Аэробная стадия превращений углеводов реферат
Обновлено: 02.07.2024
Важнейшими функциями моносахаридов в организме являются энергетическая и пластическая; обе эти функции реализуются в ходе окислительного распада моносахаридов в клетках. При окислении углеводов выделяется 4,1 ккал/г ( около 17 кДж/г ) свободной энергии и за счет окисления углеводов человек покрывает 55-60% своих общих энергозатрат. В ходе окисления углеводов образуется большое количество промежуточных продуктов распада, которые используются для синтеза различных липидов, заменимых аминокислот и др. необходимых клеткам соединений. Кроме того, при окислении углеводов в клетках идет генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются ими в восстановительных реакциях биосинтезов, в процессах детоксикации, для контроля уровня перекисного окисления липидов и др.
Главным моносахаридом, подвергающимся окислительным превращениям в клетках, является глюкоза, поскольку именно она в наибольших количествах поступает из кишечника во внутреннюю среду организма, именно она синтезируется при глюконеогенезе или образуется в свободном виде или же в виде фосфорных эфиров при расщеплении гликогена. Роль других моносахаридов менее значительна, так как их количество, поступающее в клетки в количественном отношении сильно варьирует в зависимости от состава пищи.
Известно несколько метаболических путей окисления глюкозы, главными из которых являются:
а) аэробное расщепление до углекислого газа и воды;
б) анаэробное окисление до лактата;
в) пентозный путь окисления;
г) окисление с образованием глюкуроновой кислоты.
Глубина окислительного расщепления молекулы глюкозы может быть различной: от окисления одной из концевых группировок молекул до карбоксильной группы, что происходит при образовании глюкуроновой кислоты, до полной деградации молекулы глюкозы при ее аэробном распаде.
2.1.1. Аэробное окисление глюкозы
В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свободной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разделить на 3 этапа:
1. Расщепление глюкозы до пирувата.
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.
3. Окисление ацетила в цикле Кребса ( ЦТК ), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.
2.1.1.1. Расщепление глюкозы до пирувата
По современным представлениям первый этап окисления глюкозы протекает в цитозоле и катализируется надмолекулярным белковым комплексом - гликолитическим метаболоном, включающим в себя до десятка отдельных ферментов.
Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь разделен на 2 стадии. В реакциях первой стадии происходит фосфорилирование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, наконец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз:
Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой. В качестве фосорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровождается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в условиях клетки является необратимой.
Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, принимающих участие в работе этого метаболического пути.
С помощью термодинамических механизмов осуществляется контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G0= - 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G0= -3,4 ккал/моль ) и пируваткиназная ( G0= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.
Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля метаболического пути одновременно являются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов.
Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими концентрациями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.
Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.
Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.
В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.
Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цитратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который затем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его дополнительное образование, что и достигается ингибированием фосфофруктокиназы и пируваткиназы.
Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.
Аэробное окисление углеводов - основной путь образования энергии для организма. Непрямой - дихотомический и прямой - апотомический.
Прямой путь распада глюкозы – пентозный цикл – приводит к образованию пентоз и накоплению НАДФН 2 . Пентозный цикл характеризуется последовательным отщеплением от молекул глюкозы каждого из ее 6 атомов углерода с образованием в течение одного цикла по 1 молекуле углекислого газа и воды. Распад всей молекулы глюкозы происходит в течение 6 повторяющихся циклов.
Значение пентозофосфатного цикла окисления углеводов в обмене веществ велико:
1. Он поставляет восстановленный НАДФ, необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозного цикла на 50% покрывается потребность организма в НАДФН 2 .
2. Поставка пентозофосфатов для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов.
Реакции пентозного цикла протекают в цитоплазме клетки.
При ряде патологических состояний удельный вес пентозного пути окисления глюкозы возрастает.
Непрямой путь – распад глюкозы до углекислого газа и воды с образованием 36 молекул АТФ.
1. Распад глюкозы или гликогена до пировиноградной кислоты
2. Превращение пировиноградной кислоты в ацетил- КоА
Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса до углекислого газа и воды
С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 686 ккал
В случае аэробного превращения пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил- КоА, который затем окисляется до углекислого газа и воды.
Окисление пирувата до ацетил-КоА, катализируется пируватдегидрогеназной системой и протекает в несколько стадий. Суммарно реакция:
Пируват + НАДН + НS-КоА ацетил- КоА+ НАДН 2 + СО 2 реакция практически необратима
Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот или цикле Кребса. Этот процесс протекает в митохондриях.
Цикл состоит из 8 последовательных реакций:
В этом цикле, молекула, содержащая 2 атома углерода (уксусная кислота в форме ацетил-КоА) реагирует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, в результате чего образуется соединение с 6 атомами углерода – лимонная кислота. В процессе дегидрирования, декарбоксилирования и подготовительной реакции лимонная кислота вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту, которая легко соединяется с другой молекулой ацетил- КоА.
1) ацетил-КоА + оксалоацетат (ЩУК) лимонная кислота
2) лимонная кислота изолимонная кислота
3)изолимонная к-та+НАД-кетоглутаровая к-та+НАДН 2 + СО 2
4)-кетоглутаровая к-та+НS-КоА+НАДсукцинилSКоА+НАДН 2 + СО 2
5) сукцинил-КоА+ГДФ+Фнянтарная кислота+ГТФ+НS-КоА
сукцинил КоА синтетаза
6) янтарная кислота+ФАДфумаровая кислота+ФАДН 2
7) фумаровая кислота+ Н 2 О L яблочная кислота
8) малат+ НАДоксалоацетат+ НАДН 2
Итого при расщеплении в тканях молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул АТФ. Несомненно, это в энергетическом отношении более эффективный процесс чем гликолиз.
Цикл Кребса – общий конечный путь, которым завершается обмен углеводов, жирных кислот и аминокислот. Все эти вещества включаются в цикл Кребса на том или другом этапе. Далее происходит биологическое окисление или тканевое дыхание, главной особенностью которого является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные ферментативные стадии. Этот процесс происходит в митохондриях, клеточных органеллах, в которых сосредоточено большое количество ферментов. В процессе участвуют пиридинзависимые дегидрогеназы, флавинзависимые дегидрогеназы, цитохромы, коэнзим Q – убихинон, белки, содержащие негеминовое железо.
Интенсивность дыхания управляется соотношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивая выработку АТФ.
Также цикл лимонной кислоты является в клетке главным источником двуокиси углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается синтез жирных кислот и глюконеогенез. Та же двуокись углерода поставляет углерод для мочевины и некоторых звеньев пуриновых и пиримидиновых колец.
Взаимосвязь между процессами углеводного и азотистого обмена также достигаются посредством промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.
Существует несколько путей, по которым промежуточные продукты цикла лимонной кислоты включаются в процесс липогенеза. Расщепление цитрата приводит к образованию ацетил-КоА, играющего роль предшественника в биосинтезе жирных кислот.
Изоцитрат и малат обеспечивают образование НАДФ, который расходуется в последующих восстановительных этапах синтеза жиров.
Роль ключевого фактора, определяющего превращение НАДН играет состояние адениннуклеотидов. Высокое содержание АДФ и низкое АТФ свидетельствует о малом запасе энергии. При этом НАДН вовлекается в реакции дыхательной цепи, усиливая сопряженные с запасанием энергии процессы окислительного фосфорилирования. Обратное явление наблюдается при низком содержании АДФ и высоком АТФ. Ограничивая работу системы переноса электронов, они способствуют использованию НАДН в других восстановительных реакциях, таких как синтез глутамата и глюконеогенез.
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.
Основными путями распада углеводов в клетке являются анаэробный путь при недостатке кислорода. По аэробному пути распад идет при достаточном обеспечении клеток кислородом. Распад глюкозы в аэробных условиях может идти непрямым (дихотомическим) или прямым (апотомическим) путем. Отличие состоит в том, при дихотомическом пути происходит расщепление молекулы глюкозы пополам на две триозы. Распад глюкозы по дихотомическому пути называют гликолизом.
Гликолиз — основной процесс образования энергии путем окисления глюкозы. Это сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающих во всех клетках при использовании кислорода (аэробный гликолиз) или при его отсутствии (анаэробный гликолиз). Локализация — цитозоль клетки.
Аэробный путь распада углеводов является основным для образования энергии в клетках организма.
Непрямой путь аэробного распада глюкозы состоит из трех этапов:
1. Распад глюкозы до пирувата по дихотомическому пути (гликолиз)
2. Превращение пирувата в ацетил-КоА
3. Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса
Процесс распада активированной глюкозы в виде глюкозо-6-фосфата в анаэробных условиях и при непрямом аэробном окислении (1 этап) протекают одинаково по дихотомическому пути. Конечным продуктом анаэробного дихотомического процесса является молочная кислота (лактат).
При непрямом аэробном гликолизе конечный продукт анаэробного распада — молочная кислота в присутствии кислорода с помощью фермента лактатдегидрогеназы окисляется до пировиноградной кислоты. Поэтому конечный продукт аэробного гликолиза — пируват.
Пируват занимает одно из центральных мест в обмене углеводов. Она участвует в многочисленных реакциях, важных для процессов тканевого обмена веществ. Пировиноградная кислота подвергается аэробному окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это сложный многоступенчатый процесс, который катализируется пируватдегидрогеназным мультиферментрым комплексом, состоящим из трех ферментов и пяти коферментов. Образовавшийся ацетил-КоА при участии коэнзима А передается щавелево-уксусной кислоте — первому продукту цикла Кребса. В цикле Кребса происходит полное окисление ацетил-КоА до углекислого газа и воды. В итоге непрямое аэробное окисление обеспечивает выход 38 молекул АТФ.
Прямой путь аэробного окисления глюкозы — пентозофосфатный или апотомический. Это прямое окисление молекулы глюкозы без предварительного ее расщепления на две триозы, как при дихотомическом пути. От состоит из шести повторяющихся циклов последовательного отщепления от молекулы глюкозы каждого из входящих в ее состав углеродных атомов. В ходе каждого цикла происходит окисление одного из шести атомов углерода молекулы глюкозы до углекислого газа и воды с образованием пентозы.
При этом также выделяются атомы водорода, которые захватываются НАДФ с образованием НАДФН2. Восстановленный НАДФН2 используется для различных восстановительных синтезов.
Таким образом, в ходе прямого окисления глюкозы в организме образуются моносахариды-пентозы, которые используется в синтезе нуклеиновых кислот, а именно: ДНК и РНК и восстановленный НАДФН2 , являющийся поставщиком водорода для различных синтетических процессов (синтез жиров, холестерина, гормонов и т. д.), а также образуется 36 молекул АТФ.
Читайте также: