Окислювальні шляху розпаду вуглеводів в тканинах

Найважливішими функціями моносахаридів в організмі є енер

гетіческая і пластична; обидві ці функції реалізуються в ході

окисного розпаду моносахаридів в клітинах. При окисленні вуглеводів виділяється 4,1 ккал / г (близько 17 кДж / г) вільної енер-гии і за рахунок окислення вуглеводів людина покриває 55-60% своїх загальних енерговитрат. В ході окислення вуглеводів утворюється велика кількість проміжних продуктів розпаду, які використовуються для синтезу різних ліпідів, замінних амінокислот та ін. Необ-ходимо клітинам з'єднань. Крім того, при окисленні вуглеводів в клітинах йде генерація відновних потенціалів, які в подальшому використовуються ними в відновних реакціях Біосини-Тезов, в процесах детоксикації, для контролю рівня перекисного окислення ліпідів та ін.

Головним моносахаридом, що піддаються окислювальним перетворюється-щеніям в клітинах, є глюкоза, оскільки саме вона в най-більших кількостях надходить з кишечника у внутрішнє середовище організму, саме вона синтезується при глюконеогенезі або обра-зуется у вільному вигляді або ж у вигляді фосфорних ефірів при рас -щепленіі глікогену. Роль інших моносахаридів менш значна, так як їх кількість, що надходить в клітини в кількісному від-носінні сильно варіює залежно від складу їжі.

Відомо кілька метаболічних шляхів окислення глюкози, головними з яких є:

а) аеробне розщеплення до вуглекислого газу і води;

б) анаеробне окислення до лактату;

в) пентозний шлях окислення;

г) окислення з утворенням глюкуронової кислоти.

Глибина окисного розщеплення молекули глюкози може бути різною: від окислення однієї з кінцевих угруповань молекул до карбоксильної групи, що відбувається при утворенні глюкуро-нової кислоти, до повної деградації молекули глюкози при її аеро-бном розпаді.

Аеробне окислення глюкози

У клітинах аеробних організмів основним, принаймні відносно загальної кількості розщеплюється глюкози, є її аеробний розпад до вуглекислого газу і води. При розщепленні 1 М глюкози (180 г) в аеробних умовах виділяється 686 ккал свобод-ної енергії. Сам процес аеробного окислення глюкози можна поділу-лити на 3 етапи:

1. Розщеплення глюкози до пірувату.

2. Окислювальне декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА.

3. Окислення ацетил в циклі Кребса (ЦТК), поєднане з роботою ланцюга дихальних ферментів.

Ці етапи можна представити також у вигляді загальної схеми:

Глюкоза ----> 2 піруват -----> 2 ацетил-КоА -----> 4СО2 + 10 Н2 Про | | + 2 СО | | | <--- 1 ---> | <---- 2 ----> | <---- 3 ----> |

Розщеплення глюкози до пірувату

За сучасними уявленнями первийетап окислення глюкози протікає в цитоплазмі ікаталізіруется надмолекулярних білковим комплексом -гліколітіческім метаболона. що включає в себе до десятка окремих ферментів.

Перший етап окислення глюкози може бути в свою чергу раз-діловий на 2 стадії. У реакціях першої стадії відбувається фосфорилювання глюкози, ізомеризація залишку глюкози в залишок фруктози, додаткове фосфорилювання вже фруктозного залишку і, нако-нец. розщеплення гексозних залишку на два залишку фосфотріоз:

З З + АТФ ------> З З + АДФ

АЛЕ \ ОН Н / Н АЛЕ \ ОН Н / Н

Ця реакція каталізується ферментом гексокінази. Як фо-сорілірующего агента в клітці використовується АТФ. Реакція сопровож-дається втратою вільної енергії порядку 5,0 ккал / моль і в усло-віях клітини є незворотною.

В ході цього етапу вивільняється 140 ккал / моль енергії, ос- новних її частина (близько 120 ккал / моль) накопичується в клітці у вигляді енергії 2 АТФ і енергії 2 відновлених НАД +

з якого випливає, що на першому етапі молекула глюкози розщеп-ляется до двох молекул піровиноградної кислоти, при цьому клітина на кожну молекулу розщепленої глюкози отримує 2 молекули АТФ і дві молекули відновленого НАДH + H +.

Регуляція роботи першого етапу аеробного розщеплення глюкози здійснюється за допомогою термодинамічних механізмів і за допомогою механізмів аллостерічеськой модуляції регуляторних ферментів, при-приймаються участь в роботі цього метаболічного шляху.

За допомогою термодинамічних механізмів здійснюється конт-роль напрямку потоку метаболітів з даного метаболічного шляху. У описану систему реакцій включені три реакції, в ході яких губиться велика кількість енергії: гексокіназну (G 0 =

- 5,0 ккал / моль), фосфофруктокіназная (G 0 = -3,4 ккал / моль) і піруваткіназная (G 0 = - 7,5 ккал / моль). Ці реакції в клітці практично не оборотні, особливо піруваткіназная реакція, і за рахунок їх незворотності процес стає незворотним в цілому.

Інтенсивність потоку метаболітів з даного Метабо-вої шляху контролюється в клітині за рахунок зміни актив-ності включених в систему аллостеріческіх ферментів: гексокіна-зи, фосфофруктокинази і піруваткінази. Таким чином, пункти тер-модінаміческого контролю метаболічного шляху одночасно є-ються і ділянками, на яких здійснюється регуляція інтенсив-ності потоку метаболітів.

Головним регуляторним ланкою системи є фосфофруктокі-наза. Активність цього ферменту пригнічується високими концентраціях-ями АТФ в клітині, ступінь аллостеріческого блоку ферменту АТФ посилюється при високих концентраціях цитрату в клітці. АМФ є аллостерическим активатором фосфофруктокинази.

Гексокіназа зниження по аллостеріческому механізму висо-кими концентраціями Гл-6-ф. У цьому випадку ми маємо справою з робо-ту сполученого регуляторного механізму. У клітці після пригнічуючи-ня активності фосфофруктокинази високими концентраціями АТФ накопичується Фр-6-ф, а значить накопичується і Гл-6-ф, оскільки реакція, що каталізується фосфогексоізомеразой, легко оборотна. В такому випадку підвищення концентрації АТФ в клітині інгібує акти-вности не тільки фосфофруктокинази, але і гексокінази.

Дуже складно виглядає регуляція активності третьої кінази - піруваткінази. Активність ферменту стимулюється Гл-6-ф, Фр-1,6-бф

і ФГА по аллостеріческому механізму - так називаючи активація предше-ественніком. У свою чергу, високі внутрішньоклітинні концентрації АТФ, НАДН, цитрату, сукцинил-КоА і жирних кислот пригнічують активність ферменту по аллостеріческому механізму.

В цілому, розщеплення глюкози до пірувату гальмується на рівні 3 зазначених кіназ при високій концентрації АТФ в клітині, тобто. в ус-ловиях хорошою забезпеченості клітини енергією. При нестачі енергії в клітині активація розщеплення глюкози досягається, по пер-вих, за рахунок зняття аллостеріческого інгібування кіназ високими концентраціями АТФ і аллостерічеськой активації фосфофруктокинази АМФ і, по-друге, за рахунок аллостерічеськой активації піруваткінази попередниками: Гл-6-Ф, Фр- 1,6-бф і ФГА.

Який сенс інгібування цитратом фосфофруктокинази і цитратом і сукцинил-КоА - піруваткінази? Справа в тому, що з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули ацетил-КоА, який за-

тим окислюється в циклі Кребса. Якщо в клітці накопичуються цитрат

і сукцинил-КоА, значить цикл Кребса не справляється з окисленням

вже напрацьованого ацетил-КоА і є сенс пригальмувати його допол-

чої освіту, що і досягається пригніченням фосфоф-

руктокінази і піруваткінази.

Нарешті, пригнічення окислення глюкози на рівні піруваткінази при підвищенні концентрації жирних кислот направлено на збереження глюкози в клітці в умовах, коли клітина забезпечена іншим, бо-леї ефективним видом енергетичного палива.