Аэробное окисление глюкозы

В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свобод­ной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разде­лить на 3 этапа:

1. Расщепление глюкозы до пирувата.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3. Окисление ацетила в цикле Кребса ( ЦТК ), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.

Эти этапы можно представить также в виде общей схемы:

Глюкоза ----> 2 пируват ----->2 ацетил-КоА -----> 4СО₂+ 10 Н₂О | | + 2 СО | | | <--- 1 ---> | <---- 2 ----> | <---- 3 ----> |

2.1.1.1. 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 фосфорили­рование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, нако­нец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз:

СН₂ОН СН₂ОРО₃Н₂

_{1. | |}

С--- О С--- О

Н /Н \ОН Н /Н \ОН

С С + АТФ ------> С С + АДФ

НО\ОН Н/Н НО\ОН Н/Н

С--- С С--- С

Н ОН Н ОН

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой. В качестве фо­сорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровож­дается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в усло­виях клетки является необратимой.

СН₂ОРО₃Н₂

_{2. |}

С--- О РО₃Н₂-О_-СН₂ О

Н /Н \ОН | / \ Н

С С -----------> С С

НО\ОН Н/Н Н\Н НО/|

С--- С С---С СН₂ОН

Н ОН ОН Н

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

Вторая реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обра­тима.

РО₃Н₂-О_-СН₂ О РО₃Н₂-О_-СН₂ О

| / \ Н | / \ Н

3. С С + АТФ ------> С С + АДФ

Н\Н НО/| Н\Н НО/|

С---С СН₂ОН С---С СН₂О-РО₃Н₂

_{ОН Н ОН Н}

Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат

Третья реакция катазируется ферментов фосфофруктокиназой. В этой реакции также теряется 3,4 ккал/моль энергии и она, как и гексо­киназная реакция, в условиях клетки необратима.

РО₃Н₂-О_-СН₂ О СН₂ОН НС=О

| / \ Н | |

С С --------> С=О + НСОН

4. Н\Н НО/| | |

С---С СН₂О-РО₃Н₂ Н₂СО-РО₃Н₂ Н₂СО-РО₃Н₂

_{ОН Н Фосфодигидр- 3-Фосфогли-}

Фруктозо-1,6-бисфосфат оксиацетон цериновый

альдегид

Эта реакция катализируется ферментом альдолазой, реакция обрати­ма. В результате реакции фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на два триозофосфата.

СН₂ОН НС=О

| ---------> |

5. С=О <--------- НСОН

| |

Н₂СО-РО₃Н₂ Н₂СО-РО₃Н₂

_{Фосфодигидр- 3-Фосфогли-}

оксиацетон цериновый

альдегид Фосфодигидроксиацетон ( ФДА ) в условиях клетки легко изомери-

зуется в 3-фосфоглицериновый альдегид ( ФГА ) при участии фермен­та триозофосфатизомеразы в ходе пятой реакции. Поэтому мы можем считать, что на первой стадии этого этапа затрачивается 2 АТФ, а из молекулы глюкозы образуется две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

На второй стадии первого этапа окисления глюкозы ФГА превраща­ется в пируват. Поскольку при распаде молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ФГА, при дальнейшем описании процесса мы дожны учесть это обстоятельство.

Следующая реакция рассматриваемого процесса является окисли­тельной реакцией:

НС=О О=С_~О-РО₃Н₂

_{6. |} ^|

^{2 НСОН + 2НАД+ + 2Н}₃^РО₄ ^{----> 2 НСОН + 2НАДН+Н+}

^{| |}

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СО-РО₃^Н₂

_{ФГА 1,3-дифосфоглице-}

риновая кислота

В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3-фосфоглице - ринового 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 накапли-

вается 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.

В седьмой реакции остаток фосфорной кислоты из 1,3-дифосфо­глицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической связи, переносится на АДФ с образованием АТФ:

О=С_~О-РО₃Н₂ СООН

^{| |}

^{7. 2 НСОН + 2 АДФ ------> 2 НСОН + 2 АТФ}

^{| |}

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СО-РО₃^Н₂

_{1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая}

кислота кислота

Эта обратимая реакция катализируется ферментом фосфоглицераткина- зой.

Далее идет обратимая изомеризация 3-фосфоглицериновой кисло­ты в 2-фосфоглицериновую кислоту при участии фермента фосфоглице­ратмутазы:

СООН СООН

^{| |}

^{8. 2 НСОН ------> 2 НСО-РО}₃^Н₂

^{| |}

^Н₂^СО-РО₃^Н₂ ^Н₂^СОН

В следующей , девятой по счету, реакции идет отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты:

СООН СООН

^{| |}

^{9. 2 НСО-РО}₃^Н₂ ^{------> 2 С}_~^О-РО₃^Н₂ ^{+ 2 Н}₂^О

^{| |}

^Н₂^{СОН СН}₂

_{3-фосфоглицериновая Фосфоенолпировино-}

кислота градная кислота ( ФЭП )

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.

Накопленная в макроэргической связи ФЭП энергия вместе с остатком фосфорной кислоты в ходе следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ. Реакция катализируется пируваткиназой.

СООН СООН

!О. ^{| |}

^{2 С}_~ ^О-РО₃^Н₂^{+ 2 АДФ ------> 2 С=О + 2 АТФ}

^{| |}

^CH₂ ^СН₃

_{Реакция сопровождается потерей 7,5 ккал/моль энергии и в условиях клетки практически необратима.}

Суммарное уравнение первого этапа аэробного окисления глюкозы:

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⁺.

Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, при­нимающих участие в работе этого метаболического пути.

С помощью термодинамических механизмов осуществляется конт­роль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G⁰=

- 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G⁰= -3,4 ккал/моль ) и пируваткиназная ( G⁰= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.

Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метабо­лическому пути контролируется в клетке за счет изменения актив­ности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокина­зы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты тер­модинамического контроля метаболического пути одновременно явля­ются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсив­ности потока метаболитов.

Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктоки­наза. Активность этого фермента подавляется высокими концентраци­ями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.

Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высо­кими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с рабо­той сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнете­ния активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ на­капливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует акти­вность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.

Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы - пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф

и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предш­ественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.

В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации 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.

Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цит­ратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который за-

тем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат

и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением

уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его допол-

нительное образование, что и достигается ингибированием фосфоф-

руктокиназы и пируваткиназы.

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

2.1.1.2. Окислительное декарбоксилирование пирувата

В аэробных условиях пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это

превращение катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным

комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пиру­ватдегидрогеназного комплекса 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.

Первый фермент этого комплекса - пируватдекарбоксилаза ( Е1) катализирует реакцию: Н

СН₃-СО-СООН + ТДФ-Е1 ----> СО₂ + СН₃- С-ТДФ-Е1

ОН

с образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида,

связанного с тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.

Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) ка­тализирует два последовательных превращения:

а) на первом этапе идет перенос активированного остатка аце­тальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением аль­дегидной группы до карбоксильной группы:

Н S\ HS\

СН₃-С -ТДФ-Е1 + | ЛК-Е2 ----> ЛK-Е2 + ТДФ-Е1

ОН S/ CH₃- C- S/

O

б) на втором этапе остаток ацетила переносится с липоевой

кислоты, жестко связанной с ферментом, на свободный HS-КоА:

HS\ HS\

ЛК-Е2 + HS-KoA ----> ЛК-Е2 + СН₃- С-S-КоА

СН₃-C- S/ HS/ О

О

Образуются ацетил-КоА и фермент Е2 с восстановленной формой ко­фермента.

Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты ка­тализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму:

HS\ S\

ЛК-Е₂ + НАД⁺ _-------> _| ЛК-Е₂ + НАДН+Н⁺

^{HS/ Е}₃ ^S/

В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кисло­ты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД⁺ с образованием его восстановленной формы.

Следует напомнить, что при окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании суммарного уравнения окислительного декарбоксилирования пирувата:

_{Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, посколько сопровож­дается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окис­ленного пирувата. Таким образом, мы имеем дело еще с 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. Ковале-

нтная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфо­рилирования комплекса:

Н₃РО <-- Н₂О

-------------------

-_{--------------------------------------}

_{| Фосфатаза |}

_{Активный <-- Неактивный}

комплекс --> комплекс

_| Киназа |

_{----------------------------------------}

_{----------------}

_| |

АТФ --> АДФ

Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях

АТФ/АДФ, НАДН/НАД⁺ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( мно-

го АТФ и НАДН ) 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

Далее уже можно написать суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы:

_{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 и 2 ФАДН2)}

Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисле­ния глюкозы можно произвести, руководствуясь следующей далее схе­мой:

_2АДФ 4АТФ 2НАДН+Н⁺ 2НАДН+Н⁺

_2АТФ ^{^ 4АДФ+2Ф ^ 2НАД+} _^ ^2НАД+ _^

_{---- ------- ------- -------}

Глюкоза ------> 2 ФГА -------------------->2 Пируват ---------->

|

--> 2 СО₂

2ГТФ 6НАДН+Н⁺ 2ФАДН₂

_{2ГТФ+2Ф ^ 6НАД}⁺ _{^ 2ФАД ^}

------- ------- ------

--->2 Ацетил-КоА ----------------------------------------> 4 СО₂

На схеме видно следующее:

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 ).

Оценка энергетической эффективности процесса в плане акку­муляции энергии окисления может быть проведена исходя из того,

что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в

стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисле­ние 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).

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

а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глю­куроновой кислоты,

б) Фр-6-ф - для синтеза аминосахаров,

в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходи­мого для синтеза глицеролсодержащих липидов,

г) 3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,

д) ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,

е) пируват - для синтеза аланина

ж) ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с по­мощью метода меченых атомов.

2.1.3. Аэробное окисление других углеводов

В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых коли­чествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит об­разование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.

Поиск по сайту: