Перетворення вуглеводів
Вуглеводи є основним джерелом енергії в організмі. Енергія фотосинтезу, зарезервована у вуглеводах, використовується на утворення біологічної енергії. Окислення вуглеводів у тканинах дає змогу вивільнити велику кількість енергії, яка в основному акумулюється в макроергічних зв’язках АТФ і використовується для різних процесів синтезу.
В організмі людини і тварин внутрішньоклітинне перетворення вуглеводів відбувається двома шляхами: анаеробне (без доступу кисню) і аеробне (при наявності кисню) окислення.
Анаеробний розклад вуглеводів
Універсальним джерелом живлення всіх живих організмів є вуглеводи. Всі вони спочатку перетворюються в глюкозу або фруктозу шляхом гідролізу, потім починається процес розкладу моносахаридів.
Анаеробне перетворення вуглеводів може починатися або з глюкози, тоді говорять про гліколіз, або з глікогену, тоді говорять про глікогеноліз.
В процесі гліколізу або глікогенолізу відбувається біосинтез різних сполук, які є субстратом для біосинтезу інших органічних сполук. Так, наприклад, діоксиацетонфосфат використовується для синтезу ліпідів, піровиноградна кислота – для синтезу амінокислот.
Процес анаеробного розкладу глюкози називається гліколізом. Гліколіз - з грецької glykys - солодкий та lysis - розпад, розклад.
Гліколіз - універсальний процес, який є одним з центральним шляхів катаболізму глюкози, він виконує цю роль не лише в тваринних та рослинних клітинах, але й у мікроорганізмах.
Ферменти, що каталізують гліколітичні реакції, присутні в розчинній формі в цитозолі, тобто в гомогенній водній фазі цитоплазми.
Першою фазою глікогенолізу і гліколізу є утворення глюкозофосфатних ефірів. Якщо перетворення починається з глікогену, то на першому етапі під дією ферменту α-глюканфосфорилази у присутності неорганічного фосфату (Рн) внаслідок фосфоролізу відщеплюється глюкозо-1-фосфат:
Глікоген + (Н3РО4)n –––––> (α-D-Глюкозо-1-фосфат)n
Глюкозо-1-фосфат під дією ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Далі перетворення відбуваються шляхом гліколізу.
Гліколіз
І. На першому етапі молекула глюкози активується для участі в наступних реакціях шляхом фосфорилювання за рахунок АТФ в положенні 6 з утворенням глюкозо-6-фосфату. Ця реакція, яка в умовах клітини протікає необоротно, каталізується ферментом гексокіназою. Для проявлення активності гексокіназі необхідні іони магнію.
ІІ. Фермент глюкозофосфатізомераза каталізує оборотну реакцію ізомеризації, в результаті якої глюкозо-6-фосфат (альдоза) перетворюється у фруктозо-6-фосфат (кетозу). Легко протікає в обох напрямках. Цей фермент потребує присутності іонів магнію.
ІІІ. Фосфофруктокіназа, якій для проявлення активності необхідні іони магнію, каталізує перенесення фосфатної групи від АТФ на фруктозо-6-фосфат, в результаті чого утворюється фруктозо-1,6-дифосфат. В умовах клітини ця реакція практично не оборотна. Реакція є найбільш повільною реакцією гліколізу. Фактично вона визначає швидкість гліколізу в цілому.
IV. Ця реакція каталізується фруктозодифосфатальдолазою або просто альдолазою. З двох тріозофосфатів, що утворюються в альдолазній реакції, лише гліцеральдегід-3-фосфат здатен піддаватись розщепленню в наступних реакціях гліколізу. Тому по мірі споживання останнього відбувається оборотне перетворення діоксіацетонфосфату в гліцеральдегід-3-фосфат під дією тріозофофатізомерази.
Утворення 3-фосфогліцеринового альдегіду завершує першу стадію гліколізу. Її називають підготовчою стадією.
Друга стадія – більш складна та важлива. Вона включає окисно-відновну реакцію, пов’язану із субстратним фосфорилюванням, в процесі якої утворюється АТФ.
V. Окислення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти.
Ця реакція дуже важлива, тому, що енергія, яка вивільняється при окисленні альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату, зберігається у формі високоенергетичного продукту окислення – 1,3-дифосфогліцеринової кислоти.
Каталізує цю оборотну реакцію гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа за участю коферменту НАД і фосфорної кислоти. Процес окислення і фосфорилювання складається з кількох реакцій:
У присутності неорганічного фосфату НАД приєднує Н+, що відщеплюється від 3-фосфогліцеринового альдегіду, який, зв’язується з молекулою гліцеральдегід-3-фосфодегідрогенази за рахунок SH-групи ферменту. Енергія, що утворилась внаслідок окислення, зосереджується в карбоксил-тіоловому макроергічному зв’язку. Цей високоенергетичний зв’язок слабкий і розщеплюється під впливом фосфорної кислоти, при цьому утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота. Енергія, що була накопичена у карбоксил-тіоловому зв’язку, зосереджується у карбоксил-фосфатному макроергічному зв’язку. Цей процес називається окислювальним фосфорилюванням.
VІ.Фосфогліцераткіназа каталізує перенесення високоенергетичної фосфатної групи від карбоксильної групи 1,3-дифосфогліцеринової кислоти на АДФ з утворенням АТФ та 3-фосфогліцеринової кислоти. Утворення АТФ з високоенергетичних сполук називається субстратним фосфорилюванням.
VІІ. Фосфогліцератмутаза каталізує оборотну реакцію внутрішньомолекулярного перенесення фосфатної групи. Протікає в присутності іонів магнію.
VІІI. Це друга реакція гліколізу, в результаті якої утворюється високоенергетична фосфорильована сполука. Фермент енолаза каталізує оборотну реакцію відщеплення води від 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату. Відщеплення молекули води від 2-фосфогліцерату викликає перерозподіл енергії всередині молекули, це супроводжується великим зниженням вільної енергії. Для проявлення активності енолази необхідні іони магнію, з якими фермент утворює комплекс, перш ніж приєднати субстрат. Для енолази характерне інгібування фторидом у присутності фосфату.
IX. Далі відбувається перенесення високоенергетичної фосфатної групи від фосфоенолпірувату на АДФ. Ця реакція каталізується піруваткіназою і представляє собою ще один приклад фосфорилювання на рівні субстрату. В результаті утворюється енолпіровіноградна кислота. В умовах клітини піруваткіназна реакція практично необоротна. Для прояву активності піруваткінази необхідні іони калію, а також магнію або марганцю.
Х. Продукт реакції (енолпіровіноградна кислота) утворюється в енольній формі, який швидко переходить неферментативним шляхом в кетоформу.
XI. Далі ПВК за участю лактатдегідрогенази перетворюється в молочну кислоту. Донором водню є відновлена форма коферменту НАД.
Отже, описаний біохімічний процес об’єднує послідовність реакцій, в результаті яких поступово руйнується вуглецевий ланцюг глюкози з утворенням молочної кислоти – кінцевого продукту анаеробного перетворення вуглеводів.
Гліколіз каталізують одинадцять ферментів, які локалізовані в розчинній частині цитоплазми.
Біологічне значення гліколізу полягає в утворенні багатих енергією фосфорних сполук. На перших етапах гліколізу витрачаються дві молекули АТФ (гексокіназна та фосфофруктокіназні реакції). На наступних утворюються чотири молекули АТФ (фосфогліцераткіназна та піруваткіназна реакції). Таким чином, енергетична ефективність гліколізу в анаеробних умовах складає 2 молекули АТФ на одну молекулу глюкози.
Сумарне рівняння гліколізу при цьому має вигляд:
Глюкоза + 2Рн + 2АДФ 2Молочна кислота + 2АТФ + 2Н2О
Такий процес характерний для тваринних тканин, які змушені функціонувати в умовах анаеробіозу, що характерно для напружено працюючих скелетних м’язів. У цих м’язах цей процес, що називається анаеробним гліколізом, є важливим джерелом енергії при напруженій фізичній роботі. Молочна кислота повинна з м’язових клітин видалятись кров’ю, щоб не настала втома. Пізніше, в аеробних умовах, вона знову перетворюється в глюкозу в печінці, де глюкоза запасається у вигляді глікогену.