Глава 7. Катаболические превращения

Гликолиз

Самым древним метаболическим процессом можно считать гликолиз, заключающийся в получении энергии путем расщепления сахаров до более простых молекул без участия кислорода. Процесс гликолиза характерен для всего живого, и отдельные его элементы, различающиеся механизмами регуляции и скоростью, реализуются в любой живой клетке.

Центральный метаболический путь гликолиза завершается образованием из глюкозы двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). В аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетатного остатка, а в анаэробных условиях пировиноградная кислота (пируват) восстанавливается до молочной кислоты (лактата) или же после декарбоксилирования, протекающего с образованием ацетальдегида, превращается в спирт (в клетках дрожжей в отсутствии кислорода).

Расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты сопровождается образованием двух молекул АТФ (АТР):

Если рассчитать изменение свободной энергии в этой системе, то окажется, что в результате превращения одного моля глюкозы в два моля лактата выделяется около 47 ккал/моль, тогда как образование двух молекул АТФ из АДФ и фосфата требует затрат энергии около 29 ккал/моль. Экзотермический эффект, равный 18 ккал/моль, делает этот процесс необратимым, хотя, конечно, с включением обходных путей становится возможным и энергозатратный глюконеогенез (см. стр. 183–187).

Гликолиз начинается с фосфорилирования концевой гидроксильной группы глюкозы действием АТФ при катализе АТФ-гексозо-6-фосфаттрансферазой (гексокиназой):

Если в этот катаболический процесс включается гликоген или крахмал, то 6‑фосфоглюкоза образуется в результате изомеризации 1-фосфоглюкозы, отщепившейся от концевого гексозного остатка (см. стр. 130). Изомеризация 1‑фосфоглюкозы в 6-фосфоглюкозу идет в присутствии фосфоглюкомутазы:

Затем фермент глюкозофосфатизомераза вызывает превращение 6‑фосфоглюкозы в 6‑фосфофруктозу:

Далее АТФ с участием фосфофруктокиназы фосфорилирует 6-фосфофруктозу с образованием 1,6-дифосфофруктозы:

После этого дифосфорилированная фруктоза может разложиться на два трехуглеродных карбонильных соединения – фосфат глицеринового альдегида и фосфат диоксиацетона – в результате реализации обратного хода реакции альдольной конденсации:

Это превращение осуществляется при катализе фруктозодифосфатальдолазой, относящейся к лиазам.

В дальнейшие превращения включается только фосфат глицеринового альдегида, однако фосфат диоксиацетона может превращаться в фосфат глицеринового альдегида в присутствии триозофосфатизомеразы:

Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа дегидрирует фосфат глицеринового альдегида в фосфат глицериновой кислоты. Катализируемый этим ферментом процесс состоит из ряда превращений. Сначала фосфат глицеринового альдегида присоединяется альдегидной группой к находящейся в активном центре фермента сульфгидрильной группе (Е–SH) с образованием полутиоацеталя:

Затем идет реакция дегидрирования с участием NAD⁺, а регенерация свободного фермента происходит в результате реакции ацидолиза: образовавшийся тиоэфир расщепляется фосфорной кислотой с образованием смешанного ангидрида фосфорной и фосфоглицериновой кислот:

Макроэргическая ангидридная связь в этом соединении переносится на аденозиндифосфат (фосфоглицераткиназа), и конечным результатом становится образование фосфоглицерата и одной молекулы АТФ с генерированием восстановительного потенциала (NADH + H⁺):

После этого фосфоглицератмутаза (изомераза) переносит фосфатный остаток на соседнюю гидроксильную группу:

а фермент енолаза (отщепление воды, лиаза) превращает это вещество в фосфат енольной формы пировиноградной кислоты (фосфоенолпируват):

На следующей стадии пируваткиназа переносит макроэргическую связь фосфата (около 62 кДж/моль) енольной формы пировиноградной кислоты на аденозиндифосфат с образованием пировиноградной кислоты и аденозинтрифосфата:

В анаэробных условиях и при недостатке в клетках кислорода пировиноградная кислота гидрируется восстановительным потенциалом, образовавшимся на стадии превращения фосфата глицеринового альдегида в фосфат глицериновой кислоты, и конечным продуктом гликолиза становится молочная кислота:

Осуществляющий это превращение фермент лактатдегидрогеназа назван по обратной реакции превращения лактата в пируват. Так обеспечивают себя энергией разные молочнокислые бактерии и мышцы животных при недостатке кислорода. Отложения молочной кислоты в нетренированных мышцах вызывают известные всем болевые ощущения на следующий после интенсивной нагрузки день.

Энергетический выход гликолитического превращения глюкозы невелик: из одной молекулы глюкозы получается две молекулы АТФ. Если же процесс начинается с концевого глюкозидного остатка гликогена или крахмала, то энергетический выход увеличивается в полтора раза (до трех молекул АТФ). Правда, эта, казалось бы, дополнительная, молекула АТФ была затрачена на образование глюкозидной связи в полисахариде, то есть истинный энергетический выход все равно сводится к двум молекулам АТФ.

Не увеличивается выход АТФ и в процессе брожения. В дрожжевых клетках в отсутствии кислорода воздуха (эти клетки являются факультативными анаэробами) образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота подвергается декарбоксилированию до уксусного альдегида, и только после этого в процесс включается NADH и образуется этиловый спирт. Декарбоксилирование пирувата идет на ферментах, в работе которых в качестве кофермента принимает участие тиаминпирофосфат (ТРР):

Карбонильная группа пировиноградной кислоты присоединяется к тиазольному циклу тиаминпирофосфата, а образовавшийся аддукт декарбоксилируется и разлагается на тиаминпирофосфат и ацетальдегид:

После этого образовавшийся на стадии дегидрирования глицеральдегидфосфата NADH восстанавливает ацетальдегид до этилового спирта.