7. Катаболические превращения
7.1. Гликолиз
Самым древним метаболическим процессом можно считать гликолиз, за-ключающийся в получении энергии за счет расщеплении сахаров до мень-ших молекул без участия кислорода. Процесс гликолиза характерен для всего живого и отдельные его элементы, различающиеся механизмами регуляции и скоростью, присутствуют в любой живой клетке.
Центральный метаболический путь гликолиза завершается образованием из глюкозы двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). В аэроб-ных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилирова-нию с образованием ацетатного остатка, а в анаэробных условиях пирови-ноградная кислота (пируват) восстанавливается до молочной кислоты (лак-тата) или же предварительно декарбоксилировавшись превращается в спирт (в дрожжевых клетках при 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 окажет-ся, что превращение глюкозы в лактат сопровождается выделением около 47 ккал/моль, а образование двух молекул АТФ требует затрат энергии около 29 ккал/моль. Экзотермический эффект, равный 18 ккал/моль, делает этот процесс необратимым.
Гликолиз начинается с фосфорилирования глюкозы аденозинтрифосфатом (АТФ) при катализе АТФ-гексозо-6-фосфаттрансферазой (гексокиназой):
Если в этот катаболический процесс включается гликоген (крахмал), то образование 6‑фосфоглюкозы начинается с отщепления концевого гексоз-ного остатка от молекулы полисахарида действием фосфорной кислоты. По аналогии с гидролизом такую реакцию называют ацидолизом (в данном конкретном случае фосфоролизом, фермент фосфорилаза), схема этой реакции приведена при рассмотрении механизма проявления гормональ-ного эффекта адреналина в разделе 6. Метаболизм. В обратном направ-лении эта реакция идет при синтезе гликогена из глюкозы. Образовав-шаяся в результате фосфоролиза 1-фосфоглюкоза изомеризуется в 6-фос-фоглюкозу в присутствии фосфоглюкомутазы:
Затем фермент глюкозофосфатизомераза вызывает превращение 6-фосфо-глюкозы в 6‑фосфофруктозу:
Далее АТФ с участием фосфофруктокиназы фосфорилирует 6-фосфофрук-тозу с образованием 1,6-дифосфофруктозы:
Теперь дифосфорилированная фруктоза, может разложиться на два трех-углеродных карбонильных соединения – фосфат глицеринового альдегида и фосфат диоксиацетона – в результате реализации обратного хода реак-ции альдольной конденсации:
Это превращение осуществляется при катализе фруктозо-бисфосфат-альдолазой, относящейся к лиазам.
В дальнейшие превращения включается только фосфат глицеринового аль-дегида, однако, фосфат диоксиацетона может превращаться в фосфат гли-церинового альдегида в присутствии триозофосфатизомеразы:
Глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа дегидрирует фосфат глицеринового альдегида в фосфат глицериновой кислоты. Катализируемый этим фермен-том процесс состоит из ряда превращений. Сначала фосфат глицеринового альдегида присоединяется альдегидной группой к находящейся в активном центре фермента сульфгидрильной группе (из цистеина) с образованием полутиоацеталя.
Далее идет реакция дегидрирования с участием NAD+, а регенерация сво-бодного фермента происходит за счет реакции ацидолиза: образовавшийся тиоэфир расщепляется фосфорной кислотой с образованием смешанного ангидрида фосфорной и фосфоглицериновой кислоты:
Макроэргическая ангидридная связь в этом соединении переносится на аденозиндифосфат (фосфоглицераткиназа) и в результате из молекулы фосфоглицеринового альдегида образуется фосфоглицерат, восстанови-тельный потенциал (NADH + H+) и молекула АТФ.
Теперь 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) с енольной формы пировиноградной кисло-ты на АДФ с образованием пировиноградной кислоты и АТФ:
В анаэробных условиях и при недостатке в клетках кислорода пировино-градная кислота гидрируется восстановительным потенциалом, образовав-шимся 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. Таким образом 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 про-цесс начинался с концевого глюкозидного остатка гликогена или крахмала, то энергетический выход увеличится в полтора раза (до трех молекул АТФ). Правда, эта, казалось бы, дополнительная, молекула АТФ была за-трачена на образование глюкозидной связи в полисахариде, то есть истин-ный энергетический выход все равно составляют две молекулы АТФ.
Не увеличивается выход АТФ и в процессе брожения. В дрожжевых клет-ках при отсутствии кислорода воздуха (они факультативные анаэробы) образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота подвергается декарбоксилированию до уксусного альдегида и только после этого в про-цесс включается NADH и образуется этиловый спирт. Декарбоксилирова-ние пирувата идет на ферментах, в работе которых в качестве кофермента принимает участие тиаминпирофосфат:
Карбонильная группа пировиноградной кислоты присоединяется по тиазольному циклу тиаминпирофосфата (ТРР), а образовавшийся аддукт декарбоксилируется и разлагается на тиаминпирофосфат и ацетальдегид:
Далее образовавшийся на стадии дегидрирования глицеральдегидфосфата NADH восстанавливает ацетальдегид до этилового спирта.