Показатели углеводного и жирового обмена

Основные пути катаболизма глюкозы

Окисление глюкозы до СО2 и Н2О (аэробный распад). Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}+3O_{2}\rightarrow 6CO_{2}+6H_{2}O+Q}}}{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}+3O_{2}\rightarrow 6CO_{2}+6H_{2}O+Q}}}

Этот процесс включает несколько стадий:

Аэробный гликолиз -- процесс окисления глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратном цикле;

ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы

В определённых ситуациях обеспечение кислородом тканей может не соответствовать их потребностям. Например, на начальных стадиях интенсивной мышечной работы при стрессе сердечные сокращения могут не достигать нужной частоты, а потребности мышц в кислороде для аэробного распада глюкозы велики. В подобных случаях включается процесс, который протекает без кислорода и заканчивается образованием лактата из пировиноградной кислоты. Этот процесс называют анаэробным распадом, или анаэробным гликолизом. Анаэробный распад глюкозы энергетически мало эффективен, но именно этот процесс может стать единственным источником энергии для мышечной клетки в описанной ситуации. В дальнейшем, когда снабжение мышц кислородом будет достаточным в результате перехода сердца на ускоренный ритм, анаэробный распад переключается на аэробный.

Гликолиз

Основная статья: Гликолиз

Схема гликолиза

Гликолиз представляет собой один из сложных последовательных ферментативных процессов, в результате которых расщепляется глюкоза и одновременно синтезируется АТФ. Название «гликолиз» происходит от греч. глхкьт, glykos -- сладкий и греч. лэузт, lysis -- растворение.

Анаэробный гликолиз

В анаэробном процессе, не нуждающемся в митохондриальной дыхательной цепи, АТФ образуется за счёт двух реакций субстратного фосфорилирования.

При анаэробном гликолизе в цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных аэробному гликолизу. Лишь 11-я реакция, где происходит восстановление пирувата цитозольным НАДН, является специфической для анаэробного гликолиза. Восстановление пирувата в лактат катализирует лактатдегидрогеназа (реакция обратимая, и фермент назван по обратной реакции). С помощью этой реакции обеспечивается регенерация НАД+ из НАДН без участия митохондриальной дыхательной цепи в ситуациях, связанных с недостаточным снабжением клеток кислородом. Роль акцептора водорода от НАДН (подобно кислороду в дыхательной цепи) выполняет пируват. Таким образом, значение реакции восстановления пирувата заключается не в образовании лактата, а в том, что данная цитозольная реакция обеспечивает регенерацию НАД+. К тому же лактат не является конечным продуктом метаболизма, удаляемым из организма. Это вещество выводится в кровь и утилизируется, превращаясь в печени в глюкозу, или при доступности кислорода превращается в пируват, который вступает в общий путь катаболизма, окисляясь до СО2 и Н2О.

Реакции анаэробного гликолиза

Фосфорилирование молекулы D-глюкозы

Первой реакцией гликолиза является фосфорилирование молекулы глюкозы, происходящее при участии тканеспецифичного фермента гексокиназы с затратой энергии 1 молекулы АТФ; образуется активная форма глюкозы -- глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф):

Reaction-Glucose-Glucose-6P.png

Фосфорилирование глюкозы преследует две цели: во-первых, из-за того что плазматическая мембрана, проницаемая для нейтральной молекулы глюкозы, не пропускает отрицательно заряженные молекулы Г-6-Ф, фосфорилированная глюкоза оказывается запертой внутри клетки. Во-вторых, при фосфорилировании глюкоза переводится в активную форму, способную участвовать в биохимических реакциях и включаться в метаболические циклы.

Печёночный изофермент гексокиназы -- глюкокиназа -- имеет важное значение в регуляции уровня глюкозы в крови.

2. Изомерация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат

Во второй реакции ферментом фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф):

Reaction-Glucose-6P-Fructose-6P.png

Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза.

3. Фосфолирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата

Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом. Данная реакция относится к необратимым.

Reaction-Fructose-6P-F26BP.png

4. Расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат

Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата:

Reaction-F16BP-DOAP-GA3P.png

Реакция обратима. Равновесие сильно сдвинуто в сторону диоксиацетонфосфата: 95 % диоксиацетонфосфата и 5 % -- глицеральдегид-3-фосфата. Образованием глицеральдегид-3-фосфата как бы завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия -- наиболее сложная и важная она включает окислительно-восстановительную реакцию (реакция гликолитической оксиредукции), сопряжённую с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

5. Взаимопревращение триозофосфатов

В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй, который и участвует в дальнейших превращениях:

Reaction-DOAP-GA3P.png

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

Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата:

Reaction-GA3P-13DPG.png

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

С образовавшегося 1,3-дифосфоглицерата, содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты -- образуется молекула АТФ:

Reaction-13DPG-3PG.png

Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3. Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется, а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза.

8. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат

Данная реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат):

Reaction-3PG-2PG.png

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+. Кофактором фермента является 2,3-бифосфоглицериновая кислота, аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполняет глюкозо-1,6-дифосфат.

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата

Эта реакция катализируется енолазой, при этом 2-фосфоглицерат в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпируват (ФЕП), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Reaction-2PG-PEP.png

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

10. Перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувата на АДФ

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

Reaction-PEP-Pyruvate.png

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

11. Восстановление пирувата до лактата

В результате данной реакции происходит восстановление пирувата до лактата под действием фермента ЛДГ и кофермента НАДН, который образуется в 6 реакции:

Pyruvate to Lactate - ru.svg

Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно.

Баланс АТФ при анаэробном гликолизе

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэробным менее эффективен (в аэробном из 1 моль глюкозы образуется 38 моль АТФ). В этом процессе катаболизм 1 моль глюкозы без участия митохондриальной дыхательной цепи сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. АТФ образуется за счёт 2 реакций субстратного фосфорилирования. Поскольку глюкоза распадается на 2 фосфотриозы, то с учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, количество моль синтезированного АТФ равно 4. Учитывая 2 моль АТФ, использованных на первом этапе гликолиза, получаем конечный энергетический эффект процесса, равный 2 моль АТФ. Таким образом, 10 цитозольных ферментов, катализирующих превращение глюкозы в пируват, вместе с лактатдегидрогеназой обеспечивают в анаэробном гликолизе синтез 2 моль АТФ (на 1 моль глюкозы) без участия кислорода.

Значение анаэробного гликолиза

Анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии для скелетных мышц в начальном периоде интенсивной работы, то есть в условиях, когда снабжение кислородом ограничено. Кроме того, зрелые эритроциты извлекают энергию за счет анаэробного окисления глюкозы, потому что не имеют митохондрий[5].

Аэробный гликолиз

Аэробным гликолизом называют процесс окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, протекающий в присутствии кислорода. Все ферменты, катализирующие реакции этого процесса, локализованы в цитозоле клетки.

Аэробный гликолиз -- основной путь для образования энергии в клетках организма. Он может протекать как прямым (апотомическим, или, как его называют пентозофосфатным), так и непрямым (дихотомическим) путём. В результате непрямого окисления глюкоза полностью распадается на углекислый газ и воду, и при этом выделяется большое количество энергии (ДQ = 2870 кДж/моль)

В аэробном гликолизе можно выделить 2 этапа:

Подготовительный этап, в ходе которого глюкоза фосфорилируется и расщепляется на две молекулы фосфотриоз. Эта серия реакций протекает с использованием 2 молекул АТФ.

Этап, сопряжённый с синтезом АТФ. В результате этой серии реакций фосфотриозы превращаются в пируват. Энергия, высвобождающаяся на этом этапе, используется для синтеза 10 моль АТФ.

Реакции аэробного гликолиза

Превращение глюкозо-6-фосфата в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Эта обратимая реакция изомеризации протекает под действием фермента глюкозофосфатизомеразы.

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-дисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

Фруктозо-1,6-дисфосфат далее расщепляется на 2 триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Реакцию катализирует фермент фруктозодисфосфатальдолаза, или просто альдолаза. Этот фермент катализирует как реакцию альдольного расщепления, так и альдольной конденсации, то есть обратимую реакцию. Продукты реакции альдольного расщепления -- изомеры. В последующих реакциях гликолиза используется только глицеральдегид-3-фосфат, поэтому дигидроксиацетонфосфат превращается с участием фермента триозофосфатизомеразы в глицероальдегид-3-фосфат.

В описанной серии реакций дважды происходит фосфорилирование с использованием АТФ. Однако расходование двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы) далее будет компенсировано синтезом большего количества АТФ.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в пируват

Эта часть аэробного гликолиза включает реакции, связанные с синтезом АТФ. Наиболее сложной в данной серии реакций является реакция превращения глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-дисфосфоглицерат. Это превращение -- первая реакция окисления в ходе гликолиза. Реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, которая является НАД-зависимым ферментом. Значение данной реакции заключается не только в том, что образуется восстановленный кофермент, окисление которого в дыхательной цепи сопряжено с синтезом АТФ, но также и в том, что свободная энергия окисления концентрируется в макроэргической связи продукта реакции. Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа содержит в активном центре остаток цистеина, сульфгидрильная группа которого принимает непосредственное участие в катализе. Окисление глицеральдегид-3-фосфата приводит к восстановлению НАД и образованию с участием Н3РО4 высокоэнергетической ангидридной связи в 1,3-дисфосфоглицерате в положении 1. В следующей реакции высокоэнергетический фосфат передаётся на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий это превращение, назван по обратной реакции фосфоглицераткиназой (киназы называются по субстрату, находящемуся в уравнении реакции по одну сторону с АТФ).

Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол -- фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват -- макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват -- необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу.

Окисление цитоплазматического НАДН в митохондриальной дыхательной цепи, челночные системы

Дополнительные сведения: Дыхательная цепь переноса электронов

НАДН, образующийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата в аэробном гликолизе, подвергается окислению путём переноса атомов водорода в митохондриальную дыхательную цепь. Однако цитозольный НАДН не способен передавать водород на дыхательную цепь, потому что митохондриальная мембрана для него непроницаема. Перенос водорода через мембрану происходит с помощью специальных систем, называемых «челночными». В этих системах водород транспортируется через мембрану при участии пар субстратов, связанных соответствующими дегидрогеназами, то есть с обеих сторон митохондриальной мембраны находится специфическая дегидрогеназа. Известны 2 челночные системы. В первой из этих систем водород от НАДН в цитозоле передаётся на дигидроксиацетонфосфат ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (НАД-зависимый фермент, назван по обратной реакции). Образованный в ходе этой реакции глицерол-3-фосфат, окисляется далее ферментом внутренней мембраны митохондрий -- глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (ФАД -- зависимым ферментом). Затем протоны и электроны с ФАДН2 переходят на убихинон и далее по ЦПЭ. Глицеролфосфатная челночная система работает в клетках белых мышц и гепатоцитов. Однако в клетках сердечных мышц митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа отсутствует. Вторая челночная система, в которой участвуют малат, цитозольная и митохондриальная малат-дегидрогеназы, является более универсальной. В цитоплазме НАДН восстанавливает оксалоацетат в малат (смотрите рисунок, реакция 1), который при участии переносчика проходит в митохондрии, где окисляется в оксалоацетат НАД-зависимой малатдегидрогеназой (реакция 2). Восстановленный в ходе этой реакции НАД отдаёт водород в митохонодриальную ЦПЭ. Однако образованный из малата оксалоацетат выйти самостоятельно из митохондрий в цитозоль не может, так как мембрана митохондрий для него непроницаема. Поэтому оксалоацетат превращается в аспартат, который и транспортируется в цитозоль, где снова превращается в оксалоацетат. Превращения оксалоацетата в аспартат и обратно связаны с присоединением и отщеплением аминогруппы. Эта челночная система называется малат-аспартатной (смотрите рисунок). Результат её работы -- регенерация цитоплазматического НАД+ из НАДН.

Обе челночные системы существенно отличаются по количеству синтезированного АТФ. В первой системе соотношение Ф/О равно 2, так как водород вводится в ЦПЭ на уровне KoQ. Вторая система энергетически более эффективна, так как передаёт водород в ЦПЭ через митохондриальный НАД+ и соотношение Ф/О близко к 3.

Баланс АТФ при аэробном гликолизе

На образование фруктозо-1,6-бисфосфата из одной молекулы глюкозы требуется 2 молекулы АТФ. Реакции, связанные с синтезом АТФ, происходят после распада глюкозы на 2 молекулы фосфотриозы, то есть на втором этапе гликолиза. На этом этапе происходят 2 реакции субстратного фосфорилирования и синтезируются 2 молекулы АТФ (реакции 7 и 10). Кроме того, одна молекула глицеральдегид-3-фосфата дегидрируется, a НАДН передаёт водород в митохондриальную ЦПЭ, где синтезируется 3 молекулы АТФ путём окислительного фосфорилирования. В данном случае количество АТФ (3 или 2) зависит от типа челночной системы. Следовательно, окисление до пирувата одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата сопряжено с синтезом 5 молекул АТФ. Учитывая, что из глюкозы образуются 2 молекулы фосфотриозы, полученную величину нужно умножить на 2 и затем вычесть 2 молекулы АТФ, затраченные на первом этапе. Таким образом, выход АТФ при аэробном гликолизе составляет (5Ч2) -- 2 = 8 АТФ.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов

В результате гликолиза образуется пируват, который далее окисляется до СО2 и Н2О в общем пути катаболизма. Теперь можно оценить энергетическую эффективность гликолиза и общего пути катаболизма, которые вместе составляют процесс аэробного распада глюкозы до конечных продуктов.

Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО2 и Н2О составляет 38 моль АТФ.

В процессе аэробного распада глюкозы происходят 6 реакций дегидрирования. Одна из них протекает в гликолизе и 5 в ОПК. Субстраты для специфических НАД-зависимых дегидрогеназ: глицеральдегид-3-фосфат, пируват, изоцитрат, б-кетоглутарат, малат. Одна реакция дегидрирования в цитратном цикле под действием сукцинатдегидрогеназы происходит с участием кофермента ФАД. Общее количество АТФ, синтезированное путём окислительного фосфорилирования, составляет 17 моль АТФ на 1 моль глицеральдегидфосфата. К этому необходимо прибавить 3 моль АТФ, синтезированных путём субстратного фосфорилирования (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле). Учитывая, что глюкоза распадается на 2 фосфотриозы и что стехиометрический коэффициент дальнейших превращений равен 2, полученную величину надо умножить на 2, а из результата вычесть 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза.

Этапы аэробного распада глюкозы Количество использованного АТФ, моль Количество синтезированного АТФ, моль

I. Аэробный гликолиз

Глюкоза > 2 Пируват -2 +10

II. Окислительное декарбоксилирование пирувата -

2 (Пируват > Ацетил-КоА) +6

III. Цитратный цикл

2 (Ацетил-КоА > СО2 + Н2О) +24

Суммарный выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы +38

Значение катаболизма глюкозы

Основное физиологическое назначение катаболизма глюкозы заключается в использовании энергии, освобождающейся в этом процессе для синтеза АТФ. Энергия, выделяющаяся в процессе полного распада глюкозы до СО2 и Н2О, составляет 2880 кДж/моль. Если эту величину сравнить с энергией гидролиза высокоэнергетических связей -- 38 моль АТФ (50 кДж на моль АТФ), то получим: 50Ч38 = 1900 кДж, что составляет 65 % от всей энергии, выделяющейся при полном распаде глюкозы. Такова эффективность использования энергии распада глюкозы для синтеза АТФ. Необходимо учитывать, что реальная эффективность процесса может быть ниже. Точно оценить выход АТФ можно только при субстратном фосфорилировании, а соотношение между поступлением водорода в дыхательную цепь и синтезом АТФ является приблизительным.

Аэробный распад глюкозы происходит во многих органах и тканях и служит основным, хотя и не единственным, источником энергии для жизнедеятельности. Некоторые ткани находятся в наибольшей зависимости от катаболизма глюкозы как источника энергии. Например, клетки мозга расходуют до 100 г глюкозы в сутки, окисляя её аэробным путём. Поэтому недостаточное снабжение мозга глюкозой или гипоксия проявляются симптомами, свидетельствующими о нарушении функций мозга (головокружения, судороги, потеря сознания).

Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах, в первые минуты мышечной работы, в эритроцитах (в которых отсутствуют митохондрии), а также в разных органах в условиях ограниченного снабжении их кислородом, в том числе в клетках опухолей. Для метаболизма клеток опухолей характерно ускорение как аэробного, так и анаэробного гликолиза. Но преимущественный анаэробный гликолиз и увеличение синтеза лактата служит показателем повышенной скорости деления клеток при недостаточной обеспеченности их системой кровеносных сосудов.

Кроме энергетической функции, процесс катаболизма глюкозы может выполнять и анаболические функции. Метаболиты гликолиза используются для синтеза новых соединений. Так, фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат участвуют в образовании рибозо-5-фосфата -- структурного компонента нуклеотидов; 3-фосфоглицерат может включаться в синтез аминокислот, таких как серин, глицин, цистеин. В печени и жировой ткани ацетил-КоА, образующийся из пирувата, используется как субстрат при биосинтезе жирных кислот, холестерина, а дигидроксиацетонфосфат как субстрат для синтеза глицерол-3-фосфата.

Регуляция катаболизма глюкозы

Дополнительные сведения: Цикл Кребса

Поскольку основное значение гликолиза состоит в синтезе АТФ, его скорость должна коррелировать с затратами энергии в организме.

Большинство реакций гликолиза обратимы, за исключением трёх, катализируемых гексокиназой (или глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой. Регуляторные факторы, изменяющие скорость гликолиза, а значит и образование АТФ, направлены на необратимые реакции. Показателем потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Последний образуется в реакции, катализируемой аденилаткиназой: 2 АДФ - АМФ + АТФ

Даже небольшой расход АТФ ведёт к заметному увеличению АМФ. Отношение уровня АТФ к АДФ и АМФ характеризует энергетический статус клетки, а его составляющие служат аллостерическими регуляторами скорости как общего пути катаболизма, так и гликолиза. На рисунке показана аллостерическая регуляция скорости катаболизма глюкозы в скелетных мышцах.

Существенное значение для регуляции гликолиза имеет изменение активности фосфофруктокиназы, потому что этот фермент, как упоминалось ранее, катализирует наиболее медленную реакцию процесса.

Фосфофруктокиназа активируется АМФ, но ингибируется АТФ. АМФ, связываясь с аллостерическим центром фосфофруктокиназы, увеличивает сродство фермента к фруктозо-6-фосфату и повышает скорость его фосфорилирования. Эффект АТФ на этот фермент -- пример гомотропного ашюстеризма, поскольку АТФ может взаимодействовать как с аллостерическим, так и с активным центром, в последнем случае как субстрат.

При физиологических значениях АТФ активный центр фосфофруктокиназы всегда насыщен субстратами (в том числе АТФ). Повышение уровня АТФ относительно АДФ снижает скорость реакции, поскольку АТФ в этих условиях действует как ингибитор: связывается с аллостерическим центром фермента, вызывает конформационные изменения и уменьшает сродство к его субстратам.

Изменение активности фосфофруктокиназы способствует регуляции скорости фосфорилирования глюкозы гексокиназой. Снижение активности фосфофруктокиназы при высоком уровне АТФ ведёт к накоплению как фруктозо-6-фосфата, так и глюкозо-6-фосфата, а последний ингибирует гексокиназу. Следует напомнить, что гексокиназа во многих тканях (за исключением печени и в-клеток поджелудочной железы) ингибируется глюкозо-6-фосфатом.

При высоком уровне АТФ снижается скорость цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. В этих условиях процесс гликолиза также замедляется. Следует напомнить, что аллостерическая регуляция ферментов ОПК и дыхательной цепи также связана с изменением концентрации таких ключевых продуктов, как НАДН, АТФ и некоторых метаболитов. Так, НАДН накапливаясь в том случае, если не успевает окислиться в дыхательной цепи, ингибирует некоторые аллостерические ферменты цитратного цикла.

Физиологическая роль гликолиза в печени и жировой ткани несколько иная, чем в других тканях. В печени и жировой ткани гликолиз в период пищеварения функционирует в основном как источник субстратов для синтеза жиров. Регуляция гликолиза в печени имеет свои особенности и будет рассмотрена ниже.

Бифосфоглицератный цикл

В эритроцитах многих млекопитающих имеется фермент, позволяющий направить процесс в обход стадии, катализируемой фосфоглицераткиназой; при этом свободная энергия, обусловленная присутствием высокоэнергетического фосфата в молекуле бисфосфоглицерата[1,3-], рассеивается в форме теплоты. В большинстве тканей 2,3-БФГ образуется в небольших количествах. Дополнительный фермент бисфосфоглицератмутаза катализирует превращение 1,3-бисфосфоглицерата в бисфосфоглицерат[2,3-], последний далее превращается в фосфоглицерат[3-] (принято считать, что этой активностью обладает фосфоглицератмутаза). Потеря на этой стадии высокоэнергетического фосфата означает, что процесс гликолиза более не сопровождается производством АТФ. В этом может заключаться определенное преимущество, поскольку даже в тех случаях, когда потребности в AТФ минимальны, гликолиз может продолжаться. Образующийся 2,3-бисфосфоглицерат связывается с гемоглобином, понижая сродство последнего к кислороду то есть сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо. Таким образом, присутствие 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах способствует диссоциации кислорода из оксигемоглобина и переходу его в ткани.

Брожения

Брожение (также сбраживание, ферментация) -- «это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода»[6]. Брожение -- это анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы. По выражению Луи Пастера, «брожение -- это жизнь без кислорода». Большинство типов брожения осуществляют микроорганизмы -- облигатные или факультативные анаэробы.

Эдуард Бухнер был удостоен в 1907 году Нобелевской премии по химии за открытие внеклеточного брожения.

Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию, поэтому промежуточные продукты брожения могут использоваться в ходе клеточного дыхания.

Термин брожение также используется в более широком смысле, для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом.

Брожение часто используется для приготовления или сохранения пищи. Говоря о брожении, обычно имеют в виду брожение сахара (превращение его в спирт) с использованием дрожжей, но, к примеру, при производстве йогурта используются другие виды брожения.

Использование брожения человеком обычно предполагает применение определенных видов и штаммов микроорганизмов. Вина иногда улучшают с использованием процесса взаимного брожения.

Брожение -- это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов -- единственный источник АТФ в анаэробных условиях.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав НАДН; в ходе регенерации НАД+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высоко-окисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания). Однако даже у позвоночных брожение (анаэробное окисление глюкозы) используется как эффективный способ получения энергии во время коротких периодов интенсивной мышечной работы, когда перенос кислорода к мышцам недостаточен для поддержания аэробного метаболизма. Брожение у позвоночных помогает во время коротких периодов интенсивной работы, но не предназначено для длительного использования. Например, у людей гликолиз с образованием молочной кислоты дает энергию на период от 30 секунд до 2 минут. Скорость генерации АТФ примерно в 100 раз больше, чем при окислительном фосфорилировании. Уровень pH в цитоплазме быстро падает, когда в мышце накапливается молочная кислота, в конечном итоге ингибируя ферменты, вовлеченные в процесс гликолиза.

Спиртовое брожение

Основная статья: Спиртовое брожение

Спиртовое брожение осуществляется за счёт так называемых дрожжеподобных организмов, а также некоторых плесневых грибов и бактерий. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}+H_{3}PO_{4}+2ADP\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}+2ATP}}}{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}+H_{3}PO_{4}+2ADP\longrightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}+2ATP}}}

в результате которой, одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа и сопровождается запасанием энергии в виде АТФ.

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гликолизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата. При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями -- пируватдекарбоксилазной и алкогольдегидрогеназной.

В дрожжевых клетках пируват вначале подвергается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид. Данная реакция катализируется ферментом пируваткарбоксилазой (последняя отсутствует в тканях животных), который требует наличие ионов Mg2+ и кофермента -- триаминпирофосфата (ТПФ).

Реакция необратимая.

Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}-COH+HADH+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}-CH_{2}OH+HAD^{+}}}}{\displaystyle {\mathsf {CH_{3}-COH+HADH+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}-CH_{2}OH+HAD^{+}}}}

Таким образом, конечным продуктом спиртового брожения являются этанол и CO2, а не молочная кислота, как при гликолизе.

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение -- процесс анаэробного окисления углеводов, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота.

Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus delbruekii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением[7]:

{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 2CH_{3}CHOH-COOH}}}{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 2CH_{3}CHOH-COOH}}}

Название получило по характерному продукту -- молочной кислоте. Для молочнокислых бактерий является основным путём катаболизма углеводов и основным источником энергии в виде АТФ. Также молочнокислое брожение происходит в тканях животных в отсутствие кислорода при больших нагрузках.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение -- брожение глюкозы, в ходе которого образуется масляная кислота C3H7COOH. Оно протекает по уравнению:

{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow C_{3}H_{7}COOH+2CO_{2}\uparrow +2H_{2}\uparrow +Q}}}{\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow C_{3}H_{7}COOH+2CO_{2}\uparrow +2H_{2}\uparrow +Q}}}

При этом водород и углекислота являются побочными продуктами. В качестве побочных продуктов при этом также получаются этиловый и бутиловый спирты, уксусная кислота и др[8]. Маслянокислое брожение -- результат деятельности анаэробных бактерий, в том числе рода Клостридиум. Как следует из названия, такое брожение связано с прогорканием жиров.

Лимоннокислое брожение

Лимоннокислым брожением называется окисление глюкозы грибами-микромицетами (например, Aspergillus niger) в лимонную кислоту. Конечный результат брожения можно представить следующим суммарным уравнением:

{\displaystyle {\mathsf {2C_{6}H_{12}O_{6}+3O_{2}\rightarrow 2C_{6}H_{8}O_{7}+4H_{2}O}}}{\displaystyle {\mathsf {2C_{6}H_{12}O_{6}+3O_{2}\rightarrow 2C_{6}H_{8}O_{7}+4H_{2}O}}}

Химизм образования лимонной кислоты из сахара до настоящего времени окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что это брожение до образования пировиноградной кислоты протекает, как и другие брожения. Далее превращение пировиноградной кислоты в лимонную через ряд кислот (уксусную, янтарную, фумаровую, яблочную, щавелево-уксусную) сходно с превращениями в цикле Кребса[9].

Ацетоно-бутиловое брожение

Ацетоно-бутиловое брожение близко к масляному, однако при этом брожении образуется значительно больше бутилового спирта и ацетона:

{\displaystyle {\mathsf {12C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow C_{4}H_{9}OH+CH_{3}COCH_{3}+C_{3}H_{7}COOH+C_{2}H_{5}OH+18H_{2}\uparrow +28CO_{2}\uparrow +2H_{2}O+Q}}}{\displaystyle {\mathsf {12C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow C_{4}H_{9}OH+CH_{3}COCH_{3}+C_{3}H_{7}COOH+C_{2}H_{5}OH+18H_{2}\uparrow +28CO_{2}\uparrow +2H_{2}O+Q}}}

Кроме того, в процессе ацетоно-бутилового брожения накапливаются этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются углекислый газ и водород. Химизм ацетоно-бутилового брожения сходен с маслянокислым брожением. Первые стадии -- до образования ацетальдоля -- аналогичны стадиям маслянокислого брожения[10].

Фруктоза и другие углеводы в процессе гликолиза

Установлено, что фруктоза, присутствующая в свободном виде во многих фруктах и образующаяся в тонком кишечнике из сахарозы, всасываясь в тканях, может подвергаться фосфорилированию во фруктозо-6-фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ.

Эта реакция ингибируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-6-фосфат либо превращается в глюкозу через стадии образования глюкозо-6-фосфата и последующего отщепления фосфорной кислоты, либо подвергается дальнейшим преобразованиям. Из фруктозо-6-фосфата под влиянием 6-фосфофруктокиназы и АТФ образуется фруктозо-1,6-дифосфат:

Далее фруктозо-1,6-дифосфат может подвергаться дальнейшим превращениям по пути гликолиза. Таков главный путь включения фруктозы в метаболизм мышечной ткани, почек, жировой ткани.

В печени, однако, для этого существует другой путь. Присутствующая в ней фруктокиназа катализирует фосфорилирование фруктозы не по 6-му, а по 1-му атому углерода: кишечник углевод глюкоза кровь

В отличие от 1-й реакции, эта реакция не блокируется глюкозой. Затем под действием кетозо-1-фосфатальдолазы образовавшийся фруктозо-1-фосфат расщепляется с образованием D-глицеральдегида и дигидроксиацетонфосфата:

Галактоза в процессе гликолиза

Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы. Обмен галактозы начинается с превращения её в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ:

В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексозо-1-фосфатуридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфатгалактоза (УДФ-галактоза).

Нарушения метаболизма фруктозы

Нарушения метаболизма фруктозы, причиной которых является дефект ферментов, отражены в таблице

Неактивный фермент Блокируемая реакция Локализация фермента Клинические проявления и лабораторные данные

Фруктокиназа Фруктоза + АТФ > Фруктозо-1-фосфат + АДФ Печень, почки, энтероциты Фруктоземия, фруктозурия

Фруктозо-1-фосфатальдолаза Фруктозо-1-фосфат > Дигидроксиацетон-3 -фосфат + Глицеральдегид Печень Рвота, боли в животе, диарея, гипогликемия, гипофосфатемия, фруктоземия, гиперурикемия, хроническая недостаточность функций печени, почек.

Недостаточность фруктокиназы клинически не проявляется. Фруктоза накапливается в крови и выделяется с мочой, где её можно обнаружить лабораторными методами. Очень важно не перепутать эту безвредную аномалию с сахарным диабетом. Данное заболевание известно как доброкачественная эссенциальная фруктозурия и встречается с частотой 1:130 000.

Наследственная непереносимость фруктозы, возникающая при генетически обусловленном дефекте фруктозо-1-фосфатальдолазы, не проявляется, пока ребёнок питается грудным молоком, то есть пока пища не содержит фруктозы. Симптомы возникают, когда в рацион добавляют фрукты, соки, сахарозу. Рвота, боли в животе, диарея, гипогликемия и даже кома и судороги возникают через 30 мин после приёма пищи, содержащей фруктозу. У маленьких детей и подростков, продолжающих принимать фруктозу, развиваются хронические нарушения функций печени и почек. Непереносимость фруктозы -- достаточно частая аутосомно-рецессивная форма патологии.

Дефект альдолазы фруктозо-1-фосфата сопровождается накоплением фруктозо-1-фосфата, который ингибирует активность фосфоглюкомутазы, превращающей глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат и обеспечивающей включение продукта гликогенфосфорилазной реакции в метаболизм. Поэтому происходит торможение распада гликогена на стадии образования глюкозо-1-фосфата, в результате чего развивается гипогликемия. Как следствие, ускоряется мобилизация липидов и окисление жирных кислот. Следствием ускорения окисления жирных кислот и синтеза кетоновых тел, замещающих энергетическую функцию глюкозы, может быть метаболический ацидоз, так как кетоновые тела являются кислотами и при высоких концентрациях снижают рН крови.

Результатом торможения гликогенолиза и гликолиза является снижение синтеза АТФ. Кроме того, накопление фосфорилированной фруктозы ведёт к нарушению обмена неорганического фосфата и гипофосфатемии.

Для пополнения внутриклеточного фосфата ускоряется распад адениловых нуклеотидов. Продукты распада этих нуклеотидов включаются в катаболизм, проходя стадии образования гипоксантина, ксантина и, наконец, мочевой кислоты. Повышение количества мочевой кислоты и снижение экскреции уратов в условиях метаболического ацидоза проявляются в виде гиперурикемии. Следствием гиперурикемии может быть подагра даже в молодом возрасте.

Нарушения метаболизма галактозы

Основная статья: Галактоземия

Обмен галактозы особенно интересен в связи с наследственным заболеванием -- галактоземией.

Галактоземия возникает при нарушении обмена галактозы, обусловленном наследственным дефектом любого из трёх ферментов, включающих галактозу в метаболизм глюкозы.

Галактоземия, вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ), наиболее хорошо изучена. Это заболевание проявляется очень рано, и особенно опасно для детей, так как основным источником углеводов для них служит материнское молоко, содержащее лактозу. Ранние симптомы дефекта ГАЛТ: рвота, диарея, дегидратация, уменьшение массы тела, желтуха. Они появляются вскоре после рождения, как только ребёнок начинает получать молоко. В крови, моче и тканях повышается концентрация галактозы и галактозо-1-фосфата. В тканях глаза (в хрусталике) галактоза восстанавливается альдоредуктазой с образованием галактитола (дульцита). В этой реакции в качестве донора водорода используется

НАДФН. Восстановление галактозы происходит и в ходе нормального метаболизма, но протекает с небольшой скоростью. При галактоземии галактитол накапливается в стекловидном теле и связывает большое количество воды. Вследствие этого нарушается баланс электролитов, а чрезмерная гидратация хрусталика приводит к развитию катаракты, которая наблюдается уже через несколько дней после рождения.

Тяжёлые последствия дефекта ГАЛТ наблюдают в печени. Это связано с накоплением галактозо-1-фосфата и его токсическим действием на гепатоциты. В результате возникают нарушения функции печени: гепатомегалия, жировая дистрофия. В почках таких больных также повышена концентрация галактитола и галактозо-1-фосфата, что влияет на их функции. Отмечают нарушения в клетках полушарий головного мозга и мозжечка, в тяжёлых случаях -- отёк мозга, задержку умственного развития, возможен летальный исход.

Для галактоземии, вызванной дефектом галактокиназы, тоже характерна катаракта, но при этом заболевании, в отличие от дефекта ГАЛТ, не отмечают нарушений функций печени, почек, мозга. Наиболее тяжёлые последствия снижения активности ГАЛТ связывают с влиянием галактозо-1-фосфата на активность других ферментов, участвующих в углеводном обмене (фосфоглюкомутазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).

Нарушения обмена галактозы

Дефектный фермент (частота) Блокируемая реакция Клинические проявления и лабораторные данные

Галактокиназа (1:500 000) Галактоза + АТФ > Галактозо-1-фосфат + АДФ Галактоземия, галактозурия, катаракта. Активность фермента в эритроцитах нормальная.

Галактозо-1-фосфатуридилтрансфераза (1:40000) Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза > УДФ-галактоза + Глюкозо-1-фосфат Галактоземия, галактозурия, галактозо-1-фосфатемия, катаракта. Тенденция к гипогликемии, компенсаторная мобилизация жиров, цирроз печени, нарушения функции почек. Гепатомегалия, задержка психического развития. Активность фермента в эритроцитах снижена.

Уридилфосфат-4-эпимераза (1:1000000) УДФ-глюкоза - УДФ-галактоза Галактоземия, галактозурия. Тяжёлых клинических проявлений нет. Описаны единичные случаи заболевания

Известно несколько форм галактоземии, причиной которой является недостаточность ГАЛТ[2]:

Некоторые варианты генетического дефекта ГАЛТ

Изменения в структуре ГАЛТ Проявления

Асн > Асп Признак Дюарта. У гетерозигот при этом варианте активность фермента составляет 75 % от нормальной. Гомозиготный фенотип Дюарта обычно связан с 50 % потерей активности. Пациенты с синдромом Дюарта могут быть здоровыми, несмотря на структурную аномалию ГАЛТ.

Глн > Арг Проявляется как тяжёлая галактоземия. Причина -- мутация типа замены нуклеотида 591 в гене фермента. Активность ГАЛТ составляет 10 % от нормы. Эта форма встречается в 70 % случаев заболевания галактоземией среди европеоидов, частота -- 1 :338 886.

Сер > Лей Заболевание описано у чернокожих пациентов и названо «чёрный признак». Галактоземия проявляется как результат недостаточной активности ГАЛТ в печени и эритроцитах. Активность ГАЛТ в печени составляет 10 % от нормы. Тем не менее отмечалась утилизация некоторого количества галактозы, что объяснялось развитием альтернативного пути. Причина -- мутация типа замены 1 158-го нуклеотида в гене фермента.

Арг > Три Тяжёлая форма галактоземии. Причина -- миссенс-мутация нуклеотида 1025 в гене фермента. Активность ГАЛТ отсутствует.

Лиз > Асн Широко распространённая мутация при галактоземии[2].

Некоторые дефекты в строении ГАЛТ приводят лишь к частичной потере активности фермента. Поскольку в норме ГАЛТ присутствует в организме в избытке, то снижение его активности до 50 %, а иногда и ниже может клинически не проявляться.

При диагностике галактоземии исследуют мочу на содержание галактозы, собранную после нескольких кормлений молоком. При обнаружении у ребёнка катаракты его обследуют на недостаточность галактокиназы и ГАЛТ. Наличие галактозы в моче при отсутствии нарушений функции печени указывает на дефект галактокиназы. При обследовании проведение теста с нагрузкой галактозой не рекомендуется, так как этот тест опасен для больных. Лечение заключается в удалении галактозы из рациона.

Пентозофосфатный путь

Основная статья: Пентозофосфатный путь

Открытие пути прямого окисления углеводов, или, как его называют, пентозофосфатного цикла, принадлежит О. Варбургу, Ф. Липману, Ф. Диккенсу и В. А. Энгельгардту. Расхождение путей окисления углеводов -- классического (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса) и пентозофосфатного -- начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат, который фосфолируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием ПВК, которая, окисляясь до ацетил-KoA, затем сгорает в цикле Кребса. Ключевую роль в реакциях этого цикла играют пентозофосфаты.

Пентозофосфатный путь является альтернативным путём окисления глюкозы. Он включает несколько циклов, в результате функционирования которых из трёх молекул глюкозо-6-фосфата образуются три молекулы СО2 и три молекулы пентоз. Последние используются для регенерации двух молекул глюкозо-6-фосфата и одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Поскольку из двух молекул глицеральдегид-3-фосфата можно регенерировать молекулу глюкозо-6-фосфата, глюкоза может быть полностью окислена при превращении по пентозофосфатному пути:

{\displaystyle {\mathsf {3Glu6P+6NADP^{+}\rightarrow 3CO_{2}+2Glu6P+G3P+NADPH+H^{+}}}}{\displaystyle {\mathsf {3Glu6P+6NADP^{+}\rightarrow 3CO_{2}+2Glu6P+G3P+NADPH+H^{+}}}}

Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле.

Наиболее активно пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.

Последовательность реакций

Ферменты пентозофосфатного пути локализованы во внемитохондриальном пространстве клетки -- в цитозоле. Как и в процессе гликолиза, окисление осуществляется путём дегидрогенирования, однако акцептором водорода в этом случае служит не НАД, a НАДФ. Последовательность реакций пути можно разделить на две фазы: окислительную и неокислительную. В реакциях первой фазы глюкозо-6-фосфат дегидрогенируется и декарбоксилируется с образованием рибулозо-5-фосфата. В ходе второй фазы рибулозо-5-фосфат превращается снова в глюкозо-6-фосфат в результате серии реакций, в которых главную роль играют два фермента: транскетолаза и трансальдолаза.

Пентозофосфатный путь

Окислительная фаза

В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.

Дегидрирование глюкозо-6-фосфата

Первая реакция дегидрирования -- превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6-фосфат -- катализируется НАДФ+-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента НАДФН.

Дегидрогеназа глюкозо-6-фосфата -- димер с молекулярной массой около 135 000. Имеется 7-8 изоферментов этого фермента, разделяющихся при электрофорезе.

Дегидрирование 6-фосфоглюконата с образованием рибулозо-5-фосфата

Эта реакция катализируется ферментом -- 6-фосфоглюконат-дегидрогеназой по уравнению:

Равновесие реакции сдвинуто вправо. 6-Фосфоглюконат-дегидрогеназа -- димер с молекулярной массой около 100 тыс. Имеется несколько изоферментов этой дегидрогеназы. Особенность реакции заключается в том, что при дегидрировании образуется нестойкое промежуточное соединение, которое на поверхности этого же фермента декарбоксилируется. Это вторая реакция окисления в пентозофосфатном цикле, приводящая к образованию НАДФ·Н2.

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозофосфатного пути можно представить в виде:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ+ + Н2О = Рибулозо-5-фосфат + 2НАДФН + Н+ + СО2.

Реакции окислительного этапа служат основным источником НАДФН в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм кислорода. НАДФН как донор водорода участвует в анаболических процессах, например в синтезе холестерина. Это источник восстановительных эквивалентов для цитохрома Р450, катализирующего образование гидроксильных групп при синтезе стероидных гормонов, жёлчных кислот, при катаболизме лекарственных веществ и других чужеродных соединений. Высокая активность фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы обнаружена в фагоцитирующих лейкоцитах, где НАДФН-оксидаза использует восстановленный НАДФН для образования супероксидного иона из молекулярного кислорода. Супероксидный ион генерирует другие активные формы кислорода, под действием которых и повреждаются молекулы ДНК, белков, липидов бактериальньж клеток. Синтез жирных кислот из углеводов в печени является основным путём утилизации НАДФН и обеспечивает регенерацию окисленной формы НАДФ+. В печени глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, как и ключевые ферменты гликолиза и биосинтеза жирных кислот, индуцируется при увеличении соотношения инсулин/глюкагон после приёма богатой углеводами пищи.

Несмотря на то, что НАДФН образуется также при окислении малата до пирувата и диоксида углерода (при участии НАДФ+-зависимой малатдегидрогеназы) и дегидрировании изо-цитрата (при участии НАДФ+ -зависимой изоцитратдегидрогеназы), в большинстве случаев потребности клеток в восстановительных эквивалентах удовлетворяются за счёт пентозофосфатного пути.

Реакции окислительного пути протекают только в том случае, если восстановленный кофермент НАДФН возвращается в исходное окисленное состояние НАДФ+ при участии НАДФН-зависимых дегидрогеназ (то есть при условии использования гидрированного НАДФН в восстановительных процессах). Если потребности клетки в НАДФН незначительны, рибозо-5-фосфат образуется в результате обратимых реакций неокислительного этапа пентозофосфатного пути, используя в качестве исходных веществ метаболиты гликолиза -- глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат.

...