Метаболизм углеводов. 
Структура и свойства физиологически важных углеводов

Существуют три пути превращения поступающей в организм глюкозы: 1) немедленное включение в энергетический метаболизм; 2) превращение в гликоген для долгосрочного хранения; 3) превращение в липиды.

Катаболизм углеводов. Гликолиз и цикл Кребса

Первый путь представляет собой хорошо известный гликолитический путь с переходом в цикл Кребса. Суммарную реакцию окисления глюкозы можно описать уравнением:

C6H12O6 + 6O2 > 6CO2 + 6H2O, ДG0 = -2880 кДж/моль.

В клетках окисление глюкозы протекает многостадийно и сопряжено с синтезом ATP из ADP и Pi. Окисление глюкозы до CO2 и H2O в организме можно разделить на три этапа.

Первый этап — гликолиз — процесс расщепления глюкозы на два трехуглеродных фрагмента пировиноградной кислоты — пирувата, протекающий в цитоплазме клетки. Стадии гликолиза следующие:

Общее уравнение гликолиза имеет вид:

Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2НАД•Н + 2Пируват + 2АТФ + 2H2O + 2Н+.

При гликолизе на активацию одной молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом превращении каждого С3-фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.

Второй этап — цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоновых кислот), представленный на рисунке 1, является серией реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляются катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных эквивалентов; при окислении последних поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоA (CH3-CO-S-CoA, активного ацетата), тиоэфира кофермента A. В состав CoA входит витамин — пантотеновая кислота. Суммарное уравнение цикла Кребса можно записать в ввиде:

CH3CO-S-CoA + ФАД + 3НАД+ + 2Н2О + Н3РО4 + ГДФ > 2CO2 + HS-КоА + + 3(НАДН + Н+) + ФАДН2 + ГТФ Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, липидов и белков, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в ацетил-CoA, либо в промежуточные соединения рассматриваемого цикла. ЦК играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза. Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень — единственный орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью, как это имеет место при остром гепатите или циррозе соответственно. О жизненно важной роли ЦК свидетельствует и тот факт, что у человека почти неизвестны (или их вообще нет) генетически обусловленные изменения ферментов, катализирующих реакции цикла; вероятно, наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.

Рисунок 1 — Цикл Кребса [10].

Третий этап — перенос электронов на О2, который, в свою очередь, забирая из окружающей среды водород в виде протонов, превращается в H2O (электронтранспортная цепь). Эта стадия протекает во внутренней мембране митохондрий и сопровождается образованием наибольшего количества АТP. При этом биологическое окисление не обязательно связано с участием кислорода.

Энергетика метаболических процессов зависит не только от изменения стандартной свободной энергии ДG0', но и от концентрации метаболита. На рисунке 2 представлены фактические изменения свободной энергии ДG на отдельных стадиях гликолиза в эритроцитах. Видно, что только три реакции (1, 3 и 10) протекают с высоким изменением свободной энергии, причем равновесие сильно смещено в сторону образования конечных продуктов. Другие реакции легко обратимы. Они могут идти в противоположном направлении при биосинтезе глюкозы, причем с участием тех же ферментов, что и при деградации глюкозы. Для необратимых стадий 1, 3 и 10 в анаболизме используются обходные пути.

Рисунок 2 — Изменение свободной энергии при гликолизе (1−10 — соответствующие стадии гликолиза)[5].