Восстановительный путь обмена глюкозы.
Восстановительный путь протекает преимущественно в интиме сосудистой стенки, хрусталике глаза, шванновских клетках нервной ткани:
Дихотомический путь окисления глюкозы – основной путь получения энергии в клетке.
Дихотомический путь – это окислительный распад молекулы глюкозы, при которым её углеродный скелет делится пополам с образованием двух триоз. В реакциях этого пути энергию можно получить 2-мя способами:
Путём анаэробного (при отсутствии кислорода) распада глюкозы до молочной кислоты. Этот процесс называется гликолизом. Суммарное уравнение гликолиза:
Г
люкоза
2 лактат + 134 кДж
Приблизительно половина этой энергии расходуется на образование 2-х молекул АТФ, остальное рассеивается в виде тепла.
Путём аэробного распада глюкозы до углекислого газа и воды. Суммарное уравнение:
Глюкоза + 6О2 6СО2 + 6Н2О + 2850 кДж
При этом 60% образующейся энергии депонируется в виде АТФ.
Таким образом, аэробный путь имеет несомненное экономическое превосходство перед гликолизом.
Аэробный распад глюкозы осуществляется подавляющим большинствомтканей нашего организма. Гликолиз – единственный путь энергообеспеченности эритроцитов. Мышцы используют гликолиз в случаях, когда потребление ими кислорода при нагрузках превышает его поступление.
Анаэробное дыхание – гликолиз.
Цепь реакций гликолиза можно условно разделить на 2 звена: в первом осуществляется осуществляется распад глюкозы на 2 триозы (подготовительная стадия), во втором – окисление триоз в пируват с восстановлением последнего в лактат (стадия гликолитической оксидоредукции).
Фосфорилирование глюкозы гексокиназой и глюкокиназой (о значении этих ферментов см. выше) – первая регулируемая реакция процесса гликолиза. Образующийся глюкозо-6-фосфат считается аллостерическим ингибитором гексокиназы (но не глюкокиназы).
Так как глюкокиназная реакция является инсулинзависимой, можно вместо глюкозы больным диабетом назначать фруктозу (фруктоза фосфорилируется гексокиназой сразу во фруктозо-6-фосфат).
Глюкозо-6-фосфат обратимо изомеризуется во фруктозо-6-фосфат ферментом фосфогексоизомеразой.
Здесь, как и в первой реакции, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она необратима.
Эта реакция является главной регулируемой реакцией гликолиза. Она катализируется аллостерическим ферментом – фосфофруктокиназой, имеющим сложную четвертичную структуру. Аллостерическими активаторами фосфо-фруктокиназы служат АМФ, АДФ, фруктозо-6-фосфат; аллостерическими ингибиторами – АТФ и цитрат. Следует отметить двоякую роль АТФ – вначале эта молекула используется как субстрат реакции, а затем, связываясь с аллостерическим центром фермента, – как аллостерический ингибитор. Увеличение соотношения АТФ/АМФ приводит к угнетению активности фосфофруктокиназы. Так, в неработающей мышце концентрация АТФ относительно высока и гликолиз заторможен. Во время работы АТФ расходуется и активность фосфофруктокиназы повышается, следовательно, процесс гликолиза активируется.
Как было установлено позже, важнейшим аллостерическим регулятором фосфофруктокиназы является фруктозо-2,6-дифосфат.
4-я реакция обратима. Катализирующий её фермент называется альдолазой, так как расщепляется альдол – фруктозо-1,6-дифосфат. Равновесие реакции сдвинуто в сторону распада фруктозо-1,6-дифосфата, поскольку образующийся 3-ФГА расходуется в дальнейших реакциях гликолиза. Именно в силу последнего обратимая триозофосфатизомеразная реакция также смещается в сторону образования 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.
Таким образом, в подготовительной стадии гликолиза фактически образуется 2 молекулы 3-ФГА.
Следующая стадия гликолиза – гликолитическая оксидоредукция – является более сложной.
5-я реакция.
В этой реакции 3-ФГА окисляется дегидрогеназой 3-фосфоглице-ринового альдегида. Фермент состоит из 4-х одинаковых субъединиц, в состав его активного центра входит SH-группа. Дегидрогеназа 3-ФГА нуждается также в коферменте НАД+.
Фермент окисляет свой субстрат (3-ФГА), перенося водород альдегидной группы 3-фосфоглицеринового альдегида на кофермент НАД+, который при этом восстанавливается в НАДН∙Н+ в присутствии неорганического фосфата. Выделяющейся при окислении 3-ФГА энергии достаточно для образования высокоэргического (т.е. заключающего в себе м а к р о э р г и ч е с к у ю связь) соединения – 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ДФГК).
Образование НАДН∙Н+ из окисленной формы этого кофермента осуществляется в ходе реакции связывания 3-ФГА с SH-группой активного центра фермента – дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида:
6-я реакция.
Эта реакция получила название реакции субстратного фосфорилирования – фосфорилирование АДФ за счёт энергии макроэргического субстрата. Реакция сопровождается выделением значительного количества свободной энергии, поэтому её равновесие сдвину вправо. Она может стать обратимой при избытке 3-фосфоглицерата.
7-я реакция.
Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат:
8-я реакция.
Образование макроэргического субстрата – фосфоенолпирувата (фосфоенолПВК). 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.
9-я реакция.
Это реакция субстратного фосфорилирования (аналогично 6-й реакции): осуществляется фосфорилирование АДФ за счёт энергии макроэргического субстрата – фосфоэнолпирувата.
Реакция образования ПВК (пировиноградной кислоты) необратима, так как протекает со значительным падением свободной энергиию.
10-я реакция.
Заключительная реакция гликолиза – образование лактата. Реакция обратима. Молочная кислота образуется при восстановлении пирувата ферментом лактатдегидрогеназой (ЛДГ), коферментом которого является НАДН∙Н+ (образование этого кофермента см. в 5 –й реакции).
Итак, гликолиз завершается образованием лактата. 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 2-х реакциях субстратного фосфорилирования (реакции 6-я и 9-я) образуется 4 молекулы АТФ --(напоминаем, что в реакцию вступают 2 триозы), однако в подготовительной стадии 2 молекулы АТФ расходуются (реакции 1-я и 3-я), таким образом, полезный энергетический выход гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.
которых непроницаема для образующегося оксалацетата (ЩУК). Однако, превращаясь в яблочную кислоту при участии митохондриальной НАД+-зависимой малатдегидрогеназы, малат легко покидает митохондрию и в цитозоле клетки окисляется в ЩУК при участии цитоплазматической НАД+-зависимой малатдегидрогеназы. Дальнейшее превращение ЩУК в фосфоенолПВК происходит в цитозоле клетки.