Общие метаболиты апотомического и дихотомического окисления глюкозы

Дихотомический путь расщепления глюкозы в аэробных и анаэробных условиях. Ключевые метаболиты, энергетическая характеристика и регуляция процесса.

Распад глюкозы возможен двумя путями. Один из них заключается в распаде шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы. Этот путь называется дихотомическим распадом глюкозы. При реализации второго пути происходит потеря молекулой глюкозы одного атома углерода, что приводит к образованию пентозы; этот путь носит название апотомического распада.

Дихотомический распад может происходить как в аэробных условиях, так и в анаэробных условиях. В анаэробных идет молочнокислое брожение – молочная кислота. Это гликолиз.

Отдельные реакции гликолиза катализируют 11 ферментов, образующих цепь, в которой продукт реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для последующего. Гликолиз условно можно разбить на два этапа. В первом этапе происходит затрата энергии, второй этап, наоборот, характеризуется накоплением энергии в виде молекул АТФ.

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат далее изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется до фруктозе-1,6-дифосфата. Следующей реакцией является лиазное расщепление фруктозо-1,6-дифосфата до двух триоз-3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона. Образованием этих триоз заканчивается первый этап гликолиза.

Фосфодиоксиацетон изомеризуется в 3-фосфоглицероальдегид. Второй этап гликолиза открывается реакцией окисления 3-фосфоглицеринового альдегида. Образуется 1-3 дифосфоглицериновая кислота. Далее переносится фосфат на АДФ. Тем самым получаем молекулу АТФ. Т.к. кислоты 2, то и молекулы АТФ тоже 2.

Образовавшаяся 2-фосфоглицериновая кислота вступает в реакцию дегидратации и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. Она отдает фосфат на АДФ. Итог – АТФ. Тоже две молекулы. И две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Далее ПВК восстанавливается до молочной кислоты.

Пентозофосфатный путь обмена углеводов, его биологическая роль.

Расхождение путей окисления углеводов – классического (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) и пентозофосфатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, которая, окисляясь до ацетил-КоА, затем «сгорает» в цикле Кребса.

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозофосфатного цикла относительно высока в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН, необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН.

Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пентозофосфатного пути окисления глюкозы возрастает.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в результате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата. Реакции пентозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки.

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и кофермента НАДФ+. Образуется 6-фосфоглюконолоктон. Который нестабилен и превращается в 6-фосфоглюконат.

Во второй– окислительной – реакции, катализируемой 6-фосфоглюко-натдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН.

3 Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия.

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия) пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, фосфотрио-зы), а другие – специфические для пентозофосфатного пути (седогептулозо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО2, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюко-зо-6-фосфата. Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекул СО2 образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Читайте также:  Сахарные заводы брестской области

Образовавшийся НАДФН используется в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфори-лировании, протекающем в митохондриях.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Структурная организация и локализация мультиферментного пируватдегидрогеназного комплекса.

Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением:

СН3-СО-СООН + NAD + + HSKoA → CH3-CO ∼SKoA + NADH + H + + CO2

Катализирует этот процесс (аэробный) мультиэнзимный комплекс, который называется пируватдегидрогеназным комплексом. В состав этого комплекса входят три фермента и пять коферментов.

Первый этап аэробного превращения ПВК заключается в ее декарбоксилировании, катализируемом пируватдекарбоксилазой (E1), коферментом которой является тиаминпирофосфат. В результате образуется оксиэтильный радикал, ковалентно связанный с коферментом.

Заключительную стадию окислительного декарбоксилирования ПВК катализирует дигидролипоилдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД. Кофермент отщепляет два атома водорода от дигидролипоевой кислоты, тем самым воссоздавая первоначальную структуру данного кофермента.

Ацетил-КоА представляет собой соединение с макроэргической связью, иначе его можно назвать активной формой уксусной кислоты. Освобождение коэнзима А от ацетильного радикала происходит при включении его в амфиболический цикл, который называется циклом ди- и трикарбоновых кислот.

Источник

Восстановительный путь обмена глюкозы

Восстановительный путь протекает преимущественно в интиме сосудистой стенки, хрусталике глаза, шванновских клетках нервной ткани:

Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке.

Дихотомический путь – это окислительный распад молекулы глюкозы, при которым её углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях этого пути энергию можно получить 2-мя способами:

1. Путём 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 2-х молекул АТФ, остальное рассеивается в виде тепла.

2. Путём 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 экономическое превосходство перед гликолизом.

Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинствомтканей нашего организма. Гликолиз – единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление.

Должность и ф.и.о. автора лекции
Дата

Министерство здравоохранения Республики Беларусь

«Гомельский государственный медицинский университет»

Обсуждено на заседании кафедры (МК или ЦУНМС)____________________

По биологической химии

для студентов_____2-го_____ курса ___лечебного___________________факультета

Тема:___Углеводы 2. Тканевой обмен __углеводов___________

Сформировать представления о путях и механизмах обмена глюкозы в организме

2.Основы биохимии:А.Уайт, Ф.Хендлер,Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман.-М. книга,

3.Наглядная биохимия: Кольман., Рем К.-Г-М.книга 2004г.

РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ

№п/п Перечень учебных вопросов Количество выделяемого времени в минутах
1. Анаэробное расщепление углеводов.Гликолиз 30 мин
2. Спиртовое брожение.Метаболизм этанола 30 мин
3. Аэробный гликолиз ПВК ДГ комплекс. Регуляция гликолиза и гликогенолиза. Эффект Пастера 30 мин

Анаэробное дыхание – гликолиз.

Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на 2 звена: в первом осуществляется осуществляется распад глюкозы на 2 триозы (подготовительная стадия), во втором – окисление триоз в пируват с восстановлением последнего в лактат (стадия гликолитической оксидоредукции).

1-я реакция:

Фосфорилирование глюкозы гексокиназой и глюкокиназой (о значении этих ферментов см. выше) – первая регулируемая реакция процесса гликолиза. Образующийся глюкозо-6-фосфат считается аллостерическим ингибитором гексокиназы (но не глюкокиназы).

Так как глюкокиназная реакция является инсулинзависимой, можно вместо глюкозы больным диабетом назначать фруктозу (фруктоза фосфорилируется гексокиназой сразу во фруктозо-6-фосфат).

2-я реакция:

Глюкозо-6-фосфат обратимо изомеризуется во фруктозо-6-фосфат ферментом фосфогексоизомеразой.

3-я реакция:

Здесь, как и в первой реакции, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.

Эта реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой, имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфо-фруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует отметить 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.

Читайте также:  Сахарный диабет салаты рецепты с фото

Как было установлено позже, важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-2,6-дифосфат.

Источник

Апотомический путь окисления глюкозы

Этот вариант окисления глюкозы иначе называют пентозо-фосфатный цикл (ПФЦ), ответвление гликолиза или гексозомонофосфатный шунт.

Все реакции протекают в цитозоле клеток. Процесс наиболее активен в печени, жировой ткани, коре надпочечников, эритроцитах, лактирующей молочной железе.

В ПФЦ выделяют две ветви — окислительную и неокислительную, протекающие в разных условиях и с разным результатом.

В окислительной ветви окисление протекает дважды путем дегидрирования:

Деструкция углеродного скелета происходит декарбоксилированием З-кето-6-ФГК. В результате углеродная цепочка укорачивается на один атом С, и гексоза превращается в пентозу, как показано на рис. 10.40.

Биологическая роль окислительной ветви — синтез восстановленных форм НАДФН.

Неокислительная ветвь. Рибулозо-5-фосфат, образующийся в окислительной ветви, является одним из ключевых метаболитов углеводного обмена. В неокислительной ветви он подвергается изомерным превращениям (альдоза-кетоза), которые сопряжены с изменением длины углеродной цепочки. В ПФЦ есть и триозы, и тетрозы, и пентозы, и гексозы, и гептозы. При этом общее число атомов С не меняется и равно 30. Происходит только перенос отдельных групп атомов от одного моносахарида к другому при участии эпимераз, изомераз, транскетолаз и трансальдолаз по представленной на рис. 10.41 схеме.

Изомерные превращения (рис. 10.42) рибозо-5-фосфат в ксилулозо-5- фосфат катализируются пентозофосфатэпимеразой.

Дальнейшие реакции заключаются в переносе фрагментов из двух и трех остатков углерода, включающих карбонильный атом. Такие реакции называют транскетолазньши и трансалъдолазными. Пример перемещения, катализируемый трансалъдолазой, показан на рис. 10.43.

Приведенный пример показывает, что ПФЦ — это способ взаимного превращения альдоз и кетоз разной длины цепи. Поскольку все реакции

Рис. 10.41. Схема неокислителыюй ветви ПФЦ

Рис. 10.43. Трансальдолазная реакция

этой ветви обратимы, а промежуточными продуктами являются фруктозо- 6-фосфат и 3-ФГА — метаболиты гликолиза, это свидетельствует о тесной взаимосвязи гликолиза и ПФЦ. В случае необходимости возможен переход метаболитов из одного процесса в другой.

Суммарное уравнение неокислительной ветви:

6 рибулозо-5-фосфат —? 5 глюкозо-6-фосфат

Биологическая роль ПФЦ в целом заключается в образовании:

Подводя итог, следует подчеркнуть, что пути распада углеводов зависят как от вида организма, так и от условий. Общие закономерности следующие:

Однако объем гликолиза зависит от поступления кислорода, который подавляет образование молочной кислоты (пастеровский эффект [1] ). Даже в одном организме соотношение путей распада углеводов в разных тканях и органах различно.

Источник

Распад глюкозы

Распад глюкозы возможен двумя путями. Один из них заключается в распаде шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы. Этот путь называется дихотомическим распадом глюкозы. При реализации второго пути происходит потеря молекулой глюкозы одного атома углерода, что приводит к образованию пентозы; этот путь носит название апотомическо-го распада.

Отдельные реакции гликолиза катализируют 11 ферментов, образующих цепь, в которой продукт реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для последующего. Гликолиз условно можно разбить на два этапа. В первом этапе происходит затрата энергии, второй этап, наоборот, характеризуется накоплением энергии в виде молекул АТФ (схема 1).

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат далее изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется до фруктозе-1,6-дифосфата. Следующей реакцией является лиазное расщепление фруктозо-1,6-дифосфата до двух триоз-3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона. Образованием этих триоз заканчивается первый этап гликолиза:

Во второй этап гликолиза вступают 2 молекулы 2-фосфоглицеринового альдегида, одна из которых образуется непосредственно при расщеплении фруктозо-1,6-дифосфата, а другая при изомеризации фосфодиоксиацетона.

Бо́льшая часть молочной кислоты, образующейся в мышце, вымывается в кровяное русло. Изменению рН крови препятствует бикарбонатная буферная система: у спортсменов буферная емкость крови повышена по сравнению с нетренированными людьми, поэтому они могут переносить более высокое содержание молочной кислоты. Далее молочная кислота транспортируется к печени и почкам, где она почти полностью перерабатывается в глюкозу и гликоген. Незначительная часть молочной кислоты вновь превращается в пировиноградную кислоту, которая в аэробных условиях окисляется до конечных продуктов обмена.

Аэробный обмен ПВК.В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется; этот процесс называется окислительным декарбоксилированиемпировиноградной кислоты. Катализирует этот процесс мультиэнзимный комплекс, который называется пируватдегидрогеназным комплексом. В состав этого комплекса входят три фермента и пять коферментов.

Читайте также:  Сахарный диабет зуд заднего прохода

Первый этап аэробного превращения ПВК заключается в ее декарбоксилировании, катализируемом пируватдекарбоксилазой (E1), коферментом которой является тиаминпирофосфат. В результате образуется оксиэтильный радикал, ковалентно связанный с коферментом.

Заключительную стадию окислительного декарбоксилирования ПВК катализирует дигидролипоилдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД. Кофермент отщепляет два атома водорода от дигидролипоевой кислоты, тем самым воссоздавая первоначальную структуру данного кофермента:

Конечным акцептором атомов водорода является НАД:

ФАД · 2Н + НАД + → ФАД + НАДН + Н +

Суммарная схема процесса может быть представлена в виде:

Ацетил-КоА представляет собой соединение с макроэргической связью, иначе его можно назвать активной формой уксусной кислоты. Освобождение коэнзима А от ацетильного радикала происходит при включении его в амфиболический цикл, который называется циклом ди- и трикарбоновых кислот.

Цикл ди- и трикарбоновых кислот.Этот амфиболический цикл называют циклом Кребсав честь Г. Кребса (лауреата Нобелевской премии 1953 г.), определившего последовательность реакций в этом цикле.

В результате функционирования цикла Кребса происходит полный аэробный распад ацетильного радикала до углекислого газа и воды (схема 2). Цикл Кребса можно рассматривать как путь углеводного обмена, однако его роль в метаболизме гораздо шире. Во-первых, он выступает в роли центрального метаболического пути углерода, входящего в состав всех основных классов биологических молекул, во-вторых, совместно с процессом окислительного фосфорилирования обеспечивает основной источник метаболической энергии в форме АТФ.

Ферменты цикла ди- и трикарбоновых кислот, ускоряющие единый многоступенчатый процесс, локализованы во внутренней мембране митохондрий.

Схема 2. Цикл Кребса

Рассмотрим конкретные реакции цикла Кребса.

Превращения ацетил-КоА начинаются с реакции конденсации его со щавелевоуксусной кислотой, в результате которой образуется лимонная кислота. Эта реакция не требует расхода АТФ, так как необходимая для этого процесса энергия обеспечивается гидролизом тиоэфирной связи с ацетил-КоА, которая, как мы уже отмечали, является макроэргической:

Изолимонная кислота подвергается окислению при участии специфической дегидрогеназы, коферментом которой является НАД. Одновременно с окислением происходит декарбоксилирование изолимонной кислоты. В результате этих превращений образуется α-кетоглутаровая кислота.

Следующей стадией является окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты. Катализируется этот процесс α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который аналогичен по структуре и механизму действия пируватдегидрогеназному комплексу. В результате этого процесса образуется сукцинил-КоА:

Апотомический распад глюкозыиначе называется пентозофосфатным циклом.В результате протекания этого пути из 6 молекул глюкозо-6-фосфата распадается одна. Апотомический распад можно разделить на две фазы: окислительную и анаэробную. Рассмотрим отдельные реакции этого метаболического пути.

Окислительная фаза апотомического распада глюкозы. Как и в гликолизе первой стадией является фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат дегидрируется с участием глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ. Образующийся 6-фосфоглюконолактон спонтанно или с участием лактоназы гидролизуется с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты. Заключительным процессом окислительной ветви пентозофосфатного цикла является окисление 6-фосфоглюконовой кислоты соответствующей дегидрогеназой. Одновременно с процессом дегидрирования происходит декарбоксилирование 6-фосфоглюконовой кислоты. С потерей одного углеродного атома глюкоза превращается в пентозу:

Анаэробная фаза анатомического распада глюкозы. Рибулозо-5-фосфат, образовавшийся в окислительной фазе, может обратимо изомеризоваться в другие пентозофосфаты: ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. Катализируют эти реакции два разных фермента, относящиеся к классу изомераз: пентозофосфат изомераза и пентозофосфат эпимераза. Образование из рибулозо-5-фосфата двух других пентозофосфатов необходимо для осуществления последующих реакций пентозофосфатного цикла, причем требуется две молекулы ксилулозо-5-фосфата и одна молекула рибозо-5-фосфата.

Транскетолаза переносит двухуглеродный фрагмент от 2-кетосахара на первый углеродный атом альдозы. Трансальдолаза переносит трехуглеродный фрагмент от 2-кетосахара на первый атом углерода альдозы. В качестве 2-кетосахара используется ксилулозо-5-фосфат и метаболиты, полученные при ее участии.

Рассмотрим некоторые реакции, катализируемые транскетолазой и трансальдолазой.

Фруктозо-6-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид включаются в гликолиз. Оба пути обмена углеводов тесно связаны (схема 3).


Схема 3. Взаимосвязь гликолиза и пентозофосфатного цикла

Распад глюкозы по апотомическому пути в большей степени наблюдается в жировой ткани, печени, ткани молочной железы, надпочечниках, половых железах, костном мозге, лимфоидной ткани. Низкая активность отмечается в мышечной ткани (сердечной и скелетной мышце).

Биологическое назначение пентозофосфатного цикла связано с образованием восстановленной формы НАДФ и рибозо-5-фос-фата, которые используются в процессах биосинтеза разнообразных биологических молекул. Кроме того, апотомический распад глюкозы выполняет энергетическую функцию, так как некоторые из его продуктов, прежде всего 3-фосфоглицериновый альдегид, подключаются к гликолизу.

Дата добавления: 2015-03-14 ; просмотров: 7064 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Правильные рекомендации