Катаболизм углеводов

КАТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

Углеводы являются источником энергии и углерода. Углеводы содержат 4,1 ккал энергии на 1 г, это примерно в два раза меньше чем в жирах, но это наиболее легко окисляемые вещества. Человек более половины необходимой энергии по­лучает с углеводами.

Кроме того, углеводы - структурные компоненты оболочек клеток и соедини­тельной ткани. Они образуют клеточные стенки растений, наружный скелет беспоз­воночных животных: насекомых, членистоногих и др. Углеводы могут легко пре­вращаться в липиды и углеродные скелеты аминокислот.

Существует два пути окисления глюкозы: аэробный, или дыхание, и анаэробный, или брожение. В дыхании конечным ак­цептором электронов и протонов является неорганическое вещество, чаще всего кислород. При брожении акцептором электронов и протонов служит органическое вещество.

ГЛИКОЛИЗ

Гликолиз - распад глюкозы. Это последовательность из 10 реакций, в результате которых из глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, а выделившаяся в результате реакций энергия идёт на восстановление НАД+ до НАДН2 и получения из АДФ и фосфата АТФ.

Реакции гликолиза.

В первой реакции глюкоза фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата с затратой энергии АТФ. Это пусковая реакция гликолиза, она необратима. После этого происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат.

В тертьей реакции осуществляется повторное фосфорилирование углевода, оно также идёт с затратой энергии АТФ и является необратимой реакцией. Образуется фруктозо-1, 6-дифосфат. Катализирует реакцию фосфофруктокиназа - регуляторный фермент. Она активируется АМФ и АДФ, уг­нетается АТФ и цитратом, это позволяет регулировать интенсивность окисления глюкозы в зависимости от энергетических потребностей клетки.

В четвёртой реакции происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две фосфотриозы: фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид. Фосфодиоксиацетон затем превращается в фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, на этой стадии глюкоза превращается в две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, которые идентично подвергаются дальнейшему окислению.

В последующих реакциях идёт постепенное окисление фосфоглицеринового альдегида до пирувата. В этих реакциях восстанавливается НАД+ до НАДН2, дважды происходит субстратное фосфорлирование АДФ до АТФ. Последняя 10 реакция образования пирувата является необратимой.

На этом гликолиз заканчивается. Все 10 рассмотренных реакций протекают в анаэробных условиях, т. е. без доступа кислорода.

Рисунок 1 – схема гликолиза

Энергетика гликолиза. В процессе гликолиза энергия тратится и высвобожда­ется. В первой и третьей реакциях тратится по 1 молекуле АТФ на фосфорилиро­вание соответствующих субстратов. Всего затрачивается 2 молекулы АТФ. Образу­ется энергия в шестой реакции в виде НАДН2, а также в седьмой и десятой реак­циях по 1 молекуле АТФ. В дальнейших расчетах надо учесть два обстоятельства: 1) при окислении НАДН2 в дыхательной цепи образуется 3 АТФ и 2) из одной мо­лекулы глюкозы в гликолизе образуется две триозы, поэтому энергетический эф­фект 6, 7 и 10 реакций необходимо удвоить. Таким образом, высвобождается энер­гии в гликолизе: 2НАДН2 х 3АТФ + 2АТФ х 2 = 10АТФ Вычитаем из 10АТФ затраченные 2АТФ и получаем энергетический эффект на 1 мо­лекулу глюкозы - 8 АТФ.

Суммарная реакция гликолиза:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Н3Р04 = 2НАД∙Н2 + 2Пируват + 2АТФ + 2H2O

Иными словами, при гликолизе 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пирувата и высвобождается энергия, эквивалентная 8 молекулам АТФ.

Дальнейшая судьба пирувата, образовавшегося в гликолизе, различна в ана­эробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях пируват идет по пути бро­жения. В аэробных подвергается окислительному декарбоксилированию до ацетил-КоА и далее по пути дыхания.

В реакциях гликолиза окисляется не только глюкоза, но также фруктоза, глицерол и другие вещества.

БРОЖЕНИЕ

Брожение - анаэробный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, в результате которого организмы получают энергию. Брожению подвергаются не только углеводы, но и другие органические вещества. Брожение представляет собой гликолиз, дополненный в конце одной или несколькими реакциями превращения пирувата в конечные продукты брожения. В дополнительных реакциях не освобождается энергия, он они крайне важны для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется НАД+, который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов - единственный источник АТФ в анаэробных условиях.

Рассмотрим два типа брожения углеводов (глюкозы): молоч­нокислое и спиртовое (этаноловое). Оба типа брожения начинаются с гликолиза. Затем при молочнокислом брожении пируват восстанавливается в молочную кислоту (лактат). Реакцию катализирует лактатдегидрогеназа (рис. 2).

Энергетика молочнокислого брожения на 2НАДН2 (6АТФ) меньше, чем у гли­колиза, т. к. восстановленный НАДН2 расходуется на восстановление пирувата. Т. е. в процессе брожения из глюкозы образуется всего 2 АТФ. Это очень мало, но надо учесть, что энергия образуется в анаэробных условиях. Суммарная реакция молочнокислого брожения: Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4 à 2 Лактата + 2 АТФ + Н2О

Иными словами, в молочнокислом брожении распадается глюкоза на две молекулы лактата с высвобождением энергии в виде 2 АТФ.

Локализуются все реакции молочнокислого брожения, в цитоплазме. Молочнокислое брожение есть у животных, у растений и у микроорганизмов, у аэробов как дополнительный в условиях недостатка кислорода, например, в мыш­цах при тяжелой физической работе.

Молочнокислое брожение

Спиртовое (этаноловое) брожение

Рисунок 2 – Схема брожения

Спиртовое брожение осуществляется дрожжами и другими микроорганизмами. Химизм спиртового брожения не отличается от молочнокислого до стадии образо­вания пирувата. То есть в начале - гликолиз. Затем пируват декарбоксилируется и превращается в уксусный альдегид (рис. 2). Последний, восстанавливается при участии фермента алкогольдегидрогеназы до этилового спирта (этанола).

Энергетика спиртового - 2 АТФ.

Суммарная реакция брожения: Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4 à 2 Этанола + 2 АТФ + 2 CО2

Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя диоксид углерода обычно уходит в атмосферу. Спиртовое брожение широко используется в промышленности для получения этанола из крахмала и целлюлозы, которые предварительно гидролизуются до глю­козы.

Существует большое разнообразие типов брожения. Некоторые из них имеют практическое значение, так как используются для промышленного получения орга­нических кислот, ацетона и других веществ.

Например:

·  уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.

·  маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.

·  Пропионовокислое брожение вызывается особыми пропионовокислыми бактериями.

·  Брожение пектиновых веществ и др.

ВКЛЮЧЕНИЕ В КАТАБОЛИЗМ ПОЛИСАХАРИДОВ

Крахмал у растений и гликоген у животных вначале подвергаются фосфоролизу – фермент фосфорилаза расщепляет в полисахаридах 1-4 свя­зи, 1-6 связи, имеющиеся в гликогене и амилопектине, расщепляются 1-6 - гликозидазой. При этом образуется глюкозо-1-фосфат, который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат.

Гликолитическое превращение гликогена называ­ется гликогенолизом. В гликогенолизе на первое фосфорилирование глюкозы не используется АТФ, фосфоролиз идет с потреблением минерального фосфата.

Глюкозо -6 - фосфат идёт в гликолиз, но в отличие от глюкозы он уже фосфорлирован и при этом без затраты энергии АТФ. Поэтому энергетический эффект брожения гликогена - 3 АТФ на одну молекулу глюкозы, т. е. больше чем у брожения глюкозы на 1 АТФ.

Фосфоролиз полисахаридов:

(С6Н10О5)n + H3PO4 ↔ (С6Н10О5)n-1 + C6H11O6~ PO3H2

крахмал фосфат крахмал глюкозо - 1- фосфат

Изомеризация глюкозо - 1 фосфата:

АЭРОБНЫЕ ПУТИ РАСПАДА ГЛЮКОЗЫ

Аэробные пути окисления органических веществ называются дыханием. Рас­смотрим наиболее распространенный способ аэробного окисления глюкозы. Его иногда называют дихотомическим распадом глюкозы. Он включает 3 этапа:

1-й этап гликолитический. На этом этапе глюкоза превращается в пируват.

2-й этап - окислительное декарбоксилирование пирувата. Пируват превращается в ацетат (ацетил-КоА) и углекислый газ.

3-й этап - цикл трикарбоновых кислот. Ацетат (ацетил-КоА) превращается в две молекулы СO2.

На каждом этапе образуется энергия в виде восстановленных коферментов (НАДН2, ФАДН2) и нуклеозидтрифосфатов (АТФ или ГТФ). Восстановленные коферменты в цепи тканевого дыхания окисляются и дают энергию в виде АТФ.

1-й этап гликолиз рассмотрен выше.

2-й этап. Окислительное декарбоксилирова­ние пирувата. Пируват, образованный на первом этапе, направляется из растворимой части цитоплазмы в митохондрии и здесь подвергается окислите­льному декарбоксилированию. Окислительное декарбоксилирование пирувата вклю­чает 5 реакций.

Декарбоксилирование. Осуществляется пируватдегидрогеназой, сложным ферментом, в простетической группе кото­рого находится фосфорилированный витамин В: (тиамин) тиаминпирофосфат. Данный фермент переносит протоны на НАД+(2-ая реакция). Полученное в результате соединение затем окисляется (3-ая реакция), и к нему присоединяется ацетил-коА (4,5-ая реакция).

Таким образом пируват окисляется и декарбоксилируется с образованием НАДН2. Продуктами реакции являются активная уксусная кислота (ацетил-коА) и углекислый газ.

Энергетика. При окислительном декарбоксилировании одной молекулы пирувата образуется одна молеукула НАДН2, т. е. = 3 АТФ. В пересчёте на глюкозу 6 АТФ.

Все ферменты данного процесса объединены в единый пируватдегидрогеназный комплекс. Комплекс включает 3 фермента: пируватдегодрогеназу, дигидролипоилтрансацетилазу, дигидролиполидегидрогеназу и 5 коферментов: ТПФ, липоевую кислоту, НS-КоА, ФАД и НАД.

Рисунок 3 - Суммарное уравнение окисления пировиноградной кислоты

3-й этап - ЦТК. Образовавшийся на втором этапе ацетил-коА окисляется в цикле трикарбоновых кислот до СО2 с высвобождением энергии. В расчёте на две молекулы ацетил-коА, образующегося при окислении одной молекулы глюкозы - 24 АТФ.

Энергетика дихотомического распада глюкозы в расчёте на одну молекулу глюкозы, в АТФ (ГТФ по запасу энергии равен АТФ):

1-й этап (гликолитический) - 8 АТФ;

2-й этап (окислительное декарбоксилирование пирувата) - 6 АТФ;

3-й этап (ЦТКАТФ.

Всего тридцать восемь молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

Таким образом в дихотомическом пути глюкоза, состоящая из 6 углеродных атомов, распадается на 6 молекул углекислого газа, при этом освобождается большое количество энергии в виде АТФ, ГТФ и восстановленных коферментов НАДН2 и ФАДН2. В дыхательной цепи НАДН2 и ФАДН2 окисляются, при этом энергия аккумулируется в макроэргических связях АТФ.

Этот путь окисления глюкозы называется дихотомическим потому, что глюкоза (гексоза) в самом начале распадается на две триозы - фосфоглицеринового альдегида.