И спиртового брожения

На второй стадии гликолиза глицеральдегид-3-фосфат окис­ляется при участии фермента фосфоглицеринальдегиддегидрогеназы. В результате окисления связь между остатком фосфоглицериновой кислоты и ферментом становится макроэргической, которая спонтанно распадается в присутствии фосфорной кислоты с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (рисунок 4.8, реакция 6), которая вступает далее в фосфотрансферазную реакцию с АДФ с образованием АТФ и пре­вращается в 3-фосфоглицериновую кислоту (реакция 7).

Вторая стадия гликолиза 11а 11б Фн Н2О АТФ АДФ НАД+ НАД+ НАДН . Н+ НАДН . Н+ НАДН . Н+ НАД+ АДФ АТФ этанол лактат ацетальдегид пируват фосфоенолпируват 1,3-дифосфоглицерат 3-фосфоглицерат 2-фосфоглицерат глицеральдегид-3-фосфат ф е р м е н т ы: 6 – глицеральдегидфосфат дегидрогеназа; 7 – фосфоглицераткиназа; 8 – фосфоглицеромутаза (мутаза); 9 – фосфопируватгидратаза (енолаза); 10 – пируваткиназа; 11 – лактатдегидрогеназа; 11а – пируваткарбоксилаза; 11б – алкогольдегидрогеназа. Рисунок 4.8 - Реакции гликолиза, гликогенолиза и спиртового брожения (окончание)

3-Фосфоглицериновая кислота в результате внутримолекулярного перемеще­ния фосфатной группы при участии фермента фосфоглицератму-тазы изомеризуется в 2-фосфоглицериновую кислоту (на схеме реакция 8).

Далее 2-фосфоглицериновая кислота при участии фермента енолазы превращается, теряя воду, в енольную форму фосфопировиноградной кислоты (фосфоенолпируват) — высокоэнергетического соединения (реакция 9).

В результате этой реакции происходит перераспределение внут­римолекулярной энергии, и большая часть ее оказывается скон­центрированной в макроэргической фосфатной связи 2-фосфоенолпировиноградной кислоты. Далее при участии пируваткиназы 2-фосфоенолпируват превращается в пировиноградную кислоту (пируват) (реакция 10). На этой стадии также происходит запасание энер­гии (синтез молекулы АТФ) в процессе фосфорилирования на уровне субстрата.

В зависимости от места и условий протекания процесса в орга­низме, наличия или отсутствия в нем тех или иных ферментных систем обмен пировиноградной кислоты протекает различным образом. Если процесс идет в анаэробных условиях, то пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата) (реакция 11). Доно­ром атомов водорода при этом служит восстановленный НАДН^.Н⁺, образовавшийся в реакции дегидрирования (реакция 6).

Реакция ускоряется специфическим ферментом — лактатдегид-рогеназой. В анаэробных условиях каждая молекула глюкозо-6-фосфата дает 2 молекулы молочной кислоты. Если исходным углево­дом для образования глюкозо-6-фосфата, а затем из него — мо­лочной кислоты, служит глюкоза, то процесс называют гликоли­зом. Если исходным углеводом, дающим начало глюкозо-6-фосфату (через глюкозо-1-фосфат) и далее — молочной кислоте, яв­ляется гликоген, то процесс называют гликогенолизом. Учитывая, что в случае, как гликолиза, так и гликогенолиза на промежуточ­ных стадиях дихотомического распада синтезируется АТФ, процессы гликолиза и гликогенолиза служат средством получения орга­низмом энергии в анаэробных условиях. Показано, что при гли­колизе в макроэргических фосфатных связях АТФ аккумулируется около 35 —40 % всей освобождающейся энергии. Остальные 65-70 % рассеиваются в форме теплоты.

В некоторых организмах, в частности в дрожжевых клетках, содержится мощная декарбоксилаза пировиноградной кислоты, способная в анаэробных условиях превращать пировиноградную кислоту в уксусный альдегид и углекислый газ (реакция 11 а). Образовавшийся уксусный альдегид восстанавливается за счет атомов водорода восстановленной формы НАДН^.Н⁺ (реакция 11 б). Этот процесс получил название спиртового брожения. Брожение может протекать и по другим направлениям с образованием других спиртов и органических кислот.

В аэробных условиях пировиноградная кислота окисляется до уг­лекислого газа и воды. Вначале она подвергается окислительному декарбоксилированию. Реакция катализируется комплексом ферментов, состоящим из 3 ферментов (в том числе пируватдегидрогеназа) и 5 коферментов (тиаминипрофосфат, липоевая кислота, НАД⁺, ФАД⁺ и кофермент А), назывемым пируватдегидрогеназным комплексом (ПДГК).

Механизм реакций окислительного декарбоксилирования очень сложен. В суммарном виде его можно представить следующим образом:

_{пируватдегидрогеназа}

СН₃СОСООН + НАД⁺ + HS-КоА ¾¾¾® СН₃СО~S-КоА + НАДН^.Н⁺ + СО₂

_{ацетилкоэнзим А}

Образующийся ацетилкоэнзим А, вступает в центральный процесс обмена углеводов – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), илицикл лимонной кислоты(или, по имени автора– цикл Кребса).

Начало этого цикла – взаимодействие ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК, или оксалоацетат). Активный центр фермента цитратсинтетазы способствует отрыву протона от метильной группы ацетил-КоА и образовавшийся карбанион атакует карбонильный атом углерода ЩУК с образование трикарбоновой лимонной кислоты (цитрата) (рисунок 4.9, реакция 1). Источником энергии в данной реакции служит энергия макроэргической связи в ацетил-КоА.

Рисунок 4.9 – Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

В ходе дальней реакции происходит изомеризация цитрата в изоцитрат через промежуточную кислоту – цис-аконитовую (реакции 2 и 3). Затем идет третья реакция – изоцитратдегидрогеназная. Подобно первой эта реакция является необратимой и сопровождается она образованием a-кетоглутаровой кислоты (a-оксоглутарата) (реакция 4). Коферментом данной реакции выступает НАД⁺, а кофактором – Мg²⁺. Это первая реакция в цикле на которой образуется восстановленный НАДН^.Н⁺. Кроме того, она является регулирующей для всего ЦТК (АДФ и НАД⁺ - активируют, АТФ и НАДН^.Н⁺ - угнетают).

Следующая реакция – превращение a-кетоглутарата в сукцинил-КоА. Данная реакция сходна с пируватдегидрогеназной и также катализируется комплексом трех ферментов и пяти коферментов. В результате такого окислительного декарбоксилирования образуется макроэргическое соединение – сукцинил-КоА и синтезируется еще одна молекула НАДН^.Н⁺ (реакция 5).

Сукцинилтиокиназа катализирует гидролиз сукцинил-КоА, при этом энергия макроэргического соединения сохраняется в результате синтеза гуанозинтрифосфата (ГТФ), клеточного аналога АТФ (реакция 6). Реакция протекает по механизму субстратного фосфорилирования.

Следующая стадия называется сукцинатдегидрогеназной и катализируется соответствующим ферментом – сукцинатдегидрогеназой (СДГ) (реакция 7). Акцептором водорода в данной реакции является кофермент ФАД. Особенностью СДГ является абсолютная стереоспецифичность при тщеплении атомов водорода только в транс-положении, в результате образуется только транс-изомер – фумаровая кислота (фумарат). Другая особенность СДГ – связь с мембранами митохондрий, в то время как остальные ферменты ЦТК находятся в растворенном состоянии в митохондриальном матриксе.

Реакцию гидратации фумарата до малата (янтарной кислоты) (реакция 8) катализирует фумараза, а последняя реакция - малатдегидрогеназная (реакция 9) – приводит к превращению малата вновь в оксалоацетат (ЩУК). Таким образом, цикл замыкается. Эта реакция также является НАД⁺-зависимой и сопровождается высвобождением последней молекулы НАДН^.Н⁺.

Вся сложная система ферментов, обслуживающих ЦТК, теснейшим образом связанная с си­стемой переносчиков электронов и протонов, локализована в митохондриях. Атомы водорода, полученные от субстратов в цик­ле, передаются от НАДН^.Н⁺ или восстановленного флавопротеина (ФАДН₂) по цепи оксидоредуктаз и в конце концов попадают на атом кислорода с дальнейшим образованием молекул воды.

В результате всех трех стадий процесса катаболизма глюкозы по дихотомическому пути – гликолиз, окислительное декарбоксилирование пирувата и ЦТК – последняя полностью разлагается до шести молекул СО₂. Количество молекул АТФ (в том числе и ГТФ) представляет собой энергетический эффект процесса окисления:

¾ на уровне гликолиза выделяется две молекулы АТФ;

¾ на уровне ЦТК – две молекулы ГТФ;

¾ в ходе аэробного окислительного фосфорилирования в митохондриях из 10 молекул НАДН^.Н⁺ образуется 30 молекул АТФ, а из 2 молекул ФАДН₂ – 4 молекулы АТФ.

Итоговая схема энергетического баланса имеет вид:

Итак, в ходе всего процесса расщепления глюкозы до СО₂ и Н₂О образуется 38 молекул АТФ. Однако, следует обратить внимание, что восстановленные в реакциях гликолиза две молекулы НАДН^.Н⁺ могут при окислении в митохондриях давать не шесть молекул АТФ, а только четыре. Это обясняется тем, что в процессе траспорта энергии через митохондриальную мембрану при участии глицеролфосфатного челночного механизма происходит потеря энергии при передаче ее в цепи НАДН^.Н⁺-глицеролфосфат-ФАДН₂. Таким образом, если в клетке (миоцит, нейрон) функционирует глицеролфосфатный челночный механизм, то при полном окислении глюкозы синтезируется не 38, а 36 молекул АТФ.

Апотомический путь распада глюкозы (пентозофосфатный путь)

Основными путями распада углеводов являются гликолиз и ЦТК, но наряду с ними существуют и другие пути метаболизма углеводов. Один из них – распад глюкозо-6-фосфата до СО₂ и пентоз (отсюда второе название пути - пентозофосфатный).

При апотомическом распаде глюкозо-6-фосфата не происхо­дит его фосфорилирования и превращения во фруктозодифосфат с последующим расщеплением на две фосфотриозы. В этом случае глюкозо-6-фосфат подвергается прямому окислению с отщепле­нием СО₂ и образованием пентозофосфата. Сна­чала глюкозо-6-фосфат при участии НАДФ-зависимой дегидрогеназы окисляется до 6-фосфоглюконолактона, который затем пре­вращается в 6-фосфоглюконовую кислоту (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 - Реакции апотомического (пентозофосфатного) пути