Катаболизм глюкозы - гликолиз

Большинство углеводов, используемых в пищу, под действи­ем ферментов пищеварительного тракта гидролизуются до глю­козы и фруктозы, которые поступают в клетки. Дальнейшие превращения моносахаридов в пировиноградную кислоту происхо­дят в результате процесса гликолиза, включающего 10 реакций. Эти реакции протекают в цитозоле и катализируются гликоли-тическим ансамблем ферментов. Реакции гликолиза являются электрофильно-нуклеофильными и окислительно-восстановитель­ными. Некоторые из них эндэргонические и идут за счет АТФ, другие - экзэргонические и сопровождаются образованием АТФ.

С учетом химической природы метаболитов в процессе гликоли­за выделяют три основных этапа. Превращение гексоз - I этап, пре­вращение триоз - II этап и превращение оксокарбоновых кислот -III этап. Поскольку в водных растворах нециклические таутомеры присутствуют в следовых количествах, то реакции первого этапа рассмотрены на циклических таутомерах глюкозы и фруктозы.

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов - необратимая и сопровождаемая превращением енола в кетон. Кроме того, эта реакция экзэргоническая, причем на каж­дую молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ. Таким образом, в двух реакциях I этапа АТФ расходуется, а на III эта­пе АТФ синтезируется вдвое больше, чем было израсходовано. В итоге гликолиза клетка получает энергетический выигрыш. Считают, что процесс гликолиза сформировался в период, когда в атмосфере Земли не было кислорода, т. е. в полностью анаэробных условиях.

Дальнейшие превращения пирувата в организме зависят от условий, в которых они происходят. В анаэробных условиях в мышцах и тканях пируват под действием лактатдегидрогеназы и восстановленной формы кофермента НАД(Н), образовавшегося в реакции гликолиза, восстанавливается в лактат (анион мо­лочной кислоты):

Накопление молочной кислоты в клетке приводит к умень­шению рН и, как следствие, к уменьшению активности глико­литического ансамбля ферментов. В дальнейшем молочная кислота из клетки ткани выводится и кровью транспортируется в печень, где окисляется обратно в пируват.

Полученный пируват под действием пируватдегидрогеназного комплекса, включающего окисленную форму кофермента НАД⁺ и кофермент HSKoA, окислительно декарбоксилируется с образованием ацетилкофермента А:

Образовавшийся ацетилкофермент А поступает в митохонд­рии и вступает в цикл Кребса, где ацетильный остаток полно­стью окисляется в СO2 и Н2О (разд. 19.4.3). При таком оконча­нии гликолиза на каждую вступившую молекулу глюкозы об­разуется 38 молекул АТФ, почему углеводы и рассматривают как один из основных источников энергии в клетке.

Для катаболизма моносахаридов характерны реакции фер­ментативного разложения - брожения, обусловленного жизне­деятельностью микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. Подобно гликолизу брожение - многостадийный про­цесс, в результате которого образуется много промежуточных Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов - необратимая и сопровождаемая превращением енола в кетон. Кроме того, эта реакция экзэргоническая, причем на каж­дую молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ. Таким образом, в двух реакциях I этапа АТФ расходуется, а на III эта­пе АТФ синтезируется вдвое больше, чем было израсходовано. В итоге гликолиза клетка получает энергетический выигрыш. Считают, что процесс гликолиза сформировался в период, когда в атмосфере Земли не было кислорода, т. е. в полностью ана­эробных условиях.

Дальнейшие превращения пирувата в организме зависят от условий, в которых они происходят. В анаэробных условиях в мышцах и тканях пируват под действием лактатдегидрогеназы и восстановленной формы кофермента НАД(Н), образовавшегося в реакции гликолиза, восстанавливается в лактат (анион мо­лочной кислоты):

Накопление молочной кислоты в клетке приводит к умень­шению рН и, как следствие, к уменьшению активности глико­литического ансамбля ферментов. В дальнейшем молочная кислота из клетки ткани выводится и кровью транспортируется в печень, где окисляется обратно в пируват.

Полученный пируват под действием пируватдегидрогеназ-ного комплекса, включающего окисленную форму кофермента НАД⁺ и кофермент HSKoA, окислительно декарбоксилируется с образованием ацетилкофермента А:

Образовавшийся ацетилкофермент А поступает в митохонд­рии и вступает в цикл Кребса, где ацетильный остаток полно­стью окисляется в СO2 и Н2О (разд. 19.4.3). При таком оконча­нии гликолиза на каждую вступившую молекулу глюкозы об­разуется 38 молекул АТФ, почему углеводы и рассматривают как один из основных источников энергии в клетке.

Для катаболизма моносахаридов характерны реакции фер­ментативного разложения - брожения, обусловленного жизне­деятельностью микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. Подобно гликолизу брожение - многостадийный про­цесс, в результате которого образуется много промежуточных ного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила (чаще в положениях 4 или 6) другого моносахарида. Благодаря сохранению у второго моносахарида свободного гликозидного гидроксила такие дисахариды способны к раскрытию цикла с воссозданием открытого таутомера с альдегидной группой, за счет чего они могут быть восстановителями. Как альдозы они дают качественные реакции «серебряного зеркала» и образования красно-бурого осадка Сu2О. Восстанавливающие дисахариды со­гласно их строению называют гликозид-гликозами, к ним отно­сятся: мальтоза, лактоза и целлобиоза.

Моносахаридные звенья в дисахаридах могут быть связаны между собой а- или р-гликозидной связью в зависимости от кон­фигурации аномерного атома углерода. Если дисахарид образу­ется за счет гликозидного гидроксила в а-положении, то возни­кает a-гликозидная связь.

Мальтоза построена из двух молекул глюкозы, одна из кото­рых в виде пиранозного таутомера за счет а-гликозидного гидро­ксила связана с гидроксилом у С-4 второй молекулы глюкозы. Следовательно, в мальтозе остатки двух молекул D-глюкозы свя­заны а-(1—>4)-гликозидной связью:

Мальтоза полностью усваивается человеческим организмом.

В отличие от мальтозы в целлобиозе, также являющейся ди-мером глюкозы, аномерный атом углерода, участвующий в обра­зовании гликозидной связи, имеет Р-(1->4)-гликозидную связь:

Целлобиоза совсем не переваривается человеком, но легко гидролизуется в желудке травоядных животных благодаря при­сутствию у них в пищеварительном тракте микроорганизмов, способных гидролизовать Р-(1->4)-гликозидную связь.

Молоко млекопитающих содержит лактозу. В этом дисахари-де B-гликозидный гидроксил D-лактозы связан с гидроксилом у С-4 D-глюкозы с образованием Р-(1->4)-гликозидной связи:

Некоторыми людьми лактоза не усваивается из-за недостат­ка у них фермента лактазы, т. е. из-за лактазной недостаточ­ности. Детей, страдающих лактазной недостаточностью, нельзя вскармливать искусственными молочными смесями.

Все восстанавливающие дисахариды в растворах мутаротируют и восстанавливают реактив Толленса до Ag, а реактив Феллинга - до Сu2О. По аналогии с моносахаридами для этих дисахаридов характерны реакции алкилирования и ацилирова-ния в мягких условиях по полуацетальному гидроксилу с обра­зованием соответствующих О-гликозидов, а также присоедине­ния синильной кислоты по карбонильной группе.

Невосстанавливающие дисахариды. Примером невосста-навливающих дисахаридов является сахароза. Сахароза состоит из остатков D-глюкозы (таутомер а-пираноза) и D-фруктозы (таутомер Р-фураноза), которые связаны за счет полуацетальных гидроксилов этих моносахаридов. Поэтому сахарозу назы­вают гликозид-гликозидом с а-(1->2)-гликозидной связью:

В молекуле сахарозы отсутствуют свободные полуацетальные ОН-группы, поэтому невозможно раскрытие ее циклов, из-за чего ее растворы не мутаротируют, не проявляют восстановительной способности и не реагируют с синильной кислотой. Спиртовые группы сахарозы можно в жестких условиях алкилировать и ацилировать. Только после гидролиза сахарозы до глюкозы и фруктозы станет возможна реакция "серебряного зеркала" и другие реакции, характерные для альдегидов и кетонов.