7.1.9. Макроергічні сполуки

Усі процеси розпаду речовин у живій клітині можна умовно поділити на три основні фази. У першій фазі відбувається розпад великих молекул органічних сполук на менші. Так, складні вуглеводи розпадаються на більш прості, наприклад, цукор – на глюкозу і фруктозу; білок – на амінокислоти; жири – на гліцерин і жирні кислоти. При такому розщепленні виділяється незначна кількість енергії, яка не перевищує, як правило, одного відсотка потенційної хімічної енергії цих сполук. У другій фазі порівняно невеликі молекули вуглеводів, амінокислот, ряду жирних кислот і гліцерину окислюються з утворенням трьох основних сполук: ацетил-коферменту А, -кетоглутарової і щавлевооцтової кислот. Серед цих сполук найбільше значення має ацетил-кофермент А, або активований ацетат, який є сполукою коферменту-А із залишком оцтової кислоти: СН₃ ~С ~ S-К₀А.. Він утворюється із гексоз, гліцерину, деяких амінокислот і жирних кислот. Всі три продукти цієї фази тісно пов’язані між собою в процесі обміну речовин і надалі через цикл ди- і трикарбонових кислот (цикл Кребса) окиснюються до СО₂ і Н₂О під час третьої фази окиснення.

Тепло, що виділяється у другій і третій фазах окиснення, розподіляється таким чином: у другій фазі – близько третини, у третій – близько двох третин від загальної кількості енергії органічних сполук. 40-50% енергії, що вивільнюється у другій і третій фазах, розсіюється у формі тепла, а решта (50-60%) – накопичується організмом і використовується у наступних процесах біосинтезу.

Універсальним способом накопичення енергії дихання є синтез багатих на енергію сполук із макроергічними зв’язками, які позначають знаком Р. До таких сполук належить система АТР. Молекула АТР складається з азотистої основи аденіну, цукру рибози і трьох залишків фосфорної кислоти. Віддаючи один або два фосфорних залишки різним акцепторам, вона відповідно перетворюється в АДР і АМР. Фосфорні зв’язки молекули АТР мають нерівнозначний енергетичний рівень. Зв’язок фосфорної кислоти з рибозою становить близько 2–3 ккал. Два інші залишки фосфорної кислоти з’єднані макроергічними зв’язками, кожен з яких має запас енергії 8–10 ккал (рис.53).

Накопичена в АТР енергія може за допомогою специфічних каталізаторів переноситися на інші сполуки. Використання енергії АТР у процесах життєдіяльності організму можливе за умов постійного її новоутворення. Для синтезу АТР і АДР, як і для будь-якого іншого синтезу, необхідна енергія, джерелом якої є окисно-відновні перетворення дихального субстрату.

Рис. 53. Зв’язок фосфорної кислоти з рибозою.

Крім АТР і АДР, відомі й інші аналогічні макроергічні фосфатні сполуки: ГДР і ГТР (гуанозинди– і гуанозинтрифосфат), ЦДР і ЦТР (цитозинди- і цитозинтрифосфат), УДР і УТР (уридинди- і уридинтрифосфат). Усі ці нуклеозидфосфати беруть участь у процесах біосинтезу, що відбувається у рослинному організмі: АТР – у синтезі жирних кислот і білків, ЦТР – у синтезі фосфоліпідів, УТР – у синтезі глікогену, ГТР – у синтезі вуглеводів і білків. Але саме АТР поставляє усю енергію, необхідну для синтетичних процесів, оскільки при гліколізі, а також фотосинтетичному й окислювальному фосфорилюванні ніякі інші, окрім АТР, нуклеозидфосфати не утворюються. Від АТР енергія надходить до інших, “енергоємних” сполук.

Крім макроергічних сполук, енергія у живих клітинах також запасається у вигляді похідних коферменту А. Сам кофермент А належить до проміжних переносників водню і його молекула не має макроергічного зв’язку. Такий зв’язок є у молекулі ацетил-КоА.

Кофермент А у рослинному організмі розподілений нерівномірно. Його багато в мітохондріях і хлоропластах, найбільше міститься в зародках. КоА має високу каталітичну активність, яка зумовлена наявністю SН-групи (сульфогідрильної групи). У дихальному ланцюзі він знаходиться між цитохромами b і с. Основна функція КоА – утворення багатих на енергію сполук при взаємодії із залишками органічних кислот.

7.2. Гліколіз

На початку ХІХ ст. М.Соссюр зробив важливе спостереження: при вирощуванні в атмосфері без кисню зелені рослини виділяють СО₂. Подальше вивчення цього явища дало змогу Л.Пастеру встановити, що у анаеробних умовах рослини не тільки виділяють вуглекислий газ, але й накопичують спирт та інші продукти спиртового бродіння.

Фундаментальну роль у визначенні хімізму перетворення цукрів мало відкриття Л.О.Івановим явища анаеробного розщеплення не інертної молекули глюкози, а її фосфорного ефіру, який має високу реакційну здатність. Джерелом фосфорної кислоти є АТР. Перенесення залишку фосфорної кислоти на молекулу глюкози каталізує фермент гексокіназа (рис. 54). Подальше активування гексози відбувається шляхом ізомеризації: глюкозо-6-фосфат перетворюється у фрукотозо-6-фосфат. Процес ізомеризації проходить за участю фосфогексоізомерази. Наступний етап супроводжується приєднанням ще одного залишку фосфорної кислоти від молекули АТР – утворюється фруктозо-1,6-дифосфат за участю ферменту фосфогексокінази. Далі молекула фруктозо-1,6-дифосфату під дією ферменту альдолази розщеплюється на дві фосфотріози: фосфодіоксиацетон і 3-фосфогліцериновий альдегід. Це перша стадія гліколітичного розщеплення глюкози (гліколізу) – рисунок 54.

Рис. 54. Етапи гліколізу: 1 – гексокіназа; 2 – фосфогексоізомераза;

3 – фосфофруктокіназа; 4 – альдолаза; 5 – тріозофосфатізомераза; 6 – дегідрогеназа (SН-фермент); 7 – фосфогліцерокіназа; 8 – фосфогліцеромутаза; 9 – енолаза;

10 – піруваткіназа; 11 – фосфорилаза; 12 – фосфоглюкомутаза; Г-6-Ф - глюкозо-6-фосфат; Ф-6-Ф - фруктозо-6-фосфат; Ф-1,6-ДФ - фруктозо-1,6-дифосфат;

ФГА – фосфогліцериновий альдегід; ДОАФ – діоксиацетонфосфат; 1,3-ДФГК – 1,3-дифосфогліцеринова кислота; 3-ФГК – 3-фосфогліцеринова кислота; ФЕП –фосфоенолпіровиноградна кислота; ЕПВК – енолпіровиноградна кислота; ПВК – піровиноградна кислота.

Завдяки наявності в клітинах специфічного ферменту фосфотріозоізомерази відбувається перетворення фосфодіоксиацетону у фосфогліцериновий альдегід.

На наступній стадії гліколізу фосфогліцериновий альдегід через ряд реакцій перетворюється у фосфогліцеринову кислоту. Спочатку до фосфогліцеринового альдегіду приєднується ще один залишок фосфорної кислоти від АТР. Утворений 1,3-дифосфогліцериновий альдегід за допомогою специфічної дегідрогенази окислюється до 1,3-дифосфогліцеринової кислоти. Енергія, яка вивільняється при цьому, спочатку зосереджується в одному із фосфатних зв’язків дифосфогліцеринової кислоти, а потім переноситься за участю трансфосфорилази на АДР і таким чином утворюється молекула АТР і молекула 3-фосфогліцеринової кислоти. Далі фермент фосфогліцеромутаза ізомеризує 3-фосфогліцеринову кислоту до 2-фосфогліцеринової, від якої потім під дією енолази відщеплюється молекула води. Ця реакція супроводжується перерозподілом енергії в молекулі, внаслідок чого утворюється фосфоенолпіровиноградна кислота, молекула якої має макроергічний зв’язок. Цей фосфат за участю піруваткінази передається на АДР (утворюється АТР), а енолпіровиноградна кислота внаслідок своєї нестійкості самовільно перетворюється у піровиноградну кислоту – кінцевий продукт гліколізу. Процес відбувається у цитоплазмі.