Анаеробно разграждане на последователност от реакции на глюкоза, физиологично значение
В анаеробния процес пирогроздената киселина се редуцира до млечна киселина (лактат), следователно в микробиологията анаеробната гликолиза се нарича ферментация на млечна киселина. Лактатът е метаболитна задънена улица и не се превръща в нищо по-нататък, единственият начин да се използва лактат е да се окисли обратно до пируват. Много телесни клетки са способни на анаеробно окисление на глюкозата. За червените кръвни клетки това е единственият източник на енергия. Клетките на скелетните мускули, поради безкислородното разграждане на глюкозата, са в състояние да извършват мощна, бърза, интензивна работа, като спринт, стрес в силовите спортове. Аноксичното окисление на глюкозата се засилва от клетъчна хипоксия при анемия, нарушения на кръвообращението в тъканите. Гликолиза. Анаеробното преобразуване на глюкозата е локализирано в цитозола и включва два етапа от 11 ензимни реакции.
Първият етап на гликолизата е подготвителен, тук се консумира енергия от АТФ, активира се глюкозата и от нея се образуват триозофосфати.
Първата реакция на гликолизата се свежда до превръщането на глюкозата в реактивно съединение поради фосфорилирането на 6-ия въглероден атом, който не е включен в пръстена. Тази реакция е първата при всяко превръщане на глюкоза, катализирано от хексокиназа.
Втората реакция е необходима за отстраняване на още един въглероден атом от пръстена за последващото му фосфорилиране (ензим изомераза). В резултат на това се образува фруктозо-6-фосфат.
Третата реакция Ензимът фосфофруктокиназа фосфорилира фруктозо-6-фосфат с образуването на почти симетрична фруктозо-1,6-дифосфатна молекула.Тази реакция е централна за регулирането на скоростта на гликолизата.
При четвъртата реакция фруктозо-1,6-дифосфатът се разрязва наполовина от фруктозо-1,6-дифосфат алдолазата, за да се образуват два фосфорилирани триозни изомера, глицералдехид алдоза (GAF) и дихидроксиацетон кетоза (DAF).
Петата реакция е преходът на глицералдехид фосфат и дихидроксиацетон фосфат един в друг с участието на триозо фосфат изомераза. Равновесието на реакцията се измества в полза на дихидроксиацетон фосфат, неговият дял е 97%, делът на глицералдехид фосфат е 3%. Тази реакция, въпреки цялата си простота, определя съдбата на глюкозата:
с липса на енергия в клетката и активиране на окислението на глюкозата, дихидроксиацетон фосфатът се превръща в глицералдехид фосфат, който се окислява допълнително във втория етап на гликолизата, с достатъчно количество АТФ, напротив, глицералдехид фосфатът се изомеризира в дихидроксиацетон фосфат и последният се изпраща за синтез на мазнини.
Втората стъпка в гликолизата е освобождаването на енергията, съдържаща се в глицералдехид фосфата и нейното съхранение под формата на АТФ.
Шестата реакция на гликолизата (ензимът глицералдехид фосфат дехидрогеназа) окислението на глицералдехид фосфата и добавянето на фосфорна киселина към него води до образуването на макроергично съединение от 1,3-дифосфоглицеринова киселина и NADH.
В седмата реакция (ензимът фосфоглицерат киназа) енергията на фосфоестерната връзка, съдържаща се в 1,3-дифосфоглицерат, се изразходва за образуването на АТФ. Реакцията получава допълнително наименование реакция на субстратно фосфорилиране, което изяснява източника на енергия за получаване на макроергични връзки в АТФ (от реакционния субстрат) за разлика от окислителното фосфорилиране (от електрохимичния градиент на водородните йони върху митохондриалната мембрана).
Осма реакция 3-фосфоглицерат, синтезиран в предишната реакцияПод влияние на фосфоглицератмутазата се изомеризира до 2-фосфоглицерат.
При деветата реакция ензимът енолаза откъсва водна молекула от 2-фосфоглицеринова киселина и води до образуването на макроергична фосфоестерна връзка в състава на фосфоенолпируват.
Десетата реакция на гликолиза, друга реакция на субстратно фосфорилиране, е прехвърлянето на високоенергиен фосфат от фосфоенолпируват към ADP чрез пируват киназа и образуването на пирогроздена киселина.
Единадесета реакция образуване на млечна киселина от пируват под действието на лактат дехидрогеназа. Важно е тази реакция да се извършва само при анаеробни условия. Тази реакция е необходима за клетката, тъй като NADH, който се образува в 6-та реакция, не може да се окисли в митохондриите при липса на кислород.
В присъствието на кислород пирогроздената киселина преминава в митохондриите и се превръща в ацетил-S-CoA.
За стабилен ход на гликолизата в безкислородни условия са необходими редица прости условия: - доставка на глюкоза, - наличие на минимални количества АТФ за активиране на процеса на първия етап и ADP като акцептор за фосфати на втория етап, - попълване на окисления NAD за шестата реакция. Ако първите две условия се подразбират сами по себе си, тогава има специално решение за решаване на третото условие: при анаеробни условия, образувани в шестата реакция на глицералдехид фосфат дехидрогеназа, NADH се използва в единадесетата реакция за редуциране на пирувата до лактат. Така образуваният NAD отново се връща в шестата реакция. Следователно клетката не се нуждае от допълнителни източници на NAD и допълнителни начини за почистване на NADH! Процесът е самоподдържащ се. Процесът на циклична редукция и окисление на NAD в реакциите на анаеробно окисление на глюкозата се наричагликолитична оксидоредукция. При аеробни условия не настъпва гликолитична оксидоредукция; NADH дарява своите водородни атоми на совалкови системи за прехвърлянето им към митохондриалната дихателна верига.
За да се изчисли количеството АТФ, образувано по време на окисляването на глюкозата, е необходимо да се вземе предвид:
1. Реакции, които вървят с цената или образуването на ATP и GTP,
2. Реакции, произвеждащи и използващи NADH и FADH2
3. Тъй като глюкозата образува две триози, всички съединения, образувани под GAF-дехидрогеназната реакция, се образуват в двойно (спрямо глюкозата) количество.
Изчисляване на АТФ по време на анаеробно окисление. На подготвителния етап 2 ATP молекули се изразходват за активиране на глюкоза, фосфатът на всяка от които е върху триозен глицералдехид фосфат и дихидроксиацетон фосфат. Следващият втори етап включва две молекули глицералдехид фосфат, всяка от които се окислява до пируват с образуването на 2 ATP молекули в седмата и десетата реакция - реакции на субстратно фосфорилиране. По този начин, обобщавайки, получаваме, че по пътя от глюкоза към пируват се образуват 2 ATP молекули в чиста форма. Все пак трябва да се има предвид петата, глицералдехид фосфат дехидрогеназна реакция, от която се освобождава NADH. Ако условията са анаеробни, тогава той се използва в реакцията на лактат дехидрогеназа, където се окислява до образуване на лактат и не участва в производството на АТФ.
При анаеробни условия голямо количество пирогроздена киселина се превръща в млечна киселина, която лесно дифундира в извънклетъчното пространство и дори в някои по-малко активни клетки. Следователно, млечната киселина е вид "отточна тръба", в която изчезват крайните продукти на гликолизата, което позволява на гликолизата да отнеме повече време, отколкото би могло да бъде.липсата на млечна киселина , Голямо количество млечна киселина, която се образува по време на анаеробна гликолиза, не се губи от тялото, т.к. ако кислородът отново стане наличен, млечната киселина може да се преобразува обратно в глюкоза или директно да се използва за енергия. Повечето от тези трансформации се извършват в черния дроб, но в малки количества те могат да се появят и в други тъкани. Ако кислородът стане достъпен отново след период на анаеробен метаболизъм, млечната киселина бързо се превръща в пирогроздена киселина, NAD-H и H+. Големи количества от тези вещества веднага се окисляват, образувайки значително количество АТФ. Излишният АТФ може да доведе до превръщането на повече от 75% от пирогроздената киселина обратно в глюкоза. Сърдечният мускул има способността да превръща млечната киселина в пирогроздена киселина и след това да използва последната за енергия. В повечето случаи това се случва по време на високо физическо натоварване, когато значително количество млечна киселина от скелетните мускули навлиза в кръвта и като цяло дава значително количество енергия на сърдечния мускул.
Ефект на Пастьор. Това е намаляване на консумацията на глюкоза и спиране на производството на млечна киселина от клетката в присъствието на кислород. Биохимичният механизъм на ефекта е конкуренцията за пируват между пируват дехидрогеназата, която превръща пирувата в ацетил-S-CoA, и лактат дехидрогеназата, която превръща пирувата в лактат.
Пируват дехидрогеназата има много по-висок афинитет и при нормални аеробни условия окислява по-голямата част от пирогроздената киселина. Веднага след като доставката на кислород намалее (липса на кръвообращение, тромбоза и т.н.), настъпва следното:
- процесите на интрамитохондриално дишане не протичат и NADH в дихателната верига не е такаокислява се
- NADH мигновено се натрупва в митохондриите, инхибира цикъла на трикарбоксилните киселини,
-ацетил-S-CoA не е включен в TCA и инхибира PVC дехидрогеназата.
В тази ситуация пирогроздената киселина няма друг избор, освен да се превърне в млечна киселина.
В присъствието на кислород инхибирането на PVC дехидрогеназата престава и тя, имайки висок афинитет към пируват, печели конкуренцията.
Гликолизата се стимулира от инсулин, което увеличава броя на молекулите на хексокиназата, фосфофруктокиназата, пируват киназата.
В черния дроб глюкокиназната активност се регулира от хормони: инсулинът и андрогените предизвикват активиране, а глюкокортикоидите и естрогените потискат нейната активност.
Фосфофруктокиназата е чувствителна към метаболитната регулация. Той се активира от AMP и собствения си субстрат, инхибиран от ATP, лимонена киселина и мастни киселини. Пируват киназата се активира от фруктозо-1,6-дифосфат. Хексокиназата на нечернодробните клетки се инхибира от нейния собствен реакционен продукт, глюкозо-6-фосфат.