Пентозофосфатный (апотомический) путь окисления углеводов

 

Условно его можно разделить на 2 этапа. В первом этапе шесть молекул глюкозо – 6 – фосфата превращаются в шесть молекул рибулозо – 5 – фосфата. Во втором этапе шесть молекул рибулозо – 5 – фосфата превращаются в пять молекул глюкозо – 6 – фосфата. Таким образом, из шести молекул глюкозо – 6 – фосфата в пентозном цикле расщепляется одна молекула гексозы. При этом выделяется 36 молекул АТФ. Уравнение суммарной реакции пентозофосфатного пути окисления глюкозы:

 

6 – глюкозо – 6 – фосфат + 12НАДФ⁺ + 7 Н₂О                    5 – глюкозо – 6 – фосфат + 6СО₂ + 12НАДФН – Н⁺ + +Н₃РО₄ (36АТФ)

 

Если в дальнейшем НАДФН₂ будет подвергаться окислению то в дыхательной цепи произойдет образование 36 молекул АТФ. Апотомический или пентозный цикл представляет собой путь прямого окислении глюкозо – 6 – фосфата (без предварительного деления пополам). В ходе этого процесса образуется СО₂ и пентозы (рибоза и дезоксирибоза), идущие на синтез ДНК и РНК, а также накапливается НАДФН₂, который является поставщиком Н₂ в основном для синтеза жирных кислот, холестерина, гормонов, а также для образования энергии.

Но в целом дихотомический путь (гликолиз и гликогенолиз) имеет большое значение, чем апотомический. Он более эффективен в энергетическом отношении. Соотношение различных путей распада углеводов в тканях зависит от физиологического состояния животных, от поступления кислорода в ткани и интенсивности физической работы. Роль и значение этих двух путей распада в различных тканях неодинаковы. Например, в печени глюкозо – 6 – фосфат на 70-90% распадается дихотомическим путем, а в хрусталике и роговице глаза преобладает пентозный путь.

Биосинтез углеводов

 

Анаболизм углеводов в тканях в основном характеризуется процессами биосинтеза глюкозы и гликогена. Образование глюкозы из не углеводных компонентов называют глюконеогенез (образование нового сахара). Важными предшественниками D – глюкозы являются : лактат, пируват, глицерин, большинство аминокислот и промежуточные продукты цикла лимонной кислоты: яблочная кислота, ЩУК, α-кетоглутаровая кислота, янтарная кислота и др. Эти вещества могут образовываться при распаде жиров (например, глицерина), белков, содержащих аминокислоты, производные пропионовой кислоты: аланин, фенилаланин, серин и др.

Глюкогенез протекает у животных главным образом в печени и значительно меньше в корковом веществе почек. Путь глюконеогенеза включает семь этапов общих с процессом гликолиза.

Подобно тому, как превращение глюкозы в пируват представляет собой центральный путь в катаболизме углеводов, превращение пирувата в глюкозу является центральным путем глюконеогенеза. Пути эти не идентичны, хотя и включают ряд общих этапов.

В гликолизе имеются три этапа практически необратимых, которые по этой причине не могут использоваться в глюконеогенезе. В обход этих этапов в глюконеогенезе протекают другие реакции, катализируемые другими ферментами. Эти обходные реакции тоже необратимы, но они идут в направлении синтеза глюкозы. Таким образом, и гликолиз, и глюкогенолиз – необратимые процессы в клетках. Более того, эти процессы регулируются независимо друг от друга.

Первая обходная реакция в глюконеогенезе – это превращение пирувата в фосфоенол пируват. Этот процесс протекает в несколько стадий. Вначале под действием пируваткарбоксилазы пировиноградная кислота (пируват) карбоксилируется в ЩУК.

 

СН₃                                                                                 СООН

С = О + СО₂ + Н₂О + АТФ пируват карбоксилаза СН₂        + АДФ + Н₃РО₄

СООН                                                                             С = О

Пируват                                                                        СООН

                                                                                          ЩУК

 

Реакция протекает в митохондриях при участии ацетил – КоА, являющимся активатором пируваткарбоксилазы. Затем здесь же, в митохондриях ЩУК восстанавливается в яблочную кислоту(малат):

 

СООН                                      СООН

СН₂               + НАДН₂                СН₂

С = О малатдегидрогеназа СН – ОН + НАД

СООН                                      СООН

ЩУК                          яблочная кислота (малат)

 

Малат выходит из митохондрии при участии специальной транспортной системы и поступает в цитозоль. Здесь он окисляется под действием НАД – зависимой малатдегидрогеназы и образованием ЩУК , но уже внемитохондриальной.

 

СООН                            НАДН₂        СООН

СН₂                   + НАД                  СН₂

СН – ОН  малатдегидрогеназа       С = О

СООН                                                СООН

Малат                                                ЩУК

 

Затем Щук превращается в 2- фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Донором фосфата в этой реакции является ГТФ:

 

СООН                                                                          СН₂      ОН

СН₂ + ГТФ        - ГДФ - СО₂                             С – О ~ Р = О

С = О        фосфоенолпируваткарбоксикиназа  СООН  ОН

СООН                                                                       2 – фосфоенолпируват(образуется при гликолизе)

ЩУК

 

 

Затем 2- фосфоенолпируват путем обратимых реакций и под действием ферментов гликолиза превращается во фруктозо – 1,6 – дифосфат по следующей схеме:

 

2 – фосфоенолпируват (2 молекулы)

Енолгидрза + Н₂О

2 – фосфоглицериновая кислота (2 молекулы)

Фосфоглицеромутаза

3 – фосфоглицериновая кислота (2 молекулы)

Фосфокиназа + 2АТФ - 2 АДФ

1,3 – дифосфоглицериновая кислота (2 молекулы)

Фосфатаза - 2 Фн

3 – фосфоглицериновый альдегид (2 молекулы)

Изомераза

3 – фосфоглицериновый альдегид             фосфодиоксиацетон

Фруктозо – 1,6 – дифосфат

 

Второй обходной путь в глюконеогенезе – это превращение фруктозо – 6 – фосфата во фруктозо – 6 – фосфат. Это происходит под действием фермента фруктозодефосфатазы, отщепляющей фосфатную группу в положении 1.

 

Фруктозо – 1,6 – дифосфат + Н₂О    ^{ФРУКТОДЕФОСФАТАЗА     - Н3РО4}      фруктозо – 6 - фосфат

 

Затем фруктозо – 6 – фосфат под действием фосфогексоизомеразы изомеризуется в глюкозо – 6 – фосфат (реакция обратимая):

 

Фруктозо –6 – фосфат  ^{фосфогексоизомераза} глюкозо – 6 – фосфат 

 

Третий обходной путь - превращение глюкозо – 6 – фосфата в свободную глюкозу. При этом происходит дефосфорилирование глюкозо – 6 –фосфата с образованием свободной глюкоз, которая поступает из печени в кровь.

 

Глюкозо – 6 –фосфат +Н₂О ^{ГЛЮКОЗО – 6 - ФОСФАТЗА -Н3РО4} глюкоза

 

Суммарная реакция образования глюкозы из пировиноградной кислоты:

 

2 СН₃ – С – СООН + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН₂ + 4Н₂О        С₆Н₁₂О₆ + 2НАД + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн

         О

 

Из этой реакции видно, что на каждую молекулу глюкозы, образующуюся из пирувата, расходуется 6 макроэргических фосфорных связей также 2 молекулы НАДН – Н⁺ , используемые для восстановления.

Биосинтез гликогена называется гликогенез. В основном изучен на тканях печени, в которой содержится 15-20% гликогена от общей массы. Биосинтез происходит из глюкозы. Регулирует синтез гормон инсулин. Этот гормон активирует ферменты фосфогексокиназу, фосфоглюкомутазу. Инсулин повышает проницаемость клеток гепатоцитов для глюкозы. Антагонистом его являются гормоны глюкагон, адреналин, норадреналин. В стрессовых ситуациях будет больше выделяться адреналина, в спокойном состоянии будет больше инсулина и происходит синтез гликогена.

Биосинтез гликогена начинается с глюкозы с ее фосфорилирования, в результате чего образуется глюкозо – 6 – фосфат:

 

Глюкоза + АТФ ^{ФОСФОГЕКСАКИНАЗА} глюкозо – 6 – фосфат + АДФ

 

В дальнейшем глюкозо -6 – фосфат под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо – 1 – фосфат.

 

Глюкозо – 6 – фосфат    ^{ФОСФОГЛЮКОМУТАЗА} глюкозо – 1 – фосфат

 

Далее следует ключевая реакция биосинтеза гликогена – это образование уридиндитрансферазы:

 

Глюкозо – 1 –фосфат + УТФ  ^{УРИДИНТРАНСФЕРАЗА} УДФ – глюкоза + ФнФн

 

Затем происходит непосредственный синтез гликогена од действием гликогенсинтетазы, которая отщепляет глюкозу от УДФ – глюкозы и присоединяет ее к нарастающей цепочке гликогена, образуя при этом α(1 – 4) – гликозидные связи :

 

УДФ – глюкоза + ( n – глюкоза)_n   ^{ГЛИКОГЕНСИНТЕТАЗА}   УДФ+ (n+1 глюкоза )_n+1

                            нарастающая

                            цепочка гликогена

 

УДФ затем путем трансфосфорилирования с АТФ превращаются в УТФ, которая снова идет на образование УДФ – глюкозы. Образование α(1 – 6) – гликозидных связей в тканях ветвления катализирует фермент гликозил (4 – 6) – трансфераза.