Тема: обмен и функции углеводов

ЛЕКЦИЯ 2

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ

План

1. аэробное расщепление до углекислого газа и воды;

2. анаэробное окисление до лактата; (анаэробное окисление глюкозы — анаэробный гликолиз, и анаэробное расщепление гликогена — гликогенолиз).

3. пентозный путь окисления;

4. окисление с образованием глюкуроновой кислоты

Важнейшими функциями моносахаридов в организме являются энергетическая и пластическая; обе эти функции реализуются в ходе окислительного распада моносахаридов в клетках.

При окислении углеводов выделяется 17 кДж/г свободной энергии, за счет окисления углеводов человек покрывает 55–60% своих общих энергозатрат.

В ходе окисления углеводов образуется большое количество промежуточных продуктов распада, которые используются для синтеза различных липидов, заменимых аминокислот и других соединений.

Кроме того, при окислении углеводов в клетках идет генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются в клетках в восстановительных реакциях биосинтезов, в процессах детоксикации, для контроля уровня перекисного окисления липидов и др.

Главным моносахаридом, подвергающимся окислительным превращениям в клетках, является глюкоза.

Известно несколько метаболических путей окисления глюкозы, главными из которых являются:

• аэробное расщепление до углекислого газа и воды;

• анаэробное окисление до лактата;

• пентозный путь окисления;

• окисление с образованием глюкуроновой кислоты.

ПРОЦЕСС АЭРОБНОГО ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ разделяют на 3 этапа:

1. Расщепление глюкозы до пирувата.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3. Окисление ацетила в цикле Кребса (ЦТК).

Эти этапы можно представить в виде общей схемы:

Глюкоза – 2пируват – 2 ацетил-КоА + 2СО₂ – 4 СО₂+10Н₂О

1 Этап. Расщепление глюкозы до пирувата.

По современным представлениям первый этап окисления глюкозы протекает в цитозоле и катализируется надмолекулярным белковым комплексом — гликолитическим метаболоном, включающим в себя до десятка отдельных ферментов.

Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь разделен на 2 стадии.

В реакциях первой стадии происходит:

1. Глюкоза + АТФ – Глюкозо-6-фосфат + АДФ

• фосфорилирование глюкозы, фермент гексокиназа, реакция необратима, потеря свободной энергии составляет 5,0 ккал/моль

2. Глюкозо-6-фосфат – фруктозо-6-фосфат

• изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, фермент фосфогексоизомераза

3. фруктозо-6-фосфат + АТФ – фруктозо1,6-бисфосфат + АДФ

• дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка (фермент фосфофруктокиназа, теряется 14 кДж/моль энергии, реакция необратима)

4. фруктозо1,6-бисфосфат – фосфодиоксиацетон +3-фосфоглицериновый альдегид

• расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз (фермент альдолаза).

5. Фосфодиоксиацетон - 3-фосфоглицериновый альдегид

На второй стадии первого этапа окисления глюкозы фосфоглицериновый альдегид (ФГА) превращается в пируват.

6. 3-фосфоглицериновый альдегид + Н₃РО₄ +НАД⁺ – 1,3 дифосфоглицериновая кислота + НАДН +Н⁺

• В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида, происходит окисление ФГА в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Окисление идет путем дегидрирования, а отщепленные от субстрата атомы водорода переносятся на НАД⁺ с образованием восстановленной формы кофермента. Энергия окисления накапливается в клетке, во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н⁺, а, во-вторых, в виде макроэргической связи продукта окисления с участвующей в реакции фосфорной кислотой, т.е. в макроэргической связи 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.

7. 1,3 дифосфоглицериновая кислота + АДФ – 3-фосфоглицерат + АТФ

• В седьмой реакции остаток фосфорной кислоты из 1,3-дифосфоглицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической связи, переносится на АДФ с образованием АТФ (фермент фосфоглицераткиназа).

8. 3-фосфоглицерат – 2- фосфоглицерат

• обратимая изомеризация 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицериновую кислоту при участии фермента фосфоглицератмутазы

9. 2- фосфоглицерат – фосфоенолпируват +Н₂О

• В ходе отщепления воды идет перераспределение электронной плотности в молекуле с образованием макроэргической связи между вторым атомом углерода енольной формы пировиноградной кислоты и остатком фосфорной кислоты. Реакция обратима, она катализируется ферментом енолазой.

10. фосфоенолпируват + АДФ – пируват +АТФ

• Накопленная в макроэргической связи ФЭП энергия вместе с остатком фосфорной кислоты в ходе следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ. Реакция катализируется пируваткиназой. Реакция сопровождается потерей 32 кДж/моль энергии и в условиях клетки практически необратима.

Суммарное уравнение первого этапа аэробного окисления глюкозы: Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄ + 2 НАД⁺ –– 2 пируват + 2 АТФ + 2 НАДН+Н⁺ + 2 Н₂О

из которого следует, что на первом этапе молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом клетка на каждую молекулу расщепленной глюкозы получает 2 молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАДH+H⁺. В ходе этого этапа высвобождается 588 кДж/моль энергии.

Контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути осуществляется с помощью термодинамических механизмов. Имеется три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная, эти реакции в клетке практически необратимы, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.

Контроль интенсивности потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути в клетке осуществляется за счет изменения активности вышеназванных ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы по аллостерическому механизму высокой концентрацией АТФ в клетке, т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией.

При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается, во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.

При повышении концентрации жирных кислот угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.

2 этап. Окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА. Это превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав которого входят три различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.

Суммарное уравнение процесса:

2Пируват +2НАД⁺ +2HS-КоА –– 2Ацетил-КоА +2НАДН+Н⁺ +2СО₂

В ходе окисления 2 моль пирувата высвобождается около 500 кДж энергии, из них около 420 кДж накапливается в виде энергии восстановленного НАД. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, поскольку сопровождается потерей 48 кДж энергии в расчете на 1 моль окисленного пирувата. Таким образом, мы встретились с еще одним пунктом термодинамического контроля в общей метаболической системе аэробного окисления глюкозы.

Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковалентная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования комплекса:

Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях АТФ/АДФ, НАДН+Н⁺/НАД⁺ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией (много АТФ и НАДН+Н⁺) или же цикл Кребса не справляется с окислением имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию — уже известный нам механизм стимуляции предшественником.

Образовавшийся ацетил-КоА, как уже неоднократно упоминалось, поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционировании этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.

В качестве напоминания можно привести суммарную реакцию окисления ацетила (из ацетил-КоА) в цикле Кребса:

Ацетил-КоА + НАД⁺+ ФАД + ГДФ + Ф + 2Н₂О ––

–– 2 СО₂ + КоА + ГТФ + 3 НАДН+Н⁺ + ФАДН₂

Суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы выглядит следующим образом:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 ГДФ + 4Ф + 10 НАД⁺ + 2 ФАД +2Н₂О –– 6 СО₂ + 2 АТФ + 2 ГТФ + 10 НАДН+Н⁺ + 2 ФАДН₂

Из уравнения следует, что аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов (2АТФ и 2 ГТФ), а также 12 восстановленных коферментов (10 НАДН+Н⁺ + 2 ФАДН₂)

Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисления глюкозы выглядит следующим образом:

а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз расходуется 2 АТФ;

б) за счет субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических эквивалентов (4АТФ + 2ГТФ)

в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восстановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ (З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН₂).

Таким образом, при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды клетка получит 38 молекул АТФ (40 синтезируется и 2 расходуется).

Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:

• Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты;

• Фр-6-ф — для синтеза аминосахаров;

• ФГА и ФДА — для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов;

• 3-фосфоглицериновая кислота — для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина;

• ФЭП — для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов;

• пируват — для синтеза аланина;

• ацетил-КоА — для синтеза жирных кислот и стероидов.