Катаболизм глюкозы – основной поставщик энергии для большинства клеток организма.
Аэробный распад протекает в условиях достаточного снабжения тканей кислородом. Он включает несколько стадий:
1. Аэробный распад глюкозы до двух молекул пирувата в гиалоплазме клеток,который можно разделить на 2 этапа:
а)подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз.
б) основной этап, сопряженный с синтезом АТФ. В результате серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват.
2. Превращение пирувата в ацетил-КоА и окисление последнего в цикле Кребса
3. Дыхательная цепь
Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Это обратимая реакция изомеризации протекает при участии глюкозофосфатизомеразы. Затем следует еще одна реакция фосфорилирования за счет АТФ, катализирует ее фосфофруктокиназа. В ходе этой реакции фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Этот метаболит далее расщепляется на 2 триозофосфата: фосфоглицериноый альдегид (ФГА) и диоксиацетонфосфат (ДОАФ), реакцию катализирует альдолаза. В последующих реакциях гликолиза используется только ФГА, поэтому ДОАФ превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в ФГА. На этом подготовительный этап заканчивается.
Основной этап аэробного распада включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Сначала происходит окисление ФГАпри участии ФГА-дегидрогеназы. Этот фермент является НАД+-зависимымым. Восстановленный НАД+ затем окисляется в дыхательной цепи (перенос НАДН в митохондрии, где находится дыхательная цепь, происходит при участии челночных механизмов, это связано с тем, что митохондриальная мембрана непроницаема для НАДН). Кроме того, свободная реакция окисления этой реакции концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Продуктом реакции является 1,3-бисфосфоглицерат. Для фосфорилирования используется Н3РО4. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передается на АДФ с образованием АТФ. Катализирует реакцию фосфоглицераткиназа. АТФ в данной реакции образуется путем субстратного фосфорилирования. Продуктом реакции является 3-фосфоглицерат. В следующей реакции происходит перенос фосфата из 3 положения во второе с образованием 2-фосфоглицерата. Из него при отщеплении воды образуется фосфоенолпируват – макроэргическое соединение, фосфатная группа которого в следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ при участии пируваткиназы (это вторая реакция субстратного фосфорилирования). Продуктом реакции является пируват.
Во второй стадии пируват превращается в ацетил-КоА, который сгорает в цикле Кребса и дыхательной цепи (третья стадия) до СО2 и Н2О.
Всего при аэробном окислении глюкозы выделяется 32 АТФ.
Анаэробный гликолиз представляет собой распад глюкозы в анаэробных условиях (условиях недостаточного снабжения кислородом), поэтому он не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ в гликолизе образуется путем субстратногофосфорилирования. Конечным продуктом является лактат (рис. 5).
Все реакции анаэробного гликолиза (11 реакций) протекают в гиалоплазме. Первые 10 реакций до пирувата идентичны аэробному распаду. В последней реакции происходит восстановление пирувата в лактат цитозольным НАДН. Реакцию эту катализирует лактатдегидрогеназа. С помощью этой реакции обеспечивается регенерация НАД+ из НАДН без участия дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от НАДН (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию НАД+. К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма (лактат – тупиковый метаболит). Он выводится в кровь и утилизируется: либо превращается в глюкозу (75%), либо при доступности кислорода окисляется до СО2 и Н2О (25%).
Энергетический выход анаэробного гликолиза составляет 2 АТФ.
Недостатками анаэробного гликолиза являются: малый энергетический выход по сравнению с аэробным распадом и накопление лактата, что приводит к ацидозу, усталости.
Достоинства гликолиза: он полезен при выполнении кратковременной работы, является единственным источником энергии для эритроцитов (в них отсутствуют митохондрии), а также необходим в разных органах при дефиците кислорода (наложение жгута, падение давления, нарушение кровотока).
Регуляция. Регуляторными ферментами гликолиза являются: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Аллостерическими ингибиторами являются АТФ и цитрат. Стимулирует гликолиз инсулин, а тормозят глюкагон, глюкокортикостероиды. Катехоламины тормозят гликолиз в печени и активируют в мышцах.
