Дихотомический путь распада углеводов

Распад глюкозо-6-фосфата осуществляется преимущественно двумя путями. В одном случае на определенной стадии происходит распад шестиуглеродной молекулы на две трехуглеродные, т.е. пополам. Этот путь получил название дихотомического распада и осуществляется в процессе гликолиза. Второй путь состоит в потере глюкозо-6-фосфатом первого углеродного атома и последующих превращений и называется апотомическим распадом (или пентозофосфатным циклом или фосфоглюконатным путем или гексозомонофосфатным шунтом), являясь прямым окислением глюкозо-6-фосфата.

Вступая на дихотомический путь распада в процессе гликолиза глюкозо-6-фосфат прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-6-фосфат. Это обратимая реакция катализируется фосфогексоизомеразой. Фруктозо-6-фосфат далее фосфорилируется по первому углеродному атому, образуя фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой в присутствии ионов магния Мg⁺⁺ при обязательном участии АТФ (или ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Фосфофруктокиназа представляет собой белок с высокой молекулярной массой М=360 тыс. и является аллостерическим регуляторным ферментом, лимитирующим скорость гликолиза. Фосфофруктокиназа ингибируется АТФ и цитратом (в высоких концентрациях) и стимулируется АДФ и АМФ. Реакция, катализируемая этим ферментом, практически необратима.

Фруктозо-1,6-дифосфат подвергается далее дихотомическому распаду на две фосфотриозы. Реакция катализируется альдолазой. Образовавшиеся две фосфотриозы превращаются друг в друга под влиянием фермента триозофосфатизомеразы. Хотя при дихотомическом расщеплении фруктозо-1,6-дифосфата получается равное количество той и другой фосфотриозы, в состоянии равновесия между ними преобладает фосфодиоксиацетон. Однако в дальнейшем в обмен может вступать только 3‑фосфоглицери­новый альдегид, расход которого восполняется за счет фосфодиоксиацетона, который практически нацело в него переходит. Таким образом, из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата фактически возникает две молекулы 3-фосфо-глицеринового альдегида. Обе молекулы 3‑фосфоглицеринового альдегида дегидрируются с одновременным присоединением неорганического фосфата с помощью фермента фосфоглицеринальдегиддегидрогеназы в дифосфоглицериновую кислоту.

1,3-дифосфоглицериновая кислота под влиянием фермента фосфоглицераткиназы в присутствии АДФ переходит в 3-фосфоглицериновую кислоту, при этом происходит трансфосфорилирование (перенос остатка фосфорной кислоты на АДФ на высоком энергетическом уровне с образованием АТФ, т.е. происходит субстратное фосфорилирование. Далее с помощью фермента фосфоглицератмутазы 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2‑фосфоглицери­новую кислоту. Реакция протекает в присутствии ионов магния.

Из 2-фосфоглицериновой кислоты возникает 2-фосфоенолпировиноград­ная кислота благодаря каталитическому действию фермента енолазы. Для действия фермента необходимо присутствие двухвалентных катионов Мg⁺⁺ (или Мn⁺⁺). При енолазной реакции, которая полностью обратима, происходит перераспределение энергии в субстрате, в результате чего образующаяся фосфоенолпировиноградная кислота имеет богатую энергией фосфатную связь. Фосфоенолпировиноградная кислота под влиянием пируваткиназы в присутствии АДФ и ионов магния Mg⁺⁺ (или Мn⁺⁺) подвергается перефосфорилированию – в процессе субстратного фосфорилирования образуется АТФ. Реакция экзергонична и практически необратима. Для максимальной активности пируваткиназы необходима высокая концентрация ионов калия в клетке. Как видно из приведенных реакций гликолиза, их характерная особенность состоит в том, что на каждую молекулу 3-фосфоглицеринового альдегида в процессе субстратного фосфорилирования синтезируется две молекулы АТФ из АДФ и остатков фосфорной кислоты на этапе превращения 1,3‑дифос­фоглицериновой кислоты, а затем 2‑фосфоенолпировиноградной кислоты.

Таким образом, запасается энергия, выделяющаяся в процессе постепенного анаэробного окисления фосфоглицеринового альдегида до пировиноградной кислоты. В дальнейшем, если процесс идет в анаэробных условиях при недостаточном снабжении кислородом, обмен пировиноградной кислоты заключается в ее восстановлении до молочной кислоты путем присоединения электронов, первоначальным источником которых служит 3‑фосфоглицерино­вый альдегид. Роль переносчика электронов выполняет НАД, реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой. Регенерация окисленной формы НАД вследствие передачи двух атомов водорода с ее восстановленной формы на пировиноградную кислоту поддерживает течение гликолитического процесса. Последний неизбежно остановился бы, если бы все количество НАД оказалось насыщенным атомами водорода, ибо фосфоглицеринальдегиддегидрогеназа не могла бы осуществлять свою функцию.

Молочная кислота – конечный продукт гликолиза в анаэробных условиях. Из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы молочной кислоты.

В анаэробных условиях пировиноградная кислота, образующаяся при дихотомическом распаде углеводов, становится акцептором атомов водорода, снимаемых фосфоглицеринальдегиддегидрогеназой с 3-фосфоглицеринового альдегида с помощью НАД и передаваемой затем НАД.Н₂ на пировиноградную кислоту лактатдегидрогеназой. Следует заметить, что в аэробных условиях водород НАД.Н₂, путем переноса глиферофосфатным или малатным челночным механизмом, перехватывается системой дыхательных ферментов и направляется к кислороду, соединяясь с которым образует воду.

В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется. Первая стадия окисления состоит в ее окислительном декарбоксилировании с образованием ацетил-коэнзимаА. Ацетил-коэнзимА вовлекается в лимоннокислый цикл, сопряженный с дыхательной цепью и расщепляется до углекислоты и воды.

Можно рассчитать энергетический итог анаэробного и аэробного расщепления углеводов, в частности, на примере окисления одной молекулы глюкозы, что представлено в ниже приводимой схеме.

1 глюкоза АТФ аэробное

окисление

глюкозо-6-фосфат

1 фруктозо-6-фосфат АТФ

6АТФ

фруктозо-1,6-дифосфат

фосфоглицериновый альдегид

2НАДН₂

анаэробная фаза
2 1,3-дифосфоглицериновая к-та 2АТФ

2АТФ +2АТФ

2 3-фосфоглицериновая к-та 4АТФ

-1АТФ 2АТФ

2АТФ

2 2-фосфоглицериновая к-та

2 2-фосфоенолпировиноградная к-та

2АТФ

2 пировиноградная к-та 2НАД-Н₂ 6АТФ

2 ацетил-КоА 24АТФ

2 молочная к-та 38АТФ

Дата добавления: 2014-01-05