О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

д.м.н. Е.И.Кононов лекция 2

2.1. Окислительные пути распада углеводов в тканях

Важнейшими функциями моносахаридов в организме являются энер-

гетическая и пластическая; обе эти функции реализуются в ходе

окислительного распада моносахаридов в клетках. При окислении уг-

леводов выделяется 4,1 ккал/г ( около 17 кДж/г ) свободной энер-

гии и за счет окисления углеводов человек покрывает 55-60% своих

общих энергозатрат. В ходе окисления углеводов образуется большое

количество промежуточных продуктов распада, которые используются

для синтеза различных липидов, заменимых аминокислот и др. необ-

ходимых клеткам соединений. Кроме того, при окислении углеводов в

клетках идет генерация восстановительных потенциалов, которые в

дальнейшем используются ими в восстановительных реакциях биосин-

тезов, в процессах детоксикации, для контроля уровня перекисного

окисления липидов и др.

Главным моносахаридом, подвергающимся окислительным превра-

щениям в клетках, является глюкоза, поскольку именно она в наи-

больших количествах поступает из кишечника во внутреннюю среду

организма, именно она синтезируется при глюконеогенезе или обра-

зуется в свободном виде или же в виде фосфорных эфиров при рас-

щеплении гликогена. Роль других моносахаридов менее значительна,

так как их количество, поступающее в клетки в количественном от-

ношении сильно варьирует в зависимости от состава пищи.

Известно несколько метаболических путей окисления глюкозы,

главными из которых являются:

а) аэробное расщепление до углекислого газа и воды;

б) анаэробное окисление до лактата;

в) пентозный путь окисления;

г) окисление с образованием глюкуроновой кислоты.

Глубина окислительного расщепления молекулы глюкозы может

быть различной: от окисления одной из концевых группировок молекул

до карбоксильной группы, что происходит при образовании глюкуро-

новой кислоты, до полной деградации молекулы глюкозы при ее аэро-

бном распаде.

2.1.1. Аэробное окисление глюкозы

В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в

отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее

аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М

глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свобод-

ной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разде-

лить на 3 этапа:

1. Расщепление глюкозы до пирувата.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3. Окисление ацетила в цикле Кребса ( ЦТК ), сопряженное с

работой цепи дыхательных ферментов.

Эти этапы можно представить также в виде общей схемы:

Глюкоза ————> 2 пируват —————>2 ацетил-КоА —————> 4СО2+ 10 Н2О

і і + 2 СО і і

і <——— 1 ———> і <———— 2 ————> і <———— 3 ————> і

2.1.1.1. Расщепление глюкозы до пирувата

По современным представлениям первый этап окисления глюкозы

протекает в цитозоле и катализируется надмолекулярным белковым

комплексом - гликолитическим метаболоном, включающим в себя до

десятка отдельных ферментов.

Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь раз-

делен на 2 стадии. В реакциях первой стадии происходит фосфорили-

рование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы,

дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, нако-

нец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз:

СН2ОН СН2ОРО3Н2

1. і і

С——— О С——— О

Н /Н \ОН Н /Н \ОН

С С + АТФ ——————> С С + АДФ

НО\ОН Н/Н НО\ОН Н/Н

С——— С С——— С

Н ОН Н ОН

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой. В качестве фо-

сорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровож-

дается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в усло-

виях клетки является необратимой.

СН2ОРО3Н2

2. і

С——— О РО3Н2—О—СН2 О

Н /Н \ОН і / \ Н

С С ———————————> С С

НО\ОН Н/Н Н\Н НО/і

С——— С С———С СН2ОН

Н ОН ОН Н

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

Вторая реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обра-

тима.

РО3Н2—О—СН2 О РО3Н2—О—СН2 О

і / \ Н і / \ Н

3. С С + АТФ ——————> С С + АДФ

Н\Н НО/і Н\Н НО/і

С———С СН2ОН С———С СН2О-РО3Н2

ОН Н ОН Н

Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат

Третья реакция катазируется ферментов фосфофруктокиназой. В этой

реакции также теряется 3,4 ккал/моль энергии и она, как и гексо-

киназная реакция, в условиях клетки необратима.

РО3Н2—О—СН2 О СН2ОН НС=О

і / \ Н і і

С С ————————> С=О + НСОН

4. Н\Н НО/і і і

С———С СН2О-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2

ОН Н Фосфодигидр- 3-Фосфогли-

Фруктозо-1,6-бисфосфат оксиацетон цериновый

альдегид

Эта реакция катализируется ферментом альдолазой, реакция обрати-

ма. В результате реакции фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на

два триозофосфата.

СН2ОН НС=О

і —————————> і

5. С=О <————————— НСОН

і і

Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2

Фосфодигидр- 3-Фосфогли-

оксиацетон цериновый

альдегид

Фосфодигидроксиацетон ( ФДА ) в условиях клетки легко изомери-

зуется в 3-фосфоглицериновый альдегид ( ФГА ) при участии фермен-

та триозофосфатизомеразы в ходе пятой реакции. Поэтому мы можем

считать, что на первой стадии этого этапа затрачивается 2 АТФ, а

из молекулы глюкозы образуется две молекулы 3-фосфоглицеринового

альдегида.

На второй стадии первого этапа окисления глюкозы ФГА превраща-

ется в пируват. Поскольку при распаде молекулы глюкозы образуется

2 молекулы ФГА, при дальнейшем описании процесса мы дожны учесть

это обстоятельство.

Следующая реакция рассматриваемого процесса является окисли-

тельной реакцией:

НС=О О=С~О-РО3Н2

6. і і

2 НСОН + 2НАД+ + 2Н3РО4 ————> 2 НСОН + 2НАДН+Н+

і і

Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2

ФГА 1,3-дифосфоглице-

риновая кислота

В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3-фосфоглице -

ринового альдегида, происходит окисление ФГА в 1,3-дифосфоглице-

риновую кислоту. Окисление идет путем дегидрирования, а отщеплен-

ные от субстрата атомы водорода переносятся на НАД+ с образова-

нием восстановленной формы кофермента. Энергия окисления накапли-

вается в клетке , во-первых, в виде энергии восстановленного

НАДН+Н+,а, во-вторых, в виде макроэргической связи продукта окис-

ления с участвующей в реакции фосфорной кислотой, т.е. в макроэр-

гической связи 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

В седьмой реакции остаток фосфорной кислоты из 1,3-дифосфо-

глицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической

связи, переносится на АДФ с образованием АТФ:

О=С~О-РО3Н2 СООН

і і

7. 2 НСОН + 2 АДФ ——————> 2 НСОН + 2 АТФ

і і

Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2

1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая

кислота кислота

Эта обратимая реакция катализируется ферментом фосфоглицераткина-

зой.

Далее идет обратимая изомеризация 3-фосфоглицериновой кисло-

ты в 2-фосфоглицериновую кислоту при участии фермента фосфоглице-

ратмутазы:

СООН СООН

і і

8. 2 НСОН ——————> 2 НСО-РО3Н2

і і

Н2СО-РО3Н2 Н2СОН

В следующей , девятой по счету, реакции идет отщепление воды

от 2-фосфоглицериновой кислоты:

СООН СООН

і і

9. 2 НСО-РО3Н2 ——————> 2 С~О-РО3Н2 + 2 Н2О

і є

Н2СОН СН2

3-фосфоглицериновая Фосфоенолпировино-

кислота градная кислота ( ФЭП )

В ходе отщепления воды идет перераспределение электронной плотно-

сти в молекуле с образованием макроэргической связи между вторым

атомом углерода енольной формы пировиноградной кислоты и остатком

фосфорной кислоты. Реакция обратима, она катализируется ферментом

енолазой.

Накопленная в макроэргической связи ФЭП энергия вместе с

остатком фосфорной кислоты в ходе следующей реакции переносится

на АДФ с образованием АТФ. Реакция катализируется пируваткиназой.

СООН СООН

!О. і і

2 С~ О-РО3Н2+ 2 АДФ ——————> 2 С=О + 2 АТФ

є і

CH2 СН3

Реакция сопровождается потерей 7,5 ккал/моль энергии и в условиях

клетки практически необратима.

Суммарное уравнение первого этапа аэробного окисления глюкозы:

Ъ———————————————————————————————————————————————————————————————ї

і Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4 + 2 НАД+----> і

і -----> 2 пируват + 2 АТФ + 2 НАДН+Н+ + 2 Н2О і

Г---------------------------------------------------------------ґ

і В ходе этого этапа высвобождается 140 ккал/моль энергии, ос-і

і новная ее часть ( около 120 ккал/моль ) накапливается в клеткеі

і в виде энергии 2 АТФ и энергии 2 восстановленных НАД+ і

А———————————————————————————————————————————————————————————————Щ

из которого следует, что на первом этапе молекула глюкозы расщеп-

ляется до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом клетка на

каждую молекулу расщепленной глюкозы получает 2 молекулы АТФ и

две молекулы восстановленного НАДH+H+.

Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы

осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью

механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, при-

нимающих участие в работе этого метаболического пути.

С помощью термодинамических механизмов осуществляется конт-

роль направления потока метаболитов по данному метаболическому

пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе

которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G0=

- 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G0= -3,4 ккал/моль ) и

пируваткиназная ( G0= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке

практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и

за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.

Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метабо-

лическому пути контролируется в клетке за счет изменения актив-

ности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокина-

зы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты тер-

модинамического контроля метаболического пути одновременно явля-

ются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсив-

ности потока метаболитов.

Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктоки-

наза. Активность этого фермента подавляется высокими концентраци-

ями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента

АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ

является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.

Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высо-

кими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с рабо-

той сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнете-

ния активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ на-

капливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку

реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В

таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует акти-

вность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.

Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы -

пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф

и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предш-

ественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации

АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность

фермента по аллостерическому механизму.

В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне