Катаболизм: гликолиз, цикл Кребса, β-окисление
Гликолиз и судьба пирувата
linkОпора
- Урок 385. АТФ и источники энергии — оценивать энергетику биохимических процессов
- Урок 282. Альдольная реакция — рисовать механизм и продукт альдольного присоединения
Гликолиз — цепочка из десяти реакций, и почти каждая из них знакома по органической химии: фосфорилирование спиртовых групп, изомеризация альдозы в кетозу через ендиол (урок 367), ретроальдольное расщепление (урок 282) и окисление альдегида. В итоге молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата, а часть выделившейся энергии запасается в АТФ и NADH.
Как считать в гликолизе
- Первая половина гликолиза тратит энергию: две стадии расходуют АТФ (гексокиназа и фосфофруктокиназа), а фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две триозы.
- Вторая половина идёт дважды — для каждой триозы: окисление глицеральдегид-3-фосфата даёт NADH, а две стадии субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназа и пируваткиназа) дают по молекуле АТФ.
- Подведите итог на молекулу глюкозы: две молекулы пирувата, две NADH и две АТФ чистого выхода.
- Без кислорода клетка регенерирует NAD⁺: восстанавливает пируват в лактат (лактатдегидрогеназа) или, как дрожжи, декарбоксилирует пируват в ацетальдегид (пируватдекарбоксилаза) и восстанавливает его в этанол (алкогольдегидрогеназа).
Примеры
1. Молочнокислое брожение. В работающей мышце при нехватке кислорода глюкоза превращается в молочную кислоту: \(\ce{C6H12O6 -> 2CH3CH(OH)COOH}\), и на молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ.
2. Спиртовое брожение. Дрожжи превращают глюкозу в этанол и углекислый газ: \(\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}\); выход АТФ тот же — две молекулы на молекулу глюкозы.
errorВыход гликолиза — чистый
На молекулу глюкозы образуется четыре молекулы АТФ, но две из них расходуются на первых стадиях, поэтому чистый выход — две молекулы АТФ.
edit_noteПопробуйте сами
Сколько молекул АТФ даёт гликолиз на один остаток глюкозы гликогена, если гликоген расщепляется фосфоролизом до глюкозо-1-фосфата?
expand_moreПоказать решение
Три: четыре молекулы АТФ образуются, а расходуется только одна (на фосфофруктокиназной стадии), потому что остаток глюкозы уже фосфорилирован без затраты АТФ.
Цикл Кребса и β-окисление
Пути расщепления углеводов, жиров и аминокислот сходятся к ацетил-КоА — тиоэфиру уксусной кислоты и кофермента A (урок 383). В цикле Кребса ацетильная группа окисляется до углекислого газа, а отнятые электроны переходят на NAD⁺ и FAD. Затем при окислительном фосфорилировании NADH и FADH₂ отдают электроны кислороду, и синтезируется основная часть АТФ.
Как посчитать выход АТФ
- Один оборот цикла Кребса даёт 3 NADH, 1 FADH₂ и 1 ГТФ; с окислительным фосфорилированием это \(3 \cdot 2{,}5 + 1{,}5 + 1 = 10\) АТФ на молекулу ацетил-КоА.
- Окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-КоА даёт ещё 1 NADH (2,5 АТФ) и 1 молекулу \(\ce{CO2}\).
- β-Окисление кислоты с 2n атомами углерода проходит n − 1 циклов, и каждый цикл даёт FADH₂ и NADH (4 АТФ); всего образуется n молекул ацетил-КоА. Активация кислоты обходится в 2 АТФ, потому что АТФ расщепляется при этом до АМФ.
- Сложите вклады: АТФ из ацетил-КоА, АТФ из NADH и FADH₂ циклов β-окисления и затраты на активацию.
Примеры
1. Пальмитиновая кислота. Пальмитиновая кислота \(\ce{C15H31COOH}\) проходит 7 циклов β-окисления и даёт 8 молекул ацетил-КоА, поэтому выход АТФ равен \(8 \cdot 10 + 7 \cdot 4 - 2 = 106\).
2. Глюкоза. При полном окислении глюкозы \(\ce{C6H12O6}\) получается 2 АТФ в гликолизе, 5 АТФ из двух NADH гликолиза, 5 АТФ из двух NADH пируватдегидрогеназы и 20 АТФ из двух оборотов цикла Кребса — всего 32 АТФ.
errorЦиклов на один меньше, чем молекул ацетил-КоА
Последний цикл β-окисления расщепляет четырёхуглеродный ацил сразу на две молекулы ацетил-КоА, поэтому кислота с 2n атомами углерода даёт n молекул ацетил-КоА, а циклов проходит n − 1.
edit_noteПопробуйте сами
Почему при окислении жирных кислот на один атом углерода образуется больше АТФ, чем при окислении глюкозы?
expand_moreПоказать решение
Атомы углерода жирной кислоты восстановлены сильнее (группы \(\ce{CH2}\), а не CHOH), поэтому при их окислении образуется больше NADH и FADH₂.
push_pinГлавное
Гликолиз (10 стадий): глюкоза + 2 NAD⁺ + 2 АДФ + 2 Pᵢ → 2 пирувата + 2 NADH + 2 АТФ + 2 H⁺ + 2 H₂O; вложено 2 АТФ (гексокиназа, фосфофруктокиназа), получено 4 (фосфоглицераткиназа, пируваткиназа). Пируват без кислорода восстанавливается в лактат (регенерация NAD⁺) или у дрожжей декарбоксилируется в ацетальдегид и восстанавливается в этанол; при наличии кислорода окислительно декарбоксилируется в ацетил-КоА. Цикл Кребса: ацетил-КоА + 3 NAD⁺ + FAD + ГДФ + Pᵢ + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + FADH₂ + ГТФ + 3 H⁺ + КоА–SH. Окислительное фосфорилирование: NADH — около 2,5 АТФ, FADH₂ — 1,5; ацетил-КоА даёт 10 АТФ. β-Окисление: ацил-КоА → (FAD) еноил-КоА → (H₂O) 3-гидроксиацил-КоА → (NAD⁺) 3-кетоацил-КоА → (КоА) ацетил-КоА + ацил-КоА на два атома короче; пальмитат: 7 циклов → 8 ацетил-КоА, 7 FADH₂, 7 NADH, итого 106 АТФ (активация стоит 2).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.