Аэробный распад глюкозы

Протекает непрямым (дихотомическим) или прямым (апотомическим) путями.

Аэробный непрямой распад глюкозы

Основной путь катаболизма глюкозы у аэробных организмов – это аэробный распад. При гликолизе из глюкозы извлекается незначительная часть запасенной в ней энергии (2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы). Вся остальная энергия может быть получена при полном окислении глюкозы до СО₂ и Н₂О. Полное окисление осуществляется в ЦТК. Исходным веществом для цикла является ацетил–КоА. Для того, чтобы полностью окислить глюкозу необходимо конечный продукт аэробного гликолиза – ПВК – превратить в это исходное вещество. В аэробных условиях пировиноградная кислота, образовавшаяся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а окисляется до ацетил–КоА. Этот путь называется окислительным декарбоксилированием ПВК. Промежуточные продукты анаэробного и аэробного непрямого распада до стадии образования ПВК идентичны.

Основные этапы аэробного непрямого распада глюкозы:

1. Распад глюкозы до ПВК (аэробный гликолиз);

2. Окислительное декарбоксилирование ПВК до ацетил-КоА;

3. Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса и митохондриальная цепь переноса электронов.

Аэробный непрямой распад глюкозы может происходить во всех органах и тканях, но особенно в тканях, богатых кислородом (мозг, легкие). Многие ткани используют и другие источники энергии или другие способы синтеза АТФ. В наибольшей зависимости от аэробного распада глюкозы находится мозг, он расходует около 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% всего поступающего в организм кислорода потребляется мозгом (хотя на долю мозга приходится лишь 2% массы тела). Поэтому как недостаток глюкозы, так и недостаток кислорода проявляются, прежде всего, симптомами со стороны ЦНС – головокружением, потерей сознания, судорогами.

Выход атф при аэробном распаде глюкозы.

Основное физиологическое назначение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ. При аэробном распаде происходит шесть реакций дегидрирования: одна — на стадии глицеральдегидфосфата, и пять — в общем пути катаболизма. С восстановленных коферментов водород в конечном счете передается на кислород воздуха через митохондриальную дыхательную цепь. Именно поэтому рассматриваемый процесс называется аэробным. В отсутствие кислорода все имеющиеся в клетке запасы окисленных коферментов (НАД и других) превратились бы в восстановленные формы, и дальнейшее окисление глюкозы стало бы невозможным.

В расчете на 1 моль распадающейся глюкозы синтезируется 40 моль АТФ. В начальных стадиях (реакции 1 и 3) затрачивается 2 моль АТФ; после их вычитания получаем чистый выход — 38 моль АТФ на 1 моль глюкозы, составляющий энергетический баланс распада глюкозы.

Челночные механизмы.

Десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до стадии пирувата, локализованы в цитозоле; все остальные — в митохондриях. В числе первых десяти реакций есть дегидрирование с участием НАД+ (реакция окисления глицеральдегид-3-фосфата). Образующийся здесь НАД-Н не может передавать водород непосредственно в цепь биологического окисления, поскольку митохондриальная мембрана непроницаема для внемитохондриального НАД-Н. Перенос водорода с цитозольного НАД-Н в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называющихся челночными. Суть этих механизмов сводится к тому, что НАД-Н в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД, и вновь переходит в цитозоль.

В случае действия глицеролфосфатного челночного механизма 2 молекулы НАДН, образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата могут давать не 6 молекул АТФ, а только 4. Цитоплазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидрогеназой:

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н⁺ ⇄ Глицерол-3-фосфат + НАД*.

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + ФАД ⇄ Диоксиацетонфосфат + ФАДН₂.

Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН₂) вводит на уровне KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиацетонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимо­действовать с цитоплазматическим НАДН + Н. Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н⁺), вво­димая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ.

В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н⁺ в мито­хондрии.

В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малат-аспартатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и аспартатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях.

Установлено, что от цитозольного НАДН + Н⁺ восстановленные эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты, проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД⁺ восстанавли­вается в НАДН + Н⁺ , который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов, локализованную на внутренней мембране митохондрии. В свою очередь образовавшийся оксалоацетат (он непосредственно не может возвратиться в цитозоль через мембрану.) в присутствии глутамата и фермента AcAT вступает в реакцию трансаминирования. Образующиеся аспарат и -кетоглутарат с помощью специальных транс­портных систем способны проходить через мембрану митохондрий.

Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызы­вает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легко­обратимые реакции, происходит без потребления энергии, «движущей силой» его является постоянное восстановление НАД⁺ в цитозоле глицеральдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы.

Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результа­те полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ.