Аэробная стадия превращений углеводов

При адекватном снабжении тканей кислородом НАД-Н₂ передает отщепленные в реакциях превращения фосфоглицеринового альдегида два атома водорода (два протона и два электрона) в дыхательную цепь, в конце которой они соединяются с кислородом с образованием воды. Процесс переноса водорода по дыхательной цепи сопровождается освобождением энергии, за счет которой ресинтезируется три молекулы АТФ. При неадекватном снабжении тканей кислородом по аэробному пути расщепляется только часть углеводов.

В ходе аэробных превращений пировиноградная кислота (ПВК) подвергается преобразованиям, завершающимся в цикле трикарбоновых кислот (ЦТКК). На первом этапе этих превращений ПВК подвергается окислительному декарбоксилированию и преобразуется в ацетил-К_оА – активную форму уксусной кислоты под действием мультиферментного комплекса. Каждый из ферментов этого комплекса катализирует определенную стадию этого этапа превращений. При этом ПВК взаимодействует с коферментом А (К_оА), подвергается окислению НАД-зависимой дегидрогеназой и декарбоксилированию. Декарбоксилирование приводит к потере пировиноградной кислотой своей карбоксильной группы. Итоговое уравнение этой реакции можно представить следующим образом (рис. 35):

Пировиноградная Ацетил К_оА

кислота

Рис.35. Схема превращения пировиноградной кислоты в ацетил-К₀ А

Ацетил-К_оА включается в превращения ЦТКК, где окисляется до СО₂ и Н₂ О. Включение ацетил-К_оА в превращения ЦТКК не требуют затрат энергии, т.к. ацетильная группа в соединении с К_оА находится в активированной форме.

Превращения цикла трикарбоновых кислот представены на рис. 36.

Рис. 36. Общая схема превращений цикла трикарбоновых кислот, где ЦПЭ – цепь переноса электронов

Окислительное декарбоксилирование пирувата экзергонический процесс. В пересчете на одну молекулу глюкозы на этом этапе происходит восстановление двух молекул НАД. За счет энергии, освобождающейся при их окислении, в дыхательной цепи митохондрий ресинтезируется шесть молекул АТФ.

Рассмотрим последовательные реакции цикла трикарбоновых кислот. Превращения цикла трикарбоновых кислот начинаются с взаимодействия ацетил-К_оА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), катализируемого ферментом цитратсинтетазой. Еще одним участником этой реакции является молекула воды. В результате образуется лимонная кислота (цитрат) и свободный К_оА (рис. 37).

Рис. 37. Начальная реакция цикла трикарбоновых кислот

Образовавшаяся лимонная кислота вступает в реакцию изомеризации (внутримолекулярной перестройки), приводящей к образованию изолимонной кислоты (изоцитрата). Реакция идет через стадию образования промежуточного продукта цис-аконитата и катализируется ферментом аконитазой. Смысл этой реакции заключается в преобразовании трудно окисляемой лимонной кислоты в более легко окисляемую – изолимонную. Изолимонная кислота подвергается окислению НАД-зависимой дегидрогеназой, в процессе которого от нее отщепляются два атома водорода. Одновременно происходит ее декарбоксилирование – отщепление группы СО₂. Итогом этой реакции является α-кетоглютаровая кислота, содержащая на один атом углерода меньше, чем изолимонная, и восстановленная форма кофермента дегидрогеназы (НАД-Н₂).

Образовавшаяся в ходе этой реакции α-кетоглютаровая кислота (α-кетоглютарат) подвергается повторному окислению НАД-зависимой дегидрогеназой, приводящему к потере двух атомов водорода, и декарбоксилированию (отщеплению СО₂). В реакции участвует также кофермент А. В результате этой реакции образуется комплексное соединение К_оА с укороченной (по сравнению с α-кетоглютаровой кислотой) еще на один атом углерода янтарной кислотой - сукцинил-К_оА и восстановленная форма дегидрогеназы (НАД-Н₂).

Сукцинил связан с К_оА макроэргической связью; дальнейшие превращения сукцинил-К_оА обеспечивают трансформацию этой энергии в более удобную для организма форму – гуанозинтрифосфат (ГТФ). Реализуется это через реакцию с участием сукцинил-К_оА, свободной фосфорной кислоты и ГДФ (гуанозиндифосфата). Образование в этой реакции ГТФ относится к т. н. субстратному фосфорилированию. Продукт этой реакции ГТФ сам может использоваться в качестве непосредственного источника энергии в некоторых энергопотребляющих процессах, или обеспечить ресинтез более универсального для организма источника энергии – АТФ по уравнению:

ГТФ + АДФ → ГДФ + АТФ

Образовавшаяся янтарная кислота подвергается еще одному окислению, на этот раз с участием ФАД-зависимой дегидрогеназы. Продуктами реакции являются фумаровая кислота и восстановленная форма кофермента дегидрогеназы – ФАД-Н₂. Перенос водорода с ФАД-зависимой дегидрогеназы на кислород энергетически менее эффективный процесс, чем в случае окисления НАД-Н₂. Он может обеспечить ресинтез только двух молекул АТФ.

Следующая стадия - превращение фумаровой кислоты в яблочную. Реакция происходит с присоединением воды и может рассматриваться как обогащение промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот водородом, сопровождающееся внутримолекулярным перераспределением энергии.

На завершающем этапе цикла происходит окисление яблочной кислоты НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием конечного продукта ЦТКК щавелево-уксусной кислоты, которая реагируя с ацетил-К_оА дает начало новому циклу превращений трикарбоновых кислот.

Все реакции ЦТКК катализируются специфическими ферментами, обладающими высокой активностью, в силу чего не происходит накопления промежуточных продуктов цикла.

ЦТТК является тем этапом превращений веществ в организме, с которым связано освобождение и фиксация в макроэргических связях АТФ наиболее значительного количества энергии. Сами реакции ЦТКК (один оборот цикла) связаны с ресинтезом всего одной молекулы АТФ (через предварительное образование гуанозинтрифосфата). Основное количество АТФ ресинтезируется при переносе водорода на кислород по дыхательной цепи с восстановленных форм дегидрогеназ, которые окисляют первичные доноры водорода, образующиеся в превращениях ЦТКК. Включение в превращения ЦТКК одной молекулы ацетил К_оА завершается образованием трех молекул восстановленной формы НАД-зависимой дегидрогеназы (3 НАД-Н₂) и одной молекулы восстановленной формы ФАД-зависимой дегидрогеназы (ФАД-Н₂). Перенос водорода с НАД-Н₂ на кислород в дыхательной цепи обеспечивает ресинтез трех молекул АТФ, с ФАД-Н₂ – двух молекул АТФ. Таким образом, энергетический эффект одного оборота ЦТКК составляет:

3 молекулы НАД-Н₂ × 3 АТФ = 9 АТФ,

1 молекула ФАД-Н₂ × 2 АТФ = 2 АТФ

Плюс одна молекула АТФ, ресинтезируемая в реакции субстратного фосфорилирования. Итого энергетический эффект одного оборота цикла ЦТКК составляет 12 молекул АТФ.

ЦТКК – универсальный путь катаболизма практически всех основных видов биомолекул: углеводов, липидов, аминокислот, которые включаются в эти превращения или через предварительное преобразование в ацетил-К_оА, или через превращение в промежуточные продукты ЦТКК. Кроме того, что ЦТКК обеспечивает взаимосвязь катаболических и анаболических превращений различных соединений, он играет важную роль в анаболизме клетки, поставляя промежуточные метаболиты для процессов биосинтеза. Так, например, сукцинил-К_оА служит субстратом для синтеза гема, α-кетоглутарат для синтеза глютаминовой кислоты и т.п. Следовательно, ЦТКК относится к амфиболическим процессам, связывая воедино катаболические и анаболические процессы.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие вещества относятся к углеводам? Как классифицируются углеводы? Назовите важнейшие представители углеводов разных классов и дайте им краткую характеристику.

2. Какие углеводы встречаются в важнейших продуктах питания? Какие из них подвергаются пищеварительным превращениям?

3. Какие превращения совершаются с углеводами в процессе пищеварения? Каковы пути использования в организме продуктов пищеварения углеводов?

4. Как осуществляются анаэробные превращения гликогена и глюкозы (гликолиз)? Какова энергетическая эффективность гликолиза?

5. Какие превращения происходят в аэробной фазе углеводного обмена?

6. Как превращения цикла трикарбоновых кислот (главного этапа аэробной фазы углеводного обмена) связаны с системой переноса протонов и электронов на кислород и ресинтеза АТФ?

7. Какова энергетическая эффективность аэробного окисления углеводов?

8. Какие химические превращения происходят в процессе устранения образующейся в ходе гликолиза молочной кислоты?