Продукт окисления углеводов на кислородном этапе. Аэробное окисление других углеводов

Основным путем образования энергии в организме является аэробное окисление углеводов. При этом глюкоза в присутствии кислорода окисляется до СО 2 и Н 2 О с выделением большого количества энергии, часть которой идет на синтез 38-39 молекул АТФ.

Аэробный процесс идет по следующей схеме:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6H 2 О + 680 ккал.

Аэробное окисление глюкозы может происходить двумя путями - прямым и непрямым.

При прямом пути окисления глюкозы (синонимы: апотомический или пентозный цикл) происходит последовательное отщепление от молекулы глюкозы каждого из ее 6 атомов углерода с образованием в течение одного цикла одной молекулы СО 2 и Н 2 О. Распад всей молекулы глюкозы происходит в течение 6 повторяющихся циклов. Этот процесс преобладает в эритроцитах, лактирующей молочной железе, коре надпочечников, хрусталике глаза; в печени и почках он является побочным путем распада углеводов.

Особенностью этого процесса является образование пентоз, которые идут на построение РНК и ДНК, выделение энергии (36 молекул АТФ) и накопление НАДФН 2 -кофермента дегидрогеназ, которые участвуют в синтезе холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и т. д.

В печени и почках преобладает другой путь окисления глюкозы, который называется непрямым, или дихотомическим (см. схему 3). В ходе этого процесса молекула глюкозы предварительно расщепляется на две молекулы фосфотриоз (процесс аналогичен анаэробному распаду углеводов) с последующим образованием пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота в результате окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил-КоА

Последний поступает в цикл Креоса, где происходит ею постепенное окисление до СО 2 и Н 2 О и выделение большого количества энергии.

В ходе "непрямого" окисления одной молекулы глюкозы выделяется 680 ккал энергии, из которой образуется 38-39 молекул АТФ (см. схему 3).

В дрожжевых клетках и разных микроорганизмах также происходят процессы распада углеводов, однако конечные продукты различны в зависимости от вида микробов и дрожжей. Так, в дрожжевых клетках происходят процессы образования этилового спирта.

Механизм спиртового брожения глюкозы был вскрыт работами И. М. Манассеиной, Э. Бухнера, А. Н. Лебедева и других авторов. Под действием ферментов дрожжевых клеток происходит ранее рассмотренный процесс распада глюкозы или гликогена до пировиноградной кислоты. Последняя подвергается декарбоксилированию с образованием уксусного альдегида, который восстанавливается в этиловый спирт:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются СО 2 и этиловый спирт.

Молочнокислые бактерии превращают углеводы в молочную кислоту, маслянокислые - в масляную кислоту и т. д.

При изучении брожения Л. Пастер обратил внимание на то, что при избытке кислорода процесс гликолиза тормозится. Этот факт получил название эффекта Пастера . Объяснения ему пока еще нет. Существуют различные гипотезы, но ни одна из них не может с достаточной степенью точности его объяснить.

Исследованиями О. Варбурга было установлено, что в эмбриональной ткани и тканях злокачественных опухолей кислород не тормозит гликолиз. Образование молочной кислоты в присутствии кислорода получило название "аэробный гликолиз" .

Стадии:

1. H 3 C – CO – COOH + ТДФ – Е 1 = H 3 C – CHOH - ТДФ – Е 1 + CO 2

2. H 3 C – CHOH - ТДФ – Е 1 + Липоевая кт.а – E2 = H 3 C – CO~ дигидролипоевая кт.а – E2 + ТДФ – Е 1

3. H 3 C – CO~ дигидролипоевая кт.а – E2 + HS-KoA = CH3 – CO ~ S – KoA+ дигидролипоевая кта – Е2

4. дигидролипоевая кта – Е2 + Е3 – ФАД = Липоевая кт.а – E2 + Е3-ФАДН2

5.Е3-ФАДН2+НАД+=Е3-ФАД + НАДН + Н+

Е 1 - пируватдегидрогеназа; Е 2 - ди-гидролипоилацетилтрансфсраза; Е 3 -дигидролипоилдегидрогеназа

Суммарная реакция:

H 3 C – CO – COOH+ HS-KoA+НАД+ = CH3 – CO ~ S – KoA+ CO 2 + НАДН + Н+

Описание:

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E 1). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E 1 –ТПФ–СНОН–СН 3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидроли-поилацетилтрансферазой (Е 2). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид–Е 2 . При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е 3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН 2 дигидро-липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н + .

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, ди-гидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 кофер-ментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД), из которых три относительно прочно связаны с ферментами (ТПФ-E 1 , ли-поамид-Е 2 и ФАД-Е 3), а два – легко диссоциируют (HS-KoA и НАД).

Все эти ферменты, имеющие субъединичное строение, и коферменты организованы в единый комплекс. Поэтому промежуточные продукты способны быстро взаимодействовать друг с другом. Показано, что составляющие комплекс полипептидные цепи субъединиц дигидролипоил-ацетилтрансферазы составляют как бы ядро комплекса, вокруг которого расположены пируватдегидрогеназа и дигидролипоилдегидрогеназа. Принято считать, что нативный ферментный комплекс образуется путем самосборки.

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Пируват + НАД + + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н + + СO 2 .

Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима .

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования аце-тил-КоА подвергается дальнейшему окислению с образованием СО 2 и Н 2 О. Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Этот процесс, так же как окислительное декарбо-ксилирование пирувата, происходит в митохондриях клеток.

Картинка

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

« Аэробное окисление углеводов. Биологическое окисление и восстановление»

МИНСК, 2008

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

цитратсинтаза

2) лимонная кислота® изолимонная кислота

аконитатгидратаза

3)изолимонная к-та+НАД®a-кетоглутаровая к-та+НАДН 2 + СО 2

изоцитратдегидрогеназа

4)a-кетоглутаровая к-та+НS-КоА+НАД®сукцинилSКоА+НАДН 2 + СО 2

5) сукцинил-КоА+ГДФ+Фн®янтарная кислота+ГТФ+НS-КоА

сукцинил КоА синтетаза

6) янтарная кислота+ФАД®фумаровая кислота+ФАДН 2

сукцинатдегидрогеназа

7) фумаровая кислота+ Н 2 О® L яблочная кислота

фумаратгидратаза

8) малат+ НАД®оксалоацетат+ НАДН 2

малатдегидрогеназа

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.

Биологическое окисление и восстановление.

Клеточным дыханием называют совокупность протекающих в каждой клетке ферментативных процессов, в результате которых молекулы углеводов, жирных кислот и аминокислот расщепляются в конечном счете до углекислоты и воды, а освобождающаяся биологически полезная энергия запасается клеткой и затем используется. Многие ферменты, катализирующие эти реакции, находятся в стенках и кристах митохондрий.

Известно, что на все проявления жизни - рост, движение, раздражимость, самовоспроизведение - клетка должна затрачивать энергию. Все живые клетки получают биологически полезную энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород, который реагируя с электронами и ионами ионами водорода образует молекулу воды. Передача электронов кислороду происходит при участии заключенной в митохондриях ферментной системы - системы переноса электронов. АТФ служит “энергетической валютой” клетки и используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. Богатые энергией молекулы не перемещаются свободно из одной клетки в другую, а образуются в том месте. где они должны быть использованы. Например, макроэргические связи АТФ, служащие источником энергии для реакций, связанных с мышечным сокращением, образуются в самих мышечных клетках.

Процесс, в котором атомы или молекулы теряют электроны (е -) называют окислением, а обратный процесс - добавление (присоединение) электронов к атому или молекуле - восстановлением.

Простым примером окисления и восстановления служит обратимая реакция - Fe 2+ ®Fe 3+ + e -

Реакция идущая вправо - окисление, отнятие электрона

Влево - восстановление (присоединение электрона)

Все окислительные реакции (при которых происходит отнятие электрона) должны сопровождаться восстановлением - реакцией в которой электроны захватываются какой-нибудь другой молекулой, т.к. они не существуют в свободном состоянии.

Передача электронов через систему переноса электронов происходит путем ряда последовательных реакций окисления-восстановления, которые в совокупности носят название биологического окисления. Если при этом энергия потока электронов накапливается в форме макроэргических фосфатных связей (~Ф), то процесс называется окислительным фосфорилированием. Специфические соединения, которые образуют систему переноса электронов и которые попеременно окисляются и восстанавливаются, называются цитохромами. Каждый из цитохромов представляет собой белковую молекулу, к которой присоединена химическая группировка, называемая гемом, в центре гема находится атом железа, который попеременно окисляется и восстанавливается, отдавая или принимая один электрон.

Все реакции биологического окисления происходят с участием ферментов, причем каждый фермент строго специфичен и катализирует либо окисление, либо восстановление вполне определенных химических соединений.

Еще один компонент системы переноса электронов - убихинон или кофермент Q, способен присоединять или отдавать электроны.

Митохондрии содержатся в цитоплазме клетки и представляют собой микроскопические палочковидные или иной формы образования, количество которых в одной клетке составляет сотни или тысячи.

Что же представляют собой митохондрии, каково их строение? Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя непрерывными мембранами, причем наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки или кристы. Внутримитохондриальное пространство, ограниченное внутренней мембраной, заполнено так называемым матриксом, который примерно на 50% состоит из белка и имеет очень тонкую структуру. В митохондриях сосредоточено большое количество ферментов. Наружная мембрана митохондрий не содержит ни одного из компонентов цепи дыхательных катализаторов. Исходя из ферментного набора наружной мембраны, пока трудно ответить на вопрос, в чем состоит ее назначение. Возможно она играет роль перегородки, отделяющей внутреннюю, рабочую часть митохондрии от всего остального пространства клетки. С внутренней мембраной связаны ферменты дыхательной цепи. Матрикс содержит ряд ферментов цикла Кребса.

15.2.1. Гликолиз - это ферментативный распад глюкозы в аэробных условиях до двух молекул пировиноградной кислоты (аэробный гликолиз ), а в анаэробных условиях - до двух молекул молочной кислоты (анаэробный гликолиз ). В анаэробных условиях гликолиз протекает в тканях без потребления кислорода и является единственным процессом, поставляющим АТФ, так как окислительное фосфорилирование в этих условиях не функционирует. Анаэробный гликолиз происходит во всех тканях, функционирующих в условиях гипоксии, прежде всего в скелетных мышцах. Гликолиз в эритроцитах даже в присутствии кислорода завершается образованием лактата, поскольку в этих клетках отсутствуют митохондрии.

Гликолиз протекает в цитозоле клеток организма. Этот процесс катализируется одиннадцатью ферментами, которые выделены в высокоочищенном состоянии и хорошо изучены. Условно можно разделить гликолиз на две стадии.

15.2.2. Первая стадия гликолиза является подготовительной и включает реакции превращения молекулы глюкозы в две молекулы фосфотриоз. Эта стадия сопровождается затратой молекул АТФ.

Начальной реакцией превращения глюкозы в клетке является её фосфорилирование в результате взаимодействия с АТФ (рисунок 15.1, реакция 1). Эта реакция в условиях клетки протекает только в одном направлении. Биологическая роль реакции фосфорилирования глюкозы заключается в том, что глюкозо-6-фосфат, в отличие от свободной глюкозы, не может проникать через плазматическую мембрану обратно в кровь и оказывается «запертой» в клетке. Таким образом, глюкозо-6-фосфат является ключевым метаболитом углеводного обмена, на уровне которого осуществляется интеграция различных путей превращения глюкозы в клетке.

В большинстве тканей реакцию фосфорилирования глюкозы катализирует фермент гексокиназа , которая обладает высоким сродством к глюкозе, способна также фосфорилировать фруктозу и маннозу и аллостерически ингибируется избытком глюкозо-6-фосфата. В клетках печени, кроме того, есть фермент глюкокиназа , которая имеет низкое сродство к глюкозе, не ингибируется глюкозо-6-фосфатом и не участвует в фосфорилировании других моносахаридов. Глюкокиназа эффективно функционирует только при высокой концентрации глюкозы в крови. Это способствует усвоению большого количества углеводов, поступающих в печень из кишечника в активную фазу пищеварения.

В следующей реакции глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (рисунок 15.1 , реакция 2).

Продукт реакции изомеризации подвергается повторному фосфорилированию за счёт АТФ (рисунок 15.1 , реакция 3). Эта реакция - наиболее медленно протекающая реакция гликолиза и, подобно фосфорилированию глюкозы, необратима. Фермент - фосфофруктокиназа - является аллостерическим, активируется АДФ, АМФ, и фруктозо-2,6-бисфосфатом, а ингибируется цитратом и высокой концентрацией АТФ.

На следующем этапе фруктозо-1,6-дифосфат подвергается расщеплению на две фосфотриозы (рисунок 15.1 , реакция 4). Таким образом, химическое соединение, содержащее 6 углеродных атомов, превращается в два, содержащих по 3 атома углерода. Поэтому гликолиз называют дихотомическим путём превращения глюкозы (от слова «дихотомия» - рассечение на две части).

Далее происходит изомеризация триозофосфатов (рисунок 15.1 , реакция 5). В этой реакции диоксиацетонфосфат переходит в глицеральдегид-3-фосфат. Таким образом, в первой стадии гликолиза молекула глюкозы превращается в две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Поэтому в реакциях второй стадии глюкозы будет участвовать по две молекулы каждого субстрата, что необходимо учитывать при расчёте энергетического баланса данного метаболического пути.

Рисунок 15.1. Реакции первой стадии гликолиза.

15.2.3. Вторая стадия гликолиза включает реакции превращения двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в две молекулы лактата. На этой стадии гликолиза происходит синтез молекул АТФ.

Глицеральдегид-3-фосфат подвергается дегидрированию при участии НАД-зависимой дегидрогеназы. В этой реакции происходит потребление неорганического фосфата, который включается в состав продукта реакции, содержащего макроэргическую фосфатную связь (рисунок 15.2, реакция 6), а промежуточным донором водорода служит SH-группа в активном центре фермента, которая потом регенерирует.

1,3-Дифосфоглицерат вступает в реакцию первого субстратного фосфорилирования, т.е. не сопряжённого с переносом электронов в дыхательной цепи. В этой реакции осуществляется синтез молекулы АТФ в результате переноса фосфатной группы вместе с макроэргической связью на молекулу АДФ (рисунок 15.2, реакция 7).

В следующей реакции происходит внутримолекулярное перемещение фосфатной группы 3-фосфоглицерата ко 2-му углеродному атому (рисунок 15.2, реакция 8). Тем самым облегчается последующее отщепление молекулы воды, которое приводит к появлению в продукте реакции макроэргической фосфатной связи (рисунок 15.2, реакция 9).

Фосфоенолпируват (ФЕП) вступает в реакцию второго субстратного фосфорилирования, в ходе которого образуется молекула АТФ. В отличие от первого субстратного фосфорилирования, данная реакция является необратимой в условиях клетки (рисунок 15.2, реакция 10). Фермент пируваткиназа существует в двух изоферментных формах. Изофермент, присутствующий в печёночных клетках, аллостерически ингибируется АТФ и активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Изофермент, присутствующий в головном мозге, мышцах и других тканях, не является аллостерическим и не принимает участия в регуляции гликолиза.

Рисунок 15.2. Реакции второй стадии гликолиза.

Таким образом, в процессе образования лактата из глюкозы в клетке не накапливается НАДН. Это значит, что данный процесс является анаэробным и может протекать без участия кислорода (который является конечным акцептором электронов, передаваемых НАДН в дыхательную цепь). В тканях, функционирующих в условиях гипоксии,

При подсчёте энергетического баланса гликолиза следует учитывать, что каждая из реакций второй стадии этого метаболического пути повторяется дважды. Таким образом, в первой стадии было затрачено 2 молекулы АТФ, а во второй стадии путём субстратного фосфорилирования образовалось 2х2 = 4 молекулы АТФ; следовательно при окислении одной молекулы глюкозы в клетке накапливается 2 молекулы АТФ.

Окисление глюкозы до СО 2 и Н 2 О (аэробный распад). Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 > 6 СО 2 + Н 2 О + 2820 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий (рис. 7-33).

Аэробный гликолиз - процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратом цикле;

ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы.

В определённых ситуациях обеспечение кислородом тканей может не соответствовать их потребностям. Например, на начальных стадиях интенсивной мышечной работы при стрессе сердечные сокращения могут не достигать нужной частоты, а потребности мышц в кислороде для аэробного распада глюкозы велики. В подобных случаях включается процесс, который протекает без кислорода и заканчивается образованием лактата из пировиноградной кислоты. Этот процесс называют анаэробным распадом, или анаэробным гликолизом. Анаэробный распад глюкозы энергетически малоэффективен, но именно этот процесс может стать единственным источником энергии для мышечной клетки в описанной ситуации. В даньнейшем, когда снабжение мышц кислородом будет достаточным в результате перехода сердца на ускоренный ритм, анаэробный распад переключается на аэробный. Пути катаболизма глюкозы и их энергетический эффект показаны на рис. 7-34.

Б. Аэробный гликолиз

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

1. Этапы аэробного гликолиза

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.

Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.

Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

2. Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат (рис. 7-35).

В описанной серии реакций дважды происходит фосфорилирование с использованием АТФ. Однако расходование двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы) далее будет компенсировано синтезом большего количества АТФ.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ). Данная серия реакций показана на рис. 7-36.

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетическийфосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетофор-му. Описанная серия реакций представлена на рис. 7-37.

Рис. 7-37. Превращение 3-фосфоглицерата в пируват.

Схема 10 реакций, протекающих при аэробном гликолизе, и дальнейшее окисление пирувата представлены на рис. 7-33.

Окисление цитоплазматического NADH в митохондриалъной дыхательной цепи. Челночные системы

NADH, образующийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата в аэробном гликолизе, подвергается окислению путём переноса атомов водорода в митохондриальную дыхательную цепь. Однако цитозольный NADH не способен передавать водород на дыхательную цепь, потому что митоховдриальная мембрана для него непроницаема. Перенос водорода через мембрану происходит с помощью специальных систем, называемых "челночными". В этих системах водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, связанных соответствующими дегидрогеназами, т.е. с обеих сторон митохондри-альной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны 2 челночные системы. В первой из этих систем водород от NADH в цитозоле передаётся на дигидроксиацетонфосфат ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (NAD-зависимый фермент, назван по обратной реакции). Образованный в ходе этой реакции глицерол-3-фосфат, окисляется далее ферментом внутренней мембраны митохондрий - глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (FAD-зависимым ферментом). Затем протоны и электроны с FADH 2 переходят на убихинон и далее по ЦПЭ (рис. 7-38).

Глицеролфосфатная челночная система работает в клетках белых мышц и гепатоцитов. Однако в клетках сердечных мышц митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа отсутствует. Вторая челночная система, в которой участвуют малат, цитозольная и митоховдриальная малат-дегидрогеназы, является более универсальной. В цитоплазме NADH восстанавливает оксалоа-цетат в малат (рис. 7-39, реакция 1), который при участии переносчика проходит в митохондрии, где окисляется в оксалоацетат NAD-зависимой маЛатдегидрогеназой (реакция 2). Восстановленный в ходе этой реакции NAD отдаёт водород в митоховдриальную ЦПЭ. Однако образованный из малата оксалоацетат выйти самостоятельно из митохондрий в цитозоль не может, так как мембрана митохондрий для него непроницаема. Поэтому оксалоацетат превращается в аспартат, который и транспортируется в цитозоль, где снова превращается в оксалоацетат. Превращения оксалоацетата в аспартат и обратно связаны с присоединением и отщеплением аминогруппы (реакции трансаминирования, см. раздел 9). Эта челночная система называется малат-аспартатной (рис. 7-39). Результат её работы - регенерация цитоплазматического NAD + из NADH.

Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезированного АТФ. В первой системе соотношение Р/О равно 2, так как водород вводится в ЦПЭ на уровне KoQ. Вторая система энергетически более эффективна, так как передаёт водород в ЦПЭ через митохондриальный NAD + и соотношение Р/О близко к 3.

4. Баланс АТФ при аэробном гликолизе и распаде глюкозы до СО2 и Н2О

Выход АТФ при аэробном гликолизе

На образование фруктозо-1,6-бисфосфата из одной молекулы глюкозы требуется 2 молекулы АТФ (реакции 1 и 3 на рис. 7-33). Реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после распада глюкозы на 2 молекулы фосфотриозы, т.е. на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят 2 реакции субстратного фосфорилирования и синтезируются 2 молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (реакция 6), a NADH передаёт водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 3 молекулы АТФ путём окислительного фосфорилирования. В данном случае количество АТФ (3 или 2) зависит от типа челночной системы. Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата сопряжено с синтезом 5 молекул АТФ. Учитывая, что из глюкозы образуются 2 молекулы фосфотриозы, полученную величину нужно умножить на 2 и затем вычесть 2 молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, выход АТФ при аэробном гликолизе составляет (5Ч2) - 2 = 8 АТФ.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов

В результате гликолиза образуется пируват, который далее окисляется до СО 2 и Н 2 О в ОПК, описанном в разделе 6. Теперь можно оценить энергетическую эффективность гликолиза и ОПК, которые вместе составляют процесс аэробного распада глюкозы до конечных продуктов (табл. 7-4).

Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО 2 и Н 2 О составляет 38 моль АТФ.

В процессе аэробного распада глюкозы происходят 6 реакций дегидрирования. Одна из них протекает в гликолизе и 5 в ОПК (см. раздел 6). Субстраты для специфических NAD-зависимых дегидрогеназ: глицеральдегид-3-фосфат, жируват, изоцитрат, б-кетоглутарат, малат. Одна реакция дегидрирования в цитратном цикле под действием сукцинатдегидрогеназы происходит с участием кофермента FAD. Общее количество АТФ, синтезированное путём окислительного фофорилирования, составляет 17 моль АТФ на 1 моль глицеральдегидфосфата. К этому необходимо прибавить 3 моль АТФ, синтезированных путём субстратного фосфорилирования (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле).

Рис. 7-38. Глицерофосфатная челночная система. 1 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 2 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (цитозольный фермент, назван по обратной реакции); 3 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (митохондриальныи флавиновый фермент).

Таблица 7-4. Этапы аэробного распада глюкозы

Учитывая, что глюкоза распадается на 2 фос-фотриозы и что стехиометрический коэффициент дальнейших превращений равен 2, полученную величину надо умножить на 2, а из результата вычесть 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза.