Гексозодифосфатный путь (ГДФ-путь)

 

ГДФ-путь (гликолиз) может протекать аэробно и анаэробно. Аэробный ГДФ-путь функционирует постоянно, а анаэробный распад углеводов на­блюдается только при повышенной потребности клеток в энергии, в основном в скелетных мышцах.

 

Аэробный распад углеводов

Аэробный распад углеводов по ГДФ-пути - сложный, многоста­дийный процесс, включающий десятки промежуточных реакций, при­водящих в конечном счете к образованию углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии. Этот процесс можно разде­лить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап ГДФ-пути происходит в цитоплазме клеток. На этом этапе глюкоза превращается в пировиноградную кислоту (пируват). Этот этап часто называют гликолизом.

СН2РО3Н2

На первой стадии глюкоза путем взаимодействия с АТФ переходит в активную форму - глюкозо-6-фосфат:

СН2ОН

 

 

	ОН

 

НО

ОН

 

 

Глюкозо-6-фосфат

Это единственная реакция, которой подвергается в организме глюкоза. Поэтому все превращения глюкозы в организме начинаются с образования глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат вступает в различные пути метаболизма глюкозы (например, рассмотренный вы­ше синтез гликогена).

На следующих стадиях глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который, взаимодействуя с АТФ, далее превращается во фруктозо-1,6-дифосфат. (Этим объясняется название данного пути рас­пада углеводов - гексозодифосфатный путь, поскольку фруктоза со­держит шесть атомов углерода и относится к гексозам.)

 

Перечисленные реакции можно описать следующими уравнениями:

 

СН2ОРО3Н2

СН₂ОРО₃Н₂

СН2ОРО3Н2

+ АТФ _|

 

он

ОН

				ОН

он Фруктозо-1,6-дифосфат

	ОН

Глюкозо-6-фосфат

	Фруктозо-6-фосфат

 

Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон,

которые являются изомерами и легко переходят друг в друга:

 

НС=О

!

СН2ОРО3Н2

СНОН - ! СН2ОРО3Н2 Фосфоглицериновый альдегид

О=С - СН₂ОН

+!

СН₂ОРО₃Н₂

он он Фруктозо-1,6-дифосфат

Фосфодиоксиацетон

 

В последующих реакциях данного этапа участвует только фосфог­лицериновый альдегид, и по мере его использования в него превраща­ется фосфодиоксиацетон:

Поэтому можно считать, что из глюкозы образуется две молекулы
фосфоглицеринового альдегида.

Следующая стадия - окисление фосфоглицеринового альдегида, протекающее непосредственно в цитоплазме. В ходе этой реакции от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и временно присоединяются к коферменту НАД. За счет выделяющейся при окис­лении энергии в продукт реакции включается еще один фосфатный ос­таток, который присоединяется макроэргической связью:

НС=О НС - 0~Р0₃Н₂

+ НАД + Н3РО4 à

+ НАД-Н2

I НСОН I

I

НСОН

СН2ОРО3Н2

I

Фосфоглицериновый альдегид 1,3-дифосфоглицерат

СН₂ОРО₃Н₂

 

При невысокой скорости распада углеводов (в покое или при работе умеренной мощности) весь образовавшийся НАД-Н₂ передает атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где эти атомы связывают­ся с молекулярным кислородом и превращаются в воду. За счет выде­ляющейся при этом энергии осуществляется синтез АТФ. Как уже от­мечалось, перенос двух ато­мов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

Таким образом, в данных условиях первый этап ГДФ-пути протека­ет аэробно. Поскольку из глюкозы образуется две молекулы фосфог­лицеринового альдегида и соответственно две молекулы восстановлен­ного НАД, то в расчете на одну молекулу глюкозы в процессе тканево­го дыхания осуществляется синтез шести молекул АТФ.

На следующей стадии фосфатный остаток, благодаря наличию мак­роэргической связи, легко передается на молекулу АДФ с образовани­ем АТФ:

Такой способ синтеза АТФ, осуществляющийся без участия тканевого дыхания и, следовательно, без потребления кислорода, обеспеченный за­пасом энергии субстрата, называется анаэробным, или субстратным, фосфорилированием. Это самый быстрый путь получения АТФ.

На последующих стадиях образовавшийся 3-фосфоглицерат изоме-зуется в 2-фосфоглицерат, от которого затем отщепляется молекула воды, что приводит к перераспределению энергии в молекуле и воз­никновению макроэргической связи:

соон I НСОРО3Н2 ! СН2ОН

О=С- ОН ! С-О-РОЭН2

8). 9)

-нон

соон

! СН2 Фосфоенолпируват

I

НСОН —>

I

СН₂ОРО₃Н₂

 

3-фосфоглицерат

2-фосфоглицерат

 

Завершается первый этап ГДФ-пути реакцией анаэробного фосфорилирования, в ходе которой синтезируется еще одна молекула АТФ:

О=СОН ! C=О ! CН3

 

СООН

+ АТФ

С-О~РО₃Н₂ +АДФ à

II

СН₂

Фосфоенолпируват

 

Пируват (Пировиноградная кислота)

Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется две молеку­лы фосфоглицеринового альдегида, всего синтезируется десять моле­кулы АТФ (шесть - аэробно и четыре - анаэробно). При этом следует учесть, что на первых стадиях расходуется две молекулы АТФ на акти­вацию глюкозы и фруктозо-б-фосфата. В итоге превращение глюкозы в пируват сопровождается синтезом восьми молекул АТФ.

Суммируя уравнения всех стадий, можно получить итоговое урав­нение первого этапа:

 

С6Н12О6 + Глюкоза

О2 + 8 АДФ + 8 Н3РО4

2С₃Н₄0₃ + 2Н₂0

Пируват

 

 

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из лактата (см. ниже) может синтезироваться глюкоза, а из нее затем гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути п ротекают в митохондриях с участием дыхательной цепи и поэтому обязательно требуют О_2. Эти этапы, в отличие от первого, необратимы.

В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляется уг­лекислый газ и два атома водорода. Отщепленные атомы водорода по дыхательной цепи передаются на кислород с выделением воды и од­новременным синтезом АТФ, а образовавшаяся из пирувата уксусная кислота присоединяется макроэргической связью к коферменту А -I переносчику остатков кислот.

Кофермент А содержит в своей молекуле остаток витамина B₃ (пантотеновой кислоты) -- и имеет свободную SН-группу. В сокращен­ном виде он обозначается – НS-КоА.

Образовавшийся комплекс уксусной кислоты и кофермента А назы­вается ацетилкофермент А. Уксусная кислота, связанная с кофермен-том А, обладает высокой химической активностью, поэтому ацетилко­фермент А часто называют активной уксусной кислотой.

В одной из реакций этого этапа еще участвует в качестве кофер­мента производное витамина B ₁ - тиаминдифосфат.

'4 Пируват

Итоговое уравнение второго этапа ГДФ-пути:

С₃Н₄О₃ + 1/2 О₂ + HS-КоА + 3 АДФ + 3 Н₃РО₄ —>

КоферментА

H SКоА + СО₂ + Н₂О + 3 АТФ + Ацетил-КоА

 

На третьем этапе остаток уксусной кислоты, входящий в состав ацетилкофермента А, подвергается дальнейшему окислению и пре­вращается в СО₂ и Н₂О. Этот этап носит циклический характер и назы­вается циклом трикарбоновых кислот (ЦТК), или циклом Кребса. За счет выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется син­тез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) - это завершающий этап ката­болизма не только углеводов, но и всех остальных классов органиче­ских соединений. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жи­ров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт - ук­сусная кислота, связанная со своим переносчиком - коферментом А -в форме ацетилкофермента А.

 

Вышесказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

Углеводы Жиры

Белки

(аминокислоты)

 

 

Ацетил-КоА

 

	цтк

 

 

СО2

Н₂О

 

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным потребле­нием кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

COOH

COOH

I

HS-ko A

O II СН3С~HSkoA+

 

 

Лимонная к-та

 

 

 

	ЦТК

Обмен липидов.

Поскольку в пище присутствуют разнообразные жиры, то в результате их переваривания образуется большое количество разновидностей жирных кислот. Продукты расщепления жира всасываются слизистой тонкой кишки. Глицерин растворим в воде, поэтому его всасывание происходит легко. Жирные кислоты, нерастворимые в воде, всасыва­ются в виде комплексов с желчными кислотами. В клетках тонкой кишки глицерин вновь соединяется с жирными кислотами, но только с теми, которые входят в состав жиров организма человека. В результате^: синтезируется человеческий жир.

Вновь образовавшийся (ресинтезированный) жир по лимфатическим сосудам, минуя печень, поступает в большой круг кровообраще­ния и откладывается в запас в жировых депо. Главные жировые депо организма - подкожная жировая клетчатка, большой и малый сальники, околопочечная капсула.

КАТАБОЛИЗМ ЖИРОВ

Использование жира в качестве источника энергии начинается с его выхода из жировых депо в кровяное русло. Этот процесс называется мобилизацией жира. Мобилизация жира ускоряется под влиянием симпатической нервной системы и гормона адреналина.

Основные превращения жира происходят в печени, где имеются ак­тивные ферменты жирового обмена.

В печени жир прежде всего подвергается гидролизу и превращается, так же как и в кишечнике, в глицерин и жирные кислоты.

Образовавшийся глицерин легко переходит в фосфоглицериновый альдегид, который является также промежуточным продуктол распада углеводов и поэтому вовлекается в углеводный обмен.

Жирные кислоты, являясь веществами химически неактивными, вначале активируются с использованием энергии АТФ и связываются своим переносчиком - коферментом А (комплекс жирная кислота кофермент А называется ацилкофермент А):

АТФ + R— СООН + НS-КоА —> R — СО ~ SКоА

Жирная -АМФ

кислота — ФФ Ацил-коэнзим А

ацил-ko А-синтетаза

 

Образовавшийся ацилкофермент А далее с помощью еще одного переносчика – l- карнитина поступает в митохондрии, где происходит окисление жирной кислоты.

Окисление жирных кислот протекает в два этапа. На первом этапе, называемом β-окислением (данное название обусловлено тем, что окислению подвергается углеродный атом жирной кислоты, находящийся в (β-положении), от жирной кислоты, связанной с коферментом А, дважды отщепляется по два атома во­дорода, которые затем по дыхательной цепи передаются на молеку­лярный кислород. В итоге образуется вода, и за счет выделяющейся при этом энергии осуществляется синтез пяти молекул АТФ. Завершается β-окисление от­щеплением от жирной кислоты двууглеродного фрагмента в виде ацетилкофермента А: