I -й этап аэробного распада углеводов

       Протекает в цитоплазме, включает в себя 10 реакций и заканчивается образованием двух молекул пирувата (пировиноградной кислоты).

Условно I-й этап аэробного распада можно разделить на 2 части. Первая часть представляет из себя постепенную активацию молекулы гексозы, завершающуюся ее распадом на две триозы. Такая активация протекает в 2 стадии, первая из которых описана выше (гексокиназная реакция). В ходе вторичной активации в состав молекулы углевода включается еще один остаток фосфорной кислоты, в результате чего образуется бисфосфатная форма гексозы - фруктозо-1,6-бисфосфат:

Рисунок ХХ. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой и ее обходной обратный путь

       Реакция необратима, сопровождается затратой одной молекулы АТФ и катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Фосфофруктокиназа - это один из ключевых ферментов аэробного пути распада углеводов. Максимальная скорость работы фосфофруктокиназы больше, чем V_max гексокиназы. Поэтому, когда в клетку в период интенсивного энергопотребления поступает много глюкозы, скорость всего аэробного пути распада углеводов (как, впрочем, и остальных путей метаболизма глюкозы) ограничивается именно гексокиназой.

       Однако в условиях низкого энергопотребления (например, в покоящейся мышце) накапливаются АТФ и цитрат, избыток которых сильно ингибирует фосфофруктокиназу. В такой ситуации лимитирующим ферментом аэробного пути распада углеводов вместо гексокиназы становится именно фосфофруктокиназа. Из-за ее угнетения в клетке накапливаются фруктозо-6-фосфат и его предшественник глюкозо-6-фосфат. Избыток последнего, в свою очередь, ингибирует гексокиназу, уменьшая использование глюкозы клеткой в целом, и одновременно активирует гликогенсинтетазу, запуская синтез гликогена.

       В условиях дефицита энергии, когда нет избытка АТФ и цитрата, а существует избыток АДФ, то последний активирует фосфофруктокиназу, и тогда скорость всего аэробного пути лимитируется опять гексокиназой.

       В результате фосфофруктокиназной реакции молекула гексозы дестабилизируется (ослабляется) настолько, что образующийся в ней фруктозо-1,6-бисфосфат легко распадается на 2 фосфотриозы. Эти вещества – фосфоглицериновый альдегид (сокращенно – ФГА) и фосфодиоксиацетон (сокращенно – ФДА) являются изомерами и способны к взаимному превращению. Так завершается начальная часть первого этапа аэробного распада распада углеводов, в ходе которой клетка не только не получает энергии, но вынуждена вкладывать ее в виде двух молекул АТФ. Но, как мы увидим в дальнейшем, эти энергетические затраты многократно окупаются в последующих реакциях аэробного распада, и клетка получает прибыль в виде большого количества АТФ, несравнимо большую по сравнению с затратами в начальной части первого этапа процесса.    

       В следующую реакцию первого этапа аэробного пути распада углеводов вступает только ФГА. В результате уменьшается его концентрация, и постепенно весь ФДА переходит в ФГА. Поэтому во вторую часть первого этапа аэробного распада вступают сразу две молекулы ФГА, образовавшиеся из одной молекулы гексозы.

       Вторая часть 1-го этапа начинается с окисления ФГА до ФГК (фосфоглицериновой кислоты) в 6-й реакции.

Рисунок ХХ. Реакция окисления фосфоглицеринового альдегида.

       Эта обратимая реакция катализируется ферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Эта никотинамидная дегидрогеназа способна передавать отщепляемый водород со своего кофермента по системе транспортных челночных механизмов в митохондрию на полную дыхательную цепь, и затем на кислород воздуха, с образованием 2,5 молекул АТФ (путем окислительного фосфорилирования).

Для первого этапа аэробного распада указанная реакция является единственно возможной точкой сопряжения с работой митохондриальных дыхательных цепей посредством транспортных челночных механизмов. Поэтому для первого этапа аэробного распада углеводов характерна лишь относительная независимость от наличия кислорода в клетке.

Поскольку окислению подвергаются сразу две молекулы ФГА, образовавшиеся из одной гексозы, то общий энергетический итог этой реакции - образование 5 АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы, либо на один глюкозный фрагмент молекулы гликогена. Энергии, которая выделяется при этом окислении, хватает и на то, чтобы одновременно обеспечить присоединение фосфата к альдегидной группе. Присоединяется фосфат макроэргической связью. В результате образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-бисфосфоглицерат). Макроэргическая связь реализуется в следующей реакции: происходит субстратное фосфорилирование, и клетка получает еще 2 молекулы АТФ. И, наконец, в последней, 10-й, необратимой реакции первого этапа аэробного распада, также происходит субстратное фосфорилирование с образованием двух АТФ в расчете на одну молекулу гексозы.

Рисунок ХХ. Пируваткиназная реакция, завершающая I-й этап аэробного распада углеводов

       Образующаяся пировиноградная кислота - это конечный продукт первого этапа аэробного распада углеводов.

       В целом, энергетику первого этапа аэробного распада глюкозы можно описать следующим образом:

1. Затрата 2 АТФ на активацию глюкозы (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции).

2. Образование 5 АТФ путем окислительного фосфорилирования при окислении двух молекул ФГА с участием челночных транспортных механизмов.

3. Две реакции субстратного фосфорилирования с образованием 2 АТФ в каждой из них (всего 4 АТФ).

Таким образом, с учетом затрат, общий энергетический выход для первого этапа аэробного распада в расчете на одну молекулу глюкозы составляет 7 молекул АТФ. В случае же распада гликогена отщепляемый глюкозный фрагмент сразу же образуется в виде глюкозо-6-фосфата, и затраты АТФ на гексокиназную реакцию в этом случае не происходит. Поэтому в случае распада глюкозного фрагмента гликогена в ходе первого этапа аэробного распада клетка получает на одну молекулу АТФ больше, чем в случае распада глюкозы – всего 8 молекул АТФ.

Пируват, образующийся в ходе первого этапа аэробного распада, транспортируется в митохондрию, где и подвергается последующим превращениям.

Второй и третий этапы аэробного распада углеводов являются исключительно аэробными. Они протекают в митохондриях с обязательным участием кислорода, и посредством многих реакций жестко связаны с работой дыхательных цепей митохондриального окисления. Основное количество молекул АТФ, получаемое клеткой при аэробном распаде углеводов, образуется именно в ходе II-го и III-го этапов процесса.