Этапы образования АТФ в гликолизе
Гликолиз протекает в цитозоле клетки и включает реакции, обеспечивающие синтез макроэргических соединений. На этапе синтеза энергии выделяют два основных пути образования молекул АТФ:
- Субстратное фосфорилирование. Это прямой перенос фосфатной группы с высокоэнергетического субстрата на АДФ. В гликолизе этот механизм реализуется дважды:
- При превращении 1,3-бисфосфоглицерата в 3-фосфоглицерат (работает фермент фосфоглицераткиназа).
- При переходе фосфоенолпирувата в пируват (катализируется пируваткиназой).
- Окислительное фосфорилирование. Энергия синтезируется в митохондриях благодаря переносу электронов и протонов по цепи переноса электронов (ЦПЭ). В цитозоле фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа окисляет субстрат, образуя NADH. Восстановительные эквиваленты переносятся в матрикс митохондрий для дальнейшей выработки энергии.
Малат-аспартатная челночная система
Мембрана митохондрий непроницаема для NADH, который образуется в цитозоле. Чтобы передать атомы водорода в дыхательную цепь, используется специальный механизм — малат-аспартатный челнок.
Процесс работает так:
- Цитозольный фермент малатдегидрогеназа восстанавливает оксалоацетат до малата, расходуя NADH.
- Белки-переносчики (транслоказы) переносят малат внутрь митохондрии.
- В матриксе митохондриальная изоформа фермента окисляет малат обратно в оксалоацетат, восстанавливая NAD+ до NADH.
- Оксалоацетат с помощью трансаминаз превращается в аспартат и возвращается в цитозоль.
Итогом работы челнока становится поступление восстановленного NADH в ЦПЭ, что дает энергетический выход в виде 3 молекул АТФ.
Энергетический баланс полного распада
Полный аэробный катаболизм глюкозы до углекислого газа и воды состоит из двух больших этапов. Эффективность рассчитывается с использованием классических коэффициентов ($NADH = 3$ АТФ, $FADH_2 = 2$ АТФ).
- Аэробный гликолиз. Расщепление одной молекулы глюкозы дает 2 молекулы пирувата. Чистый выход составляет 2 АТФ, а еще 2 молекулы NADH, перенесенные через челночную систему, дают 6 АТФ. Суммарно — 8 моль АТФ.
- Окисление пирувата в Общем пути катаболизма (ОПК). Окислительное декарбоксилирование одной молекулы пирувата до Ацетил-КоА дает 1 NADH (3 АТФ). Дальнейшее сгорание Ацетил-КоА в цикле Кребса приносит 12 АТФ. Итого 15 АТФ на один пируват. Поскольку из глюкозы образуется два пирувата, этот этап дает 30 моль АТФ.
Общий энергетический выход составляет 38 моль АТФ на каждую окисленную молекулу глюкозы.
Метаболизм лактата и регуляция
В анаэробных условиях конечным продуктом распада становится молочная кислота — лактат. Она образуется из фосфоенолпирувата (через пируват) при участии ферментов и NADH. Лактат покидает ткани, где был синтезирован, и переносится в печень или миокард.
В сердечной мышце молочная кислота превращается обратно в пируват, который сгорает в ОПК, давая энергию и поддерживая нормальный pH крови. В покое уровень лактата в крови составляет около 1 ммоль/л, но при тяжелой физической работе может превышать 15 ммоль/л. Патологическое накопление лактата ведет к опасному состоянию — лактоацидозу.
Скорость гликолиза тесно связана с состоянием цикла лимонной кислоты (ЦТК) и ЦПЭ. Если в клетке много энергии (накапливаются АТФ и NADH), скорость цитратного цикла и гликолиза снижается. Главный лимитирующий фермент — фосфофруктокиназа-1 — ингибируется высокими концентрациями АТФ и цитрата, а активируется с помощью АДФ, АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфата.
Вопросы с занятий и экзамена
Сколько АТФ образуется при аэробном гликолизе?
При расщеплении молекулы глюкозы до двух молекул пирувата в аэробных условиях образуется 8 моль АТФ.
Какие ферменты участвуют в субстратном фосфорилировании?
В гликолизе это фосфоглицераткиназа и пируваткиназа. Они синтезируют АТФ напрямую, перенося фосфат с субстрата на АДФ.
Как цитозольный NADH попадает в митохондрию?
Сам NADH не проходит через мембрану. Водород переносится с помощью челночных систем, например, малат-аспартатной, где переносчиком выступает малат.
Что ещё разобрать по теме
- Особенности регуляции ферментов гликолиза в печени
- Механизмы окислительного декарбоксилирования пирувата
- Аллостерическая регуляция ферментов цикла Кребса
- Функции коферментов и редокс-систем (NADPH, глутатион)
- Взаимосвязь гликолиза с синтезом жирных кислот
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Катаболизм глюкозы» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Обмен углеводов»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.