Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

10.7. Глиоксилатный цикл

НАДН → НАД+ + Н+ + 2е–

} окисление

ФАДН → ФАД + 2H+ + 2е–

О2 + 4Н+ + 4е– → 2H2O } восстановление АДФ + Фн → АТФ } фосфорилирование

10.7. ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ

Впрорастающих семенах клещевины, подсолнечника, арахиса и других культур активируется процесс синтеза моносахаридов и органических кислот из ацетил-КоА. Этот процесс можно рассматривать как видоизмененный цикл Кребса, в лимитирующей стадии которого происходит образование глиоксиловой кислоты (рис. 10.9). Поэтому этот процесс получил название глиоксилатный цикл. Ферментативные реакции глиоксилатного цикла протекают в субклеточных структурах, называемых глиоксисомами.

Вклетках животных этот цикл отсутствует.

Вглиоксилатном цикле, как и в цикле Кребса, из оксалоацетата и аце- тил-КоА при участии цитратсинтазы (1) синтезируется лимонная кислота (цитрат). В дальнейшем аконитаза (2) катализирует реакцию превращения цитрата в изоцитрат. Промежуточным продуктом реакции является цис- аконитовая кислота. Однако следующая реакция глиоксилатного цикла отличается от реакций цикла трикарбоновых кислот. В глиоксилатном цикле изоцитратлиаза (3) расщепляет изоцитрат на янтарную и глиоксиловую кислоты. К последней малатсинтаза (4) присоединяет ацетил-КоА с образованием яблочной кислоты (малата). Цикл завершает малатдегидрогеназа (5), катализирующая реакцию дегидрирования малата. В результате реакции образуется щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат).

Образовавшаяся в глиоксилатном цикле янтарная кислота (сукцинат) поступает из глиоксисомы в митохондрии, где подвергается следующим превращениям. Вначале под действием флавопротеиновой сукцинатдегидрогеназы (6) сукцинат дегидрируется с образованием фумаровой кислоты (фумарат). Затем при участии фумаратгидратазы (7) происходит присоединение молекулы воды к фумаровой кислоте с образованием яблочной кислоты. После этого малат подвергается дегидрированию при участии малатдегидрогеназы (8). Реакция протекает в присутствии НАД+, который восстанавливается в НАДН. Образовавшийся оксалоацетат превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. Реакцию катализирует фосфопируваткарбоксилаза (9), осуществляющая перенос остатка фосфорной кислоты с ГТФ на оксалоацетат. Далее фосфоенолпировиноградная кислота превращается при участии ферментов глюконеогенеза. В этом процессе образуются триозофосфаты и фосфорилированные формы моносахаридов.

163

Глава 10. Метаболизм углеводов

Рис. 10.9. Глиоксилатный цикл (1 — цитратсинтаза, 2 — аконитаза, 3 — изоцитратлиаза, 4 — малатсинтаза,

5 — малатдегидрогеназа, 6 — сукцинатдегидрогеназа, 7 — фумаратгидратаза,

8 — митохондриальная малатдегидрогеназа, 9 — фосфопируваткарбоксилаза)

Таким образом, глиоксилатный цикл крайне необходим растениям, так как выполняет роль связующего процесса в соматических клетках, обеспечивая протекание реакций синтеза липидов, углеводов, органических кислот, аминокислот и других соединений.

10.8. ПРОЦЕСС СИНТЕЗА ГЛЮКОЗЫ

При определенных условиях пировиноградная кислота может быть использована в анаэробных реакциях синтеза глюкозы и крахмала. Процесс

164

10.8. Процесс синтеза глюкозы

синтеза глюкозы из пирувата называется глюконеогенез (рис. 10.10). В этом процессе участвуют ферменты, катализирующие обратимые стадии гликолиза. При этом три необратимые реакции гликолиза катализируются специализированными ферментами глюконеогенеза.

Первая реакция глюконеогенеза катализируется пируваткарбоксилазой (1), которая осуществляет присоединение СО2 к пировиноград-

Рис. 10.10. Синтез глюкозы из пировиноградной кислоты (глюконеогенез) (1 — пируваткарбоксилаза, 2 — фосфоенолпируваткарбоксикиназа, 3…8, 10 — ферменты гликолиза, 9 — фруктозодифосфатаза, 11 — глюкозо-6-фосфатаза)

165

Глава 10. Метаболизм углеводов

ной кислоте, с образованием оксалоацетата. В реакциях участвует АТФ, активатором фермента служит ацетил-КоА. В следующей реакции оксалоацетат подвергается декарбоксилированию и фосфорилированию, превращаясь в фосфоенолпируват. Реакция катализируется фосфоенолпируваткарбоксикиназой (2), при этом донором фосфатного остатка служит гуанозинтрифосфат (ГТФ).

При участии ферментов гликолиза фосфоенолпируват превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, который подвергается дефосфорилированию. Эта реакция катализируется ферментом фруктозодифосфатазой (9), при участии которой фруктозо-1,6-дифосфат преобразуется во фруктозо- 6-фосфат. Ингибитором фермента служит АМФ и фруктозо-2,6-дифос- фат. Фруктозо-6-фосфатизомераза (10) гликолиза катализирует реакцию изомеризации, превращая фруктозо-6-фосфат в глюкозо-6-фосфат. Последний подвергается дефосфорилированию при участии глюкозо-6-фос- фатазы (11) в глюкозу. Суммарное уравнение реакций глюконеогенеза следующее:

2CH3COCOOH + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2Н+ + 6Н2О →

→ ГЛЮКОЗА (С6Н12О6) + 2НАД+ + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн

Таким образом, в реакциях глюконеогенеза принимают участие ферменты гликолиза, катализирующие обратимые стадии (енолаза, глицератмутаза, глицераткиназа, 3-фосфоглицератдегидрогеназа, триозофосфатизомераза, альдолаза, глюкозо-6-фосфатизомераза). Направленность глюконеогенеза определяется ферментами: пируваткарбоксилазой, фосфоенолпируваткарбоксилазой, фруктодифосфатазой и глюкозо-6-фос- фатазой. Регуляторами глюконеогенеза являются АТФ и АМФ, а также фруктозо-2,6-дифосфат. Высокие концентрации АТФ при низком содержании АМФ стимулируют протекание глюконеогенеза, тогда как повышение в клетке содержания фруктозо-2,6-дифосфата ускоряет протекание гликолиза и понижает скорость глюконеогенеза, а возрастание содержания фруктозо-2,6-дифосфата способствует ускорению глюконеогенеза. Лимитирующей реакцией глюконеогенеза является реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой.

10.9.ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОВ

Пентозофосфатный путь начинается с окисления глюкозо-6-фосфата (рис. 10.11). Реакция катализируется ферментом глюкозо-6-фосфатдегид- рогеназой (1), с участием НАДФ и ионов Мg2+ и Мn2+. В реакции глюкозо- 6-фосфат подвергается дегидрированию, превращаясь в 6-фосфоглюко-

166

10.9. Пентозофосфатный путь превращения углеводов

Рис. 10.11. Пентозофосфатный путь окисления углеводов (1 — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 2 — 6-фосфоглюколактоназа,

3 — 6-фосфоглюконатдегидрогеназа, 4 — пентозофосфатизомераза,

5 — пентозофосфатэпимераза, 6 — транскетолаза, 7 — трансальдолаза,

8 — транскетолаза, 9 — триозофосфатизомераза, 10 — альдолаза, 11 — фруктозо-1,6-дифосфатаза, 12 — глюкозофосфатизомераза)

лактон, который гидролизуется при помощи 6-фосфоглюконолактоназы

(2)в 6-фосфоглюконовую кислоту.

Затем 6-фосфоглюконовая кислота подвергается дегидрированию

и декарбоксилированию при участии фермента 6-фосфоглюконатде- гидрогеназы (3) в рибулозо-5-фосфат. Реакция протекает при участии НАДФ. В дальнейшем рибулозо-5-фосфат под действием фермента фосфопентозоэпимеразы (5) превращается в ксилулозо-5-фосфат или изомеризуется соответствующей фосфопентозоизомеразой (4) в рибозо- 5-фосфат. На этом окислительные стадии в пентозофосфатном пути превращения углеводов завершаются и начинается неокислительный этап пентозофосфатного цикла, ферментами которого являются транс-

167

Глава 10. Метаболизм углеводов

кетолаза и трансальдолаза, катализирующие превращение изомерных пентозо-5-фосфатов.

Реакции, катализируемые транскетолазой, протекают при участии тиаминпирофосфата, выполняющего роль переносчика гликоальдегидной группы. В реакции с ксилулозо-5-фосфатом группа переносится на рибо- зо-5-фосфат с участием транскетолазы (6). В результате ферментативной реакции образуется седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид. В реакции с ксилулозо-5-фосфатом группа переносится на эритро- зо-4-фосфат с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицерино- вого альдегида. Трансальдолаза (7) катализирует реакции переноса остатка диоксиацетона от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления углеводов можно представить в следующем виде:

6(Г-6-Ф) + 7(Н2О) + 12(НАДФ+) → 5(Г-6-Ф) + 6(СО2) + Фн + 12(НАДФН2)

Таким образом, реакции ПФП протекают в цитоплазме клетки. Окислительный этап ПФП завершается восстановлением двух молекул НАДФ+, которые в дальнейшем могут принять участие в реакциях синтеза липидов (биосинтез жирных кислот, холестерина и др.). Наличие схожих промежуточных продуктов ПФП и гликолиза позволяет предположить, что эти процессы способны взаимно дополнять друг друга и регулировать скорость протекания. Продукты ПФП могут служить пластическим материалом при формировании биогенных молекул (нуклеотидов). У животных активность ферментов ПФП возрастает в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и в молочной железе в период лактации. Лимитирующей ферментативной реакцией ПФП является реакция, катализируемая глюкозо-6-фос- фатдегидрогеназой. Ферменты ПФП совместно с ферментами гликолиза способствуют взаимному превращению трех-, четырех-, пяти-, шести-, семиуглеродных углеводов путем обратимого переноса двухили трехуглеродных остатков (гликольальдегидных или диоксиацетоновых групп), осуществляемых с участием транскетолазы и трансальдолазы.

10.10.ПРОЦЕСС СИНТЕЗА АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

Аскорбиновая кислота (см. п. 6.1) является одним из наиболее распространенных в живых организмах витамином. Активно синтезируется в растительных тканях. Однако витамин отсутствует в семенах и зерновках высших растений, но начинает активно вырабатываться с первых дней их прорастания. Высокое содержание аскорбиновой кислоты отмечается

168

10.10. Процесс синтеза аскорбиновой кислоты

в листьях, плодах и корнеплодах. Особенно богаты витамином плоды шиповника и черной смородины. В растениях аскорбиновая кислота синтезируется из гексоз (глюкоза и галактоза). Один из возможных путей синтеза аскорбиновой кислоты показан на рис. 10.12.

Глюкоза

Уридиндифосфатглюкоза

УДФ-глюкуроновая кислота

УДФ Глюкуроновая кислота

Гулонолактон

8О2

Н2О2 Аскорбиновая кислота

Рис. 10.12. Реакции синтеза аскорбиновой кислоты из глюкозы (1 — гексокиназа, 2 — фосфоглюкомутаза, 3 — глюкозо-1-фосфат-уридил-

трансфераза, 4 — УДФ-глюкозодегидрогеназа, 5 — УДФ-глюкуронатгидролаза, 6 — глюкуронатредуктаза, 7 — альдонолактоназа, 8 — гулонолактоноксидаза)

Промежуточными продуктами процесса являются уридиндифосфатглюкоза и уридиндифосфатгалактоза, которые после окисления превращаются в уридиндифосфатглюкуроновую и уридиндифосфатгалактуроновую кислоты. Эти соединения после гидролиза преобразуются в глюкуроновую и галактуроновую кислоты.

Затем эти соединения после преобразований в реакциях восстановления и дегидратации превращаются в соответствующие лактоны (L-гу- лонолактон и L-галактонолактон). Процессы завершаются реакциями окисления лактонов с образованием аскорбиновой кислоты.

169

Глава 10. Метаболизм углеводов

OH OH Уридин-5′-дифосфо-α-D-глюкопираноза (УДФ-глюкоза)

OH OH Уридин-5′-дифосфо-α-D-галактопираноза (УДФ-галактоза)

В растениях аскорбиновая кислота может окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту при участии специализированной оксидазы — аскорбатоксидазы. Кроме того, аскорбиновая кислота может участвовать в оксидазных реакциях, катализируемых пероксидазой. Высокая активность аскорбатоксидазы отмечается в растительных тканях тыквы, капусты и кабачков, тогда как наибольшая активность пероксидазы проявляется в корнях растений, особенно в корнях хрена.

10.11. ПРОЦЕСС СИНТЕЗА САХАРОЗЫ

Наиболее распространенным дисахаридом растений является сахароза,

всоставе которой остатки α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы.

Вначале процесса происходит образование фосфорилированных форм моносахаридов (рис. 10.13). Для завершения процесса необходимо, чтобы к глюкозо-1-фосфату был присоединен УТФ. Реакцию катализирует глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза (3). В результате образуется уридиндифосфатглюкоза и пирофосфорная кислота.

Затем происходит взаимодействие УДФ-глюкозы и фруктозо-6-фос- фата. Реакция протекает при участии сахарозофосфатсинтазы (5). Образовавшийся сахарозо-6-фосфат подвергается гидролизу фосфатазой

(6) с образованием дисахарида — сахарозы. Анализ реакций процесса синтеза сахарозы показывает, что для биосинтеза одной молекулы дисахарида необходимы три макроэргические фосфатные связи (две молекулы

170