Студия: творческое объединение «гбф» — навигатор по фильмам на
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». Vmax ФФК больше, чем Vmax 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.
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
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.
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
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.
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.
