Randament net de ATP în reacțiile de glicoliză. Ecuația sumară a glicolizei
Glicoliza– o succesiune de reacții enzimatice care duc la descompunerea glucozei cu formarea PVC, însoțită de formarea de ATP (în citosolul celulei). Există două tipuri de glicoliză - aerobă și anaerobă.
Glicoliză aerobă: Se formează PVC și intră în mitocondrii. În condiții aerobe, PVA în continuare, pe calea generală a catabolismului, se descompune în CO 2 și H 2 O. Glicoliza aerobă face parte din descompunerea aerobă a glucozei.
Glicoliză anaerobă: Se formează PVC, care este apoi transformat în lactat. Defalcarea anaerobă a glucozei și glicoliza anaerobă sunt sinonime. Glicoliza anaerobă apare în primele minute de muncă musculară, în hematii (fără mitocondrii), cu aport insuficient de oxigen.
Reacții de glicoliză:
1). Fosforilarea glucozei. Reacția este catalizată de hexokinază, iar în celulele hepatice parenchimatoase de glucokinază. Formarea de glucoză-6-fosfat în celulă este o capcană pentru glucoză, deoarece membrana este impermeabilă la glucoza fosforilată. Glucoza-6-fosfatul este un inhibitor alosteric al reacției.
2). Reacție de izomerizare cu participarea glucozo-6-fosfat izomerazei:
3) Etapa limitativă- reactie de fosforilare catalizata de 6-fosfofructokinaza, care este inhibata de ATP si citrat, activata de AMP.
4). Reacție de scindare aldolică cu participarea aldolazei.
5). Izomerizarea fosfatului de dihidroxiacetonă, enzimei – triozofosfat izomerazei:
1 moleculă de glucoză este transformată în 2 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat (reacțiile 4, 5).
6). Reacție de oxidare, enzimă - gliceraldehidă fosfat dehidrogenază:
7). Fosforilarea substratului cu participarea fosfoglicerat kinazei:
8). Transfer intramolecular al grupării fosfat, enzimă - fosfogliceromutază:
9). Reacție de deshidratare cu participarea enolazei:
10). Fosforilarea substratului, enzima - piruvat kinaza:
11). În condiții anaerobe, reacția de reducere a piruvatului în lactat are loc sub acțiunea enzimei lactat dehidrogenază:
Ecuația generală pentru glicoliza anaerobă este:
Glicoliza anaerobă nu necesită un lanț respirator.
Eliberarea de ATP în timpul glicolizei anaerobe: ATP se formează datorită a două reacții de fosforilare a substratului: din 1,3-bisfosfoglicerat - reacția 7 și din fosfoenolpiruvat - reacția 10. Având în vedere că 1 moleculă de glucoză este împărțită în 2 trioze și produce 2 molecule de gliceraldehidă fosfat, se formează 4ATP. 2ATP este cheltuit pentru activarea glucozei (reacțiile 1 și 3 de glicoliză). Total.
Etapele ulterioare ale digestiei amidonului nedigerat sau parțial digerat, precum și a altor carbohidrați alimentari, au loc în intestinul subțire în diferitele sale secțiuni sub acțiunea enzimelor hidrolitice - glicozidaze.
α-amilaza pancreatică
În duoden, pH-ul conținutului gastric este neutralizat, deoarece secreția pancreasului are un pH de 7,5-8,0 și conține bicarbonați (HCO 3 -). Odată cu secreția pancreasului intră în intestin pancreatic α -amilaza. Această enzimă hidrolizează legăturile α-1,4-glicozidice din amidon și dextrine.
Produsele digestiei amidonului în această etapă sunt maltoza dizaharidă, care conține 2 reziduuri de glucoză legate printr-o legătură α-1,4. Din acele reziduuri de glucoză care sunt situate în zonele de ramificare ale moleculei de amidon și sunt legate printr-o legătură α-1,6-glicozidică, se formează dizaharidă izomaltoză. În plus, se formează oligozaharide care conţin 3-8 resturi de glucoză legate prin legături α-1,4- şi α-1,6-.
α-amilaza pancreatică, ca și α-amilaza salivară, acționează ca o endoglicozidază. α-amilaza pancreatică nu scindează legăturile α-1,6-glicozidice din amidon. De asemenea, această enzimă nu hidrolizează (legături 3-1,4-glicozidice care leagă reziduurile de glucoză din molecula de celuloză. Celuloza trece astfel prin intestine neschimbată. Cu toate acestea, celuloza nedigerată îndeplinește o funcție importantă ca substanță de balast, dând alimentelor volum suplimentar și influențând pozitiv procesul de digestie În plus, în intestinul gros, celuloza poate fi expusă la enzime bacteriene și parțial descompusă pentru a forma alcooli, acizi organici și CO 2. Produsele de descompunere bacteriană a celulozei sunt importanți ca stimulatori ai motilității intestinale.
Maltoza, izomaltoza și triozaharidele, formate în intestinul superior din amidon, sunt produse intermediare. Digestia lor ulterioară are loc sub acțiunea unor enzime specifice din intestinul subțire. Dizaharidele alimentare zaharoza și lactoza sunt, de asemenea, hidrolizate de dizaharidaze specifice în intestinul subțire.
O particularitate a digestiei carbohidraților în intestinul subțire este că activitatea oligo- și dizaharidazelor specifice în lumenul intestinal este scăzută. Dar enzimele acționează activ pe suprafața celulelor epiteliale intestinale.
Interiorul intestinului subțire are forma unor proiecții în formă de deget - vilozități, acoperite cu celule epiteliale. Celulele epiteliale, la rândul lor, sunt acoperite cu microvilozități orientate spre lumenul intestinal. Aceste celule, împreună cu vilozitățile, formează o margine de perie, datorită căreia suprafața de contact a enzimelor hidrolitice și substraturile acestora în conținutul intestinal crește. Pentru suprafete de 1 mm 2 intestinul subtire o persoană are 80-140 de milioane de vilozități.
Enzimele care scindează legăturile glicozidice din dizaharide (disaharidaze) formează complexe enzimatice localizate pe suprafața exterioară a membranei citoplasmatice a enterocitelor.
Complex zaharază-izomaltază
Acest complex enzimatic este format din două lanțuri polipeptidice și are o structură de domeniu. Complexul zaharoză-izomaltază este atașat de membrana microvilozităților intestinale folosind un domeniu hidrofob (transmembranar) format din partea N-terminală a polipeptidei. Centrul catalitic iese în lumenul intestinal.
Complex zaharază-izomaltază. 1 - zaharază; 2 - izomaltaza;
3 - domeniul de legare; 4 - domeniul transmembranar; 5 - domeniul citoplasmatic.
Asocierea acestei enzime digestive cu membrana facilitează absorbția eficientă a produselor de hidroliză în celulă.
Complexul zaharoză-izomaltază hidrolizează zaharoza și izomaltoza, scindând legăturile α-1,2- și α-1,6-glicozidice. În plus, ambele domenii enzimatice au activități de maltază și maltotriază, hidrolizând legăturile α-1,4-glicozidice în maltoză și maltotrioză (o trizaharidă formată din amidon). Complexul zaharază-izomaltază reprezintă 80% din activitatea totală a maltazei din intestin. Dar, în ciuda activității sale mari inerente de maltază, acest complex enzimatic este numit în funcție de specificul său de bază. În plus, subunitatea zaharoză este singura enzimă din intestin care hidrolizează zaharoza. Subunitatea izomaltazei hidrolizează legăturile glicozidice în izomaltoză cu o rată mai mare decât în maltoză și maltotrioză.
Efectul complexului zaharază-izomaltază asupra maltozei și maltotriozei.
Efectul complexului zaharază-izomaltază asupra izomaltozei și oligozaharidei.
În jejun, conținutul complexului enzimatic zaharază-izomaltază este destul de mare, dar scade în părțile proximale și distale ale intestinului.
Complexul de glicoamilază
Acest complex enzimatic catalizează hidroliza legăturii α-1,4 dintre reziduurile de glucoză din oligozaharide, acționând de la capătul reducător. În funcție de mecanismul de acțiune, această enzimă este clasificată ca o exoglicozidază. De asemenea, complexul scindează legăturile din maltoză, acționând ca maltaza. Complexul de glicoamilază conține două subunități catalitice diferite, cu ușoare diferențe în specificitatea substratului. Activitatea glicoamilazică a complexului este cea mai mare în părțile inferioare ale intestinului subțire.
complex de β-glicozidază (lactază)
Lactaza scindează legăturile β-1,4-glicozidice dintre galactoză și glucoză din lactoză. 
Acest complex enzimatic este chimic o glicoproteină. Lactoza, ca și alte complexe de glicozidaze, este asociată cu marginea periei și este distribuită neuniform în intestinul subțire. Activitatea lactază fluctuează în funcție de vârstă. Astfel, activitatea lactază la făt este crescută mai ales la sfârșitul sarcinii și rămâne la un nivel ridicat până la vârsta de 5-7 ani. Apoi activitatea enzimatică scade, ridicându-se la adulți la 10% din nivelul de activitate caracteristic copiilor.
Trehalase- de asemenea un complex de glicozidază care hidrolizează legăturile dintre monomerii din trehaloză, o dizaharidă găsită în ciuperci. Trehaloza constă din două resturi de glucoză legate printr-o legătură glicozidică între primii atomi de carbon anomeri.
Acțiunea combinată a tuturor acestor enzime completează digestia oligo- și polizaharidelor alimentare cu formarea de monozaharide, principala dintre ele este glucoza. Pe lângă glucoză, fructoza și galactoza se formează și din carbohidrații din alimente, iar în cantități mai mici - manoză, xiloză și arabinoză. 
MECANISMUL TRANSMEMBRANULUI DE TRANSFER AL GLUCOZEI SI ALTE MONOZACHARIDE ÎN CELULE
Monozaharidele formate ca urmare a digestiei sunt absorbite de celulele epiteliale intestinale folosind mecanisme speciale de transport prin membranele acestor celule.
Absorbția monozaharidelor în intestin
Transportul monozaharidelor în celulele mucoasei intestinale poate fi efectuat în diferite moduri: prin difuzie facilitată de-a lungul unui gradient de concentrație și transport activ prin mecanismul de simport datorită gradientului de concentrație al ionilor de Na +. Na + intră în celulă de-a lungul unui gradient de concentrație și, în același timp, glucoza este transportată împotriva gradientului de concentrație (transport activ secundar). În consecință, cu cât gradientul de Na + este mai mare, cu atât fluxul de glucoză în enterocite este mai mare. Dacă concentrația de Na+ în lichidul extracelular scade, transportul glucozei scade. Gradientul de concentrație Na+, care este forță motrice symport activ, este creat de munca Na +, K + -ATPaza, care funcționează ca o pompă, pompând Na + din celulă în schimbul K +. Spre deosebire de glucoză, fructoza este transportată de un sistem independent de gradientul de sodiu.
Transferul către celulele mucoasei intestinale prin mecanismul de transport activ secundar este, de asemenea, tipic pentru galactoză.
La diferite concentrații de glucoză în lumenul intestinal, funcționează diferite mecanisme de transport. Datorită transportului activ, celulele epiteliale intestinale pot absorbi glucoza în concentrații foarte scăzute în lumenul intestinal. Dacă concentrația de glucoză în lumenul intestinal este mare, atunci aceasta poate fi transportată în celulă prin difuzie facilitată. Fructoza poate fi, de asemenea, absorbită în același mod. Trebuie remarcat faptul că rata de absorbție a glucozei și galactozei este mult mai mare decât cea a altor monozaharide.
După absorbție, monozaharidele (în principal glucoza) părăsesc celulele mucoasei intestinale prin membrană prin difuzie facilitată în sistemul circulator.
Glicoliza este procesul de descompunere anaerobă a glucozei, însoțită de eliberarea de energie, al cărei produs final este acidul piruvic. Glicoliza - generală stadiu inițial respiraţia aerobă şi toate tipurile de fermentaţie. Reacțiile de glicoliză apar în partea solubilă a citoplasmei (citosol) și în cloroplaste.
A. Garden și L. A. Ivanov au arătat în mod independent în 1905 că în procesul de fermentație alcoolică se observă legarea fosfatului anorganic și transformarea acestuia într-o formă organică. Garden a descoperit că glucoza suferă descompunere anaerobă numai după ce este fosforilată.
Etapele glicolizei:
eu. Etapa pregătitoare- fosforilarea hexozei și scindarea acesteia în două fosfotrioze.
II. Prima fosforilare a substratului, care începe cu 3-fosfo-gliceraldehidă și se termină cu acid 3-fosfogliceric. În acest proces, o moleculă de ATP este sintetizată pentru fiecare fosfotrioză.
III. Fosforilarea celui de-al doilea substrat, în care acidul 3-fosfo-gliceric eliberează fosfat prin oxidare intramoleculară pentru a forma ATP.
Activarea glucozei necesită o cheltuială de energie, care se realizează în procesul de formare a esterilor fosforici ai glucozei într-un număr de reacții pregătitoare. Glucoza (forma piranoză) este fosforilată de ATP cu participarea hexokinazei, transformându-se în glucoză-6-fosfat, care este izomerizat de glucozofosfat izomerază în fructoză-6-fosfat (forma furanoză), care este o formă mai labilă a hexozei. moleculă.
Fructoza 6-fosfat este fosforilată secundar de fosfofructokinază folosind o altă moleculă de ATP. Fructoza-1,6-difosfatul rezultat este o formă de furanoză labilă cu grupări de fosfat situate simetric. Ambele grupuri poartă o sarcină negativă respingându-se reciproc electrostatic. Această structură este ușor scindată de aldolază în două fosfotrioze - 3-fosfogliceraldehidă (3-PGA) și fosfodioxiacetonă (PDA).
3-PHA și PDA sunt ușor de transformat unul în celălalt cu participarea triozofosfat izomerazei. Datorită divizării moleculei de hexoză în două trioze, uneori se numește glicoliză calea dihotomică de oxidare a glucozei.
Stadiul II al glicolizei începe cu 3-PHA - prima fosforilare a substratului. Enzima fosfogliceraldehida dehidrogenaza (enzima SH dependenta de NAD) formeaza un complex enzima-substrat cu 3-PHA, in care substratul este oxidat, electronii si protonii sunt transferati in NAD+ si formarea comunicații de înaltă energie(adică, o legătură cu energie liberă de hidroliză foarte mare). Apoi, are loc fosforoliza acestei legături: enzima SH este scindată din substrat și se adaugă fosfat anorganic la reziduul grupării carboxil a substratului. Gruparea fosfat de înaltă energie este transferată în ADP de către fosfoglicerat kinaza și se formează ATP. Deoarece în acest caz de înaltă energie legătură covalentă fosfatul se formează direct pe substratul oxidat, acest proces se numește fosforilarea substratului. Astfel, c. Ca rezultat al etapei II a glicolizei, se formează ATP și NADH redus:
Ultima etapă a glicolizei este fosforilarea celui de-al doilea substrat. Acidul 3-fosfogliceric este transformat în acid 2-fosfogliceric de către fosfoglicerat mutaza. Apoi, enzima enolaza catalizează extracția de apă din acidul 2-fosfogliceric din moleculă, rezultând în formarea fosfoenolpiruvatului - un compus care conține o legătură fosfat de înaltă energie, cu participarea piruvat kinazei, este transferat la ADP. și se formează ATP, iar enolpiruvatul se transformă spontan într-o formă mai stabilă - piruvat− produsul final al glicolizei.
Producția energetică a glicolizei
Când o moleculă de glucoză este oxidată, se formează două molecule de acid piruvic. În acest caz, datorită fosforilării primului și celui de-al doilea substrat, se formează patru molecule de ATP. Cu toate acestea, două molecule de ATP sunt cheltuite pentru fosforilarea hexozei în prima etapă a glicolizei. Astfel, randamentul net al fosforilării substratului glicolitic este de două molecule de ATP.
În plus, în stadiul II al glicolizei, o moleculă de NADH este redusă pentru fiecare dintre cele două molecule de fosfotrioză. Oxidarea unei molecule de NADH în lanțul de transport de electroni al mitocondriilor în prezența O2 este asociată cu sinteza a trei molecule de ATP și pentru două trioze (adică, pentru o moleculă de glucoză) - șase molecule de ATP. Astfel, în total, se formează opt molecule de ATP în procesul de glicoliză (supus oxidării ulterioare a NAD H). Deoarece energia liberă de hidroliză a unei molecule de ATP în condiții intracelulare este de aproximativ 41,868 kJ/mol (10 kcal), opt molecule de ATP dau 335 kJ/mol sau 80 kcal. Acesta este randamentul total de energie al glicolizei în condiții aerobe.
Ecuația rezumată a glicolizei:
C 6 H 12 O 6 + 2 ATP + 2 NAD + + 2P n + 4ADP 2 PVC + 4ATP + 2NADH
Semnificația glicolizei:
1) comunică între substraturile respiratorii și ciclul Krebs;
2) furnizează două molecule de ATP și două molecule de NADH pentru nevoile celulei în timpul oxidării fiecărei molecule de glucoză (în condiții anoxice, se pare că glicoliza servește ca sursă principală de ATP în celulă);
3) produce intermediari pentru procesele sintetice în celulă (de exemplu, fosfoenolpiruvat, necesar pentru formarea compușilor fenolici și a ligninei);
4) în cloroplaste oferă o cale directă pentru sinteza ATP, independent de aportul de NADPH; În plus, prin glicoliză în cloroplastă, amidonul depozitat este metabolizat în trioze, care sunt apoi exportate din cloroplast.
Glicoliza (din greaca glycus - dulce si lysis - dizolvare, descompunere) este un proces enzimatic complex de conversie a glucozei care are loc in tesuturile umane si animale fara consum de oxigen. Produsul final al glicolizei este acidul lactic. Procesul de glicoliză produce și ATP. Ecuația globală a glicolizei poate fi descrisă după cum urmează:
În condiții anaerobe, glicoliza este singurul proces din organismul animal care furnizează energie. Datorită procesului de glicoliză, organismul uman și animal poate îndeplini o serie de funcții fiziologice pentru o anumită perioadă de timp în condiții de deficiență de oxigen. In cazurile in care glicoliza are loc in prezenta oxigenului, vorbim de glicoliza aeroba. ( În condiții aerobe, glicoliza poate fi considerată prima etapă a oxidării glucozei la produsele finale ale acestui proces - dioxid de carbon și apă.)
Termenul „glicoliză” a fost folosit pentru prima dată de Lepine în 1890 pentru a desemna procesul de pierdere a glucozei din sângele îndepărtat din sistemul circulator, adică in vitro.
Într-un număr de microorganisme, procesele similare cu glicoliza sunt diferite tipuri de fermentație.
Secvența reacțiilor glicolitice, precum și produșii lor intermediari, este bine studiată. Procesul de glicoliză este catalizat de unsprezece enzime, dintre care majoritatea sunt izolate sub formă omogenă, cristalină sau foarte purificată și ale căror proprietăți au fost suficient studiate. Rețineți că glicoliza are loc în hialoplasma celulei. În tabel Figura 27 prezintă date privind viteza glicolizei anaerobe în diferite țesuturi ale șobolanului.
Prima reacție enzimatică a glicolizei este fosforilarea, adică transferul unui reziduu de ortofosfat la glucoză în detrimentul ATP. Reacția este catalizată de enzima hexokinaza:
Formarea de glucoză-6-fosfat în reacția hexokinazei este asociată cu eliberarea unei cantități semnificative de energie liberă a sistemului și poate fi considerat un proces practic ireversibil.
Enzima hexokinaza este capabilă să catalizeze fosforilarea nu numai a D-glucozei, ci și a altor hexoze, în special a D-fructozei, D-manozei etc.
A doua reacție a glicolizei este conversia glucozei-6-fosfatului sub acțiunea enzimei hexozofosfat izomerazei în fructoză 6-fosfat:
Această reacție are loc cu ușurință în ambele direcții și nu necesită prezența niciunui cofactori.
În a treia reacție, fructoza-6-fosfatul rezultat este din nou fosforilat de o a doua moleculă de ATP. Reacția este catalizată de enzima fosfofructokinaza:
Această reacție, asemănătoare hexokinazei, este practic ireversibilă, are loc în prezența ionilor de magneziu și este cea mai lentă reacție de glicoliză. De fapt, această reacție determină viteza glicolizei în ansamblu.
Fosfofructokinaza este o enzimă alosterică. Este inhibată de ATP și stimulată de ADP și AMP. ( Activitatea fosfofructokinazei este de asemenea inhibată de citrat. S-a demonstrat că în diabet, în post și în alte afecțiuni, când grăsimile sunt utilizate intens ca sursă de energie, conținutul de citrat din celulele țesuturilor poate crește de câteva ori. În aceste condiții, are loc o inhibare puternică a activității fosfofructokinazei de către citrat.). La valori semnificative ale raportului ATP/ADP (care se realizează în procesul de fosforilare oxidativă), activitatea fosfofructokinazei este inhibată și glicoliza încetinește. Dimpotrivă, atunci când acest coeficient scade, intensitatea glicolizei crește. Astfel, în mușchii care nu lucrează, activitatea fosfofructokinazei este scăzută, iar concentrația de ATP este relativ mare. În timpul lucrului muscular, are loc un consum intens de ATP și activitatea fosfofructokinazei crește, ceea ce duce la o creștere a procesului de glicoliză.
A patra reacție de glicoliză este catalizată de enzima aldolază. Sub influența acestei enzime, fructoza-1,6-bisfosfatul este împărțit în două fosfotrioze:
Această reacție este reversibilă. În funcție de temperatură, echilibrul se stabilește la diferite niveluri. În general, odată cu creșterea temperaturii, reacția se deplasează către o formare mai mare de trioză fosfați (dioxiacetonă fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat).
A cincea reacție este reacția de izomerizare a triozei fosfaților. Această reacție este catalizată de enzima triozofosfat izomeraza:
Echilibrul acestei reacții izomerazei este deplasat către dihidroxiacetonă fosfat: 95% dihidroxiacetonă fosfat și aproximativ 5% gliceraldehidă-3-fosfat. Cu toate acestea, doar unul dintre cei doi trioză fosfați formați, și anume gliceraldehida-3-fosfat, poate fi direct implicat în reacțiile glicolitice ulterioare. Ca rezultat, pe măsură ce se consumă forma aldehidă a fosfotriozei, fosfatul de dihidroxiacetonă este transformat în gliceraldehidă-3-fosfat.
Formarea gliceraldehidei-3-fosfatului completează prima etapă a glicolizei. A doua etapă este cea mai complexă și importantă parte a glicolizei. Include o reacție redox (oxidoreducere glicolitică) cuplată cu fosforilarea substratului, în timpul căreia se formează ATP.
În a șasea reacție, gliceraldehidă-3-fosfat în prezența enzimei gliceraldehidă fosfat dehidrogenază ( 3-fosfogliceraldehida dehidrogenaza), coenzima NAD și fosfatul anorganic suferă o oxidare particulară cu formarea acidului 1,3-difosfogliceric și a formei reduse de NAD (NADH 2). Această reacție este blocată de iod sau bromoacetat și se desfășoară în mai multe etape. În total, această reacție poate fi reprezentată astfel:
Acidul 1,3-difosfogliceric este un compus bogat în energie. Mecanismul de acțiune al gliceraldehida-fosfat dehidrogenazei este următorul: în prezența fosfatului anorganic, NAD acționează ca un acceptor de hidrogen, care este scindat din gliceraldehida-3-fosfat. În timpul formării NADH 2, gliceraldehida 3-fosfat se leagă de molecula de enzimă datorită grupărilor SH ale acesteia din urmă. Legătura rezultată este bogată în energie, dar este fragilă și se descompune sub influența fosfatului anorganic. Aceasta produce acid 1,3-difosfogliceric.
A șaptea reacție, care este catalizată de fosfoglicerat kinaza, transferă o porțiune fosfat bogată în energie (grupa fosfat din poziția 1) în ADP pentru a forma ATP și acid 3-fosfogliceric (3-fosfoglicerat):
Astfel, datorită acțiunii a două enzime (gliceraldehidă fosfat dehidrogenază și fosfoglicerat kinaza), energia eliberată în timpul oxidării grupării aldehidice a gliceraldehidei-3-fosfatului în grupa carboxil este stocată sub formă de energie ATP.
În a opta reacție, are loc transferul intramolecular al grupării fosfat rămase și acidul 3-fosfogliceric este transformat în acid 2-fosfogliceric (2-fosfoglicerat).
Reacția este ușor reversibilă și are loc în prezența ionilor de Mg 2+. Cofactorul enzimei este, de asemenea, acidul 2,3-difosfogliceric, similar cu modul în care în reacția fosfoglucomutază rolul cofactorului a fost îndeplinit de glucoză-1,6-bisfosfat:
În a noua reacție, acidul 2-fosfogliceric, ca urmare a eliminării unei molecule de apă, este transformat în acid fosfoenolpiruvic (fosfoenolpiruvat). În acest caz, legătura de fosfat de la poziția 2 devine foarte energetică. Reacția este catalizată de enzima enolaza:
Enolaza este activată de cationii divalenți Mg 2+ sau Mn 2+ și inhibată de fluor.
În a zecea reacție, legătura de înaltă energie este ruptă și reziduul de fosfat este transferat din acidul fosfoenolpiruvic în ADP. Această reacție este catalizată de enzima piruvat kinaza:
Acțiunea piruvat kinazei necesită Mg 2+ sau Mn 2+, precum și cationi monovalenți ai metalelor alcaline (K + sau alții). În interiorul celulei, reacția este practic ireversibilă.
În a unsprezecea reacție, acidul lactic se formează ca urmare a reducerii acidului piruvic. Reacția are loc cu participarea enzimei lactat dehidrogenază și a coenzimei NADH 2+:
În general, secvența reacțiilor care apar în timpul glicolizei poate fi prezentată după cum urmează (Fig. 84).
Reacția de reducere a piruvatului completează ciclul redox intern al glicolizei. În acest caz, NAD joacă aici doar rolul unui purtător intermediar de hidrogen de la gliceraldehidă-3-fosfat (a șasea reacție) la acidul piruvic (a unsprezecea reacție). Reacția de oxidoreducere glicolitică este descrisă schematic mai jos și sunt indicate și etapele în care se formează ATP (Fig. 85).
Semnificația biologică a procesului de glicoliză constă în primul rând în formarea de compuși ai fosforului bogat în energie. Prima etapă a glicolizei consumă două molecule de ATP (reacții de hexokinază și fosfofructokinază). În a doua etapă se formează patru molecule de ATP (reacții fosfoglicerat kinazei și piruvat kinazei).
Astfel, eficiența energetică a glicolizei este de două molecule de ATP per moleculă de glucoză.
Se știe că modificarea energiei libere în timpul descompunerii glucozei în două molecule de acid lactic este de aproximativ 210 kJ/mol:
Din această cantitate de energie, aproximativ 126 kJ sunt disipate sub formă de căldură, iar 84 kJ sunt stocate sub formă de legături fosfat bogate în energie ale ATP. Legătura terminală de înaltă energie din molecula de ATP corespunde la aproximativ 33,6-42,0 kJ/mol. Astfel, eficiența glicolizei anaerobe este de aproximativ 0,4.
Mărimea modificărilor energiei libere a fost determinată cu precizie pentru reacțiile glicolitice individuale în eritrocitele umane intacte. S-a stabilit că opt reacții de glicoliză sunt aproape de echilibru, iar trei reacții (hexokinază, fosfofructokinază, piruvat kinază) sunt departe de aceasta, deoarece sunt însoțite de o scădere semnificativă a energiei libere, adică sunt practic ireversibile.
După cum sa menționat deja, principala reacție de limitare a vitezei în glicoliză este reacția catalizată de fosfofructokinază. A doua etapă, care limitează viteza și reglează glicoliza, este reacția hexokinazei. În plus, controlul glicolizei este efectuat și de lactat dehidrogenază (LDH) și izoenzimele sale. În țesuturile cu metabolism aerob (țesut al inimii, rinichi etc.), predomină izoenzimele LDH 1 și LDH 2. Aceste izoenzime sunt inhibate chiar și prin concentrații mici de piruvat, care previne formarea acidului lactic și promovează o oxidare mai completă a piruvatului (mai precis, acetil-CoA) în ciclul acidului tricarboxilic.
În țesuturile umane care se bazează în mare măsură pe energia generată în timpul glicolizei (de exemplu, mușchiul scheletic), principalele izoenzime sunt LDH 5 și LDH 4 . Activitatea LDH 5 este maximă la acele concentrații de piruvat care inhibă LDH 1. Predominanța izoenzimelor LDH 4 și LDH 5 determină glicoliză anaerobă intensă cu conversia rapidă a piruvatului în acid lactic.
Includerea altor carbohidrați în procesul de glicoliză
Efectul Pasteur
Scăderea ratei consumului de glucoză și încetarea acumulării de lactat în prezența oxigenului se numește efect Pasteur. Acest fenomen a fost observat pentru prima dată de L. Pasteur în timpul binecunoscutelor sale studii privind rolul fermentației în producția de vin. S-a demonstrat ulterior că efectul Pasteur este observat și în țesuturile animale și vegetale, unde O 2 inhibă glicoliza anaerobă. Semnificația efectului Pasteur, adică trecerea în prezența O 2 de la glicoliză anaerobă sau fermentație la respirație, este de a trece celula la o modalitate mai economică de obținere a energiei. Ca rezultat, rata de consum a unui substrat, cum ar fi glucoza, în prezența O2 este redusă. Mecanismul molecular al efectului Pasteur pare să fie competiția dintre sistemele de respirație și glicolitic (fermentare) pentru adenozin difosfat (ADP), care este folosit pentru a forma adenozin trifosfat (ATP). După cum știm deja, în condiții aerobe, îndepărtarea PhN și ADP, generarea de ATP și îndepărtarea NAD redus (NADH 2) au loc mult mai eficient decât în condiții anaerobe. Cu alte cuvinte, o scădere a cantității de Pn și ADP în prezența oxigenului și o creștere corespunzătoare a cantității de ATP duc la suprimarea glicolizei anaerobe.
Glicogenoliza
Procesul de descompunere anaerobă a glicogenului se numește glicogenoliză. Implicarea unităților D-glucoză de glicogen în procesul de glicoliză are loc cu participarea a trei enzime - glicogen fosforilază (sau fosforilază „a”), amilo-1,6-glucozidază și fosfoglucomutaza.
Glucoza-6-fosfatul format în timpul reacției fosfoglucomutazei poate fi inclus în procesul de glicoliză. După formarea glucozei-6-fosfatului, căile ulterioare de glicoliză și glicogenoliză sunt complet identice:
În timpul procesului de glicogenoliză, nu două, ci trei molecule de ATP se acumulează sub formă de compuși cu energie înaltă (ATP nu este risipit la formarea de glucoză-6-fosfat). La prima vedere, eficiența energetică a glicogenolizei poate fi considerată ceva mai mare în comparație cu procesul de glicoliză. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că în procesul de sinteză a glicogenului în țesuturi se consumă ATP, prin urmare, din punct de vedere energetic, glicogenoliza și glicoliza sunt aproape echivalente.
Glicoliza este un proces enzimatic de descompunere anaerobă nehidrolitică a carbohidraților (în principal glucozei) în celulele umane și animale, însoțit de sinteza acidului adenozin trifosforic (ATP), principalul acumulator de energie chimică în celulă, și care se termină cu formarea. de acid lactic (lactat). În plante și microorganisme, procese similare sunt diverse tipuri fermentare (Fermentare). G. este cel mai important anaerob descompunerea carbohidraților (Carbohidrați), care joacă un rol semnificativ în metabolism și energie (Metabolism și Energie). În condiții de deficiență de oxigen, singurul proces care furnizează energie pentru îndeplinirea funcțiilor fiziologice ale organismului este gazul, iar în condiții aerobe gazul reprezintă prima etapă a transformării oxidative a glucozei (Glucoza) și a altor carbohidrați în produsele finale ale descompunerea lor - CO2 și H2O (vezi țesutul respirator). G. intensă apare în mușchii scheletici, unde oferă oportunitatea dezvoltării activității maxime a contracției musculare în condiții anaerobe, precum și în ficat, inimă și creier. Reacțiile lui G. au loc în citosol.
Glicoliza (calea fosfotriozei, sau șuntul Embden-Meyerhof sau calea Embden-Meyerhof-Parnas) este un proces enzimatic de descompunere secvențială a glucozei în celule, însoțit de sinteza ATP. Glicoliza în condiții aerobe duce la formarea acidului piruvic (piruvat), glicoliza în condiții anaerobe duce la formarea acidului lactic (lactat). Glicoliza este principala cale de catabolism al glucozei la animale.
Calea glicolitică constă din 10 reacții secvențiale, fiecare dintre ele catalizată de o enzimă separată.
Procesul de glicoliză poate fi împărțit în două etape. Prima etapă, care are loc cu consumul de energie a 2 molecule de ATP, constă în scindarea unei molecule de glucoză în 2 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat. În a doua etapă, are loc oxidarea dependentă de NAD a gliceraldehidei-3-fosfatului, însoțită de sinteza ATP. Glicoliza în sine este un proces complet anaerob, adică nu necesită prezența oxigenului pentru ca reacțiile să apară.
Glicoliza este unul dintre cele mai vechi procese metabolice, cunoscut în aproape toate organismele vii. Probabil, glicoliza a apărut cu mai bine de 3,5 miliarde de ani în urmă la procariotele primordiale.
Localizare
În celulele organismelor eucariote, zece enzime care catalizează descompunerea glucozei în PVC sunt localizate în citosol, toate celelalte enzime legate de metabolismul energetic, - în mitocondrii și cloroplaste. Glucoza intră în celulă în două moduri: simport dependent de sodiu (în principal pentru enterocite și epiteliul tubular renal) și difuzia facilitată a glucozei folosind proteine purtătoare. Lucrarea acestor proteine transportoare este controlată de hormoni și, în primul rând, de insulină. Insulina stimulează cel mai puternic transportul glucozei în mușchi și țesutul adipos.
Rezultat
Rezultatul glicolizei este conversia unei molecule de glucoză în două molecule de acid piruvic (PVA) și formarea a doi echivalenți reducători sub forma coenzimei NAD∙H.
Ecuația completă pentru glicoliză este:
Glucoză + 2NAD+ + 2ADP + 2Pn = 2NAD∙H + 2PVK + 2ATP + 2H2O + 2H+.
În absența sau deficiența oxigenului în celulă, acidul piruvic suferă reducerea la acid lactic, atunci ecuația generală a glicolizei va fi următoarea:
Glucoză + 2ADP + 2Pn = 2lactat + 2ATP + 2H2O.
Astfel, în timpul descompunerii anaerobe a unei molecule de glucoză, randamentul net total de ATP este de două molecule obținute în reacțiile de fosforilare a substratului ADP.
În organismele aerobe, produșii finali ai glicolizei suferă transformări ulterioare în ciclurile biochimice legate de respirația celulară. Ca urmare, după oxidarea completă a tuturor metaboliților unei molecule de glucoză în ultima etapă a respirației celulare - fosforilarea oxidativă, care are loc pe lanțul respirator mitocondrial în prezența oxigenului - sunt sintetizate încă 34 sau 36 de molecule de ATP pentru fiecare glucoză. moleculă.
Cale
Prima reacție a glicolizei este fosforilarea unei molecule de glucoză, care are loc cu participarea hexokinazei enzimei specifice țesutului cu consumul de energie a unei molecule de ATP; se formează forma activă a glucozei - glucoză-6-fosfat (G-6-P):
Pentru ca reacția să aibă loc, este necesară prezența ionilor de Mg2+ în mediu, cu care se leagă complex molecula de ATP. Această reacție este ireversibilă și este prima reacție cheie a glicolizei.
Fosforilarea glucozei are două scopuri: în primul rând, datorită faptului că membrana plasmatica, permeabil la molecula neutră de glucoză, nu permite trecerea moleculelor G-6-P încărcate negativ, glucoza fosforilată este blocată în interiorul celulei. În al doilea rând, în timpul fosforilării, glucoza este transformată într-o formă activă care poate participa la reacții biochimice și poate fi inclusă în ciclurile metabolice. Fosforilarea glucozei este singura reacție din organism în care este implicată glucoza în sine.
Izoenzima hepatică a hexokinazei, glucokinaza, este importantă în reglarea nivelului de glucoză din sânge.
În următoarea reacție (2), G-6-P este transformat în fructoză-6-fosfat (F-6-P) de către enzima fosfoglucoizomeraza:
Nu este nevoie de energie pentru această reacție și reacția este complet reversibilă. În această etapă, fructoza poate fi inclusă și în procesul de glicoliză prin fosforilare.
Apoi, aproape imediat, se succed două reacții: fosforilarea ireversibilă a fructozei-6-fosfatului (3) și scindarea aldolică reversibilă a fructozei-1,6-bifosfatului (F-1,6-bP) rezultat în două trioze (4). ).
Fosforilarea P-6-P este efectuată de fosfofructokinază cu cheltuirea de energie a unei alte molecule de ATP; Aceasta este a doua reacție cheie a glicolizei, reglarea acesteia determină intensitatea glicolizei în ansamblu.
Scindarea aldolică a F-1,6-bP are loc sub acțiunea fructozo-1,6-bifosfat aldolazei:
Ca urmare a celei de-a patra reacții, se formează dihidroxiacetonă fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat, iar primul aproape imediat, sub acțiunea fosfotriozei izomerazei, se transformă în a doua (5), care participă la transformări ulterioare:
Fiecare moleculă de gliceraldehidă fosfat este oxidată de NAD+ în prezența gliceraldehidă fosfat dehidrogenază la 1,3-difosfoglicerat(6):
Aceasta este prima reacție de fosforilare a substratului. Din acest moment, procesul de descompunere a glucozei încetează să fie neprofitabil din punct de vedere energetic, deoarece costurile energetice ale primei etape sunt compensate: se sintetizează 2 molecule de ATP (una pentru fiecare 1,3-difosfoglicerat) în loc de cele două cheltuite în reacțiile 1 și 3. Pentru ca această reacție să apară este necesară prezența ADP în citosol, adică atunci când există un exces de ATP în celulă (și o lipsă de ADP), viteza acestuia scade. Deoarece ATP, care nu este metabolizat, nu se depune în celulă, ci este pur și simplu distrus, această reacție este un regulator important al glicolizei.
Apoi secvenţial: fosfoglicerol mutaza formează 2-fosfoglicerat (8):
Enolaza formează fosfoenolpiruvat (9):
Și, în cele din urmă, a doua reacție de fosforilare a substratului ADP are loc cu formarea formei enolice de piruvat și ATP (10):
Reacția are loc sub acțiunea piruvat kinazei. Aceasta este ultima reacție cheie a glicolizei. Izomerizarea formei enolice de piruvat la piruvat are loc neenzimatic.
Din momentul formării F-1,6-bP, au loc numai reacțiile 7 și 10 cu eliberarea de energie, în care are loc fosforilarea substratului ADP.
Soarta finală a piruvatului și a NAD∙H produse în timpul glicolizei depinde de organism și de condițiile din interiorul celulei, în special de prezența sau absența oxigenului sau a altor acceptori de electroni.
În organismele anaerobe, piruvatul și NAD∙H sunt fermentate în continuare. În timpul fermentației acidului lactic, de exemplu în bacterii, piruvatul este redus la acid lactic de către enzima lactat dehidrogenază. În drojdie, un proces similar este fermentația alcoolică, unde produsele finale sunt etanolul și dioxid de carbon. De asemenea, sunt cunoscute fermentarea acidului butiric și acidului citric.
Fermentarea acidului butiric:
glucoză → acid butiric + 2 CO2 + 2 H2O.
Fermentația alcoolică:
glucoză → 2 etanol + 2 CO2.
Fermentarea acidului citric:
glucoză → acid citric+ 2 H2O.
Fermentarea este importantă în industria alimentară.
În aerobi, piruvatul intră de obicei în ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs), iar NAD∙H este în cele din urmă oxidat de oxigenul din lanțul respirator din mitocondrii în timpul procesului de fosforilare oxidativă.
Deși metabolismul uman este predominant aerob, oxidarea anaerobă are loc în mușchii scheletici care lucrează intens. În condiții de acces limitat la oxigen, piruvatul este transformat în acid lactic, așa cum se întâmplă în timpul fermentației acidului lactic la multe microorganisme:
PVK + NAD∙H + H+ → lactat + NAD+.
Durere musculară care apare la ceva timp după o intensitate neobișnuită activitate fizică, sunt asociate cu acumularea de acid lactic în ele.
Formarea acidului lactic este o ramură fără capăt a metabolismului, dar nu este produsul final al metabolismului. Sub acțiunea lactat dehidrogenazei, acidul lactic se oxidează din nou, formând piruvat, care este implicat în transformări ulterioare.
