n1

3. Наступна реакція є першою із чотирьох окислювально-від- новних реакцій циклу трикарбонових кислот. Ізолимонна кисло- та окислюється шляхом відщеплення двох атомів водню і пере- творюється на щавлевоянтарну (ЩЯК, оксалосукцинат) кислоту, яка декарбоксилюється до -кетоглутарової. Таким чином, з пе- реходом ізолимонної кислоти в щавлевоянтарну починається окислення залишку оцтової кислоти, а декарбоксилюванням ща- влевоянтарної до -кетоглутарової кислоти – розрив вуглецево- го ланцюга і відщеплення вуглецю у вигляді СО2. Обидві реакції каталізуються одним ферментом – ізоцитратдегідрогеназою. Цей фермент існує в двох формах, одна з яких НАД+-залежна, інша – НАДФ+-залежна.

Внаслідок відщеплення двох атомів водню від ізоцитрату НАД+ і НАДФ+ відповідно відновлюються до НАД Н+Н+ і НАДФ Н+Н+. Усі описані перетворення можна показати у ви- гляді такої схеми:

Слід зазначити, що НАД-залежний фермент локалізується у мі- тохондріях, і атоми водню від відновленого НАД Н+Н+ далі пере- носяться по ланцюгу дихальних ферментів на кисень з утворенням води, тобто процес іде шляхом катаболізму. Друга форма ізоцитрат- дегідрогенази (НАДФ-залежна) знаходиться переважно в цитоплаз- мі, і атоми водню її відновленої форми (НАДФ Н+Н+), як правило, використовуються в процесах біосинтезу різних сполук (вищих жир- них кислот, холестерину, стероїдних гормонів тощо), тобто процес іде шляхом анаболізму.

4. -Кетоглутарова кислота за структурою подібна до пірови- ноградної. Вона зазнає такого ж складного окислювального дека- рбоксилювання під впливом складної поліферментної системи – 2-оксоглутаратдегідрогенази ( -кетоглутаратдегідрогенази). Ця система, як і піруватдегідрогеназна, складається зі специфічної білкової частини – апоферменту й тих же коферментів (ТПФ, НS-КоА, ліпоєвої кислоти, НАД+ і ФАД). Для цієї реакції, як і для окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти, необхідні іони Мg2+. При цьому виділяється друга молекула СО2 і відщеплюються два атоми водню, які зв'язуються з НАД, утво- рюючи НАД Н+Н+:

261

5. Продукт цієї реакції сукциніл-КоА належить до сполук багатих на енергію, і на наступній стадії циклу відбувається перенос багатого на енергію зв'язку в сукцинільному тіоефірі КоА в макроергічні фос- фатні зв'язки. Сукциніл-КоА реагує з неорганічним фосфатом і пере- творюється на сукцинілфосфат, а НSКоА вивільняється і може знову включатися в різні ланки обміну речовин. Сукцинілфосфат реагує з гуанозиндифосфатом (ГДФ) і перетворюється на янтарну кислоту (сукцинат), а ГДФ, приєднуючи фосфат, перетворюється на гуанози-

нтрифосфат (ГТФ). Таким чином, розщеплення тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА поєднане з фосфорилюванням гуанозиндифосфату.

Далі фосфатна група ГТФ під впливом ферменту нуклеозид- дифосфокінази легко переноситься на аденозиндифосфат (АДФ) з утворенням АТФ.

ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ

Варто звернути увагу на те, що під час окислення ізолимонної (трикарбонової) кислоти в янтарну (дикарбонову) відщеплюється дві молекули СО2. Отже, окислилось два атоми вуглецю, тобто стільки, скільки було в оцтовій кислоті.

6. Утворена янтарна кислота (сукцинат) під впливом ферменту сукцинатдегідрогенази окислюється у фумарову кислоту. Акцепто- ром водню в цій реакції служить ФАД, а не НАД+, який використо- вується в трьох інших окислювальних реакціях циклу Кребса.

Молекула сукцинатдегідрогенази містить окрім флавіну чотири атоми заліза і чотири неорганічних сульфіди. Гем до складу цього ферменту не входить. Атоми заліза зв'язані з неорганічними сульфі- дами. Білки такого типу відомі як залізосіркопротеїни (Fe-S-білки)

або білки, що містять негемінове залізо.

262

Залізосіркопротеїни відіграють важливу роль в електронтранс- портних системах мітохондрій. Сукцинатдегідрогеназа на відміну від інших ферментів циклу трикарбонових кислот є інтегральним біл- ком внутрішньої мембрани мітохондрій і безпосередньо зв'язана з ланцюгом переносу електронів.

7.Фумарова кислота, яка утворилася, під впливом фумаратгід- ратази гідратується і перетворюється на яблучну.

8.Завершальною стадією циклу Кребса є регенерація щавлево- оцтової кислоти (оксалоацетату) з яблучної (малату). Реакція каталі-

зується малатдегідрогеназою за участю НАД+.

Загальна послідовність реакцій циклу Кребса представлена на рис. 63.

Сумарна реакція циклу трикарбонових кислот має такий вигляд:

Ацетил-КоА + 3НАД+ + ФАД + АДФ + Н3РО4 + 2Н2О2СО2 + 3НАД Н+ 3Н+ + ФАДН2 + АТФ + КоА–SH

НАД Н та ФАДН2, які утворилися в циклі трикарбонових кис- лот, далі окислюються в ланцюзі переносу електронів. НАД Н і ФАДН2 – багаті на енергію молекули, бо кожна з них містить пару електронів з високим потенціалом переносу. При переносі цих елек- тронів на молекулярний кисень звільняється велика кількість енергії, яка використовується для генерування АТФ.

Як вже було зазначено, окислювальне фосфорилювання – це процес утворення АТФ, поєднаний з транспортом електронів по ла- нцюгу переносників від НАД Набо ФАДН2 до О2.

Так, у процесі повного окислення глюкози до СО2 і Н2O окислю- вальне фосфорилювання забезпечує утворення 32 молекул АТФ із 36.

263

Можна поставити таке питання: чому для окислення простої двовуглецевої оцтової кислоти потрібний складний цикл з послідо- вним утворенням шести-, пяти- і чотиривуглецевих проміжних продуктів? Відповідь на це питання слід шукати в деяких закономі- рностях органічної хімії. Молекула оцтової кислоти за своїх малих розмірів і відносно простої будови відрізняється тим, що її метил- ьна група досить стійка до хімічного окислення. Для прямого окис- лення ацетату до двох молекул СО2 необхідні дуже жорсткі умови, зовсім не схожі на ті, що існують у клітинах. Тому в процесі еволю- ції живі клітини пристосувалися використовувати хоч і обхідний, але більш легкий шлях, який не вимагає такої високої енергії акти- вації. Клітини набули здатності приєднувати ацетат до іншої спо- луки – щавлевооцтової кислоти (оксалоацетату), і одержувати та- ким чином продукт – лимонну кислоту (цитрат), яка значно легше, ніж сам ацетат, дегідрується та декарбоксилюється.

Рис.63. Цикл трикарбонових кислот

264

На завершення слід звернути увагу на те, що, крім розглянутої вище енергетичної функції, циклу Кребса притаманні інтегративна,

амфіболічна і воденьгенеруюча функції.

1.Інтегративна полягає в тому, що цикл Кребса є своєрідним метаболічним «колектором», який об'єднує шляхи катаболізму вуг- леводів, ліпідів і білків.

2.Амфіболічна полягає у виконанні подвійної функції: катаболі- чної, зв'язаної з розпадом ацетату, і анаболічної, оскільки субстрати циклу Кребса використовуються для синтезу інших речовин. Так, ща- влевооцтова кислота (оксалоацетат) йде на синтез аспарагінової ки- слоти та глюкози, -кетоглутарова (2-оксоглутарат) – на синтез глу-

тамінової, янтарна (сукцинат) – на синтез гему.

3.Енергетична – детально розглянута вище.

4.Воденьгенеруюча – цикл Кребса є основним генератором водню для дихального ланцюга, причому процесами, які «живлять» цикл за- лишками оцтової кислоти та іншими проміжними продуктами є, по- ряд з обміном вуглеводів, також обмін ліпідів та амінокислот.

На рис.64 представлена схема окислювальних процесів – генера- торів водню в мітохондріях.

Рис.64. Схема окислювальних процесів у мітохондріях – генераторів водню у формі НАД Н, НАДФ Нта ФАД Н2для дихального ланцюга (ФП2 , ФП3 , ФП4 – флавопротеїди)

Пентозофосфатний цикл (Апотомічний шлях обміну вуглеводів)

На той час, коли з'ясовувався механізм гліколізу, Варбург описав фермент еритроцитів, названий ним проміжним ферментом, який каталізує окислення глюкози, але не входить до складу ланцюга глі-

265

колізу. Було доведено, що в аеробних умовах в еритроцитах ссавців глюкоза може окислюватися до 6-фосфоглюконової кислоти, при- чому в цьому процесі не утворюється типовий продукт гліколізу – фруктозо-1,6-дифосфат. Також було з’ясовано, що в печінці із глюко- зи утворюються глюконова і глюкуронова кислоти. Остання є про- дуктом окислення глюкози за первинною спиртовою групою.

Потім на основі експериментальних праць Діккенса, Рекера, Хоре- кера, Ліпмана, С.Є.Северина, В.О.Енгельгардта та інших, був встанов- лений інший шлях розщеплення глюкози, названий пентозофосфатним циклом. Виявилося, що фермент, відкритий Варбургом, це глюкозо-6- фосфатдегідрогеназа, коферментом для якої служитьНАДФ+.

Так був встановлений взаємозв'язок між аеробним окисленням глюкози й утворенням пентоз.

У пентозофосфатному циклі важливим проміжним продуктом виступають пентозофосфати. Цей цикл є ніби відгалуженням, або шунтом гліколізу на стадії утворення глюкозо-6-фосфату.

Утворення пентоз із глюкози відбувається внаслідок декарбок- силювання, тобто усіканням її молекули, і тому називається апото- мічним шляхом (аро – від, tome – сікти, грецьк.).

Розглянемо послідовність реакцій.

Для протікання всіх стадій пентозофосфатного циклу потрібно не менше трьох молекул глюкозо-6-фосфату, утворених із глюкози в присутності ферменту гексокінази або глюкокінази .

1. Дегідрування глюкозо-6-фосфату. Ця реакція, яка спрямовує глюкозо-6-фосфат по пентозофосфатному шляху, каталізується глю- козо-6-фосфатдегідрoгeназою з коферментом НАДФ+. Під впливом ферменту глюкозо-6-фосфат окислюється до 6-фосфоглюконолакто- ну (альдегідна група окислюється до карбоксильної).

Дегідрогеназа глюкозо-6-фосфату – це димер із молекулярною масою близько 135 000. Існує 7–8 ізоферментів, які розділяються при електрофорезі. Особливістю цієї реакції є утворення НАДФ Н2.

Рівновага реакції дуже зміщена праворуч, тому що лактон, який утворюється спонтанно або за участю ферменту лактонази, гідролізується.

266

2. Гідроліз 6-фосфоглюконолактону з утворенням 6-фосфоглюко- нової кислоти.

3. Окислювальне декарбоксилювання 6-фосфоглюконату. 6-Фосфоглюконат окислюється внаслідок дії іншого НАДФ+-

вмісного ферменту, а саме 6-фосфоглюконатдегідрогенази. При цьому спочатку, ймовірно, утворюється нестійкий проміжний про- дукт 6-фосфоглюконату, який вже потім декарбоксилюється, пере- ходячи в кетопентозу – рибулозо-5-фосфат.

Це друга реакція окислення в пентозофосфатному циклі, яка призводить до утворення НАДФ Н2, тому перетворення глюкозо-6- фосфату до рибулозо-5-фосфату прийнято називати окислювальною фазою пентозофосфатного циклу.

Фаза від рибулозо-5-фосфату до утворення знову глюкозо-6-

фосфату називається неокислювальною або анаеробною фазою цьо-

го циклу.

4. Взаємоперетворення, або ізомеризація, пентозофосфатів.

Цикл починається з трьох молекул глюкозо-6-фосфату і утво- рюється три молекули рибулозо-5-фосфату. Останній може обо- ротно ізомеризуватися в інші пентозофосфати – дві молекули ксилулозо-5-фосфату й одну молекулу рибозо-5-фосфату. Каталі- зують ці реакції два різних ферменти. Так, під впливом пентозо- фосфатепімерази відбувається переорієнтація гідроксильних груп

267

біля 3-го атома вуглецю, внаслідок чого утворюється ксилулозо-5- фосфат, а під впливом пентозофосфатізомерази рибулозо-5-фос- фат перетворюється у відповідну альдозу – рибозо-5-фосфат.

Таке утворення двох молекул ксилулозо-5-фосфату й однієї мо- лекули рибозо-5-фосфату необхідне для наступних реакцій циклу.

5. Перша транскетолазна реакція. Ця своєрідна реакція почина-

ється з розриву зв'язку між двома атомами вуглецю ксилулозо-5- фосфату, після чого глікольальдегідний залишок ( CH2OH C O )

переноситься на іншу молекулу пентозофосфату – рибозо-5-фосфат. Ця реакція каталізується ферментом транскетолазою. Остання як кофермент використовує пірофосфорний ефір вітаміну B1 – тіамін- пірофосфат, що приєднує до себе глікольальдегід (подібно до того, як він приєднує ацетальдегід під час декарбоксилювання пірувату) і переносить його на рибозо-5-фосфат. Як результат утворюється ге- птоза – седогептулозо-7-фосфат.

6. Трансальдолазна реакція. Фермент трансальдолаза каталі-

зує реакцію, у ході якої від седогептулозо-7-фосфату відокремлю- ються відразу три перших атоми вуглецю й утворюється дигідро- ксиацетон, який переноситься потім ферментом на гліцеральде- гід-3-фосфат, перетворюючи його на фруктозо-6-фосфат. В акти- вному центрі трансальдолази, як і в активному центрі альдолази, знаходиться лізин, котрий взаємодіє своєю аміногрупою з кетоно- вим субстратом.

268

Таким чином:

Молекула фруктозо-6-фосфату включається в процес гліколізу, а молекула еритрозо-4-фосфату використовується як субстрат для на- ступних завершальних стадій циклу.

7. Друга транскетолазна реакція. Ця реакція подібна до першої транскетолазної реакції і каталізується тим же ферментом – транс- кетолазою. Відрізняється вона тим, що акцептором гліколевого аль- дегіду служить еритрозо-4-фосфат:

Таким чином:

8. Ізомеризація фруктозо-6-фосфату в глюкозо-6-фосфат. Фер-

мент гліколізу фосфогексоізомераза перетворює дві утворені молеку- ли фруктозо-6-фосфату на глюкозо-6-фосфат.

Отже, в ході реакцій, які каталізуються ферментами пентозофо- сфатного циклу, із трьох молекул глюкозо-6-фосфату дві молекули

269

відновлюються, а одна перетворюється на гліцеральдегід-3-фосфат і три молекули CO2. Крім того, утворюється шість молекул НАДФ H2.

Сумарне рівняння пентозофосфатного циклу:

3Глюкозо-6-фосфат + 6НАДФ+ 2фруктозо-6-фосфат + + гліцеральдегід-3-фосфат + 6НАДФ H2+ 3CO2

Взаємозв'язок пентозофосфатного циклу і гліколізу

Обидва шляхи перетворення вуглеводів зв'язані між собою (рис.65). Такі продукти пентозофосфатного шляху, як фруктозо-6- фосфат і гліцеральдегід-3-фосфат є також метаболітами гліколізу і перетворюються його ферментами. Як було зазначено вище – дві молекули фруктозо-6-фосфату можуть регенеруватися в дві молеку- ли глюкозо-6-фосфату. У цьому випадку пентозофосфатний шлях виглядає як цикл. Інший продукт – гліцеральдегід-3-фосфат – в ана- еробних умовах перетворюється на лактат, а в аеробних згорає до CO2 і H2O. У першому випадку утворюються дві молекули АТФ, а у другому – 20 молекул АТФ.

Здавалося б, енергетична цінність перетворення глюкозо-6-фос- фату через пентозофосфатний цикл нижча, ніж шляхом аеробного окислення, через те, що останній дає максимум 38 молекул АТФ. Проте слід врахувати, що більша частина енергії акумулюється в НАДФ H2. Енергетично 6 молекул НАДФ H2 рівнозначні 18 молеку- лам АТФ. Отже, енергетичний ефект однаковий.

Рис.65. Схема інтеграції пентозофосфатного шунта з гліколізом

Біологічна функція пентозофосфатного циклу пов'язана з утво- ренням двох речовин – НАДФ H2 ірибозо-5-фосфату. Основні їх фу-

нкції в реакціях метаболізму такі:

1)амфіболічна, яка полягає в тому, що пентозофосфатний цикл

єшляхом розкладу вуглеводів і в той же час – утворення речовин, які використовуються у реакціях синтезу (НАДФ H2ірибозо-5-фосфат);

270