Переваривание и всасывание углеводов

Основные углеводы пищи – это крахмал и другие полисахариды, а также дисахариды – сахароза и лактоза. Из моносахаридов встречается лишь глюкоза и фруктоза. В кишечнике всасываются только моносахариды, поэтому при переваривании пищи все углеводные компоненты должны быть расщеплены до свободных моносахаридов.

Расщепление крахмала (гликогена) начинается в полости рта под действием a- амилазы слюны. Фермент атакует гликозидные связи, расположенные внутри цепи (1®4-гликозидные связи), но не расщепляет 1®6-гликозидные связи. Частично переваренный амилопектин (декстрин) расщепляется в тонком кишечнике ферментом амило-a-(1®6)-глюкозидазой. В результате гидролизуются (1®6)-связи и образуются ди- и трисахариды. В свою очередь они атакуются другим ферментом - a-глюкозидазой, или мальтазой, с образованием свободной глюкозы. Амилаза слюны действует на крахмал непродолжительное время, так как после проглатывания пищи она инактивируется кислым содержимым желудка. Поэтому основное переваривание крахмала происходит в тонком кишечнике. Там же расщепляются и дисахариды: лактоза и сахароза.

Глюкоза поглощается эпительными клетками вместе с ионами натрия. Движущей силой переноса глюкозы при этом служит градиент концентрации Na⁺-ионов, создаваемый Na⁺/К⁺-АТФазой. Далее глюкоза покидает покидает эпителиальную клетку через мембрану, обращенную к кровеносному капилляру, и переносится кровью через воротную вену в печень. Фруктоза, в отличие от глюкозы, поглощается клетками пассивно, без участия ионов натрия.

В печени значительная часть всосавшейся глюкозы превращается в гликоген. При необходимости гликоген расщепляется в клетке с высвобождением глюкозы. Запасы гликогена крайне ограничены, весь запас гликогена исчерпывается после суточного голодания.

Синтез и распад гликогена

Синтез гликогена (гликогенез) происходит путем увеличения существующей затравки молекулы гликогена за счет последовательного присоединения отдельных молекул глюкозы.

Синтез гликогена – процесс энергозависимый. Когда глюкоза входит в клетку, она подвергается фосфорилированию посредством АТФ. Эту реакцию в мозге и мышцах катализирует гексокиназа, в печени другой фермент – глюкокиназа. Далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфоглюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат:

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат уже непосредственно вовлекается в синтез гликогена.

На первой стадии синтеза глюкозо-1-фосфат вступает во взаимодействие с уридинтрифосфатом (УТФ), образуя уридинфосфатглюкозу (УФГ-глюкоза) и пирофосфат. Реакция катализируется ферментом глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансферазой (УДФГ- пирофосфорилаза):

Глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ – глюкоза + Пирофосфат.

На второй стадии происходит перенос гликозидного остатка, входящего в состав УДФ- люкозы, на гликозидную цепь гликогена (затравку). При этом образуется a(1® 4)-связь между первым атомом углерода добавляемого остатка глюкозы и 4-гидроксильной группой остатка глюкозы цепи. Эта реакция катализируется гликогенсинтетазой:

Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ и, таким образом, весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.

Печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для своих собственных нужд, сколько для обеспечения поступления глюкозы к другим тканям, особенно к мозгу и эритроцитам. В перерывах между приемами пищи печень расщепляет накопленный в ней гликоген с такой скоростью, чтобы по возможности удерживать на постоянном уровне концентрацию глюкозы в крови.

Ключевую роль в распаде гликогена играет фосфоролитический распад. Под действием гликогенфосфорилазы гликоген распадается с образованием фосфорного эфира глюкозы (глюкозо-1-фосфата):

(С₆ Н₁₀ О₅)_n + Н₃ РО₄ ® (С₆ Н₁₀ О₅)_{n -1} + Глюкозо-1-фосфат,

где (С₆ Н₁₀ О₅)_n означает полисахаридную цепь гликогена, а (С₆ Н₁₀ О₅)_{n -1} - ту же цепь, но укороченную на один глюкозный остаток.

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат далее изомеризуется фосфоглюкомутазой в глюкозо-6-фосфат, который гидролизуется до глюкозы, и последняя выделяется в кровь (рис. 25).

Рис. 25. Распад и синтез гликогена

Окисление глюкозы

Важнейшими источниками энергии для обеспечения физиологических процессов организма является гликоген и глюкоза. За счет распада гликогена (гликогенолиз) обеспечиваются энергией печень и мышцы, тогда как другие органы, в первую очередь мозг, для этой цели используют распад глюкозы.

Окисление глюкозы до СО₂ и НО₂ можно разделить на три этапа.

1. Гликолиз – процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента (молекулы пировиноградной кислоты), сопряженный с восстановлением переносчика электронов; протекает в цитоплазме клетки.

2. Цикл Кребса (синонимы: цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кис-
лот) – совокупность реакций, в результате которых второй и третий атомы углерода пировиноградной кислоты превращаются в СО₂, с восстановлением переносчиков электронов. В этом процессе кислород не участвует.

3. Электронтранспортная цепь – это цепь переноса электронов на О₂, после чего он, забирая из окружающей среды водород в виде протонов, превращается в НО₂. У эукариот эта стадия происходит во внутренней мембране митохондрий. Стадия сопровождается образованием наибольшего количества АТФ.

Гликолиз

Гликолиз – (от. греч. glycys - сладкий и lysis - растворение, распад) – бескислородный распад, в ходе которого синтезируются две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Конечными продуктами гликолиза являются пируват и NADH. Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами.

Первой реакцией является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет АТФ. Реакция катализируется ферментом гексокиназой и считается практически необратимой:

Второй реакций гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат. Реакция легко протекает в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов:

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы. Реакция обратима.

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бифосфогли­цериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН). Реакция протекает в несколько этапов:

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосоглицериновая кислота превращается в 2-фосфо­глицериновую кислоту (2-фосфоглицерат). Реакция легко обратима, протекает в присутствии ионов Mg²⁺.

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg²⁺ или Mn²⁺ и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируватканизы необходимы ионы Mg²⁺, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К⁺ или др.) Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

Последовательность реакций, протекающих при гликолизе, показана на рис. 26.

Глюкоза

Молочная кислота (2 мол)

Рис. 26. Последовательность реакций гликолиза

1 - гексокиназа, 2 - фосфоглюкоизомераза, 3 - фосфофруктокиназа, 4 - альдолаза,
5 - триозофосфоизомераза, 6 - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа,
7 - фосфоглицераткиназа, 8 - фосфоглицератмутаза, 9 - енолаза, 10 - пируваткиназа,
11 - лактатдегидрогеназа

 

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфатных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуется 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Если гликолиз протекает в аэробных условиях, пируват и НАДН поступают в митохондрии, где пируват окисляется до СО₂ и НО₂, а НАДН в НАД.

При анаэробном гликолизе происходит образование молочной кислоты из пирувата. Анаэробный гликолиз происходит в мышцах в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах, в которых нет митохондрий, а также в различных органах и тканях при недостаточном снабжении их кислородом.

У многих микроорганизмов, растущих в анаэробных условиях, гликолиз является основным катаболитическим путем, предназначенным для извлечения пирувата из углеводных субстратов; дальнейшее превращение пирувата приводит к образованию определенных конечных продуктов метаболизма – продуктов брожения. Химическая природа этих продуктов зависит от вида микроорганизма и условий протекания процесса, в которых один и тот же микроорганизм осуществляет брожение.

Основными типами брожений являются спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др.

Цикл Кребса

Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты) представляет серию реакций, протекающих в митохондрий.

Пируват, образовавшийся при гликолизе, попадает внутрь митохондрий, благодаря транспортной системы, обеспечивающей его антипорт с ионами ОН^-.

Ацетильные углеродные атомы с ацетил-КоА, которые ранее принадлежали пирувату, превращаются в СО₂, и параллельно с этим 3 молекулы НАД⁺ восстанавливаются в НАНД, а 1 молекула ФАД – в ФАДH₂. Кроме того, следствием всех этих превращений является синтез ГТФ.

В матриксе митохондрий пируват превращается в ацетил-КоА, после чего ацильная группа пирувата вступает в цикл лимонной кислоты.

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс» (рис.27).

Рис 27. Механизм действия пируватдегидрогеназного комплекса

Е₁ - пируватдегидрогеназа, Е₂ - дигидролипоилацетилтрансфераза,
Е₃ - дигидролипоилдегидрогеназа

 

На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия с тиаминпирофосфатом (ТПФ) в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (Е₁). На II второй стадии оксиэтильная группа комплекса Е1- ТПФ- СНОН- СН₃ окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е₂). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-КоА) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением.

На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид-Е₂. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный в ФАДH₂ дигидролипоилдегидрогенеазы передает водород на кофермент НАД⁺ с образованием НАДН + Н⁺.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях, ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис 28).

Рис. 28. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты)

 

Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятия водорода) и двух декрбоксилирований (отщепления СО₂) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО₂ и НО₂, а молекула оксалоацетата регенерируется.

Первая реакция катализируется ферментом цитратсинтетазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате образуется лимонная кислота:

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрированию с образованием цис -аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимопревращение Н и ОН в молекуле цитрата:

В третьей реакции изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы:

В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ и для проявления своей активности фермент нуждается в Mg²⁺ и Mn²⁺.

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. В реакции участвуют 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-КоА, ФАД и НАД⁺:

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА:

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь, сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней митохондриальной мембраной:

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратдегидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (малат):

В восьмой реакции цикла под влиянием митохондрильной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат:

За один оборот цикла происходит полное окисление («сгорание») одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА, а коферменты (НАД⁺ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны окисляться в системе переносчиков электронов в дыхательной цепи (в цепи дыхательных ферментов), локализованных во внутренней мембране митохондрий.

При окислении глюкозы в результате гликолиза и цикла Кребса образуется: 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы в процессе гликолиза и столько же в цикле лимонной кислоты (с учетом энергетической эквивалентности ГТФ и АТФ); еще одна молекула АТФ образуется, если источником глюкозы служит гликоген. Большая часть энергии запасается в виде 10 молекул НАДН (две из гликолиза, две из пируватдегидрогеназной реакции и шесть из цикла лимонной кислоты) и 2 молекулы ФАДН₂ (из цикла лимонной кислоты). Следует помнить, что из глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, которые обеспечивают 2 оборота цикла.

Основное количество АТФ, синтезируемого из АДФ и Р в ходе окисления глюкозы, образуется при окислении ФАД и НАД⁺.

Цепь переноса электронов

11.3.3.1. Переносчики электронов

Переносчики электронов размещены на поверхности или в глубине внутренней митохондриальной мембраны, которая уложена в кресты, число и плотность упаковки которых кооррелируют с энергетическими потребностями клетки.

Многие переносчики электронов – это белки, содержащие в качестве простетической группы гем.

 

Свойства молекулы гема зависят от белка, к которому он присоединен. Кроме того, гемы в разных цитохромах могут отличаться строением боковых групп и способом прикрепления к апобелку. Поэтому цитохромы могут отличаться редокс-потенциалами, хотя у них у всех простетические группы почти одинаковы.

Переносчики электронов называются цитохромами, так как они окрашены в красный цвет. Разные цитохромы обозначаются буквенными индексами: с₁, с, а, а₃ – в порядке их расположения в цепи.

К другому типу негемовых железосодержащих переносчиков электронов относятся белки, в которых атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка, а также с сульфгидрильными анионами остатков, образуя железо-серные комплексы, или центры (рис. 29).

Рис. 29. Строение железо-серного центра

 

Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны, поочередно переходя в ферро(Fe²⁺)- и ферри(Fe³⁺)-состояния. Железо-серные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами, принимая электроны от сукцинатдегидрогеназы и дегидрогеназ, участвующих в окислении жиров.

Еще одним типом переносчиков является ФМН-содержащий белок. ФМН (флавинаденин-мононуклеотид) – соединение, которое представляет собой флавиновую половину молекулы ФАД. ФМН переносит электроны от ФАДН на железо-серные центры.

Все белковые переносчики – интегральные белки, занимающие в мембране строго фиксированное положение и ориентированные определенным образом. Исключение составляет цитохром с, который непрочно связан с внешней мембраной и легко покидает ее.

 

 

Единственный небелковый переносчик электронов – убихинон, названный так потому, что, с одной стороны, он – хинон, а с другой – встречается повсеместно (от англ. ubiquitious – вездесущий). Сокращенное его название CoQ, UQ или просто Q. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны (рис. 30).

Рис.30. Убихинон – кофермент Q (а)
и его окислительно-восстановительные превращения (б)

 

При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон (органически свободный радикал), а при двухэлекторонном – в гидрохинон. Именно промежуточное образование свободного радикала позволяет убихинону служить переносчиком не двух, а одного электрона. Очень длинный гидрофобный хвост (40 углеродных атомов в десяти последовательно соединенных изопреноидных остатках) придает убихинону способность легко внедряться и свободно перемещаться в неполярном слое внутренней митохондриальной мембраны.

11.3.3.2. Расположение переносчиков

Поток электронов между переносчиками направлен от переносчика с более высоким восстановительным потенциалом (т.е. меньшим редокс-потенциалом) к переносчику с более низким восстановительным потенциалом (т.е. более окисленному, с большим редокс-потенциалом) (рис. 31).

Рис.31. Редокс-потенциалы компонентов дыхательной цепи в митохондриях

 

В митохондриальной цепи переносчики обладают разными редокс-потенциалами.

Переносчики электронов в цепи расположены в цепи так, что DG⁰ (свободная энергия) постепенно уменьшается, а редокс-потенциал, соответственно, возрастает. На каждом этапе передачи электрона соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия.

При окислении глюкозы происходит перенос электронов от НАДН и ФАДН₂ на кислород. В этом процессе участвуют много переносчиков, однако их можно сгруппировать в четыре комплекса, которые встроены в митохондриальную мембрану
(рис. 32).

Рис. 32. Четыре комплекса электронных переносчиков
в митохондриальной мембране

 

Между комплексами электроны перемещаются вместе с подвижными переносчиками: убихиноном и цитохромом с. Убихинон получает электроны от комплексов I и II и передает их комплексу III. Цитохром с служит посредником между комплексами III и IV. Комплекс I переносит электроны от НАДН на Q; комплекс II – от сукцината через ФАДН₂ на Q; комплекс III использует QH₂ для восстановления цитохрома с, а комплекс IV передает электроны с цитохрома с на кислород. Комплексы I, III и IV называют соответственно НАДН-СоQ-редуктазой, СоQН₂-цитохром с -редуктазой и цитохромоксидазой. Комплекс IV – цитохромоксидаза – состоит из нескольких белков. Он получает электроны от цитохрома с с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны. На пути к кислороду эти электроны проходят через цитохромы а и а₃, содержащие атомы меди, которые поочередно переходят в состояния Cu⁺ и Cu²⁺. Цитохромоксидаза осуществляет восстановление свободного кислорода:

О₂ + 4 е^- + 4Н⁺ ® 2Н₂О

 

11.3.3.3. Хемиосмотическая теория Митчелла

Транспорт электронов по дыхательной цепи приводит к генерации АТФ. Концепция механизма сопряжения транспорта электронов с синтезом АТФ была разработана английским биохимиком Питером Митчеллом в 1961 г. (в 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия). Митчелл обнаружил, что поток электронов вызывает выкачивание протонов из митохондрий в окружающую среду, создавая градиент протонов через мембрану (рН внешнего раствора уменьшается). Поскольку протоны являются положительно заряженными частицами, вследствие их выкачивания из митохондрий на мембране возникает разность электрического потенциала (минус - внутри) и разность рН (выше – внутри). В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют (по Митчеллу) протондвижущую силу, которая и является источником энергии для синтеза АТФ (рис. 33).

 

 

 

Рис. 33. Схема синтеза АТФ во внутренней
митохондриальной мембране

 

Протондвижущая сила приводит в действие АТФ-синтазные комплексы, использующие поток электронов для синтеза АТФ из АДФ и Ф. Комплексы представляют собой специализированные протонные каналы (грибовидные выросты, которыми покрыта внутренняя поверхность крист). Комплекс представлен двумя связанными между собой компонентами F₀ F₁, каждый из которых состоит из нескольких белковых молекул. F₀ утоплен в мембране, а F₁ расположен на ее поверхности. Именно в F₁ синтезируется АТФ, тогда как F₀ выполняет функцию собственно протонного канала (рис. 34).

Рис 34. Схематическое изображение «грибовидной» структуры F₀F₁АТФ – синтетазы Е.coli. F₀ компонент пронизывает мембрану, образуя канал для протонов. Предполагается, что F₁ состоит из трех a и трех b субъединиц, организованных так, что они образуют гексамерную структуру наподобие «шляпки гриба», и одной g, одной d и одной e субъединиц, которые формируют «стержень», соединяющий F₀ с F₁ каналом

 

Неизвестно точно, как возникает АТФ при посредстве АТФ-синтетазы. Согласно одной из теорий, при транслокации протонов по F₀-фактору, происходят конформационные изменения в F₁-компоненте, который и синтезирует АТФ из АДФ и Ф.

Каждой паре электронов, перенесенных от НАДН на кислород, соответствует 10 протонов, перекаченных из митохондриального матрикса. Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 2,5 молекул АТФ, а окисление 1 молекулы ФАДН₂ – к синтезу 1,5 молекулы АТФ. Раньше полагали, что синтезируются соответственно, три и две молекулы АТФ. Эти величины принято называть отношениями Р/О, поскольку перенос 2 электронов эквивалентен восстановлению 1 атома кислорода.

Выход АТФ при окислении молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О.

При гликолизе образуется 2 молекулы АТФ (продуцируется 4, но 2 расходуются). При гликолизе в цитоплазме образуется также 2 молекулы НАДН на 1 молекулу глюкозы. 2 молекулы АТФ образуются в цикле лимонной кислоты (из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ацетил-КоА, запускающие два оборота цикла).

В расчете на 1 молекулу глюкозы пируватдегидрогеназа производит 2 молекулы НАДН, а цикл лимонной кислоты – 6 молекул НАДН. Их окисление приводит к синтезу 20 молекул АТФ. Еще три молекулы АТФ образуется за счет окисления ФАДН₂ при превращении сукцината в фумарат.

Суммарный выход молекул АТФ будет зависет от того, какой челночного механизм (глицерофосфатный и малатаспартатный) используется клетками для доставки НАДН к дыхательной цепи. При глицеролфосфатном механизме электроны от НАДН передаются на дигидрооксиацетонфосфат с образованием глицерол-3-фосфата, который переносит электроны на дыхательную цепь (рис.35). Это происходит при участии фермента глицерол-3-фосфатдегидрогеназы. В помошью цитоплазматического НАДН происходит восстановление митохондриального ФАД, являющегося простетической группой флавопротеина - глицерол-3-фосфатдегидрогеназы.

 

Рис. 35. Глицеполфосфатный челночный механизм.

 

 

Другая челночная система - малат-аспартатная - переносит электроны от цитоплазматического НАДН к митохондриальному НАД⁺ (рис. 36). Это приводит к образованию митохондриального НАДН, который далее окисляется в электроннотрнаспортной цепи. В цитоплазме НАДН восстанавливает оксалоацетат до малата. Последний с помощью переносчика попадает в митоходрии, где реокисляется в оксалоацетат с восстановлением НАД⁺. Сам оксалоацетат выйти из митохондрий не может, поэтому он сначала превращается в аспартат, который и транспортируется переносчиком в цитоплазму. В цитоплазме аспартат дезаминируется, превращаясь в оксалоацетат и замыкая тем самым челночный механизм.

 

 

Рис.36. Малат-аспартатная челночная система для переноса электронов

 

Глюконеогенез

Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Организм может синтезировать глюкозу соединений, способных предварительно превратиться в пируват, т.е. из большинства аминокислот и лактата, поступающих в кровь из работающих мышц. Глюкоза не может быть синтезирована из ацетил-КоА и жирных кислот.

Наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках печени и почек (в корковом веществе). Глюконеогенез позволяет сохранить энергию превращений в виде гликогена, а также способствует поддержанию уровня глюкозы в крови в пределах нормы при голодании (что особенно важно для нормальной работы мозга), в период интенсивной физической работы.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакции гликолиза. Только три реакции гликолиза (гексокиназная, фосфофруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глюконеогенеза на 3-х этапах используются другие ферменты (рис.37).

Рис. 37. Гликолиз и глюконеогенез

 

Образование фосфоенолпирувата из пирувата. Синтез фосфоенолпирувата осуществляется в несколько этапов. Сначала пируват под влиянием пируваткарбоксилазы и при участии СО₂ и АТФ карбоксилируется с образованием оксалоацетата:

Затем оксалоацеатат в результате декарбоксилирования и фосфорилирования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превращается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Первый этап синтеза протекает в митохондриях. Пируваткарбоксилаза, катализирующая эту реакцию, является аллостерическим митохондриальным ферментом. В качестве аллостерического активатора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрий непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же, в митохондриях, восстанавливается в малат:

Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Оксалоацетат восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрий через митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД⁺ очень мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы:

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происходит в цитозоле клетки.

Превращение фруктозо-1,6-бифосфата в фруктозо-6-фосфат. Фосфоенолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых реакций гликолиза превращается вофруктозо-1,6-бифосфат. Далее следует фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет в обход этой реакции. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата во фрукто-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:

Фруктозо-1,6-бифосфат + НО₂ ® Фруктозо-6-фосфат + Р_i

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат. Последний может дефосфорилироваться (т.е. реакция идет в обход гексокиназной реакции) под влиянием фермента глюкозо-6-фосфатазы:

Глюкозо-1,6-фосфат + НО₂ ® Глюкоза + Р_i

Регуляция глюконеогенеза. Важным моментом в регуляции глюконеогенеза является пируваткарбоксилазная реакция. В отсутствии ацетил-КоА, выполняющего функцию аллостерического активатора пируваткарбоксилазы, фермент почти полностью лишен активности. Когда в клетке накапливается митохондриальный ацетил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается. Одновременно ацетил-КоА является ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса. Следовательно, накопление ацетил-КоА замедляет окислительное декарбоксилирование пирувата, что также способствует превращению последнего в глюкозу.

Другой важный момент в регуляции глюконеогенеза – реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бифосфотазой – ферментом, который ингибируется АМФ. Противоположное действие АМФ оказывает на фосфофруктокиназу, т.е. для этого фермента он является аллостерическим активатором. При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ происходит стимуляция глюконеогенеза. Напротив, когда величина отношения АТФ/АМФ мала, в клетке наблюдается расщепление глюкозы.

Мощным регулятором активности фосфофруктокиназы и фруктозо-1,6-бифосфатазы является фруктозо-2,6-бифосфат. Фруктозо-2,6-бифосфат активирует фосфофруктокиназы и ингибирует фруктозо-1,6-бифосфатазу. Повышение в клетке уровня фруктозо-2,6-бифосфата способствует усилению гликолиза и уменьшению скорости глюконеогенеза. При снижении концентрации фруктозо-2,6-бифосфата отмечается обратная картина.