2 курс / Биохимия / Обмен углеводов 1

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

Лекция № 6

Внутриклеточный обмен углеводов. Пути окисления глюкозы в тканях. Глюконеогенез. Синтез и распад гликогена.

План лекции:

1. Пути окисления глюкозы в тканях.

2. Глюконеогенез.

3. Синтез и распад гликогена.

4. Взаимопревращения моносахармдов.

Пути окисления глюкозы в тканях. Как только глюкоза проникает в клетку, она фосфорилируется под действием гексокиназы или глюкокиназы (в печени) с образованием глюкозо- 6-фосфата.

Глюкозо-6-фосфат – биологически активная форма глюкозы, в виде которой она подвергается дальнейшим превращениям.

В тканях существует несколько путей распада глюкозы: аэробный путь окисления, анаэробный путь окисления (или анаэробный гликолиз), пентозофосфатный путь окисления глюкозы.

Аэробный путь окисления – процесс окисления глюкозы, протекающий в присутствии кислорода до СО2 и Н2О. В этом процессе можно выделить несколько этапов:

1)окисление глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

2)окислительное декарбоксилирование двух молекул пирувата с образованием двух молекул ацетилКоА;

3)окисление ацетил-КоА в цикле Кребса и окисление НАДН2 и ФАДН2 в ЦПЭ.

Биологическая роль: 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 ее аэробным путем. В результате полного окисления 1 молекулы глюкозы может образовываться 36 или 38 молекул АТФ (в зависимости от челночного механизма).

Анаэробный путь окисления – процесс окисления глюкозы до лактата, без участия кислорода. В анаэробном гликолизе можно выделить два этапа:

1)распад глюкозы с образованием двух молекул пирувата;

2)восстановление пирувата с образованием лактата.

Этот процесс протекает без использования кислорода и поэтому не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи. АТФ образуется за счет реакций субстратного фосфорилирования.

Биологическая роль: анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии в эритроцитах (в которых отсутствуют митохондрии), для скелетных мышц в начальном периоде интенсивной работы, а также в разных органах в условиях

1

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

ограниченного снабжения их кислородом. Энергетическая эффективность анаэробного гликолиза составляет 2 молекулы АТФ при окислении 1 молекулы глюкозы.

Последовательность реакций окисления глюкозы до пирувата, протекающая в цитозоле клетки без затрат кислорода называется гликолиз. Схема процесса:

1. гексокиназа

2. гексозофосфатизомераза

3. фосфофруктокиназа

4. альдолаза

5. изомераза фосфотриоз

6. глицеральдегидфосфатдегидрогеназа

7. фосфоглицераткиназа

8. фосфоглицеромутаза

9. енолаза

10. пируваткиназа

Образовавшийся НАДН2 (6 реакция) при анаэробном окислении идёт на восстановление пирувата до лактата (реакция гликолитической оксидоредукции), а при аэробном окислении отдает электроны в митохондриальную цепь биологического окисления с помощью глицеролфосфатного или малатаспартатного челночных механизмов.

Схема малат-аспартатной челночной системы переноса водорода из цитозоля в матрикс митохондрий. Эта челночная система включает следующие процессы:

1.Восстановление цитозольного оксалоацетата до малата за счет гликолитического НАД•Н2.

2.Перенос водорода в состав малата в матрикс митохондрий.

3.Окисление (дегидрирование) малата до оксалоацетата в митохондриях и перенос водорода в цепь переноса электронов.

2

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

4.Окислительное фосфорилирование, сопряженное с переносом водорода по ЦПЭ в кристах митохондрий, синтез 3 молекул АТФ.

5.Возврат оксалоацетата из матрикса митохондрий в цитозоль в форме аспартата.

На схеме указаны, встроенные в мембрану митохондрий белки-переносчики (транслоказы) для малата и аспартата.

Схема глицеролфосфатной челночной системы переноса водорода из цитозоля в матрикс митохондрий. Эта челночная система включает следующие процессы:

1.Восстановление фосфодиоксиацетона цитозольным гликолитическим НАДН2 с образование глицеролфосфата.

2.Перенос глицеролфосфата к внутренней мембране митохондрий.

3.Окисление глицеролфосфата митохондриальной ФАД-зависимой глицеролфосфатдегидрогеназой.

4.Окислительное фосфорилирование в редуцированной ЦПЭ, образование 2 молекул АТФ.

Пентозофосфатный путь окисления – окисление глюкозы с образованием

различных пентоз. В этом процессе выделяют два этапа:

1)окислительный этап - приводит к образованию пентоз и накоплению НАДФН2.

2)неокислительный этап – заключается в преобразовании пентоз с образованием фруктозо-6- фосфата и глицероальдегида-3-фосфата, используемых в гликолизе.

Схема процесса:

3

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

Химизм реакций:

4

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

Суммарная реакция:

6 глюкозо-6-фосфата + 12 НАДФ+ → 12 НАДФН2 + 4 фруктозо-6-фосфата + 2 глицероальдегида-3-фосфата + 6 СО2

Реакции пентозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки. Высокая активность этого пути катаболизма глюкозы наблюдается в жировой ткани, печени, надпочечниках и др.

Значение этого пути распада глюкозы:

1)происходит обеспечение клетки пентозами, необходимыми для синтеза нуклеиновых кислот, свободных нуклеотидов, никотинамидных коферментов;

2)образуется НАДФН2, необходимый для синтеза холестерина, высших жирных кислот, стероидных гормонов, участвует в процессах микросомального окисления; образовавшиеся фруктозо-6-фосфат и глицероальдегид-3-фосфат, могут использоваться для образования энергии.

Глюконеогенез – процесс синтеза глюкозы из неуглеводных компонентов (аминокислот, глицерина, пирувата, лактата и др.). В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. Биологическая роль глюконеогенеза – поддержания постоянства уровня глюкозы в крови в период голодания или интенсивной мышечной нагрузки. Он протекает в порядке, обратном гликолизу, в основном в печени, менее значительно в корковом веществе почек и в слизистой оболочке кишечника. Поскольку в гликолизе есть три необратимых реакции (1,3,10), то существуют обходные пути. Так, фруктозо-1,6-дифосфат и глюкозо-6-фосфат дефосфорилируются специфическими фосфатазами, а пируват фосфорилируется до образования фосфоенолпирувата через стадию образования оксалоацетата. Образование оксалоацетата катализируется пируваткарбоксилазой. Этот фермент

5

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

содержит в качестве кофермента биотин. Оксалоацетат образуется в митохондриях, транспортируется в цитозоль и включается в глюконеогенез.

Первый обходной путь – образование фосфоенолпирувата из пирувата через стадию образования оксалоацетата:

Второй обходной путь – образование фруктозо-6-фосфата из фруктозо-1,6-дифосфата:

Третий обходной путь – образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата:

Гликоген – основная форма депонирования глюкозы в клетках – гомополисахарид, мономером которого является глюкоза. В печени значительная часть всосавшийся глюкозы превращается в гликоген, который откладывается в клетках печени в виде гранул диаметром 10-40 нм. Помимо этого гликоген накапливается и в скелетных мышцах, где его содержание не превышает 1%. Синтез гликогена – гликогенез – начинается с фосфорилирования глюкозы в цитозоле.

6

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

Распад гликогена – гликогенолиз – происходит в период между приемами пищи. Глюкоза, депонированная в форме гликогена, освобождается из него при участии гликогенфосфорилазы. Этот фермент расщепляет α-1,4-гликозидные связи. Глюкозидный остаток отщепляется в форме глюкозо- 1-фосфата. Связи в точке ветвления гидролизуются ферментом амило-α-1,6-гликозидазой, которая отщепляет глюкозу в свободном виде. Глюкозо-1-фосфат, образующийся из гликогена, при участии фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат, дальнейшие превращения которого в печени и мышцах различны. Мышечный гликоген является источником глюкозы для самой клетки. Гликоген печени используется главным образом для поддержания физиологической концентрации глюкозы в крови. В печени глюкозо-6-фосфат при участии глюкозо-6-фосфатазы превращается в глюкозу, которая поступает в кровоток. В мышцах нет этого фермента, и распад гликогена идет только до образования глюкозо-6-фосфата, который затем используется здесь же, в мышечных клетках, распадаясь анаэробным путем.

7

Лекцию подготовила к.х.н. Логинова Н.Ю.

Цикл Кори. Образующаяся при анаэробном гликолизе в мышце молочная кислота поступает в кровь. С током крови она транспортируется в печень, где превращается в пируват, а затем в глюкозу и гликоген. Глюкоза с током крови возвращается в работающую мышцу. Такой цикл носит название цикла Кори. У цикла Кори две функции: утилизация молочной кислоты и предотвращение развития ацидоза.

Взаимопревращения моносахаридов

8