Лекции - Обмен углеводов
Подождите немного. Документ загружается.
При этом к молекуле присоединяется два атома водорода и кетонная группа
превращается в гидроксильную. Как и в любой окислительно-
восстановительной реакции, если что-то восстанавливается, что-то должно,
наоборот, окисляться. В данном случае НАД-H окисляется до НАД+, таким
образом восстанавливается статус-кво – в реакцию гликолиза входил
окисленный НАД+ и его же мы и получили.
Именно гликолиз ответствен за хорошо нам знакомые процессы
скисания (молока) и сквашивания (овощей, грибов, рыбы). В кисломолочных
и соленых продуктах накапливается именно молочная кислота – лактат.
У3дрожжей пируват превращается не в лактат, а в этиловый спирт. Эта
реакция идет не за один этап, а за два и также сопровождается окислением
НАД-H. Некоторые бактерии восстанавливают пируват до янтарной или
масляной кислот.
Не надо думать, что анаэробный гликолиз - это удел исключительно
анаэробных бактерий типа возбудителя ботулизма. При интенсивных
нагрузках кровеносная система не успевает снабжать кислородом
работающие мышцы. При этом часть пирувата не расходуется, а
преобразуется в лактат, как и у анаэробных бактерий, поскольку НАД-H
должен быть окислен, если не кислородом (когда его не хватает), то
пируватом, с восстановлением последнего до лактата. У большинства
современных организмов, дышащих кислородом, пируват не превращается в
лактоат, а утилизируется дальше. Он поступает в каскад ферментативных
реакций, в ходе которого расходуется кислород, образуется углекислота и
синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме называются клеточным
дыханием.
У большинства современных организмов, дышащих кислородом,
пируват не превращается в лактат, а утилизируется дальше. Он поступает в3
каскад ферментативных реакций, в ходе которого расходуется кислород,
образуется углекислота и синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме
называются клеточным дыханием.
Обратим ваше внимание на то, что клеточное дыхание состоит из двух
процессов. В ходе одного из них углерод окисляется до углекислого газа, но
молекулярный кислород не расходуется – атомы кислорода берутся из
органических веществ и воды, которая здесь не образуется, а расходуется.
При этом образуются излишки водорода, которые идут на восстановление
коферментов. В ходе второго процесса коферменты окисляются и отдают
водород (который сначала разделяется на протоны и электроны, имеющие
разную судьбу), именно здесь он связывается с молекулярным кислородом с
образованием воды. АТФ образуется преимущественно в ходе второго
процесса. Первый процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или
циклом Кребса, второй – окислительным фосфорилированием.
Следует сделать оговорку относительно места происходящего. Вы
помните, что всё живое состоит из клеток. У клеток всех многоклеточных
организмов и части одноклеточных имеется клеточное ядро – эти организмы
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
11
называются эукариоты. В ядре находится ДНК. Содержимое клетки вне ядра
называется цитоплазма. В цитоплазме имеются различные органеллы – те
или иные структуры. Среди органелл имеются так называемые митохондрии.
Они выглядят как цилиндрические тельца, окруженные двойной мембраной3–
внешней и внутренней. Внутренняя мембрана образует многочисленные
складки внутрь митохондрии – кристы. Наверное, вы слышали и о
существовании митохондрий и о том, что они являются энергетическими
станциями клетки.
Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме.
Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого продукт
гликолиза – пируват - должен попасть внутрь митохондрий.
Итак, мы в митохондрии. Каскад реакций клеточного дыхания
начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а
одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. Ацетил-coA –
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
12
одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в
процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и
используется при их синтезе. Во всех этих случаях он является
реакционноспособным носителем ацетильной группы. В одних реакциях она
используется для синтеза органических веществ, в других – для их
«сжигания» в качестве топлива. Поэтому ацетил-coA является важнейшим
посредником во множестве биохимических процессов, связанных с обменом
вещества и энергии. Посмотрим на это замечательное вещество.
Мы снова видим знакомый нуклеотид аденозин, потом – довольно
длинную углеводородную цепь, включающую атомы азота и
заканчивающуюся атомом серы, к которой и присоединена ацетильная
группа. (Молекула без ацетильной группы – это просто кофермент А.)
Ацетил-coA образуется с затратой молекулы пирувата в ходе сложной
реакции, катализируемой целым комплексом из трех ферментов и пяти
коферментов, прикрепленным к митохондриальной мембране3 –
пируватдегидрогеназным комплексом. При этом от молекулы пирувата
отщепляется молекула диоксида углерода, а оставшаяся от него ацетильная
группа присоединяется к коферменту А, с образованием ацетил-соА. Реакция
имеет энергетический выигрыш, который идет на восстановление одной
молекулы НАД+ до НАД-H. В этой реакции мы впервые видим, как атом
углерода переходит из органического вещества в углекислый газ. Еще раз
заметим, что это происходит без участия молекулярного кислорода –
кислород также поступает из органического вещества.
Впереди нас ждет еще несколько таких же событий, так что в конечном
счете в углекислый газ уйдут все три атома углерода, имевшихся в молекуле
пирувата. Таким образом, весь углерод, поступивший из глюкозы, переходит
сначала в пируват, а потом в углекислый газ. Заметим, что во всех случаях
опять-таки будет использован кислород, имевшийся в составе органических
веществ. Куда же уйдут лишние атомы водорода? Они пойдут на
восстановление НАД+ до НАД-H и на восстановление еще одного
кофермента. Вспомним, что после гликолиза у нас уже остается одна
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
13
восстановленная молекула НАД-H (которая при наличии клеточного
дыхания3 не тратится на превращение пирувата в лактат).
Ацетил Co-A вступает в циклический биохимический процесс,
называющийся циклом Кребса. Он назван так по имени Ганса Кребса,
описавшего его в 1937 г., за что он впоследствии получил Нобелевскую
премию. Цикл представляет собой 10 последовательных химических
реакций, в ходе которых 10 органических кислот последовательно
преобразуются одна в другую. В одном месте в этот цикл входит уже
знакомый нам ацетил-соА, который отдает свою ацетильную группу
оксалоацетету (щавелевоуксусной кислоте), в результате чего образуется
цитрат (лимонная кислота). Если первая молекула содержала четыре атома
углерода, то вторая соответственно содержит уже шесть (в ацетильной
группе имеется два углерода). Три из них находятся в карбоксильных
группах, а три составляют остов молекулы – такие кислоты называют
трикарбоновыми.
Вот схема цикла Кребса.
Она хороша всем кроме двух моментов. Цикл Кребса представляет
собой замкнутая цепь последовательных взаимопревращений десяти разных
молекул, а на этой схеме показано только восемь - там, где вдоль стрелок
показано слишком много побочных реакций - восстановление коферментов и
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
14
отщепление СО2, на самом деле происходят две реакции с еще одним
посредником. Второе - показано, что идет фосфорилирование АДФ с
образованием АТФ, тогда как на самом деле там фосфорилируется ГДФ с
образованием ГТФ. Полная и правильная схема представлена в развернутой
форме:
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
15
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
16
В ходе последовательных превращений всех этих кислот происходят
события нескольких типов:
– кислоты теряют два атома углерода за счет образования двух молекул
углекислого газа;
– кислоты присоединяют две молекулы воды;
– излишки водорода уходят на восстановление трех молекул НАД+ до НАД-
H, а также на восстановление еще одного кофермента –
флавинадениндинуклеотида (ФАД) до ФАД-Н2;
– образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) из ГДФ. Это
полностью эквивалентно образованию АТФ, так как ГТФ и АТФ находятся в
химическом равновесии.
Цикл Кребса замыкается, когда в конце концов мы приходим к тому же
оксалоацетату с его четырьмя атомами углерода, к которому может снова
присоединяется ацетильная группа от ацетил-соА.
Все вещества цикла Кребса – и кислоты, и катализирующие реакции
ферменты – находятся в одном и том же растворе внутри митохондрий
(только один из ферментов иммобилизован на мембране – именно тот,
который катализирует реакцию с образованием ГТФ), поэтому цикл не имеет
пространственного содержания – это просто последовательность
превращений веществ. Он играет центральную роль в метаболизме клетки,
так как участвующие в нем вещества являются промежуточными веществами
многих метаболических процессов. Этот цикл задействован в расщеплении и
синтезе углеводов, в расщеплении и синтезе жирных кислот, в расщеплении
и синтезе многих аминокислот, в синтезе азотистых оснований нуклеотидов
и других важных веществ.
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
17
Три из тех 10 кислот, которые циклически преобразуются одна в
другую в цикле Кребса, вам могут быть известны. Это лимонная, янтарная и
яблочная кислоты. Фирменные составы для подкрепления спортсменов
содержат не только глюкозу, но и лимонную кислоту. Это делается для того,
чтобы не просто провести вливание энергии, но и стимулировать весь цикл
Кребса. Янтарная кислота сейчас активно рекламируется как лекарство,
которое помогает чуть ли не от всего, в том числе укрепляет иммунитет.
Однако мы убедились, что это вещество всегда (по крайней мере, пока мы
дышим) присутствует в митохондриях и находится в химическом равновесии
с лимонной кислотой.
Как мы видели, в ходе образования ацетил-соА и цикла Кребса
образуется всего одна молекула нуклеотидтрифосфата (ГТФ, что так же
хорошо, как АТФ), хотя мы истратили все три атома углерода. Основной
товар, добытый в ходе этой сложной коммерческой махинации, идущей через
множество посредников, свободно блуждающих во внутреннем пространстве
митохондрии как брокеры на бирже, состоит в восстановленных
коферментах. Давайте теперь продадим их за нашу любимую валюту – АТФ.
Для этого нам следует обратиться в фирму под названием «Цепь переноса
электронов».
В отличие от цикла Кребса, у этой фирмы есть свое производственное
помещение, впрочем, плавучее. Процесс, который будет иметь место,
осуществляется тремя агрегатами определенных белков, расположенных на
внутренней мембране митохондрии. На всякий случай поясним, что таких
индивидуальных аггрегатов очень много (5–20 тыс. на митохондрию, причем
три их типа не находятся в стехиометрических соотношениях); каждый из
них представляет собой работоспособный цех. Поскольку мембрана
полужидкая (в3дальнейшем мы рассмотрим ее свойства подробнее), белковые
агрегаты словно плавают по мембране словно баржи, при столкновении
передавая друг другу электрон вместе с одним из подвижных веществ – в
одном случае с убихиноном (небольшую молекулу, включающую
ароматическое кольцо), в другом – с цитохромом с (о3цитохромах3– немного
позже). Сам же процесс, который происходит в результате переноса
электронов, называется окислительным фосфорилированием.
Работа цепи переноса электронов начинается с того, что молекула
НАД-H отдает два электрона ферменту НАД-Н-оксидазе, превращаясь в
окисленную форму НАД+. Образующийся при этом вротон при уходит в
раствор во внешнее пространство митохондрии. НАД-оксидаза – это первый
из названных белковых агрегатов. Эти два электрона передаются за счет
сопряженных окислительно-восстановительных реакций по цепочке белков.
В этой системе участвует еще два кофермента: специальный нуклеотид -
флавинмононуклеотид и убихинон - молекула, включающая ароматическое
кольцо
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
18
Белки в цепи переноса электронов содержат атом железа, который в
ходе переноса электронов меняет степень окисления с +3 на +2 и обратно. За
исключением одного из этих белков (ферродоксин), в котором атом железа
соединен с серой, во всех остальных атом железа находится в уже знакомом
нам по молекуле гемоглобина геме. Гем – это порфириновое кольцо –
ажурная и почти симметричная органическая молекула с системой
сопряженных двойных связей и четырьмя атомами азота, которая образует
комплекс с атомом железа.
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
19
Белки, содержащие гем, в данном случае называются цитохромы
(название происходит от греческого «хромос»3– цвет, так как гем имеет
окраску). Последний из цитохромов при помощи фермента
цитохромоксидазы (они входят в состав третьего белкового агрегата) отдает
электроны молекуле кислорода (мы помним, что гем способен связывать
кислород), в результате чего образуется ион О2-. Соединяясь с протонами,
этот ион образует молекулу воды. (При этом восстанавливается баланс по
водороду. Мы помним, что протоны образовывались при окислении НАД-Н
и ФАД-Н2, которые в свою очередь получали водород из органических
веществ в цикле Кребса.) )
Таким образом, именно в результате переноса электронов в процессе
клеточного дыхания расходуется кислород и образуется вода.
______________________________________________________________________
3 курс, 6 семестр. «Биохимия с методами клинико-биохимических исследований»
20