Государственная медицинская академия кафедра биохимии

Зав. каф. проф., д.м.н.

Лекция № 8 Тема: Катаболизм глюкозы. Гликолиз.

Основные пути катаболизма глюкозы

Катаболизм глюкозы в клетке может проходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях, его основная функция — это синтез АТФ.

В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2и Н2О. Суммарное уравнение:

Этот процесс включает несколько стадий:

Аэробный гликолиз— процесс окисления глюкозы до 2 молекул ПВК, с образованием 2 молекул АТФ и 2 молекул НАДН2;

Превращение 2 молекул ПВК в 2 молекулы ацетил-КоА с выделением 2 молекул СО2и образованием 2 молекул НАДН2;

Окисление 2 молекул ацетил-КоА в ЦТКс выделением 4 молекул СО2, образованием 2 молекул ГТФ (дают 2 АТФ), 6 молекул НАДН2и 2 молекул ФАДН2;

Реакции окисления 6 молекулами О2 10 (8) молекул НАДН2, 2 (4) молекул ФАДН2с выделением 6 молекул Н2О и синтезом 34 (32) молекул АТФв дыхательной цепи окислительного фосфорилирования.

В результате аэробного окисления глюкозы образуется 38 (36) молекул АТФ, из них: 4 АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования, 34 (32) АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования. Если свободную энергию полного распада глюкозы 2880 кДж/моль сравнить с энергией гидролиза высокоэнергетических связей 38 моль АТФ (38 моль АТФ * 50 кДж на моль АТФ = 1900 кДж), то КПД аэробного окисления составит 65%.

Катаболизм глюкозы без кислорода идет в анаэробном гликолизе и ПФШ (ПФП). В ходе анаэробного гликолизапроисходит окисления молекулы глюкозы до 2 молекул молочной кислоты с образованием 2 молекул АТФ. В анаэробных условиях гликолиз является единственным источником энергии. Суммарное уравнение: С6Н12О6+ 2Н3РО4+ 2АДФ → 2С3Н6О3+ 2АТФ + 2Н2О.

Гликолиз – главный путь катаболизма глюкозы (фруктозы и галактозы). Все его реакции протекают в цитозоле.

Аэробный гликолиз— это процесс окисления глюкозы до ПВК, протекающий в присутствии О2.

Анаэробный гликолиз– это процесс окисления глюкозы до лактата, протекающий в отсутствии О2.

Анаэробный гликолиз отличается от аэробного только наличием последней 11 реакции, первые 10 реакций у них общие.

В любом гликолизе можно выделить 2 этапа. 1 этап подготовительный, в нем затрачивается 2 молекулы АТФ. Глюкоза фосфорилируется и расщепляется на 2 фосфотриозы. 2 этап, сопряжён с синтезом АТФ. На этом этапе фосфотриозы превращаются в ПВК. Энергия этого этапа используется для синтеза 10 молекул АТФ в аэробных условиях или 4 молекул АТФ в анаэробных условиях.

Общие реакции аэробного и анаэробного гликолиза

1. Гексокиназа (гексокиназа II, АТФ: гексозо-6-фосфотрансфераза) в мышцах фосфорилирует в основном глюкозу, меньше – фруктозу и галактозу. Кm + оксидоредуктаза (фосфорилирующая)) состоит из 4 субъединиц. Катализирует образование макроэргической связи в 1,3-ФГК и восстановление НАДН2, которые используются в аэробных условиях для синтеза 8 (6) молекул АТФ.

7.Фосфоглицераткиназа(АТФ: 3ФГК-1-фосфотрансфераза). Осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ.

В следующих реакциях низкоэнергетический фосфоэфир переходит в высокоэнергетический фосфат.

8.Фосфоглицератмутаза(3-ФГК-2-ФГК-изомераза) осуществляет перенос фосфатного остатка в ФГК из по­ложения 3 положение 2.

9.Енолаза(2-ФГК: гидро-лиаза) от­щепляет от 2-ФГК молекулу воды и образует высокоэнергетическую связь у фосфора. Ингибируется ионамиF — .

10.Пируваткиназа(АТФ: ПВК-2-фосфотрансфераза) осуществляет субстратное фосфорилирование АДФ с образованием АТФ. Активируется фруктозо-1,6-дф, глюкозой. Ингибируется АТФ, НАДН2, глюкагоном, адреналином, аланином, жирными кислотами, Ацетил-КоА. Индуктор: инсулин, фруктоза.

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

Дальнейший катаболизм 2 молекул ПВК и использование 2 восстановленных НАДН2зависит от наличия кислорода.

В аэробных условиях ПВК и водороды с НАДН2транспортируются в матрикс митохондрий.

Катаболизм ПВК в митохондриях

ПВК самостоятельно не проходит внутреннюю мембрану митохондрий, перенос ее через мембрану осуществляется вторично-активным транспортом симпортом с протонами. ПВК в митохондриях используется в 2 реакциях:

Пируватдегидрогеназный комплекс(ПВК: НАД + оксидорудуктаза (декарбоксилирующая)) содержит 3 фермента и 5 коферментов: а) Пируватдекарбоксилаза содержит (Е1) 120 мономеров и кофермент ТПФ; б) Дигидролипоилтрансацилаза (Е2) содержит 180 мономеров и коферменты липоамид иHSКоА; в) Дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) содержит 12 мономеров и коферменты ФАД и НАД.Пируват ДГ комплексосуществляет окислительное декарбоксилирование ПВК с образованием Ацетил-КоА. Активатор:HSКоА, НАД + , АДФ. Ингибитор: НАДН2, АТФ, Ацетил-КоА, жирные кислоты, кетоновые тела. Индуктор инсулин.

Механизм работы Пируват ДГ комплекса. Процесс проходит 5 стадий:

Далее Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где он окисляется до 2 молекул СО2с образованием 1 молекулы ГТФ, восстановлением 3 молекул НАДН2и 1 молекулы ФАДН2.

Пируваткарбоксилаза (ПВК: СО2-синтетаза (АТФ → АДФ + Фн)) сложный олигомерный фермент, содержит биотин. Карбоксилирует ПВК до ЩУК. Пополняющая реакция, по мере необходимости добавляет ЩУК в ЦТК. Активатор: Ацетил-КоА.

В аэробных условиях О2обеспечивает регенерацию НАД + из НАДН2, что необходимо для продолжения реакции гликолиза (НАД + субстрат 3-ФГА ДГ).

Так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН2, восстановленный в гликолизе НАДН2, передает свои водороды на дыхательную цепь митохондрий с помощью специальных систем, назы­ваемых «челночными». Известны 2 челночные системы: малат-аспартатная и глицерофосфатная.

1. Малат-аспартатный челнокявляется универсальным, работает в печени, почках, сердце.

2.

Глицерофосфатный челночный механизм.Работает вбелых скелетных мышцах, мозге, в жировой ткани,гепатоцитах.

Малат-аспартатный челнок энергетически более эффективе­н, так как передаёт водород в дыхательную цепь через митохондриальный НАД, соотношение Р/О равно 3, синтезируется 3 АТФ.

В глицерофосфатный челнок передаёт водород в дыхательную цепь через ФАД на KoQ, соотношение Р/О равно 2, синтезируется 2 АТФ.

Выход АТФ при аэробном гликолизе

Ката­болизм 1 глюкозы сопровождается затратой 2 молекул АТФ на субстратное фосфорилирование гексоз, образованием в реакциях субстратного фосфорилирования 4 молекул АТФ, восстановлением 2 молекул НАДН2и синтезом 2 молекул ПВК. 2 цитоплазматические молекулы НАДН2, в зависимости от челночного механизма, дают в дыхательной цепи митохондрий от 4 до 6 молекул АТФ.

Таким образом, конечный энергети­ческий эффект аэробного гликолиза, в зависимости от челночного механизма, равен от 6 до 8 молекул АТФ.

В анаэробных условиях ПВК, подобно О2в дыхатель­ной цепи, обеспечивает регенерацию НАД + из НАДН2, что необходимо для продолжения реакций гликолиза. ПВК при этом превращается в молочную кислоту. Реакция протекает в цитоплазме с участием лактатдегидрогеназы.

11.Лактатдегидрогеназа (лактат: НАД + оксидоредуктаза). Стоит из 4 субъединиц, имеет 5 изоформ.

Лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Это вещество из ткани поступает в кровь и утилизируется, превращаясь в печени в глюко­зу (Цикл Кори), или при доступности кислорода превращает­ся в ПВК, который вступает в общий путь катаболизма, окисляясь до СО2и Н2О.

Выход АТФ при анаэробном гликолизе

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэроб­ным менее эффективен. Ката­болизм 1 глюкозы сопровождается затратой 2 молекул АТФ на субстратное фосфорилирование, образованием в реакциях субстратного фосфорилирования 4 молекул АТФ и синтезом 2 молекул лактата. Таким образом, конечный энергети­ческий эффект анаэробного гликолиза равен 2 молекулам АТФ.

Пластическое значение катаболизма глюкозы

При ка­таболизме глюкоза может выполнять пластические функции. Метаболиты гликолиза ис­пользуются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6ф и 3-ФГА участвуют в образовании рибозо-5-ф (компонент нуклеотидов); 3-фосфоглицерат может включаться в синтез ами­нокислот, таких как серии, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани Ацетил-КоА исполь­зуется при биосинтезе жирных кис­лот, холестерина, а ДАФ для синтеза глицерол-3ф.

Эффект Пастера – снижение скорости потребления глюкозы и накопления лактата в присутствии кислорода.

Эффекта Пастера объясняется наличием конкуренции между ферментами аэробного (малат ДГ, глицерол-6ф ДГ, ПВК ДГ) и анаэробного (ЛДГ) пути окисления за общий метаболит ПВК и кофермент НАДН2. Без кислорода митохондрии не потребляют ПВК и НАДН2, в результате их концентрация в цитоплазме повышается и они идут на образование лактата. В присутствии кислорода, митохондрии выкачивают ПВК и НАДН2 из цитоплазмы, прерывая реакцию образования лактата. Так как анаэробный гликолиз дает мало АТФ, возможен избыток АМФ (АДФ + АДФ = АМФ + АТФ), который, через фосфофруктокиназу 1, стимулирует гликолиз. При аэробном катаболизме глюкозы АТФ образуется много, возможный избыток АТФ через фосфофруктокиназу 1 и пируваткиназу, наоборот тормозит гликолиз. Накопление глюкозы-6ф ингибирует гексокиназу, что снижает потребление глюкозы клетками.

По данным:studfiles.net

Другие публикации:

Вклад аэробного энергообеспечения в преодоление физических нагрузок ;
LJ Magazine ;
3 главных плюса тренировок со скакалкой ;
Влияние аэробных и анаэробных физических упражнений на морфофункциональные особенности ;
Аэробная выносливость что это ;

Метки: , ,