Сравнение энергетической эффективности путей ассимиляции сахаров

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН. Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов.

Пентозофосфатный цикл начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в результате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это первая, так называемая окислительная, стадия пентозофосфатного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата. Реакции пентозофосфатного цикла протекают в цитозоле клетки.

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии  фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы  и кофермента НАДФ+. Образовавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо-δ-лактон – соединение нестабильное и с  большой скоростью гидролизуется  либо спонтанно, либо с помощью фермента 6-фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат):

Во второй – окислительной  – реакции, катализируемой 6-фосфоглюконатдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат  дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН:

Под действием соответствующей  эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия:

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия) пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях.

Основными реакциями неокислительной  стадии пентозофосфатного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной  реакции служит ТПФ, играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5-фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный моносахарид седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция  в пентозном цикле встречается  дважды, второй раз – при образовании  фруктозо-6-фосфата и триозофосфата  в результате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритрозо-4-фосфатом:

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат:

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекул СО₂ образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата. Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пентозофосфатного цикла можно представить в следующем виде:

6Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂O + 12НАДФ⁺ —> 5Глюкозо-6-фосфат +

+ 6СO₂ + P_i + 12 НАДФН + 12Н⁺

или

Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂O + 12НАДФ⁺ —> 6СO₂ + Р_i + 12НАДФН + 12Н⁺.

Образовавшийся НАДФН  используется в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

Считают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке.

 

 

 

2.4. Путь Энтнера-Дудорова

Путь Энтнера-Дудорова, или, как  его еще называют, КДФГ-путь (по характерному промежуточному продукту-2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконату, КДФГ) имеет важное значение, когда  сбраживаемыми субстратами служат глюконовая , маннановая , гексуроновые кислоты или их производные. Он функционирует у довольно широкого круга эубактерий главным образом грамотрицательных, получающих энергию в процессе дыхания ( энтеробактерии, виды Azotobacter , Pseudomonas , Alcaligenes , Rhizobium , Spirillum ,Xanthomonas , Thiobacillus и др.). Специфичны для пути Энтнера-Дудорова две следующие реакции:

- дегидратирование 6-фосфоглюконовой  кислоты, приводящее к образованию КДФГ-кислоты ;

- расщепление продукта первой  реакции на два С3-фрагмента.

Конечными продуктами второй реакции  являются пировиноградная кислота и 3-ФГА. Последний окисляется в пировиноградную кислоту так же, как в гликолитическом пути. Следовательно, при разложении молекулы глюкозы до пирувата по пути Энтнера-Дудорова образуется 1 молекула АТФ (2 молекулы АТФ синтезируются на отрезке пути 3-ФГА переходит в пировиноградная кислота минус 1 молекула АТФ, затраченная на фосфорилирование глюкозы), 1 молекула НАД*Н₂ и 1 молекула НАДФ*Н₂ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Изучив различные пути метаболизма сахаров (гликолитический, гексозобисфосфатный,  пентозофосфатный и  путь Энтнера-Дудорова), можно сделать вывод о том, что в энергетическом плане они неоднородны.

В процессе гликолиза на первых стадиях затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции), а на последующих образуются 4 молекулы АТФ (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет 2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Конечными продуктами брожения являются этанол, уксусная кислота, молочная кислота и др. Если брожение идет с образованием этанола, то выход энергии равен 1 молекуле АТФ на молекулу сброженной глюкозы; если образуется уксусная кислота, то общий энергетический баланс процесса составляет 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы, т.е. такой же, как при гликолизе.

При разложении молекулы глюкозы до пирувата по пути Энтнера-Дудорова образуется 1 молекула АТФ, 1 молекула НАД*Н₂ и 1 молекула НАДФ*Н₂ .

В процессе пентозофосфатного  пути образуется 12 молекул  НАДФН, которые используются в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвуют в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

Считают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке.

Одним из наиболее энергетически  эффективным путем ассимиляции  сахаров является гексозобисфосфатный, включающий гексокиназную реакцию, окислительное декарбоксилирование  пирувата и цикл трикарбоновых кислот.  При расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы, в зависимости от челночного механизма синтезируется 36-38 молекул АТФ. Несомненно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: учеб. / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – М.: Медицина, 1998.
2. Биологическая химия:учеб. / В.К. Кухта [и др.]. М. :БИНОМ, 2008.
3. Кольман Я., Рен К.-Г. Наглядная биохимия: под ред. П.Д. Решетова / Я.Кольман, К.-Г. Рен. М.: Мир,2000.
4. Северин Е.С. Биохимия: учеб. для вузов / Е.С. Северин. – М.: ГЭОТАР-МЕД , 2004.
5. Щербак И.Г. Биологическая химия: учеб. для вузов / И.Г. Щербак. – СПб.: СПбГМУ, 2005.