Биологическая химия - часть 82

Рис. 10.3. Последовательность ре-
акций гликолиза.

1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизоме-

раза; 3 - фосфофруктокиназа; 4 - альдо-

лаза; 5 - триозофосфатизомераза; 6 - гли-

церальдегидфосфатдегидрогеназа; 7 -

фосфоглицераткиназа; 8 - фосфоглице-

ромутаза; 9 - енолаза; 10 - пируватки-

наза; 11 - лактатдегидрогеназа.

Реакция восстановления пирувата завершает внутренний окислительно-

восстановительный цикл гликолиза. НАД

+

 при этом играет роль проме-

жуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реак-

ция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он ре-

генерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, по-

лучившем название гликолитический оксидоредукции.

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего

в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях

гликолиза затрачиваются 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофрук-

токиназная реакции). На последующих образуются 4 молекулы АТФ

(фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом,

энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет

2 молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Как отмечалось, основной реакцией, лимитирующей скорость глико-

лиза, является фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая ско-

рость и регулирующая гликолиз – гексокиназная реакция. Кроме того,

контроль гликолиза осуществляется также ЛДГ и ее изоферментами.

333

АДФ

Глюкозо-6-фосфат

Ф ру ктозо-6-фосфат

АДФ

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Диоксиаце-

тонфосфат

Глицеральдегид-3-фосфат (2 мол)

НАД

+

 + Н

3

РO

4

НАД

+

 + Н

3

РO

4

 (по 2 мол)

НАДН+Н

+

1,3-Бисфосфоглицериновая

кислота (2 мол)

АДФ

АТФ

АДФ (2

 мол)

3-Фосфоглицериновая

кислота (2 мол)

2-Фосфоглицериновая

кислота (2 мол)

Н

2

О

Н

2

О (2

 мол)

Фосфоенолпируват (2 мол)

АДФ (2

 мол)

Пировиноградная

кислота (2 мол)

НАДН+Н

+

НАД

+

НАД

+

 (2 мол)

АТФ

АТФ

НАДН + Н

+

 (2мол)

+

 АТФ

(2

 мол)

+ АТФ

(2

 мол)

НАДН + Н

+

В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобла-

дают изоферменты ЛДГ

1

 и ЛДГ

2

 (см. главу 4). Эти изоферменты инги-

бируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует

образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению

пирувата (точнее, ацетил-КоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени использующих энергию

гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами яв-

ляются ЛДГ

5

 и ЛДГ

4

. Активность ЛДГ

5

 максимальна при тех концентра-

циях пирувата, которые ингибируют ЛДГ

1

. Преобладание изоферментов

ЛДГ

4

 и ЛДГ

5

 обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым

превращением пирувата в молочную кислоту.

Как отмечалось, процесс анаэробного распада гликогена получил назва-

ние гликогенолиза. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс

гликолиза происходит при участии 2 ферментов – фосфорилазы а и фосфо-

глюкомутазы. Образовавшийся в результате фосфоглюкомутазной реакции

глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После обра-

зования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза

полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапли-

ваются не две, а три молекулы АТФ (АТФ не тратится на образование

глюкозо-6-фосфата). Кажется, что энергетическая эффективность глико-

генолиза выглядит несколько более высокой по сравнению с процессом

гликолиза, но эта эффективность реализуется только при наличии активной

фосфорилазы а. Следует иметь в виду, что в процессе активации фосфо-

рилазы b расходуется АТФ (см. рис. 10.2).

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными

организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную

реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

С

6

Н

12

O

6

 –>

 2C

2

H

5

OH + 2СO

2

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гли-

колизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата.

При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН

восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап

заменен двумя другими ферментативными реакциями – пируватдекарбо-

ксилазной и алкогольдегидрогеназной.

334

Гликоген

Н

3

РO

4

Глюкоза

АТФ

АДФ

Глюкозо-1-фосфат

Фосфоглюкомутаза

Глюкозо-6-фосфат

Гликолиз

Глюкоза

Этанол

В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвер-

гается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид.

Данная реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, ко-

торый требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ):

Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляе-

мый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катали-

зируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются

этанол и СО

2

, а не молочная кислота, как при гликолизе.

Процесс молочнокислого брожения имеет большое сходство со спиртовым

брожением. Отличие заключается лишь в том, что при молочнокислом брожении

пировиноградная кислота не декарбоксилируется, а, как и при гликолизе в животных

тканях, восстанавливается при участии ЛДГ за счет водорода НАДН.

Известны 2 группы молочно-кислых бактерий. Бактерии одной группы в про-

цессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а бактерии другой

из каждой молекулы глюкозы «производят» по одной молекуле молочной кислоты,

этанола и СО

2

.

Существуют и другие виды брожения, конечными продуктами которых могут

являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения.

Включение других углеводов в процесс гликолиза

Фруктоза. Установлено, что фруктоза, присутствующая в свободном виде

во многих фруктах и образующаяся в тонкой кишке из сахарозы, всасы-

ваясь в тканях, может подвергаться фосфорилированию во фруктозо-6-

фосфат при участии фермента гексокиназы и АТФ:

Эта реакция ингибируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-6-фос-

фат либо превращается в глюкозу через стадии образования глюкозо-6-

фосфата и последующего отщепления фосфорной кислоты (рис. 10.4), либо

подвергается дальнейшим превращениям. Из фруктозо-6-фосфата под

влиянием 6-фосфофруктокиназы и АТФ образуется фруктозо-1,6-бисфос-

фат:

335

Пируват

Пируватдекарбоксилаза,

ТПФ, Mg

2+

Ацетальдегид

Ацетальдегид

Алкогольдегидрогеназа

Этанол

Фруктоза

АТФ

АДФ

Гексокиназа

Фруктозо-6-фосфат

СО

2

+ НАДН+Н

+

СН

3

—СН

2

ОН + НАД

+

СН

3

—СО—СООН

Далее фруктозо-1,6-бисфосфат может подвергаться дальнейшим пре-

вращением по пути гликолиза. Таков главный путь включения фруктозы

в метаболизм мышечной ткани, почек, жировой ткани.

В печени, однако, для этого существует другой путь. В ней имеется

фермент фруктокиназа, который катализирует фосфорилирование фрук-

тозы не по 6-му, а по 1-му атому углерода:

Эта реакция не блокируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-1-

фосфат расщепляется затем под действием кетозо-1-фосфатальдолазы на

диоксиацетонфосфат и D-глицеральдегид:

Фруктозо-1-фосфат <=> Диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид.

Образовавшийся D-глицеральдегид под влиянием соответствующей

киназы (триокиназы) подвергается фосфорилированию до глицеральде-

гид-3-фосфата. В этот же промежуточный продукт гликолиза переходит

и дигидроксиацетонфосфат.

Существует врожденная аномалия обмена фруктозы, или эссенциальная

фруктозурия, которая связана с врожденным недостатком фермента фрук-

токиназы, т.е. в организме не образуется фруктозо-1-фосфат. В резуль-

Рис. 10.4. Метаболизм фруктозы.

1 - гексокиназа; 2 - 6-фосфофруктоки-

наза; 3 - фруктозобисфосфатальдолаза;

4 - кетогексокиназа; 5 - кетозо-1-фосфа-

тальдолаза; 6 - триокиназа; 7 - глюко-

зофосфатизомераза; 8 - глюкозо-6-фос-

фатаза; 9 - триозофосфатизомераза.

336

Фруктозо-6-фосфат

АТФ

АДФ

Мg

2+

6-Фосфофруктокиназа

Фруктозо-1,6-бисфосфат

D-фруктоза

Кетогексокиназа

АТФ

АДФ

Фруктозо-1-фосфат

Глюкоза

Н

3

РО

4

Н

2

О

Глюкозо-6-фосфат

АТФ

Ф руктозо-6-фосфат

АТФ

АДФ

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Дигидр-

оксиацетонфосфат

Глицеральде-

гид-3-фосфат

Далее по пути

гликолиза

АДФ

АТФ

Глицер-

альдегид

Фруктозо-1-фосфат

АДФ

АТФ

Фруктоза