Дихотомический путь распада глюкозы (гликолиз)

Основным катаболическим процессом деструкции глюкозы в клетках животных и человека является последовательность ряда реакций ее окисления, в результате которых в анаэробных (без участия кислорода) условиях глюкоза превращается в лактат (молочную кислоту), а в аэробных (в присутствии кислорода) – в конечные продукты распада - СО₂ и Н₂О.

Гликолиз (от «glycys» - сладкий и «lysis» - растворение, распад) – это последовательность ферментативных рекций, в процессе которых глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз), или лактата (анаэробный гликолиз), сопровождаясь выделением энергии АТФ. Ниже приведены реакции анаэробного (1) и аэробного (2) гликолиза с учетом всех стехиометрических коэффициентов:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ ¾¾¾¾® 2СН₃СНОНСООН + 2АТФ + 2Н₂О (1)

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + НАД⁺ ¾¾¾¾® 2СН₃СОСООН + 2АТФ +

2Н₂О + 2НАДН^.Н⁺ (2)

Разделение на анаэробный и аэробный гликолиз носит чисто условный характер, поскольку первые реакции гликолиза в присутствии кислорода и без него одни и те же, отличия касаются лишь их скорости и конечных продуктов. При недостатке кислорода реокисление НАДН ^. Н⁺, образовавшегося в ходе гликолиза, осуществляется путем сопряжения с восстановлением пирувата в лактат, а в аэробных условиях НАДН ^. Н⁺ окисляется в ходе кислородзависимого фосфорилирования, результатом которого является образование большого количества АТФ.

В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме животных, растений и микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ.

В аэробных условиях реакции гликолиза, остановившиеся на стадии образования пирувата, составляют первую, начальную стадию деструкции углеводов, связанную с циклом трикарбоновых кислот (см. далее).

Весь этап гликолиза протекает в две стадии.

Первая стадия – подготовительная, или стадия активации глюкозы, которая включает пять реакций и завершается расщеплением глюкозы на две молекулы триозы – глицеральдегидфосфата (рисунок 4.7).

На первой стадии гликолиза глюкозо-6-фосфат претерпевает изомеризацию и превращается в b-D-фруктозо-6-фосфат (на схеме реакция 2), который далее фосфорилируется по первому угле­родному атому с образованием фруктозо-1,6-дифосфата (реакция 3). Это ключевая реакция процесса гликолиза, от которой зависит скорость всего гликолиза в целом.

Фруктозо-1,6-дифосфат подвергается далее дихотомическому распаду на две фосфотриозы (фосфоглицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат) (реакция 4), превращающиеся друг в друга (на схеме реакция 5).

В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере расходования убыль этого соединения воспол­няется за счет фосфодиоксиацетона, который практически полностью в него превращается. Поэтому из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата возникают две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. Все последующие реакции и их продукты удваиваются!

Вторая стадия – стадия генерации АТФ, в которой энергия окислительных реакций трансформируется в энергию химической связи АТФ по механизму реакции субстратного фосфорилирования.

Процесс синтеза бога­той энергией АТФ при непосредственном участии окисляемого субстрата (в данном случае, 3-фосфоглицеринового альдегида) называется окисли­тельным фосфорилированием на уровне субстрата.

1б 1а Первая стадия гликолиза АДФ АТФ (глюкоза)n-1 Фн АТФ АДФ глицеральдегид-3-фосфат дигидроксиацетонфосфат фруктозо-1,6-дифосфат фруктозо-6-фосфат глюкоза глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат гликоген   ф е р м е н т ы: 1 – гексокиназа (глюкокиназа); 1а – гликогенфосфорилаза; 1б – фосфоглюкомутаза; 2 – глюкозофосфатизомераза; 3 – фосфофруктокиназа; 4 – фруктозодифосфатальдолаза (альдолаза); 5 – триозофосфатизомераза. Рисунок 4.7 - Реакции гликолиза, гликогенолиза И спиртового брожения

На второй стадии гликолиза глицеральдегид-3-фосфат окис­ляется при участии фермента фосфоглицеринальдегиддегидрогеназы. В результате окисления связь между остатком фосфоглицериновой кислоты и ферментом становится макроэргической, которая спонтанно распадается в присутствии фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (рисунок 4.8, реакция 6), которая вступает далее в фосфотрансферазную реакцию с АДФ с образованием АТФ и пре­вращается в 3-фосфоглицериновую кислоту (реакция 7).

Вторая стадия гликолиза 11а 11б Фн Н2О АТФ АДФ НАД+ НАД+ НАДН . Н+ НАДН . Н+ НАДН . Н+ НАД+ АДФ АТФ этанол лактат ацетальдегид пируват фосфоенолпируват 1,3-дифосфоглицерат 3-фосфоглицерат 2-фосфоглицерат глицеральдегид-3-фосфат ф е р м е н т ы: 6 – глицеральдегидфосфат дегидрогеназа; 7 – фосфоглицераткиназа; 8 – фосфоглицеромутаза (мутаза); 9 – фосфопируватгидратаза (енолаза); 10 – пируваткиназа; 11 – лактатдегидрогеназа; 11а – пируваткарбоксилаза; 11б – алкогольдегидрогеназа. Рисунок 4.8 - Реакции гликолиза, гликогенолиза