БИОХИМИЯ - Основные питательные вещества человека - 2016 год

3. УГЛЕВОДЫ

3.6. Обмен углеводов. Пищевая ценность углеводов

3.6.4. Метаболизм углеводов

Использование углеводов в организме осуществляется двумя путями:

- большая часть углеводов (90 - 95 %) подвергается распаду по гексозодифосфатному пути (ГДФ - пути), который является для организма главным источником энергии;

- незначительная часть углеводов (5 - 10 %) распадается по гексозомонофосфатному пути (ГМФ - пути), имеющему анаболическое назначение и обеспечивающему различные синтезы рибозой и водородом в форме НАДФ • Н₂.

З.6.4.1. Гексозодифосфатный путь распада углеводов

ГДФ - путь может протекать аэробно и анаэробно. Аэробный ГДФ - путь функционирует постоянно, а анаэробный - только при повышенной потребности клеток в энергии, в основном в скелетных мышцах.

Аэробный распад глюкозы

Аэробный распад глюкозы по ГДФ - пути - сложный, многостадийный процесс, включающий десятки промежуточных реакций, приводящих в конечном счете к образованию углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии. Этот процесс можно разделить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап ГДФ - пути реализуется в цитоплазме клеток, при этом глюкоза превращается в пировиноградную кислоту (пируват). Часто данный процесс называют гликолизом.

На первой стадии глюкоза при реакции с АТФ переходит в активную форму - глюкозо-6 - фосфат:

Это единственная реакция, которой подвергается в организме глюкоза, поэтому все ее превращения в организме начинаются с образования глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6 - фосфат задействуется в метаболизме глюкозы (например, в рассмотренном выше синтезе гликогена).

Затем глюкозо-6 - фосфат изомеризуется во фруктозо-6 - фосфат, который, взаимодействуя с АТФ, превращается во фруктозо-1,6 - дифосфат. Этим объясняется название данного пути распада углеводов - гексозодифосфатный путь, поскольку фруктоза содержит шесть атомов углерода и относится к гексозам, а также имеет два фосфатных остатка.

Перечисленные реакции можно описать следующей схемой:

Образовавшийся фруктозо-1,6 - дифосфат расщепляется на две фосфотриозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, которые являются изомерами и легко переходят друг в друга:

В последующих реакциях данного этапа участвует только фосфоглицериновый альдегид, и по мере его использования в него превращается фосфодиоксиацетон:

Поэтому можно считать, что из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида.

Следующая стадия - окисление фосфоглицеринового альдегида, протекающее непосредственно в цитоплазме. В ходе этой реакции от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и временно присоединяются к коферменту НАД. За счет выделяющейся при окислении энергии в продукт реакции включается еще один фосфатный остаток, который присоединяется к фосфоглицериновому альдегиду макроэргической связью:

При невысокой скорости распада углеводов (в покое или при работе умеренной мощности) весь образовавшийся НАД • Н₂ передает атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где они связываются с молекулярным кислородом вдыхаемого воздуха и превращаются в воду. За счет выделяющейся при этом энергии происходит синтез АТФ. Перенос двух атомов водорода на кислород сопровождается образованием трех молекул АТФ.

Таким образом, в данных условиях первый этап ГДФ - пути протекает аэробно. Поскольку из глюкозы образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида и соответственно две молекулы восстановленного НАД, то, в расчете на одну молекулу глюкозы, в процессе тканевого дыхания получаются шесть молекул АТФ.

На очередной стадии фосфатный остаток благодаря наличию макроэргической связи легко передается на молекулу АДФ с образованием АТФ:

Такой способ синтеза АТФ, осуществляющийся без участия тканевого дыхания и, следовательно, без потребления кислорода, обеспеченный запасом энергии субстрата, называется анаэробным, или субстратным фосфорилированием. Это самый быстрый путь получения АТФ.

Далее 3 - фосфоглицерат изомеризуется в 2 - фосфоглицерат, от него затем отщепляется молекула воды, что приводит к перераспределению энергии в молекуле и возникновению макроэргической связи.

Завершается первый этап ГДФ-пути реакцией анаэробного субстратного фосфорилирования с образованием еще одной молекулы АТФ и пирувата:

Поскольку из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида, всего синтезируется десять молекул АТФ (6 - аэробно и 4 - анаэробно). При этом не следует забывать, что на первых стадиях расходуются две молекулы АТФ на активацию глюкозы и фруктозо-6-фосфата. В итоге превращение глюкозы в пируват сопровождается синтезом 8 молекул АТФ.

Суммируя уравнения всех стадий, можно получить итоговое уравнение первого этапа:

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из лактата может синтезироваться глюкоза, а из нее затем гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути протекают в митохондриях с участием дыхательной цепи и поэтому обязательно требуют О₂. Эти этапы, в отличие от первого, необратимы.

В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляются углекислый газ и два атома водорода. Они по дыхательной цепи передаются на молекулу кислорода с образованием воды и одновременным синтезом АТФ. Из пирувата синтезируется уксусная кислота и присоединяется макроэргической связью к коферменту А - переносчику кислотных остатков.

Кофермент А содержит в своей молекуле остаток витамина В₅ (пантотеновой кислоты) со свободной НS - группой. Сокращенно его обозначают как НS - КoА.

Образовавшийся комплекс уксусной кислоты и кофермента А называется ацетилкоферментом А. Уксусная кислота в комплексе с коферментом А обладает высокой химической активностью, поэтому ацетилкофермент А часто называют активной уксусной кислотой.

В одной из реакций второго этапа в качестве кофермента участвует производное витамина В₁ - тиаминдифосфат.

Итоговое уравнение второго этапа ГДФ - пути:

На третьем этапе остаток уксусной кислоты из ацетилкофер- мента А подвергается дальнейшему окислению и превращается в СО₂ и Н₂O. Этот этап носит циклический характер и называется циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) или циклом Кребса. За счет выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется синтез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот - центральный метаболический процесс организма - был обнаружен и изучен крупнейшим биохимиком XX века Г. Кребсом. За это открытие Г. Кребс удостоен Нобелевской премии.

ЦТК - завершающий этап катаболизма не только углеводов, но и органических соединений других классов. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жиров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт - уксусная кислота, связанная со своим переносчиком - коферментом А в форме ацетилкофермента А.

Вышесказанное можно проиллюстрировать схемой, приведенной на рис. 14:

Рис. 14. Катаболизм белков, жиров и углеводов

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным потреблением кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

На первой стадии цикла остаток уксусной кислоты переносится с молекулы ацетилкофермента А на молекулу щавелевоуксусной кислоты (ЩУК) с образованием лимонной кислоты:

Лимонная кислота содержит 3 карбоксильные группы, т. е. является трикарбоновой кислотой, что и обусловило название данного цикла.

Далее от лимонной кислоты поочередно отщепляются две молекулы СO₂ и четыре пары атомов водорода, и вновь образуется ЩУК (в связи с этим рассматриваемый процесс называется циклом). Отщепленный водород по дыхательной цепи передается на молекулярный кислород с образованием воды. Перенос каждой пары атомов водорода на кислород сопровождается синтезом 3 молекул АТФ. Всего при окислении одной молекулы ацетилкофермента А синтезируются 12 молекул АТФ.

Итоговое уравнение цикла Кребса (третьего этапа ГДФ-пути):

Биологическая роль цикла трикарбоновых кислот заключается в том, что он является главным источником АТФ для организма. Цикл Кребса дает АТФ больше, чем все вместе взятые предшествующие ему процессы образования ацетилкофермента А из белков, углеводов и жиров.

Суммируя уравнения всех трех этапов, можно получить итоговое уравнение аэробного ГДФ-пути распада глюкозы в целом (коэффициенты в уравнениях второго и третьего этапов необходимо удвоить, так как из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата и, соответственно, две молекулы ацетил - КоА):

Аэробный распад гликогена

Запасы гликогена находятся в печени и в мышцах, поэтому там и протекает его аэробное окисление. Различие между окислением глюкозы и гликогена заключается только в том, что на первой стадии глюкозо-6-фосфат образуется из глюкозы с затратой АТФ, а при распаде гликогена для этого расходуется не АТФ, а Н₃РO₄. Поэтому, исходя из гликогена, в расчете на 1 молекулу глюкозы образуется на одну молекулу АТФ больше:

Анаэробный распад углеводов

Анаэробный распад углеводов обычно протекает в мышцах при выполнении интенсивных нагрузок и совпадает с первым этапом ГДФ-пути, но протекает с высокой скоростью.

Образующиеся при этом в больших количествах НАД • Н₂ и пируват не успевают полностью окислиться в митохондриях. Поэтому большая часть НАД • Н₂ передает атомы водорода пиро - виноградной кислоте непосредственно в цитоплазме:

Все реакции протекают в цитоплазме клеток без участия митохондрий и потребления кислорода, в итоге накапливается лактат (молочная кислота), и синтез АТФ происходит только анаэробно. Такой распад углеводов называется анаэробным гликолизом, или просто гликолизом.

В мышцах много гликогена, и в основном он подвергается анаэробному гликолизу по следующему итоговому уравнению:

Анаэробный распад гликогена является дополнительным способом получения АТФ при интенсивной мышечной работе. Образующаяся при этом молочная кислота (лактат) вымывается в кровь, которая доставляет ее в печень. В печени лактат расходуется в ходе глюконеогенеза на синтез глюкозы. Затем глюкоза из печени переносится в скелетные мышцы. Там она расходуется либо на образование энергии, либо на синтез гликогена. Данный цикл превращений получил название цикл Кори:

Анаэробный распад гликогена является дополнительным способом получения АТФ при выполнении интенсивной мышечной работы.

Анаэробный распад глюкозы наблюдается главным образом в эритроцитах (красных клетках крови), где нет митохондрий. Для этих клеток гликолиз является основным источником энергии.

Итоговое уравнение гликолитического распада глюкозы:

Аэробный и анаэробный распад глюкозы и гликогена протекают практически одинаково, но при любом распаде гликогена образуется на одну молекулу АТФ больше, так как в этом случае образование глюкозо-6-фосфата происходит без использования АТФ.

В целом ГДФ - путь распада углеводов может быть представлен в виде упрощенной схемы (рис. 15).

Рис. 15. ГДФ-путь распада углеводов

Таким образом, аэробный распад глюкозы энергетически в 19 раз выгоднее анаэробного окисления (гликолиза).