grain products. Hormone and Metabolic Research. 2007 Sept; 39(9): 687-693.

Khurana, R.C. You and Your Hormone Glands. Obesity and Diabetes Book Publishing. Pittsburg, Pa., 1978.

Kido, Y, Nakae, J. Clinical review 125: The insulin receptor and its cellular targets. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 2001 Mar; 86(3):972-979.

Klatz, R. Grow Young with HGH. Harper Collins: New York, 1997.

Kraemer, W. J., Ratamess, N. A. Hormonal responses and adaptations to resistance

Exercise training. Sports Medicine. 2005; 35(4): 339-361.

Livesey, G, Taylor. R. Glycemic response and health — a systematic review and meta-analysis: relations between dietary glycemic properties and health outcomes. American Journal of Clinical Nutrition. 2008; 87:258S-268S.

Luboshitzky R, Zabari Z. et.al. Disruption of the nocturnal testosterone rhythm by sleep fragmentation in normal men. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 2001 Mar; 86(3):1134-9.

Mullington, J. Hermann, D. et.al. Age-dependent suppression of nocturnal growth hormone levels during sleep deprivation. Neuroendocrinology. 1996; 64(3): 233–241.

Rudman, D., Feller, A.G. et.al. Effects of Human Growth Hormone in Men over 60 Years Old. New England Journal of Medicine. 1990; 323:1-6. 

Selye, H. Stress Without Distress. New American Library: New York, 1974.

Vance, M.L., Can Growth Hormone Prevent Aging? New England Journal of Medicine. 2003; 348:779-780.

- See more at: http://fitnessrxformen.com/health/manipulate-your-hormones/2/#sthash.NCThOikk.dpuf

Время переваривания пищи:

- Когда вы пьете воду на пустой желудок, она сразу же попадает в кишечник.

- Фруктовые и овощные соки усваиваются 15 — 20 минут.

- Смешанные салаты (овощи и фрукты) перевариваются в течение 20 — 30 минут.

- Арбуз усваивается за 20 минут.

- Дыням требуется для переваривания 30 минут.

- Апельсины, виноград и грейпфруты также требуют для усваивания полчаса.

- Яблоки, груши, персики, вишни и прочие полусладкие фрукты перевариваются за 40 минут.

- Овощи такие, как помидоры, салат («роман», бостонский, красный, листовой, садовый), огурцы, сельдерей, красный или зеленый перец и другие сочные овощи, требуют для своей переработки 30—40 минут.

- Чтобы организм переработал такие корнеплоды, как репа и морковь, потребуется не меньше 50 минут.

- Авокадо, употребляемые монотрофно на голодный желудок, перевариваются 1-2 часа, т.к. они содержат большое количество жиров.

- Для переваривания крахмалосодержащих овощей, таких как топинамбур, желуди, тыквы, сладкий и обычный картофель, ямс и каштаны, понадобится около часа.

- Крахмалистая пища, вроде риса, гречки, лебеды, перловки в среднем переваривается 60—90 минут.

- Бобовые — крахмалы и протеины. Чечевица, лимская и обычная фасоль, нут, каянус (голубиный горох) и др. требуют на усвоение 90 минут.

- Семена подсолнуха, тыквы, дынной груши и кунжута перевариваются около двух часов.

- Такие орехи, как миндаль, лещина, арахис, орех-пекан, грецкие и бразильские орехи усваиваются 2,5—3 часа.

- Если семена и орехи на ночь замочить в воде, а потом растолочь, они быстрее усвоятся.

- 1-2 часа - вода, чай, кофе, какао, бульон, молоко, яйца, сваренные всмятку, рис, рыба речная отварная.

- 2-3 часа - яйца, сваренные вкрутую, омлет, рыба отварная морская, отварной картофель, хлеб.

- 3-4 часа - курица и говядина (отварная), ржаной хлеб, яблоки, морковь, редис, шпинат, огурцы, жареный картофель, ветчина.

- 4-5 часов - бобы (фасоль, горох), дичь, сельдь, жареное мясо.

- 5-6 часов - грибы, шпик.

Старайтесь не есть за 3-4 часа до сна.

Все приведенные выше показатели являются усредненным значением.
Время переваривания также зависит от индивидуальных особенностей организма и количества съеденной пищи.

Если придерживаться принципа и не есть, пока в желудке есть пища, то вы сможете не только похудеть (вы не переедаете), но и сохранить здоровый желудочно-кишечному тракт. Постепенно желудок уменьшится в размере, а привычка не переедать останется с вами. 

Глюконеогенез

  

Глюконеогене́з — метаболический путь, приводящий к образованию глюкозы из неуглеводных соединений (в частности, пирувата). Наряду с гликогенолизом, этот путь поддерживает в крови уровень глюкозы, необходимый для работы многих тканей и органов, в первую очередь, нервной ткани и эритроцитов. Он служит важным источником глюкозы в условиях недостаточного количества гликогена, например, после длительного голодания или тяжёлой физической работы^[1][2]. Глюконеогенез является обязательной частью цикла Кори, кроме того, этот процесс может быть использован для превращения пирувата, образованного при дезаминировании аминокислот аланина и серина^[3].

Суммарное уравнение глюконеогенеза выглядит следующим образом:

2 Пируват + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H⁺ + 4H₂O → глюкоза + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD^+[4].

Глюконеогенез протекает в основном в печени, но менее интенсивно он протекает также в корковом веществе почек^[en] и слизистой кишечника^[2].

Глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно: если клетка снабжена энергией в достаточной степени, то гликолиз приостанавливается, и запускается глюконеогенез; напротив, при активизации гликолиза происходит приостановление глюконеогенеза^[5].

Общий обзор 

Внешние изображения
	Гликолиз и глюконеогенез

Глюконеогенез происходит у животных, растений, грибов и микроорганизмов. Его реакции одинаковы для всех тканей и биологических видов. Важными предшественниками глюкозы у животных выступают трёхуглеродные соединения, такие как лактат, пируват, глицерол, а также некоторые аминокислоты. У млекопитающихглюконеогенез происходит главным образом в печени, в меньшей степени — в корковом слое почек и эпителиальных клетках, выстилающих тонкую кишку. Образованная в ходе глюконеогенеза глюкоза уходит в кровь, откуда доставляется к другим тканям. После интенсивной физической работы лактат, образовавшийся при анаэробном гликолизе в скелетных мышцах, возвращается в печень и превращается там в глюкозу, которая снова поступает в мышцы или превращается в гликоген (этот круговорот известен как цикл Кори). У проростков растений запасённые в семени жиры и белки превращаются, в том числе и через глюконеогенез, в дисахарид сахарозу, который транспортируется по всему развивающемуся растению. Глюкоза и её производные служат предшественниками для синтеза растительной клеточной стенки, нуклеотидов, коферментов и многих других жизненно важных метаболитов. У многих микроорганизмов глюконеогенез начинается с простых органических соединений, содержащих два или три атома углерода, например, ацетата, лактата и пропионата, которые содержатся в питательной среде^[1].

Хотя реакции глюконеогенеза одинаковы у всех организмов, соседние метаболические пути и регуляторные пути глюконеогенеза отличаются у различных видов и в различных тканях^[1]. В этой статье рассмотрены особенности глюконеогенеза млекопитающих; о механизмах синтеза глюкозы растениями из первичных продуктов фотосинтеза см. Фотосинтез.

Глюконеогенез и гликолиз не являются полностью идентичными процессами, протекающими в противоположных направлениях, хотя несколько стадий являются общими для обоих процессов: 7 из 10 ферментативных реакций глюконеогенеза обратны соответствующим реакциям гликолиза. Однако 3 реакции гликолиза необратимы in vivo и не могут использоваться в глюконеогенезе: образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы под действием ферментагексокиназы, фосфорилирование фруктозо-6-фосфата^[en] до фруктозо-1,6-бифосфата фосфофруктокиназой-1^[en] (PFK-1), а также превращение фосфоенолпирувата в пируват под действием пируваткиназы^[en]. В клеточных условиях эти реакциии имеют большое отрицательное изменение энергии Гиббса, в то время как другие реакции гликолиза имеют ΔG около 0. При глюконеогенезе три необратимые стадии гликолиза заменены «обходными» реакциями, катализируемыми другими ферментами, и эти реакции также очень экзергоничны^[en] и потому необратимы. Таким образом, в клетках как гликолиз, так и глюконеогенез являются необратимыми процессами. У животных гликолиз происходит только в цитозоле, как и большая часть реакций глюконеогенеза, хотя некоторые его реакции происходят в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме^[6]. Это даёт возможность для их координированной и взаимно обратной регуляции. Регуляторные механизмы, различающиеся у гликолиза и глюконеогенеза, действуют на ферментативные реакции, уникальные для каждого процесса^[1].

Ниже представлена схема реакций глюконеогенеза:

Стадии 

Ниже рассмотрены 3 стадии глюконеогенеза, отличные от реакций гликолиза, проведённых в обратном направлении.

Образование фосфоенолпирувата из пирувата 

Предполагаемый механизм работы пируваткарбоксилазы: А — ATP-зависимое карбоксилирование биотина; В — транскарбоксилирование пирувата. Кофактор биотин ковалентно связан с пируваткарбоксилазой через пептидную связь с ε-аминогруппой остатка лизина, образуя биотинил-фермент. Пируваткарбоксилазная реакция протекает в две стадии, которые происходят в различных активных центрахфермента. В активном центре 1 бикарбонат-ион превращается в СО₂ с затратой АТР. После этого СО₂ взаимодействует с биотином с образованием карбоксибиотинил-фермента. Биотинил-лизин представляет собой длинную «руку», на конце которой связан СО₂. Эта «рука», раскачиваясь, переносит СО₂ в активный центр 2 на поверхности фермента, где СО₂ высвобождается и реагирует с пируватом, при этом образуется пируват и освобождается биотинил-фермент^[7].

Первой реакцией глюконеогенеза является превращение пирувата в фосфоенолпируват (ФЕП). Эта реакция не может быть обратной пируваткиназной реакции гликолиза, поскольку пируваткиназная реакция имеет большое отрицательное изменение энергии Гиббса и потому необратима в клеточных условиях. Вместо этого фосфорилирование пирувата осуществляется «окольным путём», для реакций которого у эукариот необходимы и цитозольные, и митохондриальные ферменты^[8].

Вначале пируват переносится из цитозоля в митохондрии или образуется в митохондриях из аланина путём трансаминирования, при котором α-аминогруппа переносится с аланина на α-кетокарбоновую кислоту. После этого митохондриальный фермент пируваткарбоксилаза^[en], для активности которой необходим кофермент биотин, превращает пируват в оксалоацетат:

Пируват + НСО₃^- + ATP → оксалоацетат + ADP + Pi^[9].

В этой реакции карбоксилирования участвует биотин как переносчик активированного бикарбоната. HCO₃^- фосфорилируется с затратой ATP с образованием смешанного ангидрида(карбоксифосфата). После этого на место фосфата в карбоксифосфате присоединяется биотин. Справа показан механизм этой реакции^[7].

Пируваткарбоксилаза является первым регулируемым ферментом глюконеогенеза, её позитивным эффектором служит ацетил-СоА (ацетил-СоА образуется при β-окислении^[en]жирных кислот, и его накопление сигнализирует о доступности жирных кислот как энергетического ресурса). Кроме того, пируваткарбоксилазная реакция поставляет промежутоные соединения в другой центральный метаболический путь — цикл трикарбоновых кислот^[7].

Так как в митохондриальной мембране отсутствуют белки-переносчики оксалоацетата, до экспорта в цитозоль образовавшийся при пируваткарбоксилазной реакции оксалоацетат должен быть обратимо восстановлен в малат митохондриальным ферментом малатдегидрогеназой с затратой NADH:

Оксалоацетат + NADH + H⁺ ⇌ L-малат + NAD⁺.

Стандартное изменение энергии Гиббса для этой реакции довольно велико, однако при физиологических условиях (среди которых и очень низкая концентрация оксалоацетата) её ΔG ≈ 0, поэтому эта реакция обратима. Митохондриальная малатдегидрогеназа участвует и в глюконеогенезе, и в цикле трикарбоновых кислот, осуществляя и прямую, и обратную реакции^[10]. Оксалоацетат может также переноситься из митохондрии в цитозоль после трансаминирования в аспартат^[6].

Малат покидает митохондрию через специальный белок-транспортер на внутренней митохондриальной мембране^[en], и в цитозоле он вновь окисляется до оксалоацетата с образованием цитозольного NADH:

Малат + NAD⁺ → оксалоацетат + NADH + H^+[10].

После этого оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы^[en]. В этой Mg²⁺-зависимой реакции донором фосфорильной группы выступает GTP:

Оксалоацетат + GTP ↔ Фосфоенолпируват + СО² + GDP.

В клеточных условиях эта реакция обратима; образование фосфоенопирувата компенсируется гидролизом другого высокоэнергетичного фосфатсодержащего соединения — GTP^[10].

Общее уравнение для двух первых «обходных» реакций гидролиза выглядит следующим образом:

Пируват + ATP + GTP + HCO₃^- → Фосфоенолпируват + ADP + GDP + Pi + CO₂; ΔG'^o = 0,9 кДж/моль.

Два высокоэнергетичных фосфатных эквивалента (один от ATP и другой GTP), каждый из которых может дать 50 кДж/моль в клеточных условиях, затрачиваются для фосфорилирования одной молекулы пирувата с образованием фосфоенолпирувата. Однако в соответствующей реакции гликолиза (при образовании пирувата из ФЕП) образуется лишь одна молекула ATP из ADP. Хотя стандартное изменение энергии Гиббса ΔG'^o в двухшаговом превращении пирувата в фосфоенолпируват равно 0,9 кДж/моль, реальное изменение энергии Гиббса (ΔG), посчитанное с учётом внутриклеточных концентраций соединений, имеет большое отрицательное значение (—25 кДж/моль). Причиной этого является быстрое использование фосфоенолпирувата в других реакциях, так что его концентрация остаётся относительно низкой. По этой причине образование ФЕП из пирувата под действием глюконеогенетических ферментов в клеточных условиях необратимо^[10].

Стоит отметить, что тот же СО₂, который присоединяется к пирувату в ходе пируваткарбоксилазной реакции, выделяется при фосфоенолпируваткарбоксикиназной реакции. Такое карбоксилирование-декарбоксилирование является путём «активации» пирувата, то есть декарбоксилирование оксалоацетата способствует образованию фосфоенолпирувата^[10].

Отношение [NADH]/[NAD⁺] в цитозоле равно 8 × 10⁴, что примерно в 10⁵ раз меньше, чем в митохондриях. Поскольку цитозольный NADH используется в глюконеогенезе (при образовании глицеральдегид-3-фосфата из 1,3-бифосфоглицерата), биосинтез глюкозы не может происходить, если нет доступного NADH. Транспорт малата из митохондрии в цитозоль и превращение его в оксалоацетат в цитозоле эффективно переносит восстановительные эквиваленты в цитозоль, где их недостаточно. Таким образом, такой путь от пирувата к ФЕП обеспечивает важный баланс между потребляемым и образуемым в цитозоле NADH в ходе глюконеогенеза^[10].

Выше отмечалось, что, кроме пирувата, предшественником для глюконеогенеза также может выступать лактат. Этот путь обеспечивает использование лактата, образовавшегося, например, при гликолизе в эритроцитах или в мышцах при анаэробных условиях. Особенно этот путь важен для крупных позвоночных после тяжёлой физической работы. Преобразование лактата в пируват в цитозоле гепатоцитов приводит к образованию NADH, поэтому в экспорте восстановительных эквивалентов (например, малата) из митохондрий здесь нет нужды. После того как пируват, образовавшийся в лактатдегидрогеназной реакции, транспортируется в митохондрии, он превращается в оксалоацетат под действием пируваткарбоксилазы, как писалось выше. Этот оксалоацетат, однако, превращается непосредственно в фосфоенолпируват митохондриальным изоферментомфосфоенолпируваткарбоксикиназой, а ФЕП выводится из митохондрий в цитозоль, где осуществляются дальнейшие реакции глюконеогенеза^[11].

У растений и некоторых бактерий было обнаружено два фермента, способных образовывать ФЕП непосредственно из пируватата. К их числу относится фосфоенолпируватсинтаза^[en] бактерии Escherichia coli. При работе этого фермента его остаток гистидина связывает пирофосфатную группу, взятую от ATP. Далее пирофосфатная группа гидролизуется с выделением фосфата и образованием соединения фермент-His-P. Последний взаимодействует с пируватом, образуя ФЕП. Похожий механизм присущ пируват-фосфатдикиназе^[en], которая впервые было описана у тропических злаков и играет важную роль в С₄-фотосинтезе^[en], а также задействована в глюконеогенезе у Acetobacter. Отличие этого фермента от фосфоенолпируватсинтазы заключается лишь в том, что атакующей частицей является не вода, а неорганический фосфат^[12].

Образование фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-бифосфата 

Второй реакцией гликолиза, которая не может дублироваться обратной реакцией в глюконеогенезе, является фосфорилирование фруктозо-6-фосфата фосфофруктокиназой-1. Так как эта реакция высоко экзергонична и поэтому необратима в клеточных условиях, образование фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-бифосфата катализируется другим ферментом — Mg²⁺-зависимой фруктозо-1,6-бифосфатазой-1^[en] (FBPаза-1), которая катализирует необратимый гидролиз фосфата при первом атоме углерода (а не перенос фосфорильной группы на ADP):

Фруктозо-1,6-бифосфат + Н₂О → фруктозо-6-фосфат + Pi, ΔG'^o = −16,3 кДж/моль^[4].

Кроме фруктозо-1,6-бифосфатазы-1 существует фруктозо-1,6-бифосфатаза-2, выполняющая регуляторные функции^[4].

Образование глюкозы из глюкоз-6-фосфата 

Третья «обходная» реакция является последней реакцией глюконеогенеза: дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата с образованием глюкозы. Если бы гексокиназа осуществляла эту обратную реакцию, то ей бы сопутствовал перенос фосфорильной группы с глюкозо-6-фосфата на ADP с образованием ATP, что энергетически невыгодно. Реакция, катализируемая глюкозо-6-фосфатазой, не включает синтеза ATP и представляет собой простой гидролиз фосфатного эфира:

Глюкозо-6-фосфат + Н₂ → глюкоза + Pi, ΔG'^o = −13,8 кДж/моль^[4].

Этот Mg²⁺-зависимый фермент встречается на люменальной стороне эндоплазматического ретикулума гепатоцитов, в клетках почек и эпителиальных клетках тонкой кишки, однако в других тканях его нет, поэтому остальные ткани неспособны поставлять глюкозу в кровь. Если бы в них была глюкозо-6-фосфатаза, то она бы гидролизовала глюкозо-6-фосфат, который необходим этим тканям для гликолиза. Глюкоза, образовавшаяся в ходе глюконеогенеза в печени и почках или поглощённая с пищей разносится по кровотоку к этим тканям, в числе которых — мозг и мышцы^[4].

Энергетика 

Суммарное уравнение биосинтетическиз реакций глюконеогенеза, приводящих к образованию глюкозы из пирувата, выглядит так:

2 Пируват + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H⁺ + 4H₂O → глюкоза + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD⁺.

На каждую молекулу глюкозы, образовавшуюся из пирувата, необходимо 6 высокоэнергетичных фосфатных групп, 4 из которых берутся от ATP и 2 — от GTP. Кроме того, для восстановления двух молекул 1,3-бифосфоглицерата необходимы 2 молекулы NADH. В то же время для гликолиза нужны лишь 2 молекулы ATP. По этой причине синтез глюкозы из пирувата является затратным процессом. Большая часть затрачиваемой энергии обеспечивает необратимость глюконеогенеза. В клеточных условиях суммарное изменение энергии Гиббса при гликолизе составляет −63 кДж/моль, а при глюконеогенезе — −16 кДж/моль. Таким образом, в клеточных условиях и гликолиз, и глюконеогенез необратимы^[13].

Другие предшественники глюкозы 

Описанный выше биосинтетический путь образования глюкозы относится к синтезу глюкозы не только из пирувата, но также 4-, 5- и 6-углеродных промежуточных соединений цикла трикарбоновых кислот. Цитрат, изоцитрат^[en], α-кетоглутарат, сукцинил-СоА^[en], сукцинат, фумарат и малат — все промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот могут окисляться до оксалоацетата. Некоторые или все атомы углерода большей части аминокислот могут быть катаболизированы в пируват или промежуточные соединения цикла трикарбоновых кислот. Поэтому эти аминокислоты могут подвергнуться превращению в глюкозу и называются глюкогенными^[en]. Аланин и глутамин — важнейшие молекулы, переносящие аминогруппы в печень из других тканей — служат особенно важными глюкогенными аминокислотами у млекопитающих. После того, как эти аминокислоты отдают свои аминогруппы в митохондриях печени, их углеродные скелеты (пируват и α-кетоглутарат соответственно) вовлекаются в глюконеогенез^[14]. Аминокислоты образуются при распаде белков мышц и соединительной ткани, их включение в глюконеогенез происходит при продолжительном голодании или длительной физической нагрузке^[2].

У растений, дрожжей и многих бактерий имеется путь, позволяющий получать углеводы из жирных кислот — глиоксилатный цикл. У животных ключевых ферментов этого цикла нет, и, ввиду необратимости пируватдегидрогеназной реакции, они не могут получать пируват из ацетил-СоА, а значит, образовывать углеводы из жирных кислот (следовательно, и из липидов). Тем не менее, они могут использовать для глюконеогенеза те небольшие количества глицерола, который образуется при распаде жиров. При этом глицерол фосфорилируется глицеролкиназой^[en], далее следует окисление центрального атома углерода с образованием дигидроксиацетонфосфата^[en], который является промежуточным соединением глюконеогенеза^[14].

Глицеролфосфат является необходимым промежуточным соединением при синтезе жиров (триглицеридов) в адипоцитах, однако эти клетки лишены глицеролкиназы и поэтому не могут осуществлять фосфорилирование глицерола. Вместо этого адипоциты могут осуществлять сокращённый вариант глюконеогенеза, известный как глицеронеогенез: преобразование пирувата в дигидроксиацетонфосфат через первые реакции глюконеогенеза, вслед за которым следует восстановление дигидроксиацетонфосфата до глицеролфосфата^[14].

Регуляция 

Если бы гликолиз и глюконеогенез протекали бы одновременно и на большой скорости, то результатом стали бы расход ATP и образование тепла. Например, фосфофруктокиназа-1 и фруктозо-1,6-бифосфатаза-1 катализируют противоположные реакции:

ATP + фруктозо-6-фосфат → ADP + фруктозо-1,6-бифосфат (PFK-1)

Фруктозо-1,6-бифосфат + H₂O → фруктозо-6-фосфат + Pi (FBPаза-1).

Суммой этих двух реакций является

ATP + H₂O → ADP + Pi + теплота.

Эти две ферментативные реакции, как и ряд других реакций этих двух путей, регулируются аллостерически^[en] и ковалентных модификаций. Гликолиз и глюконеогенез регулируются реципрокно, то есть если поток глюкозы, проходящей через гликолиз, растёт, то поток пирувата, проходящего через глюконеогенез, спадает, и наоборот^[5]. Например, FBPаза-1 строго подавляется аллостерическим связыванием AMP, так что когда клеточные запасы ATP невелики, а уровень AMP высок, ATP-зависимый синтез глюкозы приостанавливается, а катализирующая соответствующую реакцию гликолиза PFK-1, наоборот, активируется AMP^[15]. Хотя PFK-1 активируется фруктозо-2,6-бифосфатом^[en], на FBPазу-1 это соединение имеет противоположный эффект: он снижает его сродство к субстратам и тем самым замедляет глюконеогенез^[16].

Транскрипционные факторы и глюконеогенез

Механизм работы CREB

Механизм работы FOXO1

На пути преобразования пирувата в глюкозу первой контрольной точкой, на которой определяется дальнейшая судьба пирувата в митохондрии является то, будет ли он превращён в ацетил-СоА пируватдегидрогеназным комплексом с дальнейшим вовлечением в цикл трикарбоновых кислот или же в оксалоацетат под действием пируваткарбоксилазы, чтобы начать глюконеогенез. Когда в качестве источника энергии доступны жирные кислоты, то при их разложении в митохондриях образуется ацетил-СоА, выступающий в качестве сигнала о том, что в дальнейшем окислении глюкозы нет нужды. Ацетил-СоА являются положительным аллостерическим модулятором пируваткарбоксилазы и отрицательным модулятором пируватдегидрогеназного комплекса; его действие опосредуется стимуляцией протеинкиназы, которая инактивирует дегидрогеназу. Когда энергетические потребности клетки удовлетворены, окислительное фосфорилирование замедляется, концентрация NADH по сравнению с NAD⁺ увеличивается, цикл трикарбоновых кислот подавляется, и происходит накопление ацетил-СоА. Повышенная концентрация ацетил-СоА подавляет пируватдегидрогеназный комплекс, тем самым замедляя образование ацетил-СоА из пирувата и стимулируя глюконеогенез через активацию пируваткарбоксилазы, что позволяет превратить излишек пирувата в оксалоацетат (а впоследствии и глюкозу)^[17].

Полученный таким образом оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы. У млекопитающих регуляция этого важнейшего фермента глюконеогенеза осуществляется на уровне его синтеза и распада под влиянием режима питания и гормональных сигналов. Так, его промотор имеет более 15 или более регуляторных элементов, распознаваемых по крайней мере 12-ю известных транскрипционных факторов, и, как предполагается, ещё большим числом пока не описанных. Голодание или высокий уровень глюкагона увеличивают транскрипцию этого фермента и стабилизируют его мРНК. Действие глюкагона опосредовано транскрипционным фактором CREB (англ. cyclic AMP response element binding protein), который активирует синтез глюкозо-6-фосфатазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы в ответ на вызванное глюкагоном увеличение внутриклеточной концентрации cAMP. Инсулин или высокое содержание глюкозы в крови имеют противоположный эффект. Эти изменения, вызываемые в основном внеклеточными сигналами (питание, гормоны), могут длиться от нескольких минут до нескольких часов^[17]. Инсулин также замедляет экспрессию генов глюкозо-6-фосфатазы и фруктозо-1,6-бифосфатазы. Другим транскрипционным фактором, регулирующим экспрессию генов ферментов глюконеогенеза, является FOXO1 (англ. forkhead box other). Инсулин активирует протеинкиназу В, которая фосфорилирует FOXO1, находящийся в цитозоле. С фосфорилированным FOXO1 связывается убиквитин, и FOXO1 разрушается в протеасоме, однако в отсутствие фосфорилирования или при дефосфорилировании FOXO1 может проникать в ядро, связываться с соответствующим регуляторным элементом на ДНК и запускать транскрипцию геновфосфоенолпируваткарбоксикиназы и глюкозо-6-фосфатазы. Фосфорилированию FOXO1 протеинкиназой В препятствует глюкагон^[18].

Клиническое значение 

При снижении использования лактата в качестве субстрата для глюконеогенеза, которое может вызываться дефектом ферментов глюконеогенеза, концентрация лактата в крови повышается, что приводит к понижению pH крови и развитию лактатацидоза. Стоит отметить, что кратковременный лактатацидоз встречается и у здоровых людей при интенсивной мышечной работе, в этом случае он компенсируется путём гипервентиляции лёгких и ускоренным выведением углекислого газа^[19].

На глюконеогенез существенное влияние оказывает этанол. В результате его катаболизма увеличивается количество NADH, что смещает равновесие в лактатдегидрогеназной реакции в сторону образования лактата, снижению образования пирувата и замедлению глюконеогенеза^[19].

Примечания 

 Nelson, Cox, 2008, p. 552

1. ↑ Перейти к: ^1 2 3 Северин, 2011, с. 284
2. ↑ Metzler, 2003, p. 989
3. ↑ Перейти к: ^{1 2 3 4 5} Nelson, Cox, 2008, p. 556
4. ↑ Перейти к: ^1 2 Nelson, Cox, 2008, p. 557—558
5. ↑ Перейти к: ^1 2 Кольман, Рём, 2012, с. 156
6. ↑ Перейти к: ^1 2 3 Nelson, Cox, 2008, p. 554
7. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 553
8. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 553—554
9. ↑ Перейти к: ^{1 2 3 4 5 6} Nelson, Cox, 2008, p. 555
10. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 555—556
11. ↑ Metzler, 2003, p. 990
12. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 556—557
13. ↑ Перейти к: ^1 2 3 Nelson, Cox, 2008, p. 557
14. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 586
15. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 587—588
16. ↑ Перейти к: ^1 2 Nelson, Cox, 2008, p. 590
17. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 590—592
18. ↑ Перейти к: ^1 2 Северин, 2011, с. 287

Литература 

David E. Metzler. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells.. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Т. 2. — 1973 с. — ISBN 978-0-1249-2541-0.

• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
• Кольман Я., Рём К.—Г. Наглядная биохимия. — 4-е изд.. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 469 с. — ISBN 978-5-9963-0620-6.
• Биологическая химия с упражнениями и задачами / Под ред. С. Е. Северина. — М.: Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2011. — 624 с.