Общий метаболит 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:  Чай из стручков фасоли от сахарного диабета

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

Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

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:

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

Глюкоза 2 лактат + 134 кДж.

2. 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.

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).

Гликолиз, как и все пути использования глюкозы (за исключением восстановительного пути) начинаются с образования глюкозо-6-фосфата.

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

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.

Читайте также:  Таблетки гликозид от сахарного диабета цена

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.

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.

Источник

Гликолиз и глюконеогенез. Аэробное окисление глюкозы.

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

ГЛИКОЛИЗ. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ.


ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз — это сложный ферментативный процесс расщепления глюкозы до двух молекул пирувата (аэробный гликолиз) или двух молекул лактата (анаэробный гликолиз, протекающий без потребления кислорода).

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза:

Гликолиз функционирует во всех живых клетках. Все ферменты локализованы в цитозоле, формируя полиферментный комплекс.

Гликолиз осуществляется в два этапа.

I. Подготовительный этап дихотомический распад глюкозы на две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Превращения сопровождаются затратой 2 АТФ.

II. Этап гликолитической оксидоредукции превращение глицеральдегид-3-фосфата в лактат. Включает окислительно-восстановительные реакции и реакции фосфорилирования, сопровождающиеся генерацией АТФ.

На втором этапе окисляются две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, поэтому в реакциях впереди формулы субстрата следует ставить коэффициент 2.

Энергетический баланс гликолиза — две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. На I этапе гликолиза расходуются две молекулы АТФ для активирования субстрата (в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях). На II этапе образуются четыре молекулы АТФ (в фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакциях). Синтез АТФ осуществляется путем субстратного фосфорилирования.

Ключевые ферменты гликолиза:

1. Гексокиназа — это регуляторный фермент гликолиза во внепеченочных клетках. Гексокиназа аллостерически ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа — регуляторный фермент гликолиза в гепатоцитах. Синтез глюкокиназы индуцируется инсулином.

2. Фосфофруктокиназа-1. Это главный ключевой фермент, катализирует реакцию, лимитирующую скорость всего процесса (наиболее медленная реакция). Синтез фермента индуцируется инсулином. Аллостерические активаторы — АМФ, АДФ, фруктозо-2,6-дифосфат. Уровень фруктозо-2,6-дифосфата увеличивается под действием инсулина и понижается под действием глюкагона. Аллостерические ингибиторы — АТФ, цитрат.

3. Пируваткиназа. Фермент активен в нефосфорилированной форме. Глюкагон (в гепатоцитах) и адреналин (в миоцитах) стимулируют фосфорилирование фермента, а значит инактивируют фермент. Инсулин, наоборот, стимулирует дефосфорилирование фермента, а значит активирует фермент. Аллостерический активатор — Фр-1,6-ФФ. Аллостерический ингибитор — АТФ, ацетилКоА. Синтез фермента индуцирует инсулин.

Читайте также:  Систематическое положение сахарной свеклы

Биологическая роль гликолиза:

1. Генерирование АТФ. Гликолиз — единственный процесс в клетках, продуцирующий АТФ без потребления кислорода. Клетки, имеющие мало или не имеющие вообще митохондрий, получают АТФ только в ходе гликолиза.

Значение гликолиза для эритроцитов. Гликолиз — единственный процесс, продуцирующий АТФ в эритроцитах и поддерживающий их целостность и функции.

Наследственный дефект пируваткиназы сопровождается гемолитической анемией. При этой патологии эритроциты имеют от 5 до 25 % нормальной пируваткиназной активности и, следовательно, скорость гликолиза низкая.

Промежуточный продукт гликолиза в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ) — понижает сродство гемоглобина к кислороду, способствуя диссоциации кислорода из оксигемоглобина и переходу его в ткани. Нарушения гликолиза в эритроцитах могут оказывать влияние на транспорт кислорода. Так, при недостаточности гексокиназы наблюдается понижение уровня 2,3-ДФГ и ненормально высокое сродство гемоглобина к кислороду. И наоборот, при недостаточности пируваткиназы содержание 2,3-ДФГ вдвое превышает норму, что обусловливает низкое сродство гемоглобина к кислороду.

2. Является источником углеводородных радикалов для процессов биосинтеза в клетках:

Патогенетическая взаимосвязь углеводов пищи и кариеса

Потребление легкоферментируемых углеводов, в частности сахарозы, инициирует кислотную деминерализацию эмали зубов. У бактерий имеются два альтернативных пути использования пирувата: первый — путь восстановления ПВК в молочную кислоту с участием лактатдегидрогеназы (ЛДГ), второй — расщепление ПВК на уксусную и муравьиную кислоту с участием пируватформиатлиазы (ПФЛ).

Схема расщепления сахарозы под влиянием ферментов бактерий полости рта:

Зависимость выхода Са 2+ из зубов от рН ротовой жидкости:

Аэробное окисление глюкозы

Это основной путь катаболизма глюкозы у аэробных организмов. Процесс осуществляется в три этапа. В аэробных условиях глюкоза окисляется до СО2 и Н2О.

Энергетический баланс. Энергетический баланс аэробного окисления глюкозы —
30–32 моля АТФ на молекулу глюкозы.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Глюконеогенез — синтез глюкозы из соединений неуглеводной природы.

В организме взрослого человека за сутки может синтезироваться до 250 г глюкозы.

Глюконеогенез осуществляется главным образом в печени (синтезируетя до 90 % всей глюкозы), в корковом веществе почек и в энтероцитах (совсем незначительно).

Глюконеогенез стимулируется при длительном голодании, при ограничении поступления углеводов с пищей, в период восстановления после мышечной нагрузки, у новорождённых в первые часы после рождения.

Субстраты глюконеогенеза. Истинными субстратами глюконеогенеза являютя пируват, оксалоацетат, фосфодиоксиацетон, которые непосредственно включаются в этот процесс. Все вещества неуглеводной природы, дающие эти метаболиты, являются субстратами глюконеогенеза: лактат→ПВК, метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глицерол→фосфодиоксиацетон, пропионил-КоА→метаболиты цикла Кребса→ЩУК, глюкогенные аминокислоты→ПВК или ЩУК. Главный источник субстратов глюконеогенеза — глюкогенные аминокислоты. К глюкогенным аминокислотам относятся все протеиногенные аминокислоты, кроме лейцина и лизина.

2ПВК + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН . Н + + 2Н + 6Н2О → Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн + 2НАД +

Глюконеогенез протекает, в основном, по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении. Для обхода трех ключевых реакций гликолиза используются четыре специфических фермента глюконеогенеза.

Ключевые ферменты и ключевые реакции глюконеогенеза:

1. Пируваткарбоксилаза

2. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа

3. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза

Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н2О Фруктозо-6-фосфат + ФН

4. Глюкозо-6-фосфатаза

Глюкозо-6-фосфат + Н2О Глюкоза + ФН

Энергетический баланс. На синтез молекулы глюкозы из двух молекул пирувата расходуется 4АТФ и 2ГТФ (6АТФ). Энергию для глюконеогенеза поставляет процесс β-окис-ления жирных кислот.

Регуляция глюконеогенеза.

Глюконеогенез стимулируется в условиях гипогликемии при низком уровне инсулина и преобладании его антагонистов (глюкагона, катехоламинов, глюкокортикоидов).

1. Регуляция активности ключевых ферментов:

КоА (аллостерический активатор).

2. Регуляция количества ключевых ферментов: глюкокортикоиды и глюкагон индуцируют синтез ключевых ферментов, а инсулин — репрессирует.

3. Регуляция количества субстрата: количество субстратов глюконеогенеза увеличивается под действием глюкокортикоидов (катаболическое действие на белки мышечной и лимфоидной ткани, на жировую ткань), а также глюкагона (катаболическое действие на жировую ткань).

Биологическая роль глюконеогенеза:

1. Поддержание уровня глюкозы в крови. При длительном голодании (голодание более суток) глюконеогенез является единственным процессом, поставляющим глюкозу в кровь.

2. Возвращение лактата в метаболический фонд углеводов. Лактат, образующийся в процессе анаэробного окисления глюкозы в эритроцитах и скелетных мышцах, транспортируется кровью в печень и превращается в гепатоцитах в глюкозу. Это так называемый межорганный цикл Кори.

3. Предотвращение лактатного ацидоза, то есть в ходе глюконеогенеза лактат крови превращается в глюкозу.

Источник

Правильные рекомендации