7 семестр / Обмен углеводлв-лекция 1

231

Лекция № 27. Обмен углеводов. Катаболизм. Пентозофосфатный путь

1.Анаэробный и аэробный гликолиз. Энергетика гликолиза.

2.Спиртовое и молочнокислое брожение. Глиоксилатный цикл.

3.Пентозофосфатный путь. Синтез НАДФН и рибозы. Значение процесса в жировой ткани, печени, эритроцитах.

Основные функции углеводов в организме:

1.Энергетическая. За счет окисления углеводов удовлетворяется более половины (55%) всей потребности человека в энергии, Глюкоза служит единственным или основным источником энергии для нервной ткани (в том числе мозга), почек, семенников, эритроцитов и всех тканей эмбриона.

2.Входят в состав структурно-функциональных компонентов клеток и межклеточного вещества. В виде гликозаминогликанов углеводы входят в состав межклеточного вещества. Пентозы используются для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Большое число белков являются гликопротеинами и т.д.

3.Из углеводов в организме могут синтезироваться соединения других классов, в частности липиды и заменимые аминокислоты.

Наиболее распространенный углевод млекопитающих – глюкоза. Она играет роль связующего звена между энергетическими и пластическими функциями углеводов, поскольку из глюкозы могут образоваться все другие моносахариды, и наоборот – разные моносахариды могут превращаться в глюкозу.

Общая схема метаболизма глюкозы

Нуклеотиды Гетерополисахариды

Источником углеводов организма служат углеводы пищи – главным образом крахмал (хлеб и хлебобулочные изделия, макароны и макаронные

232

изделия, картофель, крупы и т.д.), а также сахароза (сахар, варенья и т.д.) и лактоза (в составе молока). Кроме того, глюкоза может образовываться в организме из аминокислот, а также глицерина, входящего в состав жиров.

Переваривание углеводов

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры при действии гликозидаз – ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей.

Переваривание крахмала начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент α-амилаза, расщепляющий α-1,4-гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости находится недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично.

Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает панкреатическая амилаза. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах, поэтому основным продуктом действия панкреатической амилазы является дисахарид мальтоза. Из глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала соединены α-1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Помимо этого, с пищей в организм поступают дисахариды сахароза и лактоза.

Мальтоза, изомальтоза, сахароза и лактоза гидролизуются специфическими гликозидазами – соответственно, мальтазой, изомальтазой, сахаразой и лактазой:

Мальтоза + Н2О → глюкоза + глюкоза Изомальтоза + Н2О → глюкоза + глюкоза Сахароза + Н2О → глюкоза + фруктоза Лактоза + Н2О → глюкоза + галактоза

Дисахаридазы синтезируются в клетках кишечника, однако в просвет кишечника не выделяются, а катализируют реакции гидролитического расщепления субстратов на поверхности клеток, т.е. имеет место пристеночное пищеварение.

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза, фруктоза и галактоза – через клетки кишечника поступают в кровь.

Трансмембранный перенос глюкозы

Поступление глюкозы из крови в клетки происходит путем облегченной диффузии при участии специальных белков-переносчиков. Следовательно, скорость трансмембранного переноса глюкозы зависит только от градиента ее концентрации и количества белков-транспортеров. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, в которых белкитранспортеры (ГЛЮТ-4) являются инсулин-зависимыми. В отсутствие

233

инсулина плазматическая мембрана этих клеток становится непроницаемой для глюкозы.

Катаболизм глюкозы. Аэробный и анаэробный гликолиз.

Термин “гликолиз” происходит от греческих слов glykys – сладкий и lysis – распад, разложение. Гликолиз – процесс окисления глюкозы, в результате которого происходит расщепление глюкозы с образованием 2 молекул пирувата (аэробный гликолиз) или 2 молекул лактата (анаэробный гликолиз).

Химизм процесса

Гликолиз условно можно разделить на две стадии. Первые пять реакций составляют подготовительную стадию гликолиза.

И аэробный, и анаэробный гликолиз начинаются с фосфорилирования глюкозы.

В большинстве тканей реакцию фосфорилирования глюкозы катализируют изоферменты гексокиназы (ГК), в паренхиматозных клетках печени эту реакцию катализирует глюкокиназа (ГлК).

Е1 - гексокиназа или глюкокиназа. Особенности ГК: 1) обладает групповой специфичностью, т.к. катализирует фосфорилирование не только глюкозы, но и других гексоз (фруктозы, маннозы), 2) имеет высокое сродство к глюкозе (Км < 0,1 мМ), поэтому катализирует реакцию с максимальной скоростью при низкой концентрации глюкозы в крови, 3) резко ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Особенности ГлК: 1) обладает стереохимической специфичностью, т.к. катализирует фосфорилирование только глюкозы, 2)

234

имеет низкое сродство к глюкозе (Км ≈ 10 мМ), поэтому катализирует реакцию только при высокой концентрации глюкозы в крови, 3) не ингибируется глюкозо-6-фосфатом.

Образовавшийся в результате 1-ой реакции глюкозо-6-фосфат в отличие от глюкозы не способен проходить через клеточные мембраны (они не проницаемы для заряженных молекул). Таким образом, в результате фосфорилирования глюкоза “запирается” в клетке.

Е2 - глюкозофосфатизомераза Е3 - фосфофруктокиназа

Е4 - фруктозодифосфатальдолаза Е5 – триозофосфатизомераза

Этой реакцией завершается подготовительная стадия гликолиза. В ходе этой стадии на активацию молекулы глюкозы и подготовку к расщеплению на два трехуглеродных фрагмента затрачивается 2 молекулы АТФ:

Глюкоза + 2 АТФ → 2 глицеральдегид-3-фосфат + 2 АДФ

На второй стадии гликолиза (стадии извлечения энергии), также включающей 5 реакций, происходит превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват с запасанием выделяющейся энергии в форме АТФ.

Е6 - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа Е7 - фосфоглицераткиназа Е8 - фосфоглицератфосфомутаза Е9 - енолгидратаза

235

Е10 - пируваткиназа

Таким образом, суммарное уравнение 2 этапа гликолиза выглядит следующим образом:

Глицеральдегид-3-фосфат + НАД+ + 2 АДФ + 2 Н3РО4 → пируват + НАДН·Н+ + 2 АТФ

Суммируя уравнения обоих этапов, получаем:

Глюкоза + 2 НАД+ + 2 АДФ + 2 Н3РО4 → 2 пируват + 2 НАДН·Н+ + 2 АТФ

Для непрерывного протекания гликолиза необходимо реокисление НАДН·Н+, образовавшегося в ходе глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназной реакции, до НАД+. В аэробных условиях продуктом гликолиза в животных тканях является пируват, а НАДН·Н+ снова окисляется до НАД+, отдавая свои электроны в дыхательную цепь.

Челночные механизмы

Поскольку ферменты гликолиза локализованы в цитоплазме, то и НАДН·Н+, образовавшийся в ходе глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции, находится в цитоплазме. Для переноса водорода с цитоплазматического НАДН·Н+ в дыхательную цепь существуют специальные механизмы, называемые челночными: 1) малат-аспартатный – дает на выходе 3 молекулы АТФ, и 2) α-глицеролфосфатный (глицерол-3- фосфатный) – дает на выходе 2 молекулы АТФ.

Рис. Малат-аспартатный челнок

236

Рис. Глицеролфосфатный челнок

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы

Аэробный распад глюкозы не следует путать с аэробным гликолизом. Аэробный распад глюкозы это процесс полного распада глюкозы до СО2 и Н2О. И в этом процессе аэробный гликолиз представляет собой лишь первый этап:

Глюкоза

Глицеральдегид-3-фосфат

Пируват

Ацетил-КоА

СО2 и Н2О

Поскольку в результате подготовительной стадии гликолиза глюкоза окисляется с образованием 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата, начиная с глицеральдегид-3-фосфата вводим коэффициент 2.

При окислении 1 мол. ацетил-КоА до СО2 и Н2О (ЦЛК) образуется 3 молекулы НАДН·Н+, молекула ФАДН2 и молекула ГТФ.

При окислении 1 мол. пирувата до ацетил-КоА образуется 1 мол. НАДН·Н+.

При окислении глицеральдегид-3-фосфата до пирувата образуется 2 молекулы АТФ (путем субстратного фосфорилирования) и молекула НАДН·Н+. Наконец, при окислении глюкозы в глицеральдегид-3-фосфат затрачивается 2 молекулы АТФ.

Итого, 38(40) – 2 = 36(38) молекул АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы.

Аэробный распад глюкозы может происходить во всех органах и тканях. В наибольшей зависимости от аэробного распада глюкозы находится мозг. Он расходует около 100 г глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% всего поступающего в организм кислорода потребляется мозгом (при том, что на долю мозга приходится лишь 2% массы тела). Поэтому как недостаток глюкозы, так и недостаток кислорода проявляют себя прежде всего симптомами со стороны ЦНС – головокружением, потерей сознания, судорогами.

Анаэробный гликолиз

237

В анаэробных условиях образовавшийся при гликолизе НАДН·Н+ реокисляется не за счет кислорода (который отсутствует), а за счет пирувата, восстанавливающегося в лактат:

Лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов - М (muscle) и Н (heart). Известно 5 изоферментов, различающихся набором протомеров.

Изомерные формы ЛДГ1 и ЛДГ2 обнаруживаются в мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением кислородом. Форма ЛДГ3 - в поджелудочной железе, ЛДГ4 и ЛДГ5 в скелетных мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса для лактата и пирувата. ЛДГ5 быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата. ЛДГ1 катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной мышце.

Суммарное уравнение анаэробного гликолиза выглядит следующим образом:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 H3PO4 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О

Т.о. десять ферментов, превращающих глюкозу в пируват, совместно с ЛДГ способны обеспечить синтез АТФ в отсутствие кислорода. В анаэробных условиях АТФ образуется только за счет двух реакций субстратного фосфорилирования. В этих реакциях в расчете на 1 моль глюкозы образуется 4 моль АТФ. После вычитания 2 моль АТФ, потребляемых в подготовительной стадии, получаем чистый выход АТФ при гликолизе – 2 моль АТФ на 1 моль глюкозы.

238

Гликолиз у животных и человека протекает во многих типах клеток, но его значение для разных органов различно. В интенсивно работающих скелетных мышцах аэробный процесс не может обеспечить потребности мышц в энергии. В этих условиях резко усиливается анаэробный путь синтеза АТФ и в мышцах накапливается молочная кислота. Если после ночного сна концентрация лактата в крови составляет 1-2 ммоль/л, то после тяжелой мышечной работы может достигать 20 ммоль/л. Особенно большое значение анаэробный гликолиз имеет при кратковременной интенсивной работе продолжительностью от 30 секунд до 2,5 минут. При более продолжительной интенсивной мышечной работе скорость анаэробного гликолиза довольно быстро уменьшается, а аэробного процесса – возрастает. Через 4-5 минут бега (дистанция 1,5 км) энергия поставляется поровну аэробным и анаэробным процессами, а через 30 минут (10 км) – почти целиком аэробным процессом. В продолжение первой минуты работы благодаря анаэробному процессу достигается гораздо большая мощность, чем при дальнейшей работе. Следует отметить, что при длительной работе в аэробном процессе все в большей мере используется не глюкоза, а жирные кислоты.

Эритроциты вообще не имеют митохондрий, и их потребность в АТФ целиком удовлетворяется за счет анаэробного гликолиза. Интенсивный гликолиз характерен также для клеток злокачественных опухолей.

Пентозофосфатный путь превращений глюкозы

ПФП является альтернативным путем окисления глюкозы. Он не приводит к синтезу АТФ, но поставляет клеткам кофермент НАДФН·Н+, а также обеспечивает клетки рибозой. НАДФН·Н+, использующийся как донор водорода в реакциях восстановления, участвует в реакциях биосинтеза жирных кислот и холестерина, а также в реакциях гидроксилирования, играющих важную роль в функционировании микросомальной цепи обезвреживания чужеродных веществ. Рибоза участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот, а также аминокислоты гистидина.

ПФП может функционировать в печени, жировой ткани, молочной железе, коре надпочечников, эритроцитах и органах, где активно протекают восстановительные синтезы, например синтез жирных кислот. Все ферменты ПФП локализованы в цитозоле.

Реакции ПФП

1 реакция: дегидрирование глюкозо-6-фосфата Реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, ключевой

фермент пентозофосфатного цикла. Образовавшийся в ходе реакции 6- фосфоглюконолактон - соединение нестабильное, которое спонтанно, либо под действием специфической лактоназы гидролизуется.

2 реакция: гидролиз 6-фосфоглюконолактона с образованием 6- фосфоглюконата. Равновесие суммарной реакции сильно смещено в сторону образования НАДФ·Н+.

240

5) ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат

6) седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат эритрозо-4- фосфат + фруктозо-6-фосфат* 7) ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат фруктозо-6-фосфат* + глицеральдегид-3-фосфат*

Суммируя эти реакции, получаем: 2 ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат

Итак, избыток рибозо-5-фосфата, образованный в ПФП, может превращаться в метаболиты гликолиза.