Анаэробный путь обмена углеводов
Превращение углеводов, главным образом глюкозы, в тканях человека и высших животных может происходить двумя путями — анаэробным и аэробным.
Брожение. Самым простым способом окисления органических веществ, в основном углеводов, является брожение — процесс образования энергии путем окисления глюкозы и других субстратов в бескислородной среде, т.е. в анаэробных условиях. В качестве акцептора электронов в этом процессе выступает какая-либо органическая молекула, которая образуется входе самого брожения. Поэтому с химической точки зрения брожение — внутренний окислительно-восстановительный процесс. Брожение, как простейшая форма биологического окисления, появилось на Земле, в атмосфере которой отсутствовал кислород. Поэтому первые живые организмы, появившиеся на Земле, выработали специальные механизмы, с помощью которых они извлекали энергию, необходимую для их жизнедеятельности, заключенную в химических связях молекул органических веществ.
В зависимости от конечного продукта, образующегося в ходе сбраживания глюкозы, различают молочно-кислое, спиртовое, уксусно-кислое, пропионово-кислое и другие виды брожения. Наиболее важную роль среди них играют два тесно связанных между собой процесса.
1. Молочно-кислое брожение, при котором из шести углеродной молекулы глюкозы в качестве конечного продукта образуется две молекулы молочной кислоты, свойственно многим микроорганизмам, а также клеткам большинства высших животных, в том числе и человека, сохранившим способность окислять глюкозу таким примитивным способом. Молочно-кислое брожение обычно называют гликолизом (от греч. γλυχυς — сладкий).
2. Спиртовое брожение сопровождается расщеплением молекулы глюкозы на две молекулы этилового спирта и две молекулы оксида углерода (IV) СО2. Этот процесс катализируется теми же ферментами, что и гликолиз, за исключением завершающей реакции, в результате которой трехуглеродные фрагменты разрушаются до двууглеродного соединения — этанола.
Гликолиз и гликогенолиз. Механизм этих процессов в настоящее время хорошо изучен. Установлена последовательность отдельных стадий, выделены в чистом виде многие ферменты, установлены пункты окисления и сопряженное с ними фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, а также энергетика этих процессов.
Гликолиз состоит из двух стадий. Первая стадия начинается реакцией фосфорилирования глюкозы за счет АТФ. Эта реакция, в результате которой нейтральная молекула глюкозы для участия в следующих этапах гликолиза активируется, как бы запускает в ход гликолиз. Она катализируется ферментом гексокиназой в присутствии ионов Mg2+:
В результате фосфорилирования глюкозы образуется, глюкозо-6-монофосфат, который превращается в фруктозо-6-монофосфат. Катализирует эту реакцию фосфоглюкоизомераза:
На следующем этапе осуществляется второе фосфорилирование, в результате которого образуется 1,6-фруктозодифосфат. В ходе этой реакции используется еще одна молекула АТФ. Эта вторая «пусковая» реакция процесса гликолиза осуществляется при участии фермента фосфофруктокиназы и ионов Mg2+:
Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется ферментом альдолазой на две фосфотриозы — диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат:
Образованием двух фосфотриоз, которые при участии триозофосфатизомеразы могут взаимно превращаться друг в друга, заканчивается первая стадия гликолиза.
Таким образом, первая стадия гликолиза характеризуется образованием триозофосфорных эфиров. На этой стадии не происходит никаких окислительных реакций и не выделяется энергия. Наоборот, в результате фосфорилирования глюкозы и фруктозо-6-монофосфата затрачивается энергия двух молекул АТФ. Необходимо также знать, что реакции фосфорилирования указанных субстратов протекают при помощи двух регуляторных, или аллостерических, ферментов — гексокиназы и фосфофруктокиназы. Их регуляторная роль состоит в том, что при низкой концентрации АТФ в клетке эти ферменты пускают в ход гликолиз, и наоборот, при высоком содержании АТФ гексокиназа и фосфофруктокиназа находятся в клетке в неактивном состоянии, т.е. энергия клетке в данный момент не нужна.
Вторая стадия гликолиза начинается реакцией окисления глицеральдегид-3-фосфата. Эта реакция является одной из наиболее важных этапов гликолиза, поскольку в результате окисления альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата освобождается энергия, сохраняющаяся в форме высокоэнергетического окисленного продукта этой реакции 1,3-дифосфоглицерата. Механизм окисления глицеральдегид-3-фосфата подробно изучен. Его считают одним из наиболее важных открытий в биологии, так как впервые в истории биохимии был раскрыт ферментативный и химический механизм, с помощью которого энергия, освобождающаяся в ходе окисления органических молекул, может запасаться в молекулах АТФ и использоваться организмом.
Катализирует эту реакцию фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, активной частью которой являются сульфгидрильная или тиоловая группа HS—R, а также кофермент НАД+.
Процесс окисления глицеральдегид-3-фосфата и образование АТФ состоит из нескольких этапов. Сначала фермент связывается своей тиоловой группой с глицеральдегид-3-фосфатом, образуя тиоэфирное соединение, которое окисляется коферментом НАД+ (происходит отщепление двух атомов водорода и восстановление НАД+ до НАД•Н + Н+). Энергия этого окисления сосредоточивается в карбоксил-тиоловой макроэргической связи:
Образовавшееся при этом неустойчивое макроэргическое соединение взаимодействует с фосфорной кислотой:
В результате этой реакции энергия карбоксилтиоловой макроэргической связи сосредоточивается в карбоксилфосфатной макроэргической связи 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, затем передается на фосфорную кислоту, вследствие чего она становится активированной и способна вступать в реакцию фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. Такой механизм образования АТФ носит название субстратного фосфорилирования, или фосфорилирования на уровне субстрата, и протекает с участием окисляющего субстрата:
При помощи фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую:
которая под действием енолазы теряет молекулу воды, превращаясь в фосфоенолпируват. Это вторая реакция в процессе гликолиза, в результате которой образуется высокоэнергетическая связь. Отщепление молекулы воды представляет собой внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся перераспределением энергии внутри молекулы. Она как бы сосредоточивается у второго атома углерода, где находится остаток неорганической фосфорной кислоты, вследствие чего образуется макроэргическая связь, энергия которой используется на активирование фосфорной кислоты:
Под действием пируваткиназы остаток активированной фосфорной кислоты переносится от фосфоенолпирувата на АДФ с образованием АТФ и пировиноградной кислоты, т.е. осуществляется вторая реакция фосфорилирования АДФ на уровне субстрата:
Завершающей реакцией второй стадии, а также всего процесса гликолиза является восстановление пировиноградной кислоты до молочной под действием лактатдегидрогеназы. Источником атомов водорода служит восстановленная форма кофермента НАД+ — НАД·Н + Н+, образовавшегося при окислении глицеральдегид-3-фосфата (в начале второй стадии гликолиза):
Образованием молочной кислоты завершается вторая стадия гликолиза, а вместе с тем и весь процесс превращения глюкозы в анаэробных условиях.
Из приведенных выше уравнений следует, что вторая стадия, в отличие от первой, характеризуется реакциями окисления, в результате которых выделяющаяся энергия запасается в макроэргических связях молекул АТФ. Эта энергия в дальнейшем может быть использована клеткой и организмом в целом для процессов жизнедеятельности.
Рассматривая весь процесс гликолиза, нетрудно заметить, что анаэробное окисление углеводов имеет ряд характерных особенностей. Во-первых, оно протекает многоступенчато. Это обеспечивает постепенное высвобождение энергии субстратами и ее усвоение. Во-вторых, энергия, высвобождающаяся в процессе гликолиза, используется не непосредственно для тех или иных процессов, а запасается сначала в макроэргических фосфатных связях молекул АТФ. И, в-третьих, активирование неорганической фосфорной кислоты и реакция фосфорилирования АДФ с образованием АТФ осуществляются за счет энергии внутреннего окислительно-восстановительного процессе гликолиза между глицеральдегидфосфатом и пировиноградной кислотой. Таким образом, эти реакции свидетельствуют о том, что гликолиз, как один из видов брожения, представляет собой внутренний окислительно-восстановительный процесс, о чем было сказано выше.
Аналогичным образом и при участии тех же ферментов протекает и спиртовое брожение. Исключение составляют только последние две реакции: пировиноградная кислота под действием пируватдекарбоксилазы превращается в уксусный альдегид, который под влиянием восстановленного кофермента НАД • Н + Н+ и алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этилового спирта:
В качестве исходного вещества для молочно-кислого брожения может использоваться гликоген. В этом случае анаэробное окисление называют гликогенолизом. Как и при гликолизе, первой реакцией гликогенолиза является образование глюкозофосфорных эфиров. Однако сначала под действием фосфорилазы от гликогена отщепляются остатки глюкозо-1-монофосфата, который при помощи фермента фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-монофосфат — начальный субстрат для дальнейших превращений в ходе гликолиза. В дальнейшем протекают реакции, рассмотренные нами в процессе гликолиза.
Схему анаэробного окисления глюкозы и гликогена (гликолиза и гликогенолиза) можно представить следующим образом:
В ходе анаэробного окисления глюкозы из каждой ее молекулы на первой стадии образуется две фосфотриозы — диоксиацетонфосфат и глицеральдегид-З-фосфат. На второй стадии окислению подвергается глицеральдегид-З-фосфат, в результате чего образуется две молекулы АТФ: одна на этапе превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты до 3-фосфоглицериновой и вторая — при превращении фосфоенолпирувата до пировиноградной кислоты. Однако поскольку диоксиацетонфосфат изомеризуется в глицеральдегид-З-фосфат, в итоге образуется четыре молекулы АТФ. Если учесть, что две молекулы АТФ были использованы для фосфорилирования глюкозы и фруктозо-6-фосфата, то, следовательно, образовалось всего две молекулы АТФ. При гликолизе высвобождается 197—205 кДж энергии, 40 % которой резервируется в макроэргических связях АТФ. Энергия гликолиза составляет лишь 6—7 % потенциальной энергии глюкозы. Это объясняется тем, что хотя процесс гликолиза включает два окислительно-восстановительных этапа, общего изменения степени окисления атомов углерода не происходит. Соотношение атомов углерода, водорода и кислорода в молекуле молочной кислоты осталось таким же, как и в молекуле глюкозы (1 : 2 : 1). Таким образом, молочная кислота, как конечный продукт ликолиза, содержит еще значительный запас потенциальной энергии.
В процессе гликогенолиза обращает на себя внимание тот факт, что образование глюкозо-1-фосфата происходит без участия АТФ. Энергия АТФ используется только один раз — при образовании фруктозо-1,6-дифосфата. Из этого следует, что на образование двух молекул фосфотриоз при анаэробном окислении гликогена используется на одну молекулу АТФ меньше, чем при гликолизе, в результате чего общий баланс энергии гликогенолиза выше. Однако поскольку при образовании гликогена в печени на каждую молекулу глюкозы используется одна молекула АТФ, гликолиз и гликогенолиз являются энергетически равноценными процессами.