Аэробное окисление углеводов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Гликолиз - процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты, не является мембранозависимым процессом. Он происходит в цитоплазме. Однако ферменты гликолиза связаны со структурами цитоскелета. Суть гликолиза состоит в том, что молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆) без участия кислорода распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (СН₃СОСООН). При этом окисление идет за счет отщепления от молекулы глюкозы четырех атомов водорода, связывающихся со сложным органическим веществом НАД с получением двух молекул НАД•Н. Выделяющаяся при этом энергия запасается (40% от общего количества) в виде макроэргических связей двух молекул АТФ. 60% энергии выделяется в виде тепла. При последующем окислении НАД•Н получается еще 6 молекул АТФ. Таким образом, полный энергетический выход гликолиза в анаэробных условиях составляет 8 молекул АТФ.

Аэробный процесс гликолиза (10 реакций), уравнение (с образованием пирувата):

Анаэробный процесс гликолиза (11 реакций), уравнение (с образованием лактата):

Схема процесса гликолиза и его реакции

На схеме в рамках обозначены исходные субстраты и конечные продукты гликолиза, цифрами в скобках - число молекул.

ATP (АТФ) - это аденозинтрифосфорная кислота, универсальный источник энергии

ADP (АДФ) - это аденозиндифосфат, нуклеотид, участвует в энергетическом обмене

NAD (НАД) - никотинамидадениндинуклеотидфосфата

NADH (НАД•Н) - востановленная форма NAD

Таблица процесс гликолиза его реакции

Для распада и частичного окисления молекулы глюкозы требуется протекание 11 сложных последовательных реакций.

Углеводы – это многоатомные спирты содержащие оксогруппу.
По количеству мономеров все углеводы делят на: моно-, ди-, олиго- и полисахариды.
Моносахариды по положению оксогруппы делятся альдозы и кетозы.
По количеству атомов углерода моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Углеводы. Функции углеводов
Моносахариды – углеводы, которые не гидролизуются до более простых углеводов.

выполняют энергетическую функцию (образование АТФ).
выполняют пластическую функцию (участвуют в образовании ди-, олиго-, полисахаридов, аминокислот, липидов, нуклеотидов).
выполняют детоксикационную функцию (производные глюкозы, глюкурониды, участвуют в обезвреживании токсичных метаболитов и ксенобиотиков).
являются фрагментами гликолипидов (цереброзиды).

Дисахариды – углеводы, которые гидролизуются на 2 моносахарида. У человека образуется только 1 дисахарид – лактоза. Лактоза синтезируется при лактации в молочных железах и содержится в молоке. Она:

является источником глюкозы и галактозы для новорожденных;
участвует в формировании нормальной микрофлоры у новорожденных.

Олигосахариды – углеводы, которые гидролизуются на 3 – 10 моносахаридов.
Олигосахариды являются фрагментами гликопротеинов (ферменты, белки-транспортёры, белки-рецепторы, гормоны), гликолипидов (глобозиды, ганглиозиды). Они образуют на поверхности клетки гликокаликс.

Полисахариды – углеводы, которые гидролизуются на 10 и более моносахаридов. Гомополисахариды выполняют запасающую функцию (гликоген – форма хранения глюкозы). Гетерополисахариды (ГАГ) являются структурным компонентом межклеточного вещества (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота), участвуют в пролиферации и дифференцировке клеток, препятствуют свертыванию крови (гепарин).
Углеводы пищи, нормы и принципы нормирования их суточной пищевой потребности.

Углеводы. Биологическая роль.
В пище человека в основном содержатся полисахариды — крахмал, целлюлоза растений, в меньшем количестве – гликоген животных. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник. Лактоза поступает с молоком млекопитающих (в коровьем молоке до 5% лактозы, в женском молоке — до 8%). Фрукты, мёд, соки содержат небольшое количество глюкозы и фруктозы. Мальтоза есть в солоде, пиве.
Углеводы пищи являются для организма человека в основном источником моносахаридов, преимущественно глюкозы. Некоторые полисахариды: целлюлоза, пектиновые вещества, декстраны, у человека практически не перевариваются, в ЖКТ они выполняют функцию сорбента (выводят холестерин, желчные кислоты, токсины и д.р.), необходимы для стимуляции перистальтики кишечника и формирования нормальной микрофлоры.
Углеводы — обязательный компонент пищи, они составляют 75% массы пищевого рациона и дают более 50% необходимых калорий. У взрослого человека суточная потребность в углеводах 400г/сут, в целлюлозе и пектине до 10-15 г/сут. Рекомендуется употреблять в пищу больше сложных полисахаридов и меньше моносахаров.

Углеводы. Переваривание углеводов
Переваривание это процесс гидролиза веществ до их ассимилируемых форм. Переваривание бывает:

1). Внутриклеточное (в лизосомах);
2). Внеклеточное (в ЖКТ):
а). полостное (дистантное);
б). пристеночное (контактное).

Переваривание углеводов в ротовой полости (полостное)
В ротовой полости пища измельчается при пережёвывании и смачивается слюной. Слюна состоит на 99% из воды и обычно имеет рН 6,8. В слюне присутствует эндогликозидаза α-амилаза (α-1,4-гликозидаза), расщепляющая в крахмале внутренние α-1,4-гликозидные связи с образованием крупных фрагментов — декстринов и небольшого количества мальтозы и изомальтозы. Необходим ион Cl-.

Переваривание углеводов в желудке (полостное)
Действие амилазы слюны прекращается в кислой среде (рН глюкоза > фруктоза > другие моносахариды.

Моносахариды выходят из энтероцитов в направлении кровеносного капилляра с помощью облегченной диффузии через белки-переносчики.

Углеводы. Нарушение переваривания и всасывания углеводов

Недостаточное переваривание и всасывание переваренных продуктов называют мальабсорбцией. В основе мальабсорбции углеводов могут быть причины двух типов:

1). Наследственные и приобретенные дефекты ферментов, участвующих в переваривании. Известны наследственные дефекты лактазы, α-амилазы, сахаразно-изомальтазного комплекса. Без лечения эти патологии сопровождаются хроническим дисбактериозом и нарушениями физического развития ребёнка.
Приобретённые нарушения переваривания могут наблюдаться при кишечных заболеваниях, например гастритах, колитах, энтеритах, после операций на ЖКТ.
Дефицит лактазы у взрослых людей может быть связан со снижением экспрессии гена лактазы, что проявляться непереносимостью молока – наблюдается рвота, диарея, спазмы и боли в животе, метеоризм. Частота этой патологии составляет в Европе 7—12%, в Китае — 80%, в Африке — до 97%.
2). Нарушение всасывания моносахаридов в кишечнике.
Нарушения всасывания могут быть следствием дефекта какого-либо компонента, участвующего в системе транспорта моносахаридов через мембрану. Описаны патологии, связанные с дефектом натрийзависимого белка переносчика глюкозы.
Синдром мальабсорбции сопровождается осмотической диареей, усилением перистальтики, спазмами, болями, а также метеоризмом. Диарею вызывают нерасщеплённые дисахариды или невсосавшиеся моносахариды в дистальных отделах кишечника, а также органические кислоты, образованные микроорганизмами при неполном расщеплении углеводов.

Транспорт глюкозы из крови в клетки
Глюкоза поступает из кровотока в клетки путём облегчённой диффузии с помощью белков-переносчиков – ГЛЮТов. Глюкозные транспортёры ГЛЮТы имеют доменную организацию и обнаружены во всех тканях.

Выделяют 5 типов ГЛЮТов:

ГЛЮТ-1 – преимущественно в мозге, плаценте, почках, толстом кишечнике;
ГЛЮТ-2 – преимущественно в печени, почках, β-клетках поджелудочной железы, энтероцитах, есть в эритроцитах. Имеет высокую Км;
ГЛЮТ-3 – во многих тканях, включая мозг, плаценту, почки. Обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе;
ГЛЮТ-4 – инсулинзависимый, в мышцах (скелетной, сердечной), жировой ткани;
ГЛЮТ-5 – много в клетках тонкого кишечника, является переносчиком фруктозы.

ГЛЮТы, в зависимости от типа, могут находиться преимущественно как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. Трансмембранный перенос глюкозы происходит только тогда, когда ГЛЮТы находятся в плазматической мембране. Встраивание ГЛЮТов в мембрану из цитозольных везикул происходит под действием инсулина. При снижении концентрации инсулина в крови эти ГЛЮТы снова перемещаются в цитоплазму. Ткани, в которых ГЛЮТы без инсулина почти полностью находятся в цитоплазме клеток (ГЛЮТ-4, и в меньшей мере ГЛЮТ-1), оказываются инсулинзависимыми (мышцы, жировая ткань), а ткани, в которых ГЛЮТы преимущественно находятся в плазматической мембране (ГЛЮТ-3) – инсулиннезависимыми.
Известны различные нарушения в работе ГЛЮТов. Наследственный дефект этих белков может лежать в основе инсулинонезависимого сахарного диабета.

Углеводы. Метаболизм моносахаридов в клетке
После всасывания в кишечнике глюкоза и другие моносахариды поступают в воротную вену и далее в печень. Моносахариды в печени превращаются в глюкозу или продукты её метаболизма. Часть глюкозы в печени депонируется в виде гликогена, часть идет на синтез новых веществ, а часть через кровоток, направляется в другие органы и ткани. При этом печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови на уровне 3,3-5,5 ммоль/л.

Фосфорилирование и дефосфорилирование моносахаридов
В клетках глюкоза и другие моносахариды с использованием АТФ фосфорилируются до фосфорных эфиров: глюкоза + АТФ → глюкоза-6ф + АДФ. Для гексоз эту необратимую реакцию катализирует фермент гексокиназа, которая имеет изоформы: в мышцах – гексокиназа II, в печени, почках и β-клетках поджелудочной железы – гексокиназа IV (глюкокиназа), в клетках опухолевых тканей – гексокиназа III. Фосфорилирование моносахаридов приводит к образованию реакционно-способных соединений (реакция активации), которые не способны покинуть клетку т.к. нет соответствующих белков-переносчиков. Фосфорилирование уменьшает количество свободной глюкозы в цитоплазме, что облегчает ее диффузию из крови в клетки.

Гексокиназа II фосфорилирует D-глюкозу, и с меньшей скоростью, другие гексозы. Обладая высоким сродством к глюкозе (Кm 107Да (50000 остатков глюкозы), в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления, примерно через каждые 10 остатков глюкозы, мономеры соединены α-1,6-гликозидными связями. Гликоген, водонерастворим, хранится в цитозоле клетки в форме гранул диаметром 10-40 нм. Гликоген депонируется главным образом в печени (до 5%) и скелетных мышцах (до 1%). В организме может содержаться от 0 до 450 г гликогена.
Разветвлённая структура гликогена способствует работе ферментов, отщепляющих или присоединяющих мономеры.

Углеводы. Синтез гликогена (гликогеногенез)
Гликоген синтезируется с затратой энергии в период пищеварения (через 1—2 ч после приёма углеводной пищи).

При удлинении линейного участка примерно до 11 глюкозных остатков, фермент ветвления переносит её концевой блок, содержащий 6—7 остатков, на внутренний остаток глюкозы этой или другой цепи с образованием α-1,6-гликозидной связи. Новая точка ветвления образуется на расстоянии не менее 4 остатков от любой уже существующей точки ветвления.

Углеводы. Распад гликогена (гликогенолиз)
Распад гликогена происходит путем последовательного отщепления глюкозо-1-ф в ответ на повышение потребности организма в глюкозе. Реакцию катализирует гликогенфосфорилаза:

Гликогенфосфорилаза состоит из 2 идентичных субъединиц (94500 Да). Неактивная форма обозначается b, активная – a. Активируется киназой фосфорилазы b путем фосфорилирования каждой субъединицы по серину в 14 положении.
Гликогенфосфорилаза расщепляет фосфоролизом α-1,4-гликозидные связи, до тех пор, пока до точки ветвления не остается 4 остатка глюкозы.

Инактивация гликогенфосфорилазы происходит при дефосфорилировании с участием специфической фосфатазы фосфорилазы (фосфопротеинфосфотазы ФПФ).
Удаление ветвления осуществляет деветвящий фермент. Он обладает трансферазной и гликозидазной активностями. Трасферазная часть (олигосахаридтрансфераза) переносит три оставшихся до точки ветвления глюкозных остатка на нередуцирующий конец соседней цепи, удлиняя её для фосфорилазы.

Гликозидазная часть (α-1,6-глюкозидаза) гидролизует α-1,6-гликозидную связь, отщепляя глюкозу.
Глюкозо-1-ф изомеризуется в глюкозо-6-ф фосфоглюкомутазой.

Регуляция метаболизма гликогена в печени

Регуляция метаболизма гликогена в мышцах

Метаболизм гликогена контролируется гормонами (в печени – инсулином, глюкагоном, адреналином; в мышцах – инсулином и адреналином), которые регулируют фосфорилирование /дефосфорилирование 2 ключевых ферментов гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы.
При недостаточном уровне глюкозы в крови выделяется гормон глюкагон, в крайних случаях – адреналин. Они стимулируют фосфорилирование гликогенсинтазы (она инактивируется) и гликогенфосфорилазы (она активируется). При повышении уровня глюкозы в крови выделяется инсулин, он стимулирует дефосфорилирование гликогенсинтазы (она активируется) и гликогенфосфорилазы (она инактивируется). Кроме того, инсулин индуцирует синтез глюкокиназы, тем самым, ускоряя фосфорилирование глюкозы в клетке. Всё это приводит к тому, что инсулин стимулирует синтез гликогена, а адреналин и глюкагон – его распад.
В печени существует и аллостерическая регуляция гликогенфосфорилазы: ее ингибирует АТФ и глюкозо-6ф, а активирует АМФ.

Углеводы. Нарушения обмена гликогена
Гликогеновые болезни — группа наследственных нарушений, в основе которых лежит снижение или отсутствие активности ферментов, катализирующих реакции синтеза или распада гликогена, либо нарушение регуляции этих ферментов.

Гликогенозы — заболевания, обусловленные дефектом ферментов, участвующих в распаде гликогена. Они проявляются или необычной структурой гликогена, или его избыточным накоплением в печени, сердечной или скелетных мышцах, почках, лёгких и других органах.
В настоящее время гликогенозы делят на 2 группы: печёночные и мышечные.

Печёночные формы гликогенозов ведут к нарушению использования гликогена для поддержания уровня глюкозы в крови. Поэтому общий симптом для этих форм — гипогликемии в постабсорбтивный период.

1). В гепатоцитах: ↑глюкозо-6-ф → ↑ПВК, ↑лактат (ацидоз), ↑рибозо-5-ф. ↑рибозо-5-ф→ ↑пуринов→ ↑ мочевая кислота
2). В крови: ↓глюкоза →↓инсулин/глюкагон→:
а) ↑липолиз жировой ткани → ↑ЖК в крови.
б). ↓ЛПЛ жировой ткани → ↑ТАГ в крови.
Лечение – диета по глюкозе, частое кормление.
Болезнь Кори (тип III) распространена, 1/4 всех печёночных гликогенозов. Накапливается разветвленный гликоген, так как дефектен деветвящий фермент. Гликогенолиз возможен, но в незначительном объёме. Лактоацидоз и гиперурикемия не отмечаются. Болезнь отличается более лёгким течением чем болезнь Гирке.

Мышечные формы гликогенозов характеризуются нарушением в энергоснабжении скелетных мышц. Эти болезни проявляются при физических нагрузках и сопровождаются болями и судорогами в мышцах, слабостью и быстрой утомляемостью.
Болезнь МакАрдла (тип V) — аутосомно-рецессивная патология, отсутствует в скелетных мышцах активность гликогенфосфорилазы. Накопление в мышцах гликогена аномальной структуры.

Агликогенозы
Агликогеноз (гликогеноз 0 по классификации) — заболевание, возникающее в результате дефекта гликогенсинтазы. В печени и других тканях больных наблюдают очень низкое содержание гликогена. Это проявляется резко выраженной гипогликемией в постабсорбтивном периоде. Характерный симптом — судороги, проявляющиеся особенно по утрам. Болезнь совместима с жизнью, но больные дети нуждаются в частом кормлении.

Углеводы. Катаболизм глюкозы. Гликолиз

Основные пути катаболизма глюкозы
Катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция – это синтез АТФ.

Аэробное окисление глюкозы
В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2 и Н2О. Суммарное уравнение:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2+ 6Н2О + 2880 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий:

1. Аэробный гликолиз. В нем происходит окисления 1 глюкозы до 2 ПВК, с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются) и 2 НАДН2;
2. Превращение 2 ПВК в 2 ацетил-КоА с выделением 2 СО2 и образованием 2 НАДН2;
3. ЦТК. В нем происходит окисление 2 ацетил-КоА с выделением 4 СО2, образованием 2 ГТФ (дают 2 АТФ), 6 НАДН2 и 2 ФАДН2;
4. Цепь окислительного фосфорилирования. В ней происходит окисления 10 (8) НАДН2, 2 (4) ФАДН2 с участием 6 О2, при этом выделяется 6 Н2О и синтезируется 34 (32) АТФ.

В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 (36) АТФ, из них: 4 АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования, 34 (32) АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования. КПД аэробного окисления составит 65%.

Анаэробное окисление глюкозы
Катаболизм глюкозы без О2 идет в анаэробном гликолизе и ПФШ (ПФП).

В ходе анаэробного гликолиза происходит окисления 1 глюкозы до 2 молекул молочной кислоты с образованием 2 АТФ (сначала 2 АТФ затрачиваются, затем 4 образуются). В анаэробных условиях гликолиз является единственным источником энергии. Суммарное уравнение: С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
В ходе ПФП из глюкозы образуются пентозы и НАДФН2. В ходе ПФШ из глюкозы образуются только НАДФН2.

Углеводы. ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз – главный путь катаболизма глюкозы (а также фруктозы и галактозы). Все его реакции протекают в цитозоле.
Аэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до ПВК, протекающий в присутствии О2.
Анаэробный гликолиз – это процесс окисления глюкозы до лактата, протекающий в отсутствии О2.
Анаэробный гликолиз отличается от аэробного только наличием последней 11 реакции, первые 10 реакций у них общие.

Этапы гликолиза
В любом гликолизе можно выделить 2 этапа:

1 этап подготовительный, в нем затрачивается 2 АТФ. Глюкоза фосфорилируется и расщепляется на 2 фосфотриозы;
2 этап, сопряжён с синтезом АТФ. На этом этапе фосфотриозы превращаются в ПВК. Энергия этого этапа используется для синтеза 4 АТФ и восстановления 2НАДН2, которые в аэробных условиях идут на синтез 6 АТФ, а в анаэробных условиях восстанавливают ПВК до лактата.

Энергетический баланс гликолиза
Таким образом, энергетический баланс аэробного гликолиза:
8АТФ = -2АТФ + 4АТФ + 6АТФ (из 2НАДН2)
Энергетический баланс анаэробного гликолиза:
2АТФ = -2АТФ + 4АТФ

Общие реакции аэробного и анаэробного гликолиза
1. Гексокиназа (гексокиназа II, АТФ: гексозо-6-фосфотрансфераза) в мышцах фосфорилирует в основном глюкозу, меньше – фруктозу и галактозу. Кm

Гликолиз – это процесс превращения глюкозы в пируват (10 реакций).
Считается вторым этапом катаболизма (второй называется унификацией) в обмене углеводов – см. п.20.
Локализация процесса – гликолиз протекает во всех клетках организма, в гиалоплазме.
Глюкоза для гликолиза и других процессов поступает в клетки из крови, для чего в крови должна поддерживаться достаточная концентрация глюкозы (от 3 ммоль/л – см. п.37).
Транспорт глюкозы через мембраны клеток осуществляется специальными белками-переносчиками глюкозы. Транспорт глюкозы в клетки многих тканей (например, жировой и мышечной тканей, но не нейронов и эритроцитов) стимулируется инсулином (см. п.102, 103); и поэтому при снижении количества инсулина в крови или снижении действия инсулина (при диабете) транспорт глюкозы в клетки названных тканей снижен, что приводит к дефициту глюкозы в клетках и к избытку глюкозы в крови – см. п.37.
Кроме того, при расщеплении гликогена в мышцах (гликогенолизе – см.п.31) образуется метаболит гликолиза – глюкозо-6-фосфат, который сразу вступает во вторую реакцию гликолиза.

32.2. Конечные метаболиты гликолиза, значение и тканевые особенности
(то есть в каких клетках и тканях какие варианты бывают).

Центральным конечным метаболитом гликолиза является ПИРУВАТ (2 молекулы пирувата образуются из одной молекулы глюкозы).
Дальнейшие превращения пирувата зависят от условий, в которых протекает гликолиз – или в лактат, или в ацетилКоА, или в оксалоацетат (см. далее).

32.2.1. Превращения пирувата В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ
(АЭРОБНЫЙ ОБМЕН УГЛЕВОДОВ:

Пируват ; ацетилКоА + 2,5 АТФ

2.1 – АцетилКоА может поступить в ЦТК, что может привести к выработке 10 молекул АТФ от каждой молекулы ацетилКоА. И превращению ацетилКоА в углекислый газ для выдоха. Что завершает распад углеводородного скелета молекулы глюкозы.

ацетилКоА ; 2СО2 + 10 АТФ (при поступлении в ЦТК и ДЦ)

2.2 – В печени ацетилКоА может использоваться для синтеза жирных кислот (при сытости, см. п.46),кетоновых тел (при голоде и стрессе, см. п.47) и холестерина (см. п.49), а также (через реакции ЦТК) – аминокислот глутамата, глутамина и т.д. (см. п.67).

ацетилКоА ; жирные кислоты, кетоновые тела, холестерин, аминокислоты (с оксалоацетатом)

3 – Из пирувата может образоваться аминокислота АЛАНИН (см. п.64, 67 и 33) и кетокислота ОКСАЛОАЦЕТАТ (см. п.33), которая может 1) использоваться в ЦТК (см.п. 21) и 2) для синтеза аминокислоты аспартата для синтеза аспарагина, белков, для обезвреживания аммиака в синтезе мочевины (см.п.66) и для синтеза нуклеотидов (а затем РНК и ДНК).

4 – из метаболита гликолиза 3-фосфоглицерата (см. п.67) может синтезироваться аминокислота СЕРИН, из которой могут синтезироваться глицин, цистеин, липоиды (см. п.52).

Пируват ; аланин или оксалоацетат (; аспартат ; мочевина или нуклеотиды ; ДНК и РНК)

ОКСАЛОАЦЕТАТ для ЦТК или ; аспартат ; мочевина или нуклеотиды ; ДНК и РНК)
; (биотин!)
Аланин ; ПИРУВАТ ; (ПДГ) АЦЕТИЛ-КоА (+ 2,5 АТФ) ; (в ЦТК) 2СО2 + 10 АТФ (всего 12,5 АТФ)
; (под действием ПДГ, витамины – В1, В2, РР, пантотенат, липоевая)
ацетилКоА ; жирные кислоты (для жира и липоидов), кетоновые тела, холестерин

ЗНАЧЕНИЕ ГЛИКОЛИЗА в аэробных условиях – в получении всех перечисленных веществ, в том числе для синтезов (можно сказать, что это анаболическая роль гликолиза по аналогии с анаэробной ролью ЦТК). Участие гликолиза в выработке АТФ – это энергетическая роль гликолиза. Участие гликолиза в катаболизме глюкозы (превращение 6-тиуглеродной молекулы глюкозы в две трёхуглеродных молекулы пирувата) и поставка метаболитов для ЦТК (ацетилКоА и оксалоацетата) – катаболическая. Это достоинства гликолиза в аэробных условиях.
Недостатком аэробного обмена глюкозы является то, что его реакции протекают только в аэробных условиях и не протекают в анаэробных.

Использовать кислород в дыхательной цепи не могут ЭРИТРОЦИТЫ из-за отсутствия в них митохондрий и дыхательной цепи,
а также любые клетки, если в них не работает дыхательная цепь (см.п.22) из-за попадания в них ингибиторов дыхательной цепи.

Дефицит кислорода (гипоксия) возникает во всех клетках при нарушении доставки кислорода:
1) из-за нарушения кровотока (из-за тромбов, жгута, сдавливания, падения артериального давления, большой кровопотери, сердечной недостаточности и т.д.),
2) из-за нарушения работы эритроцитов (см. п.121),
3) из-за нарушения поступления кислорода в лёгкие (при эмфиземе лёгких у курильщиков, при бронхоспазме и т.д.).
Превращение глюкозы в лактат в анаэробных условиях могут называть анаэробным гликолизом.

Лактат опасен, поскольку его накопление приводит к АЦИДОЗУ, который называется лактацидозом (в отличие от кетоацидоза при накоплении кетоновых тел – см. п. 47). Лактацидоз и кетоацидоз относятся к метаболическим ацидозам, то есть к ацидозам, обусловленным накоплением метаболитов (кислот) и нарушением метаболизма. Есть ещё респираторный ацидоз – то есть связанный с нарушением дыхания (задержкой дыхания). При всех ацидозах портится самочувствие, нарушается работа белков (так как оптимум для большинства белков – рН около 7), возникает чувство тошноты. Сильный ацидоз может привести к коме, но для здоровых людей это не характерно.

32.3. ОБМЕН ЛАКТАТА.
Это процессы образования и использования лактата.

32.3.1. ОБРАЗОВАНИЕ лактата.

Как сказано выше, образуется лактат при анаэробном гликолизе в эритроцитах, мышцах и других клетках в анаэробных условиях. Из клеток он может поступать в кровь, что при избытке лактата приводит к ацидозу.
Ткани-клетки-источники лактата:
В покое основное количество лактата поступает в кровь из эритроцитов, а при наряжённой работе мышц – из мышц.
Кроме этого, лактат поступает в кровь из любых клеток, которым не хватает кислорода или в которых не работают дыхательная цепь, ЦТК и ПДГ. Причиной сниженной работы ЦТК бывает дефицит витаминов ЦТК, особенно В1. См. 32.2.2.

32.3.2. Использование и УТИЛИЗАЦИЯ ЛАКТАТА.
Из крови большая часть лактата поступает в клетки печени, где утилизируется. Это снижает ацидоз. Поэтому нарушение работы печени (печёночная недостаточность) может стать причиной избытка лактата в крови (из-за сниженного использования лактата клетками печени).

Пути метаболизма лактата – 25% и 75%.
25% лактата подвергаются так называемому ОКИСЛЕНИЮ ЛАКТАТА.
При этом:
1) лактат превращается в пируват под действием фермента ЛДГ, что даёт 2,5 АТФ благодаря образованию НАДН и его использованию в дыхательной цепи,
2) затем пируват превращается в ацетилКоА под действием ПДГ, что даёт ещё 2,5 АТФ благодаря образованию НАДН и его использованию в дыхательной цепи,
3) затем ацетилКоА вступает в ЦТК, что даёт ещё 10 АТФ.
В сумме окисление одной молекулы лактата даёт 15 молекул АТФ.
Реакции окисления лактата идут только в аэробных условиях.

75% лактата используются для синтеза глюкозы, который называется глюконеогенезом (ГНГ) и протекает в основном в печени.
Поэтому снижение ГНГ может стать причиной избытка лактата и ацидоза.
При превращении лактата в глюкозу:
1) сначала лактат превращается в пируват под действием ЛДГ, как и при окислении лактата,
2) затем пируват превращается в ОКСАЛОАЦЕТАТ (см. п.33 и п.21), что требует витамина БИОТИН – без биотина реакция не идёт (причиной дефицита биотина, нарушения этой реакции, ГНГ и избытка лактата бывает избыточное употребление сырых яиц, так как в них содержится вещество, препятствующее усвоению биотина),
3) оксалоацетат превращается в глюкозу в ходе реакций глюконеогенеза.

32.3.3. Избыток лактата.
Между процессами образования лактата и его использования должно быть равновесие, благодаря которому концентрация лактата в клетках и крови не превышала бы нормальную.
Повышение концентрации лактата в клетках приводит к снижению рН в клетках, нарушению работы белков клеток, повреждению клеток. Например, мышцы при избыточной концентрации лактата теряют способность сокращаться.

Повышение концентрации лактата в крови называется гиперЛАКТАТемией и приводит к ацидозу.
К избытку лактата приводит или повышение образования лактата, или снижение утилизация лактата.

Причины повышенного образования лактата (см. выше 32.2.3. и 32.3) –
1) дефицит кислорода (гипоксия при анемии, сердечной или лёгочной недостаточности и т.д.) или снижение его использования,
2) снижение превращения пирувата в ацетилКоА из-за нарушения работы ПДГ при дефиците В1 или других витаминов ПДГ,
3) повышенная концентрация НАДН, которая бывает не только при дефиците кислорода, но и при употреблении алкоголя.
Причины сниженного использования лактата и пирувата:
1) дефицит витаминов ПДГ и биотина, без которых не протекают реакции использования и пирувата,
2) нарушение работы печени, в котором должен протекать ГНГ.

Для коррекции ацидоза, обусловленного избытком лактата, нужно убрать причины избытка лактата – восстановить кровоток, принимать витамины, не употреблять алкоголь и т.д.

32.5. Достоинства и недостатки анаэробного гликолиза.
Таким образом, то, что анаэробный гликолиз даёт хоть немного АТФ без кислорода – это его ДОСТОИНСТВО.
А то, что этого количества АТФ МАЛО (хватает только эритроцитам, тканям конечностей при гипоксии и скелетным мышцам при короткой напряжённой работе, но не хватает другим тканям вообще, а тканям конечностей не хватает более чем на час, не хватает мышцам для длительной работы – это НЕДОСТАТОК анаэробного гликолиза).
Ещё один недостаток анаэробного гликолиза – то, что избыток его конечного метаболита (лактата) приводит к ацидозу.

Гликолиз является единственным процессом, за счёт которого может образоваться АТФ при отсутствии (или неиспользовании) кислорода. Именно гликолиз обеспечивает молекулами АТФ эритроциты, в которых нет других источников АТФ из-за отсутствия митохондрий и дыхательной цепи см. п.23.

32.7. РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА. См. п.6 и 7, 33, 37, 102.
Смысл регуляции любого процесса в том, чтобы его скорость соответствовала потребностям организма и отдельных клеток.
Изменение скорости процесса осуществляется через изменение активности или концентрации ферментов процесса под влиянием метаболитов и гормонов.
Активность повышается активаторами и снижается ингибиторами.
Концентрация ферментов повышается в результате усиления синтеза ферментов под влиянием индукторов и снижается в результате снижения синтеза под влиянием репрессоров.

Регулировать все ферменты 10 реакций гликолиза не обязательно. Достаточно регулировать активность некоторых ферментов. Эти регулируемые ферменты называются КЛЮЧЕВЫМИ – см. п.7.
В гликолизе ключевыми ферментами являются три – ферменты первой реакции, последней и третьей – гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа.
Фермент первой реакции последовательности реакций часто является ключевым. Фермент третьей реакции гликолиза является самым медленным – это тоже типично (что фермент самой медленной реакции метаболического пути является ключевым).

32.7.1. Регуляция гликолиза гормонами.
Гликолиз стимулируется инсулином (за счёт индукции ключевых ферментов) и подавляется глюкокортикостероидами (ГКС; за счёт репрессии ключевых ферментов). См. п.85.
Катехоламины адреналин и норадреналин усиливают гликолиз в мышцах и подавляют в печени.

Благодаря стимуляции инсулином гликолиза (а также стимуляции инсулином транспорта глюкозы во многие клетки) расход глюкозы тканями увеличивается, что приводит
1) к удовлетворению потребностей клеток в глюкозе и
2) к снижению концентрации глюкозы в крови –
это снижение концентрации глюкозы в крови называется гипогликемическим эффектом,
а инсулин, который обусловливает снижение концентрации глюкозы в крови, является гипогликемическим гормоном.

32.7.2. Регуляция гликолиза метаболитами.
Обычно активаторами процесса являются его субстраты, а ингибиторами – продуктами. Механизм – аллостерический (см. п.6).
Активатором гликолиза является АДФ (в качестве субстрата – чтобы превратиться в АТФ), а ингибиторами – продукты гликолиза АТФ, ацетилКоА и цитрат (отдалённо это продукты гликолиза, так как цитрат образуется из ацетилКоА и оксалоацетата, образующихся из пирувата).
Эффекты АДФ противоположны эффектам АТФ, так как АДФ образуется при расщеплении АТФ, и [АДФ] становится тем больше, чем меньше [АТФ].
Ещё один активатор гликолиза – метаболит фруктозо-2,6- бисфосфат, который активирует фосфофруктокиназу.

Сравните регуляцию гликолиза с регуляцией ГНГ – эти два процесса регулируются одними и теми же регуляторами, но действие регуляторов на эти два противоположных процесса прямо противоположно. Это помогает рассказать регуляцию ГНГ, зная регуляцию гликолиза.

Р е г у л я ц и я г о р м о н а м и процессов углеводного обмена.
Усиление процесса
способствует (гипер/гликемии) или не способствует? Г о р м о н ы
Ин ГГ КА ГКС
; [Г] Гипергликемические
Гликолиз (глюкоза в пируват) Нет, ведёт к гипогликемии ; ; в печени см. *
Глюконеогенез (синтез глюкозы) Да, ведёт к гипергликемии ; ; в печени
* В мышцах КА (в т.ч. адреналин) не снижают гликолиз, а усиливают – так как КА должны обеспечить мышцы энергией за счет выработки в мышцах АТФ. Гликолиз – это единственный процесс, который может дать АТФ при дефиците кислорода (дефицит кислорода обязательно возникает в работающих скелетных мышцах, как бы ни старались легкие и сердце обеспечить мышцы кислородом; но чем лучше человек тренирован, тем лучше организм справляется с нагрузками).

Р е г у л я ц и я гликолиза и ГНГ метаболитами. (Аллостерическая).
(Действие регуляторов на гликолиз и на ГНГ противоположно.)
ацетилКоА Цитрат А Т Ф А Д Ф Фруктозо-2,6-бисфосфат
гликолиз Продукт продукт Продукт Субстрат
Ингибиторы гликолиза Активаторы гликолиза
ГНГ: синтез
глюкозы Субстрат продукт
Активаторы ГНГ Ингибиторы ГНГ

12
В чем д о с т о и н с т в а
(см. выше) 1) только он дает АТФ в ЭЦ,
2) только он дает АТФ без О2, хоть и мало (всего 2),
3) быстро включается, что ценно при короткой напряженной работе 1) дает много АТФ,
2) дает метаболиты ЦТК
(ОА и ацетилКоА из П,
а затем в ЦТК образуются остальные, в т.ч. для аминокислот и белков)

В чем н е д о с т а т к и
(см. выше) 1) образует лактат, что приводит к ацидозу,
2) мало АТФ (из-за чего жгут нельзя долго держать) не протекает
без кислорода
(при гипоксии)

14 Каким
тканям или клеткам
дает достаточное количество энергии Эритроцитам, скелетным мышцам при короткой работе, а при жгуте – час Всем, в которых протекает
(в эритроцитах не протекает)

О б м е н л а к т а т а . Лактат (Л) – это соль или анион молочной кислоты.

7.
Причины накопления лактата
(гипер/лактат/емии),
связанные
с увеличением образования лактата
(см. 3 и 4) У здоровых – работа скелетных мышц (усталость, тошнота).
У больных – разные формы Г И П О К С И И , в т.ч:
1. из-за ишемии (жгут, тромб, спазм, падение АД и т.д.),
2. из-за патологии дыхательной системы (эмфизема легких при курении и др.),
3. из-за патологии сердечно-сосудистой системы,
4. из-за анемии (нет Fe, витаминов, белка, есть гемолиз),
5. при шоке, коллапсе, терминальных состояниях.
8. Причины накопления лактата,
связанные с уменьшением его утилизации (использования) 1) патология печени из-за снижения ГНГ
(п/л печени – из-за алкоголизма и др.),
2) дефицит В1, т.к. без него не может работать ПДГ и ЦТК.

1. Лекция № 10. «Аэробное окисление углеводов« профессор Грашин Р.А.

2. Содержание

1.Аэробное окисление глюкозы
Валовое уравнение:
C6H12O6 + 6O6=>6CO2+ 6H2O + W
Полный выход энергии (W) при распаде глюкозы 2880 кДж
Запас: =1569 кДж (около 50% всей энергии) в форме АТФ
При
ПВК
pO2
Лактат
Окислительное декарбоксилирование ( в матриксе Mt)

Этапы:
Выделяют четыре этапа окисления глюкозы.
1. Окисление глюкозы до ПВК.
2 НАД
2 НАДН2
Глюкоза
2ПВК
2 АДФ
2 АТФ

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата(Mt).
Окислительное декарбоксилирование – процесс, осуществляемый
в митохондриях при помощи мультиферментного
пируватдегидрогеназного комплекса, в состав которого входят 3
фермента и 5 коферментов.
Ферменты:
Е1 – пируватдегидрогеназа
Е2 – дегидролипоилацетилтрансфераза
Е3 – дегидролипоилдегидрогенза
Коферменты:
ТДФ – тиаминпирофосфат (В1)
Амид липоевой кислоты
S
ЛК
S
Коэнзим-КоА (HS-KoA) (В3)
НАД
ФАД
НЕОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС.

Пируватдегидрогеназный комплекс
CH3
E1-ТПФ
2 C=O
Е1-ТПФ-СНОН-СН3
COOH
Е1 – пируват-ДГ
Е2 – дигидролипоил-ТФ
Е3 – дигидролипоил-ДГ
Оксиэтиламинопирофосфат-Е1
E2
2 СО2
E2
S
S
E3-ФАДН2
S
Липоамид-Е2
SH
H3C-C
O
Ацетиллипоамид-Е2
НАД
2
E2
НАДH2
Е3-ФАД
HS-KoA
HS
SH
Дигидролипоамид
O
2 CH3-C~S-KoA
!
Red-Ox потенциал ФАД гораздо выше, чем у НАД. Поэтому он сам по себе
не отдает Н+
НАД

8. 3. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты).

Цикл Кребса (ЦТК) – универсальный метаболический процесс,
осуществляемый в митохондриях с целью сжигания (окисления)
Ацетил-КоА не зависимо от источника его происхождения.
ЦТК – источник важных метаболитов для других путей обмена
веществ.
Конечные продукты:
НАДН2 – 6
ФАДН2 – 2
СО2 – 4
ГТФ – 2

Общий процесс
Н2О
Н2О
Цис-аконитат
2
3
Цитрат
(Лимонная кислота)
Изоцитрат
2НАД+
Н2О
2HS-KoA
1
2НАДН2
4
2Ацетил-КоА
Оксалоацетат
(щавелево-уксусная кислота)
12 (24)АТФ
2НАДН2
2СО2
-кетоглутарат
9
2НАД+
+
2НАД
Малат
(Яблочная кислота)
Н2О
2НАДН2
5
2НS-KoA
8
2CO2
Фумарат
2Е-ФАДН2
2Е-ФАД
Сукцинил - КоА
7
6
Сукцинат
(Янтарная кислота)
HS-KoA
2H3PO4 + 2ГДФ
2ГТФ

11. Ферменты реакций цикла Кребса:

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Цитратсинтаза НЕОБРАТИМА
Аконитаза
ОБРАТИМА
Аконитаза
Изоцитратдегидрогеназа (ИДГ) НЕОБРАТИМА Ключевой фермент!
-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс НЕОБРАТИМА
Сукцинатсинтаза ОБРАТИМА
Сукцинатдегидрогеназа ОБРАТИМА
Фумараза ОБРАТИМА
Малатдегидрогеназа (МДГ) ОБРАТИМА

14. 2. Челночный механизм

1. Глицерофосфатный челнок организует
передачу Н+ от НАДН2 из
цитоплазмы митохондрий (печень т
головной мозг).
Энергетический выход – 36 АТФ
2. Малат-аспартатный челнок – потерь
АТФ не происходит (работает
повсеместно).
Энергетический выход – 38 АТФ

Глицерофосфатный челночный механизм.
НАД+
НАДH2
Цитоплазматическая
глицерол 3-фосфат - ДГ
Диоксиацетон
фосфат
Цитозоль
Глицерол - 3 фосфат
Митохондриальная
глицерол - 3 - фосфат - ДГ
ФАДН2
КоQ
2ē
ФАД
О2
В С
a a3
АТФ
АТФ
Митохондрия

Малат-аспартатный челночный механизм
Внутренняя мембрана митохондрии
НАД
НАД
малат
малат
НАДH2
НАДH2
оксалоацетат
глутамат
оксалоацетат
глутамат
АсАТ
АсАТ
аспартат
α-кетоглутарат
Цитозоль
аспартат
α-кетоглутарат
Матрикс Mt

17. 3. Пентозный шунт (путь)

Пентозный шунт – процесс альтернативного
окисления углеводов (параллелен гликолизу в
цитоплазме).
Цель:
Образование фосфопентоз
Образование НАДФН2 для синтеза липидов, белков и
нуклеиновых кислот, а также ДЕТОКСИКАЦИИ
!Не зависит от концентрации инсулина в крови

Глюкозо-6фосфатдегидрогеназа!
НЕОБРАТИМА
6 Глюкозо-6-фосфат
6 НАДФ
6 НАДФН2
6 Фосфоглюко-δ-лактон
(Фосфоглюко-) лактоназа
ОБРАТИМА
6 Н2О
6 Фосфоглюконат
Фосфоглюколактонатдегидрогеназа
декарбоксилирующая 6 СО2
6 НАДФ
6 НАДФН2
6 Рибулозо-5-фосфат
Изомеразы
2 Рибозо-5-фосфат
2 Ксилулозо-5-фосфат
2 Ксилулозо-5-фосфат

2 Рибозо-5-фосфат
2 Ксилулозо-5-фосфат
Транскетолаза
2 Ксилулозо-5-фосфат
(+ В1 кофактор)
2 Седогептулозо-7-фосфат 2 Глицеральдегид-3-фосфат
Трансальдолаза
Транскетолаза
2 Фруктозо-6-фосфат
2 Глюкозо-6-фосфат
2 Эритрозо-4-фосфат
2 Фруктозо-6-фосфат 2 Глицеральдегид-3-фосфат
2 Глюкозо-6-фосфат
Глюконеогенез
Фруктозо-1,6-бифосфат
Глюкозо-6-фосфат

21. 4. Основные регуляторы обмена углеводов

Основными регуляторами обмена углеводов являются:
1.
2.
3.
Инсулин ( стимуляция гликолиза и синтеза гликогена =>
концентрации глюкозы в крови
Окисление (утилизация, усвоение глюкозы в клетках)
Антагонисты:
Адреналин
Распад гликогена
Глюкагон
Глюконеогенез
Глюкокортикоиды
повышение концентрации глюкозы в крови

Читайте также: