Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования в митохондриях 2 страница

он

с Не—о—Р=0 н он н он

Остальные гексокиназы фосфорилнруют не только глюкозу, но н другие гексозы (D-фруктозу, D-манйозу, D-глюкозамин). Поскольку Km гексокиназ для глюкозы низка (/Гт=Ю^-'⁵—Ю^-6 М), то они фосфорилнруют глюкозу и другие гексозы при обычных их концентрациях в клетках. Гёксокиназа I осо­бенно активна в почках, печени; гёксокиназа II — в мышечной и жировой тканях, гёксокиназа III — в печени, селезенке. Гексокиназы II и IV реагируют на действие гормонов (например, инсулина), что позволяет считать их приспо­собительными ферментами. Характерно, что в печени имеется весь набор изо­ферментов гексокиназы, что говирит о разнообразии возможностей печеноч­ных клеток в «улавливании» глюкозы.

2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом глюкозофосфатизомеразой. Она обратима и про­текает по уравнению

он

глю ко зофосфати юмераи

Равновесие устанавливается при соотношении глюкозо-6-фосфат/фруктозо- 6-фосфат — 70/30. Глюкозофосфатнэомераза — очень специфичный фермент Он действует только на тлюкозо-6-фосфат (прямая реакция) и. фруктозо-6- фосфат (обратная реакция).

3. Фосфорилированиё фруктозо-6-фосфата с образованием фруктоао- 1, 6-бнсфосфата. На эту реакцию гликолиза затрачивается еще одна молекула АТФ (для реакции необходимы ионы Mg²" ¹"). Она катализируется ферментом фосфофрукяжиназой по уравнению

В реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, происходит значительное падение свободной энергии, поэтому она практически необратима. Это вторая необратимая реакция гликолиза. Фосфофруктокиназа принадлежит к алло­стерическим, или регуляторным, ферментам, и имеет свойственную, таким ферментам сложную четвертичную структуру (мол. масса 360 000).

Фосфофруктокиназа — «ключевой» фермент гликолиза, который не только лимитирует скорость всего процесса (из-за необратимости реакции), но н управляется различными изо- и аллостерическими регуляторами. Фермент активируется своим субстратом (фруктозо-6-фосфат) и продуктами реак­ции — фруктозо-1, 6-бисфосфатом и АДФ, а также АМФ, Ф, и цАМФ. Ингнбируют фермент повышенные концентрации АТФ, т_: е. свой субстрат, и цитрат. Интересно, что АМФ, присутствующий в клетке, облегчает связывание АТФ с активным центром фермента. Поэтому АТФ сначала используется как субстрат, а затем, связываясь с аллостерическим центром, прекращает фосфофруктокиназную реакцию.

4. Расщепление фруктозо-1, 6-бисфосфата на глнцеральдегнд-3-фосфат и днгидроксиацетомфосфаг. На следующем этапе фруктозо-1, 6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы, из-за чего раньше гликолиз называли дихотомическим путем превращения глюкозы.

Реакция катализируется ферментом фруктозобисфосфат-альдолазой по урав­нению

м—у"»¹

с—о + сн—он

Т \_ja

сн, он c^j

Изменение свободной энергии этой реакции в физиологических условиях незначительно, поэтому она обратима.

Альдолаза состоит из четырех субъединиц. Молекулярная масса фермента около 150 ООО. У человека и животных имеется три типа изоферментов альдолаз: мышечный (А), печеночный (В) и мозговой (С), которые от­личаются по аминокислотному составу полипептидных цепей и свойствам. Каждый из трех типов альдолаз состоит из одинаковых типов субъединиц (например, A_v В₄, Q). Они встречаются преимущественно в тех органах, по которым получили свое название. Однако в печени, мозгу, мышцах встречаются гибридные изоферменты: АС₃, А₂С₂, А₂В₂, АВ₃ и др.

Кроме фруктозобисфосфат-альдолазы в клетках печени (но не в других органах) встречается другая специфическая альдолаза: фруктозо-1-фосфат альдолаза. Она катализирует обратимую реакцию: _

D-Фруктозо-1 -фосфат D-Глицеральдегид + D-Дягидроксиаиетоифосфат Этот фермент участвует в усвоении фруктозы.

' 5. Взаимопревращение триозофосфатов. Поскольку в дальнейших реак­циях гликолиза используется только одни нз двух триозофосфатов — глицеральдегид-3-фосфат, то необходим фермент, осуществляющий превра­щение другого триозофосфата (дигидроксиацетонфосфата) в глицераль- дегид-3-фосфат. Эту функцию в гликолизе выполняет триозофосфатизоме- раза, катализирующая реакцию

НС =о Н, С—он

H(t-OH TpHotofrQc^aTmoMtpaaa^ ^

I ^H-------------- 1

H, C—OPOjH, H, C—OPO, Hj

D-гимральдегнд-Э-фосфат О-оягндроксяамтоифосфат

. Реакция обратима, но равновесие в ней достигается, если доля дигидрокси­ацетонфосфата составляет 94% от суммы триозофосфатов. Чтобы сдвинуть равновесие в сторону глицеральдегид-3-фосфата, необходимо, чтобы он непрерывно расходовался. Эту функцию выполняет следующий фермент гликолиза.

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1, 3-дифосфоглнцерата. Эта

реакция называется гликолитической оксидоредукцней и выполняет важную роль, так как в ней происходит не только окисление субстрата, но и обра- зовайие богатого энергией продукта. Реакция катализируется глицеральде- гид-3-фосфат-дегидрогеназой по уравнению

о

II

нс=0 С—OPOJHJ

H(LoH +НАД+ + Н₃РО, Гл_Иц> р_епьдСг«_д.э-ф«1нт-д^_Ядр°гена_{ЗЭ> H}(j; __OH + НАД ■ Н + Н * Hjd: —оро₃н₂ H₂i—OPOjHJ

Р-глкерадьде- 14-днфосфотлв-

ги-З- фосфат оерат

Реакция обратима, равновесие ее сдвинуто влево.

Глицеральдегид-З-фосфат-дегидрогеиаза состоит из четырех одинаковых субъединиц (молекулярная масса фермента 140 000). В составе фермента имеется НАД. Важную роль в катализе играет SH-группа активного центра. Механизм действия этого фермента протекает в несколько стадий:

а) связывание НАД⁺ с активным центром ферме 1та (Е—SH)

НАД

Е—SH + НАД⁺

б) связывание глицеральдегид-3-фосфата (R—СН=0) с SH-группой фермента

он

в) восстановление НАД за счет дегидрирования субстрата внутри ак­тивного центра фермента.НАД⁺.НАД.

+ H*

•S—СН—К S~C—R

1 ¹¹ он о

г) восстановление внешнего НАД" ¹"

^над-Н

^S ~ С—R

д) фосфоролиз фермент-субстратного комплекса с образованием 1, 3- дифосфоглицерата

-НАД* НАД

Е^ + Н, Р0₄ + R—С—0Р0₈Н₂

S~C—R S II

Продукты этой реакции НАД-Н₂ и 1, 3-дифосфоглицерат блокируют фермент, поэтому необходимо в ходе реакции непрерывно их использовать.

7, Перенос фосфатной группы с 1, 3-дифосфоглицерата на АДФ. 1, 3-ди­фосфоглицерат — богатое энергией соединение, оно используется для обра­зования АТФ (первое гликолитическое фосфолирование) на уровне субстрата. Реакция катализируется фосфоглицераткиназой по уравнению

J

OPOjHj фосфоглтератхняам

НС—ОН г ~ Н—С—ОН

| адф атф j

Н ₂с— OPOJHj HjC— OPOjH J

Ц-днфосфоглииерат }-фосфогляиер*т

Реакция экзертоническая, сопровождается значительным падением свободной энергии, и поэтому равновесие ее сдвинуто вправо. Благодаря фосфо- глнцераткиназе быстро используется 1, 3-дифосфо" глицерат, что благоприятст­вует течению предыдущей реакции — окисления глицеральдегид-3-фосфата. При избытке продукта 3-фосфоглицерата фосфоглицераткиназная реакция обратима.

8. Изомеризация 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат. Эта реакция, при которой фосфатная группа из положения 3 переносится в положение 2, катализируется фосфоглицерат-фосфомутазой:

соон соон

I „„ж......,.. I

НС—ОН ''" -" •' НС—OPOjH,

I Mg»⁺ I

HjC—0P0jHs H₂(i—он

I 3-фосфо-гди г фосфо-шк-

Реакция обратима, протекает с небольшим падением свободной энергии и требует ионов Mg²⁺.

Кофактором этого фермента является 2, 3-дифосфоглицерат, который сначала дефосфорилируется, превращаясь в 2-фосфоглицерат, а затем восполняется за счет фосфорилирования 3-фосфоглицерата:

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата.

Эта реакция, в ходе которой образуется богатая энергией связь, катали­зируется енолазой (еноилгидратазой) по уравнению

соон соон

I енонлгкдратиа |

H—С—ОР0₃Н₂ * * С—O-POjHJ

Н, С—ОН, Н_аО CH₂

3-фосфоглицер»т фосфоенолпирумт

Реакция протекает с небольшим изменением свободной энергии и потому обратима.

10. Перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувата на АДФ(второе гликолитическое фосфорилированиё). Высокоэнергетическое соединение — фос- фоеиолпируват используется на этой стадии для образования АТФ на уровне

в—271

субстрата. Реакция катализируется пируваткиназой и протекает с участием ионов Mg²⁺ по уравнению

соон

| лируват*ии«м

С—О—POJHj- ^{1 1} ^ " s.

II f М«»⁺Х

гн. ' V.

Реакция нроЛрятнма в физиологических условиях, так как протекает с боль­шим падением свободной энергии. Пируваткиназа угнетается продуктами реакции — АТФ и пируватом — по механизму обратной связи. Кроме того, фермент инактивируется при связывании с ионами Са²⁺. Активируется фермент фруктозо-1, 6-бисфосфатом, неорганическим фосфатом и однова­лентными катионами К⁺, Na⁺, Pb⁺, Cs⁺, NHJ. Особенно сильным физиологическим активатором реакции являются ионы К⁺.

Пируваткиназа состоит из четырех субъединиц (молекулярная масса фермента около 240 000). Были выделены два изофермента пнруваткиназы; М (мышечная форма) и L (печеночная форма), различающиеся по чувст­вительности к регуляторам — АТФ и фруктозо-1, 6-бисфосфату. В печеня эмбриона присутствует М-форма изофермента, которая заменяется на взрос­лую L-форму.

11. Восстановление пирувата до лактата. Эта реакция катализируется заключительным ферментом гликолиза — лактатдегидрогенаэой по уравне­нию

соон соон

I лаггатлегилрогвнам 1

С=0» н—с—он

I ^ ₊!

Лактатдегидрогеназная реакция обратима; равновесие ее смешено в сторону образования лактата из-за большого отрицательного значения свободной энергии. В тканях человека и животных имеется пять иэоферментов лактатдегидрогеназы, состав которых определяется особенностями окисли­тельного метаболизма тканей. Изоферменты ЛДГ₄, ЛДГ_Б (М-типы ЛДГ) работают эффективно в анаэробных условиях; ЛДГ,, ЛДГ_г (Н-типы ЛДГ) — в аэробных, когда пируват быстро окисляется, а не восстанавливается в лактат.

В результате гликолитнческого процесса из глюкозы образуется лактат. Лактат является «тупиком» в обмене веществ, поскольку не вступает ни в один биохимический процесс, кроме обратного превращения в пируват. При накоплении лактата в клетках может нарушаться рН внутриклеточной среды и останавливаться гликолиз, поэтому лактат удаляется из клеток как метаболический «шлак». Однако в некоторых органах, например в сердце, он окисляется и используется как энергетическое вещество. 226

Энергетический баланс и биологическая фувкция гликолиза

Гликолиз можно рассматривать как внутренний окислительно-восстанови­тельный процесс, в котором происходит образование двух молекул НАД • Н₂ на стадии дегидрирования глицеральдегид-3-фосфата, а акцептируется во­дород двумя молекулами пирувата с образованием лактата. Суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:

Глюкоза + 2H_sP0₄ + 2 АДФ -2 Лактат + 2 АТФ + Н₂0

На стадиях фосфорилирования глюкозы и фруктозы (стадии 1 и 3) расходуется две молекулы АТФ. Если принять во внимание, что весь дигидро- ксиацетонфосфат (на 5-й стадии) переходит в глииеральдегид-3-фосфат, т. е. дает наряду с имеющейся вторую молекулу глицеральдегйд-3-фосфата, то далее фактически происходит последовательное превращение двух молекул этой фосфотрнозы. Поэтому на двух стадиях гликолитического фосфорили­рования, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткнназой, образу­ется по две молекулы АТФ. Итого, чистый выход АТФ составляет две моле­кулы на молекулу расщепленной глюкозы. Такова энергетическая ценность гликолиза.

Из данных по изменению свободной энергии можно рассчитать примерную эффективность гликолиза. Расщепление глюкозы до двух молекул лактата сопровождается освобождением примерно 195 кДж/моль, а для образо­вания двух молекул АТФ из АДФ.и Н₃Р0₄ требуется затрата в физиологи­ческих-условиях около 90— 100 кДж/моль. Следовательно, эффективность гликолиза составляет около 50%. ⁴

Таким образом, гликолиз представляет собой практически необратимый процесс, который полностью Смещен в сторону образования лактата. «Узкими» местами гликолиза, лимитирующими скорость всего процесса распада глюко­зы, служат три ферментных звена: гексокиназа, фосфофруктокиназа и пи- руваткиназа, катализирующих необратимые реакции. Эти ферменты являются своеобразными водителями ритма гликолиза. Воздействуя на них, ^ожно регулировать скорость всего поли ферментного процесса. Кстати, эти ферменты активируются неорганическим фосфатом или. АДФ и тормозятся продуктом гликолиза'— АТФ. Очевидно, чем больше расход АТФ в клетке, тем актив- яее гликолиз н наоборот. Несмотря на то что гликолиз дает малый вало­вый выход энергии (всего 2 АТФ на 1 моль глюкозы), это единственный процесс в клетках организма, продуцирующий энергию в отсутствие кислоро­да.-Этим и обусловлена его биологическая роль. При кризисных ситуациях в организме, когда по тем или иным причинам нарушено поступление или потребление кислорода, гликолиз является единственным средством скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток. Поэтому при гипоксии (кислородное голодание тканей) гликолиз играет важную энергетическую роль. Он протекает во всех клетках и тканях; его возмож­ности таковы, что они обычно • превышают потребности в расщеплении углеводов, т. с. ферменты гликолиза в.клетках находятся в избытке. В эритро­цитах, где отсутствуют митохондрии, гликолиз вообще единственный процесс, продуцирующий АТФ и поддерживающий их целостность и функции.

2. Ра: лад гликогена (гликогенолиз)

Другие углеводы (полисахариды и моносахариды) в ходе распада подключа­ются к одному из этапов гликолиза и далее превращаются до лактата уже известными ферментами. Запасным углеводом в тканях млекопитающих явля­ется гликоген, при распаде которого извлекается энергия. Процесс его распа­да называется гликогенолиэом. Распад гликогена происходит путем фосфоро- лиза и гидролиза:

Гликоген

| (+h*Jpo₄) ДоГ |

Глюкоэо-1-фосфат Глюкоза

К

Глюкоэо—6 -фосфат

Для каждого из этих процессов имеются свои ферменты. Фосфоролиз гликогена осуществляется с помощью гликогенфосфорилаз и вспомогатель­ного фермента этого процесса олиго-\, 6-гликозидазы. Гликогекфосфорнлаза, или просто фосфорилаза, существует в двух формах — А и В. Фосфорилаза А более активна, чем фосфорилаза В. Отличаются они друг от друга тем, что фосфорилаза А—тетрамер (молекулярная масса 360 000), а фосфорилаза В — димер (молекулярная масса 180 000). В состав фосфорнлаз входит пири- - доксальфосфат, стабилизирующий молекулы ферментов. Для фосфорилаз обя­зателен сложный процесс активирования, который состоит в присоединении фосфатных групп к субъединицам фосфорилазы по схеме

Фосфорилаза В+4 АТФ ^{А|СТКВЯ}*^Я frocfoP" " " В фосфорилаза А + 4 АДФ

Этот процесс протекает необратимо и катализируется активной киназой фос­форилазы В. Последняя активируется цАМФ-зависнмой протеинкинаэой. В целом имеет место каскадный механизм активирования (рис. 39).

Активная фосфорилаза А, содержащаяся в гиалоплазме вместе с грану-¹ лами гликогена, отщепляет от полисахарида остатки глюкозы, вызывая фос­форолиз а-1, 4-гликозидных связей в линейных цепях гликогена. Поскольку фосфорилаза не действует на а-1, 6-гликозидные связи (участки разветвле­ния) гликогена, то образуются остаточный декстрин и глюкозо-1 -фосфат. По­могает расщеплять гликоген олиго-1, 6-глюкозидаза, которая «устраняет» участки ветвления полисахарида, разрывая 1, 6-свнзи, и облегчает дальнейшее действие глнкогенфосфорилазы.

Гидролиз гликогена, его называют также амилолизом, происходит с учас­тием а-амилазы и у-амилазы (а-глюкозидаза). Действие а-амилазы такое же,

Рис. 39. Механизм активирования фосфор ил азы В (по Са- зерленду)

как и пищеварительных амилаз, у-Амилазы бывают кислые (локализованы в лизосомах) и нейтральные (локализованы в гиалоплазме и микросомах). Гликоген расщепляется а-амилазой на олигосахариды (преимущественно мальтозу); у-амилазы отцепляют концевые-остатки глюкозы, связанные в по­лисахариде как а-Г, 4-, так и в-1, 6-глнкозндными связями. В результате глико­ген может полностью гидролизоваться до свободной глюкозы.

Вовлечение продуктов гликогенолиза в гликолиз происходит следующим образом. Глюкозо-1-фосфат превращается с помощью фосфвглюкомутазы в глюкозо-б-фосфат, который распадается далее до лактата обычным путем. Кофактором фосфоглюкомутазы является глюкозо-1, 6-диосфат, который вы­полняет те же функции, что 2, 3-дифосфоглнцерат в реакции, катализируемой фосфоглнцератмутазой.

Гидролитический распад гликогена обычно происходит в печени. Он ис­пользуется для быстрой мобилизации гликогена с целью поступления глю­козы в крбвь и вовлечения ее в гликолиз внёпечеиочных тканей.

3. Распад других моносахаридов Фруктоза, манноза, галактоза вовлекаются в гликолиз следующим образом. D-фруктоза и D-манноза фосфор или р уются с помощью неспецифнческой гексо- кнназы с образованием соответственно фруктозо-6-фосфата и маниозо-6-фос- фата. Фруктозо-6-фосфат является метаболитом гликолиза. Маннозо-6-фос- фат изомернзуется фосфоманнозоизомеразой во фруктозо-6-фосфат.

Имеется и другой путь включения фруктбзы в гликолиз. Она фосфорн- £ лируется с помощью фруктокиназы печени с образованием фруктозо-1-фосфа- та, который далее расщепляется фруктозо-1-фосфат-альдолазой на д'игид- роксиацетонфосфат и глицеральдегнд. -.

Галактоза сначала также фосфор и лируется в печени с помощью галак- токиназы:»

D-Галактоза + АТФ—*-0-Галактозо-1 -фосфат + АДФ

Далее галактозо-1-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат. Для этой реак­ции изомеризации необходимы уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) и фермент галактозо-1-фосфат-уридилтрансфероза:

)-1-фосфат + УДФ-глюкоза—

Глюкозо-1 -фосфат подключается к гликолизу уже известным путем, а УДФ- галактоза превращается в УДФ-глюкозу с помощью УЛФ-глюкозоэпимеразы.

4. Спиртовое брожение

Этот путь сбраживания углеводов отличается от гликолиза на стадии даль­нейшего превращения пирувата:

Глюкоза

L

Ацетальдегид

-над-и+н* •-над + Этанол •

Спиртовое брожение характерно для дрожжей и некоторых микроорганизмов. В тканях человека вместо пируватдекарбоксилазы имеется пируватдегидро- геназный комплекс, окисляющий пируват до ацетил-КоА, а не декарбокснли- рующий его до ацетальдегид а, как пируватдекарбоксилаза дрожжей. Поэто­му в тканях животных и человека этанол может образоваться только как по­бочный продукт (эндогенный этанол). Алкогольдегидрогеназа, имеющаяся в тканях человека (особенно в печени), окисляет этанол до ацетальдегида (другие спирты с меньшей скоростью тоже окисляются до альдегидов), кото­рый вовлекается в обмен с помощью альдегиддегидрогеназы:

Ацетальдегид

и ад ь+h нал'

Ацетат включается в цикл Кребса после активирования:

Апетнл ~ SKoA + АМФ+ Н₄Р, 0,

5. Переключение анаэробного гликолиза на аэробный

В физиологических условиях ткани организма снабжаются кислородом, поэто­му гликолиз является лишь необходимым начальным звеном превращения углеводов. Только в так называемых быстрых («белых») скелетных мышцах, способных к кратковременной интенсивной работе, например при беге на спринтерские дистанции, гликолиз является главным источником энергии для их сокращения. Возможны две ситуации, при которых гликолиз переключа­ется на аэробный путь превращения. Первая связана с предварительным анаэробным распадом углеводов н накоплением лактата. Такая ситуация воз­никает при кратковременном кислородном голодании отдельных органов или всего организма или при интенсивной работе тех же скелетных мышц, после чего возобновляется нормальное снабжение кислородом н продукт броже­ния — лактат — сгорает до С0₂ и Н₂0. Превращение лактата в пируват воз­можно, если происходит одновременное окисление НАД • Н₂.

Второй вариант переключения наблюдается в тканях с активным снабже­нием их кислородом. В этом случае образующийся в гликолизе пируват почти не восстанавливается в лактат, а сразу поступает в митохондрии, где окис­ляется с участием кислорода. Наиболее важным при аэробном пути превра­щения углеводов является окисление гликолитнческого НАД • Н₂ кислородом, а не использование его в реакции восстановления пирувата.

Окисление внемнтохондряального НАД • Н₂

НАД • Н₂, образующийся в цитоплазме, например при распаде углеводов, не проникает через мембрану митохондрий и поэтому не может непосредственно использоваться для окисления кислородом и образования энергии. Транспорт водорода между внемитохондриальным и внутримнтохондриальным простран­ствами осуществляется с помощью так" называемых челночных систем. -Схема их работы показана на рис. 40. Существует несколько таких систем «со­бирания» водорода цитоплазмы и переноса его в виде метаболитов через внутреннюю мембрану митохондрий. Наиболее важным из них является малатаспартатный челночный цикл (рнс. 40, /). Он функционирует следую­щим образом. Водород НАД• Н₂ цитоплазмы «собирается» оксалоацетатЬм, который восстанавливается в малат с помощью изоферментов малатдегид- рогеназы цитоплазмы. Малат является восстановительным.эквивалентом НАД-Н*

Малат проникает через митохондриальную мембрану с помощью пере­носчика, обмениваясь с 2-оксоглутаратом, который выходит из митохондрий в цитоплазму, т.е. наблюдается антипорт малата и 2-оксоглутарата. В мито­хондриях малат отдает водород внутримитохондриальному НАД⁺ с помощью малатдегидрогеназы. Образовавшийся оксалоацетат не проникает через мемб­рану митохондрий. Его транспОртной формой ^является аспартат, который образуется в митохондриях при переаминнровании оксалоацетата с глута- матом. Аспартат путем антипорта с глутаматом переходит в цитоплазму, где превращается в оксалоацетат, и цикл замыкается. В результате челночных перемещений метаболитов этого цикла за'один такт переносится Пара атомов водорода нз цитоплазмы в митохондрии. В принципе возможен и обратный

Рис. 40 Схема окисления ввемитохондриальиого НАД • Н с помошыо «челночных»

ход этого челночного цикла — с переносом водорода из митохондрий в цито­плазму.

Возможен перенос водорода НАД • Н₂ цитоплазмы в митохондрии в составе лактата — лактатный челночный цикл (рис. 40, //). Этот путь окис­ления внем ито хонд риал ьного НАД - Нг активен в сердце. Малат-аспартат- ный и лактатный механизмы транспорта водорода позволяют использовать цитоплазм этический НАД-Н₂ для образования энергии в дыхательной цепи.

Третий путь транспорта водорода назван глицерофосфатным челночным циклом (рис. 40, III). Он активно функционирует в летательных мышцах насе­комых. В клетках человека и животных этот цикл доставки внемитохондрналь- ного водорода внутрь митохондрий мало активен. К тому же ФАД • Н₂, обра­зующийся в митохондриях при дегидрировании а-глицеролфосфата с помощью ФАД-зависимой а-глицеролфосфатдегидрогеназы, используется не для образования энергии в дыхательной цепи, а окисляется путем свободного окисления. Освобождающаяся тепловая энергия позволяет избежать наступ­ления равыоёесия реакций а-глнцерофосфатного челночного цикла и создает тем самым условия для его непрерывной работы.

ГлицерофосфатныЙ цикл является невыгодным каналом поступления инемитохондрнального водорода, так как не ведет к образованию АТФ в ды­хательной цепи. Он оказывается полезным, если требуется теплота, например, для терморегуляции организма. Поэтому глицерофосфатный цикл называют «калоригенным», т.е. продуцирующим теплоту. '

Энергетическая ценность аэробного превращения углеводов

Выход энергии при аэробном пре­вращении составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу расщеплен­ной глюкозы (рис. 41) в том слу­чае, если водород НАД ♦ Н_г цито­плазмы доставляется к дыхатель­ной цепи с помощью малат-аспар- татного цикла (или, возможно, лактатного). Если водород НАД • Н₂ переносится глицеро- фосфатным циклом, то энергия шести молекул АТФ теряется в виде теплоты, и чистый выход энергии составляет 32 молекулы АТФ на 1 молекулу расщепленной глюкозы.

Гликолиз дает две молекулы АТФ, а аэробный распад 38 (или 32) молекул. Это доказывает, на­сколько ценнее для энергетики клетки аэробный гликолиз. Чтобы произвести столько же энергии анаэробным путем, нужно потра­тить в 19 (или 16) раз больше глю­козы', чем в присутствии кислоро­да. Да к тому же образуется метаболический «шлак» —лактат.

Эффективность аэробного распада глюкозы можно рассчитать так. При полном окислении глюкозы до СО_г и Н₂0 освобождается 2861 кДж/моль. В физиологических условиях для образования-АТФ требуется 45—50 кДж/моль. Следовательно, для образования 38 (32) молей АТФ при аэробном распаде глюкозы требуется 19 000 (16 000) хДж энергии, т.е. энергетическая эффек­тивность аэробного гликолиза составляет

19000(16 000) • 100%
дыханием гликолиза, т. е. в присутствии кислорода прекращается брожение углеводов. Механизм пастеровского эффекта (несмотря на открытие егс в 1876 г.) еще неясен. Его объясняют наличием конкуренции между дыханием и гликолизом за неорганический фосфат (Ф„> и АДФ. Дыхание приводит к снижению Ф_и и АДФ — необходимых субстратов и активаторов ферменте» гликолиза, и повышает содержание АТФ. АТФ как аллостерическнй эффектор фосфофруктокиназы угнетает ее, что приводит к накоплению глюкозо-6-фос- фата из фрухтозо-6-фосфата.

Глюкозо-6-фосфат инактивирует гексокиназу, что прекращает усвоение глюкозы в клетках.

Эффект Кребтри, или обратный пастеровский эффект, состоит в тормо­жении дыхания избытком глюкозы. Правда, сначала он был показан для опухолевых клеток, а затем н для некоторых нормальных клеток. Механизм эффекта Кребтри, очевидно, тоже связан с конкуренцией за Ф„ н АДФ. Избы­ток глюкозы, которая является своего рода «ловушкой» для фосфата, приво­дит к повышению АДФ в цитоплазме и позволяет гликолитическим фермен­там'более эффективно конкурировать за АДФ с дыханием.

В опухолях координация дыхания и гликолиза нарушена. В них оба про­цесса разобщены: ^ктивеи и гликолиз, ведущий к образованию лактата, и дыхание.