Окисление глюкозы

Важнейшими источниками энергии для обеспечения физиологических процессов организма является гликоген и глюкоза. За счет распада гликогена (гликогенолиз) обеспечиваются энергией печень и мышцы, тогда как другие органы, в первую очередь мозг, для этой цели используют распад глюкозы.

Окисление глюкозы до СО₂ и Н₂О можно разделить на три этапа.

1. Гликолиз – процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента (молекулы пировиноградной кислоты), сопряженный с восстановлением переносчика электронов; протекает в цитоплазме клетки.

2. Цикл Кребса (синонимы: цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кис-
лот) – совокупность реакций, в результате которых второй и третий атомы углерода пировиноградной кислоты превращаются в СО₂, с восстановлением переносчиков электронов. В этом процессе кислород не участвует.

3. Электронтранспортная цепь – это цепь переноса электронов на О₂, после чего он, забирая из окружающей среды водород в виде протонов, превращается в Н₂О. У эукариот эта стадия происходит во внутренней мембране митохондрий. Стадия сопровождается образованием наибольшего количества АТФ.

Гликолиз

Гликолиз – (от. греч. glycys - сладкий и lysis - растворение, распад) – бескислородный распад, в ходе которого синтезируются две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Конечными продуктами гликолиза являются пируват и NADH. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами.

Первой реакцией является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой и считается практически необратимой:

Второй реакций гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат. Реакция легко протекает в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов:

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы. Реакция обратима.

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бифосфогли­цериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН). Реакция протекает в несколько этапов:

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосоглицериновая кислота превращается в 2-фосфо­глицериновую кислоту (2-фосфоглицерат). Реакция легко обратима, протекает в присутствии ионов Mg²⁺.

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg²⁺ или Mn²⁺ и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируватканизы необходимы ионы Mg²⁺, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К⁺ или др.) Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

Последовательность реакций, протекающих при гликолизе, показана на рис. 26.

Глюкоза

Молочная кислота (2 мол)

Рис. 26. Последовательность реакций гликолиза

1 - гексокиназа, 2 - фосфоглюкоизомераза, 3 - фосфофруктокиназа, 4 - альдолаза,
5 - триозофосфоизомераза, 6 - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа,
7 - фосфоглицераткиназа, 8 - фосфоглицератмутаза, 9 - енолаза, 10 - пируваткиназа,
11 - лактатдегидрогеназа

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфатных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуется 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Если гликолиз протекает в аэробных условиях, пируват и НАДН поступают в митохондрии, где пируват окисляется до СО₂ и Н₂О, а НАДН в НАД.

При анаэробном гликолизе происходит образование молочной кислоты из пирувата. Анаэробный гликолиз происходит в мышцах в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах, в которых нет митохондрий, а также в различных органах и тканях при недостаточном снабжении их кислородом.

У многих микроорганизмов, растущих в анаэробных условиях, гликолиз является основным катаболитическим путем, предназначенным для извлечения пирувата из углеводных субстратов; дальнейшее превращение пирувата приводит к образованию определенных конечных продуктов метаболизма – продуктов брожения. Химическая природа этих продуктов зависит от вида микроорганизма и условий протекания процесса, в которых один и тот же микроорганизм осуществляет брожение.

Основными типами брожений являются спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др.

Цикл Кребса

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты) представляет серию реакций, протекающих в митохондрий.

Пируват, образовавшийся при гликолизе, попадает внутрь митохондрий, благодаря транспортной системы, обеспечивающей его антипорт с ионами ОН^-.

Ацетильные углеродные атомы с ацетил-КоА, которые ранее принадлежали пирувату, превращаются в СО₂, и параллельно с этим 3 молекулы НАД⁺ восстанавливаются в НАДН, а 1 молекула ФАД – в ФАДH₂. Кроме того, следствием всех этих превращений является синтез ГТФ.

В матриксе митохондрий пируват превращается в ацетил-КоА, после чего ацильная группа пирувата вступает в цикл лимонной кислоты.

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс» (рис.27).

Рис 27. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса

Е₁ - пируватдегидрогеназа, Е₂ - дигидролипоилацетилтрансфераза,
Е₃ - дигидролипоилдегидрогеназа

На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (Е₁). На II второй стадии оксиэтильная группа комплекса Е1-ТПФ-СНОН-СН₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е₂). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-КоА) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид-Е₂. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный в ФАДH₂ дигидролипоилдегидрогенеазы передает водород на кофермент НАД⁺ с образованием НАДН + Н⁺.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях, ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис. 28).

Рис. 28. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты)

Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятия водорода) и двух декарбоксилирований (отщепления СО₂) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО₂ и Н₂О, а молекула оксалоацетата регенерируется.

Первая реакция катализируется ферментом цитратсинтетазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате образуется лимонная кислота:

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрированию с образованием цис -аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимопревращение Н и ОН в молекуле цитрата:

В третьей реакции изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ и для проявления своей активности фермент нуждается в Mg²⁺ и Mn²⁺.

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. В реакции участвуют 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-КоА, ФАД и НАД⁺:

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь, сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной:

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратдегидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (малат):

В восьмой реакции цикла под влиянием митохондрильной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

За один оборот цикла происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД⁺ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны окисляться в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованных во внутренней мембране митохондрий.

При окислении глюкозы в результате гликолиза и цикла Кребса образуется: 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы в процессе гликолиза и столько же в цикле лимонной кислоты (с учетом энергетической эквивалентности ГТФ и АТФ); еще одна молекула АТФ образуется, если источником глюкозы служит гликоген. Большая часть энергии запасается в виде 10 молекул НАДН (две из гликолиза, две из пируватдегидрогеназной реакции и шесть из цикла лимонной кислоты) и 2 молекулы ФАДН₂ (из цикла лимонной кислоты). Следует помнить, что из глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, которые обеспечивают 2 оборота цикла.

Основное количество АТФ, синтезируемого из АДФ и Р в ходе окисления глюкозы, образуется при окислении ФАД и НАД⁺.

Дата добавления: 2015-10-23