Метаболизм глюкозы в организме - распад глюкозы (гликолиз) и синтез глюкозы (глюконеогенез) Автор – доцент кафедры биохимии Рыскина Е.А.

Обмен углеводов включает следующие процессы: 1. Аэробный и анаэробный распад глюкозы; 2. Синтез глюкозы (глюконеогенез); 3. Синтез (гликогенез) и распад (гликогенолиз) гликогена в тканях; 4. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.

Ферментативное расщепление глюкозы называется гликолиз Глюкоза может расщепляться в аэробных (в присутствии кислорода) и анаэробных условиях (в отсутствии кислорода), соответственно распад глюкозы в аэробных условиях называется аэробный гликолиз, а распад глюкозы в анаэробных условиях называется анаэробный гликолиз. В аэробных условий схема полного распада глюкозы выглядит так: Глюкоза Пирувата Ацетил–КоА цикл Кребса – ЦПЭ - Н 2 О, СО 2 и АТФ В случае анаэробных условий (-О2) гликолиз протекает с образованием 2 молекул лактата. Глюкоза Пирувата Лактата Схема превращений от глюкозы до пирувата одинакова при анаэробных и аэробных условиях и называется также аэробный гликолиз.

Аэробный гликолиз (10 реакций) протекает в цитоплазме клеток Биологическое значение гликолиза заключается в генерировании АТФ в результате расщепления глюкозы и поставке компонентов для синтезов органических соединений.

Схема аэробного гликолиза в формулах

Ферментативные реакции аэробного гликолиза и ферменты, катализирующие эти реакции 1 реакция – фосфорилирование глюкозы, гексокиназа; 2 реакция – изомеризация глюкозы-6-фосфата, глюкозы-6-фосфат изомераза; 3 реакция – вторая реакция фосфорилирования, фосфофруктокиназа; 4 реакция – распад гексозы ( с 6 атомами «С» на два по 3»С») на 2 триозы, альдолаза; 5 реакция – изомеризация триоз (3 «С»),триозофосфатизомераза; 6 реакция – фосфорилирование одной из триоз – глицероальдегид-3- фосфата (ГАФ), глицероальдегидфосфат-дегидрогеназа; 7 реакция – субстратное фосфорилирование, фосфоглицераткиназа; 8 реакция – внутримолекулярный перенос фосфатной группы, фосфоглицеромутаза; 9 реакция – дегидратация фосфоглицерата, образование ФЭП, енолаза; 10 реакция - субстратное фосфорилирование, образование ПВК, пируваткиназа.

10 реакций гликолиза

Регуляция гликолиза Поскольку основное значение гликолиза заключается в генерировании АТФ, его скорость коррелирует с затратами энергии организма. Показателями потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Большинство реакций анаэробного гликолиза обратимо, хотя в целом процесс необратим. Необратимые реакции катализируются ферментами: 1 реакция гликолиза, катализирует реакцию гексокиназа (ингибируется глюкоза-6-фосфатом) 3 реакция гликолиза, катализирует реакцию фосфофруктокиназа (активируется АМФ; ингибируется АТФ, НАДН(Н+) – ключевой фермент в регуляции гликолиза 10 реакция гликолиза, катализирует реакцию пируваткиназа (ингибируется АТФ), блокируется при высоком энергетическом потенциале клетки

Энергетический эффект аэробного гликолиза – 8 АТФ

Анаэробный гликолиз (без О 2 ) Состоит из 11 реакций, последняя реакция показана на рисунке. Катализирует эту реакцию фермент лактатдегидрогеназа (кофермент НАДН(Р+)). Реакция обратима.

Пируват, полученный в результате аэробного гликолиза, вступает в окислительное декарбоксилирование с образованием Ацетил-КоА Суммарное уравнение многостадийной реакции, катализируемой пируватдегид- рогеназным комплексом, в итоге образуется 1 молекула НАДН(Н+). Эта молекула даст 3 молекулы АТФ.

Пируватдегидрогеназный комплекс работает подобно конвейеру, в котором продукт передается от фермента к ферменту. В нем принимают участие 3 фермента и 5 коферментов: - ТПФ, амид липоевой кислоты, КоА, ФАД и НАД. Пируватдекарбоксилаза (1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминпирофосфат. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО 2, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте - коферменту второго фермента. Получается ацетил-липоат. Дигидролипоат-ацетилтрансфераза(2) Катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS-КоА с образованием ацетил-КоА. В этой реакции участвуют два кофермента: липоевая кислота, прочно соединенная с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Водород остается связанным с липоевой кислотой, которая превращается в дигидролипоат. Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (3) отщепляет водород от дигидролипоевой кислоты и переносит его на NAD+. Далее водород транспортируется дыхательной цепью.

Энергетический выход АТФ при полном распаде глюкозы, включая аэробный гликолиз – 38 АТФ

Биосинтез глюкозы (глюконеогенез) Синтез глюкозы из неуглеводных компонентов называется глюконеогенез, наиболее интенсивно происходит в печени, а также в почках, мозге и мышцах, в цитоплазме клеток. Основными неуглеводными компонентами служат лактат, гликогенные аминокислоты и глицерин. В глюконеогенезе также могут участвовать пируват и метаболиты ЦТК.

Этапы синтеза глюкозы из лактата и пирувата представляют собой обратный путь гликолиза. Как видно из рисунка, большинство стадий глюконеогенеза обратимо. Исключение составляют только 3 реакции (1, 7 и 10). Они называются обходные и их катализируют другие ферменты.

Превращение ПВК в фосфоэнолпируват – 1 обходная реакция глюконеогенеза. Состоит из 3 реакций, которые катализируют 3 фермента. Мембрана непроницаема для оксалоацетата, поэтому он превращается в малат, последний легко проникает через мембрану, где вновь окисляется до оксалоацетата. Регуляторным ферментом будет пируваткарбоксилаза (активируется КоА).

7 и 10 обходные реакции глюконеогенеза. 3 обходную реакцию глюконеогенеза катализирует регуляторный фермент - фруктозабисфосфотаза (ингибируется АМФ и активируется АТФ). 1 обходная реакция биосинтеза глюкозы является реакция дефосфорилирования глюкозы-6-фосфата под действием глюкозы-6-фосфатазы.

Энергетические затраты на глюконеогенез На биосинтез 1 молекулы глюкозы необходимо затратить 2 молекулы ПВК и израсходовать 6 молекул АТФ: 2 молекулы ПВК --- 2ФЕП = - 4 АТФ 2 молекулы 3-фосфоглицерата мол. 1,3 БФГ = - 2 АТФ Глюконеогенез имеет важное значение, поскольку есть ткани - мозг и мышцы работа которых зависит от количества глюкозы – основного источника энергии.

Регуляция глюконеогенеза Гликолиз и глюконеогенез регулируются реципрокной, если активность одного из путей относительно понижается, то активность другого пути повышается. Гормональная регуляция: Инсулин тормозит активность ферментов глюконеогенеза, а глюкагон и адреналин и глюкокортикоиды стимулируют глюконеогенез в печени. Аллостерическая регуляция: основные пункты контроля глюконеогенеза регуляция синтезов: фосфоенол- пировиноградной к-ты (ФЕП) и глюкозо-6-фосфата. Первая реакция катализируется пируваткарбоксилазой (активируется ацетил - КоА). Вторая - фруктоза-бис- фосфатазой (ингибируется АМФ и активируется АТФ).