Выход АТФ при аэробном распаде глюкозы.

Основное физиологическое назначение аэробного распада глюкозы заключается в использовании ее энергии для синтеза АТФ. При аэробном распаде происходит шесть реакций дегидрирования: одна — на стадии глицеральдегидфосфата, и пять — в общем пути катаболизма. С восстановленных коферментов водород в конечном счете передается на кислород воздуха через митохондриальную дыхательную цепь. Именно поэтому рассматриваемый процесс называется аэробным. В отсутствие кислорода все имеющиеся в клетке запасы окисленных коферментов (НАД и других) превратились бы в восстановленные формы, и дальнейшее окисление глюкозы стало бы невозможным.

В расчете на  1  моль распадающейся глюкозы синтезируется 40 моль АТФ. В начальных стадиях (реакции 1 и 3) затрачивается  2 моль АТФ;  после  их  вычитания  получаем чистый выход — 38 моль АТФ на 1 моль глюкозы, составляющий энергетический баланс распада глюкозы.

Челночные  механизмы. 

Десять ферментов,  катализирующих распад глюкозы до стадии пирувата, локализованы в цитозоле; все остальные — в митохондриях. В числе первых десяти реакций есть дегидрирование с участием НАД+  (реакция окисления глицеральдегид-3-фосфата). Образующийся здесь НАД-Н не может передавать водород непосредственно в цепь биологического окисления, поскольку митохондриальная мембрана непроницаема для внемитохондриального НАД-Н. Перенос водорода с цитозольного НАД-Н в митохондрии происходит при участии специальных  механизмов,  называющихся  челночными.   Суть этих  механизмов сводится к тому, что НАД-Н в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию; в митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный    НАД,   и   вновь   переходит   в   цитозоль.

В случае действия глицеролфосфатного челночного механизма 2 молекулы НАДН, образовавшиеся в процессе превращения глицеральдегид-3-фосфата могут давать не 6 молекул АТФ, а только 4.  Цитоплазматический НАДН сначала реагирует с цитоплазматическим дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат. Реакция катализируется НАД-зависимой цитоплазматической глицерол-3-фосфат-дегидрогеназой:

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н+  ⇄  Глицерол-3-фосфат + НАД*.

Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану. Внутри митохондрии другая (митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (флавиновый фермент) снова окисляет глицерол-3-фосфат до диоксиацетонфосфата:

Глицерол-3-фосфат + ФАД ⇄ Диоксиацетонфосфат + ФАДН2.

Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН2) вводит на уровне KoQ приобретенные им электроны в цепь биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования, а диоксиацетонфосфат выходит из митохондрий в цитоплазму и может вновь взаимо­действовать с цитоплазматическим НАДН + Н. Таким образом, пара электронов (из одной молекулы цитоплазматического НАДН + Н+), вво­димая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ.

В дальнейшем было показано, что с помощью данного челночного механизма лишь в скелетных мышцах и мозге осуществляется перенос восстановленных эквивалентов от цитозольного НАДН + Н+ в мито­хондрии.

В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малат-аспартатная челночная система. Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствию малатдегидрогеназы и аспартатаминотрансферазы как в цитозоле, так и в митохондриях.

Установлено, что от цитозольного НАДН + Н+ восстановленные эквиваленты сначала при участии фермента малатдегидрогеназы переносятся на цитозольный оксалоацетат. В результате образуется малат, который с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты, проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД+ восстанавли­вается в НАДН + Н+ , который может теперь передавать свои электроны в цепь дыхательных ферментов, локализованную на внутренней мембране митохондрии. В свою очередь образовавшийся оксалоацетат (он непосредственно не может возвратиться в цитозоль через мембрану.) в присутствии глутамата и фермента AcAT вступает в реакцию трансаминирования. Образующиеся аспарат и a-кетоглутарат с помощью специальных транс­портных систем способны проходить через мембрану митохондрий.

Транспортирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызы­вает к действию следующий цикл. В целом процесс включает легко­обратимые реакции, происходит без потребления энергии, «движущей силой» его является постоянное восстановление НАД+ в цитозоле глицеральдегид-3-фосфатом, образующимся при катаболизме глюкозы.

Итак, если функционирует малат-аспартатный механизм, то в результа­те полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ.