Катаболизм углеводов. Гликолиз и цикл Кребса

Первый путь представляет собой хорошо известный гликолитический путь с переходом в цикл Кребса. Суммарную реакцию окисления глюкозы можно описать уравнением:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O, ΔG⁰ = -2880 кДж/моль.

В клетках окисление глюкозы протекает многостадийно и сопряжено с синтезом ATP из ADP и P_i. Окисление глюкозы до CO₂ и H₂O в организме можно разделить на три этапа.

Первый этап – гликолиз – процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента пировиноградной кислоты – пирувата, протекающий в цитоплазме клетки. Стадии гликолиза следующие:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

Общее уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ = 2НАД∙Н + 2Пируват + 2АТФ + 2H₂O + 2Н⁺.

При гликолизе на активацию одной молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом превращении каждого С3-фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.

Второй этап – цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот), представленный на рисунке 1, является серией реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляются катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных эквивалентов; при окислении последних поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоA (CH3-CO-S-CoA, активного ацетата), тиоэфира кофермента A. В состав CoA входит витамин - пантотеновая кислота. Суммарное уравнение цикла Кребса можно записать в ввиде:

CH3CO-S-CoA + ФАД + 3НАД⁺ + 2Н2О + Н₃РО₄ + ГДФ → 2CO₂ + HS-КоА + + 3(НАДН + Н⁺) + ФАДН₂ + ГТФ

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в ацетил-CoA, либо в промежуточные соединения рассматриваемого цикла. ЦК играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза. Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень - единственный орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью, как это имеет место при остром гепатите или циррозе соответственно. О жизненно важной роли ЦК свидетельствует и тот факт, что у человека почти неизвестны (или их вообще нет) генетически обусловленные изменения ферментов, катализирующих реакции цикла; вероятно, наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.

Рисунок 1 – Цикл Кребса [10]

Третий этап – перенос электронов на О2, который, в свою очередь, забирая из окружающей среды водород в виде протонов, превращается в H₂O (электронтранспортная цепь). Эта стадия протекает во внутренней мембране митохондрий и сопровождается образованием наибольшего количества АТP. При этом биологическое окисление не обязательно связано с участием кислорода.

Энергетика метаболических процессов зависит не только от изменения стандартной свободной энергии ΔG0', но и от концентрации метаболита. На рисунке 2 представлены фактические изменения свободной энергии ΔG на отдельных стадиях гликолиза в эритроцитах. Видно, что только три реакции (1, 3 и 10) протекают с высоким изменением свободной энергии, причем равновесие сильно смещено в сторону образования конечных продуктов. Другие реакции легко обратимы. Они могут идти в противоположном направлении при биосинтезе глюкозы, причем с участием тех же ферментов, что и при деградации глюкозы. Для необратимых стадий 1, 3 и 10 в анаболизме используются обходные пути.

Рисунок 2 – Изменение свободной энергии при гликолизе (1-10 – соответствующие стадии гликолиза)[5]