Тема 6.6. Биологическое значение катаболизма глюкозы. Регуляция процесса

Основное биологическое назначение катаболизма глюкозы заключается в использовании энергии, освобождающейся в этом процессе для синтеза АТФ.

1. Аэробный катаболизм глюкозы до СО₂ и Н₂О происходит во многих органах и тканях и служит основным, хотя и не единственным, источником энергии для жизнедеятельности. Некоторые ткани находятся в наибольшей

зависимости от катаболизма глюкозы как источника энергии. Например, клетки мозга расходуют до 100 г глюкозы в сутки, окисляя ее аэробным путем. Поэтому недостаточное снабжение мозга глюкозой или гипоксия проявляются симптомами, свидетельствующими о нарушении функций мозга (головокружения, судороги, потеря сознания). Во время продолжительной физической активности синтез АТФ в мышцах происходит в основном за счет аэробного распада глюкозы. Интенсивность этого процесса в мышцах ограничивается количеством кислорода, поступающего в митохондрии и активностью митохондриальных ферментов, обеспечивающих полное окисление глюкозы (активность этих ферментов достигает предела, например, во время бега хорошо тренированного стайера со скоростью 6 м/с). В эритроцитах возможен только анаэробный катаболизм глюкозы, так как клетки не имеют митохондрий.

Итак, соотношение доли аэробного и анаэробного катаболизма глюкозы в производстве энергии зависит от наличия митохондрий в клетках, их количеств, а также от доступности кислорода.

Баланс АТФ при аэробном гликолизе

Реакции, связанные с синтезом АТФ в аэробном гликолизе, происходят после распада глюкозы на две фосфотриозы, т.е. на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят две реакции субстратного фосфорилирования и синтезируется две молекулы АТФ (рис. 6.14, реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется (рис. 6.14, реакция 6), а NADН передает водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется три или две молекулы АТФ (в зависимости от челночного механизма, который работает в клетке) путем окислительного фосфорилирования. Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид- 3-фосфата сопряжено с синтезом пяти молекул АТФ (если участвует малатаспартатный челнок). Учитывая, что из глюкозы образуется две фосфотриозы, полученную величину нужно удвоить и затем вычесть две молекулы АТР, затраченные на первом этапе. Таким образом, суммарный эффект аэробного гликолиза составляет ((5 ? 2) - 2 = 8 АТФ.

Баланс АТФ при аэробном катаболизме глюкозы до СО₂ и Н₂О

Энергетическая эффективность аэробного катаболизма глюкозы до конечных продуктов определяется количеством АТФ, синтезируемого в аэробном гликолизе и окислении пирувата в общем пути катаболизма.

В результате аэробного гликолиза образуются две молекулы пирувата. Энергетическая эффективность окисления пирувата в ОПК составляет 15 моль АТФ, а двух молекул пирувата - соответственно 30 моль АТФ (см. модуль 5).

Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО₂ и Н₂О равна сумме: 8 моль АТФ (энергетический эффект аэробного гликолиза) + 30 моль АТФ (эффект окисления 2 моль пирувата в ОПК) и составляет 38 моль АТФ.

Рис. 6.14. Последовательность реакций в аэробном гликолизе:

А - подготовительный этап (реакции 1-5), сопряженный с использованием АТФ (реакции 1, 3); Б - этап, сопряженный с синтезом АТФ (реакции 6-10); Х - малатаспартатная челночная система переноса водорода из цитозоля в митохондрии; (2) - стехиометрический коэффициент; (Р) - фосфатный остаток. ~ - макроэргическая связь с фосфатным остатком в 1,3-бисфосфоглицерате и фосфоенолпирувате; 11 - транспорт водорода в митохондрии на ЦПЭ (глицерофосфатный или малатаспертатный челнок)

В процессе аэробного распада глюкозы происходят шесть реакций дегидрирования. Одна из них протекает на стадии гликолиза и пять - в общем пути катаболизма. Субстратами для специфических дегидрогеназ являются: глицеральдегид-3-фосфат, пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат. Кроме того, в процессе аэробного распада глюкозы протекают три реакции, сопряженные с субстратным фосфорилированием АДФ (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле).

2. Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах, в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (нет митохондрий), а также в разных органах в условиях ограниченного снабжения их кислородом, в том числе в клетках опухолей. Для метаболизма клеток опухолей характерно ускорение как аэробного, так и анаэробного гликолиза. Но преимущественный анаэробный гликолиз и ускорение синтеза лактата свидетельствуют о недостаточной обеспеченности быстроделящихся опухолевых клеток системой кровеносных сосудов. Баланс АТФ при анаэробном гликолизе

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэробным менее эффективен. В этом процессе катаболизм 1 моль глюкозы без участия митохондриальной дыхательной цепи сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. АТФ образуется за счет двух реакций субстратного фосфорилирования (рис. 6.11, реакции 7 и 10). Поскольку глюкоза распадается на две фосфотриозы, то с учетом стехиометрического коэффициента, равного двум, количество моль синтезированного АТФ равно 4. Учитывая 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза, получаем конечный энергетический эффект процесса, равный 2 моль АТФ. Таким образом, 10 цитозольных ферментов, катализирующих превращение глюкозы в пируват вместе с лактатдегидрогеназой, катализирующей восстановление пирувата в лактат (рис. 6.11, реакция 11), обеспечивают в анаэробном гликолизе синтез 2 моль АТФ (на 1 моль глюкозы) без участия кислорода.

Лактат - конечный продукт анаэробного гликолиза транспортируется в другие ткани, например в печень, сердечную мышцу, где превращается в пируват, который затем может окисляться в ОПК до СО₂ и Н₂О с образованием АТФ.

Рис. 6.15. Восстановление пирувата в лактат

Окисление молочной кислоты в мышце сердца не только ведет к образованию энергии, но и способствует поддержанию постоянства рН крови. Концентрация лактата в крови зависит от интенсивности и длительности работы. В условиях покоя концентрация лактата равна 1 ммоль/л, при тяжелой работе она может превышать 15 ммоль/л, что приводит к понижению рН крови - лактоацидозу.

Лактоацитоз может возникать при ряде патологических состояний, когда нарушается снабжение тканей кислородом. В этих случаях (инфаркт миокарда, легочная эмболия, кровотечение и др.) энергетические потребности клеток удовлетворяются на счет анаэробного гликолиза, что приводит к повышению уровня лактата и падению рН ниже оптимального уровня, необходимого для активной работы ферментных систем. Результатом этого могут быть резкие нарушения в клеточном метаболизме. Уровень лактата в крови зависит от интенсивности его использования в двух процессах: 1) окисления до СО₂ и Н₂О и 2) в качестве субстрата для синтеза глюкозы (процесс рассматривается позже). Следовательно, недостаточная активность ферментов пируватдегидрогеназного комплекса, катализирующего превращение пирувата в ацетил-КоА, а также ферментов цитратного цикла и ферментов синтеза глюкозы из лактата может приводить к образованию избытка лактата и соответственно к уменьшению значения рН плазмы крови.