Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

141

CCH

R CH

Жирная кислота

Пероксидаза

жирных кислот

R CH

Альдегид

NADP

NADPH

Альдегид

дегидрогеназа

CR CH

Жирная кислота

(укорочена на один

атом углерода)

+ 2H

+ H

+ CO

+ 3H

Рис. 9.2. Процесс a-окисления жирных кислот

Подобным образом в клетках микроорганизмов и некоторых тканей жи-

вотных происходит расщепление насыщенных углеводородов. На первой ста-

дии с участием молекулярного кислорода происходит гидроксилирование

молекулы с образованием спирта, который последовательно окисляется в

альдегид и карбоновую кислоту, активируется присоединением СоА и вступа-

ет в путь b-окисления.

9.2. Катаболизм углеводов

Основными источниками углерода и энергии, а значит, и пищевыми суб-

стратами для большинства организмов (исключая растения) служат углеводы.

Среди них на планете в наибольшей мере распространены целлюлоза, ее про-

изводные и крахмал. Кроме этих полисахаридов, большое значение имеют

гликоген, инулин, хитин, ксиланы, пектиновые вещества и др. Большинство

перечисленных полисахаридов расщепляется при участии специфических

ферментов на моносахариды, среди которых преобладают гексозы и пентозы.

Зачастую расщепление поли- и олигосахаридов осуществляется при участии

ферментов фосфорилаз, и тогда образованные продукты оказываются фос-

форилированными.

Особенностью сахаров является наличие при каждом атоме углерода ато-

ма кислорода, что делает возможным химическую атаку этих субстратов

практически в любой точке молекулы. Кроме того, моносахариды и в первую

очередь их фосфорилированные формы способны к изомеризации: карбо-

нильные группы, атомы водорода могут легко перемещаться в соседнее по-

ложение или изменять свое пространственное положение в молекуле с помо-

щью изомераз. Таким образом, появляется возможность перехода от любой

гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. По этой причине, не-

смотря на многообразие и сложность процессов обмена углеводов, можно

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

142

выделить несколько типичных путей их превращения, в частности катабо-

лизма, имеющих выраженные отличительные особенности. Такими путями

служат: гликолиз, пентозофосфатные пути и путь Энтнера—Дудорова.

К закономерностям катаболизма моносахаридов относится обязательная

начальная стадия активации свободных моноз, которая осуществляется в ходе

фосфорилирования. В результате образуются фосфорные эфиры моносахари-

дов, способные вступать в дальнейшие превращения.

Гликолиз. Этот способ катаболизма сахаров называют иначе фруктозо-

1,6-дифосфатным путем (по названию ключевого соединения) или путем Эм-

бдена—Мейергофа—Парнаса (по именам его исследователей).

Гликолиз считается наиболее универсальным и самым выгодным с энер-

гетической точки зрения путем катаболизма гексоз. Процесс открыт в 1897 г.

братьями Бухнерами, и его название происходит от двух греческих корней:

glicos — сахар и lysis — растворять. В ходе гликолиза происходит не тре-

бующее участия молекулярного кислорода многоэтапное превращение гексоз

в пируват, что сопровождается образованием АТР и восстановительных экви-

валентов.

Реакции гликолитического пути осуществляются в цитозоле. Все проме-

жуточные соединения имеют фосфорилированную форму. Для запасания

энергии используется механизм субстратного фосфорилирования.

Превращение глюкозы в пируват (рис. 9.3) требует участия десяти фер-

ментов и осуществляется в ходе следующих стадий: подготовка к разрыву

гексозной цепи, разрыв цепи и образование глицеральдегид-3-фосфата, пер-

вое и второе субстратное фосфорилирование.

Процесс начинается с фосфорилирования глюкозы (активация молекулы)

с участием АТР (донор фосфатной группы) и фермента гексокиназы. Обра-

зующийся глюкозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется глюкозо-

фосфатизомеразой во фруктозо-6-фосфат, который претерпевает второе фос-

форилирование за счет АТР с образованием фруктозо-1,6-дифосфата.

Фруктозо-1,6-дифосфат является ключевым промежуточным продуктом

гликолитического пути: именно данное соединение отличает гликолиз от дру-

гих путей катаболизма сахаров. Кроме того, на уровне этого вещества осуще-

ствляется регуляция скорости всего процесса гликолиза. Активность катали-

зирующего данную реакцию фермента (фосфо-фруктокиназы) ингибируется

высокими концентрациями АТР, при этом снижается сродство фосфофрукто-

киназы к субстрату — фруктозо-6-фосфату. Кроме того, фосфофруктокиназа

ингибируется цитратом —ранним промежуточным продуктом цикла трикар-

боновых кислот. Известна и активация фосфофруктокиназы: ее осуществляют

ADP и неорганический фосфат. Таким образом, фосфофруктокиназа наиболее

активна в условиях, когда в клетке мало АТР (много ADP) и недостает строи-

тельных блоков.

На следующем этапе гликолиза фруктозодифосфат расщепляется с уча-

стием фруктозодифосфатальдолазы на два триозофосфата: дигидроксиаце-

тонфосфат и глицеральдегидтрифосфат. Эти продукты представляют собой

изомеры и легко переходят один в другой под действием триозофосфатизоме-

разы. Однако направление этой реакции сдвинуто в

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

143

H O

O P

ATP ADP

Гексокиназа

Глюкозофос

фатизомераза

ATP

ADP

Триозофосфатизомераза

Фруктозодифос

фатальдолаза

ФЕРМЕНТ NAD

NAD

NADH

H C

ФЕРМЕНТ

ADP

ATP

Глюкоза

Фосфоглице

ратмутаза

Енолаза

СН

Фосфоенолпируват

Пируваткиназа

ADP

ATP

Пируват

HO HO

Глюкозо-6-фосфат

P OH

Фруктозо-6-фосфат

P OH

O P

Фосфофрукто-

киназа

Глицеральдегид-

3-фосфат

Дигидрокси-

ацетонфосфат

Субстрат-ферментный

комплекс

Глицеральдегид-

3-фосфат-

дегидрогеназа

SH-ФЕРМЕНТ

1,3-Дифосфоглицерат

Фосфоглицерат-

киназа

3-Фосфоглицерат

2-Фософглицерат

Глицеральдегид-3-фосфат-

дегидрогеназа

Глицеральдегид-3-фосфат-

дегидрогеназа

Рис. 9.3. Гликолитический путь катаболизма гексоз. Зигзагообразными ли-

ниями обозначены макроэргические химические связи

сторону образования глицеральдегид-3-фосфата, поскольку он все время вы-

водится из реакционной смеси, претерпевая дальнейшие превращения. Гли-

церальдегид-3-фосфат служит субстратом первого субстратного фосфорили-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

144

рования.

В ходе оставшихся этапов гликолиза, в отличие от предыдущих, энергия

выделяется и запасается в форме АТР. Одной из подобных реакций является

окисление глицеральдегид-3-фосфата. Фермент, катализирующий данную

реакцию (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа), использует в качестве

кофермента NAD и характеризуется содержанием большого количества

сульфгидрильных групп (SH-групп). Окисление начинается со связывания

глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой фермента — формируется субстрат-

ферментный комплекс. Далее фермент катализирует перенос водорода с суб-

страта на NAD

, и восстановленный кофермент отделяется. Реакция дегид-

рирования и служит окислительной реакцией, поставляющей энергию: возни-

кает комплекс фермента с ацильным остатком (тиоэфир), богатый энергией.

Затем осуществляется фосфоролиз — перенос остатка глицеральдегид-3-

фосфата совместно с макроэргической связью на фосфорную кислоту, что

приводит к образованию 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и исходной

формы фермента. 1,3-Дифосфоглицерат представляет собой смешанный ан-

гидрид фосфорной и карбоновой кислот и имеет высокий потенциал переноса

фосфатной группы. Богатая энергией фосфатная группа переносится с 1,3-

дифосфоглицерата на ADP с участием фосфоглицераткиназы и образованием

продуктов: 3-фосфоглицерата и АТР. Так осуществляется первое субстратное

фосфорилирование в гликолизе.

Заключительный этап гликолиза — второе субстратное фосфорилирова-

ние — начинается со внутримолекулярной перестройки, в ходе которой 3-

фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат (фермент фосфоглицерат-

мутаза). 2-Фосфоглицерат дегидратируется в фосфоенолпируват при участии

енолазы. В результате этой реакции образуется соединение, характеризую-

щееся высоким потенциалом переноса фосфатной группы, таким образом,

отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицерата сопровождается перерас-

пределением энергии внутри молекулы, и фосфатная связь у 2 атома углерода

превращается из низко- в высокоэнергетическую. Последняя реакция глико-

лиза катализируется пируваткиназой, и в ходе нее фосфатная группа перено-

сится на молекулу ADP и образуется конечный продукт пути — пируват.

Гликолитическое расщепление одной молекулы глюкозы приводит к об-

разованию 4 молекул АТР (по две на каждую молекулу глицеральдегид-3-

фосфата), из которых 2 расходуются на образование фруктозодифосфата. Та-

ким образом, запасается всего 2 молекулы АТР. Кроме того, на одну молеку-

лу глюкозы в этом процессе запасается 2 молекулы NADH (при окислении 2

молекул глицеральдегид-3-фосфата). Баланс гликолиза выглядит следующим

образом:

1 С

® 2 С

+ 2 АТР + 2NADH

Гликолитический процесс служит клетке для запасания энергии и восста-

новительных эквивалентов, а также является поставщиком «строительных

блоков» в виде трехуглеродного, частично окисленного соединения —

пировиноградной кислоты и некоторых промежуточных продуктов, в частно-

сти глицеральдегид-3-фосфата.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

145

Пентозофосфатные пути. Эти пути катаболизма сахаров довольно

разнообразны. В зависимости от условий и видовой принадлежности орга-

низма результатом данных процессов могут быть различные вещества. Осу-

ществление реакций пентозофосфатных путей в обратном направлении ис-

пользуется клетками при фиксации СО

. Основной отличительной особенно-

стью путей является образование в качестве промежуточных соединений пя-

тиуглеродных сахаров, а также последовательное отщепление от 6-

углеродного фосфорилированного сахара по одному атому углерода, который

высвобождается в среду в виде СО

Пентозофосфатные пути (иначе, схема Варбурга—Диккенса—Хореккера,

гексозомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь) реализуются орга-

низмами реже, чем гликолиз, и обнаруживаются чаще всего в клетках бакте-

рий.

После традиционной реакции активации глюкозы в ходе фосфорилирова-

ния образованный глюкозо-6-фосфат подвергается дегидрированию. Данную

реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, а восстановительные

эквиваленты акцептирует ее кофермент — NADP

. Образуется 6-

фосфоглюконолактон (рис. 9.4). Данное соединение подвергается гидролизу

(раскрытие кольца) с участием глюконолактоназы, а образованная 6-

фосфоглюконовая кислота претерпевает второе дегидрирование (фосфоглю-

конатдегидрогеназа), после которого сразу же следует декарбоксилирование и

образуется рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат изомеризуется в два пяти-

углеродных сахара — ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат (рис. 9.4).

Следующий этап пентозофосфатных путей представляет собой много-

кратные межмолекулярные перестройки и изомеризацию промежуточных

соединений, формирующихся из рибулозо-5-фосфата. Эти реакции направле-

ны на образование 6-углеродного соединения (глюкозо-6-фосфата), которое

может снова подвергнуться окислению и декарбоксилированию. В результате

из 6 молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 молекул глюкозо-6-фосфата

(рис. 9.5).

Система структурной перестройки сахаров включает два фермента —

транскетолазу и трансальдолазу, которые катализируют перенос двухугле-

родных и трехуглеродных фрагментов, разрывая С—С-связи в двух положе-

ниях: по соседству с карбонильной (a) и у соседнего с карбонильной группой

углеродного атома (b) (на рис. 9.5 места, в которых связи подвергаются рас-

щеплению, обозначены пунктирной линией).

При полном окислении глюкозы в пентозофосфатных путях молекула глице-

ральдегид-3-фосфата, образующаяся на конечном этапе, подвергается изомериза-

ции с участием триозофосфатизомеразы в дигидроксиацетонфосфат, который

затем вступает в реакцию альдольной конденсации со второй молекулой глице-

ральдегид-3-фосфата, и образуется фруктозодифосфат. Данная реакция является

обратимой процессу расщепления фруктозодифосфата, которое имеет место в

гликолизе (рис. 9.3), а фермент фруктозодифосфатальдолаза катализирует и пря-

мое, и обратное превращения. Молекула фруктозо-1,6-дифосфата дефосфорили-

руется с образованием фруктозо-6-фосфата (фермент фосфатаза), а он, в свою

очередь, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат и возвращается к начальному этапу

дегидрирования.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

146

Глюкозо-6-фосфат

O P

Глюкозо-6-

фосфат-

дегидрогеназа

6-Фосфоглюконолактон

NADP

NADPH

COOH

O P

6-Фосфо-

глюконо-

лактоназа

+ Н

6-Фосфоглюконовая

кислота

+ CO

NADP

NADPH

6-Фосфо-

глюконат-

дегидрогеназа

Рибулозо-5-фосфат

O P

H OH

O P

Эпимераза

Изомераза

Ксилулозо-5-фосфат

Рибозо-5-фосфат

O P

Рис. 9.4. Образование и изомеризация рибулозо-5-фосфата в ходе пенто-

зофосфатных путей. Поскольку из одной молекулы гексозы может образо-

ваться 6 молекул СО

, для удобства подсчета баланса процесс

приведен на 6 молекул глюкозо-6-фосфата

Таким образом, на одну молекулу глюкозы при полном окислении в пен-

тозофосфатных путях затрачивается 1 молекула АТР и образуется 6 молекул

СО

и 12 молекул NADPH. Таким образом, основной задачей пентозофосфат-

ных путей является обеспечение клетки NADPH, который используется в

процессах биосинтеза.

В ходе пентозофосфатных путей может и не происходить полного окисле-

ния глюкозы. В этом случае глицеральдегид-3-фосфат претерпевает иные

превращения, например подвергается реакциям субстратного фосфорилиро-

вания под действием ферментов гликолитического пути.

Большое значение пентозофосфатные пути имеют для биосинтетических

процессов: здесь образуются промежуточные соединения, играющие роль

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

147

предшественников многих веществ. В частности, эритрозо-4-фосфат исполь-

зуется бактериями и растениями для синтеза ароматических ами-

H OH

O P

H OH

OHH

O P

OHH

O P

Транскетолаза,

трансальдолаза

OHH

O P

(ТК, ТА)

ТК, ТА

H OH

O P

OHH

Изомераза

В начало цикла,

на стадию

дегидрирования

H OH

O P

OHH

O P

ТК, ТА

O P

H OH

O P

Изомераза

В начало цикла,

на стадию

дегидрирования

Изомераза,

альдолаза,

изомераза

Ксилулозо-

-5-фосфат

Рибозо-

-5-фосфат

Глицеральдегид-

-3-фосфат

Седегептуло-

зо-7-фосфат

Эритрозо-

-4-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Эритрозо-

-4-фосфат

Ксилулозо-

-5-фосфат

Глицеральдегид-

-3-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфат

O P

Глюкозо-6-фосфат

O P

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

148

Рис. 9.5. Превращения изомеров рибулозо-5-фосфата в ходе пентозофосфат-

ных путей при полном окислении глюкозы (в расчете на 6 молекул

глюкозо-6-фосфата). Объяснения в тексте

нокислот. Рибозо-5-фосфат служит субстратом для синтеза азотистых основа-

ний и некоторых аминокислот.

Путь Энтнера—Дудорова (2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный).

Этот процесс является еще одним способом катаболизма гексоз и представлен

в основном в клетках микроорганизмов. Особое значение данный путь имеет

для расщепления глюконата. Начальные стадии превращения глюкозо-6-

фосфата совпадают с таковыми для пентозофосфатных путей, вплоть до об-

разования 6-фосфоглюконовой кислоты. Далее, однако, 6-фофоглюконат под-

вергается а не окислению, а реакции дегидратации, с участием фермента 6-

фосфоглюконат-дегидратазы. Образуется ключевое соединение данного пу-

ти — 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюко-нат. Стадия дегидратации осуществля-

ется через образование промежуточного соединения (енола), который в ре-

зультате таутомерного превращения переходит в 2-кето-3-дезокси-6-

фосфоглюконат (рис. 9.6).

Далее альдолаза катализирует расщепление ключевого соединения на пи-

руват и глицеральдегид-3-фосфат. Последний может вступать в гликолитиче-

ский путь и подвергаться дальнейшим превращениям.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

149

O P

COOH

NADP

NADPH

COOH

O P

Енол

COOH

O P

H OH

O P

COOH

Альдолаза

Пируват

Гликолиз

NAD

NADH

Пируват

COOH

Дегидрогеназа,

лактоназа

Баланс

Глюкозо-6-фосфат

O P

6-Фосфоглюконовая

кислота

Фосфоглюконат-

дегидрогеназа

2-Кето-3-дезокси-

-6-фосфоглюкона

Глицеральдегид-3-фосфат

На 1 молекулу глюкозы:

2 молекулы пирувата

1 молекула NADPH,

1 молекула NADH,

1 молекула ATP

2ATP

2ADP

Рис. 9.6. Путь Энтнера—Дудорова и сопряженные с ним процессы

Как следует из баланса пути Энтнера—Дудорова, этот процесс менее вы-

годен с энергетической точки зрения, чем гликолиз: на молекулу глюкозы

здесь запасается только 1 молекула АТР (из двух синтезированных одна тра-

тится на фосфорилирование глюкозы).

Обзор основных катаболических путей позволяет увидеть, что расщепле-

ние «топливных» молекул при их неполном окислении сопровождается обра-

зованием двух основных метаболитов — пировиноградной кислоты и ацетил-

СоА. Данные вещества могут использоваться как в биосинтетических путях в

качестве «строительных блоков», так и подвергаться дальнейшим превраще-

ниям, обеспечивающим запасание клетками энергии. Поскольку в данном

разделе обсуждаются процессы, приводящие к запасанию энергии, следует

отметить, что судьба пирувата и ацетил-СоА зависит в первую очередь от

наличия молекулярного кислорода в клетке, а также от ее ферментативного

оснащения. Так, в клетках анаэробных микроорганизмов и тканей высших

организмов пируват и ацетил-СоА могут подвергаться различного рода бро-

жениям, завершающим процессы катаболического расщепления субстратов.

В аэробных и факультативно-анаэробных клетках при наличии молекулярно-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

150

го кислорода пируват может подвергаться процессу окислительного декар-

боксилирования, и образующийся ацетил-СоА вступает в цикл трикарбоно-

вых кислот, где осуществляется его полное окисление до СО

и Н

О, а фор-

мирующиеся восстановительные эквиваленты поступают в дыхательную

цепь. Перечисленные процессы будут рассмотрены в следующих главах.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)