Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

Организация метаболизма: катаболические пути
Брожение: «жизнь без кислорода»
Брожение, основанное на фосфоглюконатном и пентозофосфатном путях

Некоторые молочнокислые бактерии рода Lactobacillus, а также бактерии Leuconostoc mesenteroides осуществляют гетероферментативное молочнокислое брожение, в основе которого лежат реакции пентозофосфатного пути. Объясняется это, несомненно, отсутствием у этих организмов ключевого фермента альдолазы, необходимого для расщепления фруктозо-6-фосфата на две молекулы триозофосфата.

Путь превращений, показанный в уравнении (9-39), включает реакции, уже знакомые читателю. Глюкоза превращается в рибулозо-5-фосфат в ходе реакций пентозофосфатного пути. Рибулозо-5-фосфат расщепляется фосфокетолазой (рис. 8-4) на ацетилфосфат и фосфоглицериновый альдегид, которые далее превращаются соответственно в этанол и лактат. В итоге на одну сбраживаемую молекулу глюкозы синтезируется всего одна молекула АТР¹⁾.

Небольшое видоизменение уравнения (9-39) показывает путь сбраживания пентоз в ацетат и лактат с синтезом одной молекулы АТР на каждую молекулу ацетилфосфата. Еще одна молекула АТР образуется при окислении глицеральдегид-3-фосфата. Поскольку одна молекула АТР затрачивается для «затравки» пентозы, итоговый выход составляет две молекулы АТР.

Другой тип брожения [уравнение (9-40)] [40] встречается у бактерий рода Bifidobacterium. Процесс требует участия фосфокетолазы и фосфогексокетолазы (расщепляющей фруктозо-6-фосфат на эритрозо-4-фосфат и ацетилфосфат), а также ферментов системы структурной перестройки сахаров (разд. Д, 3). Выход АТР 2¹/₂ моль на 1 моль глюкозы.

Другой путь брожения основан на окислении 6-фосфоглюконата по пути Энтнера — Дудорова [уравнение (9-18)]. Основываясь на реакциях этого пути, читатель легко сможет построить схему сбалансированного брожения, в результате которого глюкоза так же, как и в дрожжевом брожении, превращается в этанол и СО₂. Каков будет ожидаемый выход АТР?

¹⁾ Фосфокетолазное расщепление может рассматриваться как процесс окислительного фосфорилирования Альдегидная группа «активного гликольальдегида», отщепленного от рибулозо-5-фосфата, окисляется в ацилфосфат за счет восстановления —СН₂ОН в —СН₃

Вопросы и задачи

1. Сколько молекул АТР может быть образовано на молекулу пальмитиновой кислоты при ее окислении в клетке до СО₂ и воды? Расчет ведите, предполагая, что при окислении NADH компонентами митохондриальной цепи переноса электронов образуются 3 молекулы АТР, а при окислении FADH₂— 2 молекулы АТР.

2. Если принять, что 1 моль АТР обеспечивает синтез 10,5 г сухого вещества клетки (гл. 3, разд. Г,1), то какое количество клеток (в граммах) может быть образовано на 1 г пальмитиновой кислоты, окисляемой в ходе метаболизма при условии, что весь образовавшийся при этом АТР расходуется на рост клеток?

3. Сколько молей АТР может быть образовано при полном окислении 1 моль уксусной кислоты? При полном окислении 1 моль глюкозы?

4. Сопоставьте значения ∆G⁰ и число образовавшихся молей АТР при полном окислении следующих соединений:

а) ацетата (pH 7);

б) двухуглеродного фрагмента жирной кислоты;

в) лактата (pH 7);

г) трехуглеродного фрагмента глюкозы (1/2 молекулы).

5. Аминокислоты с разветвленной боковой цепью, валин, лейцин и изо лейцин, часто распадаются в организме следующим образом. Пере аминирование приводит к образованию а-кетокислоты, которая под вергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацил-СоА-производного. Последнее затем подвергается ß-окислению. Какие продукты в этом случае образуются из изолейцина Каким образом они затем превращаются в СО₂? Какие затруднения могут встретиться при катаболизме валина и лейцина? Попытайтесь предложить рациональную схему соответствующих катаболических путей. Сравните свои предложения с реально установлениыми путями, приведенными на рис. 14-11.

6. Для цикла трикарбоновых кислот в качестве «затравки» требуется регенерирующийся субстрат оксалоацетат. Назовите четыре мета болических источника этого соединения (необязательно, чтобы все они имелись у животных); отметим, что два из них являются аминокислотами.

7. Метаболизм глюкозы начинается с действия гексокиназы:

При физиологических условиях эта реакция практически необратима. Почему?

8. Многие соединения, встречающиеся в клетке, синтезируются из веществ, участвующих в реакциях гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, или из близко родственных им соединений. Используя в качестве исходного субстрата пируват, укажите реакции, ведущие к образованию следующих соединений:

а) аспарагиновой кислоты,

б) молочной кислоты,

в) этанола,

г) ацетоуксусной кислоты,

д) ацетона,

е) аланина,

ж) уксусной кислоты,

з) глутаминовой кислоты,

и) б-аминолевулиновой кислоты,

к) пропионовой кислоты.

9. Радиоактивную глюкозу, меченную углеродом ¹⁴С в положениях 3 и 4, инкубировали в анаэробных условиях с бесклеточным гомогенатом печени. В каких положениях будет содержать ¹⁴С образовавшийся в результате лактат?

10. Рассмотрите превращения в цикле трикарбоновых кислот следующих соединений, меченных углеродом ¹⁴С: 1-¹⁴С-пирувата, 2-¹⁴С-пирувата, 2-¹⁴С-ацетата, 1-¹⁴С-сукцината. Укажите положение метки в оксалоацетате после завершения одного цикла. Из каких субстратов после одного цикла будет образовываться ¹⁴СО₂?

11. Предположим, что в дрожжевой клетке между NAD⁺, NADH, глицеральдегид-3-фосфатом, 1,3-дифосфоглицератом, этанолом и ацетальдегидом установилось равновесие.

а. Каково изменение стандартной свободной энергии для сопряженной пары окислительно-восстановительных реакций, в которых участвуют эти соединения, т. е. для суммарной реакции:

б. Какой будет равновесная концентрация ацетальдегида при концентрации этанола 1 М и концентрациях глицеральдегид-3-фосфата и 3-фосфоглицерата 10 мМ?

в. Чему будет равно ∆G⁰ процесса, в котором приведенная выше реакция сопряжена с синтезом 1 моль АТР?

г. Какой будет в равновесии концентрация ацетальдегида при концентрациях остальных соединений, указанных в п. «б» и при сопряжении процесса с синтезом 1 молекулы АТР в условиях, когда показатель состояния фосфорилирования (дополнение 3-А) R_р = 10⁴?

12. Нематоды Ascaris lumbricoides (а также многие другие беспозвоночные) могут жить в полностью анаэробных условиях, получая энергию путем сбраживания глюкозы в сукцинат и пируват [см. Landsperger W. J., Harris В. G., JBC, 251, 3599—3602 (1976)].

а. Чему равно ∆G' (pH 7) для такого брожения?

б. Хотя одним из продуктов является пируват, у этих организмов практически отсутствует пируваткиназа. По-видимому, они превращают фосфоенолпируват в малат [уравнение (7-76)], который далее поступает в митохондрии. Составьте схему реакций превращения малата в наблюдаемые продукты в митохондриях.

в. Сколько молей ATP на 1 моль глюкозы образуется при таком брожении в цитозоле? Считается, что еще один моль АТР вырабатывается за счет процессов, происходящих в митохондриях. Предложите путь реакций соответствующего процесса (см. рис. 10-11).

г. У Ascaris накапливается также и ацетат. Объясните, как это может происходить в анаэробных условиях.

13. У устриц пируват, образующийся в процессе брожения, описанного в задаче 12, реагирует с глутаматом, образуя аланин и а-кетоглутарат. Последний может подвергаться окислительному декарбоксилированию и превращаться в пропионат. Напишите уравнение сбалансированного брожения, в процессе которого глутамат и глюкоза превращаются в аланин, пропионат и сукцинат. Чему равно ∆G' (pH 7)? Каков должен быть выход АТР на 1 моль сбраживаемой глюкозы?