Produkt oksidacije ugljikohidrata u fazi kisika. Aerobna oksidacija drugih ugljikohidrata

Glavni način proizvodnje energije u tijelu je aerobna oksidacija ugljikohidrata. U ovom slučaju, glukoza se u prisustvu kisika oksidira do CO 2 i H 2 O uz oslobađanje velike količine energije, od koje dio ide na sintezu 38-39 molekula ATP.

Aerobni proces se odvija na sljedeći način:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 680 kcal.

Aerobna oksidacija glukoze može se dogoditi na dva načina - direktan i indirektan.

U direktnom putu oksidacije glukoze (sinonimi: apotomski ili pentozni ciklus), svaki od njegovih 6 atoma ugljika se sekvencijalno odvaja od molekula glukoze sa formiranjem jednog molekula CO 2 i H 2 O tokom jednog ciklusa. cijeli molekul glukoze javlja se u 6 ciklusa koji se ponavljaju. Ovaj proces dominira u eritrocitima, mliječnoj žlijezdi u laktaciji, korteksu nadbubrežne žlijezde i očnom sočivu; u jetri i bubrezima, nusproizvod je razgradnje ugljikohidrata.

Karakteristika ovog procesa je formiranje pentoza koje idu na izgradnju RNK i DNK, oslobađanje energije (36 ATP molekula) i akumulaciju NADPH 2 -koenzim dehidrogenaza, koji su uključeni u sintezu holesterola, masnih kiselina. kiseline, aktivacija folne kiseline itd.

U jetri i bubrezima prevladava drugi put oksidacije glukoze, koji se naziva indirektan ili dihotoman (vidi shemu 3). Tokom ovog procesa, molekul glukoze se prvo dijeli na dva molekula fosfotrioze (proces je sličan anaerobnom razgradnji ugljikohidrata) s naknadnim stvaranjem pirogrožđane kiseline. Pirogrožđana kiselina se oksidativnom dekarboksilacijom pretvara u acetil-CoA.

Potonji ulazi u Creos ciklus, gdje postepeno oksidira do CO 2 i H 2 O i oslobađa veliku količinu energije.

Prilikom "indirektne" oksidacije jednog molekula glukoze oslobađa se 680 kcal energije iz koje nastaje 38-39 ATP molekula (vidi shemu 3).

U stanicama kvasca i raznim mikroorganizmima također se dešavaju procesi razgradnje ugljikohidrata, ali su krajnji proizvodi različiti ovisno o vrsti mikroba i kvasca. Dakle, u ćelijama kvasca dolazi do procesa stvaranja etilnog alkohola.

Radovima je otkriven mehanizam alkoholne fermentacije glukoze I. M. Manasseina, E. Bukhner, A. N. Lebedev i drugih autora. Pod djelovanjem enzima stanica kvasca dolazi do prethodno razmatranog procesa razgradnje glukoze ili glikogena do pirogrožđane kiseline. Potonji se podvrgava dekarboksilaciji s stvaranjem acetaldehida, koji se reducira u etil alkohol:

Dakle, krajnji proizvodi alkoholne fermentacije su CO 2 i etil alkohol.

Bakterije mliječne kiseline pretvaraju ugljikohidrate u mliječnu kiselinu, maslačne bakterije u maslačnu kiselinu itd.

Prilikom proučavanja fermentacije L. Pasteur skrenuo je pažnju na činjenicu da se s viškom kisika inhibira proces glikolize. Ova činjenica se zove Pasteurov efekat. Za to još nema objašnjenja. Postoje različite hipoteze, ali nijedna od njih to ne može objasniti sa dovoljnim stepenom tačnosti.

Istraživanja O. Warburg utvrđeno je da u embrionalnom tkivu i tkivima malignih tumora kiseonik ne inhibira glikolizu. Stvaranje mliječne kiseline u prisustvu kisika naziva se "aerobna glikoliza".

Faze:

1. H 3 C - CO - COOH + TDF - E 1 \u003d H 3 C - CHOH - TDF - E 1 + CO 2

2. H 3 C - CHOH - TDP - E 1 + lipoic ct.a - E2 \u003d H 3 C - CO ~ dihidrolipoic ct.a - E2 + TDF - E 1

3. H 3 C - CO ~ dihidrolipoična ct.a - E2 + HS-KoA \u003d CH3 - CO ~ S - KoA + dihidrolipoična ct. - E2

4. dihidrolipoična kta - E2 + E3 - FAD \u003d lipoična kt.a - E2 + E3-FADH2

5.E3-FADH2 + OVER+ = E3-FAD + NADH + H+

E 1 - piruvat dehidrogenaza; E 2 - di-hidrolipoilacetiltransfsraz; E 3 - dihidrolipoil dehidrogenaza

Ukupna reakcija:

H 3 C - CO - COOH + HS-KoA + OVER + \u003d CH3 - CO ~ S - KoA + CO 2 + NADH + H +

Opis:

Oksidacija piruvata u acetil-CoA odvija se uz učešće brojnih enzima i koenzima, strukturno ujedinjenih u multienzimski sistem nazvan "kompleks piruvat dehidrogenaze".

Na I Tokom ovog procesa, piruvat gubi svoju karboksilnu grupu kao rezultat interakcije sa tiamin pirofosfatom (TPP) kao delom aktivnog mesta enzima piruvat dehidrogenaze (E 1). Na II stadijumu, hidroksietilna grupa kompleksa E 1 -TPF-CHOH-CH 3 oksidira se u acetil grupu, koja se istovremeno prenosi na amid lipoične kiseline (koenzim) povezan sa enzimom dihidrolipoilacetiltransferazom (E 2). Ovaj enzim katalizuje III faza - transfer acetilne grupe na koenzim CoA (HS-KoA) uz formiranje krajnjeg produkta acetil-CoA, koji je visokoenergetski (makroergijski) spoj.

Na IV fazi, oksidovani oblik lipoamida se regeneriše iz redukovanog kompleksa dihidrolipoamid-E2. Uz učešće enzima dihidrolipoil dehidrogenaze (E 3), atomi vodika se prenose sa redukovanih sulfhidrilnih grupa dihidrolipoamida u FAD, koji deluje kao prostetička grupa ovog enzima i snažno je povezan sa njim. U fazi V, redukovana FADH 2 dihidro-lipoil dehidrogenaza prenosi vodonik na koenzim NAD sa formiranjem NADH + H + .

Proces oksidativne dekarboksilacije piruvata odvija se u mitohondrijskom matriksu. Uključuje (kao dio kompleksnog multi-enzimskog kompleksa) 3 enzima (piruvat dehidrogenaza, dihidrolipoilacetiltransferaza, dihidrolipoil dehidrogenaza) i 5 koenzima (TPF, amid lipoične kiseline, koenzim A, FAD i NAD), od kojih su tri relativno snažno povezana s enzima (TPF-E 1, lipoamid-E 2 i FAD-E 3), a dva se lako disociraju (HS-KoA i NAD).

Svi ovi enzimi, koji imaju strukturu podjedinica, i koenzimi su organizovani u jedan kompleks. Stoga su međuproizvodi u mogućnosti da brzo komuniciraju jedni s drugima. Pokazalo se da polipeptidni lanci podjedinica dihidrolipoil acetiltransferaze koje čine kompleks formiraju, takoreći, jezgro kompleksa, oko kojeg se nalaze piruvat dehidrogenaza i dihidrolipoil dehidrogenaza. Općenito je prihvaćeno da se prirodni enzimski kompleks formira samosastavljanjem.

Ukupna reakcija koju katalizira kompleks piruvat dehidrogenaze može se predstaviti na sljedeći način:

Piruvat + NAD + + HS-KoA –> Acetil-CoA + NADH + H + + CO 2 .

Reakcija je praćena značajnim smanjenjem standardne slobodne energije i praktički je nepovratna.

Acetil-CoA nastao u procesu oksidativne dekarboksilacije podvrgava se daljoj oksidaciji sa stvaranjem CO 2 i H 2 O. Potpuna oksidacija acetil-CoA se odvija u ciklusu trikarboksilne kiseline (Krebsov ciklus). Ovaj proces, poput oksidativne dekarboksilacije piruvata, odvija se u mitohondrijima ćelija.

Slika

BELORUSSKI DRŽAVNI UNIVERZITET ZA INFORMACIJU I RADIO ELEKTRONIKU

Odjel ETT

« Aerobna oksidacija ugljikohidrata. Biološka oksidacija i redukcija"

MINSK, 2008

Aerobna oksidacija ugljikohidrata- glavni način stvaranja energije za tijelo. Indirektno - dihotomno i direktno - apotomsko.

Direktan put za razgradnju glukoze je pentozni ciklus- dovodi do stvaranja pentoza i akumulacije NADPH 2. Pentozni ciklus karakterizira sekvencijalna eliminacija svakog od njegovih 6 atoma ugljika iz molekula glukoze uz formiranje 1 molekule ugljičnog dioksida i vode tokom jednog ciklusa. Razgradnja cijelog molekula glukoze se događa unutar 6 ciklusa koji se ponavljaju.

Značaj pentozofosfatnog ciklusa oksidacije ugljikohidrata u metabolizmu je veliki:

1. Opskrbljuje smanjeni NADP, neophodan za biosintezu masnih kiselina, holesterola itd. Zbog pentoznog ciklusa, potrebe organizma za NADPH 2 su pokrivene za 50%.

2. Nabavka pentoza fosfata za sintezu nukleinskih kiselina i mnogih koenzima.

Reakcije pentoznog ciklusa odvijaju se u citoplazmi ćelije.

U brojnim patološkim stanjima povećava se udio pentoznog puta oksidacije glukoze.

indirektan način- razgradnju glukoze do ugljičnog dioksida i vode uz stvaranje 36 molekula ATP-a.

1. Razgradnja glukoze ili glikogena u pirogrožđanu kiselinu

2. Konverzija pirogrožđane kiseline u acetil-CoA

Oksidacija acetil-CoA u Krebsovom ciklusu u ugljični dioksid i vodu

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ® 6 CO 2 + 6 H 2 O + 686 kcal

U slučaju aerobne konverzije, pirogrožđana kiselina se podvrgava oksidativnoj dekarboksilaciji kako bi se formirao acetil-CoA, koji se zatim oksidira u ugljični dioksid i vodu.

Oksidaciju piruvata u acetil-CoA katalizira sistem piruvat dehidrogenaze i odvija se u nekoliko faza. Ukupna reakcija:

Piruvat + NADH + HS-CoA ® acetil- CoA + NADH 2 + CO 2 reakcija je gotovo nepovratna

Potpuna oksidacija acetil-CoA događa se u ciklusu trikarboksilne kiseline ili Krebsovom ciklusu. Ovaj proces se odvija u mitohondrijima.

Ciklus se sastoji od 8 uzastopnih reakcija:

U ovom ciklusu, molekul sa 2 ugljenika (octena kiselina u obliku acetil-CoA) reaguje sa molekulom oksalosirćetne kiseline da bi se formiralo jedinjenje sa 6 ugljenika, limunska kiselina. U procesu dehidrogenacije, dekarboksilacije i pripremne reakcije, limunska kiselina se ponovo pretvara u oksalosirćetnu kiselinu, koja se lako kombinuje sa drugim acetil-CoA molekulom.

1) acetil-CoA + oksaloacetat (PIA) ® limunska kiselina

citrat sintaza

2) limunska kiselina® izocitrična kiselina

akonitat hidrataze

3) izocitritna kiselina + NAD®a-ketoglutarna kiselina + NADH 2 + CO 2

izocitrat dehidrogenaza

4) a-ketoglutarna kiselina + HS-CoA + NAD® sukcinil S-CoA + NADH 2 + CO 2

5) sukcinil-CoA + GDP + Fn® jantarna kiselina + GTP + HS-CoA

sukcinil CoA sintetaza

6) jantarna kiselina + FAD® fumarna kiselina + FADH 2

sukcinat dehidrogenaze

7) fumarna kiselina + H 2 O® L jabučna kiselina

fumarat hidrataze

8) malat + NAD®oksaloacetat + NADH 2

malat dehidrogenaza

Ukupno, kada se molekul glukoze razgradi u tkivima, sintetiše se 36 molekula ATP-a. Bez sumnje, ovo je energetski efikasniji proces od glikolize.

Krebsov ciklus je uobičajeni konačni put kojim se završava metabolizam ugljikohidrata, masnih kiselina i aminokiselina. Sve ove supstance su uključene u Krebsov ciklus u jednoj ili drugoj fazi. Zatim dolazi do biološke oksidacije ili disanja tkiva, čija je glavna karakteristika da se odvija postepeno, kroz brojne enzimske faze. Ovaj proces se odvija u mitohondrijima, ćelijskim organelama koje sadrže veliki broj enzima. Proces uključuje dehidrogenaze zavisne od piridina, dehidrogenaze zavisne od flavina, citokrome, koenzim Q - ubikinon, proteine ​​koji sadrže ne-hem željezo.

Intenzitet disanja kontroliše se odnosom ATP/ADP. Što je ovaj omjer manji, to je disanje intenzivnije, osiguravajući proizvodnju ATP-a.

Također, ciklus limunske kiseline je glavni izvor ugljičnog dioksida u ćeliji za reakcije karboksilacije, koje započinju sintezu masnih kiselina i glukoneogenezu. Isti ugljični dioksid opskrbljuje ugljikom za ureu i neke jedinice purinskih i pirimidinskih prstenova.

Odnos između procesa metabolizma ugljikohidrata i dušika također se ostvaruje kroz međuproizvode ciklusa limunske kiseline.

Postoji nekoliko puteva kojima se intermedijeri ciklusa limunske kiseline uključuju u proces lipogeneze. Cijepanjem citrata dolazi do stvaranja acetil-CoA, koji igra ulogu prekursora u biosintezi masnih kiselina.

Izocitrat i malat osiguravaju stvaranje NADP-a, koji se troši u narednim koracima oporavka sinteze masti.

Ulogu ključnog faktora koji određuje konverziju NADH igra stanje adenin nukleotida. Visok sadržaj ADP i nizak ATP ukazuje na nisku rezervu energije. Istovremeno, NADH je uključen u reakcije respiratornog lanca, pojačavajući procese oksidativne fosforilacije povezane sa skladištenjem energije. Obrnuti fenomen se opaža kod niskog sadržaja ADP i visokog ATP-a. Ograničavajući sistem transporta elektrona, oni promoviraju upotrebu NADH u drugim redukcijskim reakcijama kao što su sinteza glutamata i glukoneogeneza.

Biološka oksidacija i redukcija.

Ćelijsko disanje je skup enzimskih procesa koji se odvijaju u svakoj ćeliji, kao rezultat kojih se molekule ugljikohidrata, masnih kiselina i aminokiselina na kraju razgrađuju do ugljičnog dioksida i vode, a oslobođena biološki korisna energija se skladišti u ćeliji, a zatim korišteno. Mnogi enzimi koji katalizuju ove reakcije nalaze se u zidovima i kristama mitohondrija.

Poznato je da za sve manifestacije života - rast, kretanje, razdražljivost, samoreprodukciju - ćelija mora trošiti energiju. Sve žive ćelije primaju biološki korisnu energiju kroz enzimske reakcije, tokom kojih se elektroni kreću sa jednog energetskog nivoa na drugi. Za većinu organizama, konačni akceptor elektrona je kisik, koji reagira s elektronima i ionima vodika kako bi formirao molekul vode. Prijenos elektrona na kisik događa se uz sudjelovanje enzimskog sistema sadržanog u mitohondrijima - sistem prijenosa elektrona. ATP služi kao "energetska valuta" ćelije i koristi se u svim metaboličkim reakcijama koje zahtevaju energiju. Molekuli bogati energijom ne kreću se slobodno iz jedne ćelije u drugu, već se formiraju na tom mjestu. gdje ih treba koristiti. Na primjer, visokoenergetske veze ATP-a, koje služe kao izvor energije za reakcije povezane s kontrakcijom mišića, formiraju se u samim mišićnim stanicama.

Proces u kojem atomi ili molekuli gube elektrone (e -) naziva se oksidacija, a obrnuti proces - dodavanje (pripajanje) elektrona atomu ili molekuli - naziva se redukcija.

Jednostavan primjer oksidacije i redukcije je reverzibilna reakcija - Fe 2+ ®Fe 3+ + e -

Reakcija ide desno - oksidacija, uklanjanje elektrona

Lijevo - oporavak (adicija elektrona)

Sve oksidativne reakcije (u kojima se oduzima elektron) moraju biti praćene redukcijom – reakcijom u kojoj elektrone hvata neki drugi molekul, jer. ne postoje u slobodnoj državi.

Prenos elektrona kroz sistem za transport elektrona odvija se kroz niz uzastopnih reakcija oksidacije-redukcije, koje se zajedno nazivaju biološka oksidacija. Ako se u isto vrijeme energija protoka elektrona akumulira u obliku makroergijskih fosfatnih veza (~F), tada se proces naziva oksidativna fosforilacija. Specifična jedinjenja koja formiraju sistem za transport elektrona i koja se naizmenično oksiduju i redukuju nazivaju se citohromi. Svaki od citokroma je proteinski molekul za koji je vezana hemijska grupa koja se zove hem, u centru hema se nalazi atom gvožđa, koji se naizmenično oksidira i redukuje, donirajući ili prihvatajući jedan elektron.

Sve reakcije biološke oksidacije odvijaju se uz sudjelovanje enzima, a svaki enzim je strogo specifičan i katalizira ili oksidaciju ili redukciju dobro definiranih kemijskih spojeva.

Druga komponenta sistema za transport elektrona, ubikinon ili koenzim Q, sposoban je da prihvati ili donira elektrone.

Mitohondrije se nalaze u citoplazmi ćelije i mikroskopske su štapićaste ili druge formacije, čiji je broj u jednoj ćeliji stotine ili hiljade.

Šta su mitohondrije, kakva je njihova struktura? Unutrašnji prostor mitohondrija okružen je sa dve neprekidne membrane, pri čemu je spoljašnja glatka, dok unutrašnja formira brojne nabore ili kriste. Intramitohondrijski prostor, omeđen unutrašnjom membranom, ispunjen je takozvanim matriksom, koji je oko 50% proteina i ima vrlo finu strukturu. Mitohondrije sadrže veliki broj enzima. Vanjska membrana mitohondrija ne sadrži nijednu komponentu lanca respiratornog katalizatora. Na osnovu enzimskog skupa vanjske membrane, još uvijek je teško odgovoriti na pitanje koja je njegova svrha. Možda igra ulogu pregrade koja odvaja unutrašnji, radni dio mitohondrija od ostatka ćelijskog prostora. Enzimi respiratornog lanca povezani su sa unutrašnjom membranom. Matrica sadrži brojne enzime Krebsovog ciklusa.

15.2.1. glikoliza je enzimska razgradnja glukoze u aerobnim uslovima do dva molekula pirogrožđane kiseline ( aerobna glikoliza), a u anaerobnim uslovima - do dva molekula mliječne kiseline ( anaerobna glikoliza). U anaerobnim uslovima, glikoliza se javlja u tkivima bez potrošnje kiseonika i jedini je proces koji opskrbljuje ATP, budući da oksidativna fosforilacija ne funkcionira u ovim uvjetima. Anaerobna glikoliza se javlja u svim tkivima koja funkcionišu u uslovima hipoksije, prvenstveno u skeletnim mišićima. Glikoliza u eritrocitima, čak i u prisustvu kiseonika, završava se stvaranjem laktata, jer ovim ćelijama nedostaju mitohondrije.

Glikoliza se javlja u citosolu tjelesnih ćelija. Ovaj proces katalizira jedanaest visoko pročišćenih i dobro proučenih enzima. Uvjetno je moguće podijeliti glikolizu u dvije faze.

15.2.2. Prvi korak glikolize je pripremna i uključuje reakcije pretvaranja molekula glukoze u dva molekula fosfotrioze. Ova faza je praćena potrošnjom ATP molekula.

Početna reakcija konverzije glukoze u ćeliji je njena fosforilacija kao rezultat interakcije sa ATP (Slika 15.1, reakcija 1). Ova reakcija u ćelijskim uslovima se odvija samo u jednom pravcu. Biološka uloga reakcije fosforilacije glukoze je da glukoza-6-fosfat, za razliku od slobodne glukoze, ne može proći kroz plazma membranu natrag u krv i "zaključan" je u ćeliji. Dakle, glukoza-6-fosfat je ključni metabolit metabolizma ugljikohidrata, na čijoj razini se vrši integracija različitih puteva konverzije glukoze u ćeliji.

U većini tkiva, fosforilaciju glukoze katalizira enzim heksokinaza, koji ima visok afinitet za glukozu, također je u stanju da fosforilira fruktozu i manozu i alosterički je inhibiran viškom glukoza-6-fosfata. U ćelijama jetre, osim toga, postoji enzim glukokinaza, koji ima nizak afinitet za glukozu, nije inhibiran glukoza-6-fosfatom i nije uključen u fosforilaciju drugih monosaharida. Glukokinaza djeluje efikasno samo pri visokoj koncentraciji glukoze u krvi. To doprinosi apsorpciji velike količine ugljikohidrata koji ulaze u jetru iz crijeva tokom aktivne faze probave.

U sljedećoj reakciji, glukoza-6-fosfat se izomerizira u fruktozo-6-fosfat (Slika 15.1, reakcija 2).

Produkt reakcije izomerizacije podvrgava se ponovnoj fosforilaciji zbog ATP-a (Sl. 15.1 , reakcija 3). Ova reakcija je najsporija reakcija u glikolizi i, kao i fosforilacija glukoze, je nepovratna. Enzim - fosfofruktokinaza - je alosteričan, aktivira ga ADP, AMP i fruktoza-2,6-bisfosfat, a inhibira ga citrat i visoka koncentracija ATP-a.

U sljedećoj fazi, fruktoza-1,6-difosfat se cijepa na dvije fosfotrioze (Slika 15.1 , reakcija 4). Dakle, hemijski spoj koji sadrži 6 atoma ugljika pretvara se u dva koja sadrže po 3 atoma ugljika. Stoga se glikoliza naziva dihotomno konverzija glukoze (od riječi "dihotomija" - disekcija na dva dijela).

Zatim dolazi do izomerizacije trioznih fosfata (Sl. 15.1 , reakcija 5). U ovoj reakciji, dihidroksiaceton fosfat se pretvara u gliceraldehid-3-fosfat. Dakle, u prvoj fazi glikolize, molekul glukoze se pretvara u dva molekula gliceraldehid-3-fosfata. Stoga će dva molekula svakog supstrata sudjelovati u reakcijama drugog stupnja glukoze, što se mora uzeti u obzir pri izračunavanju energetskog bilansa ovog metaboličkog puta.

Slika 15.1. Reakcije prve faze glikolize.

15.2.3. Druga faza glikolize uključuje pretvaranje dva molekula gliceraldehid-3-fosfata u dva molekula laktata. U ovoj fazi glikolize dolazi do sinteze ATP molekula.

Gliceraldehid-3-fosfat se podvrgava dehidrogenaciji uz učešće NAD-zavisne dehidrogenaze. U ovoj reakciji se troši anorganski fosfat koji je uključen u sastav produkta reakcije koji sadrži makroergijsku fosfatnu vezu (slika 15.2, reakcija 6), a SH grupa u aktivnom centru enzima služi kao međudonator vodika, koji se zatim regeneriše.

1,3-Difosfoglicerat ulazi u reakciju fosforilacije prvog supstrata, tj. nisu povezani s prijenosom elektrona u respiratornom lancu. U ovoj reakciji, sinteza ATP molekula se odvija kao rezultat prijenosa fosfatne grupe zajedno s makroergijskom vezom na ADP molekul (slika 15.2, reakcija 7).

U sljedećoj reakciji dolazi do intramolekularnog kretanja fosfatne grupe 3-fosfoglicerata do 2. atoma ugljika (slika 15.2, reakcija 8). Ovo olakšava naknadnu eliminaciju molekula vode, što dovodi do pojave makroergične fosfatne veze u produktu reakcije (slika 15.2, reakcija 9).

Fosfoenolpiruvat (PEP) reaguje sa drugom fosforilacijom supstrata, tokom koje se formira ATP molekul. Za razliku od prve fosforilacije supstrata, ova reakcija je ireverzibilna u ćelijskim uslovima (Slika 15.2, reakcija 10). Enzim piruvat kinaza postoji u dva oblika izoenzima. Izoenzim prisutan u ćelijama jetre alosterički inhibira ATP i aktivira fruktoza-1,6-difosfat. Izoenzim prisutan u mozgu, mišićima i drugim tkivima nije alosteričan i ne učestvuje u regulaciji glikolize.

Slika 15.2. Reakcije druge faze glikolize.

Dakle, tokom stvaranja laktata iz glukoze, NADH se ne akumulira u ćeliji. To znači da je ovaj proces anaeroban i da se može odvijati bez sudjelovanja kisika (koji je konačni akceptor elektrona koji NADH prenosi u respiratorni lanac). U tkivima koja funkcionišu u uslovima hipoksije,

Prilikom izračunavanja energetskog bilansa glikolize treba uzeti u obzir da se svaka od reakcija druge faze ovog metaboličkog puta ponavlja dva puta. Tako su u prvoj fazi potrošena 2 molekula ATP-a, au drugoj fazi fosforilacijom supstrata nastalo je 2x2 = 4 molekula ATP-a; dakle, kada se jedan molekul glukoze oksidira, 2 molekula ATP se akumuliraju u ćeliji.

Oksidacija glukoze u CO 2 i H 2 O (aerobni raspad). Aerobna razgradnja glukoze može se izraziti ukupnom jednačinom:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 > 6 CO 2 + H 2 O + 2820 kJ / mol.

Ovaj proces uključuje nekoliko faza (Slika 7-33).

Aerobna glikoliza - proces oksidacije glukoze sa stvaranjem dvije molekule piruvata;

Opći put katabolizma, uključujući pretvaranje piruvata u acetil-CoA i njegovu dalju oksidaciju u citratnom ciklusu;

CPE za kisik, zajedno s reakcijama dehidrogenacije koje se javljaju u procesu razgradnje glukoze.

U određenim situacijama, opskrba tkiva kisikom možda neće zadovoljiti njihove potrebe. Na primjer, u početnim fazama intenzivnog rada mišića pod stresom, otkucaji srca možda neće dostići željenu frekvenciju, a potreba mišića za kisikom za aerobnu razgradnju glukoze je velika. U takvim slučajevima se aktivira proces koji se odvija bez kisika i završava stvaranjem laktata iz pirogrožđane kiseline. Ovaj proces se naziva anaerobna razgradnja ili anaerobna glikoliza. Anaerobna razgradnja glukoze energetski je neefikasna, ali upravo taj proces može postati jedini izvor energije za mišićnu ćeliju u opisanoj situaciji. U budućnosti, kada je opskrba mišića kisikom dovoljna kao rezultat prijelaza srca na ubrzani ritam, anaerobno raspadanje prelazi u aerobno. Putevi katabolizma glukoze i njihov energetski učinak prikazani su na sl. 7-34.

B. Aerobna glikoliza

Aerobna glikoliza je proces oksidacije glukoze u pirogrožđanu kiselinu u prisustvu kiseonika. Svi enzimi koji kataliziraju reakcije ovog procesa lokalizirani su u citosolu stanice.

1. Faze aerobne glikolize

U aerobnoj glikolizi mogu se razlikovati 2 faze.

Pripremna faza tokom koje se glukoza fosforilira i dijeli na dva molekula fosfotrioze. Ova serija reakcija odvija se pomoću 2 ATP molekula.

Faza povezana sa sintezom ATP-a. Kao rezultat ove serije reakcija, fosfotrioze se pretvaraju u piruvat. Energija oslobođena u ovoj fazi koristi se za sintezu 10 molova ATP-a.

2. Reakcije aerobne glikolize

Pretvaranje glukoza-6-fosfata u 2 molekule gliceraldehid-3-fosfata

Glukoza-6-fosfat, nastao kao rezultat fosforilacije glukoze potpomognute ATP-om, pretvara se u fruktozo-6-fosfat tokom sljedeće reakcije. Ova reverzibilna reakcija izomerizacije odvija se pod djelovanjem enzima glukoza fosfat izomeraze.

Nakon toga slijedi još jedna reakcija fosforilacije koja koristi fosfatni ostatak i energiju ATP-a. Tokom ove reakcije, katalizirane fosfofruktokinazom, fruktoza-6-fosfat se pretvara u fruktoza-1,6-bisfosfat. Ova reakcija je, kao i heksokinaza, praktički nepovratna i, štoviše, najsporija je od svih reakcija glikolize. Reakcija koju katalizira fosfofruktokinaza određuje brzinu svih glikoliza, stoga je regulacijom aktivnosti fosfofruktokinaze moguće promijeniti brzinu katabolizma glukoze.

Fruktoza-1,6-bisfosfat se dalje cijepa na 2 trioza fosfata: gliceraldehid-3-fosfat i dihidroksiaceton fosfat. Reakciju katalizira enzim fruktoza bisfosfat aldolaza, ili jednostavno aldolaza. Ovaj enzim katalizira i reakcije aldola cijepanja i kondenzacije aldola, tj. reverzibilna reakcija. Proizvodi reakcije cijepanja aldola su izomeri. U kasnijim reakcijama glikolize koristi se samo gliceraldehid-3-fosfat, pa se dihidroksiaceton fosfat pretvara uz učešće enzima trioza fosfat izomeraze u gliceraldehid-3-fosfat (Sl. 7-35).

U opisanom nizu reakcija, fosforilacija se događa dva puta pomoću ATP-a. Međutim, potrošnja dva ATP molekula (po molekulu glukoze) će tada biti nadoknađena sintezom više ATP-a.

Pretvaranje gliceraldehid-3-fosfata u piruvat

Ovaj dio aerobne glikolize uključuje reakcije povezane sa sintezom ATP-a. Najsloženija reakcija u ovoj seriji reakcija je konverzija gliceraldehid-3-fosfata u 1,3-bisfosfoglicerat. Ova transformacija je prva reakcija oksidacije tokom glikolize. Reakcija je katalizirana gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza, koji je enzim ovisan o NAD. Značaj ove reakcije nije samo u tome što nastaje redukovani koenzim čija je oksidacija u respiratornom lancu povezana sa sintezom ATP-a, već i u činjenici da je slobodna energija oksidacije koncentrisana u makroergijskom vezu produkta reakcije. Gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza sadrži cisteinski ostatak u aktivnom centru, čija sulfhidrilna grupa je direktno uključena u katalizu. Oksidacija gliceraldehid-3-fosfata dovodi do redukcije NAD i stvaranja visokoenergetske anhidridne veze u 1,3-bisfosfogliceratu na poziciji 1 uz učešće H3PO4.U sljedećoj reakciji, visokoenergetski fosfat se prenosi na ADP da formira ATP. Enzim koji katalizuje ovu transformaciju nazvan je po reverznoj reakciji fosfoglicerat kinaze (kinaze su nazvane po supstratu koji se nalazi na istoj strani jednačine reakcije sa ATP-om). Ova serija reakcija prikazana je na sl. 7-36.

Formiranje ATP-a na ovaj način nije povezano sa respiratornim lancem, a naziva se supstratna ADP fosforilacija. Formirani 3-fosfoglicerat više ne sadrži makroergijsku vezu. U sljedećim reakcijama dolazi do intramolekularnih preuređivanja, čije se značenje svodi na činjenicu da niskoenergetski fosfoester prelazi u spoj koji sadrži visokoenergetski fosfat. Intramolekularne transformacije se sastoje u prijenosu fosfatnog ostatka sa položaja 3 u fosfogliceratu na poziciju 2. Zatim se molekul vode odcijepi od rezultirajućeg 2-fosfoglicerata uz učešće enzima enolaze. Naziv enzima za dehidrataciju dolazi od obrnute reakcije. Kao rezultat reakcije nastaje supstituirani enol - fosfoenolpiruvat. Nastali fosfoenolpiruvat je makroergično jedinjenje, čija se fosfatna grupa u sljedećoj reakciji prenosi na ADP uz učešće piruvat kinaze (enzim je nazvan i po obrnutoj reakciji u kojoj se fosforilira piruvat, iako takva reakcija ne uzima mjesto u ovom obliku).

Pretvaranje fosfoenolpiruvata u piruvat je ireverzibilna reakcija. Ovo je druga reakcija fosforilacije supstrata tokom glikolize. Rezultirajući enolni oblik piruvata se zatim neenzimski transformiše u termodinamički stabilniji keto oblik. Opisani niz reakcija prikazan je na sl. 7-37.

Rice. 7-37. Konverzija 3-fosfoglicerata u piruvat.

Šema 10 reakcija koje se javljaju tokom aerobne glikolize i dalje oksidacije piruvata prikazana je na sl. 7-33.

Oksidacija citoplazmatskog NADH u mitohondrijskom respiratornom lancu. Shuttle sistemi

NADH, nastao tokom oksidacije gliceraldehid-3-fosfata u aerobnoj glikolizi, oksidira se prijenosom atoma vodika u mitohondrijski respiratorni lanac. Međutim, citosolni NADH nije u stanju prenijeti vodik u respiratorni lanac jer je mitohondrijska membrana nepropusna za njega. Prenos vodonika kroz membranu odvija se uz pomoć posebnih sistema koji se nazivaju "šatl". U ovim sistemima vodonik se transportuje kroz membranu uz učešće parova supstrata vezanih odgovarajućim dehidrogenazama, tj. na obje strane mitohondrijske membrane je specifična dehidrogenaza. Poznata su 2 šatl sistema. U prvom od ovih sistema, vodonik se prenosi iz NADH u citosolu u dihidroksiaceton fosfat pomoću enzima glicerol-3-fosfat dehidrogenaze (NAD-ovisni enzim, nazvan po reverznoj reakciji). Glicerol-3-fosfat koji nastaje tokom ove reakcije dalje oksidira enzim unutrašnje membrane mitohondrija - glicerol-3-fosfat dehidrogenaza (FAD-ovisni enzim). Zatim protoni i elektroni iz FADH 2 prelaze do ubikinona i dalje duž CPE (sl. 7-38).

Glicerol fosfatni shuttle sistem radi u bijelim mišićnim stanicama i hepatocitima. Međutim, mitohondrijska glicerol-3-fosfat dehidrogenaza je odsutna u stanicama srčanog mišića. Drugi šatl sistem, koji uključuje malatne, citosolne i mitohondrijalne malat dehidrogenaze, je univerzalniji. U citoplazmi NADH reducira oksaloacetat u malat (Sl. 7-39, reakcija 1), koji uz učešće nosača prelazi u mitohondrije, gdje se oksidira u oksaloacetat pomoću NAD-zavisne malat dehidrogenaze (reakcija 2) . NAD smanjen tokom ove reakcije donira vodonik mitohondrijskom CPE. Međutim, oksaloacetat nastao iz malata ne može sam izaći iz mitohondrija u citosol, jer je mitohondrijska membrana nepropusna za njega. Stoga se oksaloacetat pretvara u aspartat, koji se transportuje u citosol, gdje se ponovo pretvara u oksaloacetat. Konverzija oksaloacetata u aspartat i obrnuto je povezana sa dodatkom i eliminacijom amino grupe (reakcije transaminacije, vidi odeljak 9). Ovaj šatl sistem se zove malat-aspartat sistem (Slika 7-39). Rezultat njenog rada je regeneracija citoplazmatskog NAD+ iz NADH.

Oba šatl sistema se značajno razlikuju u količini sintetizovanog ATP-a. U prvom sistemu, odnos P/O je 2, pošto se vodonik uvodi u CPE na nivou KoQ. Drugi sistem je energetski efikasniji, jer prenosi vodonik do CPE preko mitohondrijalnog NAD+ i P/O odnos je blizu 3.

4. ATP ravnoteža tokom aerobne glikolize i razgradnje glukoze na CO2 i H2O

Oslobađanje ATP-a tokom aerobne glikolize

Formiranje fruktoza-1,6-bisfosfata iz jednog molekula glukoze zahtijeva 2 ATP molekula (reakcije 1 i 3 na slici 7-33). Reakcije povezane sa sintezom ATP-a nastaju nakon razgradnje glukoze na 2 molekula fosfotrioze, tj. u drugom koraku glikolize. U ovoj fazi se javljaju 2 reakcije fosforilacije supstrata i sintetišu se 2 molekula ATP-a (reakcije 7 i 10). Osim toga, jedan molekul gliceraldehid-3-fosfata je dehidrogeniran (reakcija 6), a NADH prenosi vodik do mitohondrijalnog CPE, gdje se oksidativnom fosforilacijom sintetiziraju 3 ATP molekula. U ovom slučaju, količina ATP-a (3 ili 2) zavisi od tipa šatl sistema. Stoga je oksidacija u piruvat jedne molekule gliceraldehid-3-fosfata povezana sa sintezom 5 ATP molekula. S obzirom na to da se iz glukoze formiraju 2 molekula fosfotrioze, rezultirajuća vrijednost se mora pomnožiti sa 2, a zatim oduzeti 2 molekula ATP-a potrošena u prvoj fazi. Dakle, prinos ATP-a tokom aerobne glikolize je (5×2) - 2 = 8 ATP.

Izlaz ATP-a tokom aerobne razgradnje glukoze do krajnjih proizvoda

Kao rezultat glikolize nastaje piruvat, koji se dalje oksidira u CO 2 i H 2 O u OPC opisanom u Odjeljku 6. Sada je moguće procijeniti energetsku efikasnost glikolize i OPC, koji zajedno čine proces aerobnog procesa. razgradnja glukoze do krajnjih proizvoda (Tabele 7-4) .

Dakle, prinos ATP-a tokom oksidacije 1 mol glukoze u CO 2 i H 2 O iznosi 38 mola ATP-a.

U procesu aerobne razgradnje glukoze dolazi do 6 reakcija dehidrogenacije. Jedan od njih se javlja u glikolizi, a 5 u OPC (vidi Odjeljak 6). Supstrati za specifične NAD-zavisne dehidrogenaze: gliceraldehid-3-fosfat, zhiruvat, izocitrat, β-ketoglutarat, malat. Jedna reakcija dehidrogenacije u citratnom ciklusu pod dejstvom sukcinat dehidrogenaze odvija se uz učešće koenzima FAD. Ukupna količina ATP-a sintetiziranog oksidativnom fosforilacijom je 17 mola ATP-a po 1 molu gliceraldehid fosfata. Tome se mora dodati 3 mola ATP-a sintetiziranog fosforilacijom supstrata (dvije reakcije u glikolizi i jedna u citratnom ciklusu).

Rice. 7-38. Glicerofosfatni shuttle sistem. 1 - gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza; 2 - glicerol-3-fosfat dehidrogenaza (citosolni enzim, nazvan po obrnutoj reakciji); 3 - glicerol-3-fosfat dehidrogenaza (mitohondrijski flavin enzim).

Tabela 7-4. Faze aerobne razgradnje glukoze

S obzirom da se glukoza razlaže na 2 fosfotrioze i da je stehiometrijski koeficijent daljih transformacija 2, rezultujuća vrijednost se mora pomnožiti sa 2, a od rezultata treba oduzeti 2 mola ATP-a koji se koristi u prvoj fazi glikolize.