Аэробный гликолиз. Глюконеогенез. Пентозный цикл. Патология углеводного обмена.

План

1. Аэробный гликолиз.

2. Глюконеогенез.

3. Пентозный цикл.

4. Регуляция и патология углеводного обмена.

Аэробный гликолиз –основной источник АТФ в клетках. До стадии образования 3-фосфоглицеральдегида реакции его совпадают с реакциями анаэробного гликолиза. В дальнейшем, в процессе превращения двух молекул 3-фосфоглицеральдегида в две молекулы 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты из двух молекул НАД генерируются две молекулы НАД-Н₂. При окислении последних в дыхательной цепи митохондрий вырабатывается 6 молекул АТФ (2Х3). Реакции окисления двух молекул1,3-бисфосфоглицериновой кислоты до двух молекул пировиноградной кислоты также совпадают с соответствующими реакциями анаэробного гликолиза. В дальнейшем все идет по-другому: 2 молекулы пировиноградной кислоты превращаются в 2 молекулы ацетил-КоА:

При этом происходит восстановление двух молекул НАД. При окислении двух молекул НАД-Н₂в дыхательной цепи митохондрий вырабатывается 6 молекул АТФ. Реакцию катализирует пируватдегидрогеназный комплекс, отщепляющий от молекул пирувата углекислый газ (окислительное декарбоксилирование) и присоединяющий к месту отщепления –S-КоА. В состав его входят 5 коферментов: НАД, ФАД, ТиаминДФ,HS-КоА и липоевая кислота. Образующиеся 2 молекула ацетил-КоА в дальнейшем окисляются в цикле Кребса. При этом генерируются 2 молекулы ГТФ, восстанавливаются 6 (2Х3)молекул НАД и 2 молекулы ФАД. При дальнейшем окислении НАД-Н₂и ФАД-Н₂ в дыхательной цепи митохондрий генерируются 22 молекулы АТФ.

Физиологическая роль аэробного гликолиза

1. Этот процесс является основным источником АТФ в клетках. При окислении одной молекулы глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ (в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях), но генерируется 40 его молекул в реакциях

3-фосфоглицеральдегиддегидрогеназной – 6 АТФ,

фосфоглицераткиназной– 2 АТФ,

пируваткиназной – 2 АТФ,

пируватдегидрогеназной – 6 АТФ,

изоцитратдегидрогеназной – 6 АТФ,

α-кетоглутаратдегидрогеназной – 6 АТФ,

сукцинилтиокиназной – 2 АТФ,

малатдегидрогеназной– 6 АТФ.

Итого - 40 молекул АТФ.

С учетом двух затраченных молекул АТФ энергетический эффект окисления одной молекулы глюкозы в реакция аэробного окисления глюкозы составляет 38 молекул АТФ. Конечными продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода.

2. В реакциях аэробного гликолиза образуются метаболиты, необходимые для биосинтеза других веществ. Пировиноградная, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты участвуют в реакциях переаминирования аминокислот. 3-фосфоглицеральдегид используется для биосинтеза глицерола, а ацетил-КоА – жирных кислот, холестерола и т.д. Из пировиноградной кислоты синтезируется щавелевоуксусная кислота, необходимая для функционирования цикла Кребса.

Глюконеогенез – образование глюкозы из неуглеводных источников: некоторых аминокислот, глицерола, молочной и пировиноградной кислот. Протекает в печени и в меньшей степени – в почках и слизистой оболочке кишечника. Является в основном процессом, обратным процессу гликолиза, реакции которого катализируют в обратном направлении те же ферменты, что и ферменты гликолиза, за исключение трех ферментов. Пируваткиназная, фосфофруктокиназная и гексоконазная реакции протекают только а одном направлении. Реакцию, обратную пируваткиназной, катализируют 2 фермента: пируваткарбоксилаза и фосфоенолпируваткарбоксикиназа. Гидролиз фруктозо-1,6-бисфосфата до фруктозо-6-фосфата катализирует фруктозо-6-фосфатаза, а расщепление глюкозо-6-фосфата до глюкозы - глюкозо-6-фосфатаза. Биосинтез четырех специфических ферментов глюконеогенеза усиливают гормоны коркового слоя надпочечников – глюкокортикоиды.

1. Обратными пируваткиназной являются реакции, катализируемые

пируваткарбоксилазой (ПК-ой) и фосфоенолпируваткарбоксикиназой (ФЕПКК-ой):

СООН

1

СН₃ СН₂ CН₂

1 1 ||

СО₂ + С=ОПК-за С=ОФЕПКК-за O~O-РО₃Н₂

1 Биотин 1 -СО₂1

СООН СООН СООН

АТФ АДФ+ ГТФГДФ

Н₃РО₄

Пировиноград- Щавелевоуксус- Фосфоенолпи-

наякислота ная кислота ровиноградная

кислота

2. Обратной фосфофрукиокиназной являются реакция, катализируемая

фруктозо-1,6- бисфосфатазой (Ф-1,6-БФ-ой):

3. Обратная гексокиназной является реакция, катализируемая глюкозо-6-

Фосфатазой (Г-6-Ф-ой):

Биологическая роль глюконеогенеза.

Глюконеогенез из молочной кислоты усиливается при повышении в тканях ее уровня, вызванном физическими нагрузками или недостатком в организме кислорода. При этом молочная кислота вначале превращается в пировиноградную в результате реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой. Глюконеогенез из аминокислот усиливается при хронических стрессовых ситуациях, сахарном диабете и других состояниях, приводящих к недостатку в организме углеводов. При этом некоторые аминокислоты предварительно превращаются в пировиноградную кислоту. Это приводит к усиленному образованию аммиака, обезвреживающегося в мочевину в реакциях орнитинового цикла.

Пентозный цикл

Аэробный гликолиз называют дихотомическим путем окисления углеводов, поскольку он протекает в 2 стадии: окисления глюкозы до пирувата и последнего – до углекислого газа и воды. Существует еще апотомический (прямой) путь окисления глюкозы – пентозный цикл или гексозомонофосфатный шунт. В нем окисляется около 2% глюкозы (в печени – 25%). Этот процесс условно делят на 2 части: реакции окислительной и пластической ветвей пентозного цикла.

Итог пентозного цикла.

В реакции его вступают 6 молекул глюкозо-6-фосфата. Одна из них полность расщепляется до 6 молекул углекислого газа, 12 ионов водорода, восстанавливающих 6 молекул НАДФ. Остальные молекулы глюкозо-6-фосфата окисляются до 6 молекул пентозо-3-фосфатов: рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фосфата и ксилулозо-3-фосфата. В результате взаимодействия 6 молекул пентозо-3-фосфатов между собой образуется 5 молекул глюкозо-6-фосфата.

Биологическая роль пентозного цикла

В реакциях окислительной ветви этого метаболического пути генерируется рибозо-5-фосфат, необходимый для биосинтеза нуклеотидов нуклеиновых кислот, АТФ, НАД,ФАД, витамина В₁₂ и других веществ.

Генерирующийся в реакциях пентозного цикла НАДФ-Н₂ используется не в процессах энергообеспечения, а в реакциях биосинтеза жирных кислот, холестерола и других веществ.

НАДФ-Н₂ применяется также в реакция гидроксилирования эндогенных и чужеродных соединений, протекающих в цепи перенося электронов с участием цитохрома Р₄₅₀, расположенной на мембрагнах эндоплазматического ретикулума.

НАДФ-Н₂ принимает участие в восстановлении глутатиондисульфида, образовавшегося в реакциях обезвреживания перекисных и других токсических соединений.

Регуляция углеводного обмена

На молекулярном уровне интенсивность метаболизма углеводов зависит от активности участвующих в нем ферментов, регулируемой уровнем различных метаболитов. Так активность гексокиназы увеличивается при снижении содержания глюкозо-6-фосфата, фосфофруктокиназы – при уменьшении уровня АТФ и лимонной кислоты на фоне увеличения содержания АМФ, лактатдегидрогеназы – при снижении уровня пировиноградной кислоты. Интенсификация реакций цикла Кребса наступает при увеличении в клетках содержания щавелевоуксусной кислоты. Активность цитратсинтазы возрастает при снижении уровня АТФ, активность изоцитратдегидрогеназы – при увеличении уровня АДФ, а активность пируваткарбоксилазы – при увеличении содержания ацетил-КоА.

На интенсивность метаболизма углеводов влияют гормоны. Так инсулин усиливает поступление глюкозы из крови в клетки, отложение ее в гликоген печени, активируя гликогенсинтазу, окисление в реакциях гликолиза и пентозного цикла. Глюкагон и адреналин, активируя гликогенфосфорилазу, усиливают расщепление гликогена в печени и поступление глюкозы в кровь. Глюкокортикоиды, стимулируя биосинтез ключевых ферментов глюконеогенеза, усиливают при стрессовых ситуациях образование глюкозы из неуглеводных источников.

Патология углеводного обмена.

Может развиваться на различных этапах его. При недостаточном поступлении в организм углеводов нарушается образование из пировиноградной кислоты щавелевоуксусной кислоты, первого метаболита цикла Кребса, что способствует нарушению окисления кетоновых тел и накоплению их в тканях.

Избыточсное кормление жвачных животных концентратными кормами приводит к нарушению превращение пропионовой кислоты, вырабатываемой микроорганизмами из клетчатки, в сукцинил-КоА и окисление его в цикле Кребса. Это также приводит к развитию кетоза.

При врожденной недостаточности ферментов, катализирующих реакции депонирования и расщепления гликогена в печени и мышцах, развиваются гликогенозы, сопровождающиеся снижением концентрации глюкозы в крови, накоплением в тканях молочной кислоты, мышечной слабостью и другими явлениями.

Недостаточная выработка поджелудочной железой инсулина приводит к развитию сахарного диабета. При этом заболевании, несмотря на увеличение концентрации глюкозы в крови, развивается дефицит углеводов в клетках, приводящий к развитию кетоза, усилению глюконеогенеза, истощению организма.

Лекция №11