Биохимия.ру полный курс лекций

ГЛ И К О Л И Т И Ч Е С К А Я О К С И Д О Р Е Д У К Ц И Я

Ванаэробных условиях образуемый в шестой, ГАФ-дегидрогеназной реакции, НАДН используется в одиннадцатой реакции для восстановления пирувата до лактата. Образуемый этим образом НАД опять возвращается в шестую реакцию. Процесс циклического восстановления и окисления НАД в реакциях анаэробного окисления глюкозы получил название

гликолитическая оксидоредукция.

Ваэробных условиях гликолитической оксидоредукции не происходит, НАДН отдает свои атомы водорода на челночные системы (см ниже) для их передачи в дыхательную цепь митохондрий.

ЭН Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Й Э Ф Ф Е К Т О К И С Л Е Н И Я

ГЛ Ю К О З Ы

Для расчета количества АТФ, образованной при окислении глюкозы необходимо знать: o реакции, идущие с затратой или образованием АТФ и ГТФ,

o реакции, продуцирующие НАДН и ФАДН2 и использующие их,

o так как глюкоза образует две триозы, то все соединения, образующиеся ниже ГАФдегидрогеназной реакции, образуются в двойном (относительно глюкозы) количестве.

Анаэробное окисление

На подготовительном этапе на активацию глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ, фосфат каждой из которых оказывается на триозе – глицеральдегидфосфате и диоксиацетонфосфате. В следующий второй этап входят две молекулы глицеральдегидфосфата, каждая из которых окисляется до пирувата с образованием 2-х молекул АТФ в седьмой и десятой реакциях – реакциях субстратного фосфорилирования. Таким образом, суммируя, получаем, что на пути от глюкозы до пирувата в чистом виде образуется 2 молекулы АТФ.

Однако надо иметь в виду и пятую, глицеральдегидфосфат-дегидрогеназную, реакцию, из которой выходит НАДН. Если условия анаэробные, то он используется в лактатдегидрогеназной реакции, где окисляется для образования лактата и в получении АТФ не участвует.

Аэробное окисление

Если в клетке имеется кислород, то НАДН из шестой реакции гликолиза направляется в митохондрию, на процессы окислительного фосфорилирования. Там его окисление приносит дивиденды в виде трех молекул АТФ.

Образовавшийся в гликолизе пируват в аэробных условиях превращается в ПВК-дегидрогеназном комплексе в ацетил-S-КоА, при этом образуется 1 молекула НАДН.

Ацетил-S-КоА вовлекается в ЦТК и, окисляясь, дает 3 молекулы НАДН, 1 молекулу ФАДН2, 1 молекулу ГТФ. Молекулы НАДН и ФАДН2 движутся в дыхательную цепь, где при их окислении в сумме образуется 11 молекул АТФ. В целом при сгорании одной ацетогруппы в ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Суммируя результаты окисления "гликолитического" и "пируватдегидрогеназного" НАДН, "гликолитический" АТФ, энергетический выход ЦТК и умножая все на 2, получаем

38 молекул АТФ.

Общее уравнение аэробного окисления глюкозы имеет вид:

C6H12O6 + 6 O2 + 38 АДФ + 38 Фн 6 CO2 + 44 H2О + 38 АТФ

Э Ф Ф Е К Т П А С Т Е Р А

Эффект Пастера – это снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода.

Биохимический механизм эффекта Пастера заключается в конкуренции между пи-

руватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-S-КоА, и лактатдегидрогеназой,

превращающей пируват в лактат.

При отсутствии кислорода внутримитохондриальные процессы дыхания не идут, моментально накапливающийся НАДН тормозит цикл трикарбоновых кислот и накапливающийся ацетил-S-КоА дополнительно ингибирует ПВК-дегидрогеназу. В этой ситуации пировиноградной кислоте не остается ничего иного как превращаться в молочную.

При наличии кислорода ингибирование ПВК-дегидрогеназы прекращается и она, обладая большим сродством к пирувату, выигрывает конкуренцию.

Иллюстрацией к сказанному служит отличие изоферментов лактатдегидрогеназ (ЛДГ) друг от друга. Сердечный изофермент ЛДГ-1 обладает высоким сродством к молочной кислоте и "стремится" поднять концентрацию пирувата с целью его включения в ЦТК и получения энергии для деятельности миокарда. Большое количество митохондрий и поступление сюда лактата из других органов обеспечивает работу сердца при аэробных условиях. При нехватке кислорода свойства ЛДГ-1 не изменятся, он по-прежнему будет сдвигать реакцию в

сторону продукции пировиноградной кислоты, и накопление пирувата вызовет необратимые повреждения кардиомиоцита.

В тоже время изофермент скелетной мышцы ЛДГ-5 обладает высоким сродством к пирувату, при отсутствии кислорода в клетке быстро и эффективно превращает его в лактат, легко проникающий сквозь мембраны и удаляемый из мышцы.

Таким образом, в анаэробных условиях сильнее будет страдать сердечная мышца, что, собственно говоря, и наблюдается в медицинской практике.

Важно то, что пировиноградная кислота является для клетки токсичным веществом, и клетке необходимо избавиться от нее каким угодно образом. Так как через мембраны она не проходит, то обезвреживание достигается превращением пирувата 1) в лактат; 2) в ацетил-S-КоА; 3) в аланин (см "Аланинаминотрансфераза"), 4) в оксалоацетат.

Ч Е Л Н О Ч Н Ы Е С И С Т Е М Ы

Молекулы НАДН, образованные в шестой реакции гликолиза, в зависимости от наличия кислорода имеют, как минимум, два пути своего дальнейшего превращения:

o либо остаться в цитозоле и вступить в лактатдегидрогеназную реакцию (анаэробные условия),

o либо проникнуть в митохондрию и окислиться в дыхательной цепи (аэробные условия),

Так как сама молекула НАДН через митохондриальную мембрану не проходит, то существуют системы, принимающие этот водород в цитоплазме и отдающие его в матриксе митохондрий. Они называются челночные системы.

Определены две основные челночные системы – глицеролфосфатная и малат-

аспартатная.

Глицеролфосфатный челночный механизм

Ключевыми ферментами глицеролфосфатного челнока являются изоферменты глице- рол-3-фосфат-дегидрогеназы – цитоплазматический и митохондриальный. Они отличаются своими коферментами: у цитоплазматической формы – НАД, у митохондриальной – ФАД.

В цитозоле метаболиты гликолиза – диоксиацетонфосфат и НАДН образуют глицерол- 3-фосфат, поступающий в матрикс митохондрий. Там он окисляется с образованием ФАДН2. Далее ФАДН2 направляется в дыхательную цепь и используется для получения энергии.

Работа глицеролфосфатного челночного механизма актуальна при необходимости получить энергию из глюкозы при работе клетки.

Однако, если в клетке имеется избыток энергии (состояние покоя, после еды) то гли- церол-3 фосфат будет использоваться в цитозоле для синтеза жиров (см "Синтез триацилглицеролов").

Малат-аспартатный челночный механизм

Этот механизм более сложен: постоянно идущие в цитоплазме реакции трансаминирования аспартата поставляют оксалоацетат, который под действием цитозольного пула малатдегидрогеназы и "гликолитического" НАДН восстанавливается до яблочной кислоты. Последняя антипортом с α-кетоглутаратом проникает в митохондрии и, являясь метаболитом ЦТК, окисляется в оксалоацетат с образованием НАДН. Так как мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, то он аминируется до аспарагиновой кислоты, которая в обмен на глутамат выходит в цитозоль.

ГЛ Ю К О Н Е О Г Е Н Е З

Вклетках организма всегда существует потребность в глюкозе:

o для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии,

o нервная ткань потребляет около 120 г глюкозы в сутки, что составляет до 70% глюкозы образующейся в печени, притом эта величина практически не зависит от интенсивности ее работы. Только в экстремальных ситуациях (длительное голодание) она способна получать энергию из неуглеводных источников,

o глюкоза играет весомую роль для поддержания необходимых концентраций метаболитов цикла трикарбоновых кислот (в первую очередь оксалоацетата).

Таким образом, при определенных ситуациях – при низком содержании углеводов в пище, голодании, длительной физической работе – организм должен иметь возможность получить глюкозу. Это достигается процессом глюконеогенеза.

Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот. Процесс включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути, т.е. он не полно-

стью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках. Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.

Как указывалось ранее, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируват-

киназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). На этих ре-

акциях существуют энергетические барьеры, которые обходятся с помощью дополнительных реакций.

Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них – глюкогенных – полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых – смешанных – частично.

Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.

ОБХОД ДЕСЯТОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА

На этом этапе глюконеогенеза работают два основных фермента – в митохондриях пи-

руваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.

Вмитохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Необходимо отметить, что эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротической (пополняюшей) реакцией ЦТК.

Далее оксалоацетат должен попасть в цитозоль и превратиться в фосфоенолпируват. Однако дело осложняется непроницаемостью мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК. Повернуть малатдегид-

рогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из -окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците.

Врезультате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.

Вцитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.

Поскольку гликолитическое окисление глюкозы:

o является способом получения энергии и в аэробных и в анаэробных условиях, то оно непрерывно происходит во всех клетках и, конечно, должно и будет активировано при усилении работы клетки, например, сокращение миоцита, движение нейтрофилов;

o является источником глицерола и ацетил-SКоА, используемых для синтеза жиров в гепатоцитах и адипоцитах, то такое окисление активируется при избытке глюкозы в клетке.

Глюконеогенез, как образование глюкозы в печени из неуглеводных компонентов, необходим:

o при гипогликемии во время мышечной нагрузки – синтез из молочной кислоты, поступающей из мышц, из глицерола, образующегося при мобилизации жиров;

o при гипогликемии при голодании – синтез из аминокислот, образующихся при катаболизме белков.

Таким образом, при голодании или физической нагрузке глюконеогенез, идущий в печени, обеспечивает глюкозой все остальные органы (эритроциты, нервная ткань, мышцы и др.), в которых активен гликолиз и другие процессы, производящие энергию. Наличие глюкозы в указанных клетках необходимо, чтобы поддержать концентрацию оксалоацетата и обеспечить сгорание ацетил-SКоА в цикле трикарбоновых кислот.

РЕ Г У Л Я Ц И Я Г Л И К О Л И З А И Г Л Ю К О Н Е О Г Е Н Е З А

Вцелом можно выделить два способа регуляции гликолиза и глюконеогенеза: гормональная и метаболическая, т.е. при помощи промежуточных или конечных продуктов обмена глюкозы.

Существуют три основных участка, на которых происходит регуляция: o первая реакция гликолиза,

o третья реакция гликолиза и обратимая ей, o десятая реакция гликолиза и обратимые ей.

Регуляция глюконеогенеза

Гормональная активация глюконеогенеза осуществляется глюкокортикоидами, кото-

рые увеличивают синтез пируват-карбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы,

фруктозо-1,6-дифосфатазы. Глюкагон стимулирует те же самые ферменты через аденилатциклазный механизм путем фосфорилирования.

Кроме гормонов, имеются метаболическая регуляция, при которой аллостерически активируется пируваткарбоксилаза при помощи ацетил-S-КоА, фруктозо-1,6-дифосфатаза

при участии АТФ.

Регуляция гликолиза

Гликолиз стимулируется инсулином, повышающим количество молекул гексокиназы,

фосфофруктокиназы, пируваткиназы.

В печени активность глюкокиназы регулируется гормонами: активацию вызывает инсулин и андрогены, подавляют ее активность глюкокортикоиды и эстрогены.

К метаболической регуляции наиболее чувствительна фосфофруктокиназа. Она активируется АМФ и собственным субстратом, ингибируется – АТФ, лимонной кислотой, жирными кислотами. Пируваткиназа активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Гексокиназа клеток (кроме гепатоцитов) ингибируется продуктом собственной реакции – глюкозо-6-фосфатом.