В. Опишите значение анаэробного гликолиза и механизм синтеза атф.

А. Реакции, идущие с затратой АТФ:

глюкоза + АТФ → глюкоза-6-фосфат + АДФ

Реакция идет в присутствии ионов магния и фермента гексокиназы.

ГЕКСОКИНАЗА, фермент класса трансфераз, катализирующий в присут. Mg2+ перенос фосфорильной группы с аденозинтрифосфата (АТФ) на D-гексозу с образованием D-гексозо-6-фосфата и аденозиндифосфата (АДФ). Это первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.

Глюкозо-6-фосфат, образованный в результате фосфорилирования глюкозы с участием АТФ, в ходе следующей реакции превращается в фруктозо-6-фосфат. Гексокиназная реакция. Первая реакция гликолиза - превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат - требует АТФ и катализируется тканеспецифическими изоферментами, которые называются гексокиназами.

Гексокиназная реакция. Первая реакция гликолиза - превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат - требует АТФ и катализируется тканеспецифическими изоферментами, которые называются гексокиназами.

Гексокиназа ингибируется продуктом реакции — глюкозо-6-фосфатом, который аллостерически связывается с ферментом, изменяя его активность.

По причине того, что основная масса Г-6-Ф в клетке производится путём расщепления гликогена, гексокиназная реакция, по сути, для протекания гликолиза не является необходимой, и фосфорилирования глюкозы в регуляции гликолиза исключительной важности не имеет. Гексокиназная реакция является важным этапом регуляции концентрации глюкозы в крови и в клетке.

Гексокиназная реакция служит не только пусковой, но и главной лимитирующей реакцией среди других реакций гликолиза. Гексокиназа обладает наименьшей активностью по сравнению с другими гликолитическими ферментами; эта реакция первично контролирует скорость всего гликолитического потока.

Биологический смысл гексокиназной реакции:

- сделать молекулу глюкозы более способной к химическим реакциям, ослабить в ней химические связи;

- препятствовать выходу глюкозы обратно в кровь (глюкозо-6-фосфат не способен проходить через клеточную мембрану).

Для выхода молекулы из клетки глюкозо-6-фосфат должен превратиться обратно в глюкозу при участии глюкозо-6-фосфатазы. Она гидролизует глюкозо-6-фосфат до глюкозы и Н3РО4 (Фн), т.е. катализирует обходной обратный путь гексокиназной реакции. Глюкозо-6-фосфатаза есть в печени, почках и слизистой оболочке кишечника.

После образования глюкозо-6-фосфата существуют три главных пути:

- синтез гликогена;

- гексозомонофосфатный путь распада углеводов (ГМФ-путь);

- гексозобифосфатный путь распада углеводов (ГБФ-путь).

Затем следует ещё одна реакция фосфорилирования с использованием фосфатного остатка и энергии АТФ. В ходе этой реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6- бисфосфат. Данная реакция, так же, как гексокиназная, практически необратима, и, кроме того, она наиболее медленная из всех реакций гликолиза. Реакция, катализируемая фосфофруктокиназой, определяет скорость всего гликолиза, поэтому, регулируя активность фосфофруктокиназы, можно изменять скорость катаболизма глюкозы.

фруктоза-6-фосфат + АТФ → фруктоза-1,6-бифосфат+ АДФ

Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

Метаболизм глюкозы начинается с необратимой гексокиназной (или глюкокиназной) реакции, в которой катализируется перенос фосфатной группы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.

Ключевые ферменты гликолиза.

1. Гексокиназа — это регуляторный фермент гликолиза во внепеченочных клетках. Гексокиназа аллостерически ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Глюкокиназа — регуляторный фермент гликолиза в гепатоцитах. Синтез глюкокиназы индуцируется инсулином.

2. Фосфофруктокиназа-1. Это главный ключевой фермент, катализирует реакцию, лимитирующую скорость всего процесса (наиболее медленная реакция). Синтез фермента индуцируется инсулином. Аллостерические активаторы — АМФ, АДФ, фруктозо-2,6- дифосфат. Уровень фруктозо-2,6-дифосфата увеличивается под действием инсулина и понижается под действием глюкагона. Аллостерические ингибиторы — АТФ, цитрат.

3. Пируваткиназа. Фермент активен в нефосфорилированной форме. Глюкагон (в гепатоцитах) и адреналин (в миоцитах) стимулируют фосфорилирование фермента, а значит инактивируют фермент. Инсулин, наоборот, стимулирует дефосфорилирование фермента, а значит активирует фермент. Аллостерический активатор — Фр-1,6-ФФ. Аллостерический ингибитор — АТФ, ацетил КоА. Синтез фермента индуцирует инсулин.

Аллостерическая регуляция скорости гликолиза, зависимая от изменения соотношения АТФ/АДФ, направлена на изменение скорости использования глюкозы непосредственно клетками печени. Глюкоза в клетках печени используется не только для синтеза гликогена и жиров, но также и как источник энергии для синтеза АТФ. Основными потребителями АТФ в гепатоцитах являются процессы трансмембранного переноса веществ, синтез белков, гликогена, жиров, глюконеогенез. От скорости утилизации АТФ в этих процессах зависит скорость его синтеза. АТФ, АДФ и АМФ, а также NAD+ и NADH служат аллостерическими эффекторами некоторых гликолитических ферментов и ферментов глюконеогенеза. В частности, АМФ активирует фосфофруктокиназу и ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу. АТФ и NADH ингибируют пируваткиназу, а АДФ активирует пируваткарбоксилазу.

Б. Реакции, идущие с синтезом АТФ:

    1,3-бифосфоглицериновая кислота + АДФ → 1.3-фосфоглицериновая кислота + АТФ

(фермент фосфоглицераткиназа). Класс – трансферазы.

В седьмой реакции гликолиза (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (использование энергии электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

 

фосфоенолпируват + АДФ → ПВК+ АТФ

(фермент пируваткиназа). Класс – трансферазы.

 

Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты. Для функционирования пируваткиназы необходимы ионы магния и калия; последний в 10 раз повышает сродство фосфоенолпирувата к пируваткиназе. Ингибируют этот фермент АТФ и ионы кальция.Образование АТФ описанным способом не связано с дыхательной цепью, и его называют субстратным фосфорилированием АДФ. Образованный 3-фосфоглицерат уже не содержит макроэргической связи. В следующих реакциях происходят внутримолекулярные перестройки, смысл которых сводится к тому, что низкоэнергетический фосфоэфир переходит в соединение, содержащее высокоэнергетический фосфат. Внутримолекулярные преобразования заключаются в переносе фосфатного остатка из положения 3 в фосфоглицерате в положение 2. Затем от образовавшегося 2-фосфоглицерата отщепляется молекула воды при участии фермента енолазы. Название дегидратирующего фермента дано по обратной реакции. В результате реакции образуется замещённый енол - фосфоенолпируват. Образованный фосфоенолпируват - макроэргическое соединение, фосфатная группа которого переносится в следующей реакции на АДФ при участии пируваткиназы (фермент также назван по обратной реакции, в которой происходит фосфорилирование пирувата, хотя подобная реакция в таком виде не имеет места).

Превращение фосфоенолпирувата в пируват - необратимая реакция. Это вторая в ходе гликолиза реакция субстратного фосфорилирования. Образующаяся енольная форма пирувата затем неферментативно переходит в более термодинамически стабильную кетоформу.

В. В процессе анаэробного гликолиза происходит окисление глюкозы в условиях дефицита кислорода. Энергетический баланс этого процесса составляет 2 АТФ. Механизм образования энергии в этих условиях - субстратное фосфорилирование.

Анаэробный гликолиз по сравнению с аэробным менее эффективен. В этом процессе катаболизм 1 моль глюкозы без участия митохондриальной дыхательной цепи сопровождается синтезом 2 моль АТФ и 2 моль лактата. АТФ образуется за счёт 2 реакций субстратного фосфорилирования. Поскольку глюкоза распадается на 2 фосфотриозы, то с учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, количество моль синтезированного АТФ равно 4. Учитывая 2 моль АТФ, использованных на первом этапе гликолиза, получаем конечный энергетический эффект процесса, равный 2 моль АТФ. Таким образом, 10 цитозольных ферментов, катализирующих превращение глюкозы в пиру- ват, вместе с лактатдегидрогеназой обеспечивают в анаэробном гликолизе синтез 2 моль АТФ (на 1 моль глюкозы) без участия кислорода.

Субстратное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты с использованием энергии высокоэнергетического субстрата. Этот способ синтеза АТФ не требует присутствия кислорода, т.е. происходит в анаэробных условиях.

Реакции субстратного фосфорилирования происходят:

1) в процессе гликолиза (макроэргические субстраты - 3-фосфо-глицерат и фосфоенолпируват);

2) с использованием креатинфосфата;

3) в одной реакции ЦТК, с использованием макроэргического субстрата – сукцинил-КоА.

80

Существует два варианта окисления глюкозы (гликолиза) – аэробный и анаэробный.