Анаэробная фаза превращений углеводов

Расщепление гликогена (мобилизация) начинается с его фосфоролиза – взаимодействия с молекулой свободной фосфорной кислоты, катализируемого ферментом фосфорилазой. При этом от гликогена отщепляется фосфорилированная молекула глюкозы: глюкозо-1-фосфат. Скорость фосфоролиза определяется активностью фосфорилазы, повышение которой может происходить под влиянием многочисленных воздействий. Так, в печени активность фосфорилазы повышается под влиянием нервных импульсов из соответствующих отделов гипоталамуса, возбуждение которых связано с падением концентрации глюкозы в крови ниже 3,9 ммоль/л.

Одновременно ЦНС оказывает воздействие на надпочечники и поджелудочную железу, приводящее к усилению продукции адреналина (из мозгового слоя надпочечников) и глюкагона (из поджелудочной железы). Оба этих гормона через своего внутриклеточного посредника –цАМФ – стимулируют активность фосфорилазы. Адреналин оказывает аналогичное воздействие и на мышечную фосфорилазу. Кроме этого активность мышечной фосфорилазы возрастает под влиянием ионов Са⁺², Nа⁺ и ацетилхолина, концентрация которых в мышечной ткани возрастает с началом мышечной работы.

Снижение скорости фосфоролиза происходит при уменьшении концентрации гликогена и фосфорной кислоты, повышении концентрации глюкозо-6-фосфата, а также усилении процессов торможения в ЦНС, под влиянием утомления. Это является защитной реакцией организма, предотвращающей от слишком больших трат углеводных ресурсов.

Глюкозо-1-фосфат, образующийся при мобилизации гликогена, быстро изомеризуется в глюкозо-6-фосфот. Как уже указывалось ранее, в печени глюкозо-6-фосфат расщепляется фосфатазой на фосфорную кислоту и свободную глюкозу, которая выходит в кровь. В тканях, где фосфатаза отсутствует (например, в мышечной ткани), глюкозо-6-фосфат не может вновь превращаться в глюкозу и подвергается дальнейшим преобразованиям.

На этапе образования глюкозо-6-фосфата сходятся превращения гликогена и глюкозы. Начальное фосфорилирование глюкозы происходит в реакции с АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Образовавшийся из глюкозы или гликогена глюкозо-6-фосфат при участии фермента глюкозофосфатизомеразы преобразуется во фруктозо-6-фосфат, который подвергается еще одному фосфорилированию в реакции с АТФ, катализируемому фосфофруктокиназой. В результате образуется фруктозо-1,6-дифосфат, который под действием фермента альдолазы распадается на две фосфотриозы: фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, являющиеся изомерами и обладающие способностью к взаимопревращениям. Фосфодиоксиацетон изомеризуется в фосфоглицериновый альдегид, который и является субстратом дальнейших превращений продуктов распада углеводов.

Таким образом можно считать, что первый этап превращений гликогена и глюкозы, протекающий с затратой энергии, завершается образованием двух молекул фосфоглицеринового альдегида из каждой молекулы глюкозы или глюкозного остатка гликогена. При этом затраты энергии различны: при расщеплении глюкозы затрачиваются две молекулы АТФ, при расщеплении гликогена – одна молекула АТФ на каждый глюкозный остаток.

На следующем этапе превращений фосфоглицериновый альдегид подвергается окислению специфической НАД-зависимой дегидрогеназой. В реакции участвует также свободная фосфорная кислота. Реакция протекает в несколько стадий и завершается образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, содержащей макроэргическую фосфатную связь, и восстановленной формы дегидрогеназы (НАД-Н₂), к которой мы вернемся позднее.

Макроэргическая фосфатная связь 1,3-дифосфоглицериновой кислоты содержит запас энергии, достаточный для ресинтеза АТФ в реакции перефосфорилирования с АДФ. 1,3-дифосфоглицериновая кислота в ходе этой реакции, активизируемой ферментом фосфоглицераткиназой, преобразуется в 3-фосфоглицериновую кислоту.

3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицеромутазы изомеризуется в 2-фосфоглицериновую кислоту, которая при участии фермента энолазы подвергается дегидратации (теряет молекулу воды). В ходе этой реакции происходит внутримолекулярное перераспределение энергии, в результате которого у второго углеродного атома 2-фосфоглицериновой кислоты образуется макроэргическая фосфатная связь. Запас энергии в этой связи достаточен для ресинтеза АТФ в реакции перефосфорилирования с АДФ. Реакция катализируется ферментом пируваткиназой и завершается образованием (кроме АТФ) пировиноградной кислоты.

Таким образом, на втором этапе превращений начинается освобождение заключенной в углеводах энергии и преобразование ее в удобную для организма форму (АТФ). На этапе превращений от фосфоглицеринового альдегида до пировиноградной кислоты ресинтезируется две молекулы АТФ. Учитывая, что из одной молекулы глюкозы или глюкозного остатка гликогена образуется две молекулы пировиноградной кислоты, общее количество ресинтезируемой АТФ составляет четыре молекулы.Вычитая из этого количества затраты АТФ на начальных этапах превращений мы получает получаем итоговый результат: две (при распаде глюкозы) и три (в случае превращений гликогена) новых молекулы АТФ. Схема анаэробной фазы превращений углеводов и ее энергетический эффект представлены на рис. 33.

Рис. 33. Этап анаэробных превращений углеводов

На этапе образования пировиноградной кислоты расходятся аэробные и анаэробные превращения углеводов. При недостаточном снабжении работающих тканей кислородом дыхательная цепь «забивается» протонами и электронами и не может принять водород от НАД-Н₂. В этих условиях НАД-зависимая дегидрогеназа сбрасывает водороды временному акцептору. Роль такого временного акцептора выполняет пировиноградная кислота, которая присоединяет два атома водорода и превращается в молочную кислоту (рис. 34).

Рис. 34. Восстановление пировиноградной кислоты в молочную

Этап превращений углеводов, начинающийся с глюкозы или гликогена и завершающийся образованием молочной кислоты, называется гликолизом (в случае расщепления глюкозы) или гликогенолизом (при расщеплении гликогена). Однако на практике гликолизом называют анаэробную фазу расщепления как глюкозы, так и гликогена.

В условиях неадекватного снабжения кислородом, например, при напряженной мышечной деятельности, в организме можут накапливаться значительные количества молочной кислоты. Так, у высокотренированных спортсменов при выполнении интенсивной работы концентрация молочной кислоты в крови может повышаться в десять и более раз по сравнению суровнем покоя. Таким образом, при выполнении интенсивной мышечной работы значительное количество углеводов расщепляется в анаэробных превращениях, которые участвуют в обеспечении работы энергией. Поэтому гликолиз рассматривается как самостоятельный процесс энергообеспечения. Что происходит с образовавшейся в ходе анаэробных превращений молочной кислотой, рассмотрим позже.

Если анаэробный этап превращений углеводов, завершающийся образованием пировиноградной (или молочной) кислоты осуществляется в цитоплазме клеток, то следующий – аэробный этап превращений происходит в митохондриях, куда поступает пировиноградная кислота. Остановимся на сути этих превращений.