Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

1,3-Бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соеди-

нение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда» ~).

Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к сле-

дующему: в присутствии неорганического фосфата НАД

выступает как

акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В про-

цессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с молеку-

лой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата

энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием неорганического

фосфата, при этом образуется 1,3-бисфосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом

происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной

группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфогли-

цериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральде-

гидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождаю-

щаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до

карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от

окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнерге-

тических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом

оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превра-

щается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg

. Кофак-

тором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота ана-

логично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора вы-

полняет глюкозо-1,6-бисфосфат:

331

Глицеральдегид-

-3-фосфат

Глицеральдегид-

фосфатдегидрогеназа

1,3-Бисфосфоглицерат

Мg

Фосфоглицераткиназа

3-Фосфоглицерат

+ НАД

+ Н

РO

+ НАДН + Н

+АДФ

+ АТФ

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом

2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды

переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват),

а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg

или Мn

и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи

и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстрат-

ное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы ионы Mg

, а также одно-

валентные катионы щелочных металлов (К

или др.). Внутри клетки

реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление

пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция проте-

кает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН,

образовавшегося в шестой реакции:

Последовательность протекающих при гликолизе реакций представлена

на

рис. 10.3.

332

3-Фосфоглицерат

Фосфоглицеромутаза

2-Фосфоглицерат

Енолаза

Фосфоенолпируват

Пируваткиназа

Пируват

Лактатдегидрогеназа

Лактат

(молочная кислота)

–H

+ АДФ

+ АТФ

НАДН+Н

НАД

Рис. 10.3. Последовательность ре-

акций гликолиза.

1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизоме-

раза; 3 - фосфофруктокиназа; 4 - альдо-

лаза; 5 - триозофосфатизомераза; 6 - гли-

церальдегидфосфатдегидрогеназа; 7 -

фосфоглицераткиназа; 8 - фосфоглице-

ромутаза; 9 - енолаза; 10 - пируватки-

наза; 11 - лактатдегидрогеназа.

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-

восстановительный цикл гликолиза. НАД

при этом играет роль проме-

жуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реак-

ция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он ре-

генерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, по-

лучившем название гликолитический оксидоредукции.

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего

в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях

гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук-

токиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ

(фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом,

энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет

2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Как отмечалось, основной реакцией, лимитирующей скорость глико-

лиза, является фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая ско-

рость и регулирующая гликолиз – гексокиназная реакция. Кроме того,

контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами.

333

АДФ

Глюкозо-6-фосфат

Ф ру ктозо-6-фосфат

АДФ

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Диоксиаце-

тонфосфат

Глицеральдегид-3-фосфат (2 мол)

НАД

+ Н

РO

НАД

+ Н

РO

(по 2 мол)

НАДН+Н

1,3-Бисфосфоглицериновая

кислота (2 мол)

АДФ

АТФ

АДФ (2

мол)

3-Фосфоглицериновая

кислота (2 мол)

2-Фосфоглицериновая

кислота (2 мол)

О (2

мол)

Фосфоенолпируват (2 мол)

АДФ (2

мол)

Пировиноградная

кислота (2 мол)

НАДН+Н

НАД

(2 мол)

АТФ

НАДН + Н

(2мол)

+ АТФ

мол)

АТФ

(2 мол)

НАДН + Н

В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобла-

дают изоферменты ЛДГ

и ЛДГ

(см. главу 4). Эти изоферменты инги-

бируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует

образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению

пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени использующих энергию

гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами яв-

ляются ЛДГ

и ЛДГ

. Активность ЛДГ

максимальна при тех концентра-

циях пирувата, которые ингибируют ЛДГ

. Преобладание изоферментов

ЛДГ

и ЛДГ

обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым

превращением пирувата в молочную кислоту.

Как отмечалось, процесс анаэробного распада гликогена получил назва-

ние гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс

гликолиза происходит при участии 2 ферментов – фосфорилазы а и фосфо-

глюкомутазы. Образовавшийся в результате фосфоглюкомутазной реакции

глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После обра-

зования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза

полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапли-

ваются не две, а три молекулы АТФ (АТФ не тратится на образование

глюкозо-6-фосфата). Кажется, что энергетическая эффективность глико-

генолиза выглядит несколько более высокой по сравнению с процессом

гликолиза, но эта эффективность реализуется только при наличии активной

фосфорилазы а. Следует иметь в виду, что в процессе активации фосфо-

рилазы b расходуется АТФ (см. рис. 10.2).

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными

организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную

реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

–> 2C

OH + 2СO

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гли-

колизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата.

При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН

восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап

заменен двумя другими ферментативными реакциями – пируватдекарбо-

ксилазной и алкогольдегидрогеназной.

334

Гликоген

РO

Глюкоза

АТФ

АДФ

Глюкозо-1-фосфат

Фосфоглюкомутаза

Глюкозо-6-фосфат

Гликолиз

Глюкоза

Этанол

В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвер-

гается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид.

Данная реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, ко-

торый требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ):

Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляе-

мый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катали-

зируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются

этанол и СО

, а не молочная кислота, как при гликолизе.

Процесс молочнокислого брожения имеет большое сходство со спиртовым

брожением. Отличие заключается лишь в том, что при молочнокислом брожении

пировиноградная кислота не декарбоксилируется, а, как и при гликолизе в животных

тканях, восстанавливается при участии ЛДГ за счет водорода НАДН.

Известны 2 группы молочно-кислых бактерий. Бактерии одной группы в про-

цессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а бактерии другой

из каждой молекулы глюкозы «производят» по одной молекуле молочной кислоты,

этанола и СО

Существуют и другие виды брожения, конечными продуктами которых могут

являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения.

Включение других углеводов в процесс гликолиза

Фруктоза. Установлено, что фруктоза, присутствующая в свободном виде

во многих фруктах и образующаяся в тонкой кишке из сахарозы, всасы-

ваясь в тканях, может подвергаться фосфорилированию во фруктозо-6-

фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ:

Эта реакция ингибируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-6-фос-

фат либо превращается в глюкозу через стадии образования глюкозо-6-

фосфата и последующего отщепления фосфорной кислоты (рис. 10.4), либо

подвергается дальнейшим превращениям. Из фруктозо-6-фосфата под

влиянием 6-фосфофруктокиназы и АТФ образуется фруктозо-1,6-бисфос-

фат:

335

Пируват

Пируватдекарбоксилаза,

ТПФ,

Ацетальдегид

Алкогольдегидрогеназа

Этанол

Фруктоза

АТФ

АДФ

Гексокиназа

Фруктозо-6-фосфат

СО

+ НАДН+Н

СН

—СН

ОН + НАД

СН

—СО—СООН

Далее фруктозо-1,6-бисфосфат может подвергаться дальнейшим пре-

вращением по пути гликолиза. Таков главный путь включения фруктозы

в метаболизм мышечной ткани, почек, жировой ткани.

В печени, однако, для этого существует другой путь. В ней имеется

фермент фруктокиназа, который катализирует фосфорилирование фрук-

тозы не по 6-му, а по 1-му атому углерода:

Эта реакция не блокируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-1-

фосфат расщепляется затем под действием кетозо-1-фосфатальдолазы на

диоксиацетонфосфат и D-глицеральдегид:

Фруктозо-1-фосфат <=> Диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид.

Образовавшийся D-глицеральдегид под влиянием соответствующей

киназы (триокиназы) подвергается фосфорилированию до глицеральде-

гид-3-фосфата. В этот же промежуточный продукт гликолиза переходит

и дигидроксиацетонфосфат.

Существует врожденная аномалия обмена фруктозы, или эссенциальная

фруктозурия, которая связана с врожденным недостатком фермента фрук-

токиназы, т.е. в организме не образуется фруктозо-1-фосфат. В резуль-

Рис. 10.4. Метаболизм фруктозы.

1 - гексокиназа; 2 - 6-фосфофруктоки-

наза; 3 - фруктозобисфосфатальдолаза;

4 - кетогексокиназа; 5 - кетозо-1-фосфа-

тальдолаза; 6 - триокиназа; 7 - глюко-

зофосфатизомераза; 8 - глюкозо-6-фос-

фатаза; 9 - триозофосфатизомераза.

336

Фруктозо-6-фосфат

АТФ

АДФ

Мg

6-Фосфофруктокиназа

Фруктозо-1,6-бисфосфат

D-фруктоза

Кетогексокиназа

АТФ

АДФ

Фруктозо-1-фосфат

Глюкоза

РО

Глюкозо-6-фосфат

АТФ

Ф руктозо-6-фосфат

АТФ

АДФ

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Дигидр-

оксиацетонфосфат

Глицеральде-

гид-3-фосфат

Далее по пути

гликолиза

АДФ

АТФ

Глицер-

альдегид

Фруктозо-1-фосфат

АДФ

АТФ

Фруктоза

Рис. 10.5. Метаболизм галак-

тозы.

тате обмен фруктозы возможен только путем фосфорилирования до фрук-

тозо-6-фосфата, но эта реакция тормозится глюкозой, вследствие чего

фруктоза накапливается в крови. «Почечный порог» для фруктозы очень

низок, поэтому фруктозурия обнаруживается уже при концентрации фрук-

тозы в крови 0,73 ммоль/л.

Галактоза. Основным источником галактозы является лактоза пищи,

которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы

(рис. 10.5).

Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат.

Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ:

В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексо-

зо-1-фосфатуридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1-

фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфат-

галактоза (УДФ-галактоза):

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат в дальнейшем либо переходит

в глюкозо-6-фосфат и далее подвергается уже известным превращениям,

337

Галактоза

АТФ

АДФ

Галактокиназа

Галактозо-1-фосфат

УДФ-глюкоза

Гексозо-1-фосфат-

уридилилтрансфераза

Глюкозо-1-фосфат

УДФ-галактоза

УДФ-глюкоза-4-эпимераза

УДФ-глюкоза

Пирофосфат

УТФ,

Глюкозо-1-фосфат

УДФ-глюкоза-пиро-

фосфорилаза

Галактоза

АТФ

АДФ

Галактокиназа

Галактозо-1-фосфат

Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза

Гексозо-1-фосфат-

уридилилтрансфераза

Глюкозо-1-фосфат + УДФ-галактоза.

либо под влиянием фосфатазы образует свободную глюкозу, а УДФ-га-

лактоза подвергается весьма своеобразной эпимеризации:

Затем УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза катализирует расщепление

УДФ-глюкозы с образованием глюкозо-1-фосфата:

О дальнейших превращениях глюкозо-1-фосфата см. ранее.

Одно из патологических состояний, возникающих в результате на-

рушения обмена углеводов,– это рецессивно наследуемое заболевание га-

лактоземия. При этом заболевании общее содержание моносахаридов

в крови повышается главным образом за счет уровня галактозы, достигая

11,1–16,6 ммоль/л. Концентрация глюкозы в крови существенно не из-

меняется. Кроме галактозы, в крови накапливается также галактозо-1-фос-

фат. Галактоземия приводит к умственной отсталости и катаракте хрус-

талика. Возникновение данной болезни у новорожденных связано с

недостатком фермента гексозо-1-фосфатуридилилтрансферазы. С возрас-

том наблюдается ослабление этого специфического нарушения обмена

углеводов.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими про-

дуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пи-

ровиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, гли-

церол и ряд других соединений. Иными словами, предшественниками

глюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое соединение,

превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из проме-

жуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот *.

У позвоночных наиболее интенсивно глюконеогенез протекает в клетках

печени и почек (в корковом веществе).

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение

реакции гликолиза. Только 3 реакции гликолиза (гексокиназная, фосфо-

фруктокиназная и пируваткиназная) необратимы, поэтому в процесс глю-

конеогенеза на 3 этапах используются другие ферменты. Рассмотрим путь

синтеза глюкозы из пирувата.

Образование фосфоенолпирувата из пирувата. Синтез фосфоенолпирувата

осуществляется в несколько этапов. Первоначально пируват под влиянием

* У высших растений и микроорганизмов в процессе глюконеогенеза важную роль играет

глиоксилатный цикл. Благодаря данному циклу высшие растения и микроорганизмы

способны превращать двууглеродные метаболиты, а следовательно, и ацетил-КоА в углеводы.

В клетках животных отсутствуют два ключевых фермента глиоксилатного цикла: изоцитрат-

лиаза и малат-синтаза, поэтому у них этот цикл осуществляться не может.

338

УД Ф-галактоза

УДФ-глюкоза-4-эпимераза

УДФ-глюкоза.

УДФ-глюкоза + Пирофосфат

УДФ-глюкоза-

пирофосфорилаза

Глюкозо-1-фосфат + УТФ.

пируваткарбоксилазы и при участии СО

и АТФ карбоксилируется * с об-

разованием оксалоацетата:

Затем оксалоацетат в результате декарбоксилирования и фосфорили-

рования под влиянием фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы превра-

щается в фосфоенолпируват. Донором фосфатного остатка в реакции

служит гуанозинтрифосфат (ГТФ):

Установлено, что в процессе образования фосфоенолпирувата участ-

вуют ферменты цитозоля и митохондрий.

Первый этап синтеза протекает в митохондриях (рис. 10.6). Пируват-

карбоксилаза, которая катализирует эту реакцию, является аллостери-

ческим митохондриальным ферментом. В качестве аллостерического акти-

ватора данного фермента необходим ацетил-КоА. Мембрана митохондрий

непроницаема для образовавшегося оксалоацетата. Последний здесь же,

в митохондриях, восстанавливается в малат:

Реакция протекает при участии митохондриальной НАД-зависимой

малатдегидрогеназы. В митохондриях отношение НАДН/НАД

относи-

тельно велико, в связи с чем внутримитохондриальный оксалоацетат легко

восстанавливается в малат, который легко выходит из митохондрии через

митохондриальную мембрану. В цитозоле отношение НАДН/НАД

очень

мало, и малат вновь окисляется при участии цитоплазматической НАД-за-

висимой малатдегидрогеназы:

* В реакцию вступает так называемая активная форма СО

, в образовании которой,

помимо АТФ, участвует биотин (см. главу 7).

339

Пируваткарбоксилаза

Пируват

Оксалоацетат

Фосфоенолпируват-

карбоксикиназа

Оксалоацетат

Фосфоенолпируват

Малатдегидрогеназа

(митохондриальная)

Оксалоацетат

Малат

+ СО

+ АТФ

+ АДФ + Р

+ ГТФ

+ ГДФ + СО

+ НАДH+Н

+ НАД

Дальнейшее превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват происхо-

дит в цитозоле клетки.

Превращение фруктозо-1,6-бисфосфата во фруктозо-6-фосфат. Фосфо-

енолпируват, образовавшийся из пирувата, в результате ряда обратимых

реакций гликолиза превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат. Далее следует

фосфофруктокиназная реакция, которая необратима. Глюконеогенез идет

в обход этой эндергонической реакции. Превращение фруктозо-1,6-бис-

фосфата во фруктозо-6-фосфат катализируется специфической фосфатазой:

Образование глюкозы из глюкозо-6-фосфата. В последующей обратимой

стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюко-

Рис. 10.6. Образование фосфоенол-

пирувата из пирувата.

1 - пируваткарбоксилаза; 2 - малатде-

гидрогеназа (митохондриальная); 3 -

малатдегидрогеназа (цитоплазматиче-

ская); 4 - фосфоенолпируват-карбокси-

киназа.

340

Малатдегидрогеназа

(цитоплазматическая)

L-малат

Оксалоацетат

Фруктозо-1,6-бисфосфат + Н

Фруктозо-

бисфосфатаза

Фруктозо-6-фосфат + P

Цитоплазма

Митохондрия

Пируват

СO

АТФ

АДФ + Н

РO

Оксалоацетат

НАДН + Н

НАД

Малат

НАД

НАДН+Н

Оксалоацетат

ГТФ

ГДФ

СO

Фосфоенолпируват

+ НАД

+ НАДН + Н