Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

мере эволюции к ним присое­

динились дегидрогеназные про­

цессы (см. выше две первые

реакции окисления в апотоми­

ческом распаде углеводов)

томического путей обмена глюкозо-6-фосфата существует еще один путь,

характерный для микроорганизмов (у некоторых из них при его посредстве распадается от 30 до 50% глюкозы), названный в честь его первооткрьшателей

(1952). Первые стадии распада глюкозо-6-фосФата по этому пути, вплоть до

образования 6-фосфоглюконовой кислоты, полностью повторяют апотомиче­

ский путь. Но далее 6-фосфоглюконовая кислота окисляется без декарбок­ силирования в 2-кето-6-фосфоглюконовую кислоту, которая, восстанавливаясь

по 3-му углеродному атому, переходит в 2-кето-3-дезокси.6-фосфоглюконо­

вую кислоту, претерпевающую альдолазное расщепление:

I

он

Оба конечных продукта распада поступают в общий метаболический фонд

и подвергаются обычным превращениям_

Обмен пировиноградной кислоты (ПВК). Проследим теперь судь­

бу ПВК, возникающей в качестве конечного продукта при дихотомическом распаде Г:JIюкозо-6-фосфата и другими путями. В зависимости от места и усло­

вий протекания процесса в организме, наличия или отсутствия в последнем тех

или иных ферменmых систем и т. п. судьба эта различна.

Если процесс идет в анаэробных условиях или при недостаточном снабже­ нии кислородом, то простейший вариант обмена ПВК заключается в ее

восстановлении до молочной кислоты. Донором атомов водорода при этом

служит НАДН, образующийся в процессе окисления 3-фосфоглицеринового

альдегида при дихотомическом распаде глюкозо-6-фосфата (см. схему 5) и во

многих других случаях. Эта реакция ускоряется лактатдегидрогеназоЙ. На

этом ферменте впервые детально был разработал вопрос об изозимах

350

(СМ. с. 101). Изозим типа ММММ характерен для анаэробных тканей и обес­

печивает процесс превращения ПВК в МОЛОЧЦУЮ кислоту; изозим типа НННН

локализован в тканях с высоким аэробиозом и превращает в них молочную

кислоту в ПВк. Гибридные формы (НМММ, ННММ и НННМ) обладают

промежуточной активностью. Так достигается очень тонкая регулировка на­

правления ферментативного процесса и соотношения в тканях молочной

и пировиноградной кислот.

Таким образом, в анаэробных условиях каждая молекула'глюкозо-б-фосфа­

та дает две молекулы молочной кислоты, которая в этом случае представляет

коцечцый продукт реакции. Если исходным углеводом для образования глю­

козо-б-фосфата, а затем молочной кислоты служит глюкоза, то процесс назы­ вают ГЛIIКОЛИЗОМ. Если же исходным углеводом, дающим начало глюкозо-б­ фосфату (через глюкозо-l-фосфат) и потом МОЛОЧНОЙ кислоте, является гJIиl(о­

ген, то процесс называют гликогенолизом. Учитывая, что и в том и в другом

случае на промежуточных стадиях дихотомического распада синтезируется

АТФ, гликолиз и гликогенолиз служит средством быстрого получения энерmи

в анаэробных условиях.

При переключении в аэроБныIe условия от 1/5 до l/б общего количества

молочной кислоты, возникшей при гликогенолизе, и, вероятно, вся молочная

кислота, образовавшаяся при гликолизе, окисляются до С02 И Н2О. От 4/5 до 5/б общего количества молочной кислоты гликогенолитического происхожде-

условиях.

Таким образом, в анаэробных условиях ПВК, образующаяся при дихото­

мическом распаде углеводов, становится акцептором гидрид-ионов (Н-)

и протонов (Н+), снимаемых глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой с З-фос­

фоглицеринового альдеmда. Регенерация окисленной формы НАД+ вслед­

ствие передачи гидрид-ионов на ПВК поддерживает течение гликолитическоro

процесса. Последний неизбежно остановился бы, если бы все количество

НАД+ оказалось насыщенным атомами водорода, ибо глицеральдегид-З-фос­

фатдегидрогеназа не смогла бы осуществлять свою функцию.

полныIй набор ферментов гликогенолиза характерен для мышц и печени

животных. Однако если в первых превалирует распад гликогена, то для второй бодее показателен его биосинтез.

У некоторых организмов, в частности в дрожжевых клетках,. содержится мо~ая декарбоксилаза пировиноградной кислоты, способная в анаэробных

условиях превращать ПВК в уксусный альдеmд и С02:

снз-со-соон

ПИРО8иногр,диаll

КJtслота

Начальная фаза реакции декарбоксилирования ПВК при участии дрож­

жевой пируватдекарбоксилазы (М = 185 000, состоит из двух субъединиц,

каждая из которых несет молекулу тиаминпирофосфата в качестве кофермента

и Mg2 + В качестве кофактора) рассмотрена ранее. Уксусный альдегид,

образующийся при распаде оксиэтилтиаминпирофосфата (см. с. lбl), восста­

навливается за счет НАДН при участии другого фермента-алкогольде­

гидрогеназы, отличающейся тоже очень высокой активностью в дрожжевых

клетках:

351

Механизм данной реакции, равно как и структура алкогольдегидрогеназы, также детально рассмотрен выше (см. рис. 53).

Так как конечным продуктом обмена углеводов в этом случае оказывается

этиловый спирт, этот процесс называется спиртовым брожением. Как и при гликолизе, акцептирование атомов Н при брожении ацетальдегидом поддер­ живает течение реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида, т. е.

является условием осуществления процесса в целом.

Кроме спиртового брожения, у микроорганизмов существует еще ряд спе­

цифических путей утилизации трехуглеродных соединений, возникающих в ре­

зультате дихотомического распада углеводов. Сюда относятся молочнокислое

и пропионовокислое брожение, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое броже­

ние, маслянокислое брожение и дР.

В аэробных условиях ПВК окисляется. Реакция ускоряется мультиэнзим­

ной системой, называемой пируватдегидрогеиазиым комnлехсом. Она идет

в соответствии с уравнением

- СО2+СНэ-СО-SКоА+НАДН+Н+

Лцетил-J<ОЭВЗВМ А

Характерно, что в результате реакции окисления ПВК в образующейся молекуле ацетил-КоА возникает макроэргическая связь. Она способствует его энергичному обмену в дальнейшем.

Структура пируватдеГИдРогеназного комплекса (ПДГК) и первая фаза

ускоряемой при его посредстве реакции окислительного декарбоксилирования ПВК рассмотрены ранее (см. рис. 46 и уравнение реакции на с. 161). Как видно из этого уравнения, первая фаза процесса состоит в декарбоксилировании

ПВК. Эта реакция ускоряется пируватдекарбоксилазой, которая входит в со­

став мульmэнзимного комплекса в количестве 12 димерных молекул (см. Е1

на рис. 46,1); каждая из них несет две молекулы тиаминпирофосфата в качест­

ве кофермента. Естественно, что оксиэтильный радикал, возникающий после

декарбоксилирования ПВК, остается связанным с пируватдекарбоксилазой

в виде оксиэmлmаминпирофосфата (рис. 116, стадия 1).

Далее оксиэmльный радикал окисляется в ацетильный радикал, который

переносится сначала на липоевую кислоту. а затем на коэнзим А. Оба эm

процесса (окисление и перенос ацетильного радикала) ускоряются вторым компонентом пируватдегидрогеназного комплекса: липоат-ацетилтраисфера­ зой (М = 70 000). Она сосредоточена в центральной части комплекса в виде 24 молекул (см. Е2 на рис. 46,1), упакованных, согласно современным дан­

ным, в виде куба, по 12 граням которого располагаются 12 димерных молекул пируватдекарбоксилазы, а по 6 плоскостям- 6 димерных молекул (М = 112000) дигидролиnоилдегидрогеиазы (см. Еэ на рис. 46,1). Общая моле­

кулярная масса ПДГК кишечной палочки 4,6 млн. Да, а у высших организмов 7-8 млн. Да.

352

о

сн~-l!-соО"

Пируват

НО

I

СНз-С-Н

I

ТПФ ........___............. ФАД

.....

о НS" ,

11 1

СНз-С-S---(,

,>

~

I

ТПФ......_ " -__""" ФАД

НАДН+Н+ Ез

CтaдВJI 6

KaA-SН

о

снз-М-sСоА

Аце1Иll-КоА

Рис. 116. Механизм действия nиpуватдегидрогенаэного комплекса·(пояснения в тексте)

Каждая молекула липоат-ацеmлтрансферазы в качестве простетической

группы содержит молекулу липоевой кислоты, соединенную с апоферментом

через Е-аминогруппу радикала лизина. Такое присоединение липоевой кислоты

обеспечивает ее DОДВИЖВОСТЬ в составе пируватдегидрогеназного комплекса

(длина «ножки»-1,5 нм) И беспрепятственный контакт как с пируватдекар­

боксилазой, так и с диmдролипоилдегидрогеназой при условии использования

не менее двух остатков липоевой кислоты (рис. 116, стадии 2, 3 и 4);

Окси,тиnтиамиипирофоСфат

(рис. 116, стадии 5 и 6) двумя реакциями. При посредстве третьего компонента

мультиэнзимного комплекса, т. е. с помощью дигидролипоилдегидрогеназы

(6 димерных молекул, содержащих по 2 молекулы ФАД в качестве кофермен­

та), дигидролипоевая кислота переходит в липоевую:

Поскольку коферментом дигидролипоилдегидрогеназыI являеТся ФАД, то

конечно, именно он снимает непосредственно два атома Н с дигидролипоевой

кислоты и передает их на НАД+. Поэтому В приведенном выше суммарном

уравнении окислительного декарбоксилирования ПВК в качестве акцептора

атомов Н выступает НАД+ (рис. 116). Пируватдегидрогеназный комплекс активен в дефосфорилированном состоянии: цАМФ-независимая: протеинки­ наза фосфорилирует Е1 и инактивирует его.

Ацетил-коэнзим А далее конденсируется со щавелевоуксусной кислотой

(ЩУК), которая всегда есть в клеточном содержимом. Образуется лимонная кислота и освобождается коэнзим А. Каталитическую функцию в этой реакции выполняет конденсирующий фермент. Предполагают, что реакция идет в несколько стадий, которые могут быть выражены следующими

уравнениями:

СООН СООН

354

+ HSKoA

КОIIНЭНМ А

.Образованием лимонной кислоты ОТlCрывается специфичесmй цикл хими­

ческих реакций, приводящих к постепенному ее окислению дО ЩУК, которая снова конденсируется с ацетил-коэнзимом А, так что образуется вновь лимон­

ная кислота. По существу, следовательно, идет окисление ацетильных оста­

тков дО СО2 И Н2О. Этот цикл реакций получил название цикла трихарбоновLIX

и дихарбоновых кислот, так как именно эти кислоты являются главными его

компонентами (рис. 117). Его называют также циклом Кребса-по имени

первооткрывателя, удостоенного за это Нобелевской премии в 1959 г. Таким

образом, в конечном счете, ПВК окисляется дО СО2 и Н2О.

Ферменты цикла трикарбоновых и· дикарбоновых кислот (ЦТДК), ускоря­ ющие единый метаболический многоступенчатый процесс окисления ацетиль­

ных групп, возможно собраны в специфически построенный комплекс (метабо­ лон), локализованный между расположенными друг против друга поверх­

ностями внутренней мембраны митохондРИЙ (рис. 118). В метаболоне, как

полагают, осуществляется эстафетная передача промежуточных продуктов

цикла от одного фермента к другому без их высвобождения в матрикс мито­ хондрии. Поэтому процесс идет с большой скоростью. РЯдом с метаболоном ЦТДК располагаются пируватдегидрогеназный комплекС и, вероятно, метабо­

лон ~-окисления высших жирных кислот, поставляющие ему СНзСО-SКоА.

Общая схема распада углеводов. Все сказанное выше о путях

распада углеводов и о механизме реакций, осуществляющихся в процессе их

деструкции, можно представить в виде следующей общей схемы (см. с. 357).

Из схемы видно, что глюкозо-6-фосфат занимает в этих процессах цент­

ральное место, а из промежуточных продуктов дальнейшего его распада

узловые позиции принадлежат ПВК и. рибулозо-5-фосфату.

Какая же роль в общем обмене углеводов организма отводится рассмот­ ренным здесь путям распада углеводов: брожению, гликолизу и дыханию,

апотомическому и дихотомическому, анаэробному и аэробному?

Зависимости между ними сложны и определяются как видовыми осо­

бенностями, так и условиями жизнедеятельности организмов. Например, объем гликолиза в тканях находится в прямой зависимости от поступления

355

XIIслота

Рис. 117. Цикл трикар60НОВЫХ и дикар60НОВЫХ кислот (ПОRснения в тексте)

б

включающие СУКЦИllатдеrидpoгеназу

~Моносахарuоы

ПироВuноерадная

I<uслоmа РшJgлоао-5-фоСфаm

Анаэрооно A3PO~HO

Схема 7. Пути распада углеводов (пояснение в тексте)

кислорода: последний подавляет процесс образования молочной кислоlы (пастеровский эффект). Даже в различных тканях и органах одного и того же организма соотношения путей распада углеводов могут быть различными. Тем не менее можно установить и некоторые общие закономерности. Так, у подав~щего болыпинства организмов аэроБИldЙ путь распада углеводов в общем превалируе.т иад анаэробным, а дыхание подавляет rлllКОЛИЗ и броже­ иие. Дихотомическому распаду углеводов принадлежит в целом более видное

место, чем апотомическому. В значительной мере эти соотношения путей

деструкции углеводов зависят от их энергетического эффекта. Последнее впол­ не естественно, так как одной из функций углеводов, в ряде случаев главной, является обеспечение организма эиергией, вьщеляющейся при их·анаэробном

и аэробном распаде.

Синтез углеводов. С и н т е з про с т ы х у гл е в о Д о в. Простые углеводы

возникают главным образом при первичном биосинтезе органического веще­

ства на Земле. Этот процесс осуществляется автотрофными организмами­

растениями, а также фотосинтезирующими и хемосинтезирующими бактери­

.ями. Первичный синтез органического вещества в природе идет путем восста­ новления СО2 атмосферы с одновременным формированием органических

молекул, содержащих цепи углеродных атомов. В связях между атомами

углерода и других элементов образующихся органических соединений заклю­ чена энергия, поэтому их новообразование сопровождается ее поглощени~м.

В общем виде процесс первичного новообразования органического вещества

принято изображать в виде следующей схемы (см. с. 358).

Гетеротрофиые организмы, использующие для построения составных частей

своего тела уже готовые органические вещества, не обладают способностью

к первичному биосинтезу органических молекул, но могут образовывать их за

счет перестройки органических соединений пищи. Естественно, что в числе

новообразуемых гетеротрофами соединений находятся и простые углеводы;

однако как исходные материалы для их построения, так и первичные источ­

ники энергии здесь принципиально отличаются от таковых у автотрофов.

357

B""(~"T 7~:>"(IV)

'СН201

Полимеры (полнсахариды,белки,липиды, нуклеино­

вые кислоты и др.)

Схема 8. Возможные этапы первичного биосин­

теза органического вещества

Рассмотрим механизм первичного биосинтеза простых углеводов у автотроф­

ныx1 оргаНИЗМОВ. В простейшем случае у хемосинтезирующих бактерий источни­

ком энергии, которая трансформируется в стабильную энергию химических связей между атомами углерода, служат реакции окисления неорганических соединеШlЙ, проходящие с вьщелением Toro или иноrо количества энерmи (табл.

ФОТОСИIIтезнрующие бактерии и зеленые растеШlЯ используют для перВИЧ­

HOro синтеза Оfзганических веществ энергию светОВЫХ лучей, которая, напри­

мер, для 6 х 10 3 квантов красного света (В основном поглощаемоrо зелеными

органами) равна примерно 167 кДж.

Хемосинтез, т. е. ассимиляция СО2 микроорrанизмами за счет энерmн:,

вьщеляемой при окислении неорганических соедИнений, впервые открыт в кон­ це прошлоrо столетия С. Н. Виноrpадским.

I Автотрофный-сам сеБR питающий, т. е. развиваЮЩИЙСJl на среде, свобоДНQЙ от других

организмов и продуктов их жизнедеятельности.

358

Первичный акт, посредством которого энергия, освободившаяся при окис­ лении неорганических соединений хемосинтезирующими бактериями или вос­

принятая фотосинтезирующими организмами, превращается в доступную для использования в химическом синтезе форму, состоит в трансформации этой энергии в энергию макроэргнческой связн АТФ. Иначе говоря, энергетическое обеспечение синтеза простых углеводов начинается с синтеза АТФ из АДФ

и неорганического фосфата. ·Можно предполагать, что процесс хемосинтетиче­

ского и фотосинте1'ИЧеского фосфорилирования идет, в общем, аналогично

окислительному фосфорилированию (см. гл. Х), т. е. перенос электронов при

хемосинтезе и фотосинтезе вовлекает ряд энзиматических систем мембранного аппарата бактериальных и растительных клеток, результатом чего является возникновение мембранного потенциала-истинн:ого двигателя реакции фос­

форилирования аденозиндифосфорной кислоты: АДФ+НЗРО4-+АТФ+Н2О.

Открытие в составе сопрягающих мембран (см. гл. Х) разнообразных организмов присутствия сопрягающих факторов схожей структуры, обеспечи­

вающих протекание этой реакции, является доказательством единства путей

акцептирования энергии в живых системах.

Одновременно с синтезом АТФ идет и вторая важнейшая для первичного биосинтеза органических веществ реакция-высвобождение атомов водорода,

необходимых для восстановления С02. MHome детали этого процесса неясны,

однако установлено, что донором атомов Н в реакциях хемосинтетического

и фотосинтетического восстановления С02 является в подавляющем большин­

стве случаев вода, а промежуточным акцептором их-НАДФ+, т. е.

2НАДФ+ +2Н2О-+2НАДФН+2Н+ +02.

Восстановление С02 непосредственно не идет. Оно осуществляется после связывания С02 в результате реакции карбоксилирования уже достаточно сложного органического соединения-рибулозо-l,5-дифосфата, который об­

разуется путем фосфорилирования рибулозо-5-фосФата-проДУКта апотоми­

ческого распада глюкозы, всегда присутствующего в клеточном содержимом

или .JЮзникающего из рибозо-5-фосфата при посредстве рибозофосфатизоме­ разы (М = 54 000). Именно на этом этапе расходуется АТФ, необходимая для первичного биосинтеза углеводов:

Фосфорибулокниаза, ускоряющая эту первую реакцию на пути акцептиро­

вания С02, открыта А. Вейсбахом с сотрудниками еще в 1954 г., но свойства ее dзучены лишь в последнее десятилетие; фермент широко представлен у фото­ и хемоавтотрофов, высоко специфичен, абсолютно зависим от присутствия

359