Гликолитическая оксидоредукция биохимия реферат

Обновлено: 08.07.2024

ГЛИКОЛИЗ (от греч. glykys – сладкий и lysis – распад, разложение) – один из трех основных (гликолиз, цикл Кребса и путь Энтнера – Дудорова) способов выработки энергии в живых организмах. Это процесс анаэробного (т.е. не требующего участия свободного О₂) ферментативного негидролитического расщепления углеводов (главным образом глюкозы и гликогена) в животных тканях, сопровождающийся синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и заканчивающийся образованием молочной кислоты. Гликолиз важен для мышечных клеток, сперматозоидов, растущих тканей (в том числе, опухолевых), т.к. обеспечивает накопление энергии в отсутствие кислорода. Но известен и гликолиз в присутствии О₂ (аэробный гликолиз) – в эритроцитах, сетчатке глаза, тканях плода сразу после рождения и в слизистой оболочке кишечника. В изучение гликолиза большой вклад внесли Г. и К.Кори, а также такие пионеры биохимии как О.Мейерхоф и Г.Эмбден. Гликолиз был первой до конца расшифрованной последовательностью биохимических реакций (с конца 19 в. по 1940-е). Гексозомонофосфатный шунт или пентозофосфатный путь в некоторых клетках (эритроциты, жировая ткань) также может играть роль поставщика энергии.

Кроме глюкозы, в процесс гликолиза могут вовлекаться глицерин, некоторые аминокислоты и др. субстраты. В мышечной ткани, где основной субстрат гликолиза – гликоген, процесс начинается с реакций 2 и 3 (см. схему) и носит название гликогенолиза. Общим промежуточным продуктом для гликогенолиза и гликолиза является глюкозо-6-фосфат. Обратный путь образования гликогена называется гликогенезом.

Продукты, образующиеся при гликолизе, являются субстратами последующих окислительных превращений (см. Трикарбоновых кислот цикл или цикл Кребса). Процессами, аналогичными гликолизу, являются молочнокислое, маслянокислое, спиртовое, глицериновое брожение, протекающее в растительных, дрожжевых и бактериальных клетках. Интенсивность отдельных стадий гликолиза зависит от кислотности – водородного показателя – рН (оптимум рН 7–8), температуры и ионного состава среды. Последовательность реакций гликолиза (см. схему) хорошо изучена и промежуточные продукты идентифицированы. Растворимые ферменты гликолиза, присутствующие в клеточном соке, выделены в кристаллическом или очищенном виде.

Ферменты, осуществляющие отдельные этапы гликолиза:

1. Гексокиназа КФ2.7.1.1 (или глюкокиназа КФ2.7.1.2)

2. Гликогенфосфорилаза КФ2.4.1.1

3. Фосфоглюкомутаза КФ2.7.5.1

4. Глюкозофосфатизомераза КФ5.3.1.9

5. Фосфофруктокиназа КФ2.7.1.11

6. Фруктозобисфосфатальдолаза КФ4.1.2.13

7. Триозофосфатизомераза КФ5.3.1.1

8, 9. Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа КФ1.2.1.12

10. Фосфоглицераткиназа КФ2.7.2.3

11. Фосфоглицеромутаза КФ2.7.5.3

12. Енолаза КФ4.2.1.11

13. Пируваткиназа КФ2.7.1.40

14. Лактатдегидрогеназа КФ1.1.1.27

Гликолиз начинается с образования фосфорных производных сахаров, что способствует превращению циклической формы субстрата в ациклическую, более реакционноспособную. Одной из реакций, регулирующих скорость гликолиза, является реакция 2, катализируемая ферментом фосфорилазой. Центральная регуляторная роль в гликолизе принадлежит ферменту фосфофруктокиназе (реакция 5), активность которой тормозится АТФ и цитратом, но стимулируется продуктами ее распада. Центральным звеном гликолиза является гликолитическая оксидоредукция (реакции 8–10), представляющая собой окислительно-восстановительный процесс, протекающий с окислением 3-фосфоглицеринового альдегида до 3-фосфоглицериновой кислоты и восстановлением кофермента никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Эти превращения осуществляет дегидрогеназа 3-фосфоглицеринового альдегида (ДФГА) при участии фосфоглицераткиназы. Это – единственный окислительный этап в гликолизе, но и он не требует свободного кислорода, необходимо лишь присутствие НАД + , который при этом восстанавливается до НАД-Н₂.

В результате оксидоредукции (окислительно-восстановительный процесс) высвобождается энергия, аккумулирующаяся (в виде богатого энергией соединения АТФ) в процессе субстратного фосфорилирования. Второй реакцией, обеспечивающей образование АТФ, является реакция 13 – образование пировиноградной кислоты. В анаэробных условиях гликолиз кончается образованием молочной кислоты (реакция 14) под действием лактатдегидрогеназы и с участием восстановленного НАД, который при этом окисляется до НАД (НАД-Н₂) и вновь может быть использован на окислительном этапе. В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется в митохондриях в ходе цикла Кребса.

Т.о., при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуются 2 молекулы молочной кислоты и 4 молекулы АТФ. В то же время на первых стадиях гликолиза (см. реакции 1, 5) затрачиваются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. В процессе гликогенолиза образуется 3 молекулы АТФ, т.к. не нужно тратить АТФ для получения глюкозо-6-фосфата. Первые девять реакций гликолиза представляют собой его эндергоническую (с поглощением энергии) фазу, а последние реакции – экзергоническую (с выделением энергии) фазу. В процессе гликолиза выделяется только около 7% теоретической энергии, которая может быть получена при полном окислении глюкозы (до СО₂ и Н₂О). Однако общая эффективность накопления энергии в форме АТФ составляет 35–40%, а в практических условиях клетки может быть и выше.

Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа и лактатдегидрогеназа внутренне сопряжены (один требует НАД + , другой образует НАД + ), что обеспечивает круговорот этого кофермента. В этом, возможно, заключается основное биохимическое значение терминальной дегидрогеназы.

Все реакции гликолиза обратимы, кроме 1, 5 и 13. Однако можно получить глюкозу (реакция 1) или фруктозомонофосфат (реакция 5) из их фосфорных производных при гидролитическом отщеплении фосфорной кислоты в присутствии соответствующих ферментов; реакция 13 практически необратима, по-видимому, вследствие высокой энергии гидролиза фосфорной группировки (около 13 ккал/моль). Поэтому образование глюкозы из продуктов гликолиза идет другим путем.

В присутствии O₂ скорость гликолиза снижается (эффект Пастера). Есть примеры подавления гликолизом тканевого дыхания (эффект Кребтри) в некоторых интенсивно гликолизирующих тканях. Механизмы взаимоотношений анаэробных и аэробных окислительных процессов до конца не изучены. Одновременное регулирование процессов гликолиза и гликогенеза однозначно определяет поток углерода по каждому из этих путей в зависимости от нужд организма. Контроль осуществляется на двух уровнях – гормональном (у высших животных через регуляторные каскады с участием вторичных посредников) и метаболическом (у всех организмов).

В условиях интенсивной мышечной работы бывают ситуации, когда в клетку не успевает поступать кислород. При этом распад углеводов временно протекает в анаэробных условиях. Молекулам НАДН₂некуда отдавать свой водород, так как не работают дыхательные цепи в митохондриях и челночные механизмы. Это не мешает протеканию первых пяти реакций гликолиза. Но НАД - это кофермент, запасы которого в цитоплазме невелики. После того, как весь этот НАД превратится в НАДН₂в 6-й реакции, новые молекулы ФГА не могут окисляться до фосфоглицериновой кислоты, и тогда все последующие реакции гликолиза должны прекратиться. Но этого не происходит. В цитоплазме хорошим акцептором водорода является ПВК - конечный продукт 1-го этапа. Возникает сопряжение между двумя реакциями, которое называетсягликолитическая оксидоредукция:

Реакции гликолитической оксидоредукции полностью обратимы. В отсутствие кислорода сколько НАДН₂образуется на 6-й стадии, столько же НАДН₂и отдаст свой водород на ПВК.

Поэтому в анаэробных условиях конечным продуктом распада глюкозы является лактат.

Таким образом, гликолитическая оксидоредукция - это сопряжение между 6-й стадией (окисление ФГА) и 11-й стадией (восстановление ПВК до лактата) гликолиза [2].

В состоянии покоя, наступающего после интенсивной мыщечной работы, в клетку начинает поступать кислород. Это приводит к запуску митохондриальных дыхательных цепей. Запускаются окислительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК и челночный механизм переноса водорода в митохондрии, а, значит, и распада глюкозы (гликогена). При этом процесс гликолиза тормозится автоматически. Торможение гликолиза поступившим в клетку кислородом называется эффектом Пастерапо имени ученого, открывшего это явление.

В раковых клетках такого эффекта не наблюдается. В них одновременно могут протекать сразу два процесса: и аэробный, и анаэробный гликолиз. Отсутствие эффекта Пастера в тканях, пораженных злокачественными опухолями, называется эффект Кребтри [7]

Судьба лактата образовавшегося при анаэробном гликолизе.

Накопившийся в ходе гликолиза лактат при поступлении кислорода в клетку начинает постепенно превращаться обратно в ПВК. Часть этого пирувата вступает в реакции окислительного декарбоксилирования и ЦТК. АТФ, образующаяся при этом, используется для синтеза из оставшегося количества ПВК глюкозы или гликогена (в условиях покоя). Процесс синтеза глюкозы или гликогена из лактата называется обращением гликолиза. Образование углеводов (например, глюкозы) из веществ, имеющих не углеводное происхождение называютглюконеогенезом [1].

3. Регуляция глюконеогенеза (обращение гликолиза).

Для протекания глюконеогенеза требуется 4 фермента, не принимающих участия в окислительном расщеплении глюкозы – это пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза. Естественно ожидать, что регуляторными ферментами глюконеогенеза будут ферменты, не принимающие участие в расщеплении глюкозы. Такими регуляторными ферментами являются пируваткарбоксилаза и фруктозо-1,6-бисфосфатаза.

Пируваткарбоксилаза

Первая реакция на пути синтеза фосфоенолпирувата из пирувата. Первоначально пируват под влияние пируваткарбоксилазы и при участии СО₂ и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата [1].

Механизмы регуляции:

При биосинтезе в ходе глюконеогенеза оксалоацетата из бикарбоната и пирувата, катализируемого пируваткарбоксилазой, в качестве аллостерического активатора выступает ацетил-КоА. Последний изменяет конформацию белка, в результате уменьшается величина К_м для бикарбоната. Этот эффект имеет важное значение для саморегуляции промежуточного обмена веществ, поскольку ацетил-КоА, образующийся из пирувата, активирует пируваткарбоксилазу и тем самым способствует образованию оксалоацетата и его дальнейшему окислению в цикле лимонной кислоты. Активация пируваткарбоксилазы и ингибирование пируватдегидрогеназы, которые вызываются ацетил-КоА, образующимся при окислении жирных кислот, позволяют понять тормозящее действие окисления жирных кислот на окисление пирувата и активирующее влияние на глюконеогенез в печени. Как в печени, так и в почках регуляция активностей пируватдегидрогеназы и пируваткарбоксилазы имеет реципрокный характер, благодаря этому метаболическая судьба пирувата изменяется при переходе от окисления углеводов, начинающегося с гликолиза, к глюконеогенезу. Окисление жирных кислот обеспечивает глюконеогенез, поставляя АТФ, необходимый для протекания реакций, которые катализируются пируваткарбоксилазой и фосфоенолпируваткарбоксикиназой [6].

Активность пируваткарбоксилазы ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями АДФ.

Фруктозо-1,6-бисфосфатаза.

Механизиы регуляции:

Фруктозо-2,6-бисфосфат

Аллостерически ингибирует фруктоза-1,6-бисфосфатазу.

Активность фруктозо-1,6-бисфосфатазы также по аллостерическому механизму угнетается высокими концентрациями АМФ.

Таким образом, в условиях дефицита энергии в клетках глюконеогенез будет заторможен, во-первых, из-за недостатка АТФ, а, во-вторых, из-за аллостерического ингибирования двух ферментов глюконеогенеза продуктами расщепления АТФ - АДФ и АМФ.

Нетрудно заметить, что скорость гликолиза и интенсивность глюконеогенеза регулируются реципрокно. При недостатке энергии в клетке работает гликолиз и ингибирован глюконеогенез, в то время как при хорошем энергетическом обеспечении клеток в них работает глюконеогенез и ингибировано расщепление глюкозы.

Основные пути катаболизма глюкозы:• Анаэробный гликолиз;• Аэробный гликолиз (гексозодифосфатный путь);• Гексозомонофосфатный путь.

Основные пути катаболизма глюкозы.Если катаболизму подвергается глюкоза, то процесс называется гликолизом, если распадается глюкозный остаток гликогена – гликогенолизом. В зависимости от функционального состояния организма, клетки органов и тканей могут находиться как в условиях достаточного снабжения кислородом, так и испытывать его недостаток, то есть находится в условиях гипоксии. В связи с этим катаболизм углеводов может рассматриваться с двух позиций: в анаэробных и аэробных условиях.

Анаэробный гликолиз:• протекает в цитоплазме клеток.• окисление глюкозы или глюкозного остатка гликогена всегда завершается образованием конечного продукта этого процесса - молочной кислоты.• окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Дальнейшее окисление углеводов в тканях, как в ана-, так и в аэробных условиях полностью совпадает до стадии образования пирувата.• процесс анаэробного гликолиза сложныйи многоступенчатый.• условно его можно разделить на 2 стадии.

Вторая стадия:

Первая стадия:

Первая стадия заканчивается образованием из гексозы двух триоз: - диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. Вторая стадия называется стадией гликолитической оксидоредукции. Эта стадия катаболизма наиболее важная, поскольку она сопряжена с образованием АТФ, за счёт реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата, восстановлением пирувата до лактата. На этапе гликолитической оксидоредукции идёт окисление глицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н₃РО₄ и НАД-зависимой дегидрогеназы.

Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделенные в результате окисления молекулы НАДН₂ находится в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять их. Пируват, принимая НАДН₂, восстанавливается до лактата, завершая тем самым внутренний-окислительно-восстановительный этап гликолиза.

В процессе окисления глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). С этапа образования триоз идёт одновременное их окисление. В результате этих реакций образуется энергия в виде АТФза счёт реакций субстратного фосфорилирования (глицераткиназная и пируваткиназная реакции).

3 реакции гликолиза являются необратимыми: 1.) Гексокиназная. 2.) Фосфофруктокиназная. 3.) Пируваткиназная. Энергетический эффект окисления 1 молекулы глюкозы составляет 2 АТФ, глюкозного остатка гликогена - 3 АТФ. Биологическая роль анаэробного гликолиза - энергетическая. Анаэробный гликолиз является единственным процессом, продуцирующим энергию в форме АТФ в клетке в бескислородных условиях. В эритроцитах гликолиз является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим биоэнергетику, для сохранения их функции и целостности.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Реакция образования пировиноградной кислоты (ПВК) необратима.

В заключительной реакции гликолиза ПВК, выполняя функцию конечного акцептора

водородов, превращается в молочную кислоту. Водороды для этой реакции поступают из

единственной окислительной реакции гликолиза. Дегидрогеназа 3-ФГА освобождается от

водородов и вновь может участвовать в окислении. Две дегидрогеназые реакции гликолиза

образуют сопряжено работающую пару, катализирующую процесс, получивший название

В мышцах молочная кислота не используется, она поступает с током крови в печень,

где вновь превращается (благодаря обратимости ЛДГ-азной реакции) в пируват.

Изоферменты лакта тдегидрогеназы принимают участ ие в контроле гликолиза: т ак, в

концентрациями пирувата, что затрудняет образование молочной кислоты в кардиомиоцитах

и способствует дальнейшему окислению (а не восстановлению) пирувата; в скелетных

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки, он не нуждается в участии кислорода для

получения клеткой энергии. В ходе гликолиза в двух реакциях субстратного

фосфорилирования (реакции шестая и девятая ) образуется четыре молекулы АТФ ( в

пересчете на молекулу глюкозы) , однако в подготовительной стадии две молекулы АТФ

расходуются (реакции первая и третья), таким образом, полезный энергетический выход

NB! В анаэробных условиях конечным акцептором водорода может быть ацетальдег ид

В анаэробных условиях глюкоза мож ет превращаться в этанол. Ранее полагали, что

образование этилового спирта – привилегия дрожжей и некоторых плесневых грибков.

Однако уже доказано, что в тканях млекопитающих алкоголь также образуется. Он является

нормальным метаболитом клеток. Тяга к алкоголю, по-видимому, возникает вследствие

недостаточности ферментных систем, его производящих.

Реакции спиртового брожения глюкозы совпадают с реакциями гликолиза до стадии

Образование ацетальдегида из ПВК осуществляется путем прямого

декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазой с уча стием ее кофермента –

тиаминпирофосфата. Ацетальдегид превращается в этанол с помощью

алкогольдегидрогеназы , кофермен том которой яв ляется НАДН ·Н

чрезвычайно токсичное соединение, его высокая концентрация в крови при потреблении

спиртных напитков способна вызвать смертельный исход. Экзогенный этанол

обезвреживается также алкогольдегидрогеназой ( кофермент – НАД

ацетальдегида (реакция обратима) и далее с помощью альдегиддегидрогеназы – до уксусной

кислоты . Активность альдегиддегидрогеназы (от ее зависит переносимость алкоголя)

значительно варьирует у разных лиц и наций. Уксусная кислота, активируясь, превращается

в ацетил-КоА, который “сгорает” в цикле Кребса с образованием энергии. В обезвреживании

этанола принимают также участие микросомная система детоксикации гепатоцитов и

Рис. 5.8. Реакции образования этилового спирта и его обмена

Систематическое потребление алкоголя приводит к циррозу печени и ув еличивает

риск развития рака (причем не только печени), особенно на фоне хронического воздействия

Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они

исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой

(эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является

тем мет аболическим путем, который решает данн ую проблему. Глюконеогенез – это

метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения

могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты,

распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и

пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др., рис. 5.8).

Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и

цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три

реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для

преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали

ключевыми реакци ями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в пе чени и

корковом в еществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих

необратимые реакции гликолиз а и соответствующих им ключевых ферментов

Таблица 5.2. Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза

При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых”

субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными

ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субст ратом другого

фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат

первого ф ермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции.

Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную

аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.

Принято считат ь начальным э тапом глюконе огенеза реакции, идущие в обход

пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа – объект влияния регуляторных

систем(рис.5.9), управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях

благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует

затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является

аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. П оследний

стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А.

Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в

неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению

Рис.5.10. Основные субстраты и ферменты глюконеогенеза:

1–лактатдегидрогеназа; 2– пируваткарбоксилаза; 3–малатдегидрогеназа; 4–фосфоенолпируват

карбоксикиназа; 5–фруктозо-1,6-дифосфатаза; 6– глюкозо-6-фосфатаза; 7–глицеролкиназа; 8–  -

Если превращение фосфоенолпирувата в ПВК, которое катализирует пируваткиназа,

представляет одну химическую реакцию, то обратное превращение ПВК в

фосфоенолпируват требует нескольких реакций. Первая реакция – это карбоксилирование

пирувата. Реакция катализируется пируваткарбоксилазой и протекает с участием

занимает особое место в метаболиз ме митохондри й, где протекае т данная реакция. Это

важнейший субстрат цикла Кребса (см. ниже) и его выход из митохондрий затруднен. Для

преодоления мембраны митохондрий оксалоацетат восстанавливается при помощи

митохондриальной малатдегидрогеназы в легко приникающую через мебрану яблочную

кислоту. Последняя, покинув митохондрии, в цитозоле окисляется вновь в оксалоацетат уже

под влиянием цитозольной малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение оксалоацетата в

ФЕПВК происходит в цитозоле клетки. Здесь при помощи

фосфоенолпируваткарбоксикиназы окалоацетат декарбоксилируется с затратой энергии,

высвобождаемой при гидролизе ГТФ и образуется ФЕПВК.

После образования ФЕПВК последующие реакции представляют обратимые реакции

гликолиза. И з каждых двух образующихся 3-ФГА одна молекула при участии

фосфотриозоизомеразы превращ ается в Ф ДА и обе триозы под влиянием альдолазы

конденсируются в фруктозо-1,6-дифосф ат. Некоторое количество ФДА образуется путем

окисления глицеролфосфата, возникающего под влиянием глицеролкиназы из глицерола,

поступающего в печень из жировой ткани. Это единственный субстрат из липидов, который

участвует в глюконеогенезе. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат

катализируется фрукт озо-1,6-дифосфатазой-1 . Затем вновь следует реакция, обратная

гликолизу. Заключительная реакция глюконеогенеза катализируется ф ерментом глюкозо-6-

фосфатазой, который катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата и образующаяся свободная

1. Это главный путь распада углеводов до конечных продуктов. Во многих клетках это - единственный путь. Так распадается 70-75% глюкозы, которая поступает в клетку.

3. Это самый длинный путь распада углеводов.
____________________________________________________________________

1-й этап протекает в цитоплазме, дает 8 молекул АТФ при распаде 1 молекулы глюкозы или 9АТФ при распаде одного глюкозного фрагмента гликогена. Заканчивается образованием 2-х молекул пирувата (ПВК).

2-й и 3-й этапы - (исключительно аэробные!) в митохондриях с обязательным участием кислорода, дают 30 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

2-й этап - "окислительное декарбоксилирование пирувата" - катализируется пируватдегидрогеназным комплексом (см. "Биологическое окисление" - удлиненная цепь МтО). На 2-м этапе от молекулы ПВК отнимаются два атома водорода, и пируват превращается в Ацетил-кофермент А (АцКоА), одновременно происходит отщепление СО₂. Два атома водорода идут на НАД, а затем по цепи митохондриального окисления передаются на О₂ с образованием Н₂О и 3 молекул АТФ. Поэтому в расчете на одну молекулу исходной глюкозы 2-й этап дает 6 АТФ.

В 3-й этап вступает молекула АцетилКоА, который образуется в результате 2-го этапа. 3-й этап называется циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) (см. “Митохондриальное окисление”). В этом цикле АцКоА полностью расщепляется до СО₂ и Н₂О. При этом образуется 12 АТФ в расчете на молекулу АцКоА, вступившую в цикл. Если рассчитать на 1 молекулу глюкозы, то на 3-м этапе образуется 24 АТФ.

_________________________________________________________________
1-й этап проходит 10 промежуточных стадий. В ходе первой части этого этапа молекула глюкозы расщепляется пополам до 2-х молекул фосфоглицеринового альдегида (ФГА).

На 3-й стадии фруктозо-6-фосфат еще более ослабляется фосфофруктокиназой (ФФК) и образуется фруктозо-1,6-бисфосфат:

Фосфофруктокиназа - это ключевой фермент ГБФ-пути. Он является "пунктом вторичного контроля". V_max ФФК больше, чем V_max ГК. Поэтому, когда глюкозы поступает много, ГК лимитирует скорость всего ГБФ-пути.

Избыток АТФ и избыток цитрата сильно ингибируют ФФК. В этих условиях лимитирующим ферментом ГБФ-пути вместо гексокиназы становится ФФК. Из-за угнетения ФФК накапливаются глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф). Г-6-Ф ингибирует гексокиназу, уменьшая утилизацию глюкозы клеткой и одновременно активирует гликогенсинтетазу.

Если нет избытка АТФ и цитрата, а есть избыток АДФ, то АДФ активирует ФФК, и тогда скорость всего ГДФ-пути лимитируется опять гексокиназой.

В результате фосфофруктокиназной реакции молекула фруктозо-1,6-бисфосфата дестабилизируется (ослабляется) настолько, что сразу распадается на 2 триозы при участии фермента альдолазы (4-я реакция):

В 6-ю реакцию ГБФ-пути вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация и равновесие 5-й реакции сдвигается в сторону образования ФГА. Постепенно весь ФДА переходит в ФГА, и поэтому количество АТФ, синтезировавшееся в последующих реакциях ГБФ-пути, мы учитываем в расчете на 2 молекулы ФГА и других промежуточных метаболитов, которые из него образуются.

В 1-й части 1-ого этапа (от глюкозы до ФГА) расходуется 2 молекулы АТФ: одна - в гексокиназной реакции, другая - в фосфофруктокиназной (3-я реакция первого этапа ГБФ-пути). 2-я часть 1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.

Отщепляемый водород передается на НАД с образованием НАДН₂. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на то, чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат).

Фосфат с макроэргической связью передается на АДФ с образованием АТФ. В результате 7-й стадии в молекуле фосфоглицериновой кислоты остается 1 остаток фосфорной кислоты.

От 2-фосфоглицериновой кислоты отнимается Н₂О. Это приводит к перераспределению молекулярной энергии. В результате на фосфате во втором положении накапливается энергия и связь становится макроэргической. Получается фосфоенолпируват(ФЕП).

10-я реакция: Субстратное фосфорилирование. Фосфат переносится на АДФ с образованием АТФ. ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).

На этом 1-й этап ГДФ-пути заканчивается. ПВК уходит в митохондрию и вступает во второй этап ГДФ-пути.

ИТОГИ 1-го ЭТАПА: 10 реакций, из которых первая, третья и десятая реакции необратимы. Сначала расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы. Потом окисляется ФГА. Энергия реализуется в ходе 2-х реакций субстратного фосфорилирования: в каждой из них образуется по 2 АТФ. Следовательно, на каждую молекулу глюкозы (на 2 молекулы ФГА) получается 4 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

НАДН₂ по системе митохондриального окисления(МтО) передает водород на кислород воздуха с образованием Н₂О и 3 АТФ, но 1-й этап протекает в цитоплазме и НАДН₂ не может проходить через мембрану митохондрий. Существуют челночные механизмы, обеспечивающие этот переход НАДН₂ через митохондриальную мембрану - малат-аспартатный челнок и глицерофосфатный челнок (см. "Биологическое окисление".

В дополнение к 2 АТФ, получаемым на 1-м этапе путем субстратного фосфорилирования, образуется еще 6 АТФ с участием кислорода, итого - 8 молекул АТФ. Столько АТФ образуется в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы в ходе первого этапа ГБФ-пути.

Если эти 8 АТФ + к 30 молекулам АТФ, которые образуются на 2-м и 3-м этапах, то суммарный энергетический итог всего ГБФ-пути составит 38 АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную до СО₂ и Н₂О. В этих 38 АТФ заключено 65% энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе. Это доказывает очень высокую эффективность работы ГБФ-пути.

Из 38 АТФ основная их часть образуется на 2-м и 3-м этапах. Каждый из этих этапов абсолютно необратим и требует обязательного участия кислорода, так как окислительные стадии этих этапов сопряжены с митохондриальным окислением (без него невозможны). Весь ГБФ-путь от глюкозы или гликогена до СО₂ и Н₂О называют: АЭРОБНЫМ РАСПАДОМ УГЛЕВОДОВ.

Еще одно ключевое звено находится в ЦТК (3-й этап ГБФ-пути). Ключевое звено на 3-м этапе необходимо потому, что АцКоА, вступающий в ЦТК, образуется не только из углеводов, но и из жиров и аминокислот. Следовательно, ЦТК - это конечный "котёл" для сжигания ацетильных остатков, образующихся из углеводов, жиров и белков. ЦТК объединяет все метаболиты, образующиеся при распаде углеводов, жиров и белков.

Ключевые ферменты ЦТК: цитратсинтетаза и изоцитратдегидрогеназа. Оба фермента угнетаются избытком АТФ и избытком НАДН₂. Изоцитратдегидрогеназа активируется избытком АДФ. АТФ ингибирует эти ферменты по-разному: изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза. Поэтому при избытке АТФ накапливаются промежуточные продукты: цитрат и изоцитрат. В этих условиях цитрат может выходить в цитоплазму по градиенту концентраций.

2-й и 3-й этапы ГБФ-пути протекают в митохондриях, а 1-й - в цитоплазме. 1-й этап отделен от 2-го и 3-го этапов митохондриальной мембраной. Поэтому 1-й этап может выполнять свои особенные функции. Эти функции

Третьим необратимым звеном 1-го этапа является 10-я стадия. В прямом направлении эта реакция катализируется пируваткиназой, а обходной обратный путь протекает через 2 стадии. В 1-й реакции СО₂ присоединяется к ПВК с образованием щавелево-уксусной кислоты (ЩУК). Эта реакция катализируется пируваткарбоксилазой. Эта реакция синтеза требует затраты 1 АТФ. Кофермент пируваткарбоксилазы: биотин (vit H).

Вторая реакция: ЩУК поступает в цитоплазму (с участием челночных механизмов) и превращается в ФЕП. Эта реакция требует затраты ГТФ.

С учетом 7-й стадии, где происходит субстратное фосфорилирование, получается, что на пути от пирувата до глюкозы расходуется 3 АТФ, то есть 6 АТФ в расчете на каждую молекулу глюкозы, синтезированную из ПВК.

Если не считать НАДН₂, который образуется на 6-й стадии, а при обратном пути расходуется, то распад глюкозы до ПВК требует расхода 6 АТФ. Это подтверждает, что на любой биосинтез определенного метаболита требуется энергии больше, чем образуется при распаде этого же метаболита.

Это 6-я стадия: ФГА ----> 1,3-бисфосфоглицериновая кислота. Сама эта реакция не требует кислорода. Обычно НАДН₂ поступает в митохондрии и по дыхательной цепи отдает водород на кислород.
Транспорт водорода от цитоплазматического НАДН₂ к митохондриальному НАДН₂ обычно обеспечивается малат-аспартатным челночным механизмом, изображенном на рисунке.

В этом случае весь 1-й этап работает как часть ГБФ-пути.

В условиях интенсивной мышечной работы бывают ситуации, когда в клетку не успевает поступать кислород. При этом распад углеводов временно протекает в анаэробных условиях. Молекулам НАДН₂ некуда отдавать свой водород, так как не работают дыхательные цепи в митохондриях и челночные механизмы. Это не мешает протеканию первых пяти реакций 1-го этапа ГБФ-пути. Но НАД - это кофермент, запасы которого в цитоплазме невелики. После того, как весь этот НАД превратится в НАДН₂ в 6-й реакции, новые молекулы ФГА не могут окисляться до фосфоглицериновой кислоты, и тогда все последующие реакции 1-го этапа ГБФ-пути должны прекратиться. Но этого не происходит. В цитоплазме хорошим акцептором водорода является ПВК - конечный продукт 1-го этапа. Возникает сопряжение между двумя реакциями, которое называется ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ:

Реакции гликолитической оксидоредукции полностью обратимы. В отсутствие кислорода сколько НАДН₂ образуется на 6-й стадии, столько же НАДН₂ и отдаст свой водород на ПВК.

Процесс распада глюкозы до лактата в анаэробных условиях называется Г ЛИКОЛИЗОМ, а гликогена - ГЛИКОГЕНОЛИЗОМ.

Таким образом, ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ - это сопряжение между 6-й стадией (окисление ФГА) и 11-й стадией (восстановление ПВК до лактата) гликолиза.

В состоянии покоя, наступающего после интенсивной мыщечной работы, в клетку начинает поступать кислород. Это приводит к запуску митохондриальных дыхательных цепей. Запускаются окислительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК и челночный механизм переноса водорода в митохондрии, а, значит, и ГБФ-путь распада глюкозы (гликогена). При этом процесс гликолиза тормозится автоматически. Торможение гликолиза поступившим в клетку кислородом называется ЭФФЕКТОМ ПАСТЕРА по имени ученого, открывшего это явление.

В раковых клетках такого эффекта не наблюдается. В них одновременно могут протекать сразу два процесса: и ГБФ-путь, и гликолиз. Отсутствие эффекта Пастера в тканях, пораженных злокачественными опухолями, называется ЭФФЕКТОМ КРЭБТРИ.

Образование лактата в ходе гликолиза

Накопившийся в ходе гликолиза лактат при поступлении кислорода в клетку начинает постепенно превращаться обратно в ПВК. Часть этого пирувата окисляется во втором и третьем этапах ГБФ-пути. АТФ, образующаяся при этом, используется для синтеза из оставшегося количества ПВК глюкозы или гликогена (в условиях покоя). Процесс синтеза глюкозы или гликогена из лактата называется ОБРАЩЕНИЕМ ГЛИКОЛИЗА.

Глюконеогенез

ГЛИКОНЕОГЕНЕЗ - это образование углеводов (например, глюкозы или гликогена из веществ, имеющих неуглеводное происхождение.

Некоторые промежуточные метаболиты ГБФ-пути могут образоваться из веществ других классов (не из углеводов): например, из аминокислот, липидов.

Приведем пример. ПВК может получиться в ходе реакции трансаминирования из аланина:

Далее из пирувата синтезируется глюкоза (в печени) или гликоген (в печени и в мышцах). Для обходных реакций необратимых стадий 1-го этапа ГБФ-пути существуют специальные ферменты: для 1-й - глюкозо-6-фосфатаза (только в печени!), для 3-й - фруктозо-1,6-бисфосфатаза, и для 10-й реакции - пируваткарбоксилаза.
Ключевым ферментом глюконеогенеза из пирувата является пируваткарбоксилаза. В состав его кофермента входит витамин H - биотин. Этот фермент обычно малоактивен, но он сильно активируется даже при небольшом накоплении АцКоА в цитоплазме. Тогда обходной обратный путь 10-й стадии и весь процесс синтеза углеводов из ПВК может протекать быстрее, чем их распад.

Рассмотрим регуляцию на примере мышечной ткани, потому что именно в этой ткани наблюдается очень быстрый и огромный перепад в расходовании энергии АТФ (от состояния покоя к интенсивной мышечной работе и обратно к состоянию покоя).

Резко падает [АТФ] и возрастает [АДФ]. Это приводит к активации ключевых ферментов ЦТК цитратсинтазы и изоцитратдегидрогеназы. ЦТК работает интенсивнее, что приводит к снижению концентраций его начальных продуктов: Ацетил-КоА и цитрата. В итоге ацетил-КоА прекращает активировать ключевой фермент гликонеогенеза - пируваткарбоксилазу - то есть синтез углеводов резко замедляется. Снижение концентраций цитрата и АТФ приводит к прекращению их угнетающего действия на ФФК, а накопление АДФ еще и активирует ФФК - 3-я стадия 1-го этапа ГБФ-пути идет быстрее и понижается концентрация метаболитов-предшественников, в том числе глюкозо-6-фосфата. При этом снимается тормозящее действие глюкозо-6-фосфата на гексокиназу (поэтому глюкоза утилизируется быстрее) и его активирующее действие на гликогенсинтазу (прекращается синтез гликогена). Уменьшение [АТФ] снимает ее ингибирующее действие на фосфорилазу (ключевой фермент распада гликогена), а накопление АДФ активирует этот фермент - поэтому усиливается распад гликогена и его продукты окисляются в ГБФ-пути.

Читайте также: