11.2. Катаболизм глюкозы

Расщепление глюкозы в тканях происходит аэробно — с учас­тием кислорода — это основной путь катаболизма. Окисление глюкозы без доступа кислорода — анаэробное превращение, кото­рое начинается с гликогена и заканчивается образованием молоч­ной кислоты, называется гликогенолизом. Если этот процесс начи­нается с глюкозы, то называется гликолизом.

Гликогенолиз. Глюкоза, депонированная в форме гликогена, высвобождается из него при участии фермента гликогенфосфорилазы. Этот фермент катализирует гидролиз 1,4-гликозидной связи невосстанавливающих концов гликогена с образованием глюкозо- 1-фосфата.

Глюкозо-1-фосфат, образующийся из гликогена при участии фосфоглюкомутазы, превращается в глюкозо-6-фосфат, т. е. оста­ток фосфорной кислоты переносится на 6-й углеродный атом глюкозы. Дальнейшие превращения глюкозо-6-фосфата такие же, как при гликолизе.

По местам ветвления гликогена гидролиз связей 1,6 осуществ­ляет фермент декстрин-6-глюкангидролаза.

Гликолиз. Гликолиз — это сложный многоступенчатый биохи­мический процесс. Различают двенадцать основных этапов глико­лиза.

1. Распад глюкозы начинается с ее фосфорилирования с учас­тием АТФ [остаток фосфорной кислоты обозначается — или (Р)]:

В результате образуется глкжозо-6-фосфат. Фермент, осуществляющий эту реакцию — фосфогексокиназа (реже фосфоглюкокиназа). Следует подчеркнуть, что глюкоза способна проходить через клеточные мембраны, а глюкозо-6-фосфат не может, в ре­зультате фосфорилирования глюкозы она «запирается» в клетке.

Глюкозо-6-фосфат, образующийся при гликолизе и гликогенолизе, может подвергаться следующим обменным превращениям:

образуется фруктозо-6-фосфат и происходят дальнейшие этапы гликолиза;

происходит дефосфорилирование с образованием глюкозы и неорганического фосфата;

вовлекается в пентозный путь распада.

2. Фруктозо-6-фосфат образуется в результате изомерного пре­вращения с участием фермента фосфоглюкоизомеразы:

3. В следующей реакции происходит фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с участием АТФ и фермента фосфофруктокиназы, в результате образуется фруктозо-1,6-дифосфат:

4, 5. Наличие двух остатков фосфата на противоположных кон­цах молекулы гексозы приводит к резкому ослаблению связей между 3-м и 4-м атомами углерода. В результате этого молекула углевода легко расщепляется на две молекулы фосфотриозы под влиянием фермента альдолазы:

При этом образуется 3-фосфоглицериновый альдегид (3 %) и диоксиацетонфосфат (97 %), который превращается в 3-фосфоглицериновый альдегид:

Таким образом, итогом первого этапа гликолиза является обра­зование двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида.

На втором этапе 3-фосфоглицериновый альдегид окисляется до пировиноградной кислоты.

6. З-Фосфоглицериновый альдегид под влиянием фермента глицеральдегиддфосфатдегидрогеназы и НАД вступает в реакцию образования 1,3-дифосфоглицериновой кислоты:

При этом в начале реакции образуется фермент-субстратный комплекс, который в присутствии фосфорной кислоты распадает­ся с образованием нативного HS-фермента (глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназы) и 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Энергия окисления 3-фосфоглицеринового альдегида не рассеи­вается в виде теплоты, а используется для образования богатых энергией фосфорных связей 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Богатые энергией (макроэргические) связи в формуле обознача­ются знаком «~». Следует подчеркнуть, что при окислении на суб­стратном уровне происходит восстановлении НАД с образованием НАДН₂, который не может передавать водород непосредственно на дыхательную цепь, поскольку митохондриальная мембрана не­проницаема для НАДН₂. Перенос водорода цитозольного НАДН₂ в митохондрии происходит при участии специальных механизмов.

7. Реакция переноса остатка фосфорной кислоты с богатой энергией связью 1,3-дифосфоглицериновой кислоты на АДФ, в результате образуется АТФ. Реакция происходит с участием фер­мента фосфоглицераткиназы:

Таким образом, энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окисли­тельного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнерге­тических соединений называется субстратным фосфорилированием.

8. З-Фосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, т. е. остаток фосфорной кислоты с 3-го углеродного атома перено­сится ко 2-му углеродному атому глицериновой кислоты:

9. 2-Фосфоглицериновая кислота теряет молекулу воды под действием фермента енолгидратазы, в результате образуется енольная форма 2-фосфопировиноградной кислоты, имеющая макроэргическую фосфатную связь, которая возникает за счет пе­рераспределения энергий связей в молекуле:

10. 2-Фосфоенолпировиноградная кислота под действием фер­мента пируваткиназы отдает остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ, в результате синтезируется молекула АТФ (субстратное фосфорилирование). Енольная форма пировиноградной кислоты затем превращается в кетоформу пирувата:

11. Енолпировиноградная кислота изомеризуется в пировиноградную кислоту:

12. При недостатке кислорода пировиноградная кислота под действием лактатдегидрогеназы с участием НАДН₂ превращается в молочную кислоту, которая является конечным продуктом анаэ­робного расщепления глюкозы в животных тканях:

Лактатдегидрогеназа в аэробных условиях может катализиро­вать образование пировиноградной кислоты из молочной, т. е. ве­сти реакцию в обратном направлении.

При гликолизе из одной молекулы глюкозы образуется две мо­лекулы молочной кислоты и синтезируется четыре молекулы АТФ, две из которых расходуется на фосфорилирование глюкозы (образование глюкозо-6-фосфата) и фруктозо-6-фосфата (образо­вание фруктозо-1,6-дифосфата). Суммарную реакцию гликолиза можно записать в виде следующего уравнения:

Последовательность реакций гликолиза можно представить в виде:

Молочнокислое брожение. Не отличается от гликолиза, так как при этом в качестве конечного продукта распада также образуется две молекулы молочной кислоты. Обычно брожением называют микробиологическое, а гликолизом — тканевое окисление глюко­зы без доступа кислорода.

Этаноловое (спиртовое) брожение. Происходит под действием ферментов дрожжевых клеток. При этом пировиноградная кисло­та декарбоксилируется с участием пируватдекарбоксилазы с обра­зованием уксусного альдегида:

Таким образом, из одной молекулы глюкозы получается две молекулы этилового спирта.

Аэробный путь распада глюкозы является основной формой ее катаболизма. Десять ферментов, катализирующих распад глюкозы до пировиноградной кислоты, локализованы в цитозоле, все ос­тальные — в митохондриях. Пировиноградная кислота, образован­ная в цитозоле, проходит через мембраны митохондрий при учас­тии малатного челночного механизма и подвергается окислитель­ному декарбоксилированию с образованием активированной ук­сусной кислоты (ацетил-КоА).

Реакция происходит под действием сложного мультиферментного комплекса метаболона с молекулярной массой свыше 6 000 000, состоящего из ферментов, осуществляющих многосту­пенчатый процесс биохимических превращений. В результате об­разуется ацетил-SKoA, одна молекула углекислоты, одна молеку­ла воды и три молекулы АТФ:

Реакция окислительного декарбоксилирования подавляется молекулами АТФ, т. е. накопление молекул АТФ служит сигналом для прекращения реакции декарбоксилирования пировиноградной кислоты.