содержание      ..     15      16      17      18     ..

АНАЭРОБНЫЙ КАТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ (ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)

Анаэробное окисление глюкозы. Гликолиз. Внутриклеточная

локализация процесса

Гликолиз (от гр. glycys – сладкий + lysis – растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием ATP.

При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где полностью окисляется до СО₂ и Н₂О. Если содержание кислорода недостаточно, как, например, в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат. Таким образом, гликолиз – это не только главный путь утилизации глюкозы в клетках, но и уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в его отсутствие (анаэробные условия). Кроме того, на промежуточных стадиях образуются трехуглеродные фрагменты, которые используются для биосинтеза ряда веществ.

Анаэробный гликолиз – сложный ферментативный процесс распада глюкозы, протекающий в тканях человека и животных без потребления кислорода. Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. В процессе гликолиза образуется ATP. Суммарное уравнение гликолиза можно представить следующим образом:

В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в животном организме, поставляющий энергию. Именно благодаря ему организм человека и животных определенный период может осуществлять ряд физиологических функций в условиях недостаточности кислорода.

Внутриклеточно гликолиз локализуется в цитоплазматическом компартменте. При этом установлено, что гликолитические ферменты способны связываться с мышечными белками. На долю F-актина приходится больше связанных ферментов гликолиза, чем на долю миозина, актомиозина или белков стромы. Из ферментов наибольшим сродством к F-актину обладает альдолаза и несколько меньшим – глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФДГ). Среди других ферментов, проявляющих определенную склонность к связыванию, необходимо отметить фосфофруктокиназу (ФФК), 3-фосфоглицераткиназу, пируваткиназу (ПК) и лактатдегидрогеназу (ЛДГ).

Доказано существование надмолекулярной структурной организации основных ферментов на внутренней стороне мембраны эритроцитов. Предполагаемая схема расположения гликолитических ферментов на мембране эритроцитов представлена на рис. 17.1. Димеры белка третьей полосы представлены как погруженные в мембрану гексагональные структуры. Их N-концы формируют в липидном бислое каналы для анионов и выступают в цитоплазму. Поскольку тетрамеры спектрина, прикрепленные к мономерам актина, оставляют свободными достаточно большие участки на поверхности мембраны, предполагают, что сквозь эту сеть могут проникать ферменты, гемоглобин и белок третьей полосы. На рис. 17.1 в масштабе изображены только ферменты и гемоглобин: они представлены сечениями сфер, объемы которых пропорциональны соответствующим молекулярным массам.

Рис. 17.1. Расположение гликолитических ферментов на мембране эритроцитов: а – общая схема расположения; б – примерное расположение участков связывания некоторых белков на N-конце белка третьей полосы

Отдельные реакции гликолиза, их термодинамические характеристики. Образование 2,3-дифосфоглицерата в шунте Рапопорта-Люберинга

Процесс гликолиза катализируется одиннадцатью ферментами, большинство из которых выделено в гомогенном, кристаллическом или высокоочищенном виде и свойства которых достаточно известны.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофосфата на глюкозу за счет ATP. Реакция катализируется ферментом гексокиназой:

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством гексокиназы является ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, который служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

Гексокиназа имеет высокое сродство (низкую Кm) к своему субстрату – глюкозе; ее функция состоит в том, чтобы обеспечить захват тканью глюкозы даже при низких концентрациях последней в крови. Фосфорилируя практически всю поступающую в клетку глюкозу, гексокиназа поддерживает значительный градиент концентрации глюкозы между кровью и внутриклеточной средой. Фермент действует как на α-, так и на b-аномеры глюкозы; он фосфорилирует также и другие гексозы (в частности, D-фруктозы, D-маннозы и т.д.), но со значительно меньшей скоростью.

В печени кроме гексокиназы существует фермент глюкокиназа, который катализирует фосфорилирование только D-глюкозы. В мышечной ткани этот фермент отсутствует. Функция глюкокиназы состоит в «захватывании» глюкозы из кровотока после приема пищи (когда концентрация глюкозы в крови повышается). В отличие от гексокиназы она имеет высокое значение Кm для глюкозы и эффективно функционирует при концентрации глюкозы в крови выше 100 мг/100 мл. Глюкокиназа специфична только к глюкозе.

Глюкозо-6-фосфат занимает важное положение в области стыковки ряда метаболических путей (гликолиз, глюконеогенез, пентозофосфатный путь, гликогенез и гликогенолиз).

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях, и для нее не требуется каких-либо кофакторов.

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы ATP:

Аналогично гексокиназной данная реакция практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является самой медленной реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется ATP и стимулируется АMP. При значительных величинах отношения ATP/АMP активность фосфофруктокиназы угнетается и гликолиз замедляется. Напротив, при снижении этого коэффициента интенсивность гликолиза повышается. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низка, концентрация ATP относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление ATP, активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под его влиянием фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата).

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Она катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Равновесие данной изомеразной реакции сдвинуто в сторону дигидроксиацетонфосфата: 95% дигидроксиацетонфосфата и около 5% глицеральдегид-3-фосфата. В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата завершается первая стадия гликолиза. Вторая стадия – наиболее сложная и важная. Она включает окислительно-восстановительную реакцию (реакцию гликолитической оксидоредукции), сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется ATP.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента NAD⁺ и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы NAD (NADH). В структурном плане фермент состоит из четырех идентичных полипептидов, образующих тетрамер. Каждый полипептид содержит по четыре SH-группы, принадлежащие остаткам цистеина. Одна из них находится в активном центре фермента. Полагают, что она принимает участие в окислении глицеральдегид-3-фосфата. Сначала субстрат соединяется с остатком цистеина дегидрогеназы, образуя тиополуацеталь, который окисляется в тиоловый эфир; атомы водорода, отщепленные при этом окислении, переносятся на связанный с ферментом NAD⁺. Образующийся NADH связан с ферментом менее прочно, чем NAD⁺, и поэтому легко замещается другой молекулой NAD⁺. Реакция завершается фосфоролизом тиоэфирной связи с присоединением неорганического фосфата; при этом образуются 1,3-бисфосфоглицерат и свободный фермент с SH-группой:

Потенциальная энергия процесса окисления резервируется сначала в высокоэнергетической тиоэфирной связи, а после фосфоролиза – в фосфатной связи 1,3-бисфосфоглицерата, находящейся в положении 1.

1,3-Бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда» ~). Механизм действия глицеральдегидфосфатдегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата NAD⁺ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования NADH глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SH-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочна и поэтому расщепляется под влиянием неорганического фосфата; при этом образуется 1,3-бисфосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой; при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на ADP с образованием ATP и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерат):

Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии ATP. В отличие от окислительного фосфорилирования образование ATP из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Важной отличительной особенностью гликолиза в эритроцитах является то, что 1,3-бифосфоглицерат может превращаться в 2,3-бифосфоглицерат, который является аллостерическим эффектором, понижающим сродство гемоглобина к кислороду (рис. 17.2). Открытый в 1950 г. Рапопортом и Люберингом шунт находится под жестким контролем и снабжает эритроциты аллостерическим эффектором в таких количествах, которые диктуются метаболическим состоянием организма. При дефиците кислорода синтез 2,3-бифосфоглицерата усиливается. Эффектор связывается с четырьмя субъединицами тетрамера гемоглобина и уменьшает сродство к О₂ в результате стабилизации дезоксиформы. Это в свою очередь приводит к увеличению выхода кислорода из эритроцитов в ткани и улучшению снабжения клеток кислородом.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат).

Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg²⁺. Кофактором фермента является также 2,3-бисфосфоглицериновая кислота аналогично тому, как в фосфоглюкомутазной реакции роль кофактора выполняет глюкозо-1,6-бисфосфат:

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту (фосфоенолпируват), а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической:

Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg²⁺ или Мn²⁺ и ингибируется фторидом.

Рис. 17.2. Часть системы гликолиза эритроцитов, включающей реакцию обмена NAD-NADH и 2,3-бисфосфоглицератный цикл. Условные обозначения: Альд. – альдолаза, ФГК – фосфоглицераткиназа; ФГМ – фосфоглицератмутаза; ФГФ – фосфоглицератфосфатаза; ЛДГ – лактатдегидрогеназа; ТФИ – триозофосфатизомераза.

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на ADP (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для действия пируваткиназы необходимы ионы Mg²⁺, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К⁺ или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образование молочной кислоты. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента NADН, образовавшегося в шестой реакции:

Реакцией восстановления пирувата полностью завершается внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. NAD⁺ при этом играет роль промежуточного переносчика водорода от глицеральдегид-3-фосфата (6-я реакция) на пировиноградную кислоту (11-я реакция), при этом сам он регенерируется и вновь может участвовать в циклическом процессе, получившем название гликолитической оксидоредукции.

Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфорных соединений. На первых стадиях гликолиза затрачивается две молекулы ATP (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На последующих образуются четыре молекулы ATP (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции). Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в анаэробных условиях составляет две молекулы ATP на одну молекулу глюкозы. Термодинамические характеристики реакций гликолиза представлены в табл. 17.1.

Как отмечалось, основной реакцией, лимитирующей скорость гликолиза, является фосфофруктокиназная. Вторая реакция, лимитирующая скорость и регулирующая гликолиз, – гексокиназная реакция. Кроме того, контроль гликолиза осуществляется также лактатдегидрогеназы и ее изоферментами.

В тканях с аэробным метаболизмом (ткани сердца, почек и др.) преобладают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂. Они ингибируются даже небольшими концентрациями пирувата, что препятствует образованию молочной кислоты и способствует более полному окислению пирувата (точнее, ацетил-СоА) в цикле трикарбоновых кислот.

В тканях человека, в значительной степени использующих энергию гликолиза (например, скелетные мышцы), главными изоферментами являются ЛДГ₅ и ЛДГ₄. Активность ЛДГ₅ максимальна при тех концентрациях пирувата, которые ингибируют ЛДГ₁. Преобладание изоферментов ЛДГ₄ и ЛДГ₅ обусловливает интенсивный анаэробный гликолиз с быстрым превращением пирувата в молочную кислоту.

Таблица 17.1

Термодинамические характеристики реакций гликолиза

Расщепление гликогена (гликогенолиз). Строение, механизм действия

и регуляция гликогенфосфорилазы

Гликогенолиз – процесс анаэробного распада гликогена. Вовлечение D-глюкозных единиц гликогена в процесс гликолиза происходит при участии двух ферментов: фосфорилазы а и фосфоглюкомутазы. Образовавшийся в результате фосфоглюкомутазной реакции глюкозо-6-фосфат может включаться в процесс гликолиза. После образования глюкозо-6-фосфата дальнейшие пути гликолиза и гликогенолиза полностью совпадают:

В процессе гликогенолиза в виде макроэргических соединений накапливаются не две, а три молекулы ATP (ATP не тратится на образование глюкозо-6-фосфата). Кажется, что энергетическая эффективность гликогенолиза 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 фосфорилазы b расходуется ATP.

Гликоген-фосфорилаза катализирует последовательное удаление гликозильных остатков с невосстанавливающего конца молекулы гликогена. Ортофосфат расщепляет гликозидную связь между С₁ концевого остатка и С₄ соседнего остатка. Он специфически разрывает связь между углеродным атомом С₁ и гликозидным атомом кислорода с сохранением α-конфигурации при С₁.

Реакция, катализируемая фосфорилазой, in vitro легко обратима. При рН 6,8 равновесное отношение ортофосфата к глюкозо-1-фосфату равно 3,6. ΔG⁰ для этой реакции мало, потому что гликозидная связь замещается фосфоэфирной, которая имеет почти такой же потенциал переноса. Однако in vivo фосфоролиз сдвинут далеко в сторону распада гликогена, поскольку отношение [Р_i]/[Глюкозо-1-фосфат] обычно превышает 100.

Фосфорилаза скелетных мышц существует в двух взаимопревращающихся формах: активная фосфорилаза а и обычно неактивная фосфорилаза b (рис. 17.3).

Фосфорилаза b                      Фосфорилаза b                   Фосфорилаза a  Фосфорилаза a

(активная                               (неактивная               (неактивная        (активная

R-форма)                               Т-форма)                                Т-форма)                  R-форма)

Рис. 17.3. Регуляции гликоген-фосфорилазы в скелетных мышцах

Фермент может принимать каталитически неактивную Т (напряженную) конформацию или активную R (релаксированную) конформацию. Равновесие R↔T для фосфорилазы а сдвинуто далеко в сторону активного R-coстояния. В противоположность этому фосфорилаза b находится преимущественно в неактивном Т-состоянии, исключая случаи, когда содержание AMP находится на высоком уровне, а содержание АТР и глюкозо-6-фосфата – на низком. При большинстве физиологических состояний доля активного фермента определяется скоростями фосфорилирования и дефосфорилирования. Фермент представляет собою димер, молекулярная масса субъединиц которого равна 92 кДа. Фосфорилаза b превращается в фосфорилазу а путем фосфорилирования одного остатка серина (Ser-14) в каждой субъединице. Эта ковалентная модификация катализируется специфическим ферментом киназой фосфорилазы, которая была открыта Эдмондом Фишером и Эдвином Кребсом. Фосфорилаза а инактивируется специфической фосфатазой, гидролизующей фосфорильную группу, присоединенную к Ser-14.

Мышечная фосфорилаза b активна только в присутствии высоких концентраций AMP, действующих аллостерически. AMP связывается с центром связывания нуклеотида и изменяет конформацию фосфорилазы b. ATP действует как отрицательный аллостерический эффектор, конкурируя с AMP. Глюкозо-6-фосфат также ингибирует фосфорилазу b преимущественно путем связывания с другим активным центром. При большинстве физиологических состояний фосфорилаза b неактивна вследствие ингибирующего действия АТР и глюкозо-6-фосфата. В противоположность этому фосфорилаза а полностью активна независимо от содержания AMP, ATP и глюкозо-6-фосфата. Доля активного фермента определяется, прежде всего, скоростями фосфорилирования и дефосфорилирования. В неработающей мышце почти весь фермент находится в неактивной b-форме. Повышенное содержание адреналина и электростимуляция мышцы приводят к образованию активной a-формы.

Рентгенокристаллографические исследования а- и b-форм гликоген-фосфорилазы значительно упростили изучение каталитических и регуляторных механизмов этого ключевого фермента метаболизма. Так, 841 аминокислотных остатков мономерной субъединицы компактно упакованы в три структурных домена (рис. 17.4): аминоконцевой домен (310 остатков), гликоген-связывающии домен (160 остатков) и карбоксиконцевой домен (371 остаток).

Каталитический центр локализован в глубокой щели, образованной остатками аминокислот каждого из этих трех доменов. Такая защита активного центра от водной среды должна, очевидно, благоприятствовать преобладанию фосфоролиза над гидролизом. Пиридоксальфосфат (витамин В₆), который необходим для действия фермента, связывается вблизи участка присоединения глюкозо-1-фосфата. Альдегидная группа этого кофактора образует шиффово основание с лизиновой боковой цепью С-концевого домена. Сохранение ферментативной активности после восстановления шиффова основания боргидридом говорит о том, что в данном случае альдегидная группа в отличие от случаев с другими других пиридоксалевыми ферментами не участвует в катализе. В то же время фосфорильная группа пиридоксальфосфата, по-видимому, принимает прямое участие в катализе.

В молекуле фосфорилазы имеется также участок связывания гликогена, отстоящий от каталитического центра на 30 А. Этот участок имеет важное значение для присоединения фермента к частице гликогена. Благодаря такому большому расстоянию между местом связывания гликогена и каталитическим центром фермент может осуществлять фосфоролиз многих концевых остатков, не претерпевая диссоциации и реассоциации после каждого каталитического цикла.

Рис. 17.4. α-углеродный остов фосфорилазы а

Помимо этого фосфорилаза содержит по меньшей мере два аллостерических участка контроля. Глюкоза и нуклеозиды, являющиеся аллостерическими ингибиторами печеночной фосфорилазы а, связываются вблизи каталитического центра. AMP, аллостерический активатор фосфорилазы b, связывается рядом с границей между субъединицами, далеко от каталитического центра и участка связывания гликогена.

Серин-14, место фосфорилирования при превращении фосфорилазы b в фосфорилазу а, также локализован вблизи границы между субъединицами. Эта фосфорильная группа в фосфорилазе а соединена водородной связью с боковой цепью аргинина-69. В то же время область, охватывающая 19 N-концевых остатков в фосфорилазе b, не имеет строго определенной структуры. Эта область b-формы по гибкости напоминает очень подвижный активационный домен в трипсиногене, который принимает строго упорядоченную конформацию при превращении в трипсин.

Активность киназы гликоген-фосфорилазы также регулируется путем ковалентной модификации. Она подобно фосфорилазе, в результате фосфорилирования превращается из формы с низкой активностью в высокоактивную форму. Фермент, катализирующий эту активацию, является компонентом системы гормон-циклический AMP.

Киназа фосфорилазы может быть частично активирована и другим путем (под действием Са²⁺ в концентрациях порядка 10^-7 М). Этот механизм активации имеет для биологических процессов важное значение, поскольку мышечное сокращение запускается высвобождением Са²⁺. Таким образом, расщепление гликогена и мышечное сокращение связаны преходящим увеличением содержания Са²⁺ в цитоплазме.

Рассмотрим связь между гормонами, влияющими на обмен гликогена, и реакциями фосфорилирования, определяющими активности гликоген-синтазы и гликогенфосфорилазы. При этом последовательность реакций следующая:

1) адреналин связывается с плазматической мембраной мышечной клетки и стимулирует аденилатциклазу;

2) аденилатциклаза катализирует образование циклического AMP из АТР;

3) повышенное внутриклеточное содержание циклического AMP активирует протеинкиназу. В отсутствие циклического AMP эта киназа неактивна, связывание циклического AMP приводит к ее аллостерической стимуляции;

4) зависимая от циклического AMP протеинкиназа фосфорилирует киназу фосфорилазы и гликогенсинтазу. Фосфорилирование обоих ферментов лежит в основе координированной регуляции синтеза и расщепления гликогена. Оно приводит к «включению» фосфорилазы (при посредстве киназы фосфорилазы) и к одновременному «выключению» гликогенсинтазы (прямым путем).

Изменения ферментативной активности, вызываемые фосфорилированием, могут быть обращены путем гидролитического удаления фосфорильной группы. Например, превращение фосфорилазы а в фосфорилазу b катализируется фосфатазой фосфорилазы:

Данный фермент гидролизует также фосфорильную группу активной формы киназы фосфорилазы, вызывая ее инактивацию. Кроме того, эта же фосфатаза удаляет фосфорильиую группу из гликоген-синтазы в, превращая ее в значительно более активную а-форму. Таково еще одно молекулярное устройство, обеспечивающее координированный синтез и расщепление гликогена. Активность фосфатаз также, по-видимому, регулируется. Например, сочетание Са²⁺ и Mg-ATP ингибирует фосфатазу фосфорилазы, но активирует киназу фосфорилазы. Фосфатаза гликоген-синтазы в мышцах и игибируется гликогеном. Поэтому при высоком содержании гликогена мышечная гликоген-синтаза будет оставаться в фосфорилированной в-форме.

Сигнал, возникающий при образовании циклического AMP, также может быть «выключен». Фосфодиэфирная связь в циклическом AMP гидролизуется специфической фосфодиэстеразой с образованием AMP, который не активирует протеинкиназу. Значение AG⁰ этой высокоэнергетической реакции составляет ‒ 11,9 ккал/моль.

Каскад ферментативных реакций в регуляции обмена гликогена аналогичен каскаду протеолитических реакций при свертывании крови. В обоих случаях ферментативный каскад создает высокую степень амплификации. В случае распада гликогена имеются три ферментативные стадии контроля, тогда как при синтезе гликогена таких стадий две. Если бы имела место прямая регуляция гликоген-фосфорилазы и гликоген-синтазы путем связывания адреналина, количество гормона, необходимое для усиления распада гликогена, было бы более чем в тысячу раз выше того количества, которое требуется в присутствии амплифицирующего каскада.

Спиртовое и молочнокислое брожение

Спиртовое и молочнокислое брожение – основные источники обеспечения энергией некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

Механизм процесса спиртового брожения чрезвычайно близок к гликолизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата. При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента NADH восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями: пируватдекарбоксилазной и алкогольдегидрогеназной.

В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвергается декарбоксилированию, в результате чего образуется ацетальдегид. Данная необратимая реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, который требует наличия ионов Mg²⁺ и кофермента (TРP):

Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от NADH, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО₂, 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 NADH.

Известны две группы молочнокислых бактерий. Бактерии одной группы в процессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а бактерии другой из каждой молекулы глюкозы «производят» по одной молекуле молочной кислоты, этанола и СО₂.

Существуют и другие виды брожения, конечными продуктами которых могут являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения.

содержание      ..     15      16      17      18     ..