Окисление глюкозы в дихотомическом пути, протекающем как в анаэробных (гликолиз), так и аэробных условиях (в этом пути “туловище” глюкозы расщепляется пополам - дихотомия).

Окисление глюкозы и последующее отщепление первого углеродного атома глюкозы в апотомическом пути (apex - верхушка). Этот путь называется также пентозофосфатным.

Окисление глюкозы и последующее отщепление шестого углеродного атома глюкозы - глюкуроновый путь.

NB! Дихотомический путь окисления глюкозы - основной путь получения энергии в клетке

Дихотомический путь - это окислительный распад молекулы глюкозы, при котором ее углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях данного пути энергию можно получить двумя способами:

Путем анаэробного (при отсутствии кислорода) распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза 2 лактат + 134 кДж.

Приблизительно половина этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, остальная энергия рассеивается в виде тепла .

Путем аэробного распада глюкозы до углекислого газа и воды. Суммарное уравнение:

Глюкоза + 6О2 6СО2 + 6Н2О + 2850 кДж.

При этом 60 % образующейся энергии депонируется в виде АТФ.

Таким образом, аэробный путь имеет несомненное энергетическое превосходство перед гликолизом.

Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинством тканей нашего организма. Гликолиз - единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление. Гликолиз, протекающий даже в аэробных условиях (в норме он в присутствии кислорода тормозится), - характерная особенность злокачественных клеток. Раковые опухоли являются своеобразной ”ловушкой” глюкозы в организме. Объясняется это тем, что находящиеся в условиях крайне низкого снабжения кислородом злокачественные клетки вынуждены усиленно потреблять глюкозу, чтобы выработать необходимое для их бурной жизнедеятельности количество энергии.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на два этапа: в течении первого этапа осуществляется распад глюкозы на две триозы (подготовительный этап), а второго - окисление триоз с образованием пирувата, который восстанавливается в лактат (этап гликолитической оксидоредукции).

Здесь, как и в первой реакции, затрачивается молекула АТФ и происходит значительное высвобождение энергии, что делает эту реакцию необратимой.

Данная реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом - фосфофруктокиназой-1 , имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфофруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами - АТФ и цитрат. Следует указать на двоякую роль АТФ, вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, - как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.

Важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктоза-2,6-дифосфат (см.ниже).

Четвертая реакция обратима. Катализирующий ее фермент называется альдолазой.

Описано несколько различных альдолаз. В большинстве тканей находится альдолаза А. Все типы альдолаз построены из четырех субъединиц и действуют преимущественно на “открытые” формы фруктозофосфатов, хотя в клетках преобладают их фуранозные формы. Продуктами действия альдолаз являются триозофосфаты: 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА). Триозофосфаты могут превращаться друг в друга при помощи триозофосфатизомеразы. И хотя равновесие триозофосфатизомеразной реакции сдвинуто в сторону образования ФДА (соотношение фосфотриоз в клетках - 95 % ФДА и 5 % 3-ФГА), в гликолитическом пути окисляется 3-ФГА, что позволяет при дальнейшем обсуждении считать результатом дихотомического этапа гликолиза образование двух молекул 3-ФГА.

Определение активности альдолазы используют в энзимодиагностике при заболеваниях, связанных с повреждением или гибелью клеток: так, при остром гепатите активность этого фермента может увеличиваться в 5-20 раз, при инфаркте миокарда - в 3-10 раз, при миодистрофии - в 4-10 раз.

Второй этап гликолиза - гликолитическая оксидоредукция - является более сложным.

В пятой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-ФГА. Фермент состоит из четырех одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Коферментом данной дегидрогеназы является НАД+.

Реакция начинается с образования фермент-субстратного комплекса, в котором 3-ФГА связывается с SH-группой активного центра дегидрогеназы ковалентной связью. На втором этапе реакции происходит окисление альдегидной группы 3ФГА и формирование макроэргической связи между продуктом окисления и группой активного центра. Затем в реакцию вступает молекула фосфорной кислоты, которая обеспечивает фосфоролиз ферментсубстратного комплекса с образованием макроэрга - 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК). Этот механизм уже упоминался в главе 4 как механизм преобразования энергии окисления в макроэргическое соединение.

Шестая реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования - фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества энергии, поэтому ее равновесие сдвинуто вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.

Седьмая реакция. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:

Эта реакция катализируется фосфоглицеромутазой и играет важную роль не только в процессе гликолиза, но и служит источником 2,3-дифосфоглицерата, который является регулятором механизма связывания кислорода гемоглобином. Механизм фосфоглицеромутазной реакции подобен фосфоглюкомутазной реакции. Оба фермента служат донором фосфатных групп в процессе реакции. Остатки фосфорной кислоты связаны ковалентно с аминокислотами ферментов ( с серином в фосфоглюкомутазе и гистидином в фосфоглицеромутазе).

Восьмая реакция. Образование макроэргического субстрата - фосфоенолпирувата (ФЕПВК). Реакция катализируется енолазой. Фермент отщепляет молекулу воды от 2-фосфоглицерата и перераспределяет внутримолекулярную энергию субстрата таким образом, что фосфат во втором положении переходит в макроэргическое состояние.

Девятая реакция. Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично шестой реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счет энергии макроэргического субстрата - фосфоенолпирувата.

Реакция образования пировиноградной кислоты (ПВК) необратима.

Десятая реакция.

В заключительной реакции гликолиза ПВК, выполняя функцию конечного акцептора водородов, превращается в молочную кислоту. Водороды для этой реакции поступают из единственной окислительной реакции гликолиза. Дегидрогеназа 3-ФГА освобождается от водородов и вновь может участвовать в окислении. Две дегидрогеназые реакции гликолиза образуют сопряжено работающую пару, катализирующую процесс, получивший название гликолитическая оксидоредукция.

В мышцах молочная кислота не используется, она поступает с током крови в печень, где вновь превращается (благодаря обратимости ЛДГ-азной реакции) в пируват. Изоферменты лактатдегидрогеназы принимают участие в контроле гликолиза: так, в сердечной мышце преобладает ЛДГ1, который ингибируется даже небольшими концентрациями пирувата, что затрудняет образование молочной кислоты в кардиомиоцитах и способствует дальнейшему окислению (а не восстановлению) пирувата; в скелетных мышцах преобладает изофермент ЛДГ5, активно превращающий ПВК в лактат в анаэробных условиях.

Гликолиз протекает в цитоплазме клетки, он не нуждается в участии кислорода для получения клеткой энергии. В ходе гликолиза в двух реакциях субстратного фосфорилирования (реакции шестая и девятая) образуется четыре молекулы АТФ (в пересчете на молекулу глюкозы), однако в подготовительной стадии две молекулы АТФ расходуются (реакции первая и третья), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.

NB! В анаэробных условиях конечным акцептором водорода может быть ацетальдегид (спиртовое брожение глюкозы).

В анаэробных условиях глюкоза может превращаться в этанол. Ранее полагали, что образование этилового спирта - привилегия дрожжей и некоторых плесневых грибков. Однако уже доказано, что в тканях млекопитающих алкоголь также образуется. Он является нормальным метаболитом клеток. Тяга к алкоголю, по-видимому, возникает вследствие недостаточности ферментных систем, его производящих.

Реакции спиртового брожения глюкозы совпадают с реакциями гликолиза до стадии образования ПВК.

Образование ацетальдегида из ПВК осуществляется путем прямого декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазой с участием ее кофермента - тиаминпирофосфата. Ацетальдегид превращается в этанол с помощью алкогольдегидрогеназы, коферментом которой является НАДН ·Н+. Уксусный альдегид - чрезвычайно токсичное соединение, его высокая концентрация в крови при потреблении спиртных напитков способна вызвать смертельный исход. Экзогенный этанол обезвреживается также алкогольдегидрогеназой (кофермент - НАД+), окисляясь в печени до ацетальдегида (реакция обратима) и далее с помощью альдегиддегидрогеназы - до уксусной кислоты. Активность альдегиддегидрогеназы (от ее зависит переносимость алкоголя) значительно варьирует у разных лиц и наций. Уксусная кислота, активируясь, превращается в ацетил-КоА, который “сгорает” в цикле Кребса с образованием энергии. В обезвреживании этанола принимают также участие микросомная система детоксикации гепатоцитов и фермент каталаза. Однако их роль менее значима.

Систематическое потребление алкоголя приводит к циррозу печени и увеличивает риск развития рака (причем не только печени), особенно на фоне хронического воздействия малых доз облучения.

NB! Глюконеогенез - механизм синтеза глюкозы

Запасы гликогена в печени ограничены и после 12-18 часового голодания они исчезают полностью. Многие клетки нуждаются в постоянном обеспечении глюкозой (эритроциты, нейроны, мышечные клетки в анаэробных условиях). Глюконеогенез является тем метаболическим путем, который решает данную проблему. Глюконеогенез - это метаболический путь превращения неуглеводных соединений в глюкозу. Многие соединения могут участвовать в этом процессе. Это и молочная кислота, и ПВК, и аминокислоты, распадающихся до пирувата (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин и др.), и глицерин, и пропиононил-КоА, и субстраты цикла Кребса (оксалацетат и др.).

Глюконеогенез представляет собой модификацию таких процессов, как гликолиз и цикл Кребса. Большая часть реакций гликолиза обратима. Исключение составляют три реакции, которые катализируют гексокиназа, фосфофруктокиназа-1 и пируваткиназа и для преодоления этих реакций используются специальные ферменты, которые назвали ключевыми реакциями глюконеогенеза. Данные ферменты сосредоточены в печени и корковом веществе почек. В таблице 5.2. приводятся названия ферментов, катализирующих необратимые реакции гликолиза и соответствующих им ключевых ферментов глюконеоегенеза.

Таблица Ключевые ферменты гликолиза и гликонеогенеза

При совместной работе таких ферментов существует проблема т.н. “пустых” субстратных циклов. При условии катализа прямой и обратной реакции разными ферментами, продукт, получаемый в прямой реакции, становится субстратом другого фермента, который катализирует обратную реакцию, превращая продукт вновь в субстрат первого фермента. Возникает опасность “холостого” прокручивания субстратов реакции. Проблема решается организацией многоуровневой регуляции, включающей реципрокную аллостерическую регуляцию и ковалентную модификацию структуры ферментов.

Принято считать начальным этапом глюконеогенеза реакции, идущие в обход пируваткиназной реакции гликолиза. Пируваткиназа - объект влияния регуляторных систем, управляющих скоростью гликолиза, поэтому в условиях благоприятствующих глюконеогенезу (голодание и др.) активность этого фермента следует затормозить. Этому способствует повышение количества аланина, который является аллостерическим ингибитором пируваткиназы и усиление секреции глюкагона. Последний стимулирует образование цАМФ в гепатоцитах, активирующей протеинкиназу А. Фосфорилирование пируваткиназы под влиянием протеинкиназы А вызывает переход ее в неактивное состояние. Торможение пируваткиназы благоприятствует включению глюконеогенеза.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5