Durante la glicolisi da 1 molecola di glucosio. Glicolisi del glucosio e rilascio di energia

Glucosio + 2 ADP + 2 NAD + + 2 H 3 PO 4  2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +

Meccanismi a navetta.

Il trasferimento dell'idrogeno dal NADH citosolico ai mitocondri avviene con la partecipazione di meccanismi speciali chiamati navetta L'essenza di questi meccanismi è che il NADH nel citosol ripristina un certo composto che può penetrare nel mitocondrio; nei mitocondri, questo composto viene ossidato, riducendo il NAD + intramitocondriale, e passa nuovamente nel citosol. Il sistema malato-aspartato più attivo, che opera nei mitocondri del fegato, dei reni e del cuore. Per ogni coppia di elettroni del NADH citosolico trasferiti all'ossigeno attraverso questo sistema, si formano 3 molecole di ATP.

Nei muscoli scheletrici e nel cervello, il trasferimento degli equivalenti riducenti dal NADH citosolico viene effettuato dal sistema del glicerolo fosfato. In questo caso, gli equivalenti riducenti vengono trasferiti alla catena di trasporto degli elettroni attraverso il complesso II, e quindi vengono sintetizzate solo 2 molecole di ATP.

Resa di ATP durante la glicolisi aerobica.

Il principale significato fisiologico della degradazione aerobica del glucosio è l'utilizzo della sua energia per la sintesi dell'ATP.

Il cervello dipende maggiormente dalla glicolisi aerobica. Usa 100 g di glucosio al giorno. Nello stato metabolico basale, circa il 20% dell’ossigeno viene consumato dal cervello. Pertanto, la mancanza di glucosio o ossigeno si manifesta principalmente con sintomi del sistema nervoso centrale: vertigini, perdita di coscienza, convulsioni.

Glicolisi anaerobica.

In condizioni aerobiche, il prodotto della glicolisi nei tessuti è il piruvato e il NADH formato durante l'ossidazione viene riossidato dall'ossigeno molecolare. In condizioni anaerobiche, cioè quando manca ossigeno nei tessuti, ad esempio nei muscoli scheletrici che lavorano molto, il NADH formatosi viene riossidato non dall'ossigeno, ma dal piruvato, che viene ridotto in lattato (acido lattico). La riduzione del piruvato a lattato è catalizzata dall'isoenzima lattato deidrogenasi.

La lattato deidrogenasi è un tetramero contenente due tipi di protomeri: M (muscolo) e H (cuore). Sono noti 5 isoenzimi che differiscono nell'insieme dei protomeri.

Forme isomeriche di LDH 1 e LDH 2 si trovano nel cervello, nel cuore e nella corteccia renale, cioè nei tessuti con un intenso apporto di ossigeno. La forma di LDH 3 è nel pancreas, LDH 4 e LDH 5 nei muscoli scheletrici, nel fegato, nel midollo renale, cioè nel midollo renale. nei tessuti con un apporto di ossigeno meno intenso. Tutte queste forme di enzimi differiscono significativamente nella velocità di reazione massima e nella costante di Michaelis per il lattato e il piruvato. LDH 5 catalizza rapidamente la riduzione del piruvato a lattato a basse concentrazioni di lattato. LDH 1 catalizza la rapida ossidazione del lattato in piruvato nel muscolo cardiaco.

La glicolisi (dal greco glucus - dolce e lisi - dissoluzione, decadimento) è un complesso processo enzimatico di conversione del glucosio che avviene nei tessuti umani e animali senza consumo di ossigeno. Il prodotto finale della glicolisi è l'acido lattico. Il processo di glicolisi produce anche ATP. È possibile rappresentare l'equazione complessiva della glicolisi come segue:

In condizioni anaerobiche, la glicolisi - unico processo nel corpo animale, fornendo energia. È grazie al processo di glicolisi che il corpo umano e animale certo periodo il tempo può svolgere una serie di funzioni fisiologiche in condizioni di carenza di ossigeno. Nei casi in cui la glicolisi avviene in presenza di ossigeno, si parla di glicolisi aerobica. ( In condizioni aerobiche, la glicolisi può essere considerata il primo stadio dell'ossidazione del glucosio nei prodotti finali di questo processo: anidride carbonica e acqua.)

Il termine “glicolisi” fu usato per la prima volta da Lepine nel 1890 per designare il processo di perdita di glucosio nel sangue rimosso dal sistema circolatorio, cioè in vitro.

In un certo numero di microrganismi, processi simili alla glicolisi sono vari tipi di fermentazione.

La sequenza delle reazioni glicolitiche, così come i loro prodotti intermedi, è ben studiata. Il processo di glicolisi è catalizzato da undici enzimi, la maggior parte dei quali sono isolati in forma omogenea, cristallina o altamente purificata e le cui proprietà sono state sufficientemente studiate. Si noti che la glicolisi avviene nello ialoplasma della cellula. Nella tabella La Figura 27 mostra i dati sulla velocità della glicolisi anaerobica in vari tessuti del ratto.

La prima reazione enzimatica della glicolisi è la fosforilazione, cioè il trasferimento di un residuo di ortofosfato al glucosio a spese dell'ATP. La reazione è catalizzata dall'enzima esochinasi:

La formazione di glucosio-6-fosfato nella reazione dell'esochinasi è associata al rilascio di una quantità significativa di energia libera del sistema e può essere considerata un processo praticamente irreversibile.

L'enzima esochinasi è in grado di catalizzare la fosforilazione non solo del D-glucosio, ma anche di altri esosi, in particolare del D-fruttosio, del D-mannosio, ecc.

La seconda reazione della glicolisi è la conversione del glucosio-6-fosfato sotto l'azione dell'enzima esoso fosfato isomerasi in fruttosio 6-fosfato:

Questa reazione procede facilmente in entrambe le direzioni e non richiede la presenza di alcun cofattore.

Nella terza reazione, il fruttosio-6-fosfato risultante viene nuovamente fosforilato da una seconda molecola di ATP. La reazione è catalizzata dall'enzima fosfofruttochinasi:

Questa reazione, simile all'esochinasi, è praticamente irreversibile, avviene in presenza di ioni magnesio ed è la reazione più lenta della glicolisi; In effetti, questa reazione determina la velocità della glicolisi nel suo insieme.

La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico. È inibito dall'ATP e stimolato dall'ADP e dall'AMP. ( Anche l'attività della fosfofruttochinasi è inibita dal citrato. È stato dimostrato che nel diabete, nel digiuno e in alcune altre condizioni, quando i grassi vengono utilizzati intensamente come fonte di energia, il contenuto di citrato nelle cellule dei tessuti può aumentare più volte. In queste condizioni si verifica una forte inibizione dell'attività della fosfofruttochinasi da parte del citrato.). A valori significativi del rapporto ATP/ADP (che si ottiene nel processo di fosforilazione ossidativa), l’attività della fosfofruttochinasi viene inibita e la glicolisi rallenta. Al contrario, quando questo coefficiente diminuisce, aumenta l'intensità della glicolisi. Pertanto, nel muscolo non funzionante, l'attività della fosfofruttochinasi è bassa e la concentrazione di ATP è relativamente alta. Durante il lavoro muscolare, si verifica un consumo intensivo di ATP e aumenta l'attività della fosfofruttochinasi, che porta ad un aumento del processo di glicolisi.

La quarta reazione della glicolisi è catalizzata dall'enzima aldolasi. Sotto l'influenza di questo enzima, il fruttosio-1,6-bifosfato viene suddiviso in due fosfotriosi:

Questa reazione è reversibile. A seconda della temperatura, l'equilibrio si stabilisce a diversi livelli. In generale, all'aumentare della temperatura, la reazione si sposta verso una maggiore formazione di triosi fosfati (diossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato).

La quinta reazione è la reazione di isomerizzazione dei triosi fosfati. Questa reazione è catalizzata dall'enzima triosefosfato isomerasi:

L'equilibrio di questa reazione dell'isomerasi è spostato verso il diidrossiacetone fosfato: 95% diidrossiacetone fosfato e circa 5% gliceraldeide-3-fosfato. Tuttavia, solo uno dei due triosi fosfati formati, vale a dire la gliceraldeide-3-fosfato, può essere direttamente coinvolto nelle successive reazioni glicolitiche. Di conseguenza, quando la forma aldeidica del fosfotrioso viene consumata, il diidrossiacetone fosfato viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato.

La formazione di gliceraldeide-3-fosfato completa la prima fase della glicolisi. La seconda fase è la più difficile e parte importante glicolisi. Comprende una reazione redox (ossidoriduzione glicolitica) accoppiata alla fosforilazione del substrato, durante la quale si forma ATP.

Nella sesta reazione, la gliceraldeide-3-fosfato in presenza dell'enzima gliceraldeide fosfato deidrogenasi ( 3-fosfogliceraldeide deidrogenasi), il coenzima NAD e il fosfato inorganico subiscono una peculiare ossidazione con formazione di acido 1,3-difosfoglicerico e la forma ridotta di NAD (NADH 2). Questa reazione è bloccata dallo iodio o dal bromoacetato e procede in più fasi. In totale, questa reazione può essere rappresentata come segue:

L'acido 1,3-difosfoglicerico è un composto ad alta energia. Il meccanismo d'azione della gliceraldeide-fosfato deidrogenasi è il seguente: in presenza di fosfato inorganico, il NAD agisce come un accettore di idrogeno, che viene scisso dalla gliceraldeide-3-fosfato. Durante la formazione di NADH 2, la gliceraldeide 3-fosfato si lega alla molecola dell'enzima grazie ai gruppi SH di quest'ultimo. Il legame risultante è ricco di energia, ma è fragile e si rompe sotto l'influenza del fosfato inorganico. Questo produce acido 1,3-difosfoglicerico.

La settima reazione, catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, trasferisce una porzione fosfato ricca di energia (il gruppo fosfato in posizione 1) all'ADP per formare ATP e acido 3-fosfoglicerico (3-fosfoglicerato):

Pertanto, a causa dell'azione di due enzimi (gliceraldeide fosfato deidrogenasi e fosfoglicerato chinasi), l'energia rilasciata durante l'ossidazione del gruppo aldeidico della gliceraldeide-3-fosfato nel gruppo carbossilico viene immagazzinata sotto forma di energia ATP.

Nell'ottava reazione avviene il trasferimento intramolecolare del restante gruppo fosfato e l'acido 3-fosfoglicerico viene convertito in acido 2-fosfoglicerico (2-fosfoglicerato).

La reazione è facilmente reversibile e avviene in presenza di ioni Mg 2+. Il cofattore dell'enzima è anche l'acido 2,3-difosfoglicerico, in modo simile a come nella reazione della fosfoglucomutasi il ruolo del cofattore è stato svolto dal glucosio-1,6-bifosfato:

Nella nona reazione l'acido 2-fosfoglicerico, in seguito all'eliminazione di una molecola d'acqua, viene convertito in acido fosfoenolpiruvico (fosfoenolpiruvato). In questo caso il legame fosfato in posizione 2 diventa altamente energetico. La reazione è catalizzata dall'enzima enolasi:

L'enolasi viene attivata dai cationi bivalenti Mg 2+ o Mn 2+ e inibita dal fluoro.

Nella decima reazione, il legame ad alta energia viene rotto e il residuo di fosfato viene trasferito dall'acido fosfoenolpiruvico all'ADP. Questa reazione è catalizzata dall'enzima piruvato chinasi:

L'azione della piruvato chinasi richiede Mg 2+ o Mn 2+, nonché cationi di metalli alcalini monovalenti (K + o altri). All'interno della cellula la reazione è praticamente irreversibile.

Nell'undicesima reazione si forma acido lattico a seguito della riduzione dell'acido piruvico. La reazione avviene con la partecipazione dell'enzima lattato deidrogenasi e del coenzima NADH 2+:

In generale, la sequenza delle reazioni che si verificano durante la glicolisi può essere presentata come segue (Fig. 84).

La reazione di riduzione del piruvato completa il ciclo redox interno della glicolisi. In questo caso, il NAD svolge solo il ruolo di trasportatore intermedio di idrogeno dalla gliceraldeide-3-fosfato (sesta reazione) all'acido piruvico (undicesima reazione). La reazione di ossidoriduzione glicolitica è rappresentata schematicamente di seguito e sono anche indicate le fasi in cui si forma l'ATP (Fig. 85).

L'importanza biologica del processo di glicolisi risiede principalmente nella formazione di composti di fosforo ricchi di energia. La prima fase della glicolisi consuma due molecole di ATP (reazioni di esochinasi e fosfofruttochinasi). Nella seconda fase si formano quattro molecole di ATP (reazioni della fosfoglicerato chinasi e della piruvato chinasi).

Pertanto, l'efficienza energetica della glicolisi è di due molecole di ATP per molecola di glucosio.

È noto che la variazione di energia libera durante la scissione del glucosio in due molecole di acido lattico è di circa 210 kJ/mol:

Di questa quantità di energia, circa 126 kJ vengono dissipati sotto forma di calore e 84 kJ vengono immagazzinati sotto forma di legami fosfatici dell'ATP ricchi di energia. Il legame terminale ad alta energia nella molecola di ATP corrisponde a circa 33,6-42,0 kJ/mol. Pertanto, l'efficienza della glicolisi anaerobica è circa 0,4.

L'entità dei cambiamenti di energia libera è stata determinata con precisione per le singole reazioni glicolitiche negli eritrociti umani intatti. È stato stabilito che otto reazioni della glicolisi sono vicine all'equilibrio e tre reazioni (esochinasi, fosfofruttochinasi, piruvato chinasi) ne sono lontane, poiché sono accompagnate da una significativa diminuzione dell'energia libera, ad es. sono praticamente irreversibili.

Come già notato, la principale reazione limitante la velocità nella glicolisi è la reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi. La seconda fase, che limita la velocità e regola la glicolisi, è la reazione dell'esochinasi. Inoltre, la glicolisi è controllata anche dalla lattato deidrogenasi (LDH) e dai suoi isoenzimi. Nei tessuti con metabolismo aerobico (tessuto cardiaco, reni, ecc.) predominano gli isoenzimi LDH 1 e LDH 2. Questi isoenzimi sono inibiti anche da piccole concentrazioni di piruvato, il che impedisce la formazione di acido lattico e promuove un'ossidazione più completa del piruvato (più precisamente dell'acetil-CoA) nel ciclo dell'acido tricarbossilico.

Nei tessuti umani che fanno molto affidamento sull'energia generata durante la glicolisi (ad esempio, il muscolo scheletrico), i principali isoenzimi sono LDH 5 e LDH 4 . L'attività di LDH 5 è massima a quelle concentrazioni di piruvato che inibiscono LDH 1. La predominanza degli isoenzimi LDH 4 e LDH 5 provoca un'intensa glicolisi anaerobica con rapida conversione del piruvato in acido lattico.

Inclusione di altri carboidrati nel processo di glicolisi

Effetto Pasteur

La diminuzione del tasso di consumo di glucosio e la cessazione dell’accumulo di lattato in presenza di ossigeno è chiamata effetto Pasteur. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta da L. Pasteur nel corso dei suoi noti studi sul ruolo della fermentazione nella produzione del vino. Successivamente è stato dimostrato che l'effetto Pasteur si osserva anche nei tessuti animali e vegetali, dove l'O 2 inibisce la glicolisi anaerobica. L'importanza dell'effetto Pasteur, cioè il passaggio in presenza di O 2 dalla glicolisi anaerobica o dalla fermentazione alla respirazione, è di convertire la cellula ad un modo più economico di ottenere energia. Di conseguenza, la velocità di consumo di un substrato, come il glucosio, in presenza di O 2 è ridotta. Il meccanismo molecolare dell'effetto Pasteur sembra essere la competizione tra il sistema respiratorio e quello glicolitico (fermentazione) per l'adenosina difosfato (ADP), che viene utilizzata per formare adenosina trifosfato (ATP). Come già sappiamo, in condizioni aerobiche, la rimozione di PhN e ADP, la generazione di ATP e la rimozione di NAD ridotto (NADH 2) avvengono in modo molto più efficiente che in condizioni anaerobiche. In altre parole, una diminuzione della quantità di Pn e ADP in presenza di ossigeno e un corrispondente aumento della quantità di ATP portano alla soppressione della glicolisi anaerobica.

Glicogenolisi

Il processo di degradazione anaerobica del glicogeno è chiamato glicogenolisi. Il coinvolgimento delle unità D-glucosio del glicogeno nel processo di glicolisi avviene con la partecipazione di tre enzimi: glicogeno fosforilasi (o fosforilasi “a”), amilo-1,6-glucosidasi e fosfoglucomutasi.

Il glucosio-6-fosfato formato durante la reazione della fosfoglucomutasi può essere incluso nel processo di glicolisi. Dopo la formazione del glucosio-6-fosfato, le ulteriori vie della glicolisi e della glicogenolisi sono completamente identiche:

Durante il processo di glicogenolisi, non due, ma tre molecole di ATP si accumulano sotto forma di composti ad alta energia (l'ATP non viene sprecato nella formazione di glucosio-6-fosfato). A prima vista, l’efficienza energetica della glicogenolisi può essere considerata leggermente superiore rispetto al processo di glicolisi. Tuttavia, bisogna tenere presente che nel processo di sintesi del glicogeno nei tessuti, viene consumato ATP, quindi, in termini energetici, la glicogenolisi e la glicolisi sono quasi equivalenti.

In questo articolo daremo uno sguardo dettagliato alla glicolisi aerobica, ai suoi processi e analizzeremo le fasi e le fasi. Facciamo conoscenza con l'anaerobico, conosciamo le modifiche evolutive di questo processo e ne determiniamo il significato biologico.

Cos'è la glicolisi

La glicolisi è una delle tre forme di ossidazione del glucosio, in cui il processo di ossidazione stesso è accompagnato dal rilascio di energia, che viene immagazzinata in NADH e ATP. Nel processo di glicolisi, una molecola viene convertita in due molecole di acido piruvico.

La glicolisi è un processo che avviene sotto l'influenza di vari catalizzatori biologici: enzimi. Il principale agente ossidante è l'ossigeno - O 2, tuttavia in sua assenza possono verificarsi processi di glicolisi. Questo tipo di glicolisi è chiamata glicolisi anaerobica.

Il processo di glicolisi in assenza di ossigeno

La glicolisi anaerobica è un processo graduale di ossidazione del glucosio, in cui il glucosio non è completamente ossidato. Si forma una molecola di acido piruvico. E da un punto di vista energetico, la glicolisi senza la partecipazione dell'ossigeno (anaerobica) è meno redditizia. Tuttavia, quando l'ossigeno entra nella cellula, il processo di ossidazione anaerobica può trasformarsi in aerobico e procedere nella sua forma completa.

Meccanismi della glicolisi

Il processo di glicolisi è la decomposizione del glucosio a sei atomi di carbonio in piruvato a tre atomi di carbonio sotto forma di due molecole. Il processo stesso è suddiviso in 5 fasi di preparazione e 5 fasi durante le quali l'energia viene immagazzinata nell'ATP.

Il processo di glicolisi di 2 fasi e 10 fasi è il seguente:

• Stadio 1, stadio 1: fosforilazione del glucosio. Al sesto atomo di carbonio del glucosio, il saccaride stesso viene attivato attraverso la fosforilazione.
• Fase 2: isomerizzazione del glucosio-6-fosfato. In questa fase, la fosfoglucosio imerasi converte cataliticamente il glucosio in fruttosio-6-fosfato.
• Fase 3 - Fruttosio-6-fosfato e sua fosforilazione. Questa fase comporta la formazione di fruttosio-1,6-bisfosfato (aldolasi) mediante l'azione della fosfofruttochinasi-1, che accompagna il gruppo fosforilico dall'adenosina trifosfato alla molecola di fruttosio.
• La fase 4 è il processo di scissione dell'aldolasi per formare due molecole di trioso fosfato, vale a dire eldosio e chetosio.
• Fase 5: triosofosfati e loro isomerizzazione. In questa fase, la gliceraldeide-3-fosfato viene inviata alle fasi successive della degradazione del glucosio e il diidrossiacetone fosfato viene convertito nella forma di gliceraldeide-3-fosfato sotto l'influenza di un enzima.
• Fase 2, fase 6 (1) - Gliceraldeide-3-fosfato e sua ossidazione - una fase in cui questa molecola viene ossidata e fosforilata in difosfoglicerato-1,3.
• Fase 7 (2) - ha lo scopo di trasferire il gruppo fosfato all'ADP dall'1,3-difosfoglicerato. I prodotti finali di questa fase sono la formazione di 3-fosfoglicerato e ATP.
• Stadio 8 (3) - transizione dal 3-fosfoglicerato al 2-fosfoglicerato. Questo processo avviene sotto l'influenza dell'enzima fosfoglicerato mutasi. Condizione richiesta il verificarsi di una reazione chimica è la presenza di magnesio (Mg).
• Passaggio 9 (4) - 2 fosfoglicerto è disidratato.
• Fase 10 (5): i fosfati ottenuti come risultato delle fasi precedenti vengono trasferiti ad ADP e PEP. L'energia viene trasferita dal fosfoenulpirovato all'ADP. Perché la reazione avvenga è necessaria la presenza di ioni potassio (K) e magnesio (Mg).

Forme modificate di glicolisi

Il processo di glicolisi può essere accompagnato dalla produzione aggiuntiva di 1,3 e 2,3-bifosfoglicerati. Il 2,3-fosfoglicerato, sotto l'influenza di catalizzatori biologici, è in grado di ritornare alla glicolisi e trasformarsi sotto forma di 3-fosfoglicerato. Il ruolo di questi enzimi è vario, ad esempio il 2,3-bifosfoglicerato, essendo presente nell'emoglobina, provoca il passaggio dell'ossigeno nei tessuti, favorendo la dissociazione e riducendo l'affinità dell'O 2 e dei globuli rossi.

Molti batteri modificano le forme della glicolisi in vari stadi, riducendole quantità totale o modificandoli sotto l'influenza di diversi enzimi. Una piccola percentuale di anaerobi ha altri metodi di decomposizione dei carboidrati. Molti termofili hanno solo 2 enzimi glicolitici, enolasi e piruvato chinasi.

Glicogeno e amido, disaccaridi e altri tipi di monosaccaridi

La glicolisi aerobica è un processo caratteristico anche di altri tipi di carboidrati, e in particolare è inerente all'amido, al glicogeno e alla maggior parte dei disaccaridi (manosio, galattosio, fruttosio, saccarosio e altri). Le funzioni di tutti i tipi di carboidrati sono generalmente finalizzate all'ottenimento di energia, ma possono differire nelle specifiche del loro scopo, utilizzo, ecc. Ad esempio, il glicogeno è suscettibile alla glicogenesi, che è essenzialmente un meccanismo fosfolitico volto a ottenere energia dalla degradazione di glicogeno. Il glicogeno stesso può essere immagazzinato nel corpo come fonte di riserva di energia. Ad esempio, il glucosio ricevuto durante un pasto, ma non assorbito dal cervello, si accumula nel fegato e verrà utilizzato quando c'è carenza di glucosio nell'organismo per proteggere l'individuo da gravi disturbi dell'omeostasi.

L'importanza della glicolisi

La glicolisi è un tipo unico, ma non l'unico, di ossidazione del glucosio nel corpo, nella cellula sia dei procarioti che degli eucarioti. Gli enzimi glicolitici sono solubili in acqua. La reazione di glicolisi in alcuni tessuti e cellule può avvenire solo in questo modo, ad esempio nelle cellule nefronali del cervello e del fegato. In questi organi non vengono utilizzati altri metodi di ossidazione del glucosio. Tuttavia, le funzioni della glicolisi non sono le stesse ovunque. Ad esempio, il tessuto adiposo e il fegato, durante il processo di digestione, estraggono dal glucosio i substrati necessari per la sintesi dei grassi. Molte piante utilizzano la glicolisi come mezzo per ottenere la maggior parte della loro energia.

Decomposizione del glucosio (ossidazione): va in 2 modi: 2/3 del glucosio vengono ossidati dalla via glicolitica. 1/3 del glucosio viene ossidato attraverso la via del pentoso fosfato - mostrare su pellicola.

Via glicolitica dell'ossidazione del glucosio (glicolisi). Inizialmente il termine “glicolisi” indicava solo la fermentazione anaerobica, che terminava con la formazione di lattato o etanolo e CO2. Il termine glicolisi è ora utilizzato in modo più ampio per descrivere la scomposizione del glucosio attraverso la formazione di glucosio-6-fosfato, fruttosio-1,6-bifosfato e piruvato, sia in assenza che in presenza di ossigeno. In quest’ultimo caso si usa il termine “glicolisi aerobica” in contrapposizione a “glicolisi anaerobica”, che termina con la formazione di lattato.

Nella glicolisi anaerobica, 1 molecola di glucosio produce 2 molecole di lattato e 2 ATP. Durante la glicolisi aerobica, da 1 molecola di glucosio si formano 36 o 38 ATP, vengono rilasciati 6 CO2 e 6 H2O. Il ciclo del pentoso fosfato avviene in condizioni anaerobiche come risultato di questo processo vengono rilasciati 6CO2 e 12NADPH2; NADPH2 è richiesto per la sintesi riduttiva.

Glicolisi anaerobica, o via del fosfotrioso, o shunt di Embden-Meyerhof include 10 reazioni. L'ossidazione graduale del glucosio crea l'opportunità non solo di superare la soglia energetica di attivazione delle singole reazioni a temperature ordinarie, ma anche di utilizzare razionalmente l'energia che viene rilasciata qui non sotto forma di esplosione, ma passo dopo passo, in porzioni separate . La respirazione dell'ossigeno è nata sulla base della glicolisi. La glicolisi è l'antico sforzo della natura per sfruttare l'energia - gli studenti scrivono le reazioni separatamente utilizzando formule e una spiegazione delle reazioni nel testo della lezione (come il TsTK).

1 reazione: il glucosio viene fosforilato dall'enzima glucochinasi (nel fegato) o esochinasi (in altri tessuti)

reazione 2 – il glucosio-6-fosfato si isomerizza in fruttosio-6-fosfato sotto l'azione della fosfoesoisomerasi; questo enzima agisce su una molecola con configurazione lineare aperta

Reazione 3 - il fruttosio 6-fosfato viene fosforilato in modo irreversibile in fruttosio 1,6-difosfato dalla fosfofruttochinasi, che agisce anche sulla molecola a configurazione aperta

Reazione 4 – il fruttosio-1,6-bifosfato viene scisso dall'aldolasi in 2 fosfotriosi – PHA e DOAP, la reazione è reversibile

DOAP può partecipare alla sintesi di TAG e PL, essendo ridotto a glicerofosfato, è coinvolto anche nel meccanismo di navetta del glicerofosfato, ma la maggior parte va a formare PHA;

Reazione 5 – Il PHA viene ossidato con la partecipazione di NAD e fosforilato. In questo caso, l'energia di ossidazione viene trasformata nel legame ad alta energia dell'1,3 difosfoglicerato.

Reazione 6 - L'1,3-difosfoglicerato reagisce con l'ADP, gli fornisce un residuo di acido fosforico e viene rilasciato ATP. Ecco come avviene la fosforilazione del substrato e si forma il 3-fosfoglicerato, la reazione viene accelerata dalla fosfoglicerato chinasi

Reazione 7 - sotto l'influenza della fosfogliceromutasi, il residuo di acido fosforico viene trasferito da C3 a C2 e si forma 2-fosfoglicerato

Reazione 8 – Il 2-fosfoglicerato viene disidratato dall'enolasi. In questo caso, a causa dell'ORR intramolecolare, l'energia viene accumulata sotto forma di un legame ad alta energia nel fosfoenolpiruvato. L'enolasi è inibita dagli ioni fluoruro; questo viene utilizzato nei casi in cui è necessario interrompere la glicolisi, ad esempio, prima di determinare il livello di glucosio nel sangue. L'enolasi richiede ioni magnesio e manganese:

Reazione 9 – La PEP trasferisce il residuo di acido fosforico all'ADP, che produce enolpiruvato e rilascia ATP, e si verifica nuovamente la fosforilazione del substrato. La reazione è accelerata dalla piruvato chinasi. L'enolpiruvato si converte spontaneamente in PVC.

Reazione 10 - Il PVK in condizioni anaerobiche viene ridotto ad acido lattico (lattato)

Bilancio energetico dell'ossidazione glicolitica anaerobica del glucosio

Se il processo di glicolisi inizia con il glucosio, 2 molecole di ATP vengono spese per la formazione di fruttosio-6-fosfato e fruttosio-1,6-difosfato. Poiché a seguito della glicolisi si forma 4 ATP forma pura 2 ATP viene immagazzinato. Se il processo di glicolisi inizia con il glucosio-6-fosfato formato durante la degradazione del glicogeno, 1 ATP viene speso per formare fruttosio-1,6-bifosfato, quindi vengono rilasciati 3 ATP.

L'importanza della glicolisi

1. Nel feto e nei primi mesi di vita predomina la degradazione anaerobica (ossidazione) del glucosio. Pertanto, i livelli di lattato nei neonati sono più alti che negli adulti.

2. In alcuni tessuti, la glicolisi anaerobica è la principale fonte di energia, ad esempio nei globuli rossi, nel cristallino, nella retina, nel midollo renale

3. Per la maggior parte dei tessuti, questa è una via di emergenza, perché fornisce energia in condizioni di ipossia e anossia, ad esempio in alta montagna, durante intossicazioni, anemia, malattie respiratorie, malattie cardiovascolari, avvelenamenti monossido di carbonio, lavoro fisico pesante

4. Alcuni metaboliti della glicolisi sono utilizzati per processi sintetici, ad esempio fosfotriosi, PVK, lattato possono essere utilizzati per la formazione del glucosio - gluconeogenesi; liponeogenesi e sintesi degli aminoacidi non essenziali

Letteratura: base e aggiuntivi(elenco di riferimento generale per l'intero argomento)

1. Berezov T.T., Korovkin B.F. "Chimica biologica" 1998 – pp. 169-186, 319-359.

2. Polosukhina T.Ya., Ablaev N.R.“Materiali per il corso di chimica biologica”, 1977 – P.30-44.

3. Pleshkova S.M., Abitaeva S.A., Erdzhanova S.S., Petrova G.I. “Workshop sulla chimica biologica”, 2003 – lavoro di laboratorio n. 66, 67, 74.

4. Seitov Z.S. “Biochimica”, 2000 – pp. 480-506, 517-522.

5. Zaichik A.Sh., Churilov L.P. “Fondamenti di patochimica” 2000 – pp. 218-245.

6. Byshevskij A.Sh., Tersenov O.A. “Biochimica per il medico” 1994 – P.308-312, 222-224, 227, 75-95

7. Biochimica di Harper - R.K. Murray, D.K. Granner, P.A. Mayes, V.W. Rodwell-APPLETON&LANGE, Stamford, Connecticut, 2000

8. Biochimica umana - R. Murray, D. Grenner, P. Mayes, W. Rodwell - M., Mir, 1993

9. Sharmanov T.Sh., Pleshkova S.M. – Fondamenti metabolici della nutrizione con corso di biochimica generale - Almaty, 1998

LEZIONE N. 2 sul tema “Metabolismo dei carboidrati”

La glicolisi è stimolata dall'insulina, che aumenta il numero di molecole di esochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi.

Nel fegato, l'attività della glucochinasi è regolata dagli ormoni: l'attivazione è causata dall'insulina e dagli androgeni, mentre i glucocorticoidi e gli estrogeni ne sopprimono l'attività.

La fosfofruttochinasi è sensibile alla regolazione metabolica. Viene attivato dall'AMP e dal suo stesso substrato e inibito dall'ATP, dall'acido citrico e dagli acidi grassi. La piruvato chinasi viene attivata dal fruttosio-1,6-bifosfato. L'esochinasi delle cellule non epatiche è inibita dal suo stesso prodotto di reazione, il glucosio-6-fosfato.

17. Demolizione aerobica del glucosio: sequenza di reazioni, significato fisiologico. Il ruolo della degradazione aerobica del glucosio nei muscoli durante il lavoro muscolare. Il ruolo della degradazione aerobica del glucosio nel cervello.

La glicolisi aerobica è il processo di ossidazione del glucosio ad acido piruvico, che avviene in presenza di ossigeno. Tutti gli enzimi che catalizzano le reazioni di questo processo sono localizzati nel citosol della cellula. La glicolisi aerobica può essere divisa in due fasi.

1. Fase preparatoria, durante il quale il glucosio viene fosforilato e diviso in due molecole di fosfotriosio. Questa serie di reazioni avviene utilizzando 2 molecole di ATP.

2. Stadio associato alla sintesi di ATP. Attraverso questa serie di reazioni, i fosfotriosi vengono convertiti in piruvato. L'energia rilasciata in questa fase viene utilizzata per sintetizzare 10 mol di ATP.

Reazioni della glicolisi aerobica:

1) Conversione del glucosio-6-fosfato in 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato. Il glucosio-6-fosfato, formatosi a seguito della fosforilazione del glucosio con la partecipazione dell'ATP, viene convertito in fruttosio-6-fosfato nella reazione successiva. Questa reazione di isomerizzazione reversibile avviene sotto l'azione dell'enzima glucosio fosfato isomerasi. Questa è seguita da un'altra reazione di fosforilazione utilizzando il residuo di fosfato e l'energia dell'ATP. In questa reazione, catalizzata dalla fosfofruttochinasi, il fruttosio 6-fosfato viene convertito in fruttosio 1,6-bifosfato. Questa reazione, come la reazione dell'esochinasi, è praticamente irreversibile e, inoltre, è la più lenta di tutte le reazioni glicolitiche. La reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi determina la velocità di tutta la glicolisi, pertanto, regolando l'attività della fosfofruttochinasi, è possibile modificare la velocità del catabolismo del glucosio. Il fruttosio 1,6-bifosfato viene ulteriormente scomposto in 2 triosi fosfati: gliceraldeide 3-fosfato e diidrossiacetone fosfato. La reazione è catalizzata dall'enzima fruttosio bifosfato aldolasi, o semplicemente aldolasi. Questo enzima catalizza sia le reazioni di scissione aldolica che quelle di condensazione aldolica, cioè reazione reversibile. I prodotti della reazione di scissione aldolica sono isomeri. Le successive reazioni di glicolisi utilizzano solo gliceraldeide-3-fosfato, quindi il diidrossiacetone fosfato viene convertito dall'enzima triosefosfato isomerasi in gliceraldeide-3-fosfato.

2) Conversione della gliceraldeide-3-fosfato in piruvato. Questa parte della glicolisi aerobica comprende reazioni associate alla sintesi di ATP. La reazione più complessa in questa serie di reazioni è la conversione della gliceraldeide-3-fosfato in 1,3-bisfosfoglicerato. Questa trasformazione è la prima reazione di ossidazione durante la glicolisi. La reazione è catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che è un enzima NAD-dipendente. L'importanza di questa reazione non risiede solo nel fatto che si forma un coenzima ridotto, la cui ossidazione nella catena respiratoria è associata alla sintesi di ATP, ma anche nel fatto che l'E libero dall'ossidazione si concentra nell'alto- legame energetico del prodotto di reazione. La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi contiene nel centro attivo un residuo di cisteina, il cui gruppo sulfidrilico è direttamente coinvolto nella catalisi. L'ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato porta alla riduzione del NAD e alla formazione, con la partecipazione di H3PO4, di un legame anidridico ad alta energia nell'1,3-bifosfoglicerato in posizione 1. Nella reazione successiva, il fosfato ad alta energia viene trasferito all'ADP con la formazione di ATP. L'enzima che catalizza questa trasformazione è chiamato fosfoglicerato chinasi dopo la reazione inversa. La formazione di ATP in questo modo non è associata alla catena respiratoria ed è chiamata fosforilazione del substrato dell'ADP. Il 3-fosfoglicerato formato non contiene più un legame ad alta energia. Nelle reazioni seguenti si verificano riarrangiamenti intramolecolari, il cui significato è che un fosfoestere a bassa energia viene convertito in un composto contenente un fosfato ad alta energia. Le trasformazioni intramolecolari comportano il trasferimento di un residuo di fosfato dalla posizione 3 del fosfoglicerato alla posizione 2. Quindi, una molecola d'acqua viene scissa dal 2-fosfoglicerato risultante con la partecipazione dell'enzima enolasi. Come risultato della reazione, si forma un enolo sostituito: fosfoenolpiruvato. Il fosfoenolpiruvato risultante è un composto ad alta energia, il cui gruppo fosfato viene trasferito nella successiva reazione all'ADP con la partecipazione della piruvato chinasi. La conversione del fosfoenolpiruvato in piruvato è una reazione irreversibile. Questa è la seconda reazione di fosforilazione del substrato durante la glicolisi. La forma enolica risultante del piruvato viene quindi convertita in modo non enzimatico nella forma cheto più termodinamicamente stabile.

Il NADH, formato dall'ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato nella glicolisi aerobica, subisce l'ossidazione mediante trasferimento di atomi di idrogeno alla catena respiratoria mitocondriale. Poiché la molecola di NADH stessa non attraversa la membrana, ce ne sono sistemi speciali, accettando atomi di idrogeno dal NADH nel citoplasma e rilasciandoli nella matrice mitocondriale. Questi sistemi sono chiamati sistemi a navetta. Sono stati identificati due principali sistemi navetta: glicerolo fosfato e malato-aspartato. Enzimi chiave navetta glicerolo fosfato sono isoenzimi della glicerolo-3-fosfato deidrogenasi - citoplasmatici e mitocondriali. Differiscono nei loro coenzimi: la forma citoplasmatica ha NAD, la forma mitocondriale ha FAD. Nel citosol, i metaboliti della glicolisi - diidrossiacetone fosfato e NADH formano glicerolo-3-fosfato, che entra nella matrice mitocondriale. Lì viene ossidato per formare FADH2. FADH2 viene quindi inviato alla catena respiratoria e utilizzato per produrre energia. Pertanto, come risultato delle azioni della navetta, il NADH+H+ citosolico viene, per così dire, “convertito” in FADH2 mitocondriale. Questa navetta è attiva nel fegato e nel muscolo scheletrico bianco ed è necessaria per ottenere energia dal glucosio durante la funzione cellulare. Enzimi chiave navetta malato-aspartato sono isoenzimi della malato deidrogenasi - citoplasmatici e mitocondriali. È diffuso in tutti i tessuti. Questo meccanismo è più complesso: reazioni di transaminazione si verificano costantemente nel citoplasma acido aspartico forniscono ossalacetato, il quale, sotto l’azione del pool citosolico della malato deidrogenasi e per effetto del NADH “glicolitico”, si riduce ad acido malico (malato). Quest'ultimo si antiporta con l'α-chetoglutarato nei mitocondri ed, essendo un metabolita del ciclo del TCA, viene ossidato ad ossalacetato con formazione di NADH. Poiché la membrana mitocondriale è impermeabile all'ossalacetato, viene amminata all'acido aspartico, che viene rilasciato nel citosol in cambio del glutammato. Pertanto, gli atomi di idrogeno del NADH citosolico vengono trasferiti al NADH mitocondriale.

Rilascio dell'ATP. Se c'è ossigeno nella cellula, il NADH della glicolisi viene inviato ai mitocondri (sistemi navetta), ai processi di fosforilazione ossidativa, e lì la sua ossidazione porta dividendi sotto forma di tre molecole di ATP. Nella glicolisi, il piruvato in condizioni aerobiche viene convertito in acetil-S-CoA nel complesso PVK-‑deidrogenasi, dando luogo alla formazione di 1 molecola di NADH. L'acetil-S-CoA è coinvolto nel ciclo del TCA e, quando ossidato, produce 3 molecole di NADH, 1 molecola di FADH2, 1 molecola di GTP. Le molecole di NADH e FADH2 si spostano nella catena respiratoria (vedi), dove la loro ossidazione produce un totale di 11 molecole di ATP. In generale, la combustione di un gruppo aceto nel ciclo TCA produce 12 molecole di ATP. Sommando i risultati dell'ossidazione del NADH “glicolitico” e della “piruvato deidrogenasi”, dell'ATP “glicolitico”, l'energia prodotta dal ciclo TCA e moltiplicando il tutto per 2, otteniamo 38 molecole di ATP. L'equazione complessiva è: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + H2O + 2880 kJ/mol.

La degradazione aerobica del glucosio avviene in molti organi e tessuti e costituisce la principale, anche se non l’unica, fonte di energia per la vita. Alcuni tessuti dipendono maggiormente dal catabolismo del glucosio come fonte di energia. Ad esempio, le cellule cerebrali consumano fino a 100 g di glucosio al giorno, ossidandolo aerobicamente. Pertanto, un apporto insufficiente di glucosio al cervello o ipossia si manifesta con sintomi che indicano una compromissione della funzione cerebrale (vertigini, convulsioni, perdita di coscienza). La glicolisi aerobica contribuisce al metabolismo delle cellule tumorali. A carichi elevati, la velocità della glicogenolisi anaerobica aumenta notevolmente, il cui prodotto finale è l'acido lattico. Dal punto di vista energetico, questo processo è circa 15 volte meno efficiente della degradazione ossidativa aerobica del glicogeno in H2O e CO2. Questo percorso di fornitura di energia muscolare gioca un ruolo importante durante il lavoro a breve termine di maggiore potenza, ad esempio durante gli scatti finali.

18. Biosintesi del glucosio (gluconeogenesi): possibili precursori, sequenza di reazioni. Ciclo glucosio-lattato (ciclo di Cori) e ciclo glucosio-alanina: significato fisiologico. Il significato e la regolazione della gluconeogenesi dagli aminoacidi.

C'è sempre bisogno di glucosio nelle cellule del corpo:

1. per i globuli rossi, il glucosio è l’unica fonte di energia,

2. Il tessuto nervoso consuma circa 120 g di glucosio al giorno e questo valore praticamente non dipende dall'intensità del suo lavoro. Solo dentro situazioni estreme(digiuno a lungo termine) è in grado di ottenere energia da fonti non carboidratiche,

3. il glucosio svolge un ruolo significativo nel mantenimento delle concentrazioni richieste di metaboliti del ciclo dell'acido tricarbossilico (principalmente ossalacetato).

Pertanto, in determinate situazioni - con un basso contenuto di carboidrati nel cibo, digiuno, lavoro fisico prolungato, ad es. Quando il glucosio nel sangue è esaurito e si verifica l'ipoglicemia, il corpo deve essere in grado di sintetizzare il glucosio e normalizzare la sua concentrazione nel sangue. Ciò è ottenuto mediante reazioni di gluconeogenesi. Per definizione, gluconeogenesiè la sintesi del glucosio da componenti non carboidrati: lattato, piruvato, glicerolo, chetoacidi del ciclo di Krebs e altri chetoacidi, da aminoacidi. La necessità di gluconeogenesi nel corpo è dimostrata da due cicli: glucosio-lattato e glucosio-alanina.

Ciclo del glucosio-lattato (ciclo di Cori)è un processo ciclico che combina le reazioni della gluconeogenesi e le reazioni della glicolisi anaerobica. La gluconeogenesi avviene nel fegato; il substrato per la sintesi del glucosio è il lattato, che proviene principalmente dai globuli rossi o dal tessuto muscolare. Negli eritrociti l'acido lattico si forma continuamente, poiché per loro la glicolisi anaerobica è l'unico modo per produrre energia. Nei muscoli scheletrici, un elevato accumulo di acido lattico (lattato) è una conseguenza della glicolisi durante un lavoro di potenza submassimale molto intenso, mentre il pH intracellulare diminuisce a 6,3-6,5. Ma anche durante il lavoro di intensità bassa e moderata, una certa quantità di lattato si forma sempre nel muscolo scheletrico. C'è solo un modo per rimuovere l'acido lattico: convertirlo in acido piruvico. Tuttavia, la stessa cellula muscolare, né durante il lavoro né durante il riposo, non è in grado di convertire il lattato in piruvato a causa delle caratteristiche dell'isoenzima lattato deidrogenasi-5. Ma la membrana cellulare è altamente permeabile al lattato e si muove verso l'esterno lungo il gradiente di concentrazione. Pertanto, durante e dopo l'esercizio (durante il recupero), il lattato viene facilmente rimosso dal muscolo. Ciò avviene abbastanza rapidamente, già dopo 0,5-1,5 ore non c'è più lattato nel muscolo. Una piccola parte dell'acido lattico viene escreta nelle urine. La maggior parte del lattato nel sangue viene assorbito dagli epatociti, ossidato in acido piruvico ed entra nel percorso della gluconeogenesi. Il glucosio prodotto nel fegato viene utilizzato dagli epatociti stessi o restituito ai muscoli, ripristinando le riserve di glicogeno durante il riposo. Può anche essere distribuito ad altri organi.

Ciclo glucosio-alanina. L'obiettivo del ciclo glucosio-alanina è anche la rimozione del piruvato, ma oltre a questo viene risolto un altro compito importante: la rimozione dell'azoto in eccesso dal muscolo, che durante il catabolismo viene convertito in piruvato o metaboliti del muscolo ciclo del citrato, possono essere considerati potenziali precursori del glucosio e del glicogeno e sono detti glicogeni. Ad esempio, l'ossalacetato, formato dall'acido aspartico, è un prodotto intermedio sia del ciclo del citrato che della gluconeogenesi. Di tutti gli aminoacidi che entrano nel fegato, circa il 30% sono alanina. Ciò si spiega con il fatto che la degradazione delle proteine ​​muscolari produce aminoacidi, molti dei quali vengono convertiti direttamente in piruvato o prima in ossalacetato e poi in piruvato. Quest'ultima si trasforma in alanina, acquisendo un gruppo amminico da altri aminoacidi. L'alanina dai muscoli viene trasportata dal sangue al fegato, dove viene nuovamente convertita in piruvato, che viene parzialmente ossidato e parzialmente incluso nella glucosioogenesi. Durante il lavoro muscolare e a riposo, le proteine ​​si scompongono nel miocita e gli aminoacidi risultanti vengono transaminati con l'α-chetoglutarato. Il glutammato risultante interagisce con il piruvato. L'alanina risultante è una forma di trasporto di azoto e piruvato dal muscolo al fegato. Nell'epatocita avviene una reazione di transaminazione inversa, il gruppo amminico viene trasferito alla sintesi dell'urea, il piruvato viene utilizzato per la sintesi del glucosio. Oltre al lavoro muscolare, il ciclo glucosio-alanina viene attivato durante il digiuno, quando le proteine ​​muscolari si rompono giù e molti aminoacidi vengono utilizzati come fonte di energia e il loro azoto deve essere fornito al fegato.

Gluconeogenesiè la sintesi del glucosio a partire da componenti non carboidrati: lattato, piruvato, glicerolo, chetoacidi del ciclo di Krebs e altri chetoacidi, da AA. Tutti gli AA, ad eccezione della leucina e della lisina chetogenica, sono in grado di partecipare alla sintesi del glucosio. Gli atomi di carbonio di alcuni di essi - glucogenici - sono completamente inclusi nella molecola di glucosio, altri - misti - sono parzialmente inclusi. Oltre alla produzione di glucosio, la gluconeogenesi garantisce anche la rimozione dei “rifiuti”: il lattato, che si forma costantemente nei globuli rossi o durante il lavoro muscolare, e il glicerolo, che è un prodotto della lipolisi nel tessuto adiposo. Come è noto, nella glicolisi si verificano tre reazioni irreversibili: piruvato chinasi (decima), fosfofruttochinasi (terza) ed esochinasi (prima). Queste reazioni rilasciano energia per la sintesi di ATP. Pertanto, nel processo inverso, si formano barriere energetiche che la cellula aggira con l'aiuto di reazioni aggiuntive. La gluconeogenesi comprende tutte le reazioni reversibili della glicolisi e speciali soluzioni alternative, cioè. non replica completamente le reazioni di ossidazione del glucosio. Le sue reazioni possono verificarsi in tutti i tessuti, ad eccezione dell'ultima reazione della glucosio-6-fosfatasi, che si verifica solo nel fegato e nei reni. Pertanto, in senso stretto, la gluconeogenesi avviene solo in questi due organi.

Bypassare la decima reazione della glicolisi. In questa fase della gluconeogenesi, lavorano due enzimi chiave: la piruvato carbossilasi nei mitocondri e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi nel citosol. In termini chimici, il bypass della decima reazione sembra abbastanza semplice:

Tuttavia, il fatto è che la piruvato carbossilasi si trova nei mitocondri e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi si trova nel citosol. A complemento del problema c'è l'impermeabilità della membrana mitocondriale all'ossalacetato. Ma il malato, un precursore dell’ossalacetato nel ciclo del TCA, può passare attraverso la membrana. Quindi, in realtà, tutto sembra più complicato: 1. Nel citosol, l'acido piruvico può comparire durante l'ossidazione dell'acido lattico e nella reazione di transaminazione dell'alanina. Successivamente, il piruvato si importa con gli ioni H+ che si muovono lungo il gradiente protonico nei mitocondri. Nei mitocondri, la piruvato carbossilasi converte l'acido piruvico in ossalacetato. Questa reazione avviene costantemente nella cellula, essendo una reazione anaplerotica (riempimento) del ciclo TCA.

2. Successivamente, l'ossalacetato potrebbe essere convertito in fosfoenolpiruvato, ma per questo deve prima entrare nel citosol. Pertanto, si verifica una reazione che riduce l'ossalacetato in malato con la partecipazione della malato deidrogenasi. Di conseguenza, il malato si accumula, entra nel citosol e qui viene riconvertito in ossalacetato. Un eccesso di NADH nei mitocondri consente di invertire la reazione della malato deidrogenasi. Il NADH deriva dall'ossidazione acidi grassi, attivato in condizioni di carenza di glucosio nell'epatocita.

3. Nel citoplasma, la fosfoenolpiruvato carbossichinasi converte l'ossalacetato in fosfoenolpiruvato, la reazione richiede energia GTP. Lo stesso carbonio aggiunto viene rimosso dalla molecola.

Bypassare la terza reazione della glicolisi. Il secondo ostacolo alla sintesi del glucosio, la reazione della fosfofruttochinasi, viene superato dall'enzima fruttosio-1,6-bifosfatasi. Questo enzima si trova nei reni, nel fegato e nei muscoli striati. Pertanto, questi tessuti sono in grado di sintetizzare fruttosio-6-fosfato e glucosio-6-fosfato.

Bypassare la prima reazione della glicolisi. Quest'ultima reazione è catalizzata dalla glucosio-6-fosfatasi. Si trova solo nel fegato e nei reni, quindi solo questi tessuti possono produrre glucosio libero.

Gluconeogenesi, la formazione di glucosio da componenti non carboidrati, necessario: 1. per l'ipoglicemia durante carico muscolare– sintesi dall’acido lattico proveniente dai muscoli, dal glicerolo formatosi durante la mobilitazione dei grassi;

2. in caso di ipoglicemia durante il digiuno - sintesi da aminoacidi formati durante il catabolismo proteico.

Pertanto, durante il digiuno o attività fisica La gluconeogenesi che avviene nel fegato fornisce glucosio a tutti gli altri organi (eritrociti, tessuto nervoso, muscoli, ecc.) in cui sono attivi la glicolisi e altri processi di produzione di energia. La presenza di glucosio in queste cellule è necessaria per mantenere la concentrazione di ossalacetato e garantire la combustione dell'acetil-SCoA (ottenuto anche da acidi grassi o corpi chetonici) nel ciclo degli acidi tricarbossilici.

Regolazione della gluconeogenesi. L'attivazione ormonale della gluconeogenesi viene effettuata dai glucocorticoidi, che aumentano la sintesi di piruvato carbossilasi, fosfoenolpiruvato carbossichinasi, fruttosio-1,6-bifosfatasi. Il glucagone stimola gli stessi enzimi attraverso il meccanismo dell'adenilato ciclasi mediante fosforilazione. Esiste anche una regolazione metabolica in cui la piruvato carbossilasi viene attivata allostericamente dall'acetil-SCoA, dalla fruttosio-1,6-bifosfatasi e con la partecipazione dell'ATP. Il fegato passa dalla glicolisi alla gluconeogenesi e viceversa con la partecipazione di insulina e glucosagone e viene effettuato con l'aiuto di:

Regolazione allosterica dell'attività enzimatica;

Modifica covalente di enzimi mediante fosforilazione/defosforilazione;

Induzione/repressione della sintesi di enzimi chiave.

Le influenze regolatorie sono rivolte agli enzimi che catalizzano le fasi irreversibili della gluconeogenesi, la cui combinazione è chiamata cicli “substrato” o “inattivi”.

Equazione riassuntiva per la gluconeogenesi dal piruvato:

2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2(NADH) + 4 H2O Glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 H3PO4.

Fino a 80 g di glucosio possono essere sintetizzati nel corpo umano al giorno. La sintesi di 1 mole di glucosio dal piruvato richiede 6 legami ad alta energia (4 ATP e 2 GTP).

19. Via del pentoso fosfato per la conversione del glucosio. Via ossidativa per la formazione dei pentosi. Un'idea del percorso non ossidativo per la formazione di esosi. Distribuzione, ruolo, regolamentazione.

Glucosioè un substrato per la produzione di energia. L'energia di qualsiasi cellula del nostro corpo si basa sull'ossidazione del glucosio. L’ossidazione del glucosio avviene in due direzioni:

1. Ossidazione con formazione di pentosi: ribosio, ribulosio, xilulosio. Questa via è chiamata shunt del pentoso fosfato e non è associata alla produzione di E.

2. Ossidazione per produrre E.

Poiché le reazioni di sintesi proteica avvengono continuamente nelle cellule, questo processo richiede acidi ribonucleici. A sua volta, per la sintesi del acidi nucleici, o meglio i nucleotidi purinici e pirimidinici, richiedono ribosio-5-fosfato. Se una cellula si sta preparando a dividersi, per la sintesi del DNA ha bisogno di desossiribonucleotidi, che si formano con la partecipazione del NADPH. Vengono utilizzate anche le molecole NADPH:

Per la sintesi degli acidi grassi (fegato, tessuto adiposo),

Per la sintesi del colesterolo e di altri steroidi (fegato),

Per la sintesi dell'acido glutammico dall'acido α-chetoglutarico (reazione di amminazione riduttiva),

Per sistemi di protezione antiossidante delle cellule dall'ossidazione dei radicali liberi (eritrociti).

Nella cellula esiste un processo che garantisce la formazione simultanea di ribosio e NADPH: questo è via dei pentoso fosfati. Le reazioni più attive della via del pentoso fosfato si verificano nel citosol delle cellule del fegato, del tessuto adiposo, dei globuli rossi, della corteccia surrenale, della ghiandola mammaria durante l'allattamento e, in misura molto minore, nei muscoli scheletrici. Questo percorso di ossidazione del glucosio non è associato alla produzione di energia, ma fornisce l’anabolismo cellulare. A questo proposito, nei neonati e nei bambini dei primi anni di vita, la sua attività è piuttosto elevata. La via del pentoso fosfato comprende due fasi: riarrangiamenti ossidativi e strutturali (non ossidativi).

SU primo stadio ossidativo Il glucosio-6-fosfato viene convertito in ribulosio-5-fosfato in tre reazioni accompagnate dalla riduzione di due molecole di NADP a NADPH;

In questa fase il processo è regolato: l'insulina aumenta l'attività della glucosio-6-fosfato deidrogenasi e della fosfogluconato deidrogenasi.

Nella parte ossidativa della via del pentoso fosfato, il glucosio-6-fosfato subisce decarbossilazione ossidativa, con conseguente formazione di pentosi. Questo passaggio include 2 reazioni di deidrogenazione. Equazione riassuntiva: Glucosio-6-fosfato + 2 NADP+ + H2O → Ribulosio-5-fosfato + 2 NADPH + H+ + CO2.

Le reazioni della via ossidativa si verificano solo se il coenzima ridotto NADPH ritorna allo stato ossidato originale NADP+ con la partecipazione delle deidrogenasi NADPH-dipendenti. Se il fabbisogno di NADPH della cellula è insignificante, il ribosio-5-fosfato si forma a seguito di reazioni reversibili dello stadio non ossidativo della via del pentoso fosfato, utilizzando i metaboliti della glicolisi - gliceraldeide-3-fosfato e fruttosio-6- fosfato - come sostanze iniziali.

Ruolo: Le reazioni ossidative fungono da principale fonte di NADPH nelle cellule. I coenzimi idrogenati forniscono processi biosintetici e reazioni redox, inclusa la protezione delle cellule da forme attive O2.

Seconda fase– la fase dei riarrangiamenti strutturali, grazie alla quale i pentosi sono in grado di ritornare nel pool esoso. In queste reazioni, il ribulosio 5-fosfato si isomerizza in ribosio 5-fosfato e xilulosio 5-fosfato. Inoltre, sotto l'influenza degli enzimi transketolasi e transaldolasi, si verificano riarrangiamenti strutturali con la formazione di altri monosaccaridi. Durante tutte le reazioni della seconda fase, i pentosi vengono convertiti in fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide fosfato. La gliceraldeide-3-fosfato, a seconda delle condizioni e del tipo di cellula, può “cadere” nel 2° stadio della glicolisi o essere ridotta attraverso il diossiacetone fosfato in glicerolo-3-fosfato e quindi entrare nella sintesi dell'acido fosfatidico e poi triacilgliceroli. Se necessario, da esso si possono formare anche esosi.

Somma: 2 Fruttosio-6-fosfato + Gliceraldeide-3-fosfato → 2 Xilosio-5-fosfato + Ribosio-5-fosfato 2 Xilosio-5-fosfato → 2 Ribulosio-5-fosfato 2 Ribulosio-5-fosfato → 2 Ribosio-5- fosfato.

Quello. la via non ossidativa può essere rappresentata come il processo di ritorno dei pentosi al pool esoso.

Caratteristiche della via del pentoso fosfato in diverse cellule.

Se la cellula necessita di grandi quantità di NADPH (ad esempio per la sintesi degli acidi grassi nel fegato o per la sintesi del colesterolo), allora saranno attivi sia il 1° che il 2° stadio. Il fruttosio-6-fosfato e la gliceraldeide fosfato risultanti verranno convertiti in glucosio-6-fosfato nelle reazioni di gluconeogenesi e il ciclo ricomincerà.

Se la cellula ha bisogno di energia NADPH e ATP (come in un eritrocita), allora il fruttosio-6-fosfato e la gliceraldeide fosfato all'uscita dal 2o stadio “falliranno” nelle reazioni glicolitiche.

Se una cellula cresce e si divide, ha bisogno di NADPH e ribosio-5-fosfato. In questo caso, il 2° stadio non si verificherà; tutto il ribulosio-5-fosfato formato nel 1° stadio verrà convertito in ribosio-5-fosfato, che viene utilizzato per la sintesi dei nucleotidi. Il NADPH verrà utilizzato per la sintesi dei desossiribonucleotidi.

La via del pentoso fosfato fornisce alle cellule ribosio per la sintesi dei nucleotidi purinici e pirimidinici e del coenzima idrogenato NADPH, che viene utilizzato nei processi di riduzione. L'equazione complessiva della via del pentoso fosfato è espressa come segue:

3 Glucosio-6-fosfato + 6 NADP+ → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H +) + 2 Fruttosio-6-fosfato + Gliceraldeide 3-fosfato.

Gli enzimi della via del pentoso fosfato, così come gli enzimi della glicolisi, sono localizzati nel citosol.

La via del pentoso fosfato è più attiva nel tessuto adiposo, nel fegato, nella corteccia surrenale, nei globuli rossi, nella ghiandola mammaria durante l'allattamento e nei testicoli.

Da violazioni Nello shunt del pentoso fosfato, il deficit più comune è il primo enzima, la glucosio-6-fosfato deidrogenasi. La conseguenza del difetto enzimatico è una diminuzione della sintesi del NADPH nella cellula. Ciò ha un effetto particolarmente significativo sui globuli rossi, nei quali lo stadio ossidativo del ciclo dei pentoso fosfati è l’unica fonte di NADPH. Tra le varie funzioni del NADPH, in questo caso, una è importante: la partecipazione al lavoro del sistema antiossidante.

Questo sistema necessario per neutralizzare le specie reattive dell'ossigeno costantemente prodotte nella cellula. In particolare, il perossido di idrogeno viene ridotto in acqua dalla perossidasi glutatione-dipendente. Il ripristino del glutatione allo stato lavorativo viene effettuato dalla reduttasi con la partecipazione del NADPH fornito dallo shunt del pentoso fosfato.

20. Glicemia: fonti, regolazione da parte degli ormoni. Ipo e iperglicemia, cause. Carichi di zucchero e curve di zucchero, significato nella diagnosi.

Il risultato della regolazione delle vie metaboliche per la conversione del glucosio è la costanza della concentrazione di glucosio nel sangue. U persona sana a stomaco vuoto, la concentrazione di glucosio nel sangue arterioso durante la giornata si mantiene a un livello costante di 60-100 mg/dl (3,3-5,5 mmol/l). Dopo aver consumato un pasto a base di carboidrati, i livelli di glucosio aumentano per circa 1 ora fino a 150 mg/dl (iperglicemia nutrizionale), per poi ritornare ai valori normali. livello normale(dopo circa 2 ore). Quando la concentrazione di glucosio nel sangue è pari a 9-10 mmol/l, il glucosio inizia ad essere escreto nelle urine: glicosuria. Normalmente, il glucosio non viene rilevato nelle urine. Più della metà del glucosio (60%) che entra nella vena porta dall'intestino viene assorbito dal fegato. Circa 2/3 di questa quantità si depositano nel fegato sotto forma di glicogeno, il resto viene convertito in grassi e ossidato, fornendo la sintesi di ATP. L'accelerazione di questi processi viene avviata da un aumento dell'indice di insulina e glucagone. L'altra parte del glucosio proveniente dall'intestino entra nel flusso sanguigno generale. Circa 2/3 di questa quantità vengono assorbiti dai muscoli e dal tessuto adiposo. Ciò è dovuto ad un aumento della permeabilità delle membrane delle cellule muscolari e adipose al glucosio sotto l'influenza di alte concentrazioni di insulina. Il glucosio nei muscoli viene immagazzinato sotto forma di glicogeno e nelle cellule adipose viene convertito in grasso. Il resto del glucosio nel flusso sanguigno generale viene assorbito da altre cellule (insulino-indipendenti).

Durante il digiuno Durante il primo giorno, le riserve di glicogeno nel corpo sono esaurite e successivamente solo la gluconeogenesi (da lattato, glicerolo e AA) funge da fonte di glucosio. In questo caso, la gluconeogenesi accelera e la glicolisi rallenta a causa della bassa concentrazione di insulina e dell'elevata concentrazione di glucagone. Ma, inoltre, dopo 1-2 giorni, si manifesta in modo significativo l'effetto di un altro meccanismo regolatore: l'induzione e la repressione della sintesi di alcuni enzimi: il numero degli enzimi glicolitici diminuisce e, al contrario, aumenta il numero degli enzimi gluconeogenesi. I cambiamenti nella sintesi enzimatica sono anche associati all'influenza dell'insulina e del glucagone. A partire dal secondo giorno di digiuno si ottiene velocità massima gluconeogenesi da aminoacidi e glicerolo. Il tasso di gluconeogenesi dal lattato rimane costante. Di conseguenza, ogni giorno vengono sintetizzati circa 100 g di glucosio, principalmente nel fegato. Va notato che durante il digiuno il glucosio non viene utilizzato dalle cellule muscolari e adipose, poiché in assenza di insulina non penetra in esse e viene quindi risparmiato per rifornire il cervello e altre cellule glucosio-dipendenti. Sia durante il periodo di riposo che durante quello prolungato lavoro fisico Innanzitutto, la fonte di glucosio per i muscoli è il glicogeno immagazzinato nei muscoli stessi e poi il glucosio nel sangue. È noto che 100 g di glicogeno vengono consumati correndo in circa 15 minuti e le riserve di glicogeno nei muscoli dopo aver mangiato cibi a base di carboidrati possono essere di 200-300 g.