Аэробный гликолиз клетки

НазваниеАэробный гликолиз
Анкорбиха.docx
Дата22.04.2017
Размер149.87 Kb.
Формат файла
Имя файлабиха.docx
ТипДокументы
#1678

В клетках глюкоза может превращаться в жирные кислоты, аминокислоты, гликоген и окисляться в различных катаболических путях.

Окисление глюкозы называют гликолизом. Глюкоза может окисляться до лактата и до пирувата. В аэробных условиях главным продуктом является пируват, такой путь называется аэробным гликолизом. При недостатке кислорода преобладает продукт — лактат. Этот путь окисления называется анаэробным гликолизом.

Процесс аэробного распада глюкозы можно разделить на три части: специфические для глюкоза превращения, завершающиеся образованием пирувата (аэробный гликолиз); общий путь катаболизма (окислительное декарбоксилирование и ЦЛК); дыхательная цепь.

В результате этих процессов глюкоза распадается до CO2 и H2O, а освобождающаяся энергия используется для синтеза АТФ.

Распад глюкозы до пирувата также можно разделить на два этапа. Первый этап (глюкоза  глицеральдегидфосфат) требует энергии в форме АТФ (2 АТФ).

Е1гексокиназа или глюкокиназа

Второй этап (глицеральдегид  пируват) протекает с выходом энергии в виде АТФ и НАДН (4 АТФ и 2 НАДН).

Особенности ферментов гликолиза.

На пути гликолиза три реакции являются необратимыми (реакция 1 —глюкокиназная, реакция 3 — фофофруктокиназная, реакция 10 —пируваткиназная). Они катализируются регуляторными ферментами и определяют скорость всего процесса гликолиза. Кроме того, именно эти реакции отличаются от реакций обратного пути — синтеза глюкозы (глюконеогенеза).

Гексокиназа и глюкокиназа

Глюкокиназная реакция — первая АТФ-зависимая реакция гликолиза. Она катализируется тканеспецифическими ферментами — гексокиназами.У человека известно 4 изомера гексокиназ (типы I — IV). Изофермент IV типа — глюкокиназа. Глюкокиназа находится только в печени и имеет высокое значение Км к глюкозе. Это приводит к тому, что фермент насыщается субстратом лишь при очень высоких концентрациях глюкозы. Гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы при любых (в том числе низких) концентрациях глюкозы и ингибируется продуктом глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом. При увеличении концентрации глюкозы после приема пищи увеличивается скорость глюкокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфат не проходит через клеточные мембраны и задерживается в клетке, поэтому больше глюкозы задерживается в печени. Таким образом, глюкокиназа является буфером глюкозы в крови. В тоже время, в тканях, энергетический обмен которых зависит от глюкозы, локализован изофермент с низким значением Км.

Фермент имеет почти равное значение Км для глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Этот фермент по-другому называют гексозофосфатизомераза. Катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.

Этот фермент катализирует только прямую реакцию, т.е. эта реакция гликолиза является необратимой и определяет скорость всего процесса.

Фруктозодифосфатальдолазакатализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.

Триофосфатизомераза катализирует равновесную реакцию, и равновесие смещается в сторону гликолиза или глюконеогенеза по принципу действия масс.

Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует реакции гликолиза и глюконеогенеза.

Фосфоглицераткиназа катализирует обратимую реакцию (гликолиза и глюконеогенеза). Эта реакция имеет большое значение в эритроцитах, т.к. образующийся 1,3-дифосфоглицерат под действием фермента дифосфоглицератмутазы превращается в 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) — регулятор сродства Hb к кислороду.

Фосфоглицератфосфомутазаиенолгидратаза катализируют превращение относительно низкоэнергетической связи в 3-фосфоглицерате в высокоэнергетическую форму, а затем в АТФ.

Пируваткиназа — регуляторный фермент, который катализирует необратимую реакцию, в которой высокоэнергетический фосфат фосфоенолпирувата превращается в АТФ.

Пируват далее окисляется в митохондриях. Распад глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, поэтому существует специальный переносчик пирувата в митохондрии по механизму симпорта с Н + . Образующийся НАДН также должен быть транспортирован в митоходрии для окисления в цепи переноса электронов.

Суммарное уравнение гликолиза

Глюкоза + 2 АДФ + 2 НАД + + 2 H3PO4  2 Пируват + 2АТФ + 2 НАДН + 2 Н +

Перенос водорода с цитозольного НАДН в митохондрии происходит при участии специальных механизмов, называющихся челночными. Суть этих механизмов сводится к тому, что НАДН в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД + , и вновь переходит в цитозоль. Самая активная малат-аспартатная система, действующая в митохондриях печени, почек и сердца. На каждую пару электронов цитозольной НАДН, переданную на кислород по этой системе, образуется 3 молекулы АТФ.

В скелетных мышцах и мозге перенос восстановительных эквивалентов от цитозольной НАДН осуществляет глицеролфосфатная система. При этом восстановительные эквиваленты передаются в цепь переноса электронов через комплекс II, и поэтому синтезируется только 2 молекулы АТФ.

Выход АТФ при аэробном гликолизе.

Основное физиологическое значение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ.

В наибольшей зависимости от аэробного гликолиза находится мозг. Он расходует 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% кислорода потребляется мозгом. Поэтому недостаток глюкозы или кислорода проявляется, прежде всего, симптомами со стороны центральной нервной системы — головокружением, потерей сознания, судорогами.

ЭтапыСоединения, в которых запасена энергияВыход АТФ
В ходе распада глюкозы до пирувата2 АТФ (субстратное фосфорилирование) + 2 НАДН2 АТФ + 6 (или 4) АТФ (в зависимости от челночного механизма) =8 (или 6) АТФ
При окислительном декарбоксилировании пирувата2  (НАДН) 6 АТФ
В цикле Кребса2  (ГТФ + 3 НАДН + 1 ФАДН2)24 АТФ
Всего 38 (или 36) АТФ

Анаэробный гликолиз.

При аэробных условиях продуктом гликолиза в тканях является пируват, а НАДН, образовавшийся в ходе окисления, реокисляется за счет молекулярного кислорода. В анаэробных условиях, т. е. при недостатке кислорода в тканях, например в напряженно работающих скелетных мышцах, образовавшийся НАДН реокисляется не за счет кислорода, а за счет пирувата, восстанавливающегося при этом в лактат (молочную кислоту). Восстановление пирувата до лактата катализирует изофермент лактатдегидрогеназа.

Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов — М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.

Изомерные формы ЛДГ1 и ЛДГ2 обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ3 — в поджелудочной железе, ЛДГ4 и ЛДГ5 в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ5 быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ1катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза.

В анаэробном гликолизе АТФ образуется только за счет субстратного фосфорилирования ( 2 моль АТФ на 1моль глюкозы ).

Значение анаэробного гликолиза особенно велико для скелетных мышц. В интенсивно работающих скелетных мышцах мощность механизма транспорта кислорода оказывается недостаточной для обеспечения энергетической потребности, в этих условиях резко усиливается анаэробный гликолиз, и в мышцах накапливается молочная кислота. Особое значение анаэробный гликолиз имеет при кратковременной интенсивной работе. Так, бег в течение 30 с полностью обеспечивается анаэробным гликолизом. Однако уже через 4-5 мин бега энергия поставляется поровну анаэробным и аэробным процессами, а через 30 мин — почти целиком аэробным процессом. При длительной работе в аэробном процессе используется не глюкоза, а жирные кислоты.

Эритроциты вообще не имеют митохондрий, поэтому их потребность в АТФ удовлетворяется только за счет анаэробного гликолиза. Интенсивный гликолиз характерен также для злокачественных опухолей.

Цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл) и глюкозо-аланиновый цикл.

Молочная кислота не является конечным продуктом обмена, но ее образование — тупиковый путь метаболизма: ее дальнейшее использование связано опять с превращением в пируват. Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся молочная кислота поступает в кровь и улавливается в основном печенью, где и превращается в пируват. Пируват в печени частично окисляется, а частично превращается в глюкозу. Часть пирувата в мышцах путем трансаминирования превращается в аланин, который транспортируется в печень, и здесь снова образует пируват.

Рис. Цикл Кори и глюкозо-аланиновый цикл

Биосинтез глюкозы (глюконеогенез).

Глюконеогенез протекает в основном по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза.

Обходные пути глюконеогенеза.

I. Первый обходной путь — превращение пирувата в фосфоенолпируват.

Это превращение осуществляется под действием двух ферментов — пируваткарбоксилазы (Е1)икарбокикиназы фосфоенолпирувата (Е2).

II. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализирует фермент фруктозо-1,6-дифосфатаза.

III. Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфатакатализирует фермент глюкозо-6-фосфотаза.

Этот фермент отсутствует в клетках мозга, скелетных мышц и др. тканях, поэтому глюконеогенез, протекающий в этих тканях не может поставлять глюкозу в кровь. Глюкозо-6-фосфатаза локализована в почках и, особенно, в печени, и глюкозо-6-фосфат может превращаться в глюкозу, если ее уровень в крови снижен.

Пентозофосфатный путь (ПФП).

Большая часть глюкозы расщепляется по гликолитическому пути. Наряду с гликолизом существуют второстепенные пути катаболизма глюкозы, одним из которых является пентозофосфатный путь (ПФП). Пентозофосфатный путь скорее даже — анаболический путь, который использует 6 атомов С глюкозы для синтеза пентоз и восстановительных эквивалентов в виде НАДФН, необходимых для образования липидов в организме. Однако, этот путь — окисление глюкозы, и при определенных условиях может завершиться полным окислением глюкозы до СО2 и Н2О. Главные функции этого цикла следующие:

Генерирование восстановительных эквивалентов в виде НАДФН для восстановительных реакций биосинтеза. Ферменты, которые катализируют реакции восстановления, часто используют в качестве кофактора НАДФ + /НАДФН, а окислительные ферменты — НАД + /НАДН. Восстановительные реакции биосинтеза жирных кислот и стероидных гормонов требуют НАДФН, поэтому клетки печени, жировой ткани и др., где протекает синтез липидов, имеют высокий уровень ферментов ПФП. В печени около 30% глюкозы подвергаются превращениям в ПФП.

НАДФН используется при обезвреживании лекарств и чужеродных веществ в монооксигеназной цепи окисления в печени.

НАДФН предохраняет ненасыщенные жирные кислоты эритроцитарной мембраны от аномальных взаимодействий с активным кислородом. Кроме того, эритроциты используют реакции ПФП для генерирования больших количеств НАДФН, который необходим для восстановления глутатиона, участвующего в системе обезвреживания активного кислорода, что позволяет поддерживать нормальную степень окисления Fe 2+ в гемоглобине.

Снабжение клеток рибозо-5-фосфатом для синтеза нуклеотидов, нуклеотидных коферментов и нуклеиновых кислот. Превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды также требует НАДФН, поэтому многие быстро пролиферирующие клетки требуют больших количеств НАДФН.

Хотя это не значительная функция ПФП, он принимает участие в метаболизме пищевых пентоз, входящих в состав нуклеиновых кислот пищи и может превращать их углеродный скелет в интермедиаты гликолиза и глюконеогенеза.

Реакции ПФП протекают в цитоплазме. ПФП можно разделить на два этапа: окислительный и неокислительный. Субстратом является глюкозо-6-фосфат. Первая и третья реакции катализируются НАДФ-зависимыми дегидрогеназами. На этом этапе происходит окисление глюкозы с образованием 2 НАФН, поэтому реакции (1 — 3) — окислительная фаза ПФП. Фермент Е1 (глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа) — ключевой фермент ПФП, катализирует образование 6-глюконолактона. Лактон является неустойчивым соединением, которое легко гидролизуется спонтанно и под действием фермента Е2(специфической лактоназы). Фермент Е3 (6-фосфоглюконат-дегидрогеназа) катализирует реакцию окислительного декарбоксилирования.

Рибулозо-5-фосфат под действием ферментов рибозофосфатизомеразы и рибулозо-5-фосфат-3-эпимеразы может обратимо изомеризоваться в другие пентозы: рибозо-5-фосфат, ксилулозо-5-фосфат.

В некоторых тканях ПФП на этом заканчивается Суммарное уравнение ПФП:

Некоторые клетки нуждаются в большем количестве НАДФН, по сравнению с рибозо-5-фосфатом, т.е. НАФДН утилизируется, а рибозо-5-фосфат остается в избытке. В таких случаях рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат (второй этап). Этот этап связывает ПФП с гликолизом.

Эти превращения катализируются двумя ферментами: транскетолазой4) и трансальдолазой5).

Фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат вступают на путь гликолиза.

Суммарное уравнение 2-го этапа:

Общая характеристика метаболизм гликогена.

Так как глюкоза свободно диффундирует через клеточные мембраны, она не может служить резервным источником энергии в клетках тканей. Фосфорилирование глюкозы задерживает ее в клетке, но накапливаться глюкозо-6-фосфат не может, т.к. при этом увеличилось бы количество проникающей в клетку воды за счет осмоса. Создание запаса недиффундирующей глюкозы без осмотического набухания возможно благодаря способности некоторых тканей (печени и мышц) превращать избыток углеводов в нерастворимый полимер — гликоген.

Биосинтез гликогена (гликогенез).

Анаболический процесс требует затрат энергии. В обмене углеводов источниками энергии являются АТФ и УДФ.

Фермент гликогенсинтаза катализирует только образование (14) связей путем переноса гликозидной группы от УДФ-глюкозы на невосстанавливающий конец гликогена. Этот фермент не способен образовывать (16)-связи. Другой ветвящий фермент (гликозил-46-трансфераза) образует (16)-связи путем переноса фрагментов, содержащих 6-7 остатков глюкозы. В результате работы двух ферментов образуется разветвленная структура гликогена, которая обеспечивает быстрое присоединение или освобождение глюкозы благодаря множеству концевых участков и придает компактность и плотность резервному источнику глюкозы.

УДФ-глюкоза играет ключевую роль в процессах анаболизма углеводов. На рисунке представлены пути возможной утилизации УДФ-глюкозы.

Есть и другой путь синтеза полисахаридов. В качестве промежуточного соединения может выступать не УДФ-глюкоза, а долихолфосфат-глюкоза или ретинил-фосфат-глюкоза.

Распад гликогена (гликогенолиз).

Деградация запасенного гликогена происходит в ответ на повышение потребностей в глюкозе. Фермент гликогенфосфорилазапоследовательно отделяет остатки глюкозы от линейной цепи гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата и, укороченной на один остаток глюкозы, цепи гликогена.

Глюкоза, отщепляясь от гликогена, активируется (т.е. превращается в глюкозо-1-фосфат), и это происходит без участия АТФ или УТФ. В стандартном состоянии изменение свободной энергии в этой реакции G 0 ` > 0. Однако, концентрация H3PO4 в клетке высокая, а глюкозо-1-фосфата — низкая, поэтому равновесие, сдвинуто в сторону образования глюкозо-1-фосфата. Гликогенфосфорилаза не может отщеплять остатки глюкозы в местах ветвления гликогена. Её активность падает за 4 остатка глюкозы до точки ветвления. Эти остатки отделяются специальнымневетвлящим ферментом. Связи (16) гидролизуются под действием фермента гликоген-6-глюканогидролазы. При этом открывается новый участок для действия гликогенфосфорилазы. В среднем на 10 молекул глюкозо-1-фосфата образуется 1 молекула глюкозы.

При использовании гликогена в качестве резервуара глюкозы хранение энергии обходится клетке в 1 макроэргический эквивалент на 1 молекулу глюкозо-1-фосфата.

Регуляция гликогенолиза и гликогенеза.

Источник:newrefs.ru

Смотри также:

Аэробные занятия фитнесом: виды нагрузки и тренировок ;
Аэробные упражнения улучшили когнитивные функции у людей всех возрастов ;
Аэробные упражнения от диабета ;
Аэробные упражнения на фитболе ;
21-дневная программа тренировок и питания для сушки ;

Метки: , ,