Биохимия пособие Коновалова 2012

1

ванием молекулярного кислорода как конечного акцептора отщепляе­ мых от субстрата атомов водорода и образованием конечных продуктов в виде Н20 и С02называется аэробным. Оба эти процесса тесно взаи­ мосвязаны.

Гликолиз —это серия реакций, в результате которых глюкоза рас­ падается на две молекулы пирувата (аэробный гликолиз) или две мо­ лекулы лактата (анаэробный гликолиз). Первые десять реакций аэроб­ ного и анаэробного гликолиза до образования пировиноградной кисло­ ты совпадают, идут при участии одних и тех же ферментов и характер­ ны для всех органов и тканей. На стадии образования пирувата эти пути расходятся. Аэробный распад является основным путем катаболизма глюкозы.

Аэробный распад глюкозы включает реакции аэробного глико­ лиза и последующее окисление пирувата в реакциях катаболизма (окис­ лительное декарбоксилирование пирувата, ЦТК).

Анаэробный распад включает те же реакции специфического пу­ ти распада глюкозы до пирувата, но с последующим превращением пи­ рувата в лактат (т.е. термины анаэробный распад и анаэробный гли­ колиз совпадают).

Распад глюкозы до пирувата —специфический путь ее катаболизма

Процесс протекает в цитоплазме клеток.

Фосфорилирование глюкозы осуществляется гексокиназой (с низ­ кой Кт=1СГ5М в тканях) и специфической глюкокиназой (с большой Кт=1СГ3 М, содержащейся в печени) за счет АТФ. Гексокиназа - не специфична, может фосфоригшровать и другие гексозы: фруктозу, ман­ нозу. Это аллостерический фермент, ингибируется глюкозо-6- фосфатом. Глюкокиназа в печени не регулируется.

глюкозо-6-фосфат

Реакция необратима, так как сопровождается выделением боль­ шого количества свободной энергии. Глюкозо-6-фосфат изомеризуется фосфогексоизомеразой во фруктозо-6-фосфат.

151

Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется по первому углеродному атому ферментом фосфофруктокиназой за счег АТФ. Реакция необра­ тима. Фосфофруктокиназа —аллостерический фермент, активность которого регулируется: активируется АДФ и АМФ и тормозится АТФ и цитратом. Реакция протекает в присутствии ионов Mg. Эта стадия ли­ митирует скорость всего процесса распада. Таким образом, на актив­ ность фосфофруктокиназы (а соответственно на скорость распада глю­ козы) влияет отношение АТФ/АМФ в цитозоле клетки. Фруктозо-1,6- бисфосфат, образовавшийся в этой реакции, далее расщепляется альдолазой на две фосфотриозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат, которые являются изомерами по отношению друг к дру­ гу. Под действием триозофосфатизомеразы они легко превращаются друг в друга, но дальнейшим превращениям подвергается 3- фосфоглицериновый альдегид, и по мере его убыли происходит превращение диоксиацетонфосфата в его изомер (хотя образуется 95% диоксиацетонфосфата и только 5% 3-фосфоглицеринового альдегида). Поэтому мож­ но считать, что молекула фруктозо-1,6-бисфосфата распадается на 2 мо­ лекулы 3- фосфоглицеринового альдегида. \

фермевт-субстратный комплекс

152

3-фосфоглицериновый альдегид взаимодействует с дегидрогена- » 3-фосфоглицеринового альдегида. Это сложный фермент с четвер­ очной структурой. Построен из четырех идентичных субъединиц. В чсдой полипептидной цепи в активный центр фермента входит SHvnna остатка цистеина. Каждая полипептидная цепь прочно соединена молекулой НАД. НАД защищает фермент от термоинактивации, про­ теолитического расщепления. Таким образом, в ферменте есть четыре структурно независимых каталитических центра. При взаимодействии дегидрогеназы с 3- фосфоглицериновым альдегидом образуется фер- мент-субстратный комплекс типа тиополуацеталя. Происходит окисле­ ние этого комплекса с переносом протонов и электронов к НАД, т.е. происходит окисление альдегида в кислоту, а энергия окисления акку­

мулируется в макроэргической связи.

Протоны и электроны с НАД\ прочно связанного с ферментом, переносятся на свободный цитоплазматический НАД+, а макроэргическая связь закрепляется фосфатом с образованием 1,3- бисфосфоглицериновой кислоты. Фермент освобождается из комплекса.

Фосфоглицераткиназа переносит фосфатный остаток, богатый энергией, на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Таким образом, энергия окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в кислоту аккумулируется в макроэргических связях АТФ.

Синтез АТФ, связанный с переносом на АДФ фосфата из вы­ сокоэнергетических соединений, образовавшихся в результате внутримолекулярных превращений субстратов, называется суб­ стратным фосфорилированием. '*

В 3-фосфоглицериновой кислоте фосфоглицеромутаза переносит фосфатную группировку во 2-ое положение, и образуется 2- фосфоглицериновая кислота. Фермент енолаза отщепляет от нее воду, и образуется фосфоенолпируват.

153

При отщеплении воды связь с фосфатом становится макроэргической. Енолаза активируется Mg2+ и Мп2+, ингибируется фторидом.

Пируваткиназа переносит фосфатный остаток, богатый энергией, с фосфоенолпирувата на АДФ, и образуются еще две молекулы АТф (субстратное фосфорилирование). Реакция необратима. В результате образуются две молекулы пировиноградной кислоты.

пировиноградная кислота

Таким образом, в результате специфического пути превращения глюкозы в цитозоле клеток образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы восстановленного кофермента НАД (2НАД-Н+Н+) и 4 молекулы АТФ, однако 2 молекулы АТФ были израс­ ходованы на фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата. По­ этому 4-2=2АТФ —энергетический баланс распада молекулы глюкрзы на две молекулы пировиноградной кислоты.

Аэробный распад глюкозы

В аэробных условиях (а большинство тканей в организме получа­ ют энергию за счет аэробных процессов) образовавшиеся в цитоплазме продукты - пировиноградная кислота и восстановительные эквиваленты (НАД-Н+НГ) переносятся в митохондрии.

Пировиноградная кислота вступает в митохондриях в общий путь катаболизма: подвергается окислительному декарбоксилированию с об­ разованием ацетил-КоА, который окисляется в цикле трикарбоновых кислот до С 02и Н20.

Наружная мембрана митохондрий хорошо проницаема для боль­ шинства низкомолекулярных соединений. Внутренняя мембрана про­ ницаема для воды, небольших нейтральных молекул (глицерофосфат, жирные кислоты с короткой углеродной цепью), непроницаема для ка­ тионов Na+, К+, анионов СГ и других, сахаров, большинства аминокис­ лот, НАД, НАД-Н+Н+, НАДФ, НАДФ-Н+Н4" и др. Обмен между цито-

154

мой и внутренней средой митохондрий представляет сложный проПЛ осуществляющийся с помощью особых переносчиков. СпециальцефђпереНосчик обеспечивает перенос молекул пирувата по механизму Импорта с протоном.

Основным механизмом переноса восстановительных эквивален- в из цитоплазмы в митохондрии (протонов и электронов, восстано­ вивши НАД на стадии окисления 3-фосфоглицеринового альдегида)

является малатоксалацетатный челночный механизм.

Он заключается в восстановлении в цитоплазме щавелевоуксус­ ной кислоты в малат, для которого есть переносчик во внутренней мем­ бране митохондрий. В матриксе митохондрий малат окисляется митохондриальной малатдегидрогеназой до щавелевоуксусной кислоты. Восстановившийся при этом кофермент НАД отдает протоны и элек­ троны в полную дыхательную цепь. Образуется вода и ЗАТФ.

Специфический путь распада глюкозы в цитозоле приводит к об­ разованию 2 молекул пирувата, 2 АТФ и 2 НАД-Н+ЬГ.

Две молекулы пирувата в митохондриях подвергаются окисли­ тельному декарбоксилированию с образованием двух молекул ацетилКоА и шести молекул АТФ (3x2=6 АТФ). Ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот и при этом образуются:

АТФ (из них 12 образуются при окислении ацетил-КоА в цикле трикар­ боновых кислот), окисление 2 молекул - 30 АТФ.

Перенос протонов и электронов от 2 молекул НАД Н+Н+ из цито­

155

плазмы в митохондрию малат-оксалацетатным челночным механизмом к 0 2дает еще 6АТФ.

2+30+6=38АТФ

Итак, полное окисление молекулы глюкозы в аэробных условиях до С02и Н20 приводит к образованию 38АТФ.

Лекция 13

АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ. МЕТАБОЛИЗМ ЭТАНОЛА.

ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ. ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

Анаэробный распад глюкозы

Напомним, что аэробный распад глюкозы - это предельное ее окисление до С02и Н20, а анаэробный гликолиз - это специфический путь катаболизма, т.е. часть аэробного распада глюкозы и термины ана­ эробный распад и анаэробный гликолиз совпадают.

В анаэробных условиях и в клетках, не имеющих митохрндрий (зрелые эритроциты), образовавшаяся пировиноградная кислота восста­ навливается лактатдегидрогеназой до лактата с использованием НАД-Н+Н+, образовавшегося при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту.

НАД играет роль промежуточного переносчика протонов и элек­ тронов от 3-фосфоглицеринового альдегида к пирувату. Этот процесс получил название гликолитической оксидоредукции.

Энергетический баланс анаэробного гликолиза: молекула глю­ козы в анаэробных условиях распадается на 2 молекулы лактата. При этом образуются 4 АТФ, но 2 АТФ затрачиваются на фосфорилирова­ ние глюкозы и фруктозо-6-фосфата. Поэтому энергетическая эффектив­ ность процесса составляет 2 АТФ.

156

Если в анаэробных условиях распаду подвергается гликоген, то

образуются 3 АТФ.

Анаэробный гликолиз протекает во всех тканях и играет роль путИ поЛучения энергии, но его значение для разных органов различно. СлеДУет отметить, что в живых тканях анаэробных условий не бывает. Определение «анаэробный» в данном случае указывает лишь на то, что кислород в этом процессе не используется.

Анаэробный гликолиз используется для получения энергии:

1) В условиях ограниченной доставки кислорода в ткани (при ин­ тенсивной мышечной работе, гипоксии, ишемии органов и тканей).

2)В клетках с малым количеством митохондрий (мозговой слой почек, лейкоциты).

3)В клетках, не имеющих митохондрий (в зрелых эритроцитах

это единственный путь образования АТФ).

Спиртовое брожение

В дрожжевых клетках и микроорганизмах, подобных им, анаэроб­ ный распад углеводов протекает сходно с гликолизом за исключением конечных стадий. Первые стадии до образования пировиноградной ки­ слоты идут одинаково. При спиртовом брожении пируват подвергается декарбоксилированию ферментом пируватдекарбоксилазой, имеющей кофермент тиаминпирофосфат и требующей ионов Mg2+. При этом об­ разуется уксусный альдегид, который восстанавливается в этанол алкогольдегидрогеназой с использованием НАД-Н+Н*, образовавшегося при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-бисфосфогли- цериновую кислоту.

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения яв­ ляются этанол и С 02.

Метаболизм этанола в организме

В организме человека и животных этанол может образоваться как метаболит (эндогенный), а в организм человека может поступить извне (экзогенный).

Всасывание поступившего этанола происходит в желудке (20%) и

1 5 7

вкишечнике (80%). Метаболизм этанола осуществляется тремя фермен­ тативными системами: алкогольдегидрогеназой (80%), микросомальной этанолокисляющей системой (МЭОС - 15%) и каталазой (5%).

Алкогольдегидрогеназа наиболее активно метаболизирует этанол

впечени, затем в слизистой кишечника, почках и легких. Фермент пре­ имущественно локализован в цитозоле клеток, но около 10% - в эндо­ плазматической сети и митохондриях. В активном центре содержит атомы цинка, которые участвуют в каталитическом акте и стабилизи­ руют четвертичную структуру фермента. В результате окисления этано­

ла образуется ацетальдегид.

Этот же продукт образуется и при окислении этанола МЭОС и ка­ талазой.

В качестве донора протонов и электронов микросомальная этанолокисляющая система использует НАДФ-Н+Н\

Образующийся ацетальдегид далее окисляется ацетальдегидцегидрогеназой в уксусную кислоту, которая активируется путем присое­ динения к коферменту А, и активная форма уксусной кислоты - ацетилКоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, где окисляется.

В сутки в тканях человека образуется и окисляется 1-9 г этанола. Концентрация эндогенного этанола в крови составляет 21,7-2170 мкмоль. Полагают, что его предшественниками являются пировино-

158

иная кислота, некоторые аминокислоты (треонин, р-аланин), дезок- н^пибоза. Содержание эндогенного этанола повышается при неврозах, Сдаофрении, сахарном диабете, заболеваниях почек, в условиях гипок- и при физической нагрузке, может повышаться при избыточном по­

явлении углеводов с пищей.

Независимо от пути окисления этанола в организме промежуточ­ ным продуктом его распада является(^цетальдегид; который обладает сильным токсическим действием. Обычно~егб~концентрация чрезвычай­ но мала. При употреблении этанола содержание токсичного ацетальде­ гида несоизмеримо возрастает, что приводит к структурно­ функциональным изменениям в клетках тканей.

Взаимоотношения аэробного и анаэробного путей распада глюкозы ‘

Еще в XIX веке Л. Пастером было открыто явление, получившее впоследствии название «эффект Пастера» и заключавшееся в том, что дыхание всегда приводит к снижению скорости анаэробного гликолиза, т.е. подавляет брожение. При этом снижается потребление глюкозы и не происходит накопления лактата.

Этот эффект объясняется тем, что:

1. Цитоплазматический НАД-Н+Н4окисляется с помощью малатоксалацетатной системы, и в конкуренции за НАД-Н+Н4с лакгатдегидрогеназой выигрывает челночный механизм.

2.Фосфофруктокиназа - аллостерический фермент, активность которого стимулируется АДФ, подавляется АТФ и цитратом. При высо­ ком содержании АТФ, характерном для окислительного фосфорилиро­ вания, фосфофруктокиназа тормозится.

3.В конкурентной борьбе за АДФ между фосфоглицераткиназой, пируваткиназой и митохондриальной системой окислительного фосфо­ рилирования выигрывает последняя, т.к. обладает более высоким срод­ ством к АДФ. Фосфорилирование АДФ в митохондриях происходит при более низких концентрациях, чем субстратное фосфорилирование в ци­ топлазме.

Глюконеогенез

В количественном отношении в биосфере одним из важнейших биосинтетических процессов является биосинтез глюкозы и других уг­ леводов. Фотосинтезирующие организмы образуют огромные количестВаУглеводов из С02и Н20 (крахмал, целлюлозу и другие полисахариды йз гексоз). В клетках животных организмов синтез углеводов идет из Таких предшественников как лактат, аминокислоты, глицерин.

159

Синтез глюкозы из неуглеводных предшественников —лактат^ аминокислот, глицерина (в узком смысле - из аминокислот) называется глюконеогенезом, протекает в печени и корковом веществе почек, g этот процесс могут быть вовлечены вещества, которые способны пре­ вратиться в пируват или любой другой метаболит глюконеогенеза. За_ пасов гликогена в организме достаточно для удовлетворения потребно­ стей в глюкозе в период между приемами пищигЦёль^глюконеогенезя _ поддержание уровня глюкозы в крови после истощения запасов глико­ гена в печени при длительной физической работе или длительном голо­ дании. При длительной физической работе субстратами для глюконео­ генеза служат лактат, поступающий из мышечной ткани, и глицерин - из жировой ткани. При длительном голодании с этой целью использу­ ются аминокислоты, поступающие из мышечной ткани вследствие рас­ пада белков, и глицерин - из жировой ткани.

В организме человека и животных после интенсивной мышечной работы активно происходит синтез глюкозы, гликогена из лактата.

Лактат, образовавшийся в мышцах, вымывается кровью и достав­ ляется ею в печень. Превращение пирувата в глюкозу происходит по пути, обратному анаэробному гликолизу. Из 11 реакций гликолиза восемь легко обратимы и используются в глюконеогенезе, но 3 киназ­ ные реакции необратимы: 1) пируваткиназная, 2) фосфофруктокиназная и 3) гексокиназная, в глюконеогенезе они называются обходными путя­ ми гликолиза.

В цитозоле клеток лакгатдегидрогеназой лактат превращается в пировиноградную кислоту, которая транспортируется в митохондрии. Здесь 1/5 часть ее окисляется до С02и Н20, давая энергию для превра­ щения остальных 4/5 в глюкозу.

Реакция превращения фосфоенолпирувата в пируват, катализи­ руемая пируваткиназой, необратима (AG макроэргической связи фос­ фоенолпирувата - 61,9 кДж/моль). Поэтому для ее преодоления необхо­ дима затрата энергии. В митохондриях остальные 4/5 пирувата подвер­ гаются карбоксилированию пируваткарбок^илазой (с коферменгом био­ тином) с затратой АТФ. Образующийся оксалацетат восстанавливается в малат, который с помощью переносчика транспортируется в цито­ плазму, где окисляется цитоплазматической малатдегидрогеназой вновь до щавелевоуксусной кислоты. Последняя подвергается декарбоксилированию фосфоенолпируваткарбоксикиназой с участием ГТФ, и образу­ ется фосфоенолпируват. Это первый обходной путь гликолиза.

160