В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свободной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разделить на 3 этапа:
1. Расщепление глюкозы до пирувата.
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.
3. Окисление ацетила в цикле Кребса ( ЦТК ), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.
Эти этапы можно представить также в виде общей схемы:
По современным представлениям первый этап окисления глюкозы протекает в цитозоле и катализируется надмолекулярным белковым комплексом - гликолитическим метаболоном, включающим в себя до десятка отдельных ферментов.
Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь разделен на 2 стадии. В реакциях первой стадии происходит фосфорилирование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, наконец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз:
СН2ОН СН2ОРО3Н2
1. | |
С--- О С--- О
Н /Н \ОН Н /Н \ОН
С С + АТФ ------> С С + АДФ
НО\ОН Н/Н НО\ОН Н/Н
С--- С С--- С
Н ОН Н ОН
Глюкоза Глюкозо-6-фосфат
Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой. В качестве фосорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровождается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в условиях клетки является необратимой.
СН2ОРО3Н2
2. |
С--- О РО3Н2-О-СН2 О
Н /Н \ОН | / \ Н
С С -----------> С С
НО\ОН Н/Н Н\Н НО/|
С--- С С---С СН2ОН
Н ОН ОН Н
Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат
Вторая реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима.
РО3Н2-О-СН2 О РО3Н2-О-СН2 О
| / \ Н | / \ Н
3. С С + АТФ ------> С С + АДФ
Н\Н НО/| Н\Н НО/|
С---С СН2ОН С---С СН2О-РО3Н2
ОН Н ОН Н
Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-бисфосфат
Третья реакция катазируется ферментов фосфофруктокиназой. В этой реакции также теряется 3,4 ккал/моль энергии и она, как и гексокиназная реакция, в условиях клетки необратима.
РО3Н2-О-СН2 О СН2ОН НС=О
| / \ Н | |
С С --------> С=О + НСОН
4. Н\Н НО/| | |
С---С СН2О-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2
ОН Н Фосфодигидр- 3-Фосфогли-
Фруктозо-1,6-бисфосфат оксиацетон цериновый
альдегид
Эта реакция катализируется ферментом альдолазой, реакция обратима. В результате реакции фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на два триозофосфата.
СН2ОН НС=О
| ---------> |
5. С=О <--------- НСОН
| |
Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2
Фосфодигидр- 3-Фосфогли-
оксиацетон цериновый
альдегид Фосфодигидроксиацетон ( ФДА ) в условиях клетки легко изомери-
зуется в 3-фосфоглицериновый альдегид ( ФГА ) при участии фермента триозофосфатизомеразы в ходе пятой реакции. Поэтому мы можем считать, что на первой стадии этого этапа затрачивается 2 АТФ, а из молекулы глюкозы образуется две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида.
На второй стадии первого этапа окисления глюкозы ФГА превращается в пируват. Поскольку при распаде молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ФГА, при дальнейшем описании процесса мы дожны учесть это обстоятельство.
Следующая реакция рассматриваемого процесса является окислительной реакцией:
НС=О О=С~О-РО3Н2
6. | |
2 НСОН + 2НАД+ + 2Н3РО4 ----> 2 НСОН + 2НАДН+Н+
| |
Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2
ФГА 1,3-дифосфоглице-
риновая кислота
В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3-фосфоглице - ринового альдегида, происходит окисление ФГА в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Окисление идет путем дегидрирования, а отщепленные от субстрата атомы водорода переносятся на НАД+ с образованием восстановленной формы кофермента. Энергия окисления накапли-
вается в клетке , во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н+,а, во-вторых, в виде макроэргической связи продукта окисления с участвующей в реакции фосфорной кислотой, т.е. в макроэргической связи 1,3-дифосфоглицериновой кислоты.
В седьмой реакции остаток фосфорной кислоты из 1,3-дифосфоглицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической связи, переносится на АДФ с образованием АТФ:
О=С~О-РО3Н2 СООН
||
7. 2 НСОН + 2 АДФ ------> 2 НСОН + 2 АТФ
||
Н2СО-РО3Н2 Н2СО-РО3Н2
1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая
кислота кислота
Эта обратимая реакция катализируется ферментом фосфоглицераткина- зой.
Далее идет обратимая изомеризация 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицериновую кислоту при участии фермента фосфоглицератмутазы:
СООН СООН
||
8. 2 НСОН ------> 2 НСО-РО3Н2
||
Н2СО-РО3Н2 Н2СОН
В следующей , девятой по счету, реакции идет отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты:
СООН СООН
||
9. 2 НСО-РО3Н2 ------> 2 С~О-РО3Н2 + 2 Н2О
| |
Н2СОН СН2
3-фосфоглицериновая Фосфоенолпировино-
кислота градная кислота ( ФЭП )
В ходе отщепления воды идет перераспределение электронной плотности в молекуле с образованием макроэргической связи между вторым
атомом углерода енольной формы пировиноградной кислоты и остатком фосфорной кислоты. Реакция обратима, она катализируется ферментом
енолазой.
Накопленная в макроэргической связи ФЭП энергия вместе с остатком фосфорной кислоты в ходе следующей реакции переносится на АДФ с образованием АТФ. Реакция катализируется пируваткиназой.
СООН СООН
!О. ||
2 С~ О-РО3Н2+ 2 АДФ ------> 2 С=О + 2 АТФ
||
CH2 СН3
Реакция сопровождается потерей 7,5 ккал/моль энергии и в условиях клетки практически необратима.
Суммарное уравнение первого этапа аэробного окисления глюкозы:
В ходе этого этапа высвобождается 140 ккал/моль энергии, ос- новная ее часть ( около 120 ккал/моль ) накапливается в клетке в виде энергии 2 АТФ и энергии 2 восстановленных НАД+
из которого следует, что на первом этапе молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом клетка на каждую молекулу расщепленной глюкозы получает 2 молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАДH+H+.
Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, принимающих участие в работе этого метаболического пути.
С помощью термодинамических механизмов осуществляется контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G0=
- 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G0= -3,4 ккал/моль ) и пируваткиназная ( G0= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.
Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля метаболического пути одновременно являются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов.
Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими концентрациями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.
Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.
Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы - пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф
и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.
В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.
Каков смысл ингибирования цитратом фосфофруктокиназы и цитратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который за-
тем окисляется в цикле Кребса. Если в клетке накапливаются цитрат
и сукцинил-КоА, значит цикл Кребса не справляется с окислением
уже наработанного ацетил-КоА и есть смысл притормозить его допол-
нительное образование, что и достигается ингибированием фосфоф-
руктокиназы и пируваткиназы.
Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.
комплексом, локализованным в матриксе митохондрий. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входят три различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе комплекса зависят от источника выделения, как правило это соотношение приближается к 30:1:10.
Первый фермент этого комплекса - пируватдекарбоксилаза ( Е1) катализирует реакцию: Н
СН3-СО-СООН + ТДФ-Е1 ----> СО2 + СН3- С-ТДФ-Е1
ОН
с образованием углекислого газа и активированного ацетальдегида,
связанного с тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.
Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) катализирует два последовательных превращения:
а) на первом этапе идет перенос активированного остатка ацетальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту, причем этот перенос сопровождается одновременным окислением альдегидной группы до карбоксильной группы:
Н S\ HS\
СН3-С -ТДФ-Е1 + | ЛК-Е2 ----> ЛK-Е2 + ТДФ-Е1
ОН S/ CH3- C- S/
O
б) на втором этапе остаток ацетила переносится с липоевой
кислоты, жестко связанной с ферментом, на свободный HS-КоА:
HS\ HS\
ЛК-Е2 + HS-KoA ----> ЛК-Е2 + СН3- С-S-КоА
СН3-C- S/ HS/ О
О
Образуются ацетил-КоА и фермент Е2 с восстановленной формой кофермента.
Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты катализирует превращение восстановленной формы липоевой кислоты предыдущего фермента в окисленную форму:
HS\ S\
ЛК-Е2 + НАД+-------> | ЛК-Е2 + НАДН+Н+
HS/ Е3 S/
В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и фактически атомы водорода с восстановленной формы липоевой кислоты вначале переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД+ с образованием его восстановленной формы.
Следует напомнить, что при окислении глюкозы образуется 2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании суммарного уравнения окислительного декарбоксилирования пирувата:
2Пируват
2НАД
2HS
КоА
>2Ацетил
КоА
2НАДН
2СО2
В ходе окисления 2 моль пирувата высвобождается около 120 ккал энергии, из них около 100 ккал накапливается ввиде энер- гии восстановленного НАД. Остальная энергия рассеивается в виде теплоты.
Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе функционирования пируватдегидрогеназного комплекса необратимо, посколько сопровождается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окисленного пирувата. Таким образом, мы имеем дело еще с одним пунктом термодинамического контроля в общей метаболической системе
аэробного окисления глюкозы.
Контроль интенсивности потока метаболитов по пируватдегидрогеназному комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной модификации и аллостерической модуляции. Ковале-
нтная модификация реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования комплекса:
Н3РО <-- Н2О
-------------------
---------------------------------------
| Фосфатаза |
Активный <-- Неактивный
комплекс --> комплекс
|Киназа |
----------------------------------------
----------------
| |
АТФ --> АДФ
Фосфорилирование усиливается при высоких соотношениях
АТФ/АДФ, НАДН/НАД+ и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря, активность комплекса снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( мно-
го АТФ и НАДН) или же цикл Кребса не справляется с окислением
имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется по аллостерическому механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию - уже известный нам механизм стимуляции предшественником.
Образовавшийся ацетил-КоА, как уже неоднократно упоминалось. поступает в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с функционированием цепи дыхательных ферментов. При функционировании этих двух метаболических путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.
В качестве напоминания можно привести суммарную реакцию окисления ацетила ( из ацетил-КоА ) в цикле Кребса:
Ацетил-КоА + НАД+ + ФАД + ГДФ + Ф + 2Н2О ----->
------> 2 СО2 + КоА + ГТФ + 3 НАДН+Н+ + ФАДН2
Далее уже можно написать суммарное уравнение для всех трех этапов окисления молекулы глюкозы:
Из уравнения следует, что аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 6 молекул углекислого газа, 4 макроэргов ( 2АТФ и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных коферментов ( 10 НАДН и 2 ФАДН2)
Полный расчет энергетической эффективности аэробного окисления глюкозы можно произвести, руководствуясь следующей далее схемой:
а) на первом этапе при фосфорилировании гексоз расходуется 2 АТФ ;
б) за счет субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)
в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, куда будут поступать атомы водорода с восстановленных коферментов, клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и еще 4 молекулы АТФ за счет окисления 2 молекул ФАДН2 ).
Таким образом, при окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды клетка получит 38 молекул АТФ ( 40 синтезируется и 2 расходуется ).
Оценка энергетической эффективности процесса в плане аккумуляции энергии окисления может быть проведена исходя из того,
что свободная энергии гидролиза моля макроэргических связей АТФ в
стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисление 1 моля глюкозы сопровождается аккумуляцией в АТФ и ГТФ 278 ккал энергии, что составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).
Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы является пластическая функция. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных соединений, необходимых клетке:
а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты,
б) Фр-6-ф - для синтеза аминосахаров,
в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов,
г) 3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина,
д) ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов,
е) пируват - для синтеза аланина
ж) ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с помощью метода меченых атомов.
2.1.3. Аэробное окисление других углеводов
В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых количествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит образование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.