лекция_8. АцетилКоА изолимонная кислота

• Название: АцетилКоА изолимонная кислота
• Анкор: лекция_8.doc
• Дата: 31.08.2018
• Размер: 1.9 Mb.
• Имя файла: лекция_8.doc
• Тип: Лекція; #23840

Задание 10 Осуществите следующие превращения с использованием структурных формул всех компонентов, указанием ферментов и промежуточных продуктов реакций:

ацетил-КоА  изолимонная кислота. Определите энергетический эффект (количество АТФ) на данном участке обмена.
!!!Для выполнения этого задания воспользуйтесь лекцией №8 (стр. 7-21), где для полного окисления 1 моль глюкозы постадийно ведется подсчет 38 моль АТФ. В Вашем же задании дается лишь фрагмент такого окисления и Вам необходимо найти количество выделившегося АТФ на конкретном фрагменте. Оно может составлять несколько АТФ (если на данном отрезке идет синтез АТФ), нулевое значение (если на данном отрезке АТФ не синтезируется) или даже отрицательное значение (если АТФ не синтезируется, а лишь затрачивается).

Лекція № 8 з біологічної хімії
Тема: Обмін вуглеводів
План лекції

1. 
   Перетравлювання і всмоктування вуглеводів.
   
2. 
   Глікогенна функція печінки.
   
3. 
   Анаеробне перетворення вуглеводів:
   

• 
  глікогеноліз;
  
• 
  гліколіз;
  
• 
  спиртове бродіння.
  

4. 
   Аеробне перетворення вуглеводів:
   

• 
  окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти;
  
• 
  цикл трикарбонових кислот (Кребса).
  

Рекомендована література

1. 
   Биохимия / Под ред. В. В. Меньшикова, Н. И. Волкова. – М. : Физкультура и спорт, 1986. – 384 с.
   
2. 
   Проскурина И. К. Биохимия : учеб. пособие / И. К. Проскурина. – М. : ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 240 с.
   
3. 
   Роман С. В. Біохімія : лабораторний журнал (для студентів нехімічних (небіологічних) спеціальностей педагогічного університету) / С. В. Роман, Л. М. Крючок. – Луганськ : Альма-матер, 2008. – 36 с.
   
4. 
   Химия и биологическая химия : учеб. пособие / Явоненко А. Ф., Яковенко Б. В., Крутовский С. В. [и др.]. – К. : Вища школа, 1988. – 415 с.
   
5. 
   Яковлев Н. Н. Биохимия / Н. Н. Яковлев. – М. : Физкультура и спорт, 1974. – 320 с.
   

Додаткова навчальна література

1. 
   Боєчко Ф. Ф. Біологічна хімія / Ф. Ф. Боєчко. – К. : Вища школа, 1995. – 536 с.
   
2. 
   Збарский Б. И. Биологическая химия / Збарский Б. И., Иванов И. И., Мардашев С. Р. – Л. : Медицина. Ленинградское отделение, 1972. – 582 с.
   
3. 
   Кильчевская М. А. Метаболический атлас / М. А. Кильчевская. – Минск : «Вышейшая школа», 1976. – 200 с.
   
4. 
   Мусил Я. Современная биохимия в схемах : пер. с англ. / Мусил Я., Новакова О., Кунц К. – М. : Мир, 1984. – 216 с.
   
5. 
   Савицкий И. В. Биологическая химия / И. В. Савицкий. – К. : Вища школа. Головное изд-во, 1982. – 472 с.
   
6. 
   Филиппович Ю. Б. Основы биохимии / Ю. Б. Филиппович. – М. : Изд-во «Агар», 1999. – 503 с.
   

1. ПЕРЕТРАВЛЮВАННЯ І ВСМОКТУВАННЯ ВУГЛЕВОДІВ
В організмах людини і тварин немає механізмів, здатних синтезувати вуглеводи з неорганічних речовин, подібно до зелених рослин, в яких протікають реакції фотосинтезу. Тому для забезпечення потреб організму необхідне постійне надходження їх з продуктами харчування. Основним джерелом вуглеводів для людини і тварин є харчові продукти рослинного походження, в яких містяться крохмаль, клітковина, сахароза, глюкоза. З продуктами харчування тваринного походження надходять глікоген, лактоза та інші вуглеводи. В харчовому раціоні людини найбільше значення має глікоген, а в раціоні сільськогосподарських тварин — клітковина.

Перетравлювання вуглеводів. Вуглеводи, які потрапляють в організм людини у вигляді полі- і дисахаридів (крохмаль, глікоген, сахароза, мальтоза, лактоза), не можуть використовуватися безпосередньо. Засвоєння цих речовин організмом стає можливим лише після їх розщеплення до моносахаридів. Цей процес розпочинається у порожнині рота під впливом ферменту амілази слини, яка належить до класу гідролаз, підкласу глікозидаз.

У природі виявлено α-, β- і γ-амілази, кожна з яких вузько специ­фічна. Так, γ-амілаза каталізує гідроліз 1,4-зв'язків у молекулах полісахаридів, послідовно відщеплюючи залишки глюкози від кінця їх молекул. Цей фермент досить поширений у тканинах тваринних організмів.

β-Амілаза інтенсифікує гідроліз 1,4-зв'язків, послідовно відщеплюючи від кінця молекули полісахариду по два залишки глюкози, тобто молекули мальтози. Цей фермент поширений в основному в рослинних організмах.

α-Амілаза належить до ендоамілаз. Вона каталізує гідролітичне розщеплення внутрішніх 1,4-зв'язків у молекулах полісахаридів. За цих умов утворюються відносно великі уламки молекул полісахаридів (декстрини), олігосахариди, а також частково дисахарид мальтоза.

α-Амілаза містить у своїх активних центрах іони кальцію, які забезпечують її каталітичну дію.

Амілаза слини складається в основному з α-амілази. Її ще називають птіаліном, або діастазою. Крім α-амілази у слині міститься також фермент мальтаза (α-глюкозидаза), яка розщеплює мальтозу на дві молекули глюкози. Тому при тривалому перебуванні вуглеводної їжі у порожнині рота відчувається солодкий смак.

З порожнини рота їжа потрапляє у шлунок, де дія амілази слини може тривати лише 20—30 хв, поки харчова маса не набуде кислого характеру. Зміна рН середовища (рН шлункового соку дорівнює 1,5—2) повністю інактивує фермент, оптимальна каталітична дія якого виявляється при рН = 6,8...7,2.

Основні процеси перетравлювання вуглеводів відбуваються в тонкій кишці, де для цього є оптимальні умови — слабколужне середовище і велика кількість ферментів, що виділяються з панкреатичним і кишковим соком. Це такі ферменти, як α-амілаза, мальтаза, сахараза, лактаза, декстриназа та деякі інші. Фермент декстриназа (аміло-1,6 — глюко­зидаза) розщеплює 1,6-зв'язки у молекулах крохмалю і глікогену.

У тонкій кишці за участю ферментів α-амілази і декстринази полі- й олігосахариди розщеплюються на дисахарид мальтозу, а остання під дією мальтази розщеплюється на глюкозу. Інші дисахариди також розщеплюються на моносахариди. Так, під впливом лактази (β-галакто­зидази) лактоза розщеплюється на глюкозу і галактозу, а під впливом сахарази (β-фруктофуранозидази) сахароза розщеплюється на глюкозу і фруктозу. Всі глікозидази кишкового соку мають широкий спектр дії і каталізують гідроліз α- і β-глікозидних зв'язків у молекулах дисахаридів.

Перетравлювання клітковини. На відміну від інших вуглеводів, перетравлювання клітковини має свої особливості. У травному каналі організмів людини і тварин відсутні ферменти, які здійснюють гідролітичне розщеплення клітковини, зокрема β-амілаза. Цей фермент продукується в основному мікроорганізмами. Тому основним місцем перетравлювання клітковини є нижні відділи тонкої і особливо товста кишка у людини і рубець у жуйних тварин, де під впливом ферментів мікрофлори проходить її ферментативний гідроліз. Наявність мікроорганізмів, здатних гідролізувати клітковину, має особливо важливе значення для жуйних тварин, для яких клітковина є основою харчового раціону.

За участю ферментів мікрофлори клітковина розщеплюється на дисахариди, зокрема на целобіозу, яка під дією ферменту целобіази розкладається на глюкозу. Частина глюкози, що утворилась, потрапляє у кров і доставляється до різних органів і тканин організму. Решта глюкози, що утворилась під час гідролізу клітковини, використовується для забезпечення процесів життєдіяльності мікрофлори кишок. У результаті різноманітних реакцій глюкоза розкладається з утворенням карбонових кислот (масляної, оцтової, пропіонової), які всмоктуються в кров, а також газоподібних продуктів – метану, водню й оксиду вуглецю (IV), які видаляються з організму.

У травоїдних тварин велика кількість мікроорганізмів рубця і кишок забезпечує ферментативний гідроліз значної кількості клітковини, яка потрапляє в організм з кормом. Частина клітковини використовується мікрофлорою кишок для синтезу вітамінів — В₁₂, К, фолієвої кислоти та деяких інших.

В організмах людини і хижих тварин значна частина клітковини не розщеплюється, а виводиться з організму. Однак клітковна повинна бути обов'язковим компонентом харчового раціону, оскільки вона є важливим стимулятором секреторної і моторної функцій кишок і необхідна для формування калу. При тривалій відсутності в харчовому раціоні клітковини в організмах людини і жуйних тварин розвивається атонія кишок. Жуйні тварини при цьому часто гинуть.

Крім клітковини в овочах і фруктах, які споживає людина, міститься певна кількість пектинових речовин, що позитивно впливають на процеси травлення, пригнічують процеси гниття в кишках, поліпшують умови життєдіяльності корисної мікрофлори. Пектинові речовини виявляють також антитоксичні властивості і здатні знешкоджувати деякі отруйні речовини. Отже, споживання овочів і фруктів сприяє не лише збалансуванню дієти за окремими вуглеводами, а й має важливе значення для нормального функціонування травного апарата і протікання процесів травлення.

Всмоктування вуглеводів. При послідовній дії відповідних ферментів вуглеводи їжі — полі-, оліго- і дисахариди —розщеплюються на прості сполуки — моносахариди (глюкозу, фруктозу, галактозу та ін.), які через капіляри кишкових ворсинок потрапляють у кровоносну систему і з током крові через ворітну вену доставляються в печінку. Механізми, що забезпечують процеси всмоктування моносахаридів, вивчено ще не повністю. Вважають, що проникнення моносахаридів крізь напівпроникну стінку кишок є не простим процесом, а складним фізіологічним актом, в якому поєднані активна робота ворсинок епітеліальних клітин, процеси осмосу, дифузії і фільтрації.

Важливу роль відіграють також процеси трансмембранного транс­порту моносахаридів за участю спеціальних переносників білкової природи. На зовнішній мембрані епітеліальних клітин утворюється комплекс моносахарид — переносник, який доставляється крізь мембрану всередину клітини. Тут комплекс розщеплюється і переносник транспортується в зворотному напрямку, а моносахарид потрапляє в кров'яне русло.

Транспорт моносахаридів крізь мембрани епітеліальних клітин кишок здійснюється проти градієнта концентрації і є енергозалежним процесом. У цьому процесі важливу роль відіграють іони натрію, що активують аденозинтрифосфатазу, яка каталізує процес розкладання АТФ. При цьому виділяється енергія, необхідна для всмоктування моносахаридів. Отже, активна робота ворсинок і клітин епітелію слизової оболонки тонкої кишки разом з активним енергозапезпєчуючим транспортом становить ту динамічну систему, завдяки якій відбувається інтенсивне всмоктування моносахаридів, у тому числі і проти градієнта концентрації.

Швидкість всмоктування моносахаридів різна. Якщо умовно прийняти швидкість всмоктування глюкози за 100 %, то для галактози ця величина становитиме 110 %, для фруктози — 43, манози — 19, ксилоли — 15, арабінози — 9 %. З наведених даних видно, що гексози всмоктуються швидше, ніж пентози, хоча останні мають меншу молекулярну масу. Відмінність у швидкості всмоктування моносахаридів, очевидно, зумовлена різними механізмами перенесення їх крізь мембрани клітин кишкового епітелію. Вважають, що маноза, ксилоза й арабіноза всмоктуються переважно шляхом дифузії, а інші моносахариди — за рахунок активного транспорту.
2. ГЛІКОГЕННА ФУНКЦІЯ ПЕЧІНКИ
Моносахариди, в основному глюкоза, всмоктуються із тонкої кишки в кров. Далі з кров'ю через систему судин ворітної вени потрапляють у печінку та інші органи і тканини організму.

Певна кількість вуглеводів (4,5—6,6 ммоль/л) постійно циркулює в крові та інших рідинах організму (лімфі, спинномозковій рідині) і є досить важливим і необхідним компонентом внутрішнього середовища організму. Майже 90 % всіх моносахаридів крові припадає на глюкозу, яка завдяки своїм властивостям займає особливе місце в метаболічних реакціях організму і є основним енергетичним джерелом.

Крім глюкози в крові міститься також незначна кількість фруктози, пентоз, а також речовин, які подібно до глюкози виявляють відновні властивості (глутатіон, сечова кислота, креатинін). Сума цих речовин, що визначаються разом з глюкозою, має назву «цукор крові».

Існує два основні шляхи поповнення вмісту глюкози у крові — всмоктування простих цукрів, в основному глюкози, у тонкій кишці та розкладання глікогену в печінці.

Печінка виділяє у кров у середньому 3,5 мг глюкози на 1 кг маси тіла за 1 хв. Виділення глюкози печінкою залежить від вмісту цукру, що потрапляє в печінку з кров'ю. При низькому вмісті цукру у крові печінка виділяє глюкозу в кров, а при високому — захоплює її і використовує для синтезу глікогену. Отже, однією з найважливіших функцій печінки є підтримування сталого рівня глюкози у крові — глюкостатична, або гомеостатична, функція, в основі якої лежить здатність ферментних систем клітин печінки змінювати свою активність залежно від концентрації цукру в крові.

На вміст цукру в крові може впливати і м'язова тканина, яка в період інтенсивної роботи поглинає значну кількість глюкози з крові і використовує її для синтезу глікогену. Розкладання глікогену, синтезованого у м'язах, є важливим джерелом енергії, необхідної для забезпечення їх здатності до скорочення.

Оскільки при фізичній роботі обмін вуглеводів у м'язах проходить в анаеробних умовах, то глюкозо-6-фосфат, який утворюється під час розкладання глікогену, перетворюється на молочну кислоту. В період відпочинку організму частина молочної кислоти використовується для синтезу глікогену в м'язах, а інша частина може надходити у кров, звідки захоплюється печінкою і використовується для синтезу глікогену. Отже, між глікогеном, синтезованим у м'язах і печінці, існує динамічний взаємозв'язок: глікоген печінки постачає кров глюкозою, яка використовується для синтезу глікогену у м'язах; глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці. Цей взаємозв'язок дістав назву циклу Корі:

Значна кількість глюкози, що виділяється печінкою (50—70 %), потрапляє в клітини головного мозку, де окислюється до кінцевих продуктів. Усі енергетичні затрати центральної нервової системи, на відміну від інших органів, компенсуються за рахунок вуглеводів. Тому зниження вмісту цукру в крові негативно впливає насамперед на функції головного мозку. Інші органи і тканини організму також здатні поглинати глюкозу і здійснювати метаболічні перетворення її, однак провідна роль у цих процесах належить печінці.

Біосинтез полісахариду глікогену (глікогенез). Процес синтезу глікогену інтенсивно проходить у печінці і має важливе значення в утворенні рухомого резерву полісахаридів в організмі. Вихідними спорками для синтезу глікогену можуть бути глюкоза, яка всмоктується з кишок у кров, а також глюкоза і глюкозо-6-фосфат, що утворюються в процесі глюконеогенезу.

Процес синтезу глікогену розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю ферменту гексокінази. При цьому утворюється глюкозо-6-фосфат:



Останній під впливом фосфоглюкомутази перетворюється на глюкозо-1-фосфат:



Далі внаслідок взаємодії глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфорною кислотою утворюється уридиндифосфоглюкоза.



Реакція проходить під каталітичною дією ферменту глюкозо-1-фосфатуридилтрасферази (УДФГ-пірофосфорилази).

На наступній стадії залишок глюкози від УДФ переноситься на ланцюг глікогену (затравку), внаслідок чого утворюється α(14)-глю­козидний зв'язок між першим атомом вуглецю залишку глюкози ланцюга глікогену і четвертим гідроксилом залишку глюкози. Реакцію каталізує глікогенсинтетаза:

УДФ, що утворився внаслідок цієї реакції, піддається фосфорилю­ванню за участю АТФ і включається в новий цикл перетворень глюкозо-1-фосфату. Утворення α (16)-зв'язків у молекулі глікогену відбувається за участю спеціального розгалужуючого ферменту, внаслідок чого виникає розгалужена молекула глікогену, тобто глікоген, у якого поряд з α (14)-зв'язками в окремих місцях ланцюга є α(16)-зв'язки.
Розкладання вуглеводів в організмі. Вуглеводи органів і тканин організмів людини і тварин, здебільшого глікоген і глюкоза, постійно зазнають різних перетворень, серед яких особливе місце належить процесам розкладання вуглеводів з вивільненням енергії.

Розкладання вуглеводів у тканинах організмів людини і тварин відбувається анаеробно (за відсутності кисню) і аеробно (при наявності кисню). У першому випадку кінцевим продуктом є молочна кислота:



Під час аеробного розкладання вуглеводів кінцевими продуктами є СO₂ і Н₂О:


3. АНАЕРОБНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ
Анаеробне перетворення вуглеводів проходить у різних органах і тканинах вищих організмів, а також у клітинах бактерій та мікро­організмів. Основним субстратом для цього процесу є глюкоза і глікоген, а для окремих бактерій — пентози, жирні кислоти та амінокислоти.

Анаеробне перетворення вуглеводів в організмах людини і тварин може розпочинатися з глікогену або глюкози. У першому випадку його називають глікогенолізом, у другому — гліколізом. У скелетних м'язах ці два процеси виражені в однаковій мірі, а в головному мозку і серцевому м'язі переважає гліколіз. Обидва процеси розпочинаються з перетворення глюкозо-6-фосфату, проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментами, локалізованими у розчинній частині цитоплазми. Відмінність між цими процесами полягає лише у способі утворення фосфорильованої форми гексози — глюкозо-6-фосфату.

Глікогеноліз. Процес розпочинається з фосфоролізу глікогену за участю ферменту глікогенфосфорилази. За цих умов внаслідок трансферазної реакції — перенесення глікозильного залишку з глікогену на фосфорну кислоту — утворюється глюкозо-1-фосфат (ефір Корі):

Глюкозо-1-фосфат, що утворився під впливом фосфорилази, пере­творюється на глюкозо-6-фосфат. Реакцію каталізує фосфоглюкомутаза:

Далі перетворення глюкозо-6-фосфату відбувається так само, як і в процесі гліколізу.

Гліколіз. Процес розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю АТФ і ферменту гексокінази. При цьому утворюється також глюкозо-6-фосфат:


Фосфорилювання глюкози є досить важливим етапом, оскільки лише в фосфорильованому стані вона здатна вступати в наступні мета­болічні перетворення. Враховуючи це, реакція фосфорилювання глюкози дістала назву «шлюзової», або реакції «запалу». Вивільнення значної кількості енергії в ході гексокіназної реакції сприяє зміщенню рівноваги вправо і робить реакцію практично незворотною.

Наступною реакцією гліколізу є ізомеризація глюкозо-6-фосфату в фруктозо-6-фосфат. Реакцію каталізує фермент глюкозо-6-фосфат-ізомераза:

Реакція протікає в основному в зворотному напрямку. У тканинах організму між двома фосфорними ефірами гексоз встановлюється динамічна рівновага (70 % глюкозо-6-фосфату і 30% фруктозо-6-фосфату).

На наступному етапі фруктозо-6-фосфат за участю АТФ, іонів Mg²⁺ та ферменту фосфофруктокінази перетворюється на фруктозо-1,6-дифосфат (ефір Іванова):

Реакція необоротна і є найповільнїшою у процесі гліколізу. Фермент фосфофруктокіназа активується АДФ і АМФ та інактивується при значному підвищенні вмісту АТФ. Отже, при інтенсифікації процесів окислювального фосфорилювання, коли збільшується відношення АТФ/АДФ, активність фосфофруктокінази послаблюється, що супроводжується сповільненням гліколізу. І, навпаки, при зменшенні відношення АТФ/АДФ процес гліколізу прискорюється.

Наступний етап гліколізу забезпечує розкладання фруктозо-1,6-дифосфату за участю ферменту альдолази на дві молекули фосфотріоз –

3-фосфогліцериновий альдегід і діоксіацетонфосфат:



Далі частина діоксіацетонфосфату, що утворився, за участю ферменту тріозофосфатізомерази перетворюється на 3-фосфогліцериновий альдегід:

Отже, з кожної молекули глюкози утворюються дві молекули 3-фос­фогліцеринового альдегіду. На цьому завершується перша стадія гліколізу, для якої характерне використання енергії АТФ. Її називають підготовчою стадією.

Далі розпочинається друга стадія гліколізу, що супроводжується вивільненням енергії та акумулюванням її в макроергічних зв'язках АТФ.

На наступній стадії гліколізу 3-фосфогліцериновий альдегід починає перетворюватись на 3-фосфогліцеринову кислоту. Реакція проходить у кілька етапів за участю специфічної дегідрогенази та неорганіч­ного фосфату.

Молекула ферменту 3-фосфогліцеринальдегіддегідрогеназа склада­ється з 4 субодиниць, кожна з яких містить 1 молекулу НАД⁺ і 4 вільних тіолових групи (НS-групи) залишків цистеїну, які входять до складу активного центра ферменту. В процесі каталітичної реакції на першому етапі 3-фосфогліцериновий альдегід зв'язується з молекулою ферменту за участю його тіолової групи з утворенням фермент-субстратного комплексу.

На наступному етапі при наявності неорганічного фосфату 3-фос­фогліцеринальдегіддегідрогеназа за участю НАД⁺ окислює фермент-субстратний комплекс. Енергія, що виділяється внаслідок реакції окислення, зосереджується в карбоніл-тіоловому зв'язку:


Окислений фермент-субстратний комплекс нестійкий, він взаємодіє з фосфорною кислотою, внаслідок чого утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота. При цьому енергія карбоніл-тіолового зв'язку зосереджується на карбоксил-фосфатному зв'язку:


Наступна стадія перетворення 1,3-дифосфогліцеринової кислоти — перенесення від неї залишку фосфорної кислоти і енергії, зосередженої на карбоксил-фосфатному зв'язку, на АДФ. Внаслідок реакції утворюється 3-фос­фогліцеринова кислота і АТФ. Реакцію каталізує фермент фосфогліцераткіназа:


3-Фосфогліцеринова кислота, що утворилась, внаслідок каталітичної дії ферменту фосфогліцеромутази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту:



Остання, втрачаючи молекулу води, під впливом ферменту фосфопіруватгідратази перетворюється на 2-фосфоенолпіровиноградну кислоту. Ця реакція важлива в зв'язку з енергетичними змінами, які відбуваються під час її перебігу. Залишок фосфорної кислоти, що входить до складу 2-фосфогліцеринової кислоти, сполучений з останньою простим енергетично бідним ефірним зв'язком. Внаслідок енолізації відбувається перерозподіл внутрішньомолекулярної енергії і цей зв'язок перетворюється на макроергічний:



Далі 2-фосфоенолпіровиноградна кислота дефосфорилюється за участю АДФ, внаслідок чого енергетично багатий фосфатний залишок переходить до АДФ. Продуктом реакції є енольна форма піровиноградної кислоти, яка спонтанно перетворюється на піровиноградну кислоту і АТФ:



Реакцію каталізує фермент піруваткіназа, яка активується іонами Мg²⁺, Мn²⁺ або іонами лужних металів.

Далі піровиноградна кислота, що утворилась, за участю ферменту лактатдегідрогенази перетворюється на молочну кислоту. Донором водню у цій реакції є відновлена форма коферменту НАД:


Реакції гліколізу (глікогенолізу) часто поділяють на дві стадії. На першій стадії проходить енергозалежний процес фосфорилювання глюкози та розкладання її на дві тривуглецеві сполуки — фосфотріози. Реакції першої стадії ендоергічні, вони проходять з поглинанням енергії АТФ. Цю стадію перетворення глюкози можна вважати підготовчою.

Друга стадія гліколізу (глікогенолізу) забезпечує перетворення фосфотріоз на кінцевий продукт — молочну кислоту. В зв'язку із специфічністю частини реакцій, які відбуваються на цій стадії, вони дістали назву гліколітичної оксидоредукції. В процесі утворення молочної кислоти синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії і є екзергонічним процесом.

Як видно з наведених вище рівнянь хімічних реакцій, під час гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули фосфотріоз. Кожна з них у процесі перетворення на молочну кислоту зумовлює утворення двох молекул АТФ, тобто всього утворюється чотири молекули АТФ. Однак дві з них використовуються для фосфорилювання глюкози (гексокіназна реакція) та утворення фруктозо-1,6-дифосфату (фруктокіназна реакція), тому енергетична ефективність гліколізу становить дві молекули АТФ. Оскільки в макроергічному зв'язку АТФ акумулюється в середньому 42 кДж енергії, то всього під час гліколізу нагромаджується 84 кДж енергії. Експериментально установлено, що внаслідок перетворення глюкози у дві молекули молочної кислоти зміна вільної енергії дорівнює 210 кДж/моль. На основі цього неважко обчислити, що під час гліколізу близько 40 % вивільненої енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а решта розсіюється у вигляді теплоти. Отже, коефіцієнт корисної дії гліколізу становить 0,35—0,40.

Загальну схему гліколізу можна записати так:



Під час глікогенолізу також утворюється чотири молекули АТФ, однак на першій стадії цього процесу використовується лише одна молекула АТФ (у фосфофруктокіназній реакції), тому енергетичний ефект глікогенолізу становить 3 молекули АТФ, або 126 кДж/моль.

На перший погляд енергетичний ефект глікогенолізу більший, ніж гліколізу. Однак, якщо врахувати, що частина молекул АТФ використовується для синтезу глікогену, стане зрозумілим, що ці два процеси в енергетичному відношенні майже рівноцінні. Для організму і гліколіз, і глікогеноліз не вигідні, оскільки для компенсування енергетичних витрат необхідна велика кількість вуглеводів. Однак як фізіологічні процеси вони досить важливі, оскільки дають змогу забезпечити організм енергією за умов недостатнього постачання тканин киснем.

Під час вивчення енергетичних ефектів окремих реакцій анаеробного перетворення вуглеводів було встановлено, що більшість реакцій цього процесу близькі до рівноваги і можуть проходити як у прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу організму з одних і тих самих речовин діставати як хімічну енергію, так і сполуки, необхідні для забезпечення протікання різних метаболічних реакцій. Однак три реакції анаеробного перетворення вуглеводів (гексокіназна, фруктокіназна і піруваткіназна) супроводжуються значним зменшенням вільної енергії, тому є практично необоротними. Перебіг цих реакцій у зворотному напрямку потребує подолання певного енергетичного бар'єру та наявності специфічних ферментів.
Спиртове бродіння. У нижчих організмів — дріжджових і цвільових грибків, деяких мікроорганізмів — процес анаеробного перетворення вуглеводів завер­шується утворенням етилового спирту, тому він дістав назву спиртового бродіння:



Хімізм цього процесу досить близький до гліколізу, який протікає в тканинах вищих організмів. Усі стадії перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти включно в обох випадках проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментними системами. Відмінність між цими процесами виявляється, починаючи з етапу перетворення піровиноградної кислоти. Так, підчас гліколізу і глікогенолізу піровиноградна кислота відновлюється до молочної, а під час спиртового бродіння вона піддається декарбоксилюванню і перетворюється на оцтовий альдегід:

Фермент піруватдекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, містить у вигляді простетичної групи тіамінпірофосфат, який зв'язується з піровиноградною кислотою з утворенням оксіетилтіамінпірофосфату. В процесі перетворення останнього вивільнюється оцтовий альдегід і тіамінпірофосфат. Каталітична активність ферменту забезпечується наявністю іонів Mg²⁺.

Утворений за цією реакцією оцтовий альдегід далі за участю НАД•Н+Н⁺ відновлюється до кінцевого продукту спиртового бродіння — етилового спирту:



Реакцію каталізує фермент алкогольдегідрогеназа.
4. АЕРОБНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ
Аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів тісно зв'язані між собою. Це насамперед виявляється в тому, що обидва процеси проходять однаково включно до стадії утворення піровиноградної кислоти. В них беруть участь одні й ті самі ферменти та утворюються однакові проміжні продукти. Відмінність між анаеробним і аеробним розкладанням вуглеводів починається з перетворення піровиноградної кислоти.

Якщо вуглеводи перетворюються в анаеробних умовах, то пірови­ноградна кислота, як уже зазначалося, відновлюється до молочної кислоти; при перетворенні вуглеводів в аеробних умовах піровиноградна кислота піддається декарбоксилюванню з утворенням ацетил-КоА, який далі окислюється до кінцевих продуктів — СО₂ і Н₂О з виділенням значної кількості енергії, що акумулюється в молекулах АТФ.
Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти
Процес перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА дістав назву окислювального декарбоксилювання.Каталізується він складним поліферментним комплексом — піруватдегідрогеназою, який пов'язаний з дією п'яти коферментів: тіамінпірофосфату, ліпоєвої кислоти, коензиму А, НАД і ФАД. Численними дослідженнями доведено, що окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти в тканинах організмів людини і тварин проходить лише в аеробних умовах. Загальну схему даного процесу можна подати так:

В зв'язку із значним зменшенням вільної енергії ця реакція є необоротною. Вона проходить у декілька стадій.

На першій стадії піровиноградна кислота взаємодіє з тіамінпірофосфатом з утворенням проміжної сполуки, де вона перебуває в активному стані. Далі під каталітичною дією піруватдекарбоксилази піровиноградна кислота, що входить до складу тіамінпірофосфату, декарбоксилюється. В результаті цієї реакції утворюється оксіетилтіамінпірофосфат, який під впливом ферменту ліпоїлредуктази ацетилтрансферази, коферментом якого є ліпоєва кислота, розкладається на вільний тіамінпірофосфат і ацетилліпоєву кислоту. Ацетилліпоєва кислота утворюється внаслідок переходу залишку оцтової кислоти від оксіетилтіамінпірофосфату до ліпоєвої кислоти:



З ацетилліпоєвої кислоти залишок ацетилу далі переноситься на КоА—SН. Продуктами реакції є ацетил-КоА і дигідроліпоєва кислота. Слід підкреслити, що дигідроліпоєва кислота під впливом ФАД здатна переходити у ліпоєву кислоту:


За цих умов відновлений ФАД передає атоми водню на окислений НАД:


Відновлений НАД, що утворився, за допомогою цитохромної системи окислюється киснем повітря:



В результаті окислення, спряженого з процесами фосфорилювання, синтезується три молекули АТФ, тобто акумулюється 126 кДж енергії.

Частина ацетил-КоА, що утворився під час декарбоксилювання піровиноградної кислоти, використовується для синтезу жирів, вуглеводів та інших сполук, а інша його частина вступає в цикл трикарбонових кислот, де окислюється до СО₂ і Н₂О. При цьому вивільнюється певна кількість енергії.
Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса)
Цикл трикарбонових кислот є одним з найголовніших шляхів окислення залишків оцтової кислоти до кінцевих продуктів. Він властивий всім тканинам організмів людини і вищих тварин, а також деяким аеробним мікроорганізмам. Цей цикл є заключною стадією окислювального катаболізму не лише вуглеводів, а й інших класів органічних сполук.

На першій стадії циклу трикарбонових кислот відбувається так звана цитратсинтетазна реакція (утворення лимонної кислоти) внаслідок взаємодії ацетил-КоА з щавлевооцтовою кислотою. Реакція проходить у кілька стадій і каталізується одним ферментом — цитратсинтетазою. Залежно від стадії, яку каталізує фермент, він виконує роль енолази, синтетази або гідролази.

Спочатку протікає реакція енолізації щавлевооцтової кислоти:


Далі енольна форма щавлевооцтової кислоти взаємодіє з ацетил-КоА внаслідок чого утворюється цитрил-КоА, що гідролізується з утворенням лимонної кислоти:

Далі лимонна кислота за участю ферменту аконітатгідратази перетворюється на ізолимонну кислоту:

Остання під впливом ферменту ізоцитратдегідрогенази окислюється і перетворюється на щавлевоянтарну кислоту. За цих умов атоми водню приймає НАДФ⁺:


Щавлевоянтарна кислота при каталітичній дії специфічної декар­боксилази декарбоксилюється з утворенням α-кетоглутарової кислоти:

α-Кетоглутарова кислота декарбоксилюється повторно. Реакція відбувається подібно до декарбоксилювання піровиноградної кислоти за участю коферментів НАД⁺, ліпоєвої кислоти, КоА і ТПФ. Продуктом реакції є сукциніл-КоА:

Далі сукциніл-КоА перетворюється на янтарну кислоту. Енергія, акумульована в карбонілтіоефірному зв'язку, переходить у макроергічний зв'язок ГТФ:

ГТФ за участю ферменту ГТФ-аденілаткінази передає макроергічний зв'язок із залишком фосфорної кислоти на АДФ. При цьому утворюється АТФ:

ГТФ + АДФ  ГДФ + АТФ.

Під впливом ферменту сукцинатдегідрогенази, коферментом якої є ФАД, янтарна кислота окислюється до фумарової кислоти:

Під час гідратації за участю ферменту фумаратгідратази фумарова кислота перетворюється на яблучну кислоту:

Завершується цикл Кребса окисленням яблучної кислоти під впливом ферменту малатдегідрогенази, що містить кофермент НАД⁺. Продуктом реакції є щавлевооцтова кислота, тобто той субстрат, з якого розпочинався трикарбоновий цикл:

Щавлевооцтова кислота, що утворилась, переходить в енольну форму, вступає в реакцію з новою молекулою ацетил-КоА і далі повторюється весь цикл перетворень.

Так, відносно невелика кількість щавлевооцтової кислоти, вступаючи кілька разів у реакцію конденсації з ацетил-КоА, забезпечує окислення значної кількості оцтової кислоти, яка утворюється в процесі обміну не тільки вуглеводів, а й ліпідів і білків. Внаслідок усіх перетворень циклу Кребса оцтова кислота у вигляді ацетил-КоА розкладається на СО₂ і Н₂О:



Енергія, що вивільнюється під час окислення оцтової кислоти, акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ.

Як видно з рівнянь реакцій, у циклі Кребса утворюється чотири молекули відновлених форм коферментів: одна молекула НАДФ•Н+Н⁺, дві молекули НАД•Н+Н⁺ і одна молекула ФАД•Н₂. При цьому доведено, що під час окислення однієї молекули НАД•Н+Н⁺ або НАДФ•Н+Н⁺ шляхом відщеплення атома водню в ланцюгу дихальних ферментів синтезується три молекули АТФ. Внаслідок окислення ФАД•Н₂ утворюється дві молекули АТФ. Отже, всього під час окислення відновлених форм коферментів утворюється 3•3 + 2 = 11 молекул АТФ. Крім того, одна молекула АТФ утворюється на рівні субстрату під час перетворення сукциніл-КоА в янтарну кислоту. Отже, в процесі перетворення однієї молекули ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот синтезується 11 + 1 = 11 молекул АТФ. Разом з тим три молекули АТФ синтезуються внаслідок окислення однієї молекули НАД•Н+Н⁺, яка утворюється в процесі перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА. Всього в процесі перетворення однієї молекули піровиноградної кислоти до ацетил-КоА і останнього до СО₂ і Н₂О синтезується 12 + 3 = 15 молекул АТФ. Оскільки з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули піровиноградної кислоти, то всього утворюється 15•2 = 30 молекул АТФ. Крім того, 6 молекул АТФ утворюється внаслідок окислення двох молекул НАД•Н+Н⁺, які вивільнюються під час гліколітичної оксиредукції, і дві молекули АТФ синтезується в процесі гліколізу. Тому загальний енергетичний ефект аеробного розкладання однієї молекули глюкози до кінцевих продуктів — СО₂ і Н₂О — становить 30 + 6 + 2 = 38 молекул АТФ. Оскільки в одній молекулі АТФ зосереджено 42 кДж енергії, то всього під час аеробного перетворення однієї молекули глюкози акумулюється 1596 кДж енергії. Перетворення однієї молекули глюкози за анаеробних умов, як зазначалось раніше, дає лише дві молекули АТФ, тобто в макроергічних зв'язках її акумульовано 2•42 = 84 кДж енергії.

Отже, основним джерелом енергії для організму є аеробне окислення органічних сполук.