Розпад глюкози в аеробних і анаеробних умовах

Катаболізм глюкози - основний постачальник енергії для більшості клітин організму.

Аеробний розпад протікає в умовах достатнього постачання тканин киснем. Він включає кілька стадій:

1. Аеробний розпад глюкози до двох молекул пірувату в гіалоплазме клітин, який можна розділити на 2 етапи:

а) підготовчий етап, в ході якого глюкоза фосфорилюється і розщеплюється на дві молекули фосфотріоз.

б) основний етап, пов'язаний з синтезом АТФ. В результаті серії реакцій фосфотріози перетворюються в піруват.

Перетворення пірувату в ацетил-КоА і окислення останнього в циклі Кребса

Глюкозо-6-фосфат, утворений в результаті фосфорилювання глюкози з учас-ством АТФ, в ході наступної реакції перетворюється в фруктозо-6-фосфат. Це оборотна реакція ізомеризації протікає за участю глюкозофосфатізомерази. Потім слід ще одна реакція фосфорилювання за рахунок АТФ, каталізує її фосфофруктокінази. В ході цієї реакції фруктозо-6-фосфат перетворюється в фруктозо-1,6-бісфосфат. Цей метаболіт далі розщеплюється на 2 тріозофосфата: фосфогліцеріноий альдегід (ФГА) і діоксиацетонфосфат (ДОАФ), реакцію каталізує альдолаза. У наступних реакціях гліколізу використовується тільки ФГА, тому ДОАФ перетворюється за участю ферменту тріозофосфатізомерази в ФГА. На цьому підготовчий етап закінчується.

Основний етап аеробного розпаду включає реакції, пов'язані з синтезом АТФ. Сну-чала відбувається окислення ФГАпрі участю ФГА-дегідрогенази. Цей фермент є НАД + -завісімимим. Відновлений НАД + потім окислюється в дихальної ланцюга (перенесення НАДН в мітохондрії, де знаходиться дихальна ланцюг, відбувається за участю човникових механізмів, це пов'язано з тим, що мітохондріальна мембрана непроникна для НАДН). Крім того, вільна реакція окислення цієї реакції концентрується в макроергічним зв'язку продукту реакції. Продуктом реакції є 1,3-бісфосфогліцерат. Для фосфорилювання використовується Н3 РО4. У наступній реакції високоенергетичний фосфат передається на АДФ з утворенням АТФ. Каталізує реакцію фосфогліцераткинази. АТФ в даній реакції утворюється шляхом субстратного фосфорилювання. Продуктом реакції є 3-фосфогліцерат. У наступній реакції відбувається перенесення фосфату з 3 положення в друге з утворенням 2-фосфогліцерата. З нього при відщепленні води утворюється фосфоенолпіруват - макроергічних з'єднання, фосфатна група якого в наступній реакції переноситься на АДФ з утворенням АТФ за участю піруваткінази (це друга реакція субстратного фосфорилювання). Продуктом реакції є піруват.

У другій стадії піруват перетворюється в ацетил-КоА, який згорає в циклі Кребса і дихального ланцюга (третя стадія) до СО2 і Н2 О.

Всього при аеробному окисленні глюкози виділяється 32АТФ.

Гліколіз являє собою розпад глюкози в анаеробних умовах (умовах недостатнього постачання киснем), тому він не залежить від роботи мітохондріального дихального ланцюга. АТФ в гліколізі утворюється шляхом субстратногофосфорілірованія. Кінцевим продуктом є лактат (рис. 5).

Всі реакції анаеробного гліколізу (11 реакцій) протікають в гіалоплазме. Перші 10 реакцій до пірувату ідентичні аеробного розпаду. В останній реакції відбувається відновлення пірувату в лактат цитозольним НАДН. Реакцію цю каталізує лактатдегидрогеназа. За допомогою цієї реакції забезпечується регенерація НАД + з НАДН без участі дихального ланцюга в ситуаціях, пов'язаних з недостатнім постачанням клітин киснем. Роль акцептора водню від НАДН (подібно кисню в дихальної ланцюга) виконує піруват. Таким чином, значення реакції відновлення пірувату полягає не в освіті лактату, а в тому, що дана цитозольні реакція забезпечує регенерацію НАД +. До того ж лактат не є кінцевим продуктом метаболізму, що видаляється з організму (лактат - тупиковий метаболіт). Він виводиться в кров і утилізується: або перетворюється в глюкозу (75%), або при доступності кисню окислюється до СО2 і Н2 О (25%).

Енергетичний вихід анаеробного гліколізу становить 2АТФ.

Недоліками анаеробного гліколізу є: малий енергетичний вихід в порівнянні з аеробних розпадом і накопичення лактату, що призводить до ацидозу, втоми.

Переваги гліколізу: він корисний при виконанні короткочасної роботи, є єдиним джерелом енергії для еритроцитів (в них відсутні мітохондрії), а також необхідний в різних органах при дефіциті кисню (накладення джгута, падіння тиску, порушення кровотоку).

Регуляція .Регуляторнимі ферментами гліколізу є: гексокіназа, фосфофруктокінази і піруваткіназа. Аллостеріческого інгібіторами є АТФ і цитрат. Стимулює гліколіз інсулін, а гальмують глюкагон, глюкокортикоїди. Катехоламіни гальмують гліколіз в печінці і активують в м'язах.

Субстратами ГНГ є лактат, амінокислоти, гліцерин. Амінокислоти включаються в ГНГ при тривалому голодуванні або тривалої м'язової роботі. Гліцерин звільняється в процесі ліполізу з жирової тканини в період голодування або при

тривалій фізичному навантаженні. Лактат - продукт анаеробного гліколізу. Його джерелом в спокої є еритроцити, а при роботі - м'язи. Таким чином, лактат використовується в глюконеогенезі постійно. Більшість реакцій глюконеогенезу протікає за рахунок оборотних реакцій гліколізу і каталізується тими ж ферментами. Однак три реакції гліколізу незворотні. На цих стадіях реакції ГНГ протікають іншими шляхами (обхідні шляхи ГНГ).

Перша необоротна реакція - утворення з пірувату фосфоенолпіруват. У ГНГ це відбувається в ході двох реакцій. Піруват в мітохондріях карбоксіліруется з утворенням оксалоацетата за участю піруваткарбоксілази - біотінзавісімого ферменту. Реакція протікає з використанням енергії АТФ. Подальші перетворення оксалоацетата протікають в цитозолі. Фосфоенолпіруваткарбоксікіназа з витратою енергії ГТФ перетворює оксалоацетат в фосфоенолпіруват. Подальші реакції ГНГ аж до утворення фруктозо-1,6-бісфосфат протікають в цитозолі і катализируются гликолитическими ферментами. Потім слід ще одна необоротна реакція ГНГ, катализируемая фруктозо-1,6-БІСФОСФАТАЗИ, в якій відбувається відщеплення залишку фосфорної кислоти гідролітичні шляхом. Утворений при цьому фруктозо-6-фосфат гліколітичні ферментом изомеризуется до глюкозо-6-фосфату, від якого відщеплюється залишок фосфорної кислоти за участю ще одного необоротно працюючого ферменту - глюкозо-6-фосфатази. Новоутворена вільна глюкоза з клітки виходить в кров. В ході ГНГ витрачається 6 моль АТФ на синтез 1 моль глюкози з пірувату або лактату.

Ключовими ферментами ГНГ, що каталізує незворотні обхідні реакції, є: піруваткарбоксілази, фосфоенолпіруваткарбоксікіназа, фруктозо-1,6-БІСФОСФАТАЗИ і глюкозо-6-фосфатаза. Активують ГНГ аллостеріческого АТФ і цитрат, обов'язковим активатором першого ферменту є ацетил-КоА. ГНГ підсилюють гормони: глюкагон, глюкокортикоїди. Гальмує ГНГ гормон спокою і ситості - інсулін.

Лактат, що утворився в ході анаеробного гліколізу, не є кінцевим продуктом метаболізму. Використання лактату пов'язано з його перетворенням в печінці в піруват і з подальшим використанням останнього. Лактат, що надійшов з інтенсивно працюючих м'язів, виходить в кров, а потім надходить в печінку. У печінці в лактатдегідрогеназной реакції лактат перетворюється в піруват, який включається в ГНГ, а що утворилася глюкоза надходить у кров і поглинається скелетними м'язами. Цю послідовність подій називають «глюкозо-лактатним циклом», або «циклом Корі». Цикл Корі виконує дві найважливіші функції: забезпечує утилізацію лактату і запобігає лактатацидоз. Частина пірувату, що утворився з лактату (25%), окислюється печінкою до СО2 і Н2 Про після визволення енергії.