2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется по первому углеродному

атому ферментом фосфофруктокиназой за счет АТФ. Реакция необра-

тима. Фосфофруктокиназа Ã аллостерический фермент, активность которого регулируется: активируется АДФ и АМФ и тормозится АТФ и цитратом. Реакция протекает в присутствии ионов Mg. Эта стадия ли-

митирует скорость всего процесса распада. Таким образом, на активность фосфофруктокиназы (а соответственно на скорость распада глюкозы) влияет отношение АТФ/АМФ в цитозоле клетки. Фруктозо-1,6-

бисфосфат, образовавшийся в этой реакции, далее расщепляется альдолазой на две фосфотриозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и диокси-

ацетонфосфат, которые являются изомерами по отношению друг к другу. Под действием триозофосфатизомеразы они легко превращаются друг в друга, но дальнейшим превращениям подвергается 3-

фосфоглицериновый альдегид, и по мере его убыли происходит превращение диоксиацетонфосфата в его изомер (хотя образуется 95% диоксиацетонфосфата и только 5% 3-фосфоглицеринового альдегида). Поэтому можно считать, что молекула фруктозо-1,6-бисфосфата распадается на 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.

152

3-фосфоглицериновый альдегид взаимодействует с дегидрогеназой 3-фосфоглицеринового альдегида. Это сложный фермент с четвер-

тичной структурой. Построен из четырех идентичных субъединиц. В каждой полипептидной цепи в активный центр фермента входит SН-

группа остатка цистеина. Каждая полипептидная цепь прочно соединена с молекулой НАД. НАД защищает фермент от термоинактивации, протеолитического расщепления. Таким образом, в ферменте есть четыре структурно независимых каталитических центра. При взаимодействии дегидрогеназы с 3-фосфоглицериновым альдегидом образуется фер- мент-субстратный комплекс типа тиополуацеталя. Происходит окисле-

ние этого комплекса с переносом протонов и электронов к НАД, т.е. происходит окисление альдегида в кислоту, а энергия окисления аккумулируется в макроэргической связи.

Протоны и электроны с НАД+, прочно связанного с ферментом, переносятся на свободный цитоплазматический НАД+, а макроэргическая связь закрепляется фосфатом с образованием 1,3-

бисфосфоглицериновой кислоты. Фермент освобождается из комплекса.

Фосфоглицераткиназа переносит фосфатный остаток, богатый энергией, на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Таким образом, энергия окисления 3-фосфоглицеринового

альдегида в кислоту аккумулируется в макроэргических связях АТФ.

Синтез АТФ, связанный с переносом на АДФ фосфата из высокоэнергетических соединений, образовавшихся в результате внутримолекулярных превращений субстратов, называется субстратным фосфорилированием.

В 3-фосфоглицериновой кислоте фосфоглицеромутаза переносит фосфатную группировку во 2-ое положение, и образуется 2-

фосфоглицериновая кислота. Фермент енолаза отщепляет от нее воду, и образуется фосфоенолпируват.

153

При отщеплении воды связь с фосфатом становится макроэргической. Енолаза активируется Mg2+ и Mn2+, ингибируется фторидом.

Пируваткиназа переносит фосфатный остаток, богатый энергией, с фосфоенолпирувата на АДФ, и образуются еще две молекулы АТФ (субстратное фосфорилирование). Реакция необратима. В результате образуются две молекулы пировиноградной кислоты.

Таким образом, в результате специфического пути превращения глюкозы в цитозоле клеток образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы восстановленного кофермента НАД (2НАД!Н+Н+) и 4 молекулы АТФ, однако 2 молекулы АТФ были израсходованы на фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата. Поэтому 4-2=2 АТФ – энергетический баланс распада молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты.

Аэробный распад глюкозы

В аэробных условиях (а большинство тканей в организме получают энергию за счет аэробных процессов) образовавшиеся в цитоплазме продукты – пировиноградная кислота и восстановительные эквиваленты (НАД!Н+Н+) переносятся в митохондрии.

Пировиноградная кислота вступает в митохондриях в общий путь катаболизма: подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, который окисляется в цикле трикарбоновых кислот до СО2 и Н2О.

Наружная мембрана митохондрий хорошо проницаема для большинства низкомолекулярных соединений. Внутренняя мембрана проницаема для воды, небольших нейтральных молекул (глицерофосфат, жирные кислоты с короткой углеродной цепью), непроницаема для катионов Na+, К+, анионов Cl– и других, сахаров, большинства аминокислот, НАД, НАД!Н+Н+, НАДФ, НАДФ!Н+Н+ и др. Обмен между цито-

154

плазмой и внутренней средой митохондрий представляет сложный процесс, осуществляющийся с помощью особых переносчиков. Специальный переносчик обеспечивает перенос молекул пирувата по механизму симпорта с протоном.

Основным механизмом переноса восстановительных эквивалентов из цитоплазмы в митохондрии (протонов и электронов, восстановивших НАД на стадии окисления 3-фосфоглицеринового альдегида) является малат- оксалацетатный челночный механизм.

Он заключается в восстановлении в цитоплазме щавелевоуксусной кислоты в малат, для которого есть переносчик во внутренней мембране митохондрий. В матриксе митохондрий малат окисляется митохондриальной малатдегидрогеназой до щавелевоуксусной кислоты. Восстановившийся при этом кофермент НАД отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуется вода и 3 АТФ.

Энергетический баланс аэробного окисления молекулы глюкозы

Специфический путь распада глюкозы в цитозоле приводит к образованию 2 молекул пирувата, 2 АТФ и 2 НАД!Н+Н+.

Две молекулы пирувата в митохондриях подвергаются окислительному декарбоксилированию с образованием двух молекул ацетил- КоА и шести молекул АТФ (3х2=6 АТФ). Ацетил-КоА окисляется в

цикле трикарбоновых кислот и при этом образуются: 3 АТФ – при окислении изоцитрата;

3 АТФ – при окислительном декарбоксилировании -кетоглутарата; 2 АТФ – при окислении сукцината; 3 АТФ – при окислении малата;

1 АТФ – при субстратном фосфорилировании;

12 АТФ.

Таким образом, полное окисление молекулы пирувата дает 15 АТФ (из них 12 образуются при окислении ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот), окисление 2 молекул – 30 АТФ.

Перенос протонов и электронов от 2 молекул НАД!Н+Н+ из цито-

155

плазмы в митохондрию малат-оксалацетатным челночным механизмом к О2 дает еще 6 АТФ.

2+30+6=38 АТФ

Итак, полное окисление молекулы глюкозы в аэробных условиях до СО2 и Н2О приводит к образованию 38 АТФ.

Лекция 13

АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ. МЕТАБОЛИЗМ ЭТАНОЛА.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

Анаэробный распад глюкозы

Напомним, что аэробный распад глюкозы – это предельное ее окисление до СО2 и Н2О, а анаэробный гликолиз – это специфический

путь катаболизма, т.е. часть аэробного распада глюкозы и термины ана-

эробный распад и анаэробный гликолиз совпадают.

В анаэробных условиях и в клетках, не имеющих митохондрий (зрелые эритроциты), образовавшаяся пировиноградная кислота восстанавливается лактатдегидрогеназой до лактата с использованием НАД!Н+Н+, образовавшегося при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту.

НАД играет роль промежуточного переносчика протонов и электронов от 3-фосфоглицеринового альдегида к пирувату. Этот процесс

получил название гликолитической оксидоредукции.

Энергетический баланс анаэробного гликолиза: молекула глю-

козы в анаэробных условиях распадается на 2 молекулы лактата. При этом образуются 4 АТФ, но 2 АТФ затрачиваются на фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата. Поэтому энергетическая эффектив-

ность процесса составляет 2 АТФ.

156

Если в анаэробных условиях распаду подвергается гликоген, то образуются 3 АТФ.

Анаэробный гликолиз протекает во всех тканях и играет роль пути получения энергии, но его значение для разных органов различно. Следует отметить, что в живых тканях анаэробных условий не бывает. Определение «анаэробный» в данном случае указывает лишь на то, что кислород в этом процессе не используется.

Анаэробный гликолиз используется для получения энергии:

1)В условиях ограниченной доставки кислорода в ткани (при интенсивной мышечной работе, гипоксии, ишемии органов и тканей).

2)В клетках с малым количеством митохондрий (мозговой слой почек, лейкоциты).

3)В клетках, не имеющих митохондрий (в зрелых эритроцитах это единственный путь образования АТФ).

Спиртовое брожение

В дрожжевых клетках и микроорганизмах, подобных им, анаэробный распад углеводов протекает сходно с гликолизом за исключением конечных стадий. Первые стадии до образования пировиноградной кислоты идут одинаково. При спиртовом брожении пируват подвергается декарбоксилированию ферментом пируватдекарбоксилазой, имеющей кофермент тиаминпирофосфат и требующей ионов Mg2+. При этом об-

разуется уксусный альдегид, который восстанавливается в этанол алкогольдегидрогеназой с использованием НАД!Н+Н+, образовавшегося при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-бисфосфогли-

цериновую кислоту.

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО2.

Метаболизм этанола в организме

В организме человека и животных этанол может образоваться как метаболит (эндогенный), а в организм человека может поступить извне (экзогенный).

Всасывание поступившего этанола происходит в желудке (20%) и

157

вкишечнике (80%). Метаболизм этанола осуществляется тремя ферментативными системами: алкогольдегидрогеназой (80%), микросомальной этанолокисляющей системой (МЭОС – 15%) и каталазой (5%).

Алкогольдегидрогеназа наиболее активно метаболизирует этанол

впечени, затем в слизистой кишечника, почках и легких. Фермент преимущественно локализован в цитозоле клеток, но около 10% – в эндоплазматической сети и митохондриях. В активном центре содержит атомы цинка, которые участвуют в каталитическом акте и стабилизируют четвертичную структуру фермента. В результате окисления этанола образуется ацетальдегид.

Этот же продукт образуется и при окислении этанола МЭОС и каталазой.

В качестве донора протонов и электронов микросомальная этанолокисляющая система использует НАДФ!Н+Н+.

Образующийся ацетальдегид далее окисляется ацетальдегиддегидрогеназой в уксусную кислоту, которая активируется путем присоединения к коферменту А, и активная форма уксусной кислоты – ацетил-

КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, где окисляется.

В сутки в тканях человека образуется и окисляется 1-9 г этанола.

Полагают, что его предшественниками являются пировиноградная кислота, некоторые аминокислоты (треонин, -аланин), дезоксирибоза.

158

Содержание эндогенного этанола повышается при неврозах, шизофрении, сахарном диабете, заболеваниях почек, в условиях гипоксии и при физической нагрузке, может повышаться при избыточном потреблении углеводов с пищей.

Независимо от пути окисления этанола в организме промежуточным продуктом его распада является ацетальдегид, который обладает сильным токсическим действием. Обычно его концентрация чрезвычайно мала. При употреблении этанола содержание токсичного ацетальдегида несоизмеримо возрастает, что приводит к структурно-

функциональным изменениям в клетках тканей.

Взаимоотношения аэробного и анаэробного путей распада глюкозы

Еще в XIX веке Л. Пастером было открыто явление, получившее

впоследствии название «эффект Пастера» и заключавшееся в том, что дыхание всегда приводит к снижению скорости анаэробного гликолиза, т.е. подавляет брожение. При этом снижается потребление глюкозы и не происходит накопления лактата.

Этот эффект объясняется тем, что:

1.Цитоплазматический НАД!Н+Н+ окисляется с помощью малат- оксалацетатной системы, и в конкуренции за НАД!Н+Н+ с лактатдегид-

рогеназой выигрывает челночный механизм.

2.Фосфофруктокиназа – аллостерический фермент, активность которого стимулируется АДФ, подавляется АТФ и цитратом. При высоком содержании АТФ, характерном для окислительного фосфорилирования, фосфофруктокиназа тормозится.

3.В конкурентной борьбе за АДФ между фосфоглицераткиназой, пируваткиназой и митохондриальной системой окислительного фосфорилирования выигрывает последняя, т.к. обладает более высоким сродством к АДФ. Фосфорилирование АДФ в митохондриях происходит при более низких концентрациях, чем субстратное фосфорилирование в цитоплазме.

Глюконеогенез

В количественном отношении в биосфере одним из важнейших биосинтетических процессов является биосинтез глюкозы и других углеводов. Фотосинтезирующие организмы образуют огромные количества углеводов из СО2 и Н2О (крахмал, целлюлозу и другие полисахариды

из гексоз). В клетках животных организмов синтез углеводов идет из таких предшественников как лактат, аминокислоты, глицерин.

Синтез глюкозы из неуглеводных предшественников – лактата,

159

аминокислот, глицерина (в узком смысле – из аминокислот) называется глюконеогенезом, протекает в печени и корковом веществе почек. В этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны превратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. Запасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребностей в глюкозе в период между приемами пищи. Цель глюконеогенеза – поддержание уровня глюкозы в крови после истощения запасов гликогена в печени при длительной физической работе или длительном голодании. При длительной физической работе субстратами для глюконеогенеза служат лактат, поступающий из мышечной ткани, и глицерин – из жировой ткани. При длительном голодании с этой целью используются аминокислоты, поступающие из мышечной ткани вследствие распада белков, и глицерин – из жировой ткани.

Ворганизме человека и животных после интенсивной мышечной работы активно происходит синтез глюкозы, гликогена из лактата.

Лактат, образовавшийся в мышцах, вымывается кровью и достав-

ляется ею в печень. Превращение пирувата в глюкозу происходит по пути, обратному анаэробному гликолизу. Из 11 реакций гликолиза восемь легко обратимы и используются в глюконеогенезе, но 3 киназ-

ные реакции необратимы: 1) пируваткиназная, 2) фосфофруктокиназная

и3) гексокиназная, в глюконеогенезе они называются обходными путя-

ми гликолиза.

Вцитозоле клеток лактатдегидрогеназой лактат превращается в пировиноградную кислоту, которая транспортируется в митохондрии.

Здесь 1/5 часть ее окисляется до СО2 и Н2О, давая энергию для превра-

щения остальных 4/5 в глюкозу.

Реакция превращения фосфоенолпирувата в пируват, катализи-

руемая пируваткиназой, необратима ( G макроэргической связи фос-

фоенолпирувата – 61,9 кДж/моль). Поэтому для ее преодоления необходима затрата энергии. В митохондриях остальные 4/5 пирувата подвергаются карбоксилированию пируваткарбоксилазой (с коферментом биотином) с затратой АТФ. Образующийся оксалацетат восстанавливается в малат, который с помощью переносчика транспортируется в цитоплазму, где окисляется цитоплазматической малатдегидрогеназой вновь до щавелевоуксусной кислоты. Последняя подвергается декарбоксилированию фосфоенолпируваткарбоксикиназой с участием ГТФ, и образуется фосфоенолпируват. Это первый обходной путь гликолиза.

160

Фосфоенолпируват превращается далее по пути обратному гликолизу при участии тех же ферментов до образования фруктозо-1,6- бисфосфата. Далее следуют необратимые фосфофруктокиназная и гек-

сокиназная реакции. Для их обращения используются специальные ферменты: дефосфорилирование фруктозо-1,6-бисфосфата осуществляется фосфатазой фруктозо-1,6-бисфосфата, глюкозо-6-фосфата – глюко- зо-6-фосфатазой. Это второй и третий обходные пути гликолиза.

Ряд аминокислот, называемых гликопластическими (глицин, аланин, серин, цистеин, треонин, метионин, валин, глютаминовая и аспарагиновая кислоты, аргинин, триптофан, гистидин, пролин), в результате специфических путей превращаются в пируват, щавелевоуксусную или-кетоглутаровую кислоты, которые используются для глюконеогенеза. Глицерин включается в этот процесс на стадии образования 3-

фосфоглицеринового альдегида.

Между распадом глюкозы (гликогена) в мышцах и глюконеогенезом в печени существует тесная взаимосвязь для координации работы этих тканей в интересах всего организма. При распаде гликогена в печени образуется глюкоза, которая кровью доставляется в мышцы, где используется для синтеза гликогена или с энергетической целью при мышечной работе с образованием лактата в анаэробных условиях. Лактат из мышечной ткани кровотоком доставляется в печень, где используется для синтеза глюкозы и гликогена. Этот цикл превращений назван глюкозо-лактатным или циклом Кори.

161