Дихотомический распад углеводов. Анаэробное и аэробное окисление глюкозы, этапы, конечные продукты. Энергетический выход

Этапы гликолиза

Анаэробный гликолиз – наиболее древний путь расщепления глюкозы, он обеспечивает клетку энергией в условиях гипоксии, а в аэробных условиях является стадией, предшествующей дыханию – окислительному распаду углеводов до и О.

Интенсивно протекает в энергоемких и быстро делящихся клетках:

• скелетных мышцах;

• печени;

• сердце;

• эритроцитах;

• сперматозоидах;

• эмбриональных;

• эпителиальных;

• опухолевых тканях.

Гликолиз функционирует во всех живых клетках. Все ферменты локализованы в цитозоле, формируя полиферментный комплекс. Гликолиз осуществляется в два этапа.

1. Подготовительный этап — дихотомический распад глюкозы на две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Превращения сопровождаются затратой 2 АТФ.

   • Фосфорилирование (реакция необратима): Глюкоза + АТФ → (гексокиназа, глюкокиназа) Глюкозо-6-Ф.

   • Изомеризация (реакция обратима): Глюкозо-6-Ф + АДФ → (фосфогексоизомераза) Фруктозо-6-Ф.

   • Фосфорилирование (реакция необратима) Фруктозо-6-Ф → (фосфофруктокиназа 1, АТФ) Фруктозо-1,6-дифосфат.

   • Дихотомия: Фруктозо-1,6-дифосфат → (альдолаза) Фосфодиоксиацетон (ФДА) и 3-ФГА (Глицеральдегид-3-Ф).

   • Изомеризация: Фосфодиоксиацетон (ФДА) ⟷ (триозофосфатизомераза) 3-ФГА (Глицеральдегид-3-Ф).

2. Этап гликолитической оксидоредукции — превращение глицеральдегид-3-фосфата в лактат. Включает окислительно-восстановительные реакции и реакции фосфорилирования, сопровождающиеся генерацией АТФ.

   • Дегидрирование и фосфорилирование: 2 3-ФГА ⟷ (глицеральдегид-3-Ф дегидрогеназа) 2 1,3-ДФГ (дифосфоглицерат).

   • Фосфорилирование: 1,3-ДФГ ⟷ (фосфоглицераткиназа) 3-ФГ.

   • Изомеризация: 3-ФГ ⟷ (фосфоглицератмутаза) 2-ФГ.

   • Дегидратация: 2-ФГ ⟷ (енолаза) ФЕПВК (фосфофенол ПФК) + Н2О.

   • Фосфорилирование: ФЕПВК ⟶ (пируваткиназа) ПВК.

   • Гидрирование (в анаэробных условиях): ПВК ⟷ (лактатдегидрогеназа) лактат.

Реакции гликолиза

Если гликолиз проходит в аэробных условиях, реакция N10 является последней, и пируват уходит в ПВДГ-комплекс, где окисляется в ацетил-КоА и отправляется в цикл Кребса. Если же клетке не хватает кислорода, гликолиз становится анаэробным и протекает полностью, включая реакцию N11, для которой НАДН∙Н+ мы берем из реакции N6.

В анаэробных условиях окисление НАДН∙Н+, восстановленного в глицеральдегид-фосфатдегидрогеназной реакции, происходит в лактатдегидрогеназной реакции. В аэробных условиях НАДН∙Н+ окисляется кислородом с участием ферментов дыхательной цепи, а выделяющаяся при этом энергия используется на синтез 1,5 или 2,5 моль АТФ (в зависимости от челночного механизма транспорта гликолитического НАДН∙Н+ в митохондрию).

Энергетический баланс гликолиза — две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. На I этапе гликолиза расходуются две молекулы АТФ для активирования субстрата (в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях). На II этапе образуются четыре молекулы АТФ (в фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакциях). Синтез АТФ осуществляется путем субстратного фосфорилирования.

Ключевые ферменты гликолиза:

1. Гексокиназа — это регуляторный фермент гликолиза во внепеченочных клетках. Гексокиназа аллостерически ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа — регуляторный фермент гликолиза в гепатоцитах. Синтез глюкокиназы индуцируется инсулином.

2. Фосфофруктокиназа-1. Это главный ключевой фермент, катализирует реакцию, лимитирующую скорость всего процесса (наиболее медленная реакция). Синтез фермента индуцируется инсулином. Аллостерические активаторы — АМФ, АДФ, фруктозо-2,6-дифосфат. Уровень фруктозо-2,6-дифосфата увеличивается под действием инсулина и понижается под действием глюкагона. Аллостерические ингибиторы — АТФ, цитрат.

3. Пируваткиназа. Фермент активен в нефосфорилированной форме. Глюкагон (в гепатоцитах) и адреналин (в миоцитах) стимулируют фосфорилирование фермента, а значит инактивируют фермент. Инсулин, наоборот, стимулирует дефосфорилирование фермента, а значит активирует фермент. Аллостерический активатор — Фр-1,6-ФФ. Аллостерический ингибитор — АТФ, ацетил-КоА. Синтез фермента индуцирует инсулин.

Биологическая роль гликолиза:

• Генерирование АТФ (в результате получаем 2 молекулы АТФ).

  • Гликолиз — единственный процесс в клетках, продуцирующий АТФ без потребления кислорода. Клетки, имеющие мало или не имеющие вообще митохондрий, получают АТФ только в ходе гликолиза.

  • Гликолиз — единственный процесс, продуцирующий АТФ в эритроцитах и поддерживающий их целостность и функции.Наследственный дефект пируваткиназы сопровождается гемолитической анемией. При этой патологии эритроциты имеют от 5 до 25% нормальной пируваткиназной активности и, следовательно, скорость гликолиза низкая.

  • Роговица так же не имеет митохондрий и гликолиз – единственный источник АТФ для неё.

• Центральный путь катаболизма, как глюкозы, так и других моносахаридов.

• Метаболиты гликолиза – источники углеводородных радикалов для процессов биосинтеза в клетках.

• Аэробный гликолиз – первый этап аэробного распада (окисления глюкозы).