Енергетичний ефект повного розщеплення глюкози

1 – 2. 2 молекули АТФ, що утворюються при аеробному гліколізі та 6 молекул АТФ, що синтезуються за рахунок окислення 2 молекул НАДН₂, які утворюються при окисленні 2 молекул гліцеральдегід-3-фосфату в дегідрогеназній реакції гліколізу.

3. 2 молекули НАДН₂ (6 молекули АТФ) утворюється при окислювальному декарбоксилюванні пірувату в ацетил-СоА.

4. Цикл Кребса: синтезується також 2 молекули ГТФ (субстратне фосфорилювання), що рівносильне 2 молекулам АТФ.

5. Атоми водню переносяться трьома молекулами НАДН₂ на систему транспорту електронів; при цьому утворюються 2 х 3 х 3 молекули АТФ (в процесі окислювального фосфорилювання), а всього – 18 молекул АТФ.

6. Атоми водню також переносяться через ФАДН₂ в систему транспорту електронів – в результаті утворюються 2 х 2 молекули АТФ = 4 АТФ.

Тому при повному розщепленні 1 молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ. При чому 2 молекули дає гліколіз, 2 – цикл Кребса, 34 – дихальний ланцюг.

• 2 АТФ (з аеробного гліколізу)

• 2 НАДН₂ (з аеробного гліколізу)= 2 х 3 АТФ = 6 АТФ (дихальний ланцюг).

• 2 НАДН₂ (з окислювального декарбоксилювання пірувату) = 2 х 3 АТФ = 6 АТФ (дихальний ланцюг).

• 2 ГТФ = 2 АТФ (з циклу Кребса)

• 2 х 3 НАДН₂ (з циклу Кребса)= 2 х 3 х 3 АТФ = 18 АТФ (дихальний ланцюг)

• 2 х ФАДН₂ (з циклу Кребса)= 2 х 2 АТФ = 4 АТФ (дихальний ланцюг)

Всього 38 АТФ

Окрім вище перерахованих, існують інші шляхи розпаду вуглеводів. До них належать пентозний, гліоксилатний цикли.

Фосфоглюконатний шлях розщеплення глюкози

Поряд з циклом трикарбонових кислот у багатьох клітинах існує й інший шлях розщеплення глюкози, що одержав назву фосфоглюконатного тому, що першою реакцією є окислення глюкозо-6-фосфату до 6-фосфоглюконату. Він відомий в літературі ще як пентозофосфатний цикл (апотомічний) або пентозофосфатний шунт.

Фосфоглюконатний шлях окислення глюкози не головний. Його основне призначення в основному полягав в тому, щоб регенерувати у цитоплазмі відновлювач у формі НАДФ∙Н₂, що використовується при синтезі жирних кислот і стероїдів.

Друга функція цього шляху полягає в тому, що в ньому синтезуються пентози, особливо D-рибоза, яка необхідна для синтезу нуклеїнових кислот.

Третя основна функція — участь в утворенні глюкози з СО₂ в темновій фазі фотосинтезу. Усі реакції фосфоглюконатного шляху розщеплення глюкози проходять у розчинній частині цитоплазми тваринних клітин.

У ссавців активність пентозного циклу відносно висока у печінці, серці, надниркових залозах, ембріональній тканині. Пентозний шлях активно реалізується в еритроцитах людини. Існує група спадкових хвороб людини, при яких активність деяких ферментів цього шляху знижена або взагалі відсутня. У таких хворих спостерігається гемоліз – руйнування еритроцитів з виділенням з них гемоглобіну, що веде до розвитку анемії. Стан різко погіршується під впливом деяких ліків (протималярійних препаратів). В Африці та Азії від цих хвороб страждають мільйони людей.

Перша реакція полягає в тому, що глюкозо-6-фосфат, який утворився внаслідок фосфоролізу глікогену або фосфорилювання глюкози, під дією ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази втрачає два атоми водню і перетворюється на 6-фосфоглюконолактон:

Цей фермент використовує акцептор електронів тільки НАДФ. Він каталізує реакцію дегідрогенізації першого вуглецевого атома піранозної форми глюкозо-6-фосфату з утворенням 6-фосфоглюконо-δ-лактону. Остання сполука нестабільна і спонтанно гідролізується до вільної кислоти.

На наступній стадії 6-фосфоглюконат декарбоксилюється окислювальним шляхом за участю ферменту 6-фосфоглюконатдегідрогенази, внаслідок чого утворюється кетопентоза-D-рибулозо-5-фосфат. Ця реакція супроводжується утворенням ще однієї молекули НАДФ∙Н. Під дією ферменту фосфопентозоепімерази D-рибулозо-5-фосфат оборотньо перетворюється в свій 3-епімер – D-ксилулозо-5-фосфат.

За участю ферменту фосфопентоізомерази D-рибулозо-5-фосфат здатний перетворюватися на свій альдоізомер — D-рибозо-5-фосфат, який може бути використаний для синтезу нуклеотидів, що містять у своєму cкладі пентози і РНК.

За певних умов фосфоглюконатний шлях може завершитися і тоді сумарне рівняння реакції буде такеї

Глюкозо-6-фосфат + 2НАД⁺ <=> D-рибозо-5-фосфат + СО₂ + 2НАДФ∙Н +2Н⁺

Наслідком цих реакцій є утворення НАДФ∙Н, що використовується для процесів відновлювального біосинтезу в цитоплазмі, і D-рибози, яка є попередником при біосинтезі нуклеотидів.

Однак за певних умов фосфоглюконатний шлях включає ще кілька реакцій завдяки наявності двох додаткових ферментів — транскетолази і трансальдолази, що каталізують перетворення ізомерних пентозо-5-фосфатів. Транскетолаза має в своєму складі кофермент – тіамінпірофосфат (ТПФ) і обумовлює перенесення глікоальдегідної групи (СН₂ОН–СО–) від D-ксилулозо-5-фосфату до D-рибозо-5-фосфату.

В транскетолазній реакції ТПФ виконує роль проміжного переносника глікольальдегідної групи (подібно до ацетальдегідного похідного в піруватдегідрогеназній реакції), яка приєднується до молекули акцептора — D-рибулозо-5-фосфату. Внаслідок цієї реакції утворюється семивуглецевий кетомоносахарид – D-седогептулозо-7-фосфат і тривуглецевий моносахарид – D-гліцеральдегід-3-фосфат. D-Гліцеральдегід-3-фосфат може окислюватися далі, вступаючи в реакції гліколізу.

У трансальдолазній реакції відбувається перенесення діоксиацетонової групи, що має в своєму складі 1-, 2- і 3-й вуглецеві атоми седогептулозо-7-фосфату, до D-гліцеральдегід-3-фосфату, який при цьому перетворюється у шестивуглецевий моносахарид – D-фруктозо-6-фосфат.

Другим продуктом реакції є чотирьохвуглецевий моносахарид – еритрозо-4-фосфат.

Ця реакція подібна до реакції, що каталізується альдолазою в гліколізі, але трансальдолаза не вступав в реакцію з вільним діоксиацетоном або діоксиацетонфосфатом і не каталізує реакції їх утворення. Оскільки один із продуктів трансальдолазної реакції (фруктозо-6-фосфат) одночасно є проміжним продуктом гліколізу, тому ця реакція є другим місцем перехрещення гліколітичного і фосфоглюконатного шляхів.

Важливе значення ферментів фосфоглюконатного шляху полягає в тому, що вони разом з ферментами гліколізу створюють умови для взаємоперетворень трьох-, чотирьох-, п'яти-, шести- і семивуглецевих моносахаридів шляхом оборотного перенесення дво- або тривуглецевих фрагментів (глікоальдегідних або діоксіацетонових груп).

Прикладом цього є реакція, що каталізується транскетолазою, де два проміжних продукти фосфоглюконатного шляху перетворюються в проміжні продукти гліколізу.

Отже, глюкозофосфатний шлях є місцем перехрещення метаболічних шляхів, де утворюється значна кількість різних продуктів обміну речовин. Ферментами фосфоглюконатного шляху може здійснюватися повне окислення глюкозо-6-фосфату до СО₂ за таким рівнянням:

Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ –> 6СО₂ + 12НАДФ∙Н + 12Н⁺ + Рн.

Однак найбільш ймовірно, що фосфоглюконатний шлях на одному з етапів переходить у гліколітичний. Тому фосфоглюконатний шлях або зливається з гліколітичним, або функціонує як самостійний, і тоді окислення глюкозо-6-фосфату проходить за цим шляхом.