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 уг­леводов выделяется 4,1 ккал/г ( около 17 кДж/г ) свободной энер­гии 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. необ­ходимых клеткам соединений. Кроме того, при окислении углеводов в клетках идет генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются ими в восстановительных реакциях биосин­тезов, в процессах детоксикации, для контроля уровня перекисного окисления липидов и др.

Главным моносахаридом, подвергающимся окислительным превра­щениям в клетках, является глюкоза, поскольку именно она в наи­больших количествах поступает из кишечника во внутреннюю среду организма, именно она синтезируется при глюконеогенезе или обра­зуется в свободном виде или же в виде фосфорных эфиров при рас­щеплении гликогена. Роль других моносахаридов менее значительна, так как их количество, поступающее в клетки в количественном от­ношении 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 глюкуро­новой кислоты, до полной деградации молекулы глюкозы при ее аэро­бном распаде.

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 свобод­ной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозыможно разде­лить 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 | | + 2 СО | | | <--- 1 ---> | <---- 2 ----> | <---- 3 ----> |

Расщепление глюкозы до пирувата

По современным представлениям первыйэтапокисления глюкозы протекает в цитозоле икатализируетсянадмолекулярным белковым комплексом -гликолитическим метаболоном, включающим в себя до десятка отдельных ферментов.

Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь раз­делен на 2 стадии. В реакциях первой стадии происходит фосфорили­рование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, нако­нец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз:

СН₂ОН СН₂ОРО₃Н₂

_{1. | |}

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 фо­сорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровож­дается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в усло­виях клетки является необратимой.

СН₂ОРО₃Н₂

_{2. |}

С--- О РО₃Н₂-О_-СН₂О

Н /Н \ОН | / \ Н

С С -----------> С С

НО\ОН Н/Н Н\Н НО/|

С--- С С---С СН₂ОН

Н ОН ОН Н

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

Вторая реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обра­тима.

РО₃Н₂-О_-СН₂О РО₃Н₂-О_-СН₂О

| / \ Н | / \ Н

3. С С + АТФ ------> С С + АДФ

Н\Н НО/| Н\Н НО/|

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 гексо­киназная реакция, в условиях клетки необратима.

РО₃Н₂-О_-СН₂О СН₂ОН НС=О

| / \ Н | |

С С --------> С=О + НСОН

4.Н\Н НО/| | |

С---С СН₂О-РО₃Н₂Н₂СО-РО₃Н₂Н₂СО-РО₃Н₂

_{ОН Н Фосфодигидр- 3-Фосфогли-}

Фруктозо-1,6-бисфосфат оксиацетон цериновый

альдегид

Эта реакция катализируется ферментом альдолазой, реакция обрати­ма. В результате реакции фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на два триозофосфата.

СН₂ОН НС=О

| --------->|

5.С=О <---------НСОН

| |

Н₂СО-РО₃Н₂Н₂СО-РО₃Н₂

_{Фосфодигидр- 3-Фосфогли-}

оксиацетон цериновый

альдегид Фосфодигидроксиацетон ( ФДА ) в условиях клетки легко изомери-

зуется в 3-фосфоглицериновый альдегид ( ФГА ) при участии фермен­та триозофосфатизомеразыв 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 превраща­ется 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 окисли­тельной реакцией:

НС=О О=С_~О-РО₃Н₂

_{6. |} ^|

^{2 НСОН + 2НАД+ + 2Н}₃^РО₄ ^{----> 2 НСОН + 2НАДН+Н+}

^{| |}

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СО-РО₃^Н₂

_{ФГА 1,3-дифосфоглице-}

риновая кислота

В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3-фосфоглице-риновогоальдегида, происходит окисление ФГА в 1,3-дифосфоглице­риновую кислоту. Окисление идет путем дегидрирования, а отщеплен­ные от субстрата атомы водорода переносятся на НАД⁺с образова­нием 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 окис­ления с участвующей в реакции фосфорной кислотой, т.е. в макроэр­гической связи 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

В седьмой реакции остаток фосфорной кислоты из 1,3-дифосфо­глицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической связи, переносится на АДФ с образованием АТФ:

О=С_~О-РО₃Н₂ СООН

^||

^{7. 2 НСОН + 2 АДФ ------> 2 НСОН + 2 АТФ}

^||

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СО-РО₃^Н₂

_{1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая}

кислота кислота

Эта обратимая реакция катализируется ферментом фосфоглицераткина-зой.

Далее идет обратимая изомеризация 3-фосфоглицериновой кисло­ты в 2-фосфоглицериновую кислоту при участии фермента фосфоглице­ратмутазы:

СООН СООН

^||

^{8. 2 НСОН ------> 2 НСО-РО}₃^Н₂

^{| |}

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СОН

В следующей , девятой по счету,реакции идет отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты:

СООН СООН

^||

^{9. 2 НСО-РО}₃^Н₂ ^{------> 2 С}_~^О-РО₃^Н₂ ^{+ 2 Н}₂^О

^{| |}

^Н₂^{СОН СН}₂

_{3-фосфоглицериновая Фосфоенолпировино-}

кислота градная кислота ( ФЭП )

В ходе отщепления воды идет перераспределение электронной плотно­сти 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. ^||

^{2 С}_~ ^О-РО₃^Н₂^{+ 2 АДФ ------> 2 С=О + 2 АТФ}

^||

^CH₂ ^СН₃

_{Реакция сопровождается потерей 7,5 ккал/моль энергии и в условиях клетки практически необратима.}

Суммарное уравнение первого этапа аэробного окисления глюкозы:

Глюкоза + 2 АДФ	2 Н3РО4+ 2 НАД+----> > 2 пируват + 2 АТФ + 2 НАДН+Н++ 2 Н2О
В ходе этого этапа высвобождается 140 ккал/моль энергии, ос- новная ее часть ( около 120 ккал/моль ) накапливается в клетке в виде энергии 2 АТФ и энергии 2 восстановленных НАД+

из которого следует, что на первом этапе молекула глюкозы расщеп­ляется 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, при­нимающих участие в работе этого метаболического пути.

С помощью термодинамических механизмов осуществляется конт­роль 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 метабо­лическому пути контролируется в клетке за счет изменения актив­ности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокина­зы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты тер­модинамического контроля метаболического пути одновременно явля­ются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсив­ности потока метаболитов.

Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктоки­наза. Активность этого фермента подавляется высокими концентраци­ями 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 высо­кими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с рабо­той сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнете­ния активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ на­капливается 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 акти­вность 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 предш­ественником. 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 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в ус­ловиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во пер­вых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.

Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цит­ратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который за-

тем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат

и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением

уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его допол-

нительное образование, что и достигается ингибированием фосфоф-

руктокиназы и пируваткиназы.

Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, бо­лее эффективным видом энергетического топлива.