Анаеробний шлях обміну вуглеводів

Перетворення вуглеводів, головним чином глю­кози, у тканинах людини і вищих тварин може відбуватися дво­ма шляхами - анаеробним і аеробним.

Бродіння. Найпростішим шляхом окиснення органічних ре­човин, в основному вуглеводів, є бродіння - процес утворення енергії шляхом окиснення глюкози й інших субстратів у без-кисневому середовищі, тобто в анаеробних умовах. Акцептором електронів у цьому процесі виступає якась органічна молекула, що утворюється під час самого бродіння. Тому з хімічної точки зору бродіння - внутрішній окисно-відновний процес. Бродіння як найпростіша форма біологічного окиснення з'явилося на Зем­лі, в атмосфері якої був відсутній кисень. Тому перші живі орга­нізми, що з'явилися на Землі, виробили спеціальні механізми, за допомогою яких воші добували енергію, необхідну для їх життє­діяльності, зосереджену в хімічних зв'язках молекул органіч­них речовин.

Залежно від кінцевого продукту, що утворюється в ході збро-жування глюкози, розрізняють молочно-кисле, спиртове, оцтово­кисле, пропіоново-кисле й інші види бродіння. Найбільш важ­ливу роль серед них відіграють два тісно пов'язані між собою процеси.

1. Молочно-кисле бродіння, при якому з шестивуглецевої мо­лекули глюкози як кінцевий продукт утворюються дві молеку­ли молочної кислоти, властиве багатьом мікроорганізмам, а та­кож клітинам більшості вищих тварин, у тому числі й людини, що зберегли здатність окиснювати глюкозу таким примітивним способом. Молочно-кисле бродіння звичайно називають гліколі­зом (від грец. glucux - солодкий).

2. Спиртове бродіння супроводжується розщепленням мо­лекули глюкози на дві молекули етилового спирту і дві молеку­ли оксиду вуглецю (IV) СО₂. Цей процес каталізується тими ж ферментами, що й гліколіз, за винятком завершальної реакції, у результаті якої тривуглецеві фрагменти руйнуються до двовуглецевої сполуки - етанолу.

Гліколіз і глікогеноліз. Механізм цих процесів на цей час добре вивчений. Встановлено послідовність окремих стадій, ви­ділено в чистому вигляді багато ферментів, установлені пункти окиснення і спряжене з ними фосфорилювання АДФ з утворен­ням АТФ, а також енергетика цих процесів.

Гліколіз складається з двох стадій. Перша стадія починається реакцією фосфорилюваяня глюкози за рахунок АТФ. Ця реакція, у результаті якої нейтральна молекула глю­кози для участі в наступних етапах гліколізу активується, не­мов запускає в хід гліколіз. Вона каталізується ферментом гек­сокіназою за наявності Іонів Mg²⁺:

У результаті фосфорилюваяня глюкози утворюється глюко-зо-6-монофосфат, який перетворюється у фруктозо-6-монофосфат. Каталізує цю реакцію фосфоглюкоізомераза:

На наступному етапі здійснюється друге фосфорилюваяня, у результаті якого утворюється 1,6-фруктозодифосфат. У ході цієї реакції використовується ще одна молекула АТФ. Ця друга "пускова" реакція процесу гліколізу здійснюється за участі фер­менту фосфофруктокінази та іонів Mg²⁺:..

Фруктозо-1,6-дифосфат, що утворився, розщеплюється фер­ментом альдолазою на дві фосфотріози - діоксіацетонфосфат і гліцеральдегід-3-фосфат;

Утворенням двох фосфотріоз, які за участі тріозофосфа-тізомерази можуть взаємно перетворюватись одна в одну, закін­чується перша стадія гліколізу.

Таким чином, перша стадія гліколізу характеризується утво­ренням тріозофосфорних ефірів. На цій стадії не відбувається ніяких окислювальних реакцій і не виділяється енергія. Навпа­ки, у результаті фосфорилювання глюкози і фруктозо-б-моно-фосфату витрачається енергія двох молекул АТФ. Необхідно також знати, що реакції фосфорилювання зазначених субстратів відбуваються за допомогою двох регуляторних, або алостеричних, ферментів – гексокінази і фосфофруктокінази. їх регуля­торна роль полягає в тому, що за низької концентрації АТФ у клітині ці ферменти пускають у хід гліколіз, і, навпаки, при ви­сокому вмісті АТФ гексокіназа і фосфофруктокіназа знаходять­ся в клітині в неактивному стані, тобто енергія клітині в даний момент не потрібна.

Друга стадія гліколізу починається реакцією окиснення гліцеральдегід-3-фосфату. Ця реакція є одним з най­більш важливих етапів гліколізу, оскільки в результаті окис­нення альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату звільняється енергія, що зберігається у формі високоенергетичного окисненого продукта цієї реакції 1,3-дифосфогліцерату. Механізм окис­нення гліцеральдегід-3-фосфату докладно вивчений. Його вва­жають одним з найбільш важливих відкриттів у біології, тому що вперше в історії біохімії був розкритий ферментативний і хімічний механізм, за допомогою якого енергія, що звільняється в ході окиснення органічних молекул, може запасатися в моле­кулах АТФ і використовуватися організмом.

Каталізує цю реакцію фермент гліцеральдєгід-3-фосфатдегід-рогеназа, активною частиною якої є сульфгідрильна або тіолова група HS–R, а також кофермент НАД⁺.

Процес окиснення гліцеральдегід-3-фосфату й утворення АТФ складається з декількох етапів. Спочатку фермент зв'я­зується своєю тіоловою групою з гліцеральдегід-3-фосфатом, утворюючи тіоефірну сполуку, яка окиснюється коферментом НАД⁺ (відбувається відщеплення двох атомів водню І відновлен­ня НАД⁺ до НАД·Н + Н⁺). Енергія цього окиснення зосере­джується в карбоксил-тіоловому макроергічному зв'язку:

Утворена при цьому нестійка макроергічна сполука взаємодіє з фосфатною кислотою:

У результаті цієї реакції енергія карбоксил-тіолового макроергічного зв'язку зосереджується в карбоксил-фосфатному макроергічному зв'язку 1,3-дифосфогліцеринової кислоти, потім пе­редається на фосфатну кислоту, унаслідок чого вона стає активо­ваною і здатна вступати в реакцію фосфорилювання АДФ з утво­ренням АТФ. Такий механізм утворення АТФ носить назву суб­стратного фосфорилювання, або фосфорилювання на рівні суб­страту, і відбувається за участю субстрату, що окиснюється:

За допомогою ферменту фосфогліцеромутази 3-фосфогліцеринова кислота перетворюється у 2-фосфогліцеринову:

яка під дією енолази втрачає молекулу води, перетворюється у фосфоенолпіруват. Це друга реакція в процесі гліколізу, у ре­зультаті якої утворюється високоенергетичний зв'язок. Від­щеплення молекули води - це внутрішньомолекулярний окис­но-відновний процес, що супроводжується перерозподілом ене­ргії всередині молекули. Вона ніби зосереджується біля друго­го атома вуглецю, де знаходиться залишок неорганічної фосфа­тної кислоти, унаслідок чого утворюється макроергічний зв'я­зок, енергія якого використовується на активування фосфатної кислоти:

Під дією піруваткінази залишок активованої фосфатної кислоти переноситься від фосфоенолпірувату на АДФ з утворен­ням АТФ і піровиноградної кислоти, тобто здійснюється друга реакція фосфорилювання АДФ на рівні субстрату:

Завершальною реакцією другої стадії, а також усього проце­су гліколізу є відновлення піровиноградної кислоти до молочної під дією лактатдегідрогенази. Джерелом атомів водню висту­пає форма коферменту НАД⁺ → НАД•Н+Н⁺, що утворилась при окисненні гліцеральдегід-3-фосфату (на початку другої стадії гліколізу):

Утворенням молочної кислоти завершується друга стадія гліколізу, а водночас і весь процес перетворення глюкози в анае­робних умовах.

З наведених вище рівнянь випливає, що друга стадія на від­міну від першої характеризується реакціями окиснення, у ре­зультаті яких енергія, що виділяється, запасається в макроергіч-них зв'язках молекул АТФ. Ця енергія надалі може бути вико­ристана клітиною й організмом у цілому для процесів життєді­яльності.

Аналізуючи весь процес гліколізу, неважко помітити, що ана­еробне окиснення вуглеводів має ряд характерних рис. По-пер­ше, воно відбувається багатоступінчато. Це забезпечує поступове звільнення енергії субстратами і її засвоєння. По-друге, енергія, що звільняється в процесі гліколізу, використовується не безпо­середньо для тих або інших процесів, а запасається спочатку в макроергічних фосфатних зв'язках молекул АТФ. І, по-третє, активування неорганічної фосфатної кислоти і реакція фоефорилювання АДФ з утворенням АТФ здійснюються за рахунок енергії внутрішнього окис но-відновного процесу гліколізу між гліцеральдегід-фосфатом І піровиноградною кислотою. Таким чином, ці реакції свідчать про те, що гліколіз як один із видів бродіння являє собою внутрішній окисно-відновний процес, про одо було сказано вище.

Аналогічним способом і за участі тих же ферментів відбу­вається і спиртове бродіння. Виняток становлять тільки останні дві реакції: піровиноградна кислота під дією піруватдекарбо-ксилази перетворюється в оцтовий альдегід, який під впливом відновленого коферменту НАД • Н + Н* і алкогольдегідрогена-зи відновлюється до етилового спирту:

Як вихідна речовина для молочнокислого бродіння може використовуватися глікоген. У цьому випадку анаеробне окис­нення називають глікогенолізом. Як і при гліколізі, першою ре­акцією глікогенолізу є утворення глюкозофосфорвих ефірів. Проте спочатку під дією фосфорилази від глікогену відщеплю­ються залишки глюкозо-1-монофосфату, який за допомогою ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-монофосфат - початковий субстрат для подальших перетворень у ході гліколізу. Надалі відбуваються реакції, розглянуті нами в процесі гліколізу.

Схема анаеробного окиснення глюкози і глікогену (гліколі­зу і глікогенолізу) має такий вигляд:

У процесі анаеробного окиснення глюкози з кожної її моле­кули на першій стадії утворюється дві фосфотріози - діоксіацетонфосфат і гліцеральдегід-3-фосфат. На другій стадії окиснен-ню піддається гліцеральдегід-3-фосфат, у результаті чого утво­рюється дві молекули АТФ: одна на етапі перетворення 1,3-дифосфогліцеринової кислоти до 3-фосфогліцеринової і друга -при перетворенні фосфоенолпірувату до піровиноградної кисло­ти. Проте, оскільки діоксіацетонфосфат ізомерізується в гліце-ральдегід-3-фосфат, у результаті утворюється чотири молекули АТФ. Якщо врахувати, що дві молекули АТФ були використані для фосфорилювання глюкози і фруктозо-6-фосфату, то утвори­лося всього дві молекули АТФ. У процесі гліколізу звільняється 197-205 кДж енергії, 40% якої резервується в макроергічних зв'язках АТФ. Енергія гліколізу складає лише 6-7% потенцій­ної енергії глюкози. Це пояснюється тим, що, хоча процес гліко­лізу включає два окисно-відновні етапи, загальної зміни ступеня окиснення атомів вуглецю не відбувається. Співвідношення ато­мів вуглецю, водню і кисню в молекулі молочної кислоти зали­шилося таким же, як і в молекулі глюкози (1:2:1). Таким чи­ном, молочна кислота як кінцевий продукт гліколізу містить ще значний запас потенційної енергії.

У процесі глікогенолізу привертає увагу той факт, що утво­рення глюкозо-1-фосфату відбувається без участі АТФ. Енергія АТФ використовується тільки один раз – при утворенні фрукто-зо-1,6-дифосфату. З цього випливає, що на утворення двох моле­кул фосфотріоз при анаеробному окисненні глікогену викорис­товується на одну молекулу АТФ менше, ніж при гліколізі, у результаті чого загальний баланс енергії глікогенолізу вищий. Проте, оскільки при утворенні глікогену в печінці на кожну молекулу глюкози використовується одна молекула АТФ, гліко­ліз і глікогеноліз є енергетично рівноцінними процесами.