Катаболизм углеводов. Генерирование энергии фосфатной связи

Отдельные биохимические реакции в живой клетке тесно связаны между собой, образуют метаболические пути, или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. Принято различать универсальные и специальные метаболические пути. Первые являются ведущими для распада и синтеза основных макромолекул, они удивительно сходны у любых представителей живого мира. Вторые характерны для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул (например, алкалоидов, терпенов, и т.д.), выполняющих какие-либо регуляторные или иные функции или просто являющиеся конечна продуктами обмена.

Анаэробный путь катаболизма осуществляет клеткой без доступа кислорода воздуха и называется брожением; аэробный — идет с участием кислорода воздуха, представляет собой окислительный процесс и называется дыханием. Конечные цели обоих путей:

а) синтез АТР за счет утилизации энергии, аккумулированной в углеводах;

б) получение из этих углеводов пластических соединений, являющихся исходным материалом для синтеза компонентов клетки.

Гликолиз (от греч. glycys — сладкий, lysis — разрушение) — универсальный и основной процесс катаболизма углеводов для большинства организмов; это последовательность реакций, приводящих к пре­вращению гексозы в пируват с одновременным образованием АТР. Благодаря исследованиям, проведенным К. Нейбергом, О. Bap6yргом О. Мейергофом, Г. Эмбденом, Я. Парнасом, С. Костычевым, А. Лебе­девым, была выяснена последовательность реакций гликолиза, пред­ставленная на рисунке Важнейшими моносахаридами, катаболизму которых осуществляется по гликолитическому пути, являются D-глюкоза и D-фруктоза. Однако и другие моносахариды способны катаболизироваться 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.

Гликолиз является первым, а в анаэробных условиях основным этапом на пути использования глюкозы и других углеводов для обеспечения биоэнергетических потребностей живых организмов. Кроме того, на промежуточных стадиях гликолиза образуются трехуглеродные фрагменты, используемые для биосинтеза ряда веществ.

Стержневым этапом гликолиза является окислительная деструкция глюкозы до двух молекул ппрувата - соли пировипоградноп кислоты с использованном в качестве окислителя двух молекул NAD⁺. Стехнометрическое уравнение процесса записывается в виде

C₆H₁₂ O ₆+ 2NAD⁺ → 2CH₃COCOO^- + 4H⁺ + 2NAD·H

Ниже представлены стадии процесса гликолиза. Все реакции протекают в цитоплазме и катализируются десятью различными ферментами, большинство из которых получены в кристаллическом виде и хорошо изучены. Эти ферменты растворимы в воде, легко выделяются из клеток.

Первая стадия гликолиза начинается с фосфорилирования и является " пусковой". Она требует затраты химической энергии в виде АТР и обусловливает высокую реакционную способности молекулы гексозы.

Пусковая стадия включает:

а) фосфорилирование глюкозы (и других гексоз);

б) их изомеризацию;

в) второе фосфорилирование;

г) расщепление на триозофосфаты.

Начало процесса - фосфорилирование глюкозы при участии АТФ, фермен­та гексокиназы и кофактора Mg²⁺. Глюкозо-6-фосфат может образовываться и без затраты АТР путем отщепления глюкозильных остатков от крахмала или гликогена с помощью специ­фических фосфорилаз.

На этапе " 2" 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-6-фосфата и на 80 % — из глюкозо-6-фосфата:

За изомеризацией следует второе фосфорилирование (этап " 3"). Под действием фосфофруктокиназы и при участии АТР фруктозо-6-фосфат 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 фосфофруктокиназы.

Далее следует превращение фруктозо-1, 6-бисфосфата в триозофосфаты. Основная цель пусковой реакции сводится к образованию со­единения, легко расщепляемого на фосфорилированные трехуглеродные фрагменты. Реакция изомеризации, перемещающая карбонильную 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 расщепляется с образованием глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата; эту реакцию катализирует альдолаза.

После расщепления фруктозобисфосфата альдолазой в каждой из образовавшихся половин оказывается фосфатная группа. Под действием триозофосфатизомеразы происходит взаимопревращение фосфотриоз Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата на 96 % дигидроксиацетонфосфата приходится всего 4 % глицеральдегид-3-фосфата, но именно последний участвует в дальнейших пре­вращениях в процессе гликолиза. Благодаря высокой активности три­озофосфатизомеразы образование дигидроксиацетонфосфата не лимитирует скорость гликолиза в целом. В то же время для дигидроксиацетонфосфата существует и другой путь, связанный с восстановлением в глицерофосфат — предшественник липидов.

Вторая стадия гликолиза начинается с окисления глицеральдегид-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 генерирование высокоэнергетического фосфатного радикала.

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.

Катализирующая неравновесную реакцию пируваткиназа ингибируется АТР и цитратом и активируется своим субстратом и ADP. Повышение уровня АТР, глюкозо-6-фосфата, как и цитрата, приводит к ингибированию гексокиназы.