Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

остаток фосфорной кислоты передается на глюкозо-l-фосфат с образованием глюкозо-l,6-дифосфата и дефосфорилированного фермента. Последний, вза­ имодействуя с глюкозо-l,6-дифосфатом, снова превращается в фосфопроте­ ин, однако получает остаток фосфорной кислоты, присоединённой к l-MY

углеродному атому глюкозы с высвобождением соответственно глюкозо-6-

фосфата:

Равновесие рассмотренной реакции сильно сдвинуто в сторону образо­

вания глюкозо-6-фосфата. Поэтому в тканях содержание глюкозо-l-фосфа­

та не превышает 3-4% от общего количества гексозомонофосфатов в ор­

ганизме.

Глюкозо-6-фосфат подвергается в организме разнообразным превращени­

ям. Некоторая доля erQ распадается в конечном счете дО COZ и HzO. При этом

многократно повторяются реакции окисления (дегидрогенизации) как самого глюкозо-6-фосфата, так и продуктов его дальнейшего распада. Сопряженно с передачей атомов водорода, снятых с глюкозо-6-фосфата и возникших из

него субстратов, на кислород (с образованием молекул воды) осуществляется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е. запасается, аккумулиру­ ется энергия в составе макроэргических связей молекул АТФ. Кроме того,

некоторое количество молекул АТФ синтезируется здесь же иным путем. Следовательно, распад глюкозо-6-фосфата служит энергетическим целям: ЯВ­

ляется источником энергии для организма.

Вместе с тем значительная часть промежуточных продуктов, возника­

ющих в процессе обмена глюкозо-6-фосфата, используется для синтеза ами­

нокислот (белков), нуклеоmдов (нуклеиновых кислот), глицерина и высших

жирных кислот (триглицеридов, фосфатидов), стеролов (ст~ридов) и т. п.

В частности, как описано выше, для синтеза аланина используется пировино­ градная кислота (см. с. 276), являющаяся непременным промежуточным продуктом при распаде глюкозо-6-фосфата по дихотомическому' пути

(см. следующий раздел). Другие промежуточные продукты распада глюкозо-

340

б-фосфата: 3-фосфоглицериновая кщлота и фосфоенолпировиноградная кис­ лота (см. ниже) идут на синтез фенилаланина, тирозина, триптофана и сери­

на: Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот (см. рис. 117),

пировиноградная кислота, превращаясь в щавелевоуксусную и сх-кетоглута­

ровую, дает начало аспарагиновой и глутаминовой кислотам, а из них­

ряду других аминокислот. Рибозо-5-фосфат, образующийся при апотомиче­ ском распаде глюкозо-б-фосфата (см. схему б), служит для синтеза ГИСТИДина

и, в еще большей степени, для синтеза пиримидииовых и пуриновых нукле­ отидов (см. гл. VI).

Таким образом, глюкозо-б-фосфат обеспечивает организм и энергией

и строительным материалом для синтеза новых органических соединений,

Распад глюкозо-б-фосфата осуществляется преимущественно двумя путя­

ми. В одном случае на определенной стадии происходит распад шестиуглерод­

ной молекулы на две трехуглеродные, т. е. пополам. Этот путь получил название дихотомического распада. Второй путь состоит в потере глюкозо-б­

фосфатом l-го углеродного (головного) атома и именуется апотомическим

распадом. Есть еще третий путь, содержащий элементы первого и второго.

Рассмотрим каждый из них.

Д их о т о м и ч е с к и й п ут ь р а с п а да r л ю к о з о - б- Ф ос Ф а т а. Всту­

пая на дихотомический путь распада, глюкозо-б-фосфат прежде всего пре­

терпевает изомеризацию и превращается в фРУКТОЗО-б-фосфат, который далее фосфорилируется по l-му углеродному атому, образуя фруктозо-l,б­

дифосфат:

о

11

но-Р-он

а-D-Гnюкопиранозо­ '-D-ФРУКТОфуранозо­

б-фосфат б-фосфат

Фруктозо-I,б­

дифосфат

Фосфофруктокиназа, представляющая собой белок с М = 140000 У бак­ терий и от 3БОООО-400000 (во всех случаях-тетрамер) до 800000 (гек­ самер или октамер) у эукариот, является самым «медленным» из всех

ферментов, обслуживающих дихотомический распад углевоДов. Эта прак­ тически необратимая реакция лимитирует весь процесс. В то же время

активность глюкозофосфатизомеразы, например, в дрожжах, в 500 раз

превышает активность фосфофруктокиназы и на 1-2 порядка выше, чем

у других ферментов дихотомического распада, т. е. это один из самых

«быстрых» ферментов обмена глюкозо-б-фосфата. Строение и механизм действия фосфофруктокиназы из термофильной бактерии детально изучены

(рис. 111).

341

у

Активный ценtp

Рис. 111. Строение половины молекулы фосфофруктокиназы из термофильной бактерии

(З-я и 4-я субъединицы не показаны)

МолеКУЛЯРНaJI масса субъединицw, составленной из 316 аминохислОТНЫХ остапов, равна 33900; tpeтичная cтp}'J:Typa

характеризуетСII наличием lI<лоев (обозначены А-К) н ",<пиралей (обозиачены 1-13), а т""же существоваН>leМ

двух доменов Q и 11); на <раннце доменов располагаетс. аJ:ТИВНЫЙ центр, свIIэывющийй фр}'J:тозо·6-фосфат, АТФ

и MgH ; вБЛIIЗИ С·концевОЙ аминохислоты 11 домена ивходитс. аллостеричесkИЙ центр (АДФ-arrиватор, фосфо­

енолпировиноrpаднаll кислота-инrибнтор), обеспечивающий регулицию активности фосфофруктокRНa3Ы при ПО­ средстве ряда эффекторов, что IIВЛllетс. аажнеllшeй особенностью этого фермента. В эuвмолекуле между субъедини­

цами есть полость диablе1]>ОМ 0,7 ИМ, т. е. тетрамерный фермент имеет трубчатую cтpYJ:ТYPY. Ф6Р-фр}'J:шэо-6- фосфат

Концентрация фруктозо-I,6-дифосфата поддерживается на строго опре­

деленном уровне при посредстве сложного комплекса регуляторных процес­

сов: снижается под действием фруктозо-l,6-дифосфатазы (М= 140000, 4 х 35000) и возрастает под влиянием фосфофруктокиназы. Однако aKmB-

ность первой тормозится, а второйпобуждается в присутствии фруктоз0- 2,6-дифосфата, который, в свою очередь, синтезируется в печени при по­ средстве 6-фосфофрукто-2-фосфокиназы. Более того, последняя реакция цАМФ-зависима, а сам этот фермент в печени бифункционален: один его

домен ускоряет синтез, а другой-распад фруктозо-2,6-дифосфата

(рис. 112). В дрожжах 6-фосфофрукто-2-фосфокиназа и фруктозо-2,6-дифос­

фатаза не образуют бифункционального фермента и являются самостоя­

тельными энзимами.

Последнее соединение (фруктозо-l,6-дифосфат) и подвергается далее

дихотомическому распаду на две фосфотриозы, превращающиеся друг в

друга:

342

ОН

I

Оба фермента, ускоряющие приведенные ВЬШIе реакции, получены в кри­ сталлическом состоянии_ Альдолаза из мышц кролика характеризуется

М = 160000 (4 х 40 000), а триозофосфат-изомераза- 53 000 (2 х 26500). Выяс­

нена первичная структура последней и параметры ее вторичной структуры

6РФ-l­

-uнaзa

АДф

Ф1,6Рz ~

ф -1,6-фос:фаТ8За

Рис_ 112_ Регуляция содержания ключевого метаболита дихотомического рас­

пада углеводов-фруктозо-I,6-дифосфата (Фl,6Рz):

БРФ-I-ииназа-фрynозо-6-фосфат-l-киназа; 6РФ-2-kИназа-фруи:тозо-6-фосфат-2-ииназа; Ф6Р-фрук­ тозо-6-фосфат; Ф2.БР.-фруи:тозо-2.6-дифосфат; ФI.6Р.-фосфатаза-фрynозо-l.6-дифосфатаза (Осталь­

ные пояснении в тексте)

343

(52% сх-спиралей и 24% Р-слоев). Хотя при дихотомическом расщеплении фруктозо-I,6-диФосфата (видимо, расщепляется его открытая форма) получа­

ется равное количество обеих фосфотриоз, в состоянии равновесия между

ними преобладает фосфодиоксиацетон.

В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По

мере расходования убыль этого соединения восполняется за счет фосфодиок­

сиацетона, который пракmчески нацело в него превращается. Следовательно, из каждой молекулы фруктозо-l,6-дифосфата факmчески возникает две моле­

кулы 3-фосфоглицеринового альдегида, претерпевающего далее распад в соот­

ветствии со следующей схемой:

Схема 5. Обмен З-фосфоrлидериновоrо алъдеrида

Все реакции, происходящие при обмене 3-фосфоглицеринового альдегида, осуществляются ферментаmвным путем. Характерная их особенность состоит

в том, что на каждую молекулу распадающегося 3-фосфоглицеринового аль­ дегида синтезируются две молекулы АТФ из АДФ и остатков фосфорной

кислоты, поступающих сначала от 1,З-дифосфоглицериновой КИСЛОТЫ, а затем

от 2-фосфоенолпировиноградной кислоты (схема 5). Таким образом, уже здесь запасается энергия, выделяющаяся в процессе постепенного окисления фосфо-

344

Рис. llЗ. Структура субъединицы глицеральдеmд-3-фосфатдегидрогеназы:

а-спирали обозначены цилиндрами; фрагменты полипептидиой цепи в jН:ЛОJIX-стрелками; в верхней части риcym:а

нумерации их числовая (а1• а2 и Т. д.; 1.1.- Р2 ИТ. д). а в в:ижнеА. в области вуклеоТИДСВJlзывающегодомена И arrвBHOГO

центра-бyneнизи (<ХА. ав и т. д.; РА. рв и т. д.); здесь же толcтыR линиими показан "офермеВТ-НИJCОТИII8ЮIДаде­

ИИllдlПlухлеотид (НАД). причем его восстанавливаемая никотниаМRдВЗК часть сближена с ЧШ'•••• 1< I<ОТОРОМУ

присоедин.оетса субстрат. что создает необходимые условии ДJ\JI ОlCИслеRИИ последнего

глицеринового альдеmда. Конечным продуктом распада глюкозо-б-фосфата

является пировиноградная кислота (ПВК). В зависимости от объекта и усло­

вий, в которых идет обмен углеводов, дальнейшая ее судьба различна (см. ниже).

Наиболее сложной из всех приведенных выше реакций на пути от 3-

фосфоглицеринового альдеmда дО ПВК является реакция окисления фосфо­

глицеринового альдеmда в фосфоглицериновую кислоту. Остановимся па ней

345

Рис. 114. Механизм пируваткиназной реакции при сопряже-

нии окисления с фосфорилированием на уровне субстрата

Ион металла участвует в образовании тройного мостикового комnлежса (фосфо­

еноnпируват-металл-АДФJ, обеспечивающего фосфорилирование АДф; вак· тивном центре фермента координирующей функции иона металла способствует радикал гuс, а превращению енолпировиноградной кислоты в пировиноградную­ донор протопов ХН; ион металла закрепляется в активном центре также радиха­ ЛОМ у И гидратируетси. Препараты пируваткиназы, выделенные из разных источ­

ников, существенно не отли"",ютси по молекулярной массе (она близка к 200000);

молекула фермента в подаВЛRюшем большинстве случаев тетрамерна. ТретичнаJl структура субъединицы мышечной пируватжиназы харажтеризуется наличием трех

доменов, на границе двух из них расположен активный центр

несколько подробнее, Реакция ускоряется глицеральдегид-3-фосфатдегидроге­

"азой, полученной в кристаллическом состоянии из дрожжей, термофильных

бактерий и мьШIЦ кролика, омара и свиньи. Молекулярная масса фермента

в большинстве случаев равна 144000. Молекула фермента состоит из четырех субъединиц с М = 37 000. Первичная структура их выяснена у глицеральдегид-

3-фосфатдегидрогеназы из пекарских дрожжей, термофильной бактерии

имышц свиньи и омара, а третичная-у фермента из термофильной бактерии

имышц омара (рис. 113).

Каждая субъединица несет одну молекулу НАД+ и 4 свободные НS-груп­

пы, принадлежащие остаткам цистеина. Сначала фосфоглицериновый аль­

дегид присоединяется к ферменту по радикалу остатка цистеина, занимающего

149-е положение в полипептидной цепи; в активный центр фермента входят

также остаток аргинина, находящийся в 231-м положении, и остаток гистили­

на, занимающий 176-ю позицию. Затем в действие вступает НАД+, отни­ мающий от субстрата атом водорода в виде гидрид-иона (схема 5), и гиС176

активного центра, снимающий другой атом водорода с ОН-группы тиополу­

ацеталя в виде протона; радикал гистидина удерживает снятый протон в тече­ ние непродолжительного времени и потом высвобождает его в среду (схема 5

ирис. 113).

Вэтот момент связь ~ежду остатком 3-фосфоглицериновой кислоты и фер­

ментом становится макроэргической (обозначена значком "', схема 5). Указан-

346

""" . ---

пая связь СПОlПанно распадается в присутствии НэРО4 С образованием 1,3-

дифосфоглицериновой кислоты. Остальные реакци~ идут в основном при

участии соответствующих киназ. Важно отметить, что в момент отщепления воды от 2-фосфоглицериновой кислоты (схема 5) также возникает макроэр­

гическая связь у остатка фосфата, что делает возможной дальнейшую киназ­

ную реакцию с образованием АТФ. Такой путь биосинтеза АТФ называется

субстрапIыM фосфорилированием, которое возможно лишь потому, что в ак­

тивном цептре фосфоглицераткиназы и пируваткиназы при участии Mg 2+

сближаются концевой фосфат АДФ и переносимый на него фосфат, связанный макроэрmческой связью в 1,3-дифосфоглицериновой или 2-фосфоенолпирови­ ноградной кислоте. В частности, эта важнейшая реакция фосфорилирования

АДФ на уровне окисляемого субстрата детально изучена у пируваткиназы

(рис. 114).

АnотомuчеСI(UU путь распада глюкозо-6-фосфamа. При апотомическом рас­ паде глюкозо-6-фосфата не происходит его превращеиия в фруктозо-l,6-дифос­ фат в результате введения в молекулу второй фосфатной группы. Распад

глюкозо-6-фосфата в этом случае начинается реакцией окисления его в 6-

фосфоглюконолактон. Окисление состоит в отняmи двух атомов водорода от l-го углеродного атома глюкозо-6-фосфата. Акцептором Н служит НАДФ+,

являющийся коферментом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, ускоряющей эту

реакцию:

(НАДФН+Н+)

lлюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, открытая более полувека тому назад

о. Варбургом и сотр. и В. А. Энгельгардтом и А. п. Бархаш, выделена из

различных источников и характеризуется либо ДИмерной, как, например,

в молочной железе крысы: М = 130000 (2 х 63 000) или. эритроцитах ч:еловека:

347

грене тутового шелкопряда: М = 232 000 (4 х 54000), структурой. Она сущест­ вует в виде множественных форм, которыми особенно богаты эритроциты

человека, а ее активность задается соотношением НАДФ+/НАДФН. Выяснена

лервичная структура глюкозо-б-фосфатдегидрогеназы из Bacillus megaterium

(М = 118000; 4 х 29 500); в ее субъединице- 2б2 аминокислотных остатка. б-Фосфоглюконолактон при участии фермента глюконолактоназы гидроли­

зуется до б-фосфоглюконовой КИСлоты, которая претерпевает окислительное

декарбоксилирование и превращается в рибулозо-5-фосфат:

Фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) представлена белком с М = 100000, состоящим из двух равных субъединиц, независимо от источника выделения (печень овцы и крысы, эритроциты человека, дрожжи).

Дальнейший обмен рибулозо-5-фосфата-оДного из центральных веществ

в углеводном обмене-протекает весьма сложно (схема б). Многократно

изомеризуясь, в частности, переходя в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат,

а также вступая в транскетолазные и трансальдолазные реакции, заключающи­

еся впереносе двууглеродных и трехуглеродных фрагментов от одного фос­ форного эфира к другому, рибулозо-5-фосфат снова превращается в глюкозо-б­

фосфат. Подсчитано, что из б молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 мо­

лекул глюкозо-б-фосфата. Таким образом, суммарный эффект всех реакций,

осуществляющихся при апотомическом распаде глюкозо-б-фосфата, сводится

к тому, что из каждых 6 его молекул.одна полностью распадается. Это можно

выразить следующим уравнением:

. б Молекул глюкозо-б-фосфата+ 12 НАДФ+ +7H20-БСО2+ 12 НАДФН+

+ 12Н+ + НЗРО4+5 молекул ГЛЮКОЗО-б-фосфата

После сокращения 5 молекул глюкозо-б-фосфата в левой и правой частях

уравнения остается следующее:

Глюкозо-б-фосфат+12 НАДФ+ +7H20-БСО2+12 НАДФН+

+ НЗРО4+ 12Н+

Как следует из схемы б, важнейшее значение в апотомическом распаде

углеводов имеет превращение фосфопентоз. Поэтому этот путь обмена угле­ водов называют также пентозофосфатным циклом. Центральной реакцией в нем является перенос двууглеродных фрагментов, осуществляемый при

каталитическом воздействии транскетолазы. Этот фермент (у нас в страие)

детально изучен г. А. Кочетовым с сотр. Транскетолаза из пекарских дрож­

жей (М = lБО 000) построена из двух субъединиц (2 х 75 000), каждая из кото­ рых содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат, присоединенный

348

Схема 6. ПревращенИJI глюкозо-6-фосфата при апотомическом распаде (пояснения в тексте) исходя из распределения 14c-промежуточных соединений

в экстрактах ацетоновых noрошков печени крысы и листьев и корешков гороха

(8. Хоррекер и др., 1951). 8 1978-1983 гг. усложнена Дж. 8ильямсом И др. введением в нее арабинозо-5-фосФата, диоксиацетонфосфата и октулоэо-1,8- дифосфата в качестве метаболитов, которые на схеме не показаны

к белковой части соответствепно через радикал триптофана и пирофосфат­ ную группировку (рис. 115). Именно при посредстве тиаминпирофосфата

и осуществляется переное двууглеродных фрагментов. Он идет с помощью

'N-группы тиазолового цикла (рис. 115). В каждой из субъединиц 20%

11

(Х-~~ей, 40% р-слоев и 40% полипептидной цепи в виде клубка. Для

становления димерной формы фермента и его функции важен Са 2 Т. Транске­

толаза из эритроцитов человека резко отличается от дрожжевой. Будучи

очищена в 70000 раз, она имеет М =140 000 и не нуждается ни в тиамин­

пирофосфате, ни в Mg 2 + для проявления акmвности.

Постепенно укрепляется мнение, что транскетолазные и другие трансфераз­ вые реакции в обмене углеводов являются одними,из наиболее древних. По

349