Что образуется в результате полного окисления глюкозы

Что образуется в результате полного окисления глюкозы

В процессе кислородного этапа катаболизма образовалось 972 молекулы АТФ. Определите, какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образовалось в результате гликолиза и полного окисления? Ответ поясните.

1) В процессе энергетического обмена, в ходе кислородного этапа из одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ, следовательно, гликолизу, а затем полному окислению подверглось 972 : 36 = 27 молекул глюкозы.

2) При гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется до 2-ух молекул ПВК с образованием 2 молекул АТФ. Поэтому количество молекул АТФ, образовавшихся при гликолизе, равно 27 × 2 = 54.

3) При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, следовательно, при полном окислении 27 молекул глюкозы образуется 38 × 27 = 1026 молекул АТФ.

Как ни странно, в оригинальной формулировке (СтатГрад, Тре­ни­ро­воч­ная ра­бо­та по био­ло­гии 30.11.2015, ва­ри­ант БИ10204), было «В процессе гидролиза об­ра­зо­ва­лось 972 мо­ле­ку­лы АТФ. ». Поправили.

Здравствуйте, в процессе энергетического обмена, в ходе бескислородного этапа из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты и выделяется энергия на синтез 2 молекул АТФ. В ходе кислородного этапа из 2 МОЛЕКУЛ ПВК(а не из 1 молекулы глюкозы) образуется 36 молекул АТФ. В итоге, из 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Да, с чем Вы не согласны?

1 глюкоза → 2 ПВК и 2 АТФ → 36 АТФ = 38 АТФ к конце

Источник

Полное окисление глюкозы. Энергетический баланс полного окисления глюкозы

Окисление глюкозы до СО2 и Н2О (аэробный распад). Аэробный распад глюкозы можно выразить суммарным уравнением:

С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + Н2О + 2820 кДж/моль.

Этот процесс включает несколько стадий (рис. 7-33).

Общий путь катаболизма, включающий превращение пирувата в ацетил-КоА и его дальнейшее окисление в цитратом цикле;

ЦПЭ на кислород, сопряжённая с реакциями дегидрирования, происходящими в процессе распада глюкозы.

Гликолиз — это катаболический путь обмена веществ в цитоплазме; он, по-видимому, протекает почти во всех организмах и клетках независимо от того, живут они в аэробных или анаэробных условиях. Баланс гликолиза простой: в аэробных условиях молекула глюкозы деградирует до двух молекул пирувата. Кроме того, образуются по две молекулы АТФ и НАДН + H + (аэробный гликолиз). В анаэробных условиях пируват претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию НАД + (см. с. 148). При этом образуются продукты брожения, такие, как лактат или этанол (анаэробный гликолиз). В этих условиях гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы до конечных продуктов

В результате гликолиза образуется пируват, который далее окисляется до СО2 и Н2О в ОПК, описанном в разделе 6. Теперь можно оценить энергетическую эффективность гликолиза и ОПК, которые вместе составляют процесс аэробного распада глюкозы до конечных продуктов (табл. 7-4).

Таким образом, выход АТФ при окислении 1 моль глюкозы до СО2 и Н2О составляет 38 моль АТФ.

В процессе аэробного распада глюкозы происходят 6 реакций дегидрирования. Одна из них протекает в гликолизе и 5 в ОПК (см. раздел 6). Субстраты для специфических NAD-зависимых дегидрогеназ: глицеральдегид-3-фосфат, жируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат. Одна реакция дегидрирования в цитратном цикле под действием сукцинатдегидрогеназы происходит с участием кофермента FAD. Общее количество АТФ, синтезированное путём окислительного фофорилирования, составляет 17 моль АТФ на 1 моль глицеральдегидфосфата. К этому необходимо прибавить 3 моль АТФ, синтезированных путём субстратного фосфорилирования (две реакции в гликолизе и одна в цитратном цикле).

Учитывая, что глюкоза распадается на 2 фос-фотриозы и что стехиометрический коэффициент дальнейших превращений равен 2, полученную величину надо умножить на 2, а из результата вычесть 2 моль АТФ, использованные на первом этапе гликолиза.

…

Основное физиологическое назначение катаболизма глюкозы заключается в использовании энергии, освобождающейся в этом процессе для синтеза АТФ.

Энергия, выделяющаяся в процессе полного распада глюкозы до СО2 и Н2О, составляет 2880 кДж/моль.

3.Механизм реакции трансаминирования. Все трансаминазы (как и декарбоксилазы аминокислот) содержат один и тот же кофермент – пиридоксальфосфат. Для реакцийтрансаминирования характерен общий механизм. Специфичность трансаминаз обеспечивается белковым компонентом. Ферменты трансаминирования катализируют перенос NH₂-группы не на α-кетокислоту, а сначала на кофермент пиридоксаль-фосфат. Образовавшееся промежуточное соединение (шиффово основание) подвергается внутримолекулярным превращениям (лабилизация α-водо-родного атома, перераспределение энергии связи), приводящим к освобождению α-кетокислоты и пиридоксаминфосфата; последний на второй стадии реакции реагирует с любой другой α-кетокислотой, что через те же стадии образования промежуточных соединений (идущих в обратном направлении) приводит к синтезу новойаминокислоты и освобождению пиридоксальфосфата. Опуская промежуточные стадии образования шиф-фовых оснований, обе стадии реакции трансаминирования можно представить в виде общей схемы:

В связи с тем что во всех пиридоксалевых ферментах (включая транс-аминазы) карбонильная группа кофермента (—СНО) оказалась связанной с ε-аминогруппой лизина белковой части, в классический механизм реакции трансаминирования А.Е. Браунштейн и Э. Снелл внесли следующее дополнение. Оказалось, что взаимодействие между субстратом, т.е. L-амино-кислотой (на рисунке – аспартат), и пиридоксальфосфатомпроисходит не путем конденсации с выделением молекулы воды, а путем реакции замещения, при которой NH₂-группа субстрата вытесняет ε-NН₂-группу лизина в молекуле ферментного белка, что приводит к формированию пиридоксальфосфатного комплекса.

Существование представленного механизма реакции трансаминирова-ния доказано разнообразными методами, включая методы спектрального анализа по идентификации промежуточных альдиминных и кетиминных производных пиридоксальфосфата.

Источник

Iii. этапы полного кислородного окисления глюкозы. брожение

Коферменты, принимающие участие в дыхании

4. Основные этапы энергетического обмена

Мы будем рассматривать этапы кислородного дыхания в случае, когда дыхательным субстратом выступает глюкоза. При полном кислородном расщеплении глюкозы выделяют следующие этапы (рис. 2):

III. Этапы полного кислородного окисления глюкозы. Брожение

1. Этап бескислородного окисления глюкозы – гликолиз

Гликолиз (от греч. гликос – сладкий и лизис – растворение) – ферментативный анаэробный процесс распада углеводов до пировиноградной кислоты (ПВК, которая чаще всего присутствует в клетке в виде солей, называемых пируватами), общий для процесса кислородного дыхания и для многих типов брожения.

Реакции гликолиза протекают не в митохондриях, а в цитоплазме, и для них не требуется присутствие кислорода (ферменты гликолиза присутствуют в растворенном состоянии в цитоплазме).

Исходными продуктами гликолиза являются: С6Н12О6 – глюкоза (6С); 2АТФ; 4АДФ; 2Фн; 2НАД+.

Сущность происходящих процессов заключается в том, что в ходе реакций гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (6С) расщепляется на две молекулы трехуглеродного соединения (3С) – ПВК. При этом образуется два главных продукта – АТФ (4 молекулы, но так как 2 молекулы затрачивается, то чистый выход 2АТФ) и атомы водорода (4Н), присоединенные к коферменту НАД+. Промежуточных звеньев на пути превращения исходных продуктов в конечные – 10 (рис. 3).

Конечными продуктами гликолиза являются: 2С3Н4О3 (ПВК); 2НАД·Н2; 4АТФ; 2АДФ. Запишем суммарную реакцию гликолиза:

С6Н12О6 2С3Н4О3 + 4Н + 2АТФ

Конечная судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород имеется, то ПВК переходит в митохондрии для полного окисления до воды и углекислого газа. Если же кислорода нет, то она превращается в этанол, либо в молочную кислоту в ходе брожения.

Рис. 3.Схема гликолиза

Многие микроорганизмы получают большую часть АТФ за счет анаэробного дыхания, или брожения. Некоторые клетки эукариот, временно испытывающие недостаток кислорода (например, мышечные клетки), также способны к брожению.

Брожение – анаэробный ферментативный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, посредством которого организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.

Брожению могут подвергаться спирты, органические кислоты, но чаще всего углеводы. В зависимости от метаболических путей, конечные продукты брожения различны (рис. 4).

Животные клетки при недостатке кислорода, некоторые клетки бактерий способны к молочнокислому брожению:

С3Н4О3 + НАД·Н2 С3Н6О3 + НАД+

В обычных условиях клетки животных и человека снабжаются кислородом, то есть в них идет процесс кислородного дыхания. Однако при большой физической нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставлять, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения. В мышцах ПВК превращается в трехуглеродное соединение – молочную кислоту, образуемую путем присоединения к ПВК двух водородных атомов от НАД·Н2. Молочная кислота, образующаяся в мышцах, поступает в кровь. Однако накопление больших количеств молочной кислоты вредно для организма. После тяжелой мышечной работы мы некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность». В конечном итоге, молочная кислота поступает в печень, где от нее отщепляется водород, то есть она вновь превращается в ПВК, которая поступает в цикл лимонной кислоты.

Растения и дрожжи способны к спиртовому брожению:

С3Н4О3 С2Н4О + СО2; С2Н4О + НАД·Н2 С2Н5ОН + НАД+

Но брожение не дает дополнительного количества АТФ, так что выход энергии на одну молекулу глюкозы, расщепленную путем брожения равен 2АТФ. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, при этом так и не извлекается. Поэтому анаэробное дыхание малоэффективно.

Таким образом, гликолиз является составной частью брожения и аэробного дыхания.

Клеточное дыхание. Лекция 1. Часть 2. Гликолиз и брожение

Источник

Что образуется в результате полного окисления глюкозы

а) Кратко о механизме образования АТФ при расщеплении глюкозы. Мы можем определить общее количество молекул АТФ, которое образуется при расщеплении 1 молекулы глюкозы при оптимальных условиях.

1. Во время гликолиза образуются 4 молекулы АТФ: 2 молекулы АТФ расходуются на первом этапе фосфорилирования глюкозы, необходимого для хода процесса гликолиза, чистый выход АТФ при гликолизе равен 2 молекулам АТФ.

2. В итоге цикла лимонной кислоты образуется 1 молекула АТФ. Однако в связи с тем, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты, каждая из которых проходит оборот в цикле Кребса, получается чистый выход АТФ на 1 молекулу глюкозы, равный 2 молекулам АТФ.

3. При полном окислении глюкозы суммарно образуются 24 атома водорода в связи с процессом гликолиза и циклом лимонной кислоты, 20 из них окисляются в соответствии с хемоосмотическим механизмом (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже) с выделением 3 молекул АТФ на каждые 2 атома водорода. В итоге получается еще 30 молекул АТФ.

4. Четыре оставшихся атома водорода выделяются под влиянием дегидрогеназ и включаются в цикл хемоосмотического окисления в митохондриях помимо первой стадии, приведенной на рисунке ниже. Окисление 2 атомов водорода сопровождается получением 2 молекул АТФ, в итоге получается еще 4 молекулы АТФ.

Сложив все полученные молекулы, получим 38 молекул АТФ как максимально возможное количество при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды. Следовательно, 456000 калорий могут сохраняться в виде АТФ из 686000 калорий, получаемых при полном окислении 1 грамм-молекулы глюкозы. Эффективность преобразования энергии, обеспечиваемая этим механизмом, составляет около 66%. Остальные 34% энергии преобразуются в тепловую и не могут быть использованы клетками для выполнения специфических функций.

Выделение энергии из гликогена

а) Регуляция выделения энергии из запасенного гликогена. Влияние концентрации АТФ и АДФ в клетке на управление скоростью процессов гликолиза. Продолжительное высвобождение энергии из глюкозы, когда клетки не нуждаются в энергии, было бы слишком расточительным процессом. Гликолиз и последующее окисление атомов водорода постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ. Этот контроль осуществляется многочисленными вариантами управляющих механизмов обратной связи в ходе химических реакций. К числу наиболее важных влияний такого рода можно отнести концентрацию АДФ и АТФ, контролирующую скорость химических реакций в ходе процессов обмена энергии.

Одним из важных путей, позволяющих АТФ управлять обменом энергии, является ингибирование фермента фосфофруктокиназы. Этот фермент обеспечивает образование фруктозо-1,6-дифосфата — одной из начальных стадий гликолиза, поэтому результирующим влиянием избытка АТФ в клетке будет торможение или даже остановка гликолиза, что, в свою очередь, приведет к торможению обмена углеводов. АДФ (равно как и АМФ) оказывает противоположное влияние на фосфофруктокиназу, существенно повышая ее активность. Когда АТФ используется тканями для энергообеспечения большинства химических реакций в клетках, это уменьшает ингибирование фермента фосфофруктокиназы, более того, его активность повышается параллельно увеличению концентрации АДФ. В результате запускаются процессы гликолиза, приводящие к восстановлению запасов АТФ в клетках.

Другой способ управления опосредован цитратами, образующимися в цикле лимонной кислоты. Избыток этих ионов существенно снижает активность фосфофруктокиназы, что не дает гликолизу опережать скорость использования пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза в цикле лимонной кислоты.

Третий способ, с помощью которого система АТФ-АДФ-АМФ может контролировать обмен углеводов и управлять выделением энергии из жиров и белков, заключается в следующем. Возвращаясь к различным химическим реакциям, служащим способом выделения энергии, мы можем заметить, что если весь имеющийся в наличии АМФ уже превращен в АТФ, дальнейшее образование АТФ становится невозможным. В результате прекращаются все процессы использования питательных веществ (глюкозы, белков и жиров) для получения энергии в виде АТФ. Лишь после использования образовавшегося АТФ в качестве источника энергии в клетках для обеспечения разнообразных физиологических функций вновь появляющиеся АДФ и АМФ запустят процессы получения энергии, в ходе которых АДФ и АМФ преобразуются в АТФ. Этот путь автоматически поддерживает сохранение определенных запасов АТФ, кроме случаев экстремальной активности клеток, например при тяжелых физических нагрузках.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Гликолиз и его субстраты

Гликолиз — это катаболизм глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Не слишком понятное определение, но сейчас попытаемся прояснить его.

Катаболизм — это окисление молекулы до более простой/простых с выделением энергии. Наша молекула — глюкоза. А энергия выделяется в виде АТФ и тепла. В химических связях глюкозы запасено много энергии, которая может быть использована организмом. Если мы будем окислять глюкозу до талого, то получим углекислый газ и воду. И кучу энергии! Но это нужно сделать с умом.

Представьте, что мы просто спалим глюкозу в один этап. Так мы получим углекислый газ и воду, да ещё вот такое количество энергии. Это горение молекулы.

В нашем организме такой реакции нет. Это экзотермическая реакция. В ней вся энергия выделяется в виде тепла, а не идёт на синтез полезной батарейки — молекулы АТФ. Если бы так было в организме, то вряд ли наши клетки долго прожили. У них бы быстро случилось профессиональное выгорание.

Организм делает умнее и удобнее. Он постепенно окисляет молекулу глюкозы до углекислого газа и воды — делит окисление на несколько стадий. А стадии делит на реакции. Так молекула глюкозы окисляется до промежуточных продуктов. В ходе этого выделяется энергия, которая запасается в виде АТФ. Часть энергии рассеивается — выделяется тепло. Но это только маленькая часть.

Весь этот процесс называется катаболизмом глюкозы. Он состоит из гликолиза и общего пути катаболизма.

Гликолиз это первая стадия катаболизма. В ходе него выделяется немного энергии в виде АТФ, но что важнее — мы получаем две молекулы пирувата. Пируват та же пировиноградная кислота. Просто в растворе кислота диссоциирует, а название её иона — пируват.

Почему пируват, а не другая молекула?

Наш организм получает энергию из белков, жиров и углеводов. Можно подумать, что для каждого класса молекул существует отдельный способ вытащить из него энергию. Но это не так. Зачем делать печку для каждого вида дров, если можно сделать одну общую для всех? Таким вопросом задались клетки нашего организма и решили, что лучше сделать одну печь. Эта печь — общий путь катаболизма.

Общий путь катаболизма включает превращение пирувата в ацетил-коэнзим А, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. Видите? Он начинается с пирувата. Потому что:

Пируват объединяет катаболизм белков, жиров и углеводов.

Клетки умнее, чем кажутся. Они решили, что можно сделать не только одну печь, но и один вид дров. Они окисляют белки, жиры и углеводы до одной молекулы — ацетил-коэнзим А. И пируват — это его предшественник. Их отделяет всего одна реакция, поэтому если мы посмотрим на все виды обмена, то увидим такое.

В ходе общего пути катаболизма образуется огромное количество молекул АТФ. Куда больше, чем при гликолизе.

Теперь мы поняли, что гликолиз — это первый этап катаболизма глюкозы. В ходе него образуется немного энергии в виде АТФ. Но что важнее — гликолиз готовит дрова для печи. Или пируват для общего пути катаболизма, как тебе больше нравится.

Гликолиз — это первый этап катаболизма глюкозы

У гликолиза есть и другое название — дихотомическое расщепление глюкозы. Это название заключает главный смысл гликолиза: в ходе него происходит деление молекулы глюкозы надвое.

Этапы гликолиза

Гликолиз идёт в цитоплазме всех клеток нашего организма. Прочитай это ещё раз. Он состоит из двух этапов: подготовительного и энергетического. Мне кажется, что подготовительный этап можно разделить на два шага. Так будет удобнее для понимания.

На энергетическом этапе из каждой фосфотриозы образуется пируват. На этом этапе образуются 4 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДH.

Кажется, что я вас слишком быстро окунул в тему. Не бойтесь, дальше всё будет понятнее. Если что, то нам даже не придётся зубрить все десять реакций. Да-да, их всего десять. Мы выведем всё логически. Нам нужно знать только формулу молекулы глюкозы и пирувата. С чего начинаем и к чему идём. В глюкозе шесть атомов углерода, а в пирувате всего три. Поэтому сначала нужно превратить глюкозу (гексозу) в триозу. За этим и нужен подготовительный этап.

У большинства ферментов название будет по субстратам. Знаем субстрат и продукт реакции — можем назвать фермент. Если хорошо знаем их классы.

Подготовительный этап гликолиза

В нём пять реакций. В процессе поймёте, почему лучше разделить его на два шага.

Первый шаг подготовительного этапа

Наша задача на этом шаге — получить фруктозо-1,6-фосфат.

Первая реакция. Мы начинаем с глюкозы. Она попадает в клетку с помощью глюкозного транспортёра (ГЛЮТ). Проблема в том, что этот транспортёр работает в обе стороны. ГЛЮТ может загонять глюкозу в клетку, а может выкидывать её. Всё зависит от градиента концентрации между кровью и клеткой. Так не пойдёт!

Ещё нам нужно увеличить реакционную способность глюкозы, потому что ей дальше придётся вступать в реакции. Убьём двух зайцев с помощью фосфорилирования! Для этого нам понадобится фермент — гексокиназа/глюкокиназа и молекула АТФ. Глюкокиназа действует в печени, а гексокиназа в других тканях — это изоферменты. Между ними есть отличия, о которых можно прочитать здесь.

В ходе реакции мы получаем глюкозо-6-фосфат. У него больше реакционная способность, чем у глюкозы. А ещё он не может вылететь из клетки — для него нет переносчика в клеточной мембране. Мы загнали глюкозу в ловушку и сделали её менее стабильной.

Эта реакция необратима, потому что мы затратили энергию макроэргической связи АТФ.

Вторая реакция. Мы превратим глюкозо-6-фосфат в фруктозо-6-фосфат. Зачем? Это пока секрет, но доверьтесь мне — дальше всё станет ясно! Фосфогексоизомераза катализирует эту реакцию.

Реакция идёт в несколько этапов. Сначала фосфогексоизомераза раскрывает циклическую форму глюкозо-6-фосфата — переводит его в линейную. Далее образуется линейная форма фруктозо-6-фосфата. Линейная форма фруктозо-6-фосфата быстро переходит циклическую. Такая форма более стабильна.

Эта реакция обратима

Третья реакция. Из-за того, что прошлая реакция обратима, мы можем опять получить глюкозо-6-фосфат. А он отправится на другие процессы — пентозофосфатный путь, синтез гликогена и всё такое. Нужно закрепить наш успех — отделить молекулу от других процессов. Прицепим ещё одну фосфатную группу к молекуле. Для этого нужна киназа — фосфофруктокиназа — и молекула АТФ. Получаем фруктозо-1,6-бисфосфат.

Этим заканчивается первый шаг подготовительного этапа. В нём произошло несколько важных вещей. Клетка поймала глюкозу в ловушку — теперь она не сможет пройти через биологическую мембрану. С помощью образования фруктозо-1,6-бисфосфата гликолиз отделился от других клеточных процессов. Клетка увеличила реакционную способность глюкозы, превратив её в нестабильный фруктозо-1,6-бисфосфат. На эти важные процессы клетка не поскупилась и потратила две молекулы АТФ.

Как-то даже парадоксально: клетка хочет получить энергию, но при этом тратит её.

Второй шаг подготовительного этапа

Наша задача на этом шаге — получить фосфотриозы.

Четвёртая реакция. Начнём двигаться к образованию пирувата. А в нём все-таки три углеродных атома, а не шесть. Для этого расщепим фруктозо-1,6-бисфосфат с помощью фермента альдолазы. Этот фермент относится к классу лиаз.

Альдолаза раскрывает циклическую форму фруктозо-1,6-бисфосфата. Она действует на середину молекулы — образуется две триозы: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Если мы знаем формулу фруктозы, то легко можем написать эти продукты. Одна триоза будет кетонной, а другая альдегидной.

В этой реакции кроется причина превращения глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. Это тот, который образовался во время второй реакции. Представьте, что мы забили на превращение глюкозо-6-фосфата. И просто отправили его на альдолазную реакцию. Мы бы не получили две триозы. Дело в том, что альдолаза действует через один атом углерода, у которого находится двойная связь.

Все реакции начиная с четвёртой и до десятой будут обратимые. Поэтому я дальше не буду заострять на этом внимание. А может и буду, кто знает)))

Пятая реакция. Хоть мы и получили две триозы, но не каждая может пойти дальше по пути гликолиза. Глицеральдегид-3-фосфат может, а вот дигидроксиацетонфосфат — нет. Нам нужна альдегидная группа для следующих реакций гликолиза. Если внимательно посмотреть на эти молекулы, то можно сказать: «Да они почти одинаковые, может превратим одну в другую?»

Это можно сделать! С помощью фермента триозофосфатизомеразы. Он переводит дигидроксиацетонфосфат в глицеральдегид-3-фосфат. Давайте я переверну молекулу дигидроксиацетонфосфата. Так будет понятнее.

При этой реакции устанавливается константа равновесия. Возьмём за сто процентов количество молекул дигидроксиацетонфосфата (ДГАФ) и глицеральдегид-3-фосфата. 96 % молекул будут в виде ДГАФ, и только 4 % виде глицеральдегид-3-фосфата. Но это не проблема, потому что глицеральдегид-3-фосфат постепенно тратится на реакции гликолиза. Количество его молекул уменьшается. Нужно поддержать константу равновесия, поэтому ДГАФ изомеризуется. Так постепенно ДГАФ превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Смысл второго шага подготовительного этапа — образовать две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Он может превратиться в пируват — нашу конечную цель.

Получается, что в ходе подготовительного этапа клетка затратила две молекулы АТФ, но при этом получила две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На следующем этапе из глицеральдегид-3-фосфата будет образовываться АТФ. Ведь клетка не глупышка. Она не будет тратить энергию просто так.

Энергетический этап гликолиза

Время получать молекулы АТФ из наших глицеральдегид-3-фосфатов. Дальше будут реакции с одним глицеральдегид-3-фосфатом. Но помните о том, что их два. Позже мы всё удвоим, но не стоит выбрасывать это из головы.

Откуда взять энергию для получения АТФ в этой молекуле?

Можно подумать, что фосфатная группа у третьего атома будет участвовать в синтезе АТФ. Но это не так — пока не так. Для того, чтобы синтезировать АТФ из АДФ нужно разрушить ковалентную связь, но необычную. Она должна быть макроэргической.

Макроэргическая связь — это связь, при гидролизе которой выделяется большое количество энергии. Эта энергия используется для присоединения фосфатной группы к молекуле АДФ — мы получаем АТФ. Этот процесс называется субстратное фосфорилирование.

Есть и другое фосфорилирование — окислительное. Там для синтеза АТФ будет использоваться градиент концентрации протонов. Но мы поговорим об этом подробнее, когда доберёмся до дыхательной цепи. Пока что остановимся на субстратном.

Не каждая связь будет макроэргической. Чаще всего эти связи есть в ангидридах фосфорных и карбоновых кислот. Ангидрид состоит из двух кислотных остатков, которые соединены через атом кислорода. Давайте посмотрим на молекулу АТФ — в ней две макроэргических связи.

И это как раз фосфорный ангидрид — в нём соединены три фосфорных остатка. Два из них — это ангидриды. Теперь вы догадались, что мы сделаем с глицеральдегид-3-фосфатом. Превратим его в ангидрид!

Получился смешанный ангидрид фосфорной и карбоновой кислот — 1,3-бисфосфоглицерат. Ура, у нас есть макроэргическая связь.

У этой реакции есть плюсы и минусы. Плюсы:

А о минусе мы поговорим ниже.

Седьмая реакция. Время получить молекулу АТФ. В этом нам поможет фермент — фосфоглицераткиназа. Она катализирует разрыв макроэргической связи в 1,3-бисфосфоглицерате. Энергия разрыва этой связи идёт на присоединение фосфорной группы к АДФ — образованию макроэргической связи. Получаем АТФ и 3-фосфоглицерат. Это и есть субстратное фосфорилирование.

Фермент назван по обратной реакции. Потому что АТФ находится справа. Все киназы получают название в зависимости от того, где находится АТФ. Эта реакция обратима, потому что с двух сторон есть макроэргические связи — нет резкого изменения свободной энергии. Такое изменение было в первой и третьей реакциях, но не здесь.

Восьмая реакция. В 3-фосфоглицерате ещё остаётся фосфатная группа. Она связана с третим атомом углерода с помощью ковалентной связи. Попробуем превратить эту связь в макроэргическую. Для этого придётся перенести фосфатную группу на второй атом углерода. Катализирует реакцию фосфоглицератмутаза.

Реакция протекает в два этапа: вначале фосфоглицератмутаза отдаёт фосфатную группу 3-фосфоглицерату — образуется 2,3-бисфофоглицерат. Потом фосфоглицератмутаза забирает фосфатную группу с третьего атома углерода. В клетке образуется 2-фосфоглицерат. Зачем я про это рассказываю? Потому что вы уже встречались с этой молекулой. 2,3-бисфосфоглицерат снижает сродство гемоглобина к кислороду. Вспомнили? Ну да ладно, сейчас не об этом.

Девятая реакция. У нас не получится превратить 2-фосфоглицерат в ангидрид, но есть другой вариант. Для этого нам понадобится фермент — енолаза. Она занимается отщеплением воды от молекулы с образованием двойной связи по месту разрыва — класс лиазы. Образуется фосфоенолпируват.

Эта реакция увеличивает энергетический потенциал молекулы — в ней появляется енолфосфатная связь. Это макроэргическая связь. Фосфоенолпируват теперь может отдать фосфорную группу молекуле АДФ в следующей реакции.

Десятая реакция. Её катализирует фермент пируваткиназа. Гидролиз макроэргической связи приводит к высвобождению энергии, которая идёт на присоединение фосфорной группы к АДФ. Образуется АТФ и пируват. И снова субстратное фосфорилирование.

Опять фермент назван по обратной реакции. Но есть ли вообще тут обратная реакция? Если есть, то почему я нарисовал стрелочку в одну сторону. Дело в том, что пируват может находиться в енольной или кетонной формах. Это зависит от положения двойной связи.

После отщепления фосфорной группы образуется енольная форма. Но эта форма менее стабильна, чем кетонная. Поэтому быстро происходит таутомерия — переход изомеров друг в друга. Образуется стабильная кето-форма пирувата. За счёт этого реакция становится необратимой!

На этом энергетический этап гликолиза заканчивается. Да и сам гликолиз тоже.

Сделаем выводы

Давайте посмотрим на общую схему гликолиза. Всего три реакции из десяти необратимы: первая, третья и десятая.

Почему они необратимы? В этих трёх реакциях происходит значительное изменение свободной энергии. Если сказать проще, то при первой, третьей и десятой реакции выделяется большое количество энергии. Это экзотермические реакции. Поэтому для того, чтобы повернуть эти реакции в обратную сторону нужно затратить энергию. Это невозможно при физиологических клеточных условиях.

Другие семь реакций обратимы. В них свободная энергия меняется незначительно. Некоторые из этих реакций экзотермические, а некоторые эндотермические. При физиологических условиях в клетке можно легко провести реакции в другую сторону. Достаточно ферментов, которые снизят энергию активации этой реакции.

Это полезно, потому что иногда клетка хочет синтезировать глюкозу из продуктов гликолиза. Всё зависит от условий внутри клетки. Катаболизм глюкозы и её синтез работают по типу выключателя. Когда клетка включает синтез, то отключается распад. И наоборот. Синтез глюкозы из продуктов гликолиза и других молекул — это глюконеогенез. Но я отвлёкся, давайте вернёмся к гликолизу.

На подготовительном этапе мы затратили две молекулы АТФ для активации глюкозы — первая и третья реакция. В конце этапа у нас есть две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Дальше эти две молекулы вступят в энергетический этап.

В энергетическом этапе из каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата мы получили две молекулы АТФ. Первую в седьмой реакции, а вторую в десятой реакции. Обе были получены с помощью субстратного фосфорилирования. Так как молекул глицеральдегид-3-фосфата две, то всего мы получили четыре молекулы АТФ.

Общий выхлоп гликолиза (пока что) = получено на энергетическом этапе (АТФ) — затрачено на подготовительном этапе (АТФ) = 4-2 = 2 молекулы АТФ. Как то не густо….

Но ещё мы получили две молекулы пирувата, которые отправятся в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). А потом и в дыхательную цепь. Для этого две молекулы пирувата переносятся в митохондрию, где находятся ЦТК и дыхательная цепь. Там из пирувата, через серию реакций, образуются молекулы АТФ.

Ах да, есть ещё две важные молекулы, которые были получены в ходе гликолиза. Это 2 НАДH. Они образовались в шестой реакции, и я обещал вам рассказать про её минусы. Время выполнять обещание.

Значение НАДH для гликолиза

Тут нужно поговорить об аэробном и анаэробном гликолизе. Я не стал пихать их в начало статьи для того, чтобы разобраться с ними сейчас.

Аэробный гликолиз

Дыхательная цепь находится в митохондриях. НАДH не может проникнуть через двойную биологическую мембрану. Это можно сделать с помощью челночных механизмов (подробнее здесь). Челночные механизмы окисляют НАДH до НАД + — при этом он остаётся в цитоплазме. А его протон и два электрона переносятся внутрь митохондрии. Ещё для этого используется протон водорода из цитоплазмы, но их там не мало — от цитоплазмы не убудет. После этого НАД + присоединяется к активному центру глицеральдегидфосфатдегидрогеназы.

Челночные механизмы нужны не только для того, чтобы окислить НАДH. После того, как протоны и электроны были перенесены в митохондрию, они попадают в дыхательную цепь. Там из них синтезируется три или пять молекул АТФ. Это зависит от челночного механизма, который был использован клеткой.

Вы можете найти инфу, что в в ходе гликолиза синтезируется восемь молекул АТФ. Потому что каждый НАДH идёт на образование трёх молекул АТФ. Но если говорить строго, то из каждого НАДH может синтезироваться только 2,5 молекулы. Наверное, они округляют или пользуются старыми данными. Так что тут вам решать. Я считаю по 2,5 молекулы, поэтому:

Общий выход аэробного гликолиза: пять или семь молекул АТФ и две молекулы пирувата. Количество АТФ зависит от челночного механизма

Уравнение аэробного гликолиза:

Но что случится, если дыхательная цепь прекратит свою работу?

Анаэробный гликолиз

При анаэробном гликолизе челночные механизмы останавливаются. Это случается при недостатке кислорода (ого!) — дыхательная цепь перестает работать. В митохондрии накапливаются протоны и электроны. Для наших уже просто не хватает места.

Но клетка делает кое-что интересное. Она превращает пируват в лактат с помощью лактатдегидрогеназы. Фермент использует НАДH и протон водорода на эту реакцию. Далее он присоединяет их к пирувату. Та-дам! Клетка получает НАД + и лактат. НАД + снова идёт в шестую реакцию.

Выхлоп энергии здесь намного меньше — всего две молекулы АТФ. Протон и электроны с НАДН не отправляются в митохондрию, а значит мы не получим дополнительные три или пять молекул АТФ. Пируват не отправляется в ЦТК, а превращается в лактат. В общем, невыгодно как-то. Клетка слишком много теряет на этом.

Общий выход анаэробного гликолиза: две молекулы АТФ и две молекулы лактата

Уравнение анаэробного гликолиза:

Зачем тогда нужен анаэробный гликолиз? Некоторые клетки не могут получать энергию по-другому. Вот у эритроцитов просто нет митохондрий, поэтому единственный вариант получить энергию — анаэробный гликолиз.

Ещё он протекает в мышцах при резкой физической нагрузке. Представьте, что мы побежали за автобусом. У нас небольшой запас кислорода в мышцах — в виде миоглобина. Он сгорит очень быстро, а мышцам нужна энергия. Запускается анаэробный гликолиз с образованием лактата. Потом к мышцам увеличивается кровоток — переход на аэробный гликолиз.

С мышцами бывает и другая ситуация. Они частенько сокращаются, а это иногда приводит к сдавлению сосудов. Кровоток снижается, а энергию на сокращения где-то брать нужно. Снова включается анаэробный гликолиз. Так что анаэробный гликолиз незаменимая штука для эритроцитов и мышц.

Опухоли тоже пользуются гликолизом, но это не хорошая инфа. А так анаэробный гликолиз больше характерен для бактерий: клостридий и других облигатных анаэробов.

Но вернёмся к нашему организму. В мышцах лактат не лежит просто так, а отправляется в кровь. Там он циркулирует, пока не попадёт в печень или почки. Зачем? Эти органы могут превратить лактат в глюкозу с помощью глюконеогенеза. В них идёт обратная реакция, которую катализирует лактатдегидрогеназа — образование пирувата из лактата. Далее пируват вступает в глюконеогенез — через серию реакций образуется глюкоза. Печень/почки отправляют её в кровь. Дальше глюкоза попадёт в другие клетки, где будет использована на их нужды. Часть глюкозы снова окажется в мышцах, где из неё опять образуется лактат. Цикличненько. У этого цикла есть своё название — цикл Кори.

Другие субстраты гликолиза

Только что мы разобрали гликолиз на примере глюкозы. Она попадает в клетку из крови, а потом фосфорилируется. И так далее. Но откуда она там взялась? Есть два варианта:

Мы сытно поели, и в ЖКТ началось пищеварение. Большая часть полисахаридов и дисахаридов состоит из глюкозы. Глюкоза попадёт из кишечника в кровь, а потом в клетку. Там глюкоза будет использоваться для синтеза АТФ — гликолиза, либо запасаться в виде гликогена. Она может использоваться и для других процессов, но пока не будем запариваться.

Второй вариант — образование глюкозы из гликогена.

Гликоген

В мышцах и печени можно получить молекулу глюкозо-6-фосфата, продукт первой реакции, по-другому. Через разрушение гликогена — гликогенолиз. Под действием гликогенфосфорилазы от гликогена отщепляется молекула глюкозы. Эта реакция идёт с помощью фосфоролизиса — альфа-1-4-гликозидная связь разрушается с участием неорганического фосфата. Клетка получает глюкозо-1-фосфат и гликоген, в котором меньше на одну молекулу глюкозы.

Далее глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат с помощью фермента фосфоглюкомутазы. А вот и наш глюкозо-6-фосфат, который можно запихнуть в гликолиз.

Но такая тема работает только в мышечной ткани — глюкозо-6-фосфат идёт на гликолиз. В печени глюкозо-6-фосфат превратится в глюкозу с помощью глюкозо-6-фосфатазы. Из клеток печени она пойдёт в кровь. Так происходит между приёмами пищи, когда падает уровень глюкозы в крови. Печень заботится об уровне глюкозы в крови между приёмами пищи, поэтому она не использует глюкозу самостоятельно. Но давайте вернёмся к пищеварению.

При пищеварении мы получали не только глюкозу, но и другие моносахариды: фруктозу и галактозу. Можно ли их отправить в гликолиз? А давайте посмотрим.

Фруктоза

Фруктоза образуется при гидролизе сахарозы во время пищеварения. Сахароза — это дисахарид, который состоит из глюкозы и фруктозы. В начале пути глюкозы и фруктозы схожи. Фруктоза тоже всасывается в кишечнике, а потом попадает в кровь. Оттуда фруктоза захватывается клетками. А дальше начинаются отличия. Фруктоза может вступать в гликолиз двумя разными путями.

Первый путь. Фруктоза фосфорилируется с помощью гексокиназы. Фосфорная группа присоединяется к шестому атому углерода. При этом затрачивается молекула АТФ.

Удобно, клетка получила продукт второй реакции гликолиза. Даже не нужно проводить изомеризацию. Можно сразу фосфорилировать фруктозо-6-фосфат фосфофруктокиназой.

Второй путь. Фруктоза фосфорилируется с помощью фруктокиназы. Фосфорилирование идёт по первому атому углерода, а не шестому. Уже можно не писать, что на это тратится молекула АТФ?

Дальше клетка превращает фруктоза-6-фосфат в две триозы. Очень похоже на четвертую реакцию гликолиза, но только одна будет фосфотриозой. Фермент тоже называется альдолазой, но с приставкой — фруктозо-1-фосфатальдолаза.

Дигидроксиацетонфосфат может пойти на гликолиз через изомерию. Триозофосфатизомераза превращает его в глицеральдегид-3-фосфат. Далее он вступает в гликолиз.

Глицеральдегид в гликолиз не отправить. Сначала нужно прицепить к нему фосфатную группу. Катализирует реакцию — триозокиназа. Получаем ещё один глицеральдегид-3-фосфат.

Оба глицеральдегид-3-фосфата попадают на энергетический этап гликолиза. Очень похоже на классический гликолиз. Просто он идёт немного в обход. При этом оба пути одинаковы в энергетическом плане — клетка тратит на них две молекулы АТФ.

Галактоза

Галактоза образуется при гидролизе лактозы. Лактоза — это дисахарид, который состоит из галактозы и глюкозы. Галактоза всасывается из кишечника, а потом попадает в клетку. Ну и куда же без фосфорилирования. Ведь нужно загнать галактозу в ловушку и увеличить её реакционную способность. Фермент галактозокиназа фософрилирует первый атом углерода.

Дальше идёт вот такой интересный цикл:

В итоге мы получаем глюкозо-1-фосфат, который можно превратить в глюкозо-6-фосфат с помощью фосфоглюкомутазы. Где мы уже встречались с УДФ-глюкозой? Да, в синтезе гликогена.

Вот общая табличка со всеми субстратами гликолиза.

Регуляцию гликолиза и глюконеогенеза разбираем здесь.

Хочешь задать вопрос, похвалить или наговорить гадостей? Тогда залетай в телегу. Там ты сможешь предложить новый формат или разбор темы. А если серьёзно, то эти статьи пишутся для вас, поэтому мне важна обратная связь.

Источник