Замай Т.Н. и др. Биохимия

Подождите немного. Документ загружается.

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

6.3. Гликолиз



Биохимия. Учеб. пособие

-71-

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ ПЕРВОЙ СТАДИИ ГЛИКОЛИЗА

Рис.12. Гликолиз

1. Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ

Эта реакция запускает гликолиз. Нейтральная молекула глюкозы

активируется для участия в последующих реакциях путем фосфорилирования

за счет АТФ, которое превращает ее в отрицательно заряженную частицу.

Количество свободной глюкозы в клетке невелико, большая часть глюкозы

находится в фосфорилированном состоянии. В результате фосфорилирования

глюкозы в 6 положении образуется D-глюкозо-6-фосфат. Этот процесс

фосфорилируется ферментами 2 типов, различающимися по своей

специфичности в отношении сахаров - гексокиназой и глюкокиназой:

AТФ + D-глюкоза → АДФ + D-глюкозо-6-фосфат,

∆

′

= – 4 ккал

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

6.3. Гликолиз



Биохимия. Учеб. пособие

-72-

Гексокиназа более важный фермент, используется в большинстве

клеток. Катализирует фосфорилирование глюкозы, фруктозы, маннозы и др.

Существует в виде нескольких изоферментов.

2. Превращение глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат

Реакцию изомеризации катализирует фосфоглюкоизомераза.

D-глюкозо-6-фосфат ↔ D-фруктозо-6-фосфат,

∆

′

= + 0,4ккал

3. Образование фруктозо-1,6-дифосфата

Фосфорилирование в положении 1 осуществляется

фосфофруктокиназой:

АТФ + фруктозо-6-фосфат→АДФ + фруктозо-1,6-дифосфат,

∆

′

= – 3,4 ккал

Этот фермент является регуляторным, аллостерическим и регулирует

гликолиз. Реакция практически необратима.

4. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата

Эта реакция катализируется альдолазой.

Фруктозо-1,6-дифосфат → Диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид-3-фосфат,

∆

′

= +5,73 ккал

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

6.3. Гликолиз



Биохимия. Учеб. пособие

-73-

5. Взаимопревращение триозофосфатов

В гликолизе участвует только глицеральдегид-3-фосфат.

Диоксиацетонфосфат с помощью фермента триозофосфатизомераза

превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Диоксиацетонфосфат ↔ D–глицеральдегид–3–фосфат

ВТОРАЯ СТАДИЯ ГЛИКОЛИЗА

Эта стадия включает окислительно-восстановительные реакции и

реакции фосфорилирования, в процессе которых генерируется АТФ.

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата

Это один из наиболее важных этапов гликолиза, поскольку энергия,

освобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-

фосфата, сохраняется в форме высокоэнергетического продукта окисления

1,3-дифосфоглицерата. Фермент- глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа.

Глицеральдегид-3-фосфат + НАД

+ Фн → 1,3-дифосфоглицерат + НАД*Н + Н

∆

′

= +1,5 ккал

НАД

- окислительно-восстановительный кофермент –

никотинамидадениндинуклеотид, служит переносчиком электронов от

глицеральдегид-3-фосфата, играющего роль донора электронов, к пирувату.

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

6.3. Гликолиз



Биохимия. Учеб. пособие

-74-

7. Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ

В результате реакции, катализируемой фосфоглицераткиназой, одна из

фосфатных групп (1) переносится на АДФ с образованием АТФ и 3-

фосфоглицерата:

1,3-фосфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ,

∆

′

= - 4,5 ккал

Энергия, освобождающаяся при окислении альдегидной группы до

карбоксильной запасается в виде энергии фосфатных связей АТФ.

8. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат

Эта реакция, при которой фосфатная группа переносится из положения

3 в глицериновой кислоте в положение 2, катализируется ферментом

фосфоглицеромутазой.

3–фосфоглицерат ↔ 2–фосфоглицерат,

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием

фосфоенолпирувата

Это вторая реакция в результате которой образуется

высокоэнергетическая связь, катализируется енолазой:

2-фосфоглицерат → Фосфоенолпируват + Н

О,

∆

′

= + 0,44 ккал

10. Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на АДФ

Катализируется пируваткиназой:

Фосфоенолпируват + АДФ → Пируват + АТФ,

∆

′

= - 7,5 ккал

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ГЛИКОЛИЗ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

6.3. Гликолиз



Биохимия. Учеб. пособие

-75-

11. Восстановление пирувата до лактата

Пируват восстанавливается до лактата, присоединяя электроны,

первоначальным источником которых служит глицеральдегид-3-фосфат.

Роль переносчика электронов играет НАД. Реакция катализируется

лактатдегидрогеназой:

Пируват + НАД*Н + Н ↔ Лактат + НАД

∆

′

= - 6,0 ккал

ЛДГ имеет 5 изоферментов. Лактат - конечный продукт гликолиза в

анаэробных условиях - выделяется через цитоплазматическую мембрану

клетки в окружающую среду как отброс.

ПОЛНЫЙ БАЛАНС ГЛИКОЛИЗА

Глюкоза + 2 АТФ + 2 НАД

+ 2 Фн + 4 АДФ + 2 НАДН +2Н

→

→ 2 Лактат + 2 АДФ + 2 НАДH + 2H

+ 2 НАД

+ 4 АТФ + 2 Н

Вычеркнув одни и те же члены получим:

Глюкоза + 2 Фн + 2 АДФ → 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н

Суммарный процесс гликолиза состоит в превращении одной молекулы

глюкозы в две молекулы лактата и 2 молекул АДФ в 2 молекулы АТФ, кроме

того от глицеральдегид-3-фосфата к пирувату переносится 4 электрона в

форме 2 НАДН +2Н

. И хотя гликолиз включает 2 окислительно-

восстановительных этапа, суммарного изменения степени окисления в

результате этого процесса не происходит.

Гликолиз у животных и человека протекает во многих клетках, но его

значение для разных органов различно. Интенсивно гликолиз протекает в

белых мышечных волокнах, эритроцитах, злокачественных опухолях,

мозговой ткани, сетчатке, коже, мозговом слое почек.

ТЕМА 6. ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА



Биохимия. Учеб. пособие

-76-

Процесс анаэробного расщепления углеводов может начаться не с

глюкозы, а с гликогена. Гликоген может быстро превращаться в глюкозу.

Полный набор ферментов гликолиза характерен для мышц и печени человека

и животных. Включение гликогена в процесс гликогенолиза осуществляется

3 дополнительными ферментами – гликогенфосфорилазой, амило-1,6-

глюкозидазой (изоамилазой) и фосфоглюкомутазой.

Гликоген→глюкозо-1-фосфат→глюкозо-6-фосфат→…→2 лактат

В молекуле гликогена две связи – α (1→4) и β(1→6).



Биохимия. Учеб. пособие

-77-

Аэробные клетки получают большую часть энергии за cчет дыхания,

при котором электроны переносятся от органических молекул (играющих

роль клеточного топлива) на молекулярный кислород.

В процессе гликолиза высвобождается лишь очень незначительная

часть химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из

молекулы глюкозы. При полном окислении глюкозы, т.е. при ее окислении

до СО

и Н

О, высвобождается значительно большее количество энергии.

Глюкоза

→

2 Лактат,

∆

′

= – 47 ккал (гликолиз)

Глюкоза + 6 О

→

6 СО

+ 6 Н

О,

∆

′

= – 686 ккал (дыхание)

При сбраживании глюкозы продукты брожения, которые в анаэробных

условиях уже не могут быть использованы клеткой и поэтому выводятся из

нее, все еще содержат значительную часть той энергии, которая была

заключена в молекуле глюкозы. Поэтому для получения того же количества

энергии клеткам, находящимся в анаэробных условиях, приходится

расходовать гораздо больше глюкозы, чем тем же самым клеткам в условиях

аэробиоза.

Почему при дыхании выход энергии намного больше, чем при

гликолизе? Прежде всего это объясняется тем, что продукт гликолиза -

молочная кислота - соединение столь же сложное, как глюкоза, и его

углеродные атомы имеют ту же степень окисления (соотношение между

числом атомов углерода и водорода то же, что и в глюкозе), тогда как

продукт дыхания - СО

- значительно более простое соединение, у которого

единственный атом углерода полностью окислен. Вторая причина

заключается в том, что количество энергии, которое может быть получено

при переносе пары электронов от данной молекулы клеточного топлива к

акцептору электронов, сильно варьирует в зависимости от природы

акцептора. Когда акцептором электронов служит кислород, как это бывает

при дыхании, количество высвобождающейся энергии оказывается намного

большим, чем при гликолизе, при котором роль акцептора играет пируват.

Ацетильные группы, образовавшиеся из углеводов, жиров и

аминокислот на второй стадии катаболизма, вступают в 3 стадию, т.е. в цикл

трикарбоновых кислот – общий конечный путь окислительного катаболизма

ТЕМА 7. АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

7.2. Общая схема дыхания



Биохимия. Учеб. пособие

-78-

всех видов клеточного топлива в аэробных условиях. В этом цикле

ацетильные группы расщепляются с высвобождением СО

и атомов

водорода. Последние (или соответствующие им электроны) включаются в

дыхательную цепь, состоящую из серии переносчиков электронов. Процесс

переноса электронов по дыхательной цепи к конечному акцептору

электронов - молекулярному кислороду - сопровождается очень большим

уменьшением свободной энергии. Значительная часть этой энергии

запасается в виде АТФ, которая образуется в результате сопряженного с

окислением фосфорилирования АДФ (рис.13

Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот описывается

уравнением:

Ацетил-СоА + 3НАД

+ ФАД + ГДФ + Ф

+ Н

→

2 СО

+ 3НАДН +ФАДН

+ ГТФ +

2Н

+ СоА

Основная функция цикла заключается в дегидрировании уксусной

кислоты, которое в конечном счете приводит к образованию 2 молекул СО

и 4 пар атомов водорода. Этот процесс включает ряд последовательных

ферментативных реакций, замкнутых в цикл (в отличие от реакций

гликолиза, которые следуют одна за другой в линейном порядке). При

каждом обороте цикла молекула уксусной кислоты (2 атома углерода)

вступает во взаимодействие с молекулой 4-углеродного соединения –

щавелево-уксусной кислоты – образуя 6-углеродное соединение –

лимонную кислоту. Затем лимонная кислота разрушается с образованием 2

молекул СО

и 4-углеродного соединения - янтарной кислоты. Последняя в

конечном счете окисляется до щавелевоуксусной кислоты, которая может

снова включаться в цикл. При каждом обороте в цикл вовлекается 1

молекула уксусной кислоты и образуется 2 молекулы СО

. Одна молекула

щавелевоуксусной кислоты расходуется на образование лимонной кислоты,

но в конце цикла регенерирует. Поэтому практически щавелевоуксусная

кислота в цикле не расходуется: одной ее молекулы достаточно для

окисления неограниченного количества молекул уксусной кислоты.

Аэробное дыхание распадается на две стадии. В первой при

достаточном количестве кислорода каждая молекула пирувата поступает в

митохондрию, где она полностью окисляется аэробным путем. Сначала

происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, т.е. отщепление

СО

с одновременным окислением путем дегидрирования. Во время этих

реакций молекула пирувата соединяется с веществом, которое называется

коферментом А (КоА или КоА-SH), в результате чего образуется

ТЕМА 7. АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

7.3. Окисление пирувата до ацетил-КоА



Биохимия. Учеб. пособие

-79-

ацетилкофермент А. Количество выделяющейся при этом энергии

достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А

высокоэнергетической связи. Этот процесс представляет собой

необходимую стадию, благодаря которой углеводы (через пируват)

включаются в цикл. КоА выполняет функцию переносчика ацильных (в

данном случае ацетильных групп), точно также как АТФ выполняет

функцию переноса фосфатных групп. Ацетилированная форма КоА (ацетил-

КоА) представляет собой тиоэфир, в образовании которой участвует

карбоксильная группа уксусной кислоты и тиоловая группа КоА. Тиоэфирная

связь относится к высокоэнергетическим связям, что означает, что

стандартная свободная энергия гидролиза ацетил–S–КоА выражается

большой отрицательной величиной

Ацетил–S–КоА + Н

О → Ацетат + КоА – SH

∆

′

= – 7,52 ккал

Окислительное декарбоксилирование пирувата до Ацетил–КоА и СО

требует присутствия трех различных ферментов и пяти коферментов,

объединенных в один мультиферментный комплекс –

пируватдегидрогеназную систему.

Суммарная реакция имеет вид:

СН

СОСООН + КоА–S – H + НАД

→ СН

СО ~ S – КоА + СО

+ НАДH + Н

НАДH, являющийся продуктом этой реакции, отправляется в

дыхательную цепь митохондрий.

Пируватдегидрогеназный комплекс избирательно ингибируется

мышьяком, а также АТФ, которая служит негативным модулятором. Всякий

раз, как содержание АТФ в клетке начинает превышать определенный

уровень, пируватдегидрогеназная система, поставляющая “топливо” для

цикла Кребса, сразу же выключается. “Топливом”, поступающим в цикл

трикарбоновых кислот, служит ацетил–КоА – конечный продукт сложных

превращений, катализируемых пируватидегидрогеназой.

ТЕМА 7. АЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

7.3. Окисление пирувата до ацетил-КоА



Биохимия. Учеб. пособие

-80-

Рис.13. Общая схема дыхания

(

)

Вторую фазу аэробного дыхания составляет цикл Кребса (названный

так в честь открывшего его исследователя – сэра Ганса Кребса). Ацетильная

группа ацетил–КоА, содержащая 2 атома углерода, включается в цикл Кребса

при гидролизе ацетил–КоА. Она присоединяется к щавелевоуксусной

кислоте – четырехуглеродному соединению, в результате чего образуется

шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия, ее

поставляет высокоэнергетическая связь ацетил–КоА. Далее следует цикл

реакций, в которых ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе

ацетил–КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов

водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул СО

. При

декарбоксилировании для окислении двух атомов углерода до СО

используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды. Этот процесс

носит название окислительного декарбоксилирования. В конце цикла

молекула щавелевой кислоты регенерируется. Теперь она способна вступить

в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА и цикл повторяется. На каждую

окисленную молекулу ацетил–КоА образуется: одна молекула АТФ, 4 пары

атомов водорода, 2 молекулы СО

. Водородные атомы присоединяются к

НАД

или ФАД и попадают в дыхательную цепь. Поскольку из одной

окисленной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ацетил-КоА, для

окисления каждой молекулы глюкозы в процессе дыхания требуется 2

оборота цикла. Поэтому в конечном итоге при окислении одной молекулы

глюкозы синтезируется 2 молекулы АТФ, выделяется 4 молекулы СО

высвобождается 8 пар атомов водорода, поступающие затем в дыхательную

цепь.