n1

останній може легко перетворюватися на гліцеральдегід-3-фосфат. Ці сполуки є ізомерами: продукт V – кетоза, а продукт VI –альдоза. Ізомеризація цих тривуглецевих фосфорильованих сахарів каталізу-

ється ферментом тріозофосфатізомеразою:

Ця реакція ізомеризації характеризується великою швидкістю й обо- ротністю. Перетворення дигідроксиацетонфосфата на гліцеральдегід-3- фосфатвідбуваєтьсялегко, оскількиостаннійефективновидаляється.

Таким чином, з однієї молекули фруктозо-1,6-дифосфату за по- слідовної дії альдолази і тріозофосфатізомерази утворюється дві мо- лекули гліцеральдегід-3-фосфату. До цієї стадії гліколізу не відбува- ється вилучення енергії. Навпаки, має місце витрачання двох молекул АТФ. Подальші стадії гліколізу супроводжуються використанням ене- ргії, яка міститься в гліцеральдегід-3-фосфаті.

Під впливом складного ферменту гліцеральдегідфосфатдегідро- генази (складається з білкової частини, тобто апоферменту, і кофер- менту НАД+) гліцеральдегід-3-фосфат (продукт VI) за участю фосфо- рної кислоти окислюється до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти (1,3- ДФГ). Утворення 1,3-дифосфогліцерату являє собою приклад фосфо- рилювання на субстратному рівні і протікає в декілька стадій. Спочат- ку гліцеральдегідфосфатдегідрогеназа своєю білковою частиною, що містить активну сульфгідрильну групу (SH-групу) в апоферменті, вступає в реакцію з гліцеральдегід-3-фосфатом, утворюючи фермент- субстратний комплекс (продукт VII). Потім два атоми водню від цьо- го комплексу відщеплюються і приєднуються до НАД+, внаслідок чо- го комплекс окислюється, а НАД+ відновлюється до НАД Н+Н+

251

Цей нестійкий комплекс реагує з неорганічною фосфорною кис- лотою з утворенням 1,3-дифосфогліцеринової кислоти (продукт VIII). Енергія макроергічного карбоксилтіолового зв'язку концент- рується тепер у карбоксилфосфатному макроергічному зв'язку 1,3-ди- фосфогліцеринової кислоти:

Варто підкреслити, що 1,3-ДФГ (продукт VIII) – це перший субстрат гліколізу, енергіяякоговжерезервуєтьсяівикористовуєтьсяорганізмом.

На наступному етапі гліколізу відбувається реакція перефосфо- рилювання між 1,3-дифосфогліцериновою кислотою й АДФ, у про- цесі якої залишок фосфорної кислоти й енергія, що міститься в мак- роергічному ацилфосфатному зв'язку 1,3-дифосфогліцеринової кис- лоти переноситься без втрат на АДФ. Наслідком реакції є утворення 3-фосфогліцеринової кислоти й АТФ. Реакція каталізується фермен-

том фосфогліцераткіназою:

Це перша реакція гліколітичного фосфорилювання. Завершальна стадія гліколізу полягає в утворенні піровиноград-

ної кислоти і другої молекули АТФ.

Послідовність перетворень на цій стадії така. Унаслідок дії фер- менту фосфогліцеромутази продукт IX – 3-фосфогліцеринова кислота перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту (продукт X), тобто відбувається внутрішньомолекулярний перенос фосфатної групи. Далі

252

продукт X (2-фосфогліцеринова кислота) під впливом ферменту єно- лази втрачає молекулу води (дегідратується) і переходить в єнольну форму 2-фосфопіровиноградної кислоти (XI продукт).

Потенціал переносу фосфатної групи внаслідок реакції дегідра- тації значно підвищується. Фосфоєнолпіруват характеризується висо- ким потенціалом переносу фосфатної групи, тоді як у випадку фос- фатного ефіру звичайного спирту цей потенціал знаходиться на ни- зькому рівні. 2-Фосфоєнолпіровиноградна кислота є другим субстра- том, енергію якого використовує організм.

Єнольна форма 2-фосфопіровиноградної кислоти, подібно до 1,3- дифосфогліцеринової кислоти, вступає в реакцію переетерифікації з АДФ, що каталізується піруваткіназою. При цьому фосфат і енергія переносяться без втрат на АДФ, яка перетворюється на АТФ.

253

Потім єнольна форма піровиноградної кислоти переходить у ке- тоформу (XIII продукт). Зрештою піровиноградна кислота під впли- вом ферменту лактатдегідрогенази реагує з відновленою формою НАД+ (НАД Н+Н+), яка утворилася при окисленні гліцеральдегід-3- фосфату в 1,3-дифосфогліцеринову кислоту, і перетворюється на кін- цевий продукт гліколізу – молочну кислоту (XIV продукт).

Увесь цей багатоступеневий процес протікає в цитозолі, тоб- то в розчинній фракції цитоплазми, де локалізовані всі ферменти гліколізу.

Таким чином, у ході перетворення глюкози на молочну кислоту відбувається утворення двох молекул АТФ.

Використання й утворення АТФ під час гліколізу в сумарному вигляді наведено в таблиці 9.

Як видно з вищевикладеного, перетворення глюкози на молочну кислоту має ряд особливостей. По-перше, процес розщеплення спряже- ний із фосфорилюванням глюкози і утворених проміжних продуктів. По-друге, у процесі окислення відбувається поетапне звільнення енергії із субстратів і поетапне її засвоєння. По-третє, енергія гліколізу резер- вується в молекулах АТФ. По-четверте, реакції переетерифікації (тоб- то переносу фосфату із субстрату на АДФ) зумовлені окислювально- відновним процесом. Так, у разі блокування реакції відновлення піро- виноградної кислоти в молочнуза рахунокатомів водню НАД Н+Н+ не могла б відбутися регенерація НАД+, який необхідний для окислення

254

гліцеральдегід-3-фосфату у фосфогліцеринову кислоту, а це затримало б метаболізм вуглеводів і звільнення енергії. Ця окислювально-

відновна реакція відіграє важливу рольі в гліколізі, і вбродінні. Велике значення має реакція відщеплення молекули води від

2-фосфогліцеринової кислоти ферментом єноїлгідратазою (єнолазна реакція), бо завдяки цьому утворюється єнольна форма 2-фосфо- піровиноградної кислоти, тобто інша сполука, в якій концентрується енергія гліколізу і переноситься разом із залишком фосфорної кис- лоти на АДФ з перетворенням її на АТФ.

Біологічне значення гліколізу зумовлюється не тільки тим, що він є джерелом (правда, не єдиним) енергії для організму, особливо для працюючої м'язової системи. Суттєвим є те, що в процесі гліколізу утворюються речовини, які використовуються в організмі для біосинтезу простих і складних ліпідів. Такою речо- виною є дигідроксиацетонфосфат, який відновлюється до гліце- ринфосфату. Врешті-решт, значення гліколізу полягає в тому, що ряд його продуктів, а саме піровиноградна і молочна кислоти, є необхідним субстратом для подальших ферментативних перетво- рень в аеробних умовах, оскільки лише невелика частина енергії, що міститься в глюкозі, звільняється під час її анаеробного пере- творення в лактат. Значно більша кількість енергії утворюється в аеробних умовах у циклі трикарбонових кислот і в ланцюзі пере- носу електронів. При цьому в організмі ссавців і людини звільню- ється приблизно 95% енергії вуглеводів.

Піруват може перетворюватися в етанол, лактат та ацетил-

коензим А.

Послідовність реакцій перетворення глюкози на піровиноградну кислоту – піруват – дуже схожі в усіх організмів і в усіх видах клітин.

У той же час доля пірувату в різних клітинах і в залежності від умов різна.

Розглянемо три реакції, які протікають за участю пірувату.

1.Утворення етанолу. Процес перетворення глюкози в етанол

удріжджів і деяких інших мікроорганізмів одержав назву спирто- вого бродіння. Різниця між гліколізом і спиртовим бродінням складається в тому, що в умовах бродіння піровиноградна кислота зазнає простого анаеробного декарбоксилювання внаслідок дії

ферменту піруватдекарбоксилази і перетворюється на ацетальде- гід. Піруватдекарбоксилаза – складний фермент, який містить кофермент тіамінпірофосфат – пірофосфорний ефір вітаміну В1. У тканинах людини і тварин просте анаеробне декарбоксилюван- ня пірувату не відбувається, а має місце тільки складне окислюва- льне декарбоксилювання в аеробних умовах з утворенням актив- ної форми оцтової кислоти.

Друга стадія полягає у відновленні ацетальдегіду в етанол за рахунок НАД Н+Н+. Ця окислювально-відновна реакція каталізу-

ється ферментом алкогольдегідрогеназою, яка має в активному центрі іон цинку.

255

2. Із пірувату утворюється лактат у клітинах вищих організмів в умовах обмеженого постачання кисню (наприклад, в інтенсивно пра- цюючому м'язі). Як було показано вище, відновлення пірувату з утво- ренням лактату відбувається за рахунок НАД Н+Н+ і каталізується лак- татдегідрогеназою. НАД Н+Н+ утворюється внаслідок окислення глі- церальдегід-3-фосфату з утворенням 3-фосфогліцеринової кислоти і використовується під час відновлення пірувату. Саме регенерування

НАД+ під час відновлення пірувату в лактат підтримує в анаеробних умо-

вахбезперервне протіканнягліколітичного процесу.

3. Піруват в аеробних умовах зазнає окислювального декарбо- ксилювання під впливом складного поліферментного піруватде- гідрогеназного комплексу і перетворюється в активну форму оц- тової кислоти – ацетилкоензим А (ацетил-КоА), який утворюєть- ся в мітохондріях.

Ацетилкоензим А далі включається в окислювальний цикл три- карбонових кислот, в якому окислюється до кінцевих продуктів, тоб- то до СО2 і Н2О (див. Обмін речовин і енергії). Крім того, він вико- ристовується для біосинтезу різних сполук, наприклад, вищих жирних кислот, холестерину та ін.

Слід мати на увазі, що накопичення молочної кислоти може не- гативно впливати на організм, зокрема, послаблювати скорочення м'язів. Таким чином, окислення її в аеробній фазі, тобто в умовах ди- хання, не тільки звільнює основну масу енергії вуглеводів, але й є одним із головних механізмів, які беруть участь у підтриманні го-

меостазу. При достатній забезпеченості киснем атоми водню відно- вленого НАД (НАД Н+Н+) перехоплюються ферментами дихання і

через ряд проміжних продуктів переносяться на кисень, утворюючи воду. У цих умовах піруват не відновлюється в молочну кислоту, а аеробне розщеплення вуглеводів починається з його окислювально- го декарбоксилювання.

Процес переносу атомів водню (протонів і електронів) на ки- сень відбувається вже на мембранах мітохондрій, де локалізовані відповідні ферменти.

256

Таким чином, у даному випадку як і в багатьох інших, існує поєд- нання процесів, які протікають у цитозолі й мітохондріях, а також їх певна послідовність. Механізм окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти й окислення утвореного ацетил-КоА до Н2О і СО2 детально розглядаються в главі «Обмін речовин і енергії».

Цикл трикарбонових кислот

Раніше було розглянуто гліколітичний шлях обміну вуглеводів, у ході якого відбувається перетворення глюкози на лактат. В аеробних умовах наступним етапом вивільнення енергії з глюкози є окислю- вальне декарбоксилювання пірувату з утворенням активованого ацетильного компонента – ацетил-КоА, який далі повністю окислю-

ється до СО2 і Н2О в циклі трикарбонових кислот чи циклі Кребса, за ім’ям автора, який вивчав механізм цього окислення. Через те, що першою утворюється лимонна кислота, цей цикл називають також

циклом лимонної кислоти або цитратним циклом.

Слід зазначити, що цикл трикарбонових кислот являє собою кін-

цевий загальний шлях окислення «паливних» молекул – вуглеводів,

амінокислот і жирних кислот.

«Паливні» молекули вступають у цей цикл після перетворення на ацетил-КоА. Цикл трикарбонових кислот виконує ще одну функ- цію – постачає проміжні продукти для процесів біосинтезу. Реакції циклу трикарбонових кислот відбуваються в мітохондріях, тоді як реакції гліколізу протікають у цитозолі.

Розрахунками встановлено, що окислення майже 100% атомів вуглецю жирних кислот, 60% атомів вуглецю вуглеводів і близько 50% атомів вуглецю білків (амінокислот) здійснюється через утво- рення ацетил-КоА. У процесі гліколізу виділяється 5–7% енергії ву- глеводів, при окислювальному декарбоксилюванні піровиноградної кислоти до ацетил-КоА – 9%. Усього – близько 15%. Отже, основна маса енергії вуглеводів (85%) зосереджена в молекулі ацетил-КоА. Таким чином, ацетил-КоА є основним продуктом інтеграції обміну речовин, і його окислення до СО2 і Н2О вважається основою енер- гозабезпеченості організму.

Утворення ацетилкоферменту А (ацетил-КоА) з пірувату

Окислювальне декарбоксилювання пірувату здійснюється піру- ватдегідрогеназним комплексом. Цей комплекс знаходиться в матрик- сі не в розчиненому вигляді, а прикріплюється до білків внутрішньої мембрани мітохондрій, які повернуті до матриксу.

Піруватдегідрогеназний комплекс являє собою мультифермен- тний комплекс із молекулярною масою 4 106 дальтонів і є прикладом

структурної організації кількох різних ферментів у єдину систему, що функціонує як єдине ціле. Він складається з трьох різних ферментів:

піруватдегідрогенази, дигідроліпоїлацетилтрансферази і дигідроліпоїл-

дегідрогенази. На рис. 62 піруватдегідрогеназу зображено у вигляді зовнішніх великих сфер, дигідроліпоїлацетилтрансфераза розміщу-

257

ється в центрі у вигляді дрібних сфер, а дигідроліпоїлдегідрогеназу зображено у вигляді чотирьох груп сфер середнього розміру.

Рис. 62. Структура піруватдегідрогеназного поліферментного комплексу: 1 – піруватдегідрогеназа; 2 – дигідроліпоїлацетилтрансфераза;

3 – дигідроліпоїлдегідрогеназа

Усі три ферменти піруватдегідрогеназного комплексу двоком- понентні і містять відповідно такі коферменти: тіамінпірофосфат

(пірофосфатний ефір вітаміну В1) – ТПФ, ліпоєву кислоту – ЛKSS і

ФАД. Окрім того, у роботі комплексу, тобто в процесі окислюваль- ного декарбоксилювання пірувату, беруть участь два зовнішніх (не зв'язаних з комплексом) коферменти: КоА-SН і НАД+, які викону- ють роль акцепторів продуктів окислення пірувату.

Позначивши ферменти комплексу – Е1-ТПФ-піруватдегідроге- наза, Е2-ЛKSS -дигідроліпоїлацетилтрансфераза, Е3-ФАД-дигідро-

ліпоїлдегідрогеназа – можна зобразити послідовність стадій окис- лення пірувату таким чином:

258

На першій стадії під впливом піруватдегідрогенази утворюєть- ся кінцевий продукт обміну СО2 (декарбоксилювання пірувату) і гід- роксиетильне похідне, зв'язане з ТПФ в активному центрі піруватде- гідрогенази. Другий фермент – дигідроліпоїлацетилтрансфераза – каталізує наступні дві стадії: відновлення дисульфідної групи ліпоє- вої кислоти за рахунок гідроксиетилу і перенос ацетильної групи на зовнішній КоА-SН (стадії 2 і 3). Як результат утворюється віднов- лена форма ферменту – дигідроліпоїл-Е2 та кінцевий продукт окис- лення пірувату в піруватдегідрогеназному комплексі – ацетил-КоА. Нарешті, третій фермент комплексу – дигідроліпоїлдегідрогеназа – окислює відновлену форму ліпоєвої кислоти (4 стадія), акцептуючи водень власним коферментом – ФАД. Потім він каталізує реакцію

дегідрування і переносу водню на зовнішній НАД+. Внаслідок цього утворюється кінцевий продукт окислення – НАД Н+Н+.

Узагальному вигляді рівняння окислення пірувату ферментами піруватдегідрогеназного комплексу має такий вигляд:

Уфізіологічних умовах цей процес є необоротним. Практично весь піруват, що надходить до мітохондрій, швидко окислюється до ацетил-КоА.

Із продуктів окислення пірувату СО2 є кінцевим продуктом об- міну, енергетичної цінності не має, а відновлений НАД – це сполука, багата на енергію. Її водень переноситься на дихальний ланцюг; ацетил-КоА надходить у цикл Кребса, ферменти якого локалізовані всередині мітохондрій.

Молекулярні механізми окислювального циклу Кребса

Під час вивчення механізму цього процесу було встановлено, що він прискорюється деякими дикарбоновими кислотами, які мають чотири атоми вуглецю в ланцюзі – янтарною, фумаровою, яблучною й особливо щавлевооцтовою (ЩОК, оксалоацетат). Було також по- мічено, що цей процес значно активується трикарбоновими кисло- тами, зокрема лимонною, а кількість останньої збільшується у разі добавлення дикарбонових кислот до гомогенату м'язової тканини. Потім було доведено, що перетворення дикарбонових кислот на

259

трикарбонову лимонну відбувається внаслідок реакції між ацетил- КоА і щавлевооцтовою кислотою. Поступово було з’ясовано приро- ду всіх проміжних продуктів і ферментних систем, які беруть участь

вокисленні ацетил-КоА до СО2 і Н2О в процесі аеробної фази.

1.Цикл починається з конденсації чотиривуглецевого компоне- нта – щавлевооцтової кислоти, і двовуглецевого компонента – аце- тил-КоА, за участю молекули води з утворенням активної форми лимонної кислоти і КоАSН.

Процес каталізується ферментом цитратсинтазою.

Вуглець метильної групи ацетилу взаємодіє з атомом вуглецю оксалоацетату (ЩОК). Проміжною сполукою є цитрил-КоА, який гі- дролізується з утворенням вільного цитрату.

Гідроліз цитрил-КоА призводить до зміщення сумарної реакції в напрямку синтезу цитрату.

2. Лимонна кислота (цитрат), що утворилася, під впливом фер- менту аконітатгідратази дегідрується і перетворюється на цис-ако- нітову кислоту, яка після приєднання молекули води перетворюється на ізолимонну (ізоцитрат).

Як видно з формул, різниця між лимонною та ізолимонною кис-

лотами полягає в тому, що в лимонній кислоті гідроксил знаходить- ся в -положенні, а в ізолимонній – в -положенні відносно карбок-

силу головного ланцюга.

Між трьома трикарбоновими кислотами встановлюється дина- мічна рівновага у такому співвідношенні: цитрату 90%, ізоцитрату – 8%, цис-аконітату – 2%. До подальших перетворень залучається ізо- цитрат; у процесі окислення його кількість поповнюється за рахунок ізомеризації цитрату.

260