Гликолиз: понятие, этапы, энергетический выход, значение

Коферменты, принимающие участие в дыхании

Название кофермента Функция Витамин, из которого синтезируется данный кофермент
Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) Передает атомы водорода в цепь переноса электронов Ниацин
Флавинадениндинуклеотид (ФАД) Передает атомы водорода в цепь переноса электронов Рибофлавин
Коэнзим А (Ко А) Передает ацетильную группу в цикл Кребса Пантотеновая кислота

Основные этапы энергетического обмена

Мы будем рассматривать этапы кислородного дыхания в случае, когда дыхательным субстратом выступает глюкоза.

При полном кислородном расщеплении глюкозы выделяют следующие этапы:

  • бескислородное расщепление глюкозы – гликолиз, или путь Эмбдена–Мейергофа;
  • вовлечение пировиноградной кислоты в цикл Кребса;
  • цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты;
  • цепь переноса электронов, или окислительное фосфорилирование.

Этапы полного кислородного окисления глюкозы: брожение

Этап бескислородного окисления глюкозы: гликолиз

Гликолиз (от греч. гликос – сладкий и лизис – растворение) – ферментативный анаэробный процесс распада углеводов до пировиноградной кислоты (ПВК, которая чаще всего присутствует в клетке в виде солей, называемых пируватами), общий для процесса кислородного дыхания и для многих типов брожения.

Реакции гликолиза протекают не в митохондриях, а в цитоплазме, и для них не требуется присутствие кислорода (ферменты гликолиза присутствуют в растворенном состоянии в цитоплазме).

Исходными продуктами гликолиза являются: С6Н12О6 – глюкоза (6С); 2АТФ; 4АДФ; 2Фн; 2НАД+.

Сущность происходящих процессов заключается в том, что в ходе реакций гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (6С) расщепляется на две молекулы трехуглеродного соединения (3С) – ПВК.

При этом образуется два главных продукта – АТФ (4 молекулы, но так как 2 молекулы затрачивается, то чистый выход 2АТФ) и атомы водорода (4Н), присоединенные к коферменту НАД+. Промежуточных звеньев на пути превращения исходных продуктов в конечные – 10 (рис. 3).

Конечными продуктами гликолиза являются: 2С3Н4О3 (ПВК); 2НАД·Н2; 4АТФ; 2АДФ. Запишем суммарную реакцию гликолиза:

С6Н12О6 → 2С3Н4О3 + 4Н + 2АТФ

Конечная судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород имеется, то ПВК переходит в митохондрии для полного окисления до воды и углекислого газа. Если же кислорода нет, то она превращается в этанол, либо в молочную кислоту в ходе брожения.

Брожение и его значение

Многие микроорганизмы получают большую часть АТФ за счет анаэробного дыхания, или брожения. Некоторые клетки эукариот, временно испытывающие недостаток кислорода (например, мышечные клетки), также способны к брожению.

Брожение – анаэробный ферментативный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, посредством которого организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.

Брожению могут подвергаться спирты, органические кислоты, но чаще всего углеводы. В зависимости от метаболических путей, конечные продукты брожения различны (рис. 4).

Животные клетки при недостатке кислорода, некоторые клетки бактерий способны к молочнокислому брожению:

С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+

В обычных условиях клетки животных и человека снабжаются кислородом, то есть в них идет процесс кислородного дыхания. Однако при большой физической нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставлять, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения.

В мышцах ПВК превращается в трехуглеродное соединение – молочную кислоту, образуемую путем присоединения к ПВК двух водородных атомов от НАД·Н2. Молочная кислота, образующаяся в мышцах, поступает в кровь. Однако накопление больших количеств молочной кислоты вредно для организма.

После тяжелой мышечной работы мы некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность». В конечном итоге, молочная кислота поступает в печень, где от нее отщепляется водород, то есть она вновь превращается в ПВК, которая поступает в цикл лимонной кислоты.

Растения и дрожжи способны к спиртовому брожению:

С3Н4О3 → С2Н4О + СО2; С2Н4О + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+

Спиртовое брожение было подробно изучено Луи Пастером, когда он занимался химическими проблемами виноделия. Вино приготовляют из виноградного сока, к которому добавляют дрожжи – одноклеточные грибы. Дрожжи сбраживают сахара, содержащиеся в виноградном соке, расщепляя их до ПВК.

Каждая молекула ПВК распадается затем на молекулу двуокиси углерода и молекулу двухуглеродного соединения – ацетальдегида. Ацетальдегид присоединяет два атома водорода от НАД·Н2 и превращается в двухуглеродный спирт этанол, или этиловый спирт, – активный ингредиент алкогольных напитков. Брожение происходит до тех пор, пока дрожжи не израсходуют весь имеющийся в среде сахар.

Но брожение не дает дополнительного количества АТФ, так что выход энергии на одну молекулу глюкозы, расщепленную путем брожения равен 2АТФ. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, при этом так и не извлекается. Поэтому анаэробное дыхание малоэффективно.

Таким образом, гликолиз является составной частью брожения и аэробного дыхания.

Вовлечение ПВК в цикл Кребса

Гликолиз происходит в цитоплазме. У аэробных организмов ПВК и НАД·Н2, образующиеся при гликолизе, поступают в митохондрии, где дыхание завершается. Наружная мембрана митохондрий отличается высокой проницаемостью и многие соединения легко сквозь нее проходят. Внутренняя мембрана менее проницаема.

При вовлечении ПВК в цикл Кребса это трехуглеродное соединение (3С) испытывает окислительное декарбоксилирование, то есть отщепление СО2 с одновременным окислением путем дегидрирования.

Во время этих реакций ПВК соединяется с веществом, которое называют коферментом А (КоА), в результате чего образуется ацетилкофермент А.

Количества выделяющейся при этом энергии достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А высокоэнергетической связи. В действительности процесс гораздо сложнее: в нем участвуют пять разных коферментов и три фермента. Суммарная реакция имеет вид:

С3Н4О3 + КоА + НАД+ → СН3СО ~ КоА + СО2 + НАД·Н2

НАД·Н2, являющийся продуктом этой реакции, направляется в дыхательную цепь митохондрии, а ацетильная группа ацетилкофермента А включается в цикл Кребса.

Цикл Кребса

Ацетильная группа (2С) включается в цикл Кребса (названного в честь открывшего его исследователя – Ганса Кребса) при гидролизе ацетил~КоА. Она присоединяется к щавелевоуксусной кислоте, в результате чего образуется лимонная кислота (4С → 6С). Для этой реакции требуется энергия, ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил~КоА.

Далее следует цепь реакций, в которых ацетильные группы дегидрируются с высвобождением 8Н и декарбоксилируются с образованием 2СО2. Кислород, необходимый для окисления двух атомов углерода до СО2 отщепляется от двух молекул воды. В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется и может вновь принимать ацетил~КоА (рис. 60).

Конечными продуктами цикла на каждую молекулу ацетил~КоА являются: АТФ (одна молекула); 3НАД·Н2; ФАД·Н2; 2СО2. Для окисления каждой молекулы ПВК (а их образуется в ходе гликолиза две) требуется два оборота цикла, а количество конечных продуктов удваивается, то есть в конечном итоге на одну исходную молекулу глюкозы синтезируются 2АТФ; 4СО2; 16Н.

Суммарную реакцию гликолиза, образования ацетил~КоА и цикла Кребса можно записать так:

С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ+ 24Н

(гликолиз – 4Н; образование ацетил~КоА – 4Н и цикл Кребса –16Н).

Дыхательная цепь, или цепь переноса электронов

Итак, молекула глюкозы, с которой мы начали рассмотрение дыхания, теперь полностью расщеплена. Часть высвободившейся при этом энергии использована для синтеза АТФ (4 молекулы), но в основном эта энергия сосредоточена в нагруженных электронами переносчиках: НАД·Н2 и ФАД·Н2.

Каждый из этих переносчиков передает по два атома водорода в цепь переноса электронов, после чего переносчики возвращаются обратно и могут принять новые водородные атомы.

Молекула, присоединяющая эти два атома водорода, находится на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны. Она переносит атомы водорода через мембрану на наружную ее поверхность, и здесь они передаются второму переносчику (рис. 6). Однако этот второй переносчик способен принимать только электроны.

Он принимает электроны, а освободившиеся протоны (Н+) поступают в протонный резервуар (Н+ – резервуар). Второй переносчик передает два электрона вновь через мембрану, но в обратном направлении, так что они уже не могут воссоединиться с ионами водорода.

Здесь, на внутренней поверхности мембраны, их принимает еще один переносчик, способный передавать водородные атомы. Он получает целые атомы в результате присоединения двух новых ионов Н+ к этим двум электронам. Эти ионы Н+образуются в результате диссоциации воды:

2Н2О ↔ 2Н+ + 2ОН–; 2Н+ + 2ē → 2Н

Электроны совершают затем еще несколько переходов через мембрану в обоих направлениях, причем только переход изнутри наружу происходит в сопровождении ионов Н+. Все эти переходы поставляют в протонный резервуар в общей сложности 64 протона на каждую исходную молекулу глюкозы.

Конечным акцептором электронов является кислород, к которому они присоединяются при помощи фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион):

О2 + 2ē → О2–

Протонный резервуар расположен между внутренней и наружной мембранами, а отрицательно заряженные частицы (О2–) за внутренней мембраной. Между наружной и внутренней поверхностью внутренней мембраны устанавливается разница потенциалов.

Когда она достигает 200 мВ, протоны устремляются по проходу, образованному молекулой АТФ–фазы, встроенной в мембрану. Возникает электрическая энергия, используемая для синтеза АТФ из АДФ и Фн (фосфорилирование) (рис. 7).

В конечном итоге протоны присоединяются к кислороду с образованием молекул воды:

О2– + 4Н+ → 2Н2О

Всякий раз, когда таким путем образуется АТФ, Н+ – резервуар теряет часть накопленной в нем энергии. Резервуар пополняется ионами Н+ за счет непрерывного потока электронов, поступающих от НАД·Н2 и ФАД·Н2 через электроннотранспортную цепь.

Суммарная реакция цепи переноса электронов имеет следующий вид:

24Н + 6О2 → 12Н2О + 34АТФ

Энергетический выход аэробного дыхания

Сколько же АТФ синтезируется на каждую молекулу глюкозы, расщепленную в процессе дыхания? Мы уже знаем, что чистый выход АТФ при гликолизе равен 2АТФ; еще 2АТФ дает цикл Кребса.

Цепь переноса электронов способна теоретически дать еще 34АТФ. Однако некоторое количество энергии должно быть затрачено на выведение АТФ из митохондрий в цитоплазму. Кроме того, неизбежна некоторая утечка ионов Н+ из протонного резервуара.

Поэтому на последнем этапе кислородного расщепления глюкозы в митохондриях синтезируется и передается в цитоплазму лишь около 21АТФ на каждую исходную молекулу глюкозы.

Это означает, что из всего количества АТФ, образовавшейся при расщеплении каждой молекулы глюкозы, около 84 % синтезируется за счет энергии, поступающей из Н+ – резервуара. Запишем суммарную реакцию полного кислородного окисления глюкозы:

С6Н12О6 + 6О2 → 6Н2О + 38АТФ

Энергетический обмен: что это и этапы

Энергетический обмен — это по-этапный распад сложных органических соединений, протекающий с выделением энергии, которая запасается в макроэргических связях молекул АТФ и используется потом в процессе жизнедеятельности клетки, в том числе на биосинтез, т.е. пластический обмен.

В аэробных организмах выделяют :

  1. Подготовительный — расщепление биополимеров до мономеров.
  2. Бескислородный — гликолиз — расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.
  3. Кислородный — расщепление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды.

Подготовительный этап энергетического обмена

На подготовительном этапе энергетического обмена происходит расщепление поступивших с пищей органических соединений на более простые, обычно мономеры.

Так углеводы расщепляются до сахаров, в том числе глюкозы; белки — до аминокислот; жиры — до глицерина и жирных кислот.

Хотя при этом выделяется энергия, она не запасается в АТФ и, следовательно, не может быть использована впоследствии. Энергия рассеивается в виде тепла.

Расщепление полимеров у многоклеточных сложноорганизованных животных протекает в пищеварительном тракте под действием выделяющихся сюда железами ферментов.

Затем образовавшиеся мономеры всасываются в кровь в основном через кишечник. Уже кровью питательные вещества разносятся по клеткам.

При этом не все вещества разлагаются до мономеров в пищеварительной системе. Расщепление многих происходит непосредственно в клетках, в их лизосомах. У одноклеточных организмов поглощенные вещества попадают в пищеварительные вакуоли, где и перевариваются.

Образовавшиеся мономеры могут использоваться как для энергетического, так и пластического обмена. В первом случае они расщепляются, во-втором – из них синтезируются компоненты самих клеток.

Бескислородный этап энергетического обмена

Бескислородный этап протекает в цитоплазме клеток и в случае аэробных организмов включает только гликолиз — ферментативное многоступенчатое окисление глюкозы и ее расщепление до пировиноградной кислоты, которую также называют пируватом.

Молекула глюкозы включает шесть атомов углерода.

При гликолизе она расщепляется до двух молекул пирувата, который включает три атома углерода. При этом отщепляется часть атомов водорода, которые передаются на кофермент НАД, который, в свою очередь, потом будет участвовать в кислородном этапе.

Часть выделяющейся при гликолизе энергии запасается в молекулах АТФ. На одну молекулу глюкозы синтезируется всего две молекулы АТФ.

Энергия, оставшаяся в пирувате, запасенная в НАД, у аэробов далее будет извлечена на следующем этапе энергетического обмена.

В анаэробных условиях, когда кислородный этап клеточного дыхания отсутствует, пируват «обезвреживается» в молочную кислоту или подвергается брожению.

При этом энергия не запасается. Таким образом, здесь полезный энергетический выход обеспечивается только малоэффектвным гликолизом.

Кислородный этап энергетического обмена

Кислородный этап протекает в митохондриях. В нем выделяют два подэтапа: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Поступающий в клетки кислород используется только на втором. В цикле Кребса происходит образование и выделение углекислого газа.

Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий, осуществляется множеством ферментов.

В него поступает не сама молекула пировиноградной кислоты (или жирной кислоты, аминокислоты), а отделившаяся от нее с помощью кофермента-А ацетильная группа, включающая два атома углерода бывшего пирувата.

За многоступенчатый цикл Кребса происходит расщепление ацетильной группы до двух молекул CO2 и атомов водорода. Водород соединяется с НАД и ФАД.

Также происходит синтез молекулы ГДФ, приводящей к синтезу потом АТФ.

На одну молекулу глюкозы, из которой образуется два пирувата, приходится два цикла Кребса. Таким образом, образуется две молекулы АТФ. Если бы энергетический обмен заканчивался здесь, то суммарно расщепление молекулы глюкозы давало бы 4 молекулы АТФ (две от гликолиза).

Окислительное фосфорилирование протекает на кристах – выростах внутренней мембраны митохондрий.

Его обеспечивает конвейер ферментов и коферментов, образующий так называемую дыхательную цепь, заканчивающуюся ферментом АТФ-синтетазой.

По дыхательной цепи происходит передача водорода и электронов, поступивших в нее от коферментов НАД и ФАД.

Передача осуществляется таким образом, что протоны водорода накапливаются с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий, а последние ферменты в цепи передают только электроны.

В конечном итоге электроны передаются молекулам кислорода, находящимся с внутренней стороны мембраны, в результате чего они заряжаются отрицательно.

Возникает критический уровень градиента электрического потенциала, приводящий к перемещению протонов через каналы АТФ-синтетазы. Энергия движения протонов водорода используется для синтеза молекул АТФ, а сами протоны соединяются с анионами кислорода с образованием молекул воды.

Энергетический выход функционирования дыхательной цепи, выраженный в молекулах АТФ, велик и суммарно составляет от 32 до 34 молекул АТФ на одну исходную молекулу глюкозы.

Анаэробный гликолиз

Глюкоза + 2 АДФ + 2 H3PO4 = 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О

В анаэробном гликолизе АТФ образуется только за счет субстратного фосфорилирования (2 моль АТФ на 1моль глюкозы).

Значение анаэробного гликолиза особенно велико для скелетных мышц.

В интенсивно работающих скелетных мышцах мощность механизма транспорта кислорода оказывается недостаточной для обеспечения энергетической потребности, в этих условиях резко усиливается анаэробный гликолиз, и в мышцах накапливается молочная кислота.

Особое значение анаэробный гликолиз имеет при кратковременной интенсивной работе. Так, бег в течение 30 с полностью обеспечивается анаэробным гликолизом. Однако уже через 4-5 мин бега энергия поставляется поровну анаэробным и аэробным процессами, а через 30 мин — почти целиком аэробным процессом.

При длительной работе в аэробном процессе используется не глюкоза, а жирные кислоты.

Эритроциты вообще не имеют митохондрий, поэтому их потребность в АТФ удовлетворяется только за счет анаэробного гликолиза. Интенсивный гликолиз характерен также для злокачественных опухолей.

Цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл) и глюкозо-аланиновый цикл

Молочная кислота не является конечным продуктом обмена, но ее образование — тупиковый путь метаболизма: ее дальнейшее использование связано опять с превращением в пируват.

Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся молочная кислота поступает в кровь и улавливается в основном печенью, где и превращается в пируват. Пируват в печени частично окисляется, а частично превращается в глюкозу. Часть пирувата в мышцах путем трансаминирования превращается в аланин, который транспортируется в печень, и здесь снова образует пируват.

Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)

Глюконеогенез протекает в основном по тому же пути, что и гликолиз, но в обратном направлении.

Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза.

Обходные пути глюконеогенеза

I. Первый обходной путь — превращение пирувата в фосфоенолпируват.

Это превращение осуществляется под действием двух ферментов — пируваткарбоксилазы (Е1) и карбокикиназы фосфоенолпирувата (Е2).

Превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат катализирует фермент фруктозо-1,6-дифосфатаза.

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата катализирует фермент глюкозо-6-фосфотаза .

Этот фермент отсутствует в клетках мозга, скелетных мышц и др. тканях, поэтому глюконеогенез, протекающий в этих тканях не может поставлять глюкозу в кровь. Глюкозо-6-фосфатаза локализована в почках и, особенно, в печени, и глюкозо-6-фосфат может превращаться в глюкозу, если ее уровень в крови снижен.

Пентозофосфатный путь (ПФП)

Значение ПФП

Большая часть глюкозы расщепляется по гликолитическому пути.

Наряду с гликолизом существуют второстепенные пути катаболизма глюкозы, одним из которых является пентозофосфатный путь (ПФП). Пентозофосфатный путь скорее даже — анаболический путь, который использует 6 атомов С глюкозы для синтеза пентоз и восстановительных эквивалентов в виде НАДФН, необходимых для образования липидов в организме.

Однако, этот путь — окисление глюкозы, и при определенных условиях может завершиться полным окислением глюкозы до СО2 и Н2О. Главные функции этого цикла следующие:

Генерирование восстановительных эквивалентов в виде НАДФН для восстановительных реакций биосинтеза.

Ферменты, которые катализируют реакции восстановления, часто используют в качестве кофактора НАДФ+/НАДФН, а окислительные ферменты — НАД+/НАДН. Восстановительные реакции биосинтеза жирных кислот и стероидных гормонов требуют НАДФН, поэтому клетки печени, жировой ткани и др., где протекает синтез липидов, имеют высокий уровень ферментов ПФП. В печени около 30% глюкозы подвергаются превращениям в ПФП.

НАДФН используется при обезвреживании лекарств и чужеродных веществ в монооксигеназной цепи окисления в печени.

НАДФН предохраняет ненасыщенные жирные кислоты эритроцитарной мембраны от аномальных взаимодействий с активным кислородом.

Кроме того, эритроциты используют реакции ПФП для генерирования больших количеств НАДФН, который необходим для восстановления глутатиона, участвующего в системе обезвреживания активного кислорода, что позволяет поддерживать нормальную степень окисления Fe2+ в гемоглобине.

Снабжение клеток рибозо-5-фосфатом для синтеза нуклеотидов, нуклеотидных коферментов и нуклеиновых кислот.

Превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды также требует НАДФН, поэтому многие быстро пролиферирующие клетки требуют больших количеств НАДФН.

Хотя это не значительная функция ПФП, он принимает участие в метаболизме пищевых пентоз, входящих в состав нуклеиновых кислот пищи и может превращать их углеродный скелет в интермедиаты гликолиза и глюконеогенеза.

Реакции ПФП

Реакции ПФП протекают в цитоплазме.

ПФП можно разделить на два этапа: окислительный и неокислительный. Субстратом является глюкозо-6-фосфат. Первая и третья реакции катализируются НАДФ-зависимыми дегидрогеназами. На этом этапе происходит окисление глюкозы с образованием 2 НАФН, поэтому реакции (1 — 3) — окислительная фаза ПФП.

Фермент Е1 (глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа) — ключевой фермент ПФП, катализирует образование 6-глюконолактона. Лактон является неустойчивым соединением, которое легко гидролизуется спонтанно и под действием фермента Е2(специфической лактоназы). Фермент Е3 (6-фосфоглюконат-дегидрогеназа) катализирует реакцию окислительного декарбоксилирования.

Рибулозо-5-фосфат под действием ферментов рибозофосфатизомеразы и рибулозо-5-фосфат-3-эпимеразы может обратимо изомеризоваться в другие пентозы: рибозо-5-фосфат, ксилулозо-5-фосфат.

В некоторых тканях ПФП на этом заканчивается Суммарное уравнение ПФП:

глюкозо-6-фосфат + Н2О + НАДФ+ ® рибозо-5-фосфат + СО2 + НАДФН×Н+

Некоторые клетки нуждаются в большем количестве НАДФН, по сравнению с рибозо-5-фосфатом, т.е.

НАФДН утилизируется, а рибозо-5-фосфат остается в избытке. В таких случаях рибозо-5-фосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат (второй этап). Этот этап связывает ПФП с гликолизом.

Эти превращения катализируются двумя ферментами: транскетолазой (Е4) и трансальдолазой (Е5).

Фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат вступают на путь гликолиза.

Суммарное уравнение 2-го этапа:

рибозо-5-фосфат + 2 ксилулоза-5-фосфат ® 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат

Общая характеристика метаболизм гликогена

Так как глюкоза свободно диффундирует через клеточные мембраны, она не может служить резервным источником энергии в клетках тканей.

Фосфорилирование глюкозы задерживает ее в клетке, но накапливаться глюкозо-6-фосфат не может, т.к. при этом увеличилось бы количество проникающей в клетку воды за счет осмоса.

Создание запаса недиффундирующей глюкозы без осмотического набухания возможно благодаря способности некоторых тканей (печени и мышц) превращать избыток углеводов в нерастворимый полимер — гликоген.

cyber
Оцените автора
CyberLesson | Быстро освоить программирование Pascal и C++. Решение задач Pascal и C++
Добавить комментарий