Синтез Сахаров при обращении гликолиза

Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза:

Глюкоза Пируват

Глюкоза Пируват

Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые киназами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с помощью других ферментов и реакций (см. рис. 4.3). Для обращения реакции, катализируемой пируваткиназой, и получения ФЕП из пирувата необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозоля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при уча­стии пируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12) с образованием оксалоацетата (ОАА). В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата (13) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, ко­торая идет в направлении синтеза малата, так как соотношение НАДН/НАД в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется до ОАА (14). И наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависи­мой реакции, катализируемой

ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1, 6-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (16 и 17), катализируемых гексокина­зой и фосфофруктокиназами, достигается при действии соответствующих фосфатаз. Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза, возможен синтез сахарозы при участии сахарозофосфатсинтазы. Таким образом, в мета­болизме растений существует способ синтеза Сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семенах тех растений, в которых запасными соединениями являются жиры (см. подразд. 4.1.9).

4.1, 5. ОБРАЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ, АТФ И СО₂ В ЦИКЛЕ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энер­гии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюко­за. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СО₂.

Сначала окисление пирувата катализирует сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис. 4.4). В его состав входят три фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилтрансацетилаза, дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат — витамин В₁, липоевая кислота, НАД , ФАД и коэнзим А).

В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоА—SH) — сложная молекула, в составе которой есть активная SH-группа. Коэнзим А функциони­рует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментатив­ных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле

ацетил-СоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата (7) пируватдегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД до НАДН, отщеплением СО₂ и образованием ацетил-СоА. Ацетил-СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестя­щих работ, выполненных в лаборатории английского биохимика Г. А. Кребса в 30-х гг. XX в. на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК — универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных орга­низмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.

Первой реакцией цикла можно считать реакцию конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом с образованием цитрата (2), катализируемую цитратсинтазой (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Окисление пирувата в матриксе митохондрий через пируватдегидрогеназный

комплекс и цикл трикарбоновых кислот.

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается выделением СО₂, восстановле­нием НАДН и синтезом ацетил-СоА. В реакции, катализируемой цитратсинтазой, ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата. В ЦТК цитрат окисляется с выделением двух молекул СО₂, в результате вновь синтезируется оксалоацетат. В реакциях ЦТК образу­ются 3 НАДН и 1 ФАДН₂, а также синтезируется 1 АТФ. Образованный оксалоацетат вновь реагирует с ацетил-СоА, запуская следующий оборот цикла. Реакции 1— 9 катализируют следу­ющие ферменты: 1 — пируватдегидрогеназный комплекс; 2 — цитратсинтаза; 3 — аконитаза; 4 — НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа; 5 — α -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс; б — сукцинил-СоА-синтетаза; 7 — сукцинатдегидрогеназа; 8 — фумараза; 9 — НАД-зависимая малатдегидрогеназа

Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сна­чала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализи­руются одним ферментом — аконитазой. Далее следуют две реакции окисли­тельного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД и выделением СО₂. Сначала НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа окис­ляет изоцитрат (4) с образованием α -кетоглутарата, СО₂ и НАДН. Эта самая медленная реакция определяет скорость оборота всего цикла. Образованный α -кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению α -кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО₂ и сукцинил-СоА. Далее сукцинил-СоА-синтетаза катализирует превращение сукцинил-СоА в сукцинат (6), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинил-СоА. Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ (животные).

Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фер­мент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи — комплекс II. В ходе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, кото­рая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДН₂ прямо уходят в дыхательную цепь. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа — это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи (см. подразд. 4.2.3). Далее фумараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И наконец, цикл замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Это третья реакция цикла, в которой генери­руются НАДН. Хотя данная реакция легкообратима, in vivo ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Сдвиг происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя большинство реакций цикла об­ратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и α -кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, физиологически необратимы и контролируют на­правление цикла.

Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисления глюкозы, начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СО₂. Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, восста­новлением ФАД и синтезом одной молекулы АТФ.

Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ. Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхатель­ной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДН₂ — двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. подразд. 4.2.6 и 4.2.9). При полном окислении глюкозы 2НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8НАДН и 2ФАДН₂ — в матриксе при окислении двух молекул пирувата. При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фосфорилирования (2 АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра достаточно приблизительна и скорее всего завышена. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН, может быть меньше трех (см. подразд. 4.2.7).