Тема 6.5. Катаболизм глюкозы: аэробный и анаэробный гликолиз. Аэробный распад глюкозы до со2 и н2о

1. Гликолиз - специфический путь катаболизма глюкозы, в результате которого происходит расщепление глюкозы с образованием двух молекул пирувата - аэробный гликолиз (рис. 6.11, реакции 1-10,) или две молекулы лактата - анаэробный гликолиз (рис. 6.11, реакции 1-11).

Аэробный и анаэробный гликолиз начинается с реакции фосфорилирования глюкозы (рис. 6.11, реакция 1) и образования глюкозо-6-фосфата, который является своеобразной ловушкой для глюкозы, так как мембрана клетки непроницаема для фосфорилированной глюкозы (нет соответствующих транспортных белков). Все промежуточные соединения гликолиза также находятся в фосфорилированной форме; источником фосфатных групп в реакциях фосфорилирования являются АТФ и Н₃РО₄.

Все этапы гликолитического пути окисления глюкозы происходят в цитозоле. Большинство реакций гликолиза, за исключением трех (реакции 1, 3, 10), обратимы.

2. В аэробном и анаэробном гликолизе можно выделить два этапа.

А. Превращение глюкозы в две молекулы глицеральдегид-3-фосфата (рис. 6.11, реакции 1-5). Эта серия реакции протекает с потреблением АТФ.

Рис. 6.11. Аэробный и анаэробный распад глюкозы:

1-10 - реакции аэробного гликолиза; 1-11 - реакции анаэробного гликолиза; 12 - челночный механизм транспорта водорода в митохондрии (малат-аспартатный или глицерофосфатный) Х, ХН₂ - переносчики водорода из цитозоля в митохондрии;(2) стехиометрический коэффициент. Этап А (реакции 1-5) - молекула глюкозы превращается в две молекулы триозы: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат, который изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат. В результате образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата и дальнейший процесс удваивается. На этом этапе происходят две реакции фосфорилирования с затратой двух молекул АТФ (реакции 1 и 3). Этап Б (реакции 6-10) обеспечивает синтез АТФ. Реакция 6 - дегидрирование двух молекул глицеральдегид-3-фосфата, катализируемая NAD-зависимой дегидрогеназой. Регенерация NAD+ из образующейся NADH + H+ происходит в аэробном гликолизе c участием ЦПЭ и челночных механизмов транспорта водорода из цитозоля в митохондрии (реакция 12). В этой реакции синтезируется АТФ путем окислительного фосфорилирования АДФ. Реакции 7 и 10 - субстратное фосфорилирование АДФ; протекают как в аэробном, так и в анаэробном гликолизе. Реакция 11 - регенерация NАD в анаэробном гликолизе. Акцептором водорода является пируват, который превращается в лактат. Реакция 13 - перенос пирувата в митохондрии и окисление его до конечных продуктов в общем пути катаболизма

Б. Превращение глицеральдегидфосфата в пируват или лактат (рис. 6.11, реакции 6-10 и 6-11). Эти реакции связаны с образованием АТФ. На этом этапе происходит реакция дегидрирования глицеральдегид-3- фосфата (см. реакция 6) и образование NADH+H+.

3. Регенерация NAD+, необходимого для окисления новых молекул глицеральдегид-3-фосфата, происходит:

•  при аэробном гликолизе посредством его окисления в ЦПЭ (реакция 12). При этом перенос водорода в митохондрии происходит с помощью специальных систем, называемых челночными, с помощью которых водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, один из которых окисляется в цитозоле, а другой - в митохондриях, т.е. с обеих сторон митохондриальной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны две челночные системы: глицерофосфатная и малат-аспартатная (рис. 6.12, 6.13), которые отличаются друг от друга акцепторами водорода для ЦПЭ и, следовательно, количеством синтезированного АТФ. В глицерофосфатной системе водород передается на FAD-зависимую дегидрогеназу, поэтому Р/О = 2. Вторая система энергетически более эффективна, так как водород поступает в ЦПЭ через митохондриальный NAD+ и отношение Р/О составляет 3;

•  при анаэробном гликолизе независимо от ЦПЭ. В этом случае окисление NADH осуществляется в результате восстановления пирувата в лактат (рис. 6.11, реакция 11).

4. Образование АТФ при аэробном гликолизе может идти двумя путями: путем субстратного фосфорилирования, когда для синтеза АТФ из АДФ и Н₃РО₄ используется энергия макроэргической связи субстрата (рис. 6.11, реакции 6, 10) и путем окислительного фосфорилирования за счет энергии переноса электронов и протонов по ЦПЭ (реакции 6, 12).

Рис. 6.12. Глицерофосфатная челночная систем:

1 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 2 - глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (цитозольный фермент); 3 - транслоказа, обеспечивающая транспорт глицерол- 3-фосфата из цитозоля во внутреннюю мембрану митохондрии; 4 - глицерол-3- фосфатдегидрогеназа (митохондриальный фермент); 5 - окисление FADH₂ в ЦПЭ

Рис. 6.13. Малат-аспартатная челночная система:

1 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа; 2, 3 - окислительно-восстановительная реакция, протекающая в цитозоле и митохондриях в противоположных направлениях; 2 - малатдегидрогеназа (цитозольный фермент); 3 - малатдегидрогеназа (митохондриальный фермент); 4, 5 - реакция трансаминирования, протекающая в цитозоле и митохондриях в противоположных направлениях; 6, 7 - транслоказы, обеспечивающие транспорт малата, аспартата, глутамата и α-кетоглутарата через мембрану митохондрий

5. Анаэробный гликолиз, или анаэробный распад глюкозы, (эти термины - синонимы) включает в себя реакции специфического пути распада глюкозы до пирувата и восстановление пирувата в лактат (рис. 6.11, реакции 1-11). АТФ при анаэробном гликолизе образуется только путем субстратного фосфорилирования (рис. 6.11, реакции 7, 10).

6. Аэробный распад глюкозы до конечных продуктов (СО₂ и Н₂О) включает в себя реакции аэробного гликолиза (рис. 6.11, реакции 1-10) и последующее окисление пирувата в общем пути катаболизма (реакция 13). Таким образом, аэробный распад глюкозы - это процесс полного ее окисления до СО₂ и Н₂О, а аэробный гликолиз - часть аэробного распада глюкозы.