Гликолиз. Отдельные биохимические реакции в живой клетке тесно связ^з_> между собой, образуют метаболические пути

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ФОСФАТНОЙ СВЯЗИ

Отдельные биохимические реакции в живой клетке тесно связ^з_> между собой, образуют метаболические пути, или циклы, каждый ± которых выполняет определенную функцию. Принято различать;.• ралъные и специальные метаболические пути. Первые являются щими для распада и синтеза основных макромолекул, они удивит^:. но сходны у любых представителей живого мира. Вторые характер:--_ для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул = пример, алкалоидов, терпенов, и т.д.), выполняющих какие-либс:-гуляторные или иные функции или просто являющиеся конечна продуктами обмена.

В этой главе описаны основные пути катаболизма углеводов — аь i эробный и аэробный. Анаэробный путь катаболизма осуществляет клеткой без доступа кислорода воздуха и называется брожением; аэр-:>" ный — идет с участием кислорода воздуха, представляет собой о:-::-: лительный процесс и называется дыханием. Конечные цели обоих г. тей: а) синтез АТР за счет утилизации энергии, аккумулированное i углеводах; б) получение из этих углеводов пластических соединен;:, являющихся исходным материалом для синтеза компонентов клет:-::

Гликолиз

Гликолиз (от греч. glycys — сладкий, lysis — разрушение) — версальный и основной процесс катаболизма углеводов для болып;:-ства организмов; это последовательность реакций, приводящих к пре­вращению гексозы в пируват с одновременным образованием АТР. Бл: годаря исследованиям, проведенным К. Нейбергом, О. Bap6yj О. Мейергофом, Г. Эмбденом, Я. Парнасом, С. Костычевым, А. Лебе­девым, была выяснена последовательность реакций гликолиза, пред­ставленная на рис. 9.1. Важнейшими моносахаридами, катаболизу которых осуществляется по гликолитическому пути, являются D-глк-коза и D-фруктоза. Однако и другие моносахариды способны катабо-лизироваться по пути гликолиза, поскольку они легко превращаются в эти сахара. Гликолиз — процесс анаэробный, однако он может про­текать как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. Он является ключевым метаболическим путем, генерирующим энергию в форме АТР в клетках, где отсутствует фотосинтез.

процессов брожения и дыхания имеют общий путь. Это отк; уникальным, потому что оно вскрывало существование бь.„.;. единства в живой материи. При дыхании у аэробных организм колиз предшествует циклу трикарбоновых кислот и цепи заявим электронов. Пируват проникает в митохондрии, где он полносты»««ляется до СО₂, в результате чего с высокой эффективностью зы извлекается свободная энергия. При брожении, в анаэ{ виях (дрожжи, молочнокислые бактерии), пируват превращай^ продукты брожения (этанол, лактат).

Ниже представлены стадии процесса гликолиза. Все реакщри текают в цитоплазме и катализируются десятью различными ферментами, большинство из которых получены в кристалличес:-:: хорошо изучены. Эти ферменты растворимы в воде, легко ются из клеток.

Первая стадия гликолиза начинается с фосфорилиров^. соз и является "пусковой". Она требует затраты химическ виде АТР и обусловливает высокую реакционную способности лы гексозы. Пусковая стадия включает: а) фосфорилирован;:^ зы (и других гексоз); б) их изомеризацию; в) второе фосфор: ние; г) расщепление на триозофосфаты.

На этапе "а" осуществляется реакдия между D-глюкозой ± приводящая к образованию глкжозо-6-фосфата:

осуществляют также фосфорилирование других гексоз. Глюкозо-6-фосфат может образовываться и без затраты АТР путем отщепления глюкозильных остатков от крахмала или гликогена с помощью специ­фических фосфорилаз.

На этапе "б" осуществляется изомеризация гексозо-6-фосфатов во фруктозо-6-фосфат. На этом этапе все гексозы превращаются в один фосфорилированный продукт. При действии на глюкозо-6-фосфат фос-фоглюкоизомеразы образуется смесь, состоящая на 20 % из фруктозо-б-фосфата и на 80 % — из глюкозо-6-фосфата:

За изомеризацией следует второе фосфорилирование (этап "в"). Под действием фосфофруктокиназы и при участии АТР фруктозо-6-фос-фат превращается в фруктозе-1,6-бисфосфат:

Почему метаболизм гексозы начинается с термодинамически не­выгодного этапа — присоединения двух макроэргических связей? От­вет на этот вопрос прост: с кинетической точки зрения выгодно запус­кать длинную последовательность реакций с практически необрати­мой реакции, каковой и является фосфорилирование гексозы. Потреб­ление АТР на стадии фосфорилирования компенсируется его образо­ванием на поздних стадиях гликолиза.

Образование фруктозо-1,6-бисфосфата является наиболее медлен­но текущей реакцией гликолиза. Она в целом и определяет скорость всего процесса гликолиза, которая зависит от активности фосфофрук-

далее следует превращение фруктозо-1,о-оисфосфата в триозофос-фаты. Основная цель пусковой реакции сводится к образованию со­единения, легко расщепляемого на фосфорилированные трехуглерш--ные фрагменты. Реакция изомеризации, перемещающая карбонашг-ную группу из положения С-1 в положение С-2, делает возможным расщепление гексозы на два фрагмента. Из этих фрагментов на после­дующих этапах извлекается энергия. Фруктозо-1,6-бисфосфат расщень ляется с образованием глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетоЕ фосфата; эту реакцию катализирует альдолаза:

После расщепления фруктозобисфосфата альдолазой в каждой из образовавшихся половин оказывается фосфатная группа. Под действием триозофосфатизомеразы происходит взаимопревращение фосфотри&з Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата на 96 % дигидроксиацетонфосфата приходится всего 4 % глицераль-дегид-3-фосфата, но именно последний участвует в дальнейших пре­вращениях в процессе гликолиза. Благодаря высокой активности три­озофосфатизомеразы образование дигидроксиацетонфосфата не лиу: тирует скорость гликолиза в целом. В то же время для дигидрокс: ацетонфосфата существует и другой путь, связанный с восстановлен;: ем в глицерофосфат — предшественник липидов.

Вторая стадия гликолиза начинается с окисления глицеральде-гид-3-фосфата, сопряженного с генерированием энергии в форме АТР Глицеральдегид-3-фосфат в присутствии неорганического фосфата окисляется в 1,3-бисфосфоглицерат:

В этой окислительно-восстановительной реакции происходит гене рирование высокоэнергетического фосфатного радикала. Альдегидная группа при С-1-атоме превращается в смешанный ангидрид фосфор

-фосфоглицериновой кислот. Энергия, высвобождающаяся при ении альдегидной группы, аккумулируется в этом ангидриде в высокого потенциала переноса фосфатной группы. Реакция, ве- -:-: образованию макроэргического фосфатного радикала, полу--:язвание субстратного фосфорилирования. AG° гидролиза ацил-

:эй связи 1,3-бисфосфоглицерата равна -49,3 кДж-моль'¹.

: рорилирование на субстратном уровне катализирует глицераль-

-3-фосфатдегидрогеназа. Эта дегидрогеназа была выделена из

-ей в кристаллическом виде, состоит из 4 идентичных субъеди-

.-.:-: дая из которых имеет молекулярную массу 35 000 и содер-

zhv прочно связанную молекулу NAD⁺. Каждая субъединица

ке SH-группу, играющую важную роль в акте катализа. -?-ующей реакции 1,3-бисфосфоглицерат используется для ге-: 53.ния АТР; фосфатная группа высокоэнергетического ацилфос-астием фосфоглицераткиназы переносится на ADP с образо-АТР и 3-фосфоглицерата:

l. эта реакция сильно сдвинута в сторону образования АТР.

it последующих реакций гликолиза происходит образование

;"рой молекулы АТР. Превращение 3-фосфоглицерата в

;шается с переноса фосфатной группы от кислорода при С-3

: при С-2, в результате чего 3-фосфоглицерат превращается в

:ерат. Эта реакция катализируется фосфоглицератмутазой:

Фосфоенолпируват ооладает высоким потенциалом переноса фатной группы; AG° гидролиза высокоэнергетического енолфосфат: составляет —61,9 кДж-моль"¹.

Образовавшийся фосфоенолпируват отдает фосфатную группу А под действием пируваткиназы. Оставшийся при этом енол самопроп: вольно превращается в пируват:

AG⁰' этой реакции = -61,9 + (+30,5) = -31,4 кДж-моль'¹; столь выс-:-кое отрицательное значение AG° делает ее практически необратимой.

Регуляция гликолиза. Гликолиз выполняет две функции: 1) генери­рует АТР за счет расщепления гексозы и 2) поставляет строительны т блоки для реакций синтеза. Его регуляция и направлена на удовлетвор-е ние этих двух потребностей клетки. Реакции, катализируемые гексок;: назой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой, практически необратт: мы; они выполняют не только каталитическую, но и регуляторную фук:-цию. Особая роль в выполнении регуляторной функции отводится фс«: фофруктокиназе. Она действует на пусковой стадии гликолиза. Превр^ щение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат, катализируемся фосфофруктокиназой, является наиболее медленно текущей реакцне: гликолиза, определяющей скорость всего процесса. Активность фосф: фруктокиназы аллостерически контролируется рядом важных метаб: литов, а именно: 1) фосфорилированными промежуточными продукт; ми, такими как глицеральдегид-3-фосфат, 2-фосфоглицерат и фосф-: енолпируват; 2) адениннуклеотидом и ортофосфатом. Фосфофрукток;: наза ингибируется высокими концентрациями АТР, снижающими ее сро~ ство к фруктозо-6-фосфату. Активность фермента возрастает при сниже­нии отношения АТР/АМР. Иначе говоря, гликолиз стимулируется в у; ловиях низкого уровня энергии в клетке. На активность фосфофруктс-киназы влияют также избыток или недостаток строительных блоков Так, она ингибируется цитратом — промежуточным продуктом на на­чальных стадиях цикла трикарбоновых кислот (см. разд. 9.4). Избытс:-цитрата означает, что соединения, играющие при биосинтезе роль прет: шественников, присутствуют в больших количествах и, следовательк; необходимо снижение интенсивности гликолиза. Таким образом, Korz: клетка нуждается в энергии и строительных блоках, о чем свидетель ствуют низкое значение отношения АТР/АМР и низкое содержание цит­рата, фосфофруктокиназа наиболее активна. Если в клетке и энергия, к строительные углеродные фрагменты присутствуют в избытке, актив­ность фермента резко снижается.

гГатализирующая неравновесную реакцию пируваткиназа ингиби-

АТР и цитратом и активируется своим субстратом и ADP. Повышение уровня АТР, глюкозо-6-фосфата, как и цитрата, при-к ингибированию гексокиназы.

ое значение для регуляции гликолиза имеет поступление эзы, играющей роль "метаболического топлива". Регуляция:ения глюкозы осуществляется под действием гексокиназы, 1зирующей первую из гликолитических реакций, и гликоген-гэрилазы, обеспечивающей образование глюкозо-1-фосфата,::?авляющего собой предшественник глюкозо-6-фосфата. В не-:гых тканях (например, скелетные мышцы) гексокиназа явля-тлостерическим ферментом, и роль отрицательного модуля-играет глюкозо-6-фосфат. Благодаря такому характеру регу-ен скорость образования глюкозо-6-фосфата постоянно поддер-.:. ггся в соответствии со скоростью его утилизации. Гликоген-::рнлаза регулируется как путем ковалентной модификации, яллостерически. За счет ковалентной модификации осуще--гтся переход активной фосфорилазы а в неактивную фосфори-- Взаимопревращения этих двух форм происходят под дей--ч киназы фосфорилазы Ъ, катализирующей фосфорилирова- -:?.ющью АТР специфических остатков серина в активном 1* фосфорилазы Ь, и фосфатазы фосфорилазы а, обеспечиваю-лаление от фосфорилазы а фосфатных групп, необходимых..талитической активности. Кроме того, малоактивная фосфо-: i Ь может активироваться под действием аллостерического гхлора AMP; ATP является отрицательным модулятором. .атяко следует иметь в виду, что у разных организмов регулятор- ямы гликолиза могут значительно различаться характером