В аэробных условиях (в присутствии кислорода) реакции гликолиза составляет начальную фазу расщипления углеводов, связанную дальше с другим важным циклом- циклом лимонной кислоты (или его называют цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса). В этом случае гликолиз останавливается на стАДНи образования пирувата, который затем путем окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил- КоА, а ацетил-КоА, вступая в цикл Кребса, окисляется до СО2 и Н2О. Образующиеся в ходе цикла Кребса и в ходе окислительного декарбоксилирования восстановленные формы НАДН и ФАДН2 поступают в дыхательную цепь, где энергия, образующаяся при переносе с них Н+ и е- на О2 может быть использована, в ходе окислительного фосфорилирования, для синтеза АТФ. Легко рассчитать энергетический эффект этого процесса. На стАДНи образования пирувата из глюкозы образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН2. На стАДНи образования ацетил-КоА из пирувата (в ходе окислительного декарбоксилирования пирувата) образуется 2НАДН2 (т.к. из глюкозы получается 2 молекулы пирувата). В ходе цикла Кребса образуется 1 моль ГТФ (=АТФ), 3 молекулы НАДН2 и 1 молекула ФАДН2 (все это умножает на 2, т. к. в цикл Кребса вступает 2 молекулы ацетил-КоА). Итого получается 2 молекулы АТФ + 2 молекулы ГТФ (=АТФ) + 10 молекул (2+2+6) НАДН и 2 моле-кулы ФАДН2. Одна НАДН при окислении в дыхательной цепи может дать энергию достаточную для синтеза 3-х АТФ, следовательно, 10 НАДН2 дадут 30 АТФ. Молекула ФАДН2, окисляясь в дыхательной цепи, может дать энергию, достаточную для синтеза 2 АТФ, а 2ФАДН2=4АТФ. Итого, получается 38 молекул АТФ. Всего при окислении одной молекулы глюкозы выделяется около 600 ккал. При аэробном окислении глюкозы, как мы подсчитали, образуется 38 молекул АТФ. АТФ, как известно, при гидролизе до АДФ дает = 10 ккал, т.е. всего на синтез АТФ при аэробном окислении затрачивается 380 ккал, что составляет около 60%,т.е. КПД аэробного окисления =60%, в то время, как КПД гликолиза составляет около 3 % (всего 2 молекулы АТФ).
Гликолиз протекает в цитозоле. Мы уже говорили о том, что ПВК относительно легко проходит через мембраны (когда говорим о судьбе лактата). Так и происходит, ведь все последующие этапы окисления глюкозы проходят в митохондриях. На начальных этапах окисления глюкозы (а они проходят в цитозоле) для окислительного фосфорилирования 3-фосфоглицеринового альдегида необходима окисленная форма НАД+. В ходе гликолиза она получается при восстановлении ПВК в лактат.При аэробном окислении глюкозы первый этап заканчивается образованием ПВК, которая через мембрану поступает внутрь митохондрий, подвергается окислительному декарбоксилированию, далее- цикл Кребса и дыхательная цепь. Можно было бы НАДН, образующуюся при фосфорилировании 3-фосфоглицеринового альдегида (т.к. мы не можем ее окислить с помощью ЛДГ- реакции до НАД+), отправить в митохондрии, там в дыхаательной цепи окислить до НАД+ и использовать для фосфорилирования 3-фосфоглицеринового альдегида. Но,оказалось, что НАДН и НАД+ не проходят через мембраны. Здесь действуют челночные механизмы: за счет НАДН образуется какая-то восстановленная форма вещества, которая проходит через мембраны, внутрь митохондрий, а окисленная форма возвращается в цитозоль, т.е. это вещество является, по сути, проводником протонов (переносчиком). При этом НАДН Окисляется до НАД+, что и требовалось. Так работает глицерофосфатный челночный механизм:
СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2
НАДН2 НАД+
С=О Н – С – ОН
Гидрофосфат DГ
СН2ОН (ингибирована в опухолях) СН2ОН
Фосфодиоксиацетон Глицерофосфат
(получается в ходе (легко проходит через
альдолазной реакции) мембрану внутрь митохондрй)
СН2ОРО3Н2
ФАД+ ФАДН2
С=О
 |
СН2ОН
Фосфодиоксиацетон
(возвращается назад в цитозоль)
Так же работает и малатный (яблочная кислота (или малат)-ЩУК) челночный механизм. Мы уже говорили, что большие количества АТФ угнетают ключевые ферменты гликолиза. Т. к. аэробный распад глюкозы дает большой выход АТФ,. то включение этого процесса подавляет процесс распада углеводов в лактат (это эффект Пастера), т.е. гликолиз ингибируется при поступлении кислорода. Кроме того, что при накоплении АТФ ингибируются ферменты гликолиза (гексокиназа, фосфофруктокиназы и др.), есть и другие механизмы подавления гликолиза при поступлении кислорода. Например, в процессе гликолиза для образования АТФ путем фосфорилирования АДФ, который нужен и при дыхании (для окислительного фосфорилирования),т.е. возникает конкуренция, в которой выигрывают митохондрии. Для образования молочной кислоты из пирувата нужен НАДН, который также нужен и для работы челночных механизмов в аэробных условиях (для восстановления фосфодиоксиацетона до глицерофосфата), т.е.снова конкуренция и снова выигрывают митохондрии
Таким образом в аэробных условиях гликолиз не идет, хотя возможен (например, в опухолях, где угнетен фермент глицерофосфат-ДГ, который катализирует восстановление фосфодиоксиацетона до глицерофосфата- челноки не работают, идет гликолиз.
В скелетных мышцах, где снабжение кислородом невелико и метаболические процессы в большей степени протекают по анаэробному пути, АТФ поступает в результате гликолиза, так что основным субстратом служат запасы гликогена, а конечным продуктом – лактат. В других мышечных тканях, способных к аэробному метаболизму в жестких условиях (например, в сердечной мышце) в основном одновременно идет гликолиз с образованием пирувата и действует цикл лимонной кислоты. В этом случае основная часть необходимого АТФ доставляется благодаря процессу ОФ в митохондриях. В соответствии с такими функциональными различиями между аэробным и анаэробными мышечными тканями сердечная мышца обычно содержит гораздо больше митохондрий, чем клетки скелетных мышц. Около 40% Сухой массы сердца приходится на митохондрии.
В периоды длительной мышечной активности АТФ используется непосредственно после его образования. В периоды отдыха энергия АТФ сохраняется в виде макророэрга – креатинфосфата, который в короткие периоды активности и в начальной фазе длительной активности служит донором фосфата для синтеза АТФ из АДФ.