Раздел 2 Энергетический путь обмена глюкозы

В клетках организма человека присутствуют два пути обмена глюкозы, связанные с энергетическим обменом:

- анаэробный (бескислородный) – более древний

- аэробный (с участием кислорода).

Для большинства тканей основным путем катаболизма глюкозы является ее аэробный распад

(цикл Кребса, тканевое дыхание) до углекислого газа и воды. При окислении 1 моль глюкозы (180 г) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свободной энергии.

Анаэробный и эробный пути имеют общие реакции.

Процесс аэробного распада глюкозы можно разделить на 3 этапа:

1. Превращение глюкозы до пирувата – анаэробный гликолиз.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3. Окисление АцКоА в цикле Кребса (ЦТК), процесс сопряжен с работой редокс - цепи окислительного фосфорилирования.

Гл-6-Ф —> ПВК —> ( АцКоА + СО₂ ) —> ( НАДН + ФАДН₂ + ГТФ ) —> АТФ + Н₂О

анаэробный окислительное окисление в цикле окислительное

гликолиз декарбоксилирование Кребса фосфорилирование

2.1 Гликолитический путь окисления глюкозы

Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) - сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающий в цитозоле клеток тканей человека, в результате которого глюкоза распадается на две молекулы пирувата и далее образуются две молекулы лактата (анаэробный гликолиз).

Реакции окисления Гл-6-ф до пирувата характерны для клеток всех тканей и органов

Анаэробное превращение Гл-6-ф в лактат характерно для типичных анаэробных клеток: эритроцитов, белых быстрых мышц, водителя сердца.

В гликолизе можно выделить два основных этапа:

первый этап подготовительный - от глюкозы до 3 - глицеральдегидфосфата (3 -ФГА)

второй этап оксидоредукции – от 3-глицеральдегидфосфата до пирувата (аэробный гликолиз) или до лактата (анаэробный гликолиз).

В реакциях первого этапа происходит затрата АТФ, фосфорилирование гексоз и превращение их в триозы (реакции 1-5). Второй этап начинается с окисления 3-ФГА и включает в себя реакции, сопровождающиеся синтезом АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Особенности реакций гликолиза:

• все метаболиты реагируют в виде фосфорных эфиров,

• большинство реакций обратимо, за исключением трех реакций (1, 3, 10),

• источником фосфатной группы в реакциях фосфорилирования субстратов является макроэргическое соединение АТФ (реакции 1, 3) и неорганический фосфат (реакция 6),

• регенерация НАД⁺, являющаяся необходимым условием протекания анаэробного гликолиза, происходит путем восстановления пирувата в лактат.

  Пируват – единственный окислитель НАДН в анаэробных условиях гликолиза.

• В случае аэробного пути НАДН окисляется в электронтранспортной цепи на внутренней мембране митохондрий (редокс-цепи окислительного фосфорилирования). Водород транспортируется в митохондрии с помощью челночных механизмов при участии переносчиков, потому что наружная мембрана митохондрий непроницаема для протонов.

Образование АТФ в реакциях гликолиза может идти двумя путями:

в анаэробных условиях посредством субстратного фосфорилирования, когда для синтеза АТФ используется энергия макроэргической связи субстратов (реакции 7, 9),

- в аэробных условиях путем окислительного фосфорилирования АДФ, при окислении НАДН в дыхательной цепи при сопряжении дыхания и фосфорилирования.

NB! Студенты часто путают название и смысл двух различных процессов: фосфорилирование субстрата и субстратное фосфорилирование.

Последовательность превращения субстратов в реакциях гликолиза представлена схемой, на которой указаны обратимые и необратимые реакции:

Гл—(1)−> Гл-6ф <− (2)—> фруктозо-6-ф −(3)—> фруктозо-1,6-диф <− (4 )—>

2[3-Фосфоглицеральдегид <− (5) —> 1,3-дифосфоглицерат<— (6) −> 3-фосфоглицерат

<− (7) —> 2-фосфоглицерат <− (8) —> ФЕП (фосфоенолпируват) — (9) −>

ПВК (пируват) <− (10) —> лактат] (молочная кислота) (в анаэробных условиях)

↓

2 АцКоА (в аэробных условиях)

Биохимические реакции гликолиза по стадиям (1- 11).

Номенклатура, характеристика ферментов.

1. Фосфорилирование глюкозы - необратимая реакция.

Гексокиназа (Мg ⁺²)

Г л + АТФ ———> Гл-6-Ф + АДФ.

Гексокиназа (АТФ: гексозо-6-фосфотрансфераза) в мышцах фосфорилирует, в основном, глюкозу, меньше – фруктозу и галактозу. Гексокиназа мышц и адипоцитов активируется инсулином, гексокиназа эритроцитов, нейронов и тканей глаза инсулиннезависимая.

Мышечная ГК (Кm < 0,1 ммоль/л) содержит катион магния, имеет свои особенности: ингибируется высокой концентрацией глюкозо-6-ф и АТФ в клетке, чтобы избежать избытка

гл-6-ф в клетке.

В печени глюкозу фосфорилирует другой изофермент глюкокиназа (АТФ: глюкозо-6-фосфотрансфераза), которая имеет значительно меньшее сродство к глюкозе. (Кm - 10 ммоль/л), и активна при высоких концентрациях глюкозы в крови, она не ингибируется при повышении концентрации глюкозо-6-ф в гепатоцитах, и это позволяет превращать избыток Гл-6-ф в гликоген

2. Фосфогексозоизомераза (глюкозо - 6ф – фруктозо - 6ф - изомераза) осуществляет изомеризацию гексоз.

3. Фосфофруктокиназа (АТФ: фруктозо - 6ф - 1- фосфотрансфераза) осуществляет фосфорилирование фруктозы – 6 - ф. Это важная реакция: самая медленная и необратимая, определяет скорость всего гли­колиза, кофактором является ион магния. Инсулин способствует увеличению скорости этой реакции.

Активируется субстратами: АМФ, фруктозо-2,6-диф (мощный активатор, образуется с участием фосфофруктокиназы- 2 из фр - 6ф). Ингибируется: АТФ, НАДН, лимонной кислотой, жирными кислотами и кетоновыми телами, которые тоже участвуют в энергетическом обмене, но в аэробных условиях.Ингибирование АТф снижает скорость гликолиза, т.к. клетка обеспечена запасом макроэргических соединений. Остальные субстраты принадлежат циклу Кребса, и они снижают скорость гликолиза, поскольку реакции цикла Креса способствуют увеличении энергопродукции.

4. Альдолаза (фруктозо - 1,6 - дифосфатлиаза). Альдолазы состоят из 4 субъединиц, кофермент витамин В1 в активной форме (тиаминпирофосфат), образуют несколько изоформ,. В большинстве тканей содержится альдолаза А, в печени и почках – альдолаза В. Есть сведения, что альдолаза активируется тестостероном, и у мужчин поэтому активнее по сравнению с женщинами.

Из фр - 1,6 - диф образуются две триозы: 3-фосфоглицериновый альдегид (3 - ФГА) и диоксиацетонфосфат (ДАФ).

ДАФ превращается в 3 - ФГА фосфатриозоизомеразой (ДАФ – ФГА - изомераза)

Поскольку на каждую молекулу глюкозы, участвующую в гликолизе, образуются две молекулы триоз, то далее в каждом уравнении реакции поставлен коэффициент 2.

5. 3 - фосфоглицеральдегиддегидрогеназа (3 - ФГА: НАД⁺ оксидоредуктаза (фосфорилирующая)) состоит из 4 субъединиц. Катализирует окисление 3 - ФГА, образование макроэргической связи в 1,3-дифосфоглицериновой кислоте (1,3 - диФГК) и восстановление НАД⁺ в НАДН, который используется в аэробных условиях для синтеза АТФ, а в анаэробных условиях – осуществляет восстановление пирувата в лактат с участием лактатдегидрогеназы (ЛДГ). В активном центре фермента находятся HS-группы, образуется промежуточный тиополуацеталь, который способен к окислению. Далее с участием фосфорной кислоты образуется макроэргическая связь

Содержит макроэргическую

связь в 1-положении

6. 1,3 - Дифосфоглицераткиназа (АТФ: 3ФГК - 1- фосфотрансфераза).

Осуществляет в обратимой реакции субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

На 5, 6 этапах гликолиза реакции ингибируются мышьяковым ангидридом. Поэтому его длительное время применяли в стоматологии при депульпировании. Соединения мышьяка высокотоксичны, препятствуют образованию макроэргических субстратов, синтезу АТФ и использованию его в метаболических процессах.

7. Фосфоглицератмутаза (3 – ФГК - 2-ФГК - изомераза) осуществляет перенос фосфатного остатка в 1,3 - диФГК из по­ложения 3 положение 2.

8. Енолаза (2 - ФГК: гидролиаза) - элиминирует (от­щепляет) от 2 - ФГК молекулу воды и образует высокоэнергетическую связь у второго атома углерода в фосфоенолпирувате (ФЕП) Ингибируется ионами фторида F^-.

Избыток иона фторида в слюне, привнесенный с водой или профилактическими и лечебными лекарственными препаратам (фторлак, зубные пасты) ингибирует процессы энергообмена у микроорганизмов, но может быть нежелательным для протекания энергообмена в мягких тканях полости рта, тканях зуба.

9. Пируваткиназа (АТФ: ПВК – 2 - фосфотрансфераза)

Осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ. Реакция необратима из-за большой разницы в энергиях макроэргических связей ФЕП и АТФ (название ферменту дано по обратной реакции, хотя она невозможна). Величины энергии макроэргических связей приведены в разделе «Биологическое окисление в организме человека».

Индукторы реакции: инсулин, фруктоза. Фермент активируется фруктозо-1,6-диф.

Ингибируется АТФ, НАДН, Ацетил-КоА, аланином, жирными кислотами, гормонами глюкагоном, адреналином (вновь, все субстраты свидетельствуют о протекании цикла Кребса).

Пируваткиназа (М 240 000) состоит из четырех идентичных субъединиц. Для действия этого фермента абсолютно необходим Mg²⁺; активность фермента подавляется Са²⁺ и функционирует только в присутствии довольно высоких концентраций К⁺.

Пируваткиназа является следующим после фосфофруктокиназы ферментом гликолиза, действие которого подчинено строгому регуляторному контролю.

Образующаяся в реакции енольная форма ПВК затем неферментативно переходит в бо­лее термодинамически стабильную кетоформу. Данная реакция является последней для анаэробного гликолиза.

Дальнейший катаболизм 2 молекул ПВК и использование 2 восстановленных НАДН₂ зависит от наличия кислорода.

В анаэробных условиях происходит восстановление пирувата в лактат цитозольным НАДН+ Н⁺.

В аэробных условиях ПВК и атомы водороды с НАДН+ Н⁺ транспортируются в матрикс митохондрий.