Анаэробное окисление глюкозы

Анаэробный гликолиз включает 2 этапа:

• Активация глюкозы с затратой АТФ
• Окислительный этап, идущий с образованием АТФ

На первом этапе глюкоза расщепляется на 2 триозы:

Таким образом, на первом этапе гликолиза на активирование глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ и образуется 2 молекулы 3-фософоглицеринового альдегида.

На второй стадии окисляются 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида до двух молекул молочной кислоты.

Значение лактатдегидрогеназной реакции (ЛДГ) заключается в том, чтобы в безкислородных условиях окислить НАДН₂ в НАД и сделать возможным протекание дегидрогеназной реакции 3-фосфоглицеринового альдегида.

Суммарное уравнение гликолиза:

глюкоза + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2лактат + 2АТФ + 2Н₂О

Гликолиз протекает в цитозоле. Его регуляцию осуществляют ключевые ферменты –фософофруктокиназа, пируваткиназа. Эти ферменты активируются АДФ и НАД, угнетаются АТФ и НАДН₂.

Энергетическая эффективность анаэробного гликолиза сводится к разнице между числом израсходованных и образовавшихся молекул АТФ. Расходуется 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы в гексокиназной реакции и фосфофруктокиназной реакции. Образуется 2 молекулы АТФ на одну молекулу триозы (1/2 глюкозы) в глицерокиназной реакции и пируваткиназной реакции. На молекулу глюкозы (2 триозы) образуется соответственно 4 молекулы АТФ. Общий баланс: 4 АТФ – 2 АТФ = 2 АТФ. 2 молекулы АТФ аккумулируют в себе ≈ 20 ккал, что составляет около 3% от энергии полного окисления глюкозы (686 ккал).

Несмотря на сравнительно невысокую энергетическую эффективность анаэробного гликолиза, он имеет важное биологическое значение, состоящее в том, что это единственный способ образования энергии в безкислородных условиях. В условиях дефицита кислорода он обеспечивает выполнение интенсивной мышечной работы в начальный период физической нагрузки.

В тканях плода анаэробный гликолиз очень активен в условиях дефицита кислорода. Он остаётся активным в период новорожденности, постепенно сменяясь на аэробное окисление.

Дальнейшее превращение молочной кислоты

• При интенсивном поступлении кислорода в аэробных условиях молочная кислота превращается в ПВК и через ацетил КоА включается в цикл Кребса, давая энергию.
• Молочная кислота транспортируется из мышц в печень, где используется на синтез глюкозы – цикл Р. Кори.

Цикл Кори

• При больших концентрациях молочной кислоты в тканях для предотвращения закисления (ацидоза) она может выделяться через почки и потовые железы.

Аэробное окисление глюкозы

Аэробное окисление глюкозы включает 3 стадии:

1 стадия протекает в цитозоле, заключается в образовании пировиноградной кислоты:

Глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН₂;

2 cтадия протекает в митохондриях:

2 ПВК → 2 ацетил - КоА + 2 НАДН₂;

3 стадия протекает внутри митохондрий:

2 ацетил - КоА → 2 ЦТК.

В силу того, что 2 молекулы НАДН₂ на первом этапе образуются в цитозоле, а окисляться они могут только в митохондриальной дыхательной цепи, необходим перенос водорода от НАДН₂ цитозоля во внутримитохондриальные цепи переноса электронов. Митохондрии непроницаемы для НАДН₂, поэтому для переноса водорода из цитозоля в митохондрии существуют специальные челночные механизмы. Их суть отражена на схеме, где Х окисленная форма переносчика водорода, а ХН₂ – его восстановленная форма:

В зависимости от того, какие вещества участвуют в переносе водорода через митохондриальную мембрану, различают несколько челночных механизмов.

Глицерофосфатный челночный механизм, в котором происходит потеря двух молекул АТФ, т.к. вместо двух молекул НАДН₂ (потенциально 6 молекул АТФ) образуется 2 молекулы ФАДН₂ (реально 4 молекулы АТФ).

Малатный челночный механизм работает на вынос водорода из митохондриального матрикса:

Энергетическая эффективность аэробного окисления.

1. глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН₂ (→8 АТФ).
2. 2 ПВК→ 2 ацетил КоА + 2 НАДН₂ (→6 АТФ).
3. 2 ацетил КоА → 2 ЦТК (12*2 = 24 АТФ).

Итого возможно образование 38 молекул АТФ, из которых необходимо вычесть 2 молекулы АТФ, теряемые в глицерофосфатном челночном механизме. Таким образом, образуется 36 АТФ.

36 АТФ (около 360 ккал) составляют от 686 ккал. 50-60% - это энергетическая эффективность аэробного окисления глюкозы, что в двадцать раз выше, чем эффективность анаэробного окисления глюкозы. Поэтому в тканях при поступлении кислорода анаэробный путь блокируется, и это явление называется эффектом Пастера. У новорожденных аэробный путь начинает активироваться в первые 2-3 месяца жизни.

6.5. 2. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)

Глюконеогенез - это путь синтеза глюкозы в организме из неуглеводных веществ, который способен длительно поддерживать уровень глюкозы при отсутствии углеводов в пищевом рационе. Исходными веществами для него являются молочная кислота, ПВК, аминокислоты, глицерин. Наиболее активно глюконеогенез протекает в печени и почках. Этот процесс внутриклеточно локализован частично в цитозоле, частично в митохондриях. В целом глюконеогенез является процессом обратным гликолизу.

В гликолизе имеются три необратимых стадии, катализируемых ферментами:

· пируваткиназа;

· фосфофруктокиназа;

· гексокиназа.

Поэтому в глюконеогенезе вместо этих ферментов имеются специфические ферменты, которые осуществляют «обход» этих необратимых стадий:

• пируваткарбоксилаза и карбоксикиназа («обходят» пируваткиназу);
• фруктозо-6-фосфатаза («обходит» фосфофруктокиназу);
• глюкозо-6-фосфатаза («обходит» гексокиназу).

Глюкозо-6-фосфат под действием глюкозо-6-фосфатазы переходит в глюкозу, которая выходит из гепатоцитов в кровь.

Ключевыми ферментами для глюконеогенеза являются пируваткарбоксилаза и фруктозо-1,6-дифосфатаза. Активатором для них являются АТФ (на синтез одной молекулы глюкозы необходимо 6 молекул АТФ).

Таким образом, высокая концентрация АТФ в клетках активирует глюконеогенез, требующий затраты энергии и в то же время ингибирует гликолиз (на стадии фосфофруктокиназы), ведущий к образованию АТФ. Данное положение иллюстрирует приведенный ниже график.

Витамин Н

В глюконеогенезе участвует витамин Н (биотин, антисеборейный витамин), который по химической природе представляет собой серосодержащий гетероцикл с остатками валериановой кислоты. Он широко распространён в животных и растительных продуктах (печень, желток). Суточная потребность в нём составляет 0,2 мг. Авитаминоз проявляется дерматитом, поражением ногтей, увеличением или уменьшением образования кожного жира (себорея). Биологическая роль витамин Н:

• участвует в реакциях карбоксилирования;
• участвует в реакциях транскарбоксилирования;
• участвует в обмене пуриновых оснований, некоторых аминокислот.

Глюконеогенез активен в последние месяцы внутриутробного развития. После рождения ребёнка активность процесса возрастает, начиная с третьего месяца жизни.