Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Катаболические пути
Катаболизм углеводов

Основными источниками углерода и энергии, а значит, и пищевыми суб­стратами для большинства организмов (исключая растения) служат углеводы. Среди них на планете в наибольшей мере распространены целлюлоза, ее про­изводные и крахмал. Кроме этих полисахаридов, большое значение имеют гликоген, инулин, хитин, ксиланы, пектиновые вещества и др. Большинство перечисленных полисахаридов расщепляется при участии специфических ферментов на моносахариды, среди которых преобладают гексозы и пентозы. Зачастую расщепление поли- и олигосахаридов осуществляется при участии ферментов фосфорилаз, и тогда образованные продукты оказываются фосфорилированными.

Особенностью сахаров является наличие при каждом атоме углерода ато­ма кислорода, что делает возможным химическую атаку этих субстратов практически в любой точке молекулы. Кроме того, моносахариды и в первую очередь их фосфорилированные формы способны к изомеризации: карбо­нильные группы, атомы водорода могут легко перемещаться в соседнее по­ложение или изменять свое пространственное положение в молекуле с помо­щью изомераз. Таким образом, появляется возможность перехода от любой гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. По этой причине, не­смотря на многообразие и сложность процессов обмена углеводов, можно выделить несколько типичных путей их превращения, в частности катабо­лизма, имеющих выраженные отличительные особенности. Такими путями служат: гликолиз, пентозофосфатные пути и путь Энтнера—Дудорова.

К закономерностям катаболизма моносахаридов относится обязательная начальная стадия активации свободных моноз, которая осуществляется в ходе фосфорилирования. В результате образуются фосфорные эфиры моносахари­дов, способные вступать в дальнейшие превращения.

Гликолиз. Этот способ катаболизма сахаров называют иначе фруктозо-1,6-дифосфатным путем (по названию ключевого соединения) или путем Эмбдена—Мейергофа—Парнаса (по именам его исследователей).

Гликолиз считается наиболее универсальным и самым выгодным с энер­гетической точки зрения путем катаболизма гексоз. Процесс открыт в 1897 г. братьями Бухнерами, и его название происходит от двух греческих корней: glicos — сахар и lysis — растворять. В ходе гликолиза происходит не тре­бующее участия молекулярного кислорода многоэтапное превращение гексоз в пируват, что сопровождается образованием АТР и восстановительных экви­валентов.

Реакции гликолитического пути осуществляются в цитозоле. Все проме­жуточные соединения имеют фосфорилированную форму. Для запасания энергии используется механизм субстратного фосфорилирования.

Превращение глюкозы в пируват (рис. 9.3) требует участия десяти фер­ментов и осуществляется в ходе следующих стадий: подготовка к разрыву гексозной цепи, разрыв цепи и образование глицеральдегид-3-фосфата, пер­вое и второе субстратное фосфорилирование.

Процесс начинается с фосфорилирования глюкозы (активация молекулы) с участием АТР (донор фосфатной группы) и фермента гексокиназы. Обра­зующийся глюкозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется глюкозофосфатизомеразой во фруктозо-6-фосфат, который претерпевает второе фос­форилирование за счет АТР с образованием фруктозо-1,6-дифосфата.

Фруктозо-1,6-дифосфат является ключевым промежуточным продуктом гликолитического пути: именно данное соединение отличает гликолиз от дру­гих путей катаболизма сахаров. Кроме того, на уровне этого вещества осуще­ствляется регуляция скорости всего процесса гликолиза. Активность катали­зирующего данную реакцию фермента (фосфофруктокиназы) ингибируется высокими концентрациями АТР, при этом снижается сродство фосфофруктокиназы к субстрату — фруктозо-6-фосфату. Кроме того, фосфофруктокиназа ингибируется цитратом — ранним промежуточным продуктом цикла трикарбоновых кислот. Известна и активация фосфофруктокиназы: ее осуществляют ADP и неорганический фосфат. Таким образом, фосфофруктокиназа наиболее активна в условиях, когда в клетке мало АТР (много ADP) и недостает строи­тельных блоков.

На следующем этапе гликолиза фруктозодифосфат расщепляется с уча­стием фруктозодифосфатальдолазы на два триозофосфата: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидтрифосфат. Эти продукты представляют собой изомеры и легко переходят один в другой под действием триозофосфатизомеразы. Однако направление этой реакции сдвинуто в сторону образования глицеральдегид-3-фосфата, поскольку он все время вы­водится из реакционной смеси, претерпевая дальнейшие превращения. Глицеральдегид-3-фосфат служит субстратом первого субстратного фосфорилирования.

Рис. 9.3. Гликолитический путь катаболизма гексоз. Зигзагообразными ли­ниями обозначены макроэргические химические связи

В ходе оставшихся этапов гликолиза, в отличие от предыдущих, энергия выделяется и запасается в форме АТР. Одной из подобных реакций является окисление глицеральдегид-3-фосфата. Фермент, катализирующий данную реакцию (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа), использует в качестве кофермента NAD и характеризуется содержанием большого количества сульфгидрильных групп (SH-групп). Окисление начинается со связывания глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой фермента — формируется субстрат­ферментный комплекс. Далее фермент катализирует перенос водорода с суб­страта на NAD⁺, и восстановленный кофермент отделяется. Реакция дегид­рирования и служит окислительной реакцией, поставляющей энергию: возни­кает комплекс фермента с ацильным остатком (тиоэфир), богатый энергией. Затем осуществляется фосфоролиз — перенос остатка глицеральдегид-3-фосфата совместно с макроэргической связью на фосфорную кислоту, что приводит к образованию 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и исходной формы фермента. 1,3-Дифосфоглицерат представляет собой смешанный ан­гидрид фосфорной и карбоновой кислот и имеет высокий потенциал переноса фосфатной группы. Богатая энергией фосфатная группа переносится с 1,3-дифосфоглицерата на ADP с участием фосфоглицераткиназы и образованием продуктов: 3-фосфоглицерата и АТР. Так осуществляется первое субстратное фосфорилирование в гликолизе.

Заключительный этап гликолиза — второе субстратное фосфорилирова­ние — начинается со внутримолекулярной перестройки, в ходе которой 3-фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат (фермент фосфоглицератмутаза). 2-Фосфоглицерат дегидратируется в фосфоенолпируват при участии енолазы. В результате этой реакции образуется соединение, характеризую­щееся высоким потенциалом переноса фосфатной группы, таким образом, отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицерата сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, и фосфатная связь у 2 атома углерода превращается из низко- в высокоэнергетическую. Последняя реакция глико­лиза катализируется пируваткиназой, и в ходе нее фосфатная группа перено­сится на молекулу ADP и образуется конечный продукт пути — пируват.

Гликолитическое расщепление одной молекулы глюкозы приводит к об­разованию 4 молекул АТР (по две на каждую молекулу глицеральдегид-3-фосфата), из которых 2 расходуются на образование фруктозодифосфата. Та­ким образом, запасается всего 2 молекулы АТР. Кроме того, на одну молеку­лу глюкозы в этом процессе запасается 2 молекулы NADH (при окислении 2 молекул глицеральдегид-3-фосфата). Баланс гликолиза выглядит следующим образом:

1 С₆Н₁₂О₆ → 2 С₃Н₄О₃ + 2 АТР + 2NADH

Гликолитический процесс служит клетке для запасания энергии и восста­новительных эквивалентов, а также является поставщиком «строительных блоков» в виде трехуглеродного, частично окисленного соединения — пировиноградной кислоты и некоторых промежуточных продуктов, в частно­сти глицеральдегид-3-фосфата.

Пентозофосфатные пути. Эти пути катаболизма сахаров довольно разнообразны. В зависимости от условий и видовой принадлежности орга­низма результатом данных процессов могут быть различные вещества. Осу­ществление реакций пентозофосфатных путей в обратном направлении ис­пользуется клетками при фиксации СО₂. Основной отличительной особенно­стью путей является образование в качестве промежуточных соединений пя­тиуглеродных сахаров, а также последовательное отщепление от 6-углеродного фосфорилированного сахара по одному атому углерода, который высвобождается в среду в виде СО₂.

Пентозофосфатные пути (иначе, схема Варбурга—Диккенса—Хореккера, гексозомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь) реализуются орга­низмами реже, чем гликолиз, и обнаруживаются чаще всего в клетках бакте­рий.

После традиционной реакции активации глюкозы в ходе фосфорилирова­ния образованный глюкозо-6-фосфат подвергается дегидрированию. Данную реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, а восстановительные эквиваленты акцептирует ее кофермент — NADP⁺. Образуется 6-фосфоглюконолактон (рис. 9.4). Данное соединение подвергается гидролизу (раскрытие кольца) с участием глюконолактоназы, а образованная 6-фосфоглюконовая кислота претерпевает второе дегидрирование (фосфоглюконатдегидрогеназа), после которого сразу же следует декарбоксилирование и образуется рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат изомеризуется в два пятиуглеродных сахара — ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат (рис. 9.4).

Следующий этап пентозофосфатных путей представляет собой много­кратные межмолекулярные перестройки и изомеризацию промежуточных соединений, формирующихся из рибулозо-5-фосфата. Эти реакции направле­ны на образование 6-углеродного соединения (глюкозо-6-фосфата), которое может снова подвергнуться окислению и декарбоксилированию. В результате из 6 молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 молекул глюкозо-6-фосфата (рис. 9.5).

Система структурной перестройки сахаров включает два фермента — транскетолазу и трансальдолазу, которые катализируют перенос двухугле­родных и трехуглеродных фрагментов, разрывая С—С-связи в двух положе­ниях: по соседству с карбонильной (a) и у соседнего с карбонильной группой углеродного атома (ß) (на рис. 9.5 места, в которых связи подвергаются рас­щеплению, обозначены пунктирной линией).

При полном окислении глюкозы в пентозофосфатных путях молекула глицеральдегид-3-фосфата, образующаяся на конечном этапе, подвергается изомериза­ции с участием триозофосфатизомеразы в дигидроксиацетонфосфат, который затем вступает в реакцию альдольной конденсации со второй молекулой глицеральдегид-3-фосфата, и образуется фруктозодифосфат. Данная реакция является обратимой процессу расщепления фруктозодифосфата, которое имеет место в гликолизе (рис. 9.3), а фермент фруктозодифосфатальдолаза катализирует и пря­мое, и обратное превращения. Молекула фруктозо-1,6-дифосфата дефосфорилируется с образованием фруктозо-6-фосфата (фермент фосфатаза), а он, в свою очередь, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат и возвращается к начальному этапу дегидрирования.

Рис. 9.4. Образование и изомеризация рибулозо-5-фосфата в ходе пентозофосфатных путей. Поскольку из одной молекулы гексозы может образо­ваться 6 молекул СО₂, для удобства подсчета баланса процесс приведен на 6 молекул глюкозо-6-фосфата

Таким образом, на одну молекулу глюкозы при полном окислении в пентозофосфатных путях затрачивается 1 молекула АТР и образуется 6 молекул СО₂ и 12 молекул NADPH. Таким образом, основной задачей пентозофосфатных путей является обеспечение клетки NADPH, который используется в процессах биосинтеза.

В ходе пентозофосфатных путей может и не происходить полного окисле­ния глюкозы. В этом случае глицеральдегид-3-фосфат претерпевает иные превращения, например подвергается реакциям субстратного фосфорилиро­вания под действием ферментов гликолитического пути.

Большое значение пентозофосфатные пути имеют для биосинтетических процессов: здесь образуются промежуточные соединения, играющие роль предшественников многих веществ. В частности, эритрозо-4-фосфат исполь­зуется бактериями и растениями для синтеза ароматических аминокислот. Рибозо-5-фосфат служит субстратом для синтеза азотистых основа­ний и некоторых аминокислот.

Рис. 9.5. Превращения изомеров рибулозо-5-фосфата в ходе пентозофосфатных путей при полном окислении глюкозы (в расчете на 6 молекул глюкозо-6-фосфата). Объяснения в тексте

Путь Энтнера—Дудорова (2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный). Этот процесс является еще одним способом катаболизма гексоз и представлен в основном в клетках микроорганизмов. Особое значение данный путь имеет для расщепления глюконата. Начальные стадии превращения глюкозо-6-фосфата совпадают с таковыми для пентозофосфатных путей, вплоть до об­разования 6-фосфоглюконовой кислоты. Далее, однако, 6-фофоглюконат под­вергается а не окислению, а реакции дегидратации, с участием фермента 6-фосфоглюконат-дегидратазы. Образуется ключевое соединение данного пу­ти — 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюко-нат. Стадия дегидратации осуществля­ется через образование промежуточного соединения (енола), который в ре­зультате таутомерного превращения переходит в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (рис. 9.6).

Далее альдолаза катализирует расщепление ключевого соединения на пируват и глицеральдегид-3-фосфат. Последний может вступать в гликолитиче­ский путь и подвергаться дальнейшим превращениям.

Рис. 9.6. Путь Энтнера—Дудорова и сопряженные с ним процессы

Как следует из баланса пути Энтнера—Дудорова, этот процесс менее вы­годен с энергетической точки зрения, чем гликолиз: на молекулу глюкозы здесь запасается только 1 молекула АТР (из двух синтезированных одна тра­тится на фосфорилирование глюкозы).

Обзор основных катаболических путей позволяет увидеть, что расщепле­ние «топливных» молекул при их неполном окислении сопровождается обра­зованием двух основных метаболитов — пировиноградной кислоты и ацетил-СоА. Данные вещества могут использоваться как в биосинтетических путях в качестве «строительных блоков», так и подвергаться дальнейшим превраще­ниям, обеспечивающим запасание клетками энергии. Поскольку в данном разделе обсуждаются процессы, приводящие к запасанию энергии, следует отметить, что судьба пирувата и ацетил-СоА зависит в первую очередь от наличия молекулярного кислорода в клетке, а также от ее ферментативного оснащения. Так, в клетках анаэробных микроорганизмов и тканей высших организмов пируват и ацетил-СоА могут подвергаться различного рода бро­жениям, завершающим процессы катаболического расщепления субстратов. В аэробных и факультативно-анаэробных клетках при наличии молекулярного кислорода пируват может подвергаться процессу окислительного декарбоксилирования, и образующийся ацетил-СоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, где осуществляется его полное окисление до СО₂ и Н₂О, а формирующиеся восстановительные эквиваленты поступают в дыхательную цепь. Перечисленные процессы будут рассмотрены в следующих главах.