Характеристика и значение основных путей расщепление углеводов в клетке. Гликолиз, цикл лимонной кислоты, пентозофосфатный цикл

Гликолиз – анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом освобождается энергия АТФ. При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза -ПВК до CO₂ и H₂O в цикле трикарбоновых кислот. Реакция осуществляется в митохондриях при участии O₂. Полная цепь реакции гликолиза было выявлена к середине 30-х годов Ивановым, Костычевым, Лебедевым, Парнасом, Мейергофом. Гликолиз протекает в две стадии: 1) подготовительная. Различные гексозы вовлекаются в гликолиз. Инертные молекулы за счет АТФ превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегида-3-фосфата.

Глюкоза (гексокиназа) +АТФ+Mg² (с выходом АДФ)→ Глюкозо-6ф (глюкозофосфатизомераза) → фруктоза –6ф (фосфофруктокиназа) + АТФ+ Mg²(с выходомАДФ)→Фруктоза1,6-дифосфат-(дифосфатальдолаза)→фосфодиоксиацетат+глицероальдегид-3ф→

2-ая стадия- окислительная.

Глицеральдегид-3 фосфат окисляется до ПВК или молочной кислоты. Энергия накапливается в АТФ, образуется восстановительные эквиваленты НАДН.

1) изомеризация гл.-6-ф-та во фр. 6 ф-т гл.-6-ф-т ф-р – 6 – ф-р

2) фосфорилирование фр.-6-ф-та с образованием ФР-1,6 диф-т. это пусковая реакция (АТФ→АДФ). Необратим (уменьшение свободной энергии).

3) расщепление фр - 1,6 ф-та.

4) изомеризация триозофосфатов.

5) гликолиз– окислительно-восстановительный процесс. НАД восстанавливается в НАДН, а альдольная гр. окисляется в COOH гр. Высвобождается энергия, т.о. происходит субстратное фосфориливание.

6) Богатая энергией фосфорильтая группа переносится на АДФ АТФ.

7) Фосфатная гр. переносится из положение 3 в 2.

8) Внутримолекулярные, окислительно – восстановительный степени окисление C – 2 кислоты уменьшается, а C-1 увеличивается.

9) В результате- образование высокоэнергетического соединения ФЕПВК. Т. о. происходит субстратное фосфорелирование.

10) Перенос фосфорильной гр. на АДФ. Эта реакция экзотермическая. Признак необратимости.

11) Восстановление ПВК до молочной к-ты с участием НАДФН. Равновесие смещено в сторону образования молочной кислоты: кофермент НАД вып-т роль переносчика электронов. В аэробных условиях лактат может превращаться в пируват. В анаэробных – конечный продукт – лактат. Кофермент ФАДН₂ вводит электроны и протоны в дыхательную цепь митохондрии.

Синтез АТФ за счет расщепления сверхэнергетического субстрата. В 9-й энергия окисления 2-го атома увеличивается, а третьего сниж. КПД гликолиза, т.е. энергетическая эффективность составляет 35%. Лишь 1/3 энергии выделяется, запасается АТФ.

Цикл лимонной кислоты. В ЦТК происходит полное расщепление ПВК до CO₂ и воды. Этот цикл был открыт Крэбсом в 1937 г. (цикл Кребса). Все реакции цикла протекают в матриксе митохондрий. Подготовительная фаза – окисление ПВК до ацетил-коэнзима А. ПВК + НАД⁺ + КОА ацетил КОА + НАДН +Н⁺ + CO₂.

Процесс определен значительным уменьшением свободной энергии, практически необратим.

ЦТК: образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования ПВК ацетил кофермента-А, вступает в ЦТК, конденсируется с молекулой ЩУК, образуется лимонная кислота. Реакция катализируется аконитгидратазой. Далее изолимонная кислота дегидрируется и декарбоксилируется. Под действием цитрат дегидрогеназы с образованием CO₂ и - кетоглутаровой кислоты. Коферментом митохондриальной изоцетратдегидрогеназы служит НАД⁺. Фермент активируется под действием АДФ. При любых условиях, вызывающих повышение концентрации АДФ в клетке увеличивается скорость окисления изолимонной кислоты. Увеличение концентрации АТФ и накопление НАДН приводит к выключению изоцитратдегидрогеназы, замедлению реакционного цикла. Следующая реакция – окислительное декарбоксилирование - кетоглутаровой кислоты до янтарной кислоты. Коферменты: ТДФ, ЛК, КоА, НАД⁺, ФАД. Первая стадия окислительного декарбоксилирования - кетоглутаровой кислоты включает в себя окисление и декарбоксилирование. Конечный продукт этой реакции – сукцинил – КоА. На следующем этапе сукценилКоА утрачивает КоА – группу. Освобождающаяся энергия заполняется в фосфатной связи ГТФ.

Реакции катализируется сукценил КоА –синтетазой. Далее окисляется янтарная кислота до фумаровой. Катализатор –сукцинат дегидрогеназа – флавопротеноид. ФАД здесь – акцептор водорода. Через сукцинатдегидрогеназу электроны и протоны от ФАДН₂ входят в дыхательную цепь. Далее реакция в матриксе- обратимая гидратация фумаровой кислоты с участием фермента фумаратгидратазы, образуется яблочная кислота. Далее НАД – зависимая малатдегидрогеназа катализирует окисление яблочной кислоты в ЩУК, которая вступает в новый цикл реакций.

За счет окисления 1-го моля ПВК получается 15 молей АТФ. Из одной молекулы глюкозы две молекулы ПВК 30 молей АТФ.

Значение:

1) Окисление и расщепление восстановленных субстратов. И далее с использованием O₂ идет восстановление H₂O.

2) Энергетический баланс 30 молекул АТФ.

3) Промежуточные продукты идут на синтез ряда веществ.

Пентозофосфатный путь:

Первая фаза – окислительная: глюкоза-6-фосфат окисляется до пентозофосфатов. Вторая – неокислительная – взаимопревращение 3-4-5-6-7-8 углеводных фосфатов, в результате которые регенерируются глюкоза-6-фосфат.

Окислительная фаза – 1) дегидрирование глюкозо–6ф, катализируется в глюк-6-фосфат дегидрогиназа, кот. использует в кач-ве акцептора электронов НАДФ⁺ Д-глюкозо-6ф+ПАДФ↔6-фосфоглюконолактон+НАДФН +Н⁺

2) Лактон гидролизуется до 6-фосфоглюконовой к-ты, kat-глюконолактоназа

3) Кислота дегидрируется и декарбоксилируется, под действием рибулозофрсфата 3-эпимеразы он может превращаться обратно в ксилулозо-5ф, кот при участии рибозофосфат изомеразы способен обратимо превращаться в рибозо-5ф

4) При определенных условиях на этом путь завершается, глюк-6ф +2 НАДФ⁺ пентозо-5ф+ СО2+2НАДФ+2Н⁺.

Неокислительная стадия, она протекает в анаэробных условиях.

1. Транскетолаза осуществляет перенос гликоальдегидной гр (СН2ОНСО^-) от ксилулозо-5ф к рибозо-5ф, промежуточные переносчики является ТДФ.

2. Трансальдолаза действует на продукты реакции. Перенос дегидрооксиацетона от седогептулозы-7ф на глициральдегид-3ф, в рез-те чего обр-ся фруктозо-6ф и эритрозо-4ф

3. Ксилулозо-5ф +эритрозо-4ф при участии транскетолазы обр-ся фруктозо-6ф и глицероальдегид-3ф. Посредством пентозофосфатного цикла может происходить полное окисление глюкозо-6ф до СО2.

6 глюк-6-ф + 7 Н2О + 12 НАДФ=5 глюк-6-ф + 6 СО2 + 12 НАДФН +12Н⁺ или гл-6ф+7 Н2О +12 НАДФ = 6СО2+12НАДФН+12Н⁺+Н3РО4

Значение- этот путь генерирует в цитоплазме востановитель в форме НАДФН, поставляет пентозофосфаты для синтеза н.к. и нуклеотидов.