В этой статье мы подробно рассмотрим аэробный гликолиз, его процессы, разберем стадии и этапы. Ознакомимся с анаэробным узнаем об эволюционных видоизменениях данного процесса и определим его биологическое значение.
Что такое гликолиз
Гликолиз - это одна из трех форм окисления глюкозы, при котором сам процесс окисления сопровождается выделением энергии, которая запасается в НАДН и АТФ. В процессе гликолиза из молекулы две молекулы кислоты пировиноградной.
Гликолиз - это процесс, происходящий под воздействием различных биологических катализаторов - ферментов. Главным окислителем служит кислород - О 2 , однако процессы гликолиза могут протекать и в его отсутствие. Такой вид гликолиза называют - анаэробный гликолиз.
Процесс гликолиза при отсутствии кислорода
Анаэробный гликолиз - ступенчатый процесс окисления глюкозы, при котором глюкоза окисляется не полностью. Образуется одна молекула пировиноградной кислоты. А с энергетической точки зрения, гликолиз без участия кислорода (анаэробный) является менее выгодным. Однако при поступлении кислорода в клетку анаэробный процесс окисления может превращаться в аэробный и протекать в полноценной форме.
Механизмы гликолиза
Процесс гликолиза - это разложение шестиуглеродной глюкозы на пируват трехуглеродный в виде двух молекул. Сам процесс разделяется на 5 этапов подготовки и 5 этапов, при которых запасается энергия в АТФ.
Процесс гликолиза из 2 стадий и 10 этапов выглядят следующим образом:
- 1 стадия, этап 1 - фосфорилирование глюкозы. По шестому атому углерода в глюкозе, сам сахарид активируют через фосфорилирование.
- Этап 2 - изомеризация глюкозы-6-фосфата. На этом этапе фосфоглюкозоимераза каталитический обращает глюкозу во фруктозу-6-фосфат.
- Этап 3 - Фруктоза-6-фосфат и её фосфорилирование. Этот этап заключается в образовании фруктозо-1,6-дифосфата (альдолаза) путем воздействия фосфофруктокиназы-1, которая сопровождает фосфорильную группу от аденозинтрифосфорной кислоты к молекуле фруктозы.
- Этап 4 - это процесс расщепления альдолазы с образованием двух молекул триозофосфата, а именно эльдозы и кетозы.
- Этап 5 - триозофосфаты и их изомеризация. На этом этапе глицеральдегид-3-фосфат отправляется на последующие этапы расщепления глюкозы, а дигидроксиацетонфосфат переходит в форму глицеральдегид-3-фосфата под воздействием фермента.
- 2 стадия, этап 6 (1) - Глицеральдегид-3-фосфат и его окисление - этап в котором данная молекула окисляется и фосфорилируется до дифосфоглицерата-1,3.
- Этап 7 (2) - направлен на перенос группы фосфатов на АДФ с 1,3-дифосфоглицерата. Конечными продуктами данного этапа являются образование 3-фосфоглицерата и АТФ.
- Этап 8 (3) - переход от 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Этот процесс происходит под воздействием фермента фосфоглицератмутаза. Обязательным условием протекания химической реакции является наличие магния (Mg).
- Этап 9 (4) - 2 фосфоглицерта дегидратируется.
- Этап 10 (5) - в АДФ и ФЕП переносятся фосфаты, полученные в результате прохождения предыдущих этапов. Энергия с фосфоэнулпировата переносится на АДФ. Для протекания реакции необходимо наличие ионов калия (K) и магния (Mg).
Видоизмененные формы гликолиза
Процесс гликолиза способен сопровождаться дополнительной выработкой 1,3 и 2,3-бифосфоглицератов. 2,3-фосфоглицерат под влиянием биологических катализаторов способен возвращаться в гликолиз и переходить в форму 3-фосфоглицерата. Роль данных ферментов разнообразная, например, 2,3-бифосфоглицерат, находясь в гемоглобине, заставляет кислород переходить в ткани, способствуя диссоциации и понижая сродство О 2 и эритроцитов.
Многие бактерии изменяют формы гликолиза на различных этапах, сокращая их общее количество или видоизменяя их под воздействием разных ферментов. Небольшая часть анаэробов имеет другие методы углеводного разложения. Многие термофилы вовсе имеют лишь 2 фермента гликолиза, это енолаза и пируваткиназа.
Гликоген и крахмал, дисахариды и другие виды моносахаридов
Аэробный гликолиз - это процесс, свойственный и другим видам углеводов, а конкретно он присущ крахмалу, гликогену, большинству дисахаридов (маноза, галактоза, фруктоза, сахароза и другие). Функции всех видов углеводов в целом направлены на получение энергии, но могут различаться спецификой своего назначения, использования и т. д. Например, гликоген поддается гликогенезу, что по сути, является фосфолитическим механизмом, нацеленным на получение энергии при расщеплении гликогена. Сам же гликоген может запасаться в организме как резервный источник энергии. Так, например, глюкоза, получаемая во время приёма пищи, но не усвоившаяся мозгом, накапливается в печени и будет использована при недостатке глюкозы в организме с целью защитить индивид от серьезных сбоев гомеостаза.
Значение гликолиза
Гликолиз - это уникальный, однако не единственный вид окисления глюкозы в организме, клетке как прокариотов, так и эукариотов. Ферменты гликолиза являются водорастворимыми. Реакция гликолиза в некоторых тканях и клетках может происходить только таким образом, например, в мозгу и клетках нефронов печени. Другие способы окисления глюкозы в этих органах не используются. Однако не везде функции гликолиза одинаковы. Например, жировые ткани и печени в процессе пищеварения добывают необходимые субстраты из глюкозы для синтеза жиров. Многие растения используют гликолиз как способ добычи основной части энергии.
Ответ оставил Гость
Мы можем определить общее количество молекул АТФ, которое образуется при расщеплении 1 молекулы глюкозы при оптимальных условиях. 1. Во время гликолиза образуются 4 молекулы АТФ: 2 молекулы АТФ расходуются на первом этапе фосфорилирования глюкозы, необходимого для хода процесса гликолиза, чистый выход АТФ при гликолизе равен 2 молекулам АТФ. 2. В итоге цикла лимонной кислоты образуется 1 молекула АТФ. Однако в связи с тем, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты, каждая из которых проходит оборот в цикле Кребса, получается чистый выход АТФ на 1 молекулу глюкозы, равный 2 молекулам АТФ. 3. При полном окислении глюкозы суммарно образуются 24 атома водорода в связи с процессом гликолиза и циклом лимонной кислоты, 20 из них окисляются в соответствии с хемо-осмотическим механизмом с выделением 3 молекул АТФ на каждые 2 атома водорода. В итоге получается еще 30 молекул АТФ. 4. Четыре оставшихся атома водорода выделяются под влиянием дегидрогеназ и включаются в цикл хемоосмотического окисления в митохондриях помимо первой стадии. Окисление 2 атомов водорода сопровождается получением 2 молекул АТФ, в итоге получается еще 4 молекулы АТФ. Сложив все полученные молекулы, получим 38 молекул АТФ как максимально возможное количество при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды. Следовательно, 456000 калорий могут сохраняться в виде АТФ из 686000 калорий, получаемых при полном окислении 1 грамм-молекулы глюкозы. Эффективность преобразования энергии, обеспечиваемая этим механизмом, составляет около 66%. Остальные 34% энергии преобразуются в тепловую и не могут быть использованы клетками для выполнения специфических функций. Выделение энергии из гликогена Продолжительное высвобождение энергии из глюкозы, когда клетки не нуждаются в энергии, было бы слишком расточительным процессом. Гликолиз и последующее окисление атомов водорода постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ. Этот контроль осуществляется многочисленными вариантами управляющих механизмов обратной связи в ходе химических реакций. К числу наиболее важных влияний такого рода можно отнести концентрацию АДФ и АТФ, контролирующую скорость химических реакций в ходе процессов обмена энергии. Одним из важных путей, позволяющих АТФ управлять обменом энергии, является ингибирование фермента фосфофруктокиназы. Этот фермент обеспечивает образование фруктозо-1,6-дифосфата - одной из начальных стадий гликолиза, поэтому результирующим влиянием избытка АТФ в клетке будет торможение или даже остановка гликолиза, что, в свою очередь, приведет к торможению обмена углеводов. АДФ (равно как и АМФ) оказывает противоположное влияние на фосфофруктокиназу, существенно повышая ее активность. Когда АТФ используется тканями для энергообеспечения большинства химических реакций в клетках, это уменьшает ингибирование фермента фосфофруктокиназы, более того, его активность повышается параллельно увеличению концентрации АДФ. В результате запускаются процессы гликолиза, приводящие к восстановлению запасов АТФ в клетках. Другой способ управления опосредован цитратами, образующимися в цикле лимонной кислоты. Избыток этих ионов существенно снижает активность фосфофруктокиназы, что не дает гликолизу опережать скорость использования пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза в цикле лимонной кислоты. Третий способ, с помощью которого система АТФ-АДФ-АМФ может контролировать обмен углеводов и управлять выделением энергии из жиров и белков, заключается в следующем. Возвращаясь к различным химическим реакциям, служащим способом выделения энергии, мы можем заметить, что если весь имеющийся в наличии АМФ уже превращен в АТФ, дальнейшее образование АТФ становится невозможным. В результате прекращаются все процессы использования питательных веществ (глюкозы, белков и жиров) для получения энергии в виде АТФ. Лишь после использования образовавшегося АТФ в качестве источника энергии в клетках для обеспечения разнообразных физиологических функций вновь появляющиеся АДФ и АМФ запустят процессы получения энергии, в ходе которых АДФ и АМФ преобразуются в АТФ. Этот путь автоматически поддерживает сохранение определенных запасов АТФ, кроме случаев экстремальной активности клеток, например при тяжелых физических нагрузках
Полное окисление 1 грамм-молекулы глюкозы сопровождается выделением 686000 калорий энергии, при этом только 12000 калорий необходимо для образования 1 грамм-молекулы АТФ. Если бы сразу вся глюкоза окислялась до воды и углекислого газа при образовании 1 молекулы АТФ, потери энергии были бы неизбежны. К счастью, во всех клетках организма присутствуют особые белковые ферменты, обеспечивающие последовательное поэтапное расщепление молекулы глюкозы при образовании молекулы АТФ. При этом выделяемая на каждом этапе небольшими порциями энергия используется для образования АТФ, что обеспечивает образование 38 моль АТФ при окислении каждого моля глюкозы.
Едва ли не самый важный способ преобразования молекулы глюкозы , приводящий к высвобождению энергии, начинается процессом гликолиза. Конечные продукты гликолиза подлежат последующему окислению, что сопровождается высвобождением энергии. Гликолиз - это последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется с образованием двух молекул пировиноградной кислоты.
Гликолиз обеспечивается 10 последовательными реакциями , представленными на рисунке. Каждый из этих этапов катализируется одним из специфических белков-ферментов. Обратите внимание, что глюкоза прежде всего превращается в фруктозо-1,6-дифосфат, а затем расщепляется на 2 молекулы, содержащие три атома углерода, глицеральдегид-3-фосфат, каждая из которых, пройдя пять дополнительных этапов, становится пировиноградной кислотой.
Образование АТФ во время гликолиза . При расщеплении молекулы глюкозы на большей части этапов выделяется очень небольшое количество свободной энергии, несмотря на многочисленность химических реакций, участвующих в процессе гликолиза. Однако на этапах преобразования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоенолпировиноградной кислоты - в пировиноградную кислоту выделяются порции энергии более 12000 калорий на моль, чем необходимо для образования молекулы АТФ, поэтому эти этапы и сопровождаются образованием АТФ. В итоге из каждого моля фруктозо-1,6-фосфата при его расщеплении до пировиноградной кислоты образуются 4 моля АТФ.
Две молекулы АТФ необходимы для фосфорилирования исходной глюкозы при образовании фруктозо-1,6-дифосфата, т.е. для обеспечения начальных этапов гликолиза, поэтому чистый выход АТФ в процессе гликолиза составляет только 2 моля АТФ на каждый моль использованной глюкозы. При этом количество энергии, запасенной в виде АТФ, эквивалентно 24000 калорий. Во время гликолиза суммарно около 56000 калорий теряется на каждый использованный моль глюкозы, поэтому в целом эффективность этого механизма в пересчете на количество связанной в форме АТФ энергии составляет всего 43%. Остальные 57% энергии теряются в виде тепла.
Следующая стадия расщепления глюкозы получила название цикла лимонной кислоты (другое название - цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса). Этот цикл представляет собой последовательность химических реакций, в результате которых ацетил-КоА расщепляется до углекислого газа и атомов водорода. Эти реакции осуществляются в матриксе митохондрий. Атомы водорода, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, будут последовательно окисляться (что обсуждается далее) с выделением огромного количества энергии в виде АТФ.
На рисунке показаны различные этапы химических реакций цикла лимонной кислоты. Вещества, показанные в левой части рисунка, вступают в химические реакции, а продукты этих реакций изображены в правой части рисунка. Заметьте, что верхняя часть колонки начала химических реакций представлена щавелево-уксусной кислотойу и в конце цепи реакций в основании колонки вновь появляется щавелево-уксусная кислота.
На начальной стадии цикла лимонной кислоты ацетил-КоА взаимодействует с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. Коэнзим А отделяется от ацетил-КоА и может использоваться вновь для образования новых молекул ацетил-КоА из пировиноградной кислоты.
Ацетильная часть может использоваться, становясь составной частью молекулы лимонной кислоты. На протяжении последующих стадий цикла лимонной кислоты в реакцию вступают молекулы воды, как показано в левой части рисунка. В итоге образуются углекислый газ и атомы водорода.
Суммарный итог реакций цикла лимонной кислоты приводится на рисунке. В итоге метаболических процессов из каждой исходной молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ацетил-КоА, вступающие в реакции цикла лимонной кислоты наряду с 6 молекулами воды. В результате образуются 4 молекулы углекислого газа, 16 атомов водорода и 2 молекулы коэнзима А. Кроме того, образуются 2 молекулы АТФ.
Гликолиз стимулируется инсулином, повышающим количество молекул гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы.
В печени активность глюкокиназы регулируется гормонами: активацию вызывает инсулин и андрогены, подавляют ее активность глюкокортикоиды и эстрогены.
Для метаболической регуляции чувствительной является фосфофруктокиназа. Она активируется АМФ и собственным субстратом, ингибируется – АТФ, лимонной кислотой, жирными кислотами. Пируваткиназа активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Гексокиназа непеченочных клеток ингибируется продуктом собственной реакции – глюкозо-6-фосфатом.
17. Аэробный распад глюкозы: последовательность реакций, физиологическое значение. Роль аэробного распада глюкозы в мышцах при мышечной работе. Роль аэробного распада глюкозы в мозге.
Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки. В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа.
1. Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.
2. Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.
Реакции аэробного гликолиза:
1) Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы. Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы. Фруктозо-1,6-бисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозобисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной конденсации, т.е. обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления - изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат.
2) Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват. Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат. Это превращение - первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является NAD-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная Е окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид- 3 -фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению NAD и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-бисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой. Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы. Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу.
NADH, образующийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата в аэробном гликолизе, подвергается окислению путём переноса атомов водорода в митохондриальную дыхательную цепь. Так как сама молекула НАДН через мембрану не проходит, то существуют специальные системы, принимающие атомы водорода от НАДН в цитоплазме и отдающие их в матриксе митохондрий. Эти системы получили название челночные системы. Определены две основные челночные системы – глицеролфосфатная и малат-аспартатная. Ключевыми ферментами глицеролфосфатного челнока являются изоферменты глицерол-3-фосфат-дегидрогеназы – цитоплазматический и митохондриальный. Они отличаются своими коферментами: у цитоплазматической формы – НАД, у митохондриальной – ФАД. В цитозоле метаболиты гликолиза – диоксиацетонфосфат и НАДН образуют глицерол-3-фосфат, поступающий в матрикс митохондрий. Там он окисляется с образованием ФАДН2. Далее ФАДН2 направляется в дыхательную цепь и используется для получения энергии. Таким образом, в результате действий челнока цитозольный НАДН+H+ как бы "превращается" в митохондриальный ФАДН2. Этот челнок активен в печени и белых скелетных мышцах и необходим для получения энергии из глюкозы при работе клетки. Ключевыми ферментами малат-аспартатного челнока являются изоферменты малатдегидрогеназы – цитоплазматический и митохондриальный. Он является распространенным по всем тканям. Этот механизм более сложен: постоянно идущие в цитоплазме реакции трансаминирования аспарагиновой кислоты поставляют оксалоацетат, который под действием цитозольного пула малатдегидрогеназы и за счет "гликолитического" НАДН восстанавливается до яблочной кислоты (малата). Последняя антипортом с α-кетоглутаратом проникает в митохондрии и, являясь метаболитом ЦТК, окисляется в оксалоацетат с образованием НАДН. Так как мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, то он аминируется до аспарагиновой кислоты, которая в обмен на глутамат выходит в цитозоль. Таким образом, атомы водорода от цитозольного НАДН перемещаются в состав митохондриального НАДН.
Выход АТФ. Если в клетке имеется кислород, то НАДН из гликолиза направляется в митохондрию (челночные системы), на процессы окислительного фосфорилирования, и там его окисление приносит дивиденды в виде трех молекул АТФ. Обр-ся в гликолизе пируват в аэробных условиях превращается в ПВК-‑дегидрогеназном комплексе в ацетил-S-КоА, при этом образуется 1 молекула НАДН. Ацетил-S-КоА вовлекается в ЦТК и, окисляясь, дает 3 молекулы НАДН, 1 молекулу ФАДН2, 1 молекулу ГТФ. Молекулы НАДН и ФАДН2 движутся в дыхательную цепь (посмотреть), где при их окислении в сумме образуется 11 молекул АТФ. В целом при сгорании одной ацетогруппы в ЦТК образуется 12 молекул АТФ. Суммируя результаты окисления "гликолитического" и "пируватдегидрогеназного" НАДН, "гликолитический" АТФ, энергетический выход ЦТК и умножая все на 2, получаем 38 молекул АТФ. Суммарное уравнение: С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + Н2О + 2880 кДж/моль.
Аэробный распад глюкозы происходит во многих органах и тканях и служит основным, хотя и не единственным, источником энергии для жизнедеятельности. Некоторые ткани находятся в наибольшей зависимости от катаболизма глюкозы как источника энергии. Например, клетки мозга расходуют до 100 г глюкозы в сутки, окисляя её аэробным путём. Поэтому недостаточное снабжение мозга глюкозой или гипоксия проявляются симптомами, свидетельствующими о нарушении функций мозга (головокружения, судороги, потеря сознания). Аэробный гликолиз способствует метаболизму клеток опухолей. При высоких нагрузках резко возрастает скорость анаэробного гликогенолиза, конечным продуктом которого является молочная кислота. Энергетически этот процесс примерно в 15 раз менее эффективен, чем аэробный окислительный распад гликогена до Н2О и СО2. Такой путь энергообеспечения мышц играет основную роль при кратковременной работе большей мощности, например при финишных рывках.
18. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез): возможные предшественники, последовательность реакций. Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый цикл: физиологическое значение. Значение и регуляция глюко-неогенеза из аминокислот.
В клетках организма всегда существует потребность в глюкозе:
1. для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии,
2.нервная ткань потребляет около 120 г глюкозы в сутки и эта величина практически не зависит от интенсивности ее работы. Только в экстремальных ситуациях (длительное голодание) она способна получать энергию из неуглеводных источников,
3. глюкоза играет весомую роль для поддержания необходимых концентраций метаболитов цикла трикарбоновых кислот (в первую очередь оксалоацетата).
Таким образом, при определенных ситуациях – при низком содержании углеводов в пище, голодании, длительной физической работе, т.е. когда глюкоза крови расходуется и наступает гипогликемия, организм должен иметь возможность синтезировать глюкозу и нормализовать ее концентрацию в крови. Это достигается реакциями глюконеогенеза. По определению, глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот. Необходимость глюконеогенеза в организме демонстрируют два цикла – глюкозо-лактатный и глюкозо-аланиновый.
Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) – это циклический процесс, объединяющий реакции глюконеогенеза и реакции анаэробного гликолиза. Глюконеогенез происходит в печени, субстратом для синтеза глюкозы является лактат, поступающий в основном из эритроцитов или мышечной ткани. В эритроцитах молочная кислота образуется непрерывно, так как для них анаэробный гликолиз является единственным способом образования энергии. В скелетных мышцах высокое накопление молочной кислоты (лактата) является следствием гликолиза при очень интенсивной, субмаксимальной мощности, работе, при этом внутриклеточный рН снижается до 6,3-6,5. Но даже при работе низкой и средней интенсивности в скелетной мышце всегда образуется некоторое количество лактата. Убрать молочную кислоту можно только одним способом – превратить ее в пировиноградную кислоту. Однако сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за особенностей изофермента лактатдегидрогеназы-‑5. Зато клеточная мембрана высоко проницаема для лактата и он движется по градиенту концентрации наружу. Поэтому во время и после нагрузки (при восстановлении) лактат легко удаляется из мышцы. Это происходит довольно быстро, всего через 0,5-‑1,5 часа в мышце лактата уже нет. Малая часть молочной кислоты выводится с мочой. Большая часть лактата крови захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза. Глюкоза, образованная в печени используется самим гепатоцитом или возвращается обратно в мышцы, восстанавливая во время отдыха запасы гликогена. Также она может распределиться по другим органам.
Глюкозо-аланиновый цикл. Целью глюкозо-аланинового цикла также является уборка пирувата, но, кроме этого решается еще одна немаловажная задача – уборка лишнего азота из мышцы.Аминокислоты, которые при катаболизме превращаются в пируват или метаболиты цитратного цикла, могут рассматриваться как потенциальные предшественники глюкозы и гликогена и носят название гликогенных. Например, оксалоацетат, образующийся из аспарагиновой кислоты, является промежуточным продуктом как цитратногр цикла, так и глюконеогенеза. Из всех аминокислот, поступающих в печень, примерно 30% приходится на долю аланина. Это объясняется тем, что при расщеплении мышечных белков образуются аминокислоты, многие из которых превращаются сразу в пируват или сначала в оксалоацетат, а затем в пируват. Последний превращается в аланин, приобретая аминогруппу от других аминокислот. Аланин из мышц переносится кровью в печень, где снова преобразуется в пируват, который частично окисляется и частично включается в глюкозонеогенез. При мышечной работе и в покое в миоците распадаются белки и образуемые аминокислоты трансаминируются с α-кетоглутаратом. Полученный глутамат взаимодействует с пируватом. Образующийся аланин является транспортной формой азота и пирувата из мышцы в печень. В гепатоците идет обратная реакция трансаминирования, аминогруппа передается на синтез мочевины, пируват используется для синтеза глюкозы.Кроме мышечной работы, глюкозо-аланиновый цикл активируется во время голодания, когда мышечные белки распадаются и многие аминокислоты используются в качестве источника энергии, а их азот необходимо доставить в печень.
Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из АК. Все АК, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы некоторых из них – глюкогенных – полностью включаются в молекулу глюкозы, некоторых – смешанных – частично. Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе, и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани. Как известно, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). В этих реакциях происходит высвобождение энергии для синтеза АТФ. Поэтому в обратном процессе возникают энергетические барьеры, которые клетка обходит с помощью дополнительных реакций. Глюконеогенез включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути , т.е. он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции способны идти во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая идет только в печени и почках . Поэтому, строго говоря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.
Обход десятой реакции гликолиза. На этом этапе глюконеогенеза работают два ключевых фермента – в митохондриях пируваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.В химическом плане обходной путь десятой реакции выглядит достаточно просто:
Однако дело в том, что пируваткарбоксилаза находится в митохондрии, а фосфоенолпируват-карбоксикиназа – в цитозоле. Дополняет проблему непроницаемость митохондриальной мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК. Поэтому в реальности все выглядит более сложно: 1. В цитозоле пировиноградная кислота может появиться при окислении молочной кислоты и в реакции трансаминирования аланина. После этого пируват симпортом с ионами Н+, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в оксалоацетат. Эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеротической (пополняюшей) реакцией ЦТК.
2. Далее оксалоацетат мог бы превратиться в фосфоенолпируват, но для этого сначала он должен попасть в цитозоль. Поэтому происходит реакция восстановления оксалоацетата в малат при участии малатдегидрогеназы.В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат. Повернуть малатдегидрогеназную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из?-‑окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепатоците.
3. В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.
Обход третьей реакции гликолиза. Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодолевается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы. Этот фермент есть в почках, печени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.
Обход первой реакции гликолиза. Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой. Она имеется только в печени и почках, следовательно, только эти ткани могут продуцировать свободную глюкозу.
Глюконеогенез, как образование глюкозы из неуглеводных компонентов, необходим: 1. при гипогликемии во время мышечной нагрузки – синтез из молочной кислоты, поступающей из мышц, из глицерола, образующегося при мобилизации жиров;
2. при гипогликемии при голодании – синтез из аминокислот, образующихся при катаболизме белков.
Таким образом, при голодании или физической нагрузке глюконеогенез, идущий в печени, обеспечивает глюкозой все остальные органы (эритроциты, нервная ткань, мышцы и др.), в которых активен гликолиз и другие процессы, производящие энергию. Наличие глюкозы в указанных клетках необходимо, чтобы поддержать концентрацию оксалоацетата и обеспечить сгорание ацетил-SКоА (получаемого также из жирных кислот или кетоновых тел) в цикле трикарбоновых кислот.
Регуляция глюконеогенеза. Гормональная активация глюконеогенеза осуществляется глюкокортикоидами, которые увеличивают синтез пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы. Глюкагон стимулирует те же самые ферменты через аденилатциклазный механизм путем фосфорилирования.Также имеется метаболическая регуляция, при которой аллостерически активируется пируваткарбоксилаза при помощи ацетил-SКоА, фруктозо-1,6-дифосфатаз а при участии АТФ. Переключение печени с гликолиза на глюконеогенез и обратно происходит с участием инсулина и глюкозагона и осуществляется с помощью:
Аллостерической регуляции активности ферментов;
Ковалентной модификации ферментов путём фосфорилирования/дефосфорилирования;
Индукции/репрессии синтеза ключевых ферментов.
Регуляторные воздействия направлены на ферменты, катализирующие необратимые стадии глюконеогенеза, сочетание которых называют "субстратными", или "холостыми" циклами.
Суммарное уравнение глюконеогенеза из пирувата:
2 пируват + 4 ATФ + 2 GTP + 2(NADH) + 4 Н2О Глюкоза + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 Н3РО4.
За сутки в организме человека может синтезироваться до 80 г глюкозы. На синтез 1 моль глюкозы из пирувата расходуется 6 макроэргических связей (4 ATФ и 2 GTP).
19. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы. Окислительный путь образования пентоз. Представление о неокислительном пути образования гексоз. Распространение, роль, регуляция.
Глюкоза – это субстрат для получения энергии. Энергетика любой клетки нашего организма основана на окислении глюкозы. Окисление глюкозы происходит по двум направлениям:
1.Окисление с образованием пентоз: рибозы, рибулозы, ксилулозы. Этот путь называется пентозофосфатный шунт и не связан с получением Е.
2. Окисление с получением Е.
Так как в кл непрерывно просходят реакции синтеза белков, то для этого процесса требуются рибонуклеиновые кислоты. В свою очередь для синтеза самих нуклеиновых кислот, а точнее пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, требуется рибозо-5-фосфат. Если клетка готовится к делению, то для синтеза ДНК ей нужны дезоксирибонуклеотиды, которые образуются при участии НАДФН. Молекулы НАДФН также используются:
Для синтеза жирных к-т (печень, жировая ткань),
Для синтеза холестерола и др стероидов (печень),
Для синтеза глутаминовой к-ты из α-кетоглутаровой к-ты (реакция восстановительного аминирования),
Для систем антиоксидантной защиты клетки от свободно-радикального окисления (эритроциты).
В клетке существует процесс, обеспечивающий одновременное образование рибозы и НАДФН – это пентозофосфатный путь. Наиболее активно реакции пентозофосфатного пути идут в цитозоле клеток печени, жировой ткани, эритроцитах, коре надпочечников, молочной железе при лактации, в гораздо меньшей степени в скелетных мышцах. Этот путь окисления глюкозы не связан с образованием энергии, а обеспечивает анаболизм клеток. В связи с этим у новорожденных и детей первых лет жизни его активность довольно высока. Пентозофосфатный путь включает два этапа – окислительный и структурных перестроек (неокислительный).
На первом, окислительном, этапе глюкозо-6-фосфат в трех реакциях превращается в рибулозо-5-фосфат, реакции сопровождаются восстановлением двух молекул НАДФ до НАДФН.
На этом этапе происходит регуляция процесса: инсулин повышает активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглюконат-дегидрогеназы.
В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования. Суммарное уравнение: Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP+ + Н2О → Рибулозо-5-фосфат + 2 NADPH + Н+ + СО2.
Реакции окислительного пути протекают только в том случае, если восстановленный ко-фермент NADPH возвращается в исходное окисленное состояние NADP+ при участии NADPH-зависимых дегидрогеназ. Если потребности клетки в NADPH незначительны, рибо-зо-5-фосфат образуется в результате обратимых реакций неокислительного этапа пентозофосфатного пути, используя в качестве исходных в-в метаболиты гликолиза - глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат.
Роль: Реакции окислительного этапа служат основным источником NADPH в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм О2.
Второй этап – этап структурных перестроек, благодаря которым пентозы способны возвращаться в фонд гексоз. В этих реакциях рибулозо-5-фосфат изомеризуется до рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Далее под влиянием ферментов транскетолазы и трансальдолазы происходят структурные перестройки с образованием других моносахаридов. При реализации всех реакций второго этапа пентозы превращаются во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат. Глицеральдегид-3-фосфат в зависимости от условий и вида клеток может либо "проваливаться" во 2-й этап гликолиза либо через диоксиацетонфосфат восстанавливаться до глицерол-3-фосфата и далее направляться в синтез фосфатидной кислоты и далее триацилглицеролов. При необходимости из него могут образоваться и гексозы.
Сумма: 2 Фруктозо-6-фосфат + Глицеральдегид-3-фосфат → 2 Ксилулозо-5-фосфат + Рибозо-5-фосфат 2 Ксилулозо-5-фосфат → 2 Рибулозо-5-фосфат 2 Рибулозо-5-фосфат → 2 Рибозо-5-фосфат.
Т.о. неокислительный путь можно представить как процесс возвращения пентоз в фонд гексоз.
Особенности пентозофосфатного пути в разных клетках.
Если клетка нуждается в больших количествах НАДФН (например, синтез жирных кислот в печени или синтез холестерола), то активно будут идти как 1-й, так и 2-й этапы. Образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат в реакциях глюконеогенеза превратятся в глюкозо-6-фосфат, и цикл начнется вновь.
Если клетке нужны НАДФН и энергия АТФ (как в эритроците), то фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат на выходе из 2-го этапа "провалятся" в гликолитические реакции.
Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-фосфат. В этом случае 2-й этап идти не будет, весь образуемый на 1-м этапе рибулозо-5-фосфат превратится в рибозо-5-фосфат, который используется для синтеза нуклеотидов. НАДФН будет расходоваться на синтез дезоксирибонуклеотидов.
Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и гидрированным ко-ферментом NADPH, который используется в восстановительных процессах. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути выражается следующим образом:
3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP+ → 3 СО 2 + 6 (NADPH + Н +) + 2 Фруктозо-6-фосфат + Глицеральдегид-3-фосфат.
Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле.
Наиболее активно Пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.
Из нарушений пентозофосфатного шунта наиболее часто встречается недостаточность первого фермента – глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы. Следствием ферментного дефекта является снижение синтеза НАДФН в клетке. Особенно существенно это влияет на эритроциты, в которых окислительный этап пентозофосфатного цикла является единственным источником НАДФН. з разнообразных функций НАДФН в данном случае имеет значение одна – участие в работе антиоксидантной системы.
Данная система необходима для нейтрализации активных форм кислорода, постоянно образующихся в клетке. В частности, перекись водорода восстанавливается до воды с помощью глутатион-зависимой пероксидазы. Восстановление глутатиона в работоспособное состояние производит редуктаза при участии НАДФН, поставляемого пентозофосфатным шунтом.
20. Глюкоза крови: источники, регуляция гормонами. Гипо- и гипергликемия, причины. Сахарные нагрузки и сахарные кривые, значение в диагностике.
Результат регуляции метаболических путей превращения глюкозы - постоянство концентрации глюкозы в крови. У здорового человека на тощак концентрация глюкозы в артериальной крови в течение суток поддерживается на постоянном уровне 60-100 мг/дл (3,3-5,5 ммоль/л). После приёма углеводной пищи уровень глюкозы возрастает в течение примерно 1 ч до 150 мг/дл (алиментарная гипергликемия), а затем возвращается к нормальному уровню (примерно через 2 ч). При конц-ии глюкозы в крови 9-10 ммоль/л глюкоза начинает выводиться с мочой – глюкозурия. В норме глюкоза в моче не определяется. Более половины всей глюкозы (60%), поступающей из кишечника в воротную вену, поглощается печенью. Около 2/3 этого количества откладывается в печени в форме гликогена, остальная часть превращается в жиры и окисляется, обеспечивая синтез АТФ. Ускорение этих процессов инициируется повышением инсулинглюкагонового индекса. Другая часть глюкозы, поступающей из кишечника, попадает в общий кровоток. Примерно 2/3 этого количества поглощается мышцами и жировой тканью. Это обусловлено увеличением проницаемости мембран мышечных и жировых клеток для глюкозы под влиянием высокой концентрации инсулина. Глюкоза в мышцах откладывается в форме гликогена, а в жировых клетках превращается в жиры. Остальная часть глюкозы общего кровотока поглощается другими клетками (инсулинонезависимыми).
При голодании в течение первых суток исчерпываются запасы гликогена в организме, и в дальнейшем источником глюкозы служит только глюконеогенез (из лактата, глицерина и АК). Глюконеогенез при этом ускоряется, а гликолиз замедляется вследствие низкой концентрации инсулина и высокой концентрации глюкагона. Но, кроме того, через 1-2 сут существенно проявляется действие и другого механизма регуляции - индукции и репрессии синтеза некоторых ферментов: снижается кол-во гликолитических ферментов и, наоборот, повышается количество ферментов глюконеогенеза. Изменение синтеза ферментов также связано с влиянием инсулина и глюкагона. Начиная со второго дня голодания достигается максимальная скорость глюконеогенеза из аминокислот и глицерина. Скорость глюконеогенеза из лактата остаётся постоянной. В результате синтезируется около 100 г глюкозы ежесуточно, главным образом в печени. Следует отметить, что при голодании глюкоза не используется мышечными и жировыми клетками, поскольку в отсутствие инсулина не проникает в них и таким образом сберегается для снабжения мозга и других глюкозозависимых клеток. Как в период покоя, так и во время продолжительной физической работы сначала источником глюкозы для мышц служит гликоген, запасённый в самих мышцах, а затем глюкоза крови. Известно, что 100 г гликогена расходуется на бег примерно в течение 15 мин, а запасы гликогена в мышцах после приёма углеводной пищи могут составлять 200-300 г.
Так было впервые установлено, что брожение может происходить вне живых клеток . В году Эдуард Бюхнер была присуждена Нобелевская премия по химии .
Со времени открытия внеклеточного брожения до 1940-х годов исследования реакций гликолиза было одной из основных задач биохимии . Описанием этого метаболического пути в клетках дрожжей занимались Отто Варбург , Ганс фон Эйлер-Хельпин и Артур Гарден (два последних получили Нобелевскую премию по химии 1929 ), в мышцах - Густав Эмбдена и Отто Меергоф (Нобелевская премия по медицине и физиологии 1922 ). Также свой вклад в исследование гликолиза сделали Карл Нойберг, Яков Парнас , Герти и Карл Кори .
Важными "побочными" открытиями, сделанными благодаря изучению гликолиза, была разработка многих методов очистки ферментов , выяснения центральной роли АТФ и других фосфорилированных соединений в метаболизме , открытие коэнзимов , таких как НАД .
2. Распространение и значение
Другими путями окисления глюкозы является пентозофосфатный путь и путь Ентнера-Дудорова . Последний является заменой гликолиза в некоторых грамотрицательных и, очень редко, грамположительных бактерий и имеет много общих черт с ним ферментов .
3. Реакции гликолиза
Традиционно гликолиз разделяют на две стадии: подготовительную, предусматривающий вклад энергии (пять первых реакций), и стадию отдачи энергии (пять последних реакций) . Иногда четвертую и пятую реакции выделяют в отдельную промежуточную стадию .
На первой стадии происходит фосфорилирование глюкозы в шестом положении, изомеризация полученного глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата, и повторное фосфорилирования уже в первом положении, в результате чего образуется фруктозо-1 ,6-бисфосфат. Фосфатные группы на моносахариды переносятся из АТФ . Это необходимо для активации молекул - увеличение содержания в них свободной энергии . Далее фруктозо-1 ,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз, которые могут свободно превращаться друг в друга.
На второй стадии (отдачи энергии) фосфотриоза (глицеральдегид-3-фосфат) окисляется и фосфорилируется неорганическим фосфатом . Полученный продукт в серии екзергоничних реакций сопряженных с синтезом четырех молекул АТФ превращается в пирувата. Таким образом, при гликолиза происходит три принципиальных преобразования:
3.1. Первая стадия
3.1.1. Фосфорилирования глюкозы
Первая реакция гликолиза - фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата, катализируемой ферментом гексокиназой . Донором фосфатной группы является молекула АТФ . Реакция происходит только в присутствии ионов Mg 2 + , так как настоящим субстратом для гексокиназы является не АТФ 4 -, а комплекс MgАТФ 2 -. Магний экранирует отрицательный заряд фосфатной группы, таким образом облегчая осуществление нуклеофильной атаки на последний атом фосфора гидроксильной группой глюкозы .
Вследствие фосфорилирования происходит не только активация молекулы глюкозы , но и ее "заключения" внутри клетки : плазматическая мембрана имеет белки-переносчики для глюкозы, но не для ее фосфорилированной формы. Поэтому большая заряженная молекула глюкозо-6-фосфата не может проникнуть через мембрану несмотря на то, что его концентрация в цитоплазме больше, чем во внеклеточной жидкости .
3.1.2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата
Во второй реакции гликолиза происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата к фруктозо-6-фосфата под действием фермента глюкозофосфатизомеразы (гексозофосфатизомеразы). Сначала происходит открытие шестичленного пиранозного кольца глюкозо-6-фосфата, т.е. переход этого вещества в линейную форму, после чего карбонильная группа из первого положения переносится во второй через промежуточную ендиольну форму . Есть альдозы превращается в кетоза. Образована линейная молекула фруктозо-6-фосфата замыкается в пятичленные фуранозне кольцо .
Через незначительное изменение свободной энергии реакция является обратимой. Изомеризация глюкозо-6-фосфата - это необходимое условие для дальнейшего прохождения гликолиза, поскольку следующая реакция - еще одно фосфорилирования, требует наличия гидроксильной группы в первом положении .
3.1.3. Фосфорилирования фруктозо-6-фосфата
После стадии изомеризации идет вторая реакция фосфорилирования , в которой фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1 ,6-бисфосфат за счет присоединения фосфатной группы АТФ . Реакцию катализирует фермент фосфофруктокиназы-1 (сокращенно ФФК-1, существует также фермент ФФК-2, катализирует образование фруктозо-2 ,6-бисфосфат в другом метаболическом пути) .
В условиях цитоплазмы клетки эта реакция является необратимой. Она первой достоверно определяет расщепление веществ по гилколитичному пути, поскольку глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат могут вступать в другие метаболические превращения, а фруктозо-1 ,6-бисфосфат используется только в гликолизе. Именно образование фруктозо-1 ,6-бисфосфат является лимитирующим стадией гликолиза .
У растений, некоторых бактерий и простейших также форма фосфофруктокиназы, использующий в качестве донора фосфатной группы пирофосфат , а не АТФ . ФФК-1 как алостеричний фермент подлежит сложным механизмам регулирования. К положительным модуляторов относятся продукты расщепления АТФ - АДФ и АМФ , рибулозо-5-фосфат (промежуточный продукт пентозофосфатного пути), у некоторых организмов фруктозо-2 ,6-бисфосфат. Негативным модулятором является АТФ .
3.1.4. Расщепление фруктозо-1 ,6-бисфосфат на две фосфотриозы
Фруктозо-1 ,6-бисфосфат расщепляется до двух фосфотриоз: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат под влиянием фруктозо-1 ,6-фосфатальдолазы (чаще просто альдолаза). Название фермента альдолазы происходит от обратной реакции альдольной конденсации . Механизм прохождения реакции показан на схеме:
Описанный механизм реакции характерен только для альдолазы класса I, распространенной в клетках растений и животных. В клетках бактерий и грибов присутствует альдолаза класса II, которая катализирует реакцию другим путем .
Механизм реакции альдольной расщепление еще раз демонстрирует важность изомеризации во второй реакции гликолиза. При таком преобразованию подлежала альдозы (глюкоза), то образовалась бы одна двокарбонова и одна чотирикарбонова соединение, каждая из которых должна метаболизироваться собственным шялхом. Зато трикарбонови соединения образованы в результате расщепления кетозы (фруктозы) могут легко превращаться друг в друга .
3.1.5. Изомеризация фосфотриоз
В последующих реакциях гликолиза участвует только одна из фосфотриоз образованных из фруктозо-1 ,6-бисфосфат, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако другой продукт - дигидроксиацетонфосфат - быстро и обратно может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат (катализирует эту реакция триозофосфатизомеразы) .
Механизм реакции похож на Изомеризацию глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. Равновесие реакции смещено в сторону образования дигидроксиацетонфосфату (96%), однако из-за постоянного использования глицеральдегид-3-фосфата все время происходит обратное преобразование .
После преобразования двух "половинок" глюкозы в глицеральдегид-3-фосфат атомы Карбона , происходящих от ее C-1, C-2 и C-3, становятся химически неотличимы от C-6, C-5 и C-4 соответственно. Эта реакция завершает подготовительную стадию гликолиза .
3.2. Вторая стадия
3.2.1. Окисления глицеральдегид-3-фосфата
Изменение свободной энергии при окисления глицеральдегид-3-фосфата и фосфорлиювання образованного 3-фосфоглицерату, если они происходят последовательно (сверху) и если они сопряжены благодаря ковалентной связыванию промежуточного продукта с ферментом (снизу).
Первой реакцией стадии отдачи энергии гликолиза является окисление глицеральдегид-3-фосфата с одновременным его фосфорилированием, что осуществляется ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Альдегид превращается не в свободную кислоту , а в смешанный ангидрид с фосфатной кислотой (1,3-бисфосфоглицерат). Соединения такого типа - ацилфосфаты - имеют очень большую отрицательную смену свободной энергии гидролиза (ΔG 0 = -49,3 кДж / моль) .
Реакцию превращения глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-бисфосфоглицерату можно рассматривать как два отдельных процесса: окисление альдегидной группы НАД + и присоединения фосфатной группы к образованной карбоновой кислоты . Первая реакция термодинамически выгодна (ΔG 0 = -50 кДж / моль), вторая наоборот невыгодна. Изменение свободной энергии для второй реакции почти такая же, только положительная. Если бы они происходили последовательно одна за другой, то вторая реакция требовала бы слишком большой энергии активации , чтобы протекать в условиях живой клетки с удовлетворительной скоростью. Но оба процессы сопряженными благодаря тому, что промежуточное соединение - 3-фосфоглицерат - ковалентно связана с остатком цистеина тиоестерним связью в активном центре фермента. Такой тип связи позволяет "законсервировать" часть энергии, выделяемой при окисления глицеральдегид-3-фосфата, и использовать ее для реакции с ортофосфатною кислотой .
Для прохождения этой стадии гликолиза необходимый кофермент НАД +. Его концентрация в клетке (менее 10 -5 М) значительно меньше, чем количество глюкозы, метаболизируется минуту. Поэтому в клетке постоянно происходит повторное окисления НАД + .
3.2.2. Перенос фосфатной группы 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ
В следующей реакции большой запас энергии ацилфосфату используется для синтеза АТФ . Фермент фосфоглицераткиназа (название от обратной реакции) катализирует перенос фосфатной группы с 1,3-бисфосфоглицерату на АДФ , кроме АТФ продуктом реакции является 3-фосфоглицерат .
Шестая и седьмая реакции гликолиза сопряжены между собой и 1,3-бисфосфоглицерат является общим промежуточным продуктом. Первая из них сама по себе была бы ендергоничною, однако затраты энергии компенсируются второй - выражено екзергоничною . Суммарное уравнение этих двух процессов можно записать так:
Глицеральдегид-3-фосфат + АДФ + Ф н + НАД + → 3-фосфоглицерат + АТФ + НАДH (H +), ΔG 0 = -12,2 кДж / моль ;
Следует заметить, что для одной молекулы глюкозы эта реакция происходит дважды, поскольку из одной молекулы глюкозы были образованы две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Итак, на этом этапе синтезируются две молекулы АТФ , что покрывает энергетические затраты первой стадии гликолиза.
3.2.3. Изомеризация 3-фосфоглицерату
В восьмой реакции гликолиза фермент фосфоглицератмутаза в присутствии ионов Магния катализирует перенос фосфатной группы 3-фосфоглицерату с третьего положения в другое, в результате чего образуется 2-фосфоглицерат. Реакция происходит в два этапа: на первом из них фосфатная группа, изначально присоединена к остатку гистидина в активном центре фермента, переносится на C-2 3-фосфоглицерату, в результате чего образуется 2,3-бисфосфоглицерат. После этого фосфатная группа в третьем положении синтезированной соединения переносится на гистидин . Таким образом регенерируются фосфорилированный фермент и производится 2-фосфоглицерат .
Исходное фосфорилирования фосфоглицератмутазы осуществляется реакцией с 2,3-бисфосфоглицерату, незначительной концентрации которого достаточно для активации фермента .
3.2.4. Дегидратация 2-фосфоглицерату
Следующая реакция - образование Энола с результате дегидратации (отщепление воды) 2-фосфоглицерату - ведет к образованию фосфоенолпирувату (сокращенно ФЭП) и катализируется ферментом энолаза.
Это вторая реакция образования вещества с высоким потенциалом переноса фосфатной группы в процессе гликолиза. Изменение свободной энергии при гидролизе фосфатного эфира обычного спирта значительно ниже по сравнению с таким изменением при гидролизе енолфосфату, в частности для 2-фосфоглицерату ΔG 0 = -17,6 кДж / моль , а для фосфоенолпирувату ΔG 0 = -61,9 кДж / моль .
3.2.5. Перенос фосфатной группы с ФЭП на АДФ
Последняя реакция гликолиза - перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувату на АДФ - катализируется пируваткиназы в присутствии ионов K + и Mg 2 + или Mn 2 + . Продуктом этой реакции является пируват , который сначала образуется в енольной форме, после чего быстро и неферментативно таутомеризуеться в кетонной форму .
Реакция имеет большую отрицательную смену свободной энергии , главным образом благодаря екзергоничому процесса таутомеризации . Около половины энергии (30,5 кДж / моль), выделяющегося при гидролизе ФЭП (61,9 кДж / моль), используется на субстратное фосфорилирование, остальные (31,5 кДж / моль) служит как движущая сила, толкающая реакцию в сторону образования пирувата и АТФ . Реакция является необратимой за клеточных условий .
4. Суммарный выход гликолиза
| Изменение свободной энергии в реакциях гликолиза в эритроцитах | ||
|---|---|---|
| Реакция | ΔG 0 (КДж / моль) | ΔG (КДж / моль) |
| Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ | -16,7 | -33,4 |
| Глюкозо-6-фосфат ↔ фруктозо-6-фосфат | 1,7 | от 0 до 25 |
| Фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1 ,6-бисфосфат + АДФ | -14,2 | -22,2 |
| Фруктозо-1 ,6-бисфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат + дигидроксиацетонфосфат | 28,3 | от -6 до 0 |
| Дигидроксиацетонфосфат ↔ глицеральдегид-3-фосфат | 7,5 | от 0 до 4 |
| Глицеральдегид-3-фосфат + Ф н + НАД + ↔ 1,3-бисфосфоглицерат + НАДH + H + | 6,3 | от -2 до 2 |
| 1,3-бисфосфоглицерат + АДФ ↔ 3-фосфоглицерат + АТФ | -18,8 | от 0 до 2 |
| 3-фосфоглицерат ↔ 2-фосфоглицерат | 4,4 | от 0 до 0,8 |
| 2-фосфоглицерат ↔ фосфоенолпируват + H 2 O | 7,5 | от 0 до 3,3 |
| Фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ | -31,4 | -16,7 |
| Желтым выделены реакции необратимые в реальных условиях клетки | ||
Общее уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Суммарное количество энергии, выделяемой в процессе расщепления глюкозы до пирувата составляет 146 кДж / моль , на синтез двух молекул АТФ расходуется 61 кДж / моль, остальные 85 кДж / моль энергии превращается в тепло .
При полном окислении глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 2 840 кДж / моль , если сравнить это значение с общим выходом екзергоничних реакций гликолиза (146 кДж / моль), то становится понятно, что 95% энергии глюкозы остается "заключенной" в молекулах пирувата . Хотя реакции гликолиза являются универсальными почти для всех организмов, дальнейшая судьба его продуктов - пирувата и НАД Н - отличается у разных живых существ и зависит от условий.
5. Включение других углеводов в процесс гликолиза
Кроме глюкозы в процессе гликолиза превращается еще большое количество углеводов , важнейшими из которых являются полисахариды крахмал и гликоген , дисахариды сахароза , лактоза , мальтоза и трегалоза , а также моносахариды , такие как фруктоза , галактоза и манноза .
5.1. Полисахариды
С другой стороны, эндогенные полисахариды, откладываются про запас в клетках растений (крахмал) и животных и грибов (гликоген), включаются в гликолиз другим путем. Они подлежат не гидролиза, а фосфоролиза, который осуществляют фермента фосфорилазы крахмала и гликогенфосфорилаза соответственно. Они катализируют атаку фосфорной кислоты на гликозидной α1 → 4 Связь между последним и предпоследним остатками глюкозы с нередукуючого конца. Продуктом реакции является глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат превращается фосфоглюкомутазы на глюкозо-6-фосфат, который является промежуточным метаболитом гликолиза. Механизм такого превращения похож на Изомеризацию 3-фосфоглицерату до 2-фосфоглицерат. Фосфоролиза внутриклеточных полисахаридов выгоден тем, что позволяет сохранить часть энергии гликозидных связей благодаря образованию фосфорилированного моносахарида. Таким образом экономится одна молекула АТФ на одну молекулу глюкозы .
5.2. Дисахариды
5.3. Моносахариды
У большинства организмов нет отдельных путей для утилизации фруктозы , галактозы и маннозы . Все они превращаются в фосфорилированные производные и вступают в процесс гликолиза. Фруктоза , что попадает в организм человека с фруктами и в результате расщепления сахарозы в большинстве тканей, кроме печени , например в мышцах и почках , фосфорилируется гексокиназой в фруктозо-6-фосфата с использованием одной молекулы АТФ . В печени она имеет другой путь превращения: сначала фруктокиназы переносит фосфатную группу на C-1 фруктозы, образованный фруктозо-1-фосфат расщепляется фруктозо-1-фосфатальдолаза до глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфату. Обе триозы превращаются в глицеральдгед-3-фосфат: первый - под влиянием триозокиназа, второй - под влиянием гликолитического фермента триозофосфатизомеразы .
Набор таких свойств позволяет гексокиназы IV эффективно выполнять свою функцию: регулировать уровень глюкозы в крови. При обычных условиях, когда он не превышает нормы (4-5 мМ), гексокиназа неактивна, связана регуляторным белком в ядре и не может катализировать фосфорилирование. Вследствие этого печень не конкурирует с другими органами по глюкозу, а вновь в глюконеогенезе молекулы могут свободно выходить в кровь. Когда уровень глюкозы в крови возрастает, например после употребления пищи богатой углеводами, она быстро транспортируется GLUT2 в гептациты и вызывает диссоциацию глюкокиназы и регуляторного белка, после чего фермент может катализировать реакцию фосфорилирования .
Гексокиназа IV также регулируется на уровне биосинтеза белка , ее количество в клетке увеличивается, когда растут энергетические потребности, о чем может свидетельствовать низкая концентрация АТФ, высокая концентрация АМФ т.д..
Некоторые из модуляторов активности ФФК-1 влияют также на фермент фруктозо-1 ,6-бисфосфатазу, которая катализирует в глюконеогенезе реакцию превращения фруктозо-1 ,6-бисфосфат в фруктозо-6-фосфат, но противоположным образом: ее ингибирует АМФ и Ф-2 ,6-БФ. Итак активация гликолиза в клетке сопровождается угнетением глюконеогенеза и наоборот. Это необходимо для предотвращения лишним затратам энергии в так называемых сусбтартних циклах .
6.3. Пируваткиназа
У млекопитающих найдено как минимум три изоферменты пируваткиназы, что экспрессируются в различных тканях. Эти изоферменты имеют много общего, например все они подавляются высокими концентрациями ацетил-КоА, АТФ и длинноцепочечных жирными кислотами (показатели того, что клетка хорошо обеспечена энергией) , а также аланином (аминокислота, которая синтезируется из пирувата) . Фруктозо-1 ,6-бисфосфат активирует различные изоферменты пируваткиназы . Однако печеночная изоформа (пируваткиназа L) отличается от мышечной (пируваткиназы M) наличием еще одного способа регуляции - путем ковалентной модификации фосфатной группой. В ответ на низкий уровень глюкозы в крови поджелудочной железой выделяется глюкагон, активирующий цАМФ-зависимой протеинкиназы. Этот фермент фосфорилирует пируваткиназы L, вследствие чего последняя теряет свою активность. Итак гликолитического расщепления глюкозы в печени замедляется и ее могут использовать другие органы .
7. Гликолиз в раковых клетках
1928 Отто Варбург обнаружил, что в раковых клетках почти всех типов гликолиз и поглощения глюкозы происходит примерно в 10 раз интенсивнее, чем у здоровых, даже в присутствии больших концентраций кислорода. Эффект Варбурга стал основой для разработки нескольких методов выявления и лечения рака .
Все раковые клетки, по крайней мере на начальных этапах развития опухоли растут в условиях гипоксии , т.е. недостатка кислорода, из-за отсутствия сетки капилляров . Если они расположены на расстоянии более 100-200 мкм от ближайшей кровеносного сосуда, то должны полагаться только на гликолиз без дальнейшего окисления пирувата для получения АТФ. Йомвирно, что почти во всех раковых клетках в процессе злокачественной трансформации происходят следующие изменения: переход на получение энергии только путем гликолиза и приспособления к условиям повышенной кислотности , возникающие вследствие выделения молочной кислоты в межклеточную жидкость . Чем более агрессивная опухоль, тем быстрее в ней происходит гликолиз .
Приспособления раковых клеток к недостатку кислорода во многом происходит благодаря транскрипционных факторов индуцированном гипоксией (англ. hypoxia-inducible transcription factor, HIF-1 ), Который стимулирует повышение экспрессии как минимум восьми генов гликолитических ферментов, а также транспортеров глюкозы GLUT1 и GLUT3, активность которых не зависит от инсулина. Еще одним ефекторм HIF-1 является выделение клетками васкулярного эндотелиального фактора роста (англ. vascular endothelial growth factor ), Что стимулирует образование кровеносных сосудов в опухоли . HIF-1 также выделяется мышцами во время тренировок, предусматривающие большую интенсивность нагрузки, в этом случае он имеет аналогичный эффект: усиливает способность к анаэробного синтеза АТФ и стимулирует рост капилляров .
В некоторых случаях повышенная интенсивность гликолиза может быть использована для нахождения местоположения опухоли в организме с помощью позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ). Пациенту в кровь вводят аналог глюкозы 2-флюоро-2-дезоксиглюкозу (ФДГ), меченый изотопом 18 F. Это вещество поглощается клетками и является субстратом для первого фермента гликолиза - гексокиназы, однако не может быть преобразована фосфоглюкоизмеразою, поэтому накапливается в цитоплазме. Скорость накопления зависит от интенсивности захвата аналога глюкозы и его фосфорилирования, оба процесса значительно быстрее происходят в раковых клетках, чем у здоровых. При распаде..