БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ Лекция 2. КАТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗЫ
2 План лекции Пути катаболизма глюкозы. Гликолиз. Внутриклеточная локализация процесса Отдельные реакции гликолиза, их характеристики. Энергетический баланс гликолиза. Регуляция гликолиза. Спиртовое брожение. Катаболизм глюкозы
3 Гликолиз Гликолиз – универсальный центральный путь катаболизма глюкозы. В выяснении последовательности реакций гликолиза большую роль внести исследования Густава Эмбдена, Отто Мейергофа и Якуба Кароль Парнаса. Гликолиз – сложный ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы, протекающий во всех клетках при использовании кислорода (аэробный гликолиз) или в его отсутствие (анаэробный гликолиз). Катаболизм глюкозы
4 Гликолиз Аэробный гликолиз, протекающий в присутствии кислорода, включает 10 реакций: первые 5 из которых составляют подготовительный этап, а 5 последующих – этап, сопряженный с образованием АТР и NADH. Конечным продуктом аэробного гликолиза является пировиноградная кислота. Суммарное уравнение аэробного гликолиза : Глюкоза + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi -> 2 пируват + 2 NADH + 2Н + + 2 ATP + 2 H 2 O Катаболизм глюкозы
5 Гликолиз Анаэробный гликолиз включает 11 реакций, из которых 10 первых реакций – общие с аэробным гликолизом. 11 реакция – образование конечного продукта анаэробного гликолиза - лактата или молочной кислоты. Суммарное уравнение анаэробного гликолиза: Глюкоза + 2ADP + 2Pi -> 2 L - лактат + 2ATP + 2H 2 O Катаболизм глюкозы
6 Пути катаболизма глюкозы Катаболизм глюкозы
7 Гликолиз Катаболизм глюкозы Роль гликолиза 1. Извлечение из углеводов свободной энергии и аккумуляция ее в легкоиспользуемой форме – АТР. 2. Образование в ходе гликолиза высоко реакционноспособных соединений. Они используются в разнообразных метаболических реакциях.
8 Гликолиз Катаболизм глюкозы Роль гликолиза В некоторых клетках и тканях млекопитающих (эритроциты, мозговое вещество почки, головной мозг, сперма) расщепление глюкозы по гликолитическому пути – единственный источник метаболической энергии. Некоторые ткани растений, служащие для накопления крахмала (клубни картофеля), а также ряд водных растений получают большую часть необходимой им энергии в процессе гликолиза; многие анаэробные организмы полностью зависят от гликолиза.
9 Гликолиз Катаболизм глюкозы Пластическая роль гликолиза
10 Гликолиз Расщепление глюкозы (6-углеродного моносахарида) на две молекулы 3-углеродного соединения – пирувата или лактата осуществляется в 2 этапа. Первый этап процесса – подготовительный. Он включает 5 ферментативных реакций. На этом этапе для активации интермедиатов гликолиза затрачиваются две молекулы АТР, а углеродная цепь глюкозы превращается в глицеральдегид-3-фосфат (2 молекулы). Это, так называемая, «инвестиционная» стадия. Катаболизм глюкозы
11 Гликолиз Второй этап – образование АТР. Последующие 5 реакций в аэробном гликолизе или 6 реакций в анаэробном гликолизе превращают две молекулы глицеральдегид-3-фосфата в две молекулы пирувата, либо лактата. При этом происходит высвобождение энергии, часть которой запасается в виде 4 молекул АТР. С учетом двух молекул АТР, затраченных на подготовительной стадии, общий выход АТР в процессе гликолиза составляет 2 молекулы АТР на одну молекулу расщепленной глюкозы. Вторую стадию гликолиза называют стадией окупаемости или «выплаты процентов» Катаболизм глюкозы
12 Гликолиз Катаболизм глюкозы
13 Гликолиз Катаболизм глюкозы Первый этап гликолиза
14 Гликолиз Катаболизм глюкозы Второй этап гликолиза
15 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 1 реакция гликолиза
16 Гликолиз Катаболизм глюкозы Гексокиназа и глюкокиназа ГК фосфорилирует не только глюкозу, но и другие гексозы ( Fru, Man, Gal). ГлК – только глюкозу. ГК присутствует во всех тканях, ГлК – в печени и поджелудочной железе. ГК обладает высоким сродством к глюкозе: Км < 0,01 – 0,1 ммоль/л, Глк – низким, Км = 10 ммоль/л. ГК ингибируется глюкозо-6-фосфатом, ГлК – нет.
17 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 2 реакция гликолиза
18 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 3 реакция гликолиза
19 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 4 реакция гликолиза
20 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 5 реакция гликолиза
21 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 6 реакция гликолиза
22 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 7 реакция гликолиза
23 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 8 реакция гликолиза
24 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 9 реакция гликолиза
25 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 10 реакция гликолиза
26 Гликолиз Катаболизм глюкозы Отдельные реакции гликолиза 11 реакция гликолиза
27 Ферменты гликолиза, характеристики Анаэробный катаболизм углеводов Фермент Шифр Кофактор Изменение свободной энергии (Δ G ′ о,кДж /моль) Гексокиназа КФ 2.7.1.1 Mg 2+ −16,7 Фосфогексозоизомераза, или глюкозоизомераза КФ 5.3.1.9 Mg 2+ 1,7 Фосфофруктокиназа-1 КФ 2.7.1.11 Mg 2+ −14,2 Альдолаза КФ 4.1.2.13 23,8 Триозофосфатизомераза КФ 5.3.1.1. 7,5 Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа КФ 1.2.1.12 NAD + 6,3 Фосфоглицераткиназа КФ 2.7.2.3 Mg 2+ −18,8 Фосфоглицератмутаза КФ 5.4.2.1 Mg 2+ 4,6 Енолаза КФ 4.2.1.11 Mg 2+ 7,5 Пируваткиназа КФ 2.7.1.40 К +,Mg 2+ /Mn 2+ −31,4 Лактатдегидрогеназа КФ 1.1.1.27 NADH −25,1
28 Гликолиз Катаболизм глюкозы Характеристика гликолиза • Гликолиз протекает во всех клетках и тканях, ферменты гликолиза являются конститутивными; • локализован в цитозоле клетки; • большинство реакций обратимо, за исключением трех (реакций 1, 3, 10); • все метаболиты находятся в фосфорилированной форме; • источником фосфатной группы в реакциях фосфорилирования являются АТР (реакции 1, 3) или неорганический фосфат (реакция 6);
29 Гликолиз Катаболизм глюкозы Характеристика гликолиза • образование АТР в анаэробном гликолизе осуществляется путем субстратного фосфорилирования. Субстратным фосфорилированием называют образование АТР из ADP и фосфата неорганического (Н3РО4), когда для фосфорилирования используется энергия макроэргической связи субстрата. В процессе гликолиза в двух реакциях, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткиназой (реакции 7 и 9), осуществляется субстратное фосфорилирование. Два высокоэнергетических соединения содержат богатую энергией макроэргическую связь – это 1,3-бисфосфоглицерат и фосфоенолпируват.
30 Гликолиз Катаболизм глюкозы Характеристика гликолиза • для протекания гликолиза необходима регенерация NAD +, акцептором водорода от NADH является пируват, который восстанавливается в лактат в реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой;
31 Гликолиз Катаболизм глюкозы Образование АТР путем субстратного фосфорилирования Образование АТР, сопряженное с ферментативным превращением одного из субстратов, называется фосфорилированием на уровне субстрата. В процессе гликолиза в двух реакциях, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткиназой, осуществляется субстратное фосфорилирование. Два высокоэнергетических соединения содержат богатую энергией макроэргическую связь – это 1,3-бисфосфоглицерат и фосфоенолпируват.
32 Гликолиз Анаэробный катаболизм углеводов Образование АТР путем субстратного фосфорилирования Два высокоэнергетических соединения в гликолизе содержат богатую энергией макроэргическую связь – это 1,3-бисфосфоглицерат и фосфоенолпируват. 1,3 – БФГ ФЕП
33 Гликолиз Катаболизм глюкозы Регуляция гликолиза
34 Гликолиз Катаболизм глюкозы Регуляция гликолиза Регуляция осуществляется на уровне гексокиназы, фосфофрктокиназы-1 и пируваткиназы, ферментов, катализирующих необратимые реакции в гликолизе. Основным регуляторным и лимитирующим скорость гликолиза ферментом служит ФФК-1.
35 Гликолиз Катаболизм глюкозы Химизм реакции, катализируемой глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназой
36 Гликолиз Вовлечение других углеводов в процесс гликолиза Катаболизм глюкозы
37 Спиртовое брожение Катаболизм глюкозы Суммарная реакция спиртового брожения 1 реакция 2 реакция
38 Спиртовое брожение Катаболизм глюкозы Регенерация NAD+ в спиртовом брожении
39 Шунт Рапопорта-Люберинга Катаболизм глюкозы Образование 2,3-бисфосфоглицерата в шунте Рапопорта-Люберинга
40 Анаэробный катаболизм углеводов Домашнее задание Углеводы – классификация, номенклатура. Моносахариды и их производные (структурные формулы, свойства, биологическая роль). Дисахариды восстанавливающие и невосстанавливающие, примеры, структурные формулы. Полисахариды – структурные, резервные. Строение, свойства, функции. Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте. Всасывание и транспорт моносахаридов.
41 Анаэробный катаболизм углеводов Литература 1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия - 3-е изд-е, перераб. и доп. - М.: Медицина, 2008. 2. Биологическая химия: учеб пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Н.И. Ковалевской. – 3-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. 3. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2005. 4. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. Е.С. Северина, А.Я. Николаева. - М.:ГЭОТАР-МЕД, 2011. 5. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. – М.: Мир, 2000. 6. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: электрон. учеб.-метод. комплекс / Н.М. Титова, А. А. Савченко, Т.Н.Замай и др. – Электрон. дан. (172 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
