Углеводы (часть 2)

Аэробный распад углеводов (ГБФ-путь распада углеводов). Гликолиз. Спиртовое брожение. Глюконеогенез. Регуляция процессов.

Г Б Ф - П У Т Ь.

(ГЕКСОЗОБИСФОСФАТНЫЙ ПУТЬ РАСПАДА УГЛЕВОДОВ)

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ГБФ-ПУТИ.

1. Это  главный путь распада углеводов до конечных продуктов.  Во многих клетках это - единственный путь.  Так распадается 70-75% глюкозы, которая поступает в клетку.

2. Только ГБФ-путь дает клетке энергию в виде АТФ. Это основной источник получения энергии в клетке.

3. Это самый длинный путь распада углеводов.
____________________________________________________________________

ЭТАПЫ ГБФ-пути:

1-й этап протекает в цитоплазме, дает 8 молекул АТФ при распаде 1 молекулы глюкозы или 9АТФ при распаде одного глюкозного фрагмента гликогена. Заканчивается образованием 2-х молекул пирувата (ПВК).

2-й и 3-й этапы - (исключительно аэробные!) в митохондриях с обязательным участием кислорода, дают 30 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

2-й этап - "окислительное декарбоксилирование пирувата" - катализируется пируватдегидрогеназным комплексом (см. "Биологическое окисление" - удлиненная цепь МтО). На 2-м этапе от молекулы ПВК  отнимаются  два атома водорода,  и  пируват превращается в Ацетил-кофермент А (АцКоА), одновременно происходит отщепление СО₂.  Два атома водорода идут на НАД,  а  затем  по  цепи  митохондриального окисления передаются  на О₂ с образованием Н₂О и 3 молекул АТФ. Поэтому в расчете на одну молекулу исходной глюкозы 2-й этап дает 6 АТФ.

В 3-й этап вступает молекула АцетилКоА,  который образуется в результате 2-го этапа. 3-й этап называется циклом трикарбоновых  кислот (ЦТК) (см. “Митохондриальное окисление”). В  этом  цикле АцКоА полностью расщепляется до СО₂ и Н₂О.  При этом образуется 12 АТФ в расчете на молекулу АцКоА, вступившую в цикл.  Если рассчитать на 1 молекулу глюкозы,  то  на 3-м этапе образуется 24 АТФ.

_________________________________________________________________
1-й этап проходит 10 промежуточных стадий.  В ходе  первой  части этого этапа  молекула  глюкозы  расщепляется  пополам  до 2-х молекул фосфоглицеринового альдегида (ФГА).

    ОСОБЕННОСТИ ПЕРВОЙ ЧАСТИ 1-ГО ЭТАПА:

Гексокиназа (ГК) работает, чтобы ослабить прочную молекулу  глюкозы:

 

2-я реакция - изомеризации:

На 3-й стадии фруктозо-6-фосфат еще более ослабляется фосфофруктокиназой (ФФК) и образуется фруктозо-1,6-бисфосфат:

Фосфофруктокиназа - это ключевой фермент ГБФ-пути. Он является "пунктом вторичного контроля".  V_max ФФК больше, чем V_max ГК. Поэтому, когда глюкозы поступает много,  ГК  лимитирует скорость всего ГБФ-пути. 

Избыток АТФ и избыток цитрата сильно ингибируют ФФК. В этих условиях лимитирующим ферментом ГБФ-пути вместо гексокиназы становится ФФК.  Из-за угнетения ФФК накапливаются глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и  фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф).  Г-6-Ф ингибирует гексокиназу,  уменьшая утилизацию глюкозы клеткой и одновременно активирует гликогенсинтетазу.

Если нет избытка АТФ и цитрата,  а есть избыток АДФ, то АДФ активирует ФФК,  и тогда скорость всего ГДФ-пути лимитируется  опять гексокиназой.

В результате фосфофруктокиназной реакции молекула фруктозо-1,6-бисфосфата дестабилизируется (ослабляется) настолько, что сразу распадается на 2 триозы при участии фермента альдолазы (4-я реакция):

5-я реакция:

В 6-ю реакцию ГБФ-пути вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация и равновесие 5-й реакции  сдвигается в сторону образования ФГА. Постепенно весь ФДА переходит в ФГА, и поэтому количество АТФ, синтезировавшееся в последующих реакциях ГБФ-пути, мы учитываем в расчете на 2 молекулы ФГА и других промежуточных метаболитов, которые из него образуются.

В 1-й части 1-ого этапа (от глюкозы до ФГА)  расходуется  2  молекулы АТФ: одна - в гексокиназной реакции, другая - в фосфофруктокиназной (3-я реакция первого этапа ГБФ-пути). 2-я часть  1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.

Эта реакция  катализируется  ферментом "глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа".

Отщепляемый водород передается на НАД с образованием НАДН₂. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на  то,  чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат).

7-я реакция:  субстратное  фосфорилирование.

Фосфат  с  макроэргической связью передается на АДФ с образованием АТФ.  В результате 7-й стадии в  молекуле  фосфоглицериновой кислоты остается 1 остаток фосфорной кислоты.

 

8-я реакция: фосфат переносится из 3-го во 2-ое положение и образуется 2-фосфоглицериновая кислота.

9-я реакция:

 

От 2-фосфоглицериновой кислоты отнимается Н₂О. Это приводит к перераспределению молекулярной энергии.  В  результате  на фосфате во  втором положении накапливается энергия и связь становится макроэргической. Получается фосфоенолпируват(ФЕП).

10-я реакция: Субстратное фосфорилирование. Фосфат переносится на АДФ с образованием АТФ. ФЕП переходит в ПВК (пировиноградную кислоту).

На этом 1-й этап ГДФ-пути заканчивается. ПВК уходит в митохондрию и вступает во  второй этап ГДФ-пути.

      

ИТОГИ 1-го ЭТАПА: 10 реакций, из которых первая, третья и десятая реакции необратимы. Сначала расходуется 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы. Потом окисляется ФГА. Энергия реализуется в ходе 2-х реакций субстратного фосфорилирования: в каждой из них образуется по 2 АТФ. Следовательно,  на каждую молекулу глюкозы (на 2 молекулы ФГА) получается 4 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Суммарно все 10 стадий можно описать следующем уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ + 2НАД -----> 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАДН₂

                                     (ПВК)

НАДН₂ по системе митохондриального окисления(МтО) передает водород на кислород воздуха с образованием Н₂О и 3 АТФ,  но 1-й этап протекает в  цитоплазме и НАДН₂ не может проходить через мембрану митохондрий. Существуют челночные механизмы,  обеспечивающие этот переход НАДН₂ через    митохондриальную    мембрану - малат-аспартатный челнок и глицерофосфатный челнок (см. "Биологическое окисление".

В расчете на одну молекулу глюкозы образуется 2НАДН₂.

В дополнение к 2 АТФ,  получаемым на 1-м этапе путем субстратного фосфорилирования, образуется еще 6 АТФ с участием кислорода,  итого - 8 молекул АТФ.  Столько АТФ образуется в расчете на каждую расщепленную до ПВК молекулу глюкозы в ходе первого этапа ГБФ-пути.

Если эти 8 АТФ + к 30 молекулам АТФ, которые образуются на 2-м и  3-м  этапах,  то  суммарный энергетический итог всего ГБФ-пути составит 38 АТФ на каждую молекулу глюкозы,  расщепленную  до  СО₂  и Н₂О. В этих 38 АТФ заключено 65% энергии, которая выделилась бы при сжигании глюкозы на воздухе.  Это доказывает очень высокую эффективность работы ГБФ-пути.

Из 38 АТФ основная их часть образуется на 2-м и 3-м  этапах.  Каждый из этих  этапов  абсолютно  необратим и требует обязательного участия кислорода, так как окислительные стадии этих этапов сопряжены с митохондриальным окислением (без него невозможны).  Весь ГБФ-путь от глюкозы или гликогена до СО₂ и Н₂О называют: АЭРОБНЫМ РАСПАДОМ УГЛЕВОДОВ.

Ключевые ферменты 1-го этапа ГБФ-пути: ГЕКСОКИНАЗА и ФОСФОФРУКТОКИНАЗА.

Еще одно ключевое звено находится в ЦТК (3-й этап ГБФ-пути). Ключевое звено на 3-м этапе необходимо потому, что АцКоА, вступающий в ЦТК, образуется не только из углеводов,  но и из жиров и аминокислот. Следовательно, ЦТК  - это конечный "котёл" для сжигания ацетильных остатков, образующихся из углеводов, жиров и белков. ЦТК объединяет все метаболиты, образующиеся при распаде углеводов, жиров и белков.

Ключевые ферменты ЦТК: цитратсинтетаза и изоцитратдегидрогеназа. Оба  фермента угнетаются избытком АТФ и избытком НАДН₂.  Изоцитратдегидрогеназа активируется избытком АДФ. АТФ ингибирует эти ферменты по-разному: изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза. Поэтому при избытке АТФ накапливаются промежуточные продукты: цитрат и изоцитрат. В этих условиях цитрат может выходить в цитоплазму по градиенту концентраций.

2-й и  3-й этапы ГБФ-пути протекают в митохондриях,  а 1-й - в цитоплазме. 1-й этап отделен от 2-го и 3-го  этапов  митохондриальной  мембраной. Поэтому 1-й этап может выполнять свои особенные функции.  Эти функции

связаны с двумя особенностями 1-го этапа.

Особенности 1-го этапа ГБФ-пути:

1. 1-Й ЭТАП ПОЛНОСТЬЮ ОБРАТИМ.

Из 10  стадий 1-го этапа 7 полностью обратимы.  Для остальных 3-х этапов есть обходные пути.

Для гексокиназы  (1-я  стадия) обходной обратный путь катализируется глюкозо-6-фосфатазой.

Для фосфофруктокиназы (3-я стадия) обходной обратный путь катализируется фруктозодифосфатазой.

Третьим необратимым  звеном  1-го  этапа является 10-я стадия.  В прямом направлении эта реакция катализируется пируваткиназой,  а  обходной обратный  путь  протекает  через  2 стадии.  В 1-й реакции СО₂ присоединяется к ПВК с образованием щавелево-уксусной  кислоты  (ЩУК). Эта реакция катализируется пируваткарбоксилазой.  Эта реакция синтеза требует затраты 1 АТФ. Кофермент пируваткарбоксилазы: биотин (vit H).

Вторая реакция:  ЩУК поступает в цитоплазму (с участием челночных механизмов) и превращается в ФЕП. Эта реакция требует затраты ГТФ.

С учетом 7-й стадии, где происходит субстратное фосфорилирование, получается, что на пути от пирувата до глюкозы расходуется 3 АТФ,  то есть 6  АТФ в расчете на каждую молекулу глюкозы,  синтезированную из ПВК.

Если не считать НАДН₂,  который образуется на 6-й стадии,  а при обратном пути расходуется, то распад глюкозы до ПВК требует расхода 6 АТФ. Это подтверждает, что на любой биосинтез определенного метаболита требуется энергии больше,  чем образуется при распаде этого же метаболита.

ВТОРАЯ ОСОБЕННОСТЬ ПЕРВОГО ЭТАПА ГБФ-ПУТИ: НА 1-М ЭТАПЕ НЕТ ПОЛНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ОТ КИСЛОРОДА.

Среди 10-ти стадий 1-го этапа только одна является окислительной.

Это 6-я стадия:  ФГА ----> 1,3-бисфосфоглицериновая кислота.  Сама эта реакция не требует кислорода. Обычно НАДН₂ поступает в митохондрии и по дыхательной  цепи  отдает водород на кислород.
Транспорт водорода от цитоплазматического НАДН₂ к митохондриальному НАДН₂ обычно обеспечивается малат-аспартатным челночным механизмом, изображенном на рисунке.



В этом случае весь 1-й этап работает как часть ГБФ-пути. 

ГЛИКОЛИЗ. ГЛИКОГЕНОЛИЗ. ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ. ОБРАЩЕНИЕ ГЛИКОЛИЗА

В условиях интенсивной мышечной работы бывают ситуации, когда в клетку  не успевает поступать кислород. При этом распад углеводов временно протекает в анаэробных условиях. Молекулам  НАДН₂ некуда отдавать свой водород, так как не работают дыхательные цепи в митохондриях и челночные механизмы.  Это не мешает протеканию первых пяти реакций 1-го этапа ГБФ-пути.  Но НАД -  это  кофермент, запасы которого в цитоплазме невелики. После того, как весь этот НАД превратится в НАДН₂ в 6-й реакции, новые молекулы ФГА не могут окисляться до фосфоглицериновой кислоты, и тогда все последующие реакции  1-го этапа ГБФ-пути должны прекратиться. Но этого не происходит. В цитоплазме хорошим акцептором водорода  является ПВК - конечный продукт 1-го этапа. Возникает сопряжение между двумя реакциями, которое называется ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ:



Реакции гликолитической оксидоредукции полностью обратимы. В отсутствие кислорода сколько НАДН₂ образуется на 6-й стадии, столько же НАДН₂ и отдаст свой водород на ПВК.

Поэтому в анаэробных условиях конечным продуктом распада глюкозы является ЛАКТАТ.

Процесс распада глюкозы до лактата в анаэробных условиях называется ГЛИКОЛИЗОМ, а гликогена - ГЛИКОГЕНОЛИЗОМ.

Таким образом, ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ - это сопряжение между  6-й  стадией  (окисление  ФГА)  и  11-й стадией (восстановление ПВК до лактата) гликолиза.

В состоянии покоя, наступающего после интенсивной мыщечной работы, в клетку начинает поступать кислород. Это приводит к запуску митохондриальных дыхательных цепей. Запускаются окислительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК и челночный механизм переноса водорода в митохондрии, а, значит, и ГБФ-путь распада глюкозы (гликогена). При этом процесс гликолиза тормозится автоматически. Торможение гликолиза поступившим в клетку кислородом называется ЭФФЕКТОМ ПАСТЕРА по имени ученого, открывшего это явление.

В раковых клетках такого эффекта не наблюдается. В них одновременно могут протекать сразу два процесса: и ГБФ-путь, и гликолиз. Отсутствие эффекта Пастера в тканях, пораженных злокачественными опухолями, называется ЭФФЕКТОМ КРЭБТРИ.

Образование лактата в ходе гликолиза
 

Накопившийся в ходе гликолиза лактат при поступлении кислорода в клетку начинает постепенно превращаться обратно в ПВК. Часть этого пирувата окисляется во втором и третьем этапах ГБФ-пути. АТФ, образующаяся при этом, используется для синтеза из оставшегося количества ПВК глюкозы или гликогена (в условиях покоя). Процесс синтеза глюкозы или гликогена из лактата называется ОБРАЩЕНИЕМ ГЛИКОЛИЗА.

Глюконеогенез

ГЛИКОНЕОГЕНЕЗ - это образование углеводов (например, глюкозы или гликогена из веществ, имеющих неуглеводное происхождение.

Некоторые промежуточные метаболиты ГБФ-пути могут образоваться из веществ других классов (не из углеводов): например, из аминокислот, липидов.

Приведем пример. ПВК может получиться в ходе реакции трансаминирования из аланина:



Далее из пирувата синтезируется глюкоза (в печени) или гликоген (в печени и в мышцах). Для обходных реакций необратимых стадий 1-го этапа ГБФ-пути существуют специальные ферменты: для 1-й - глюкозо-6-фосфатаза (только в печени!), для 3-й - фруктозо-1,6-бисфосфатаза, и для 10-й реакции - пируваткарбоксилаза. 
Ключевым ферментом глюконеогенеза из пирувата является пируваткарбоксилаза. В состав его кофермента входит витамин H - биотин. Этот фермент обычно малоактивен,  но он сильно активируется даже при небольшом накоплении АцКоА в цитоплазме.  Тогда обходной обратный путь 10-й стадии и весь процесс синтеза углеводов из ПВК может протекать быстрее, чем их распад.

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ГБФ-ПУТИ.

Рассмотрим регуляцию на примере мышечной ткани, потому что именно в этой ткани наблюдается очень быстрый и огромный перепад в расходовании энергии АТФ (от состояния покоя к интенсивной мышечной работе и обратно к состоянию покоя).

1. ИНТЕНСИВНАЯ МЫШЕЧНАЯ РАБОТА.

Резко падает [АТФ] и возрастает [АДФ]. Это приводит к активации ключевых ферментов ЦТК цитратсинтазы и изоцитратдегидрогеназы. ЦТК работает интенсивнее, что приводит к снижению концентраций его начальных продуктов: Ацетил-КоА и цитрата. В итоге ацетил-КоА прекращает активировать ключевой фермент гликонеогенеза - пируваткарбоксилазу - то есть синтез углеводов резко замедляется. Снижение концентраций цитрата и АТФ приводит к прекращению их угнетающего действия на ФФК, а накопление АДФ еще и активирует ФФК - 3-я стадия 1-го этапа ГБФ-пути идет быстрее и понижается концентрация метаболитов-предшественников, в том числе глюкозо-6-фосфата. При этом снимается   тормозящее действие глюкозо-6-фосфата на гексокиназу (поэтому глюкоза утилизируется быстрее) и его активирующее действие на гликогенсинтазу (прекращается синтез гликогена). Уменьшение [АТФ] снимает ее ингибирующее действие на фосфорилазу (ключевой фермент распада гликогена), а накопление АДФ активирует этот фермент - поэтому усиливается распад гликогена и его продукты окисляются в ГБФ-пути.

Эти механизмы приводят к увеличению синтеза АТФ.

2. ПЕРЕХОД ОТ ИНТЕНСИВНОЙ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ К СОСТОЯНИЮ ПОКОЯ.

Действуют всё те же механизмы, но в обратном направлении. Это приводит к уменьшению продукции АТФ.