3 ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

 

---

3.1 Гликолиз

3.2 Гликогенолиз

3.3 Брожение

3.4 Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

3.5 Цикл трикарбоновых кислот

3.6 Пентозофосфатный путь превращения углеводов

3.7 Энергетика брожения и дыхания

3.8 Синтез углеводов автотрофами

3.9 Глюконеогенез

3.10 Нарушения углеводного обмена

---

Ключевыми веществами в распаде углеводов являются моносахариды: чаще – глюкоза; реже – фруктоза, галактоза, ксилулоза, рибоза и рибулоза.

Распад углеводов в организме человека и животных включает несколько этапов:

1) расщепление полисахаридов пищи в ЖКТ до моносахаридов;

2) поступление моносахаридов в кровь;

3) промежуточный обмен углеводов;

4) ультрафильтрация и обратное всасывание глюкозы в почках.

 

Расщепление полисахаридов в желудочно-кишечном тракте

Поли- и олигосахариды, поступающие с пищей, распадаются до более простых соединений путем гидролиза (рисунок 14). Расщепление крахмала и гликогена начинается в полости рта под действием амилаз. Амилазы (α-, β-, γ-) относятся к классу гидролаз, подклассу гидролаз гликозидов, в активном центре содержат ионы кальция и активируются одновалентными анионами (например, хлорид-ионами). α-Амилаза ращепляет внутренние α(1→4)-гликозидные связи в молекулах крахмала и гликогена, при этом образуются продукты их неполного гидролиза – декстрины. Отметим, что этот фермент не гидролизует гликозидные связи в дисахаридах. Активность α-амилазы оптимальна в нейтральной среде (pH = 6,7–7,0). У животных она является основным пищеварительным ферментом, вырабатывается слюнными железами и поджелудочной железой. Фермент обнаружен также у растений (например, в овсе), в грибах (в аскомицетах и базидиомицетах) и бактериях (род Bacillus).

β-Амилаза вырабатывается у растений, грибов и бактерий, но отсутствует у животных. Среди γ-амилаз различают кислые (оптимум рН 4,8–5) и нейтральные (оптимум рН 6,0–6,5) формы. Кислая γ-амилаза локализована в лизосомах, нейтральная – в микросомах и гиалоплазме. Эти ферменты отщепляет последнюю α(1→4)-гликозидную связь, приводя к образованию глюкозы, также могут гидролизовать α(1→6)-гликозидную связь.

Таким образом, под влиянием амилаз происходят первые фазы распада полисахаридов, с образованием декстринов и мальтозы (в небольшом количестве). Затем пища, смешанная со слюной, попадает в желудок. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные углеводы. В желудке при рН 1,5–2,5 действие амилазы прекращается, но в более глубоких слоях пищевого комка расщепление продолжается до образования декстринов и мальтозы. Новая порция амилазы поступает из секрета поджелудочной железы. В двенадцатиперстной кишке рН увеличивается до нейтральных значений, при которых активность поджелудочной амилазы максимальна.

Кишечный сок, кроме амилазы, декстриназы, мальтазы, также содержит сахаразу и лактазу. Расщепление мальтозы, сахарозы, лактозы происходит ферментами гликокаликса (пристеночное или внеклеточное пищеварение). В пищеварительных соках отсутствует фермент целлюлаза, гидрализирующий целлюлозу, которая содержится в пище растительного происхождения. В то же время в кишечнике присутствуют симбиотические микроорганизмы, синтезирующие целлюлазу, под действием которой образуется дисахарид – целлобиоза, распадающийся под действием β-глюкозидазы до глюкозы. Не расщепившаяся целлюлоза является раздражителем стенки кишечника, активирует перистальтику и способствует продвижению обработанной пищи.

Под действием ферментов микроорганизмов продукты распада полисахаридов могут подвергаться брожению, в результате которого образуются различные органические кислоты, СО₂, метан, Н₂.

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза (60 %), галактоза, фруктоза – через стенки кишечника поступают в кровь. Через клеточные мембраны с участием специальных переносчиков. Это активный транспорт по механизму симпорта за счет градиента концентраций ионов натрия при участии Nа⁺/К⁺-АТФазы. Далее глюкоза с кровью воротной вены попадает в печень, где часть ее задерживается, а часть попадает в другие органы и ткани. Транспорт ее в клетки зависит от инсулина, который увеличивает проницаемость мембран именно для глюкозы. В клетках головного мозга и печени скорость поступления глюкозы определяется ее концентрацией в крови, а не наличием инсулина.

 

Патологии переваривания углеводов.

Непереносимость лактозы, содержащейся в молоке и молочных продуктах, обусловлена снижением активности фермента лактазы, либо его недостаточным синтезом. Врожденный генетический дефект отмечается у 15 % детей Европы и 80 % детей стран Азии, Африки, Востока и Японии. Непереносимость лактозы также увеличивается с возрастом. Симптомы непереносимости лактозы – боли и вздутие (метеоризм) живота, диарея. С учетом питательной ценности молока при данной патологии не следует полностью отказываться от молочных продуктов, а стоит перейти на кисломолочные, в которых при участии лактазы микроорганизмов лактоза практически отсутствует.

Недостаточность сахарозы. Это наследственная энзимопатия, которая возникает из-за отсутствия сахаразы и изомальтазы (образуют единый ферментный комплекс). При этом соответствующие дисахариды не расщепляются и не подвергаются дальнейшему катаболизму, а осмотическим путем связывают воду и вызывают диарею, главным образом после приема пищи, содержащей сахарозу и крахмал.

3.1 Гликолиз

Непосредственно катаболизм глюкозы начинается с гликолиза, который протекает в цитоплазме животных и растительных клеток, а также у микроорганизмов.

Гликолиз – это последовательность ферментативных реакций превращения глюкозы (С₆Н₁₂О₆) до пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃) с одновременным образованием АТФ.

Для осуществления реакций гликолиза кислород не требуется, при этом он протекает как в анаэробных, так и в аэробных условиях. В аэробных условиях пировиноградная кислота далее декарбоксилируется, соединяется с коферментом А и вовлекается в цикл Кребса. В анаэробных условиях пируват восстанавливается до молочной кислоты либо претерпевает дальнейшие превращения в ходе брожения.

Процесс гликолиза включает несколько этапов, первый из которых подготовительный и заключается в активации глюкозы за счет АТФ (реакция фосфорилирования) при участии фермента – гексокиназы или глюкокиназы (изофермент гексокиназы, содержится в клетках печени и поджелудочной железы человека, и большинства других позвоночных):

Эта реакция запускает гликолиз. Количество свободной глюкозы в клетке невелико, большая ее часть находится в фосфорилированном состоянии. Образование глюкозо-6-фосфата сопровождается высвобождением значительного количества свободной энергии и в гексокиназная реакция может считаться практически необратимой.

Глюкозо-6-фосфат далее подвергается изомеризации:

Третья реакция подготовительного этапа – фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в положении С-1:

Эта реакция практически необратима, является самой медленной реакцией гликолиза, а фосфофруктокиназа-1 является аллостерическим ферментом и регулирует весь процесс гликолиза. Образовавшийся в результате данной реакции фруктозо-1,6-дифосфат – соединение электростатически неравновесное, а поэтому непрочное.

Далее происходит распад гексозы – фруктозо-1,6-дифосфата – до двух триоз – диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата (ГАФ), катализирует эту реакцию фермент альдолаза:

Из всего количества образующихся триоз 95 % приходится на диоксиацетонфосфат, 5 % – на ГАФ. Дальнейшему распаду подвергается именно ГАФ, кроме того, это соединение – ключевое звено процессов обмена не только углеводов, но и других веществ. ГАФ – это субстрат биологического окисления. По мере расходования ГАФ новая его порция образуется из диоксиацетонфосфата в результате изомеризации при участии триозофосфатизомеразы:

Таким образом, дальнейшие реакции удваиваются, а данный путь катаболизма глюкозы называется дихотомический.

Триозофосфатизомеразная реакциязавершает подготовительный этап гликолиза.

Основной этап гликолиза включает ряд последовательных окислительно-восстановительных реакций и реакции фосфорилирования, в процессе которых генерируется АТФ и образуется пируват (пировиноградная кислота – ПВК).

В начале ГАФ подвергается биологическому окислению с помощью специфической глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, которая в активном центре содержит сульфгидрильную группу (НS–) и кофермент НАД⁺. В ходе этой реакции фермент, присоединяясь к ГАФ, ослабляет его внутримолекулярные связи, а кофермент НАД⁺ восстанавливается за счет водорода альдегидной группы и превращает ее в карбоксильную. Энергия произошедшего окислительно-восстановительного процесса частично выделяется в виде тепла (около 60 %) и частично накапливается в макроэргической связи между промежуточным продуктом реакции и ферментом. Комплекс фермент-продукт расщепляется фосфорной кислотой, в результате чего фермент высвобождается и образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота.

Концентрация НАД⁺ в клетке (< 10⁻⁵ М) гораздо меньше, чем глюкозы, которая расщепляется за несколько минут. Если НАДH, образующийся на этой стадии гликолиза, не будет постоянно расходоваться (то есть окисляться), то гликолиз останавливается.

Как уже было отмечено, 1,3-дифосфоглицериновая кислота –макроэргическое соединение, запас энергии которого составляет до 49,3 кДж/моль, что достаточно для преобразования АДФ в АТФ без потери энергии:

Так как из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы 1,3-дифосфо-глицерата, то на этой стадии гликолиза образуются 2 молекулы АТФ. 3-фосфоглицерат еще содержит большой запас энергии и в последующих реакциях эта молекула перестраивается таким образом, что запас энергии концентрируется в фосфатной связи. Для этого вначале кислота изомеризуется в 2-фосфоглицерат, который, теряя воду, превращается в макроэргическое соединение – 2-фосфоенолпируват при участии енолазы (фосфопируватгидратазы):

2-фосфоенолпировиноградная кислота подвергается перефосфорилированию с АДФ с образованием АТФ и пирувата. Реакция практически необратима:

Эта реакция катализируется пируваткиназой и требует присутствия ионов К⁺ и Mg²⁺ или Mn²⁺. Отметим, что из 11 ферментов гликолиза, как и пируваткиназа в качестве кофактора имеют Mg²⁺еще 6 ферментов (гексокиназа, фосфогексозоизомераза, фосфофруктокиназа-1, фосфоглицераткиназа, фосфоглицератмутаза, енолаза).

Тип последней реакции – субстратное фосфорилирование; в пересчете на 1 молекулу глюкозы образуются 2 молекулы АТФ.

Весь процесс гликолиза может быть выражен следующим суммарным уравнением:

 

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ +2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₃Н₄О₃ + 2НАДН + 2Н⁺ + 2АТФ + 2Н₂О

 

Таким образом, энергетический выход гликолиза 1 молекулы глюкозы составляет 2 молекулы АТФ.

В анаэробных условиях, а также при интенсивной мышечной работе, в условиях отсутствия или недостаточного числа митохондрий (например, в эритроцитах или мышцах) глюкоза вступает на путь анаэробного гликолиза с образованием лактата (молочной кислоты). Лактат образуется при восстановлении пирувата с участием фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН.

Скелетная мышца не способна снова превращать лактат в глюкозу даже в аэробных условиях: ей не хватает ферментов глюконеогенеза. При накоплении лактата в мышцах раздражаются чувствительные нервные окончания, что вызывает характерное жжение. Существует метаболический путь, при котором лактат, вырабатываемый в результате анаэробного гликолиза в мышцах, транспортируется в печень и превращается в глюкозу, которая затем возвращается в мышцы и циклически метаболизируется обратно в лактат (цикл Кори).

Биологическая роль гликолиза. В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме животных и человека, поставляющий энергию. Этот процесс имеет важное значение в условиях недостаточности кислорода для обеспечения ряда физиологических функций. Например, мышечная активность обеспечивается в результате гликолиза при активных нагрузках, когда потребление кислорода превышает его поступление. Особое значение гликолиз имеет для эритроцитов, т.к. они не имеют митохондрий и генерируют АТФ только в ходе гликолиза.

Несмотря на то, что кислород не требуется для протекания процесса гликолиза, при аэробных условиях акцептором протонов водорода, которые содержит кофермент НАДН, выступает кислород. В этом случае при прохождении протонов по дыхательной цепи будут образовываться 1,5–2,5 молекулы АТФ, а полный энергетический выход гликолиза составит 5–7 молекул АТФ (в зависимости от челночного механизма, о чем подробно будет рассмотрено в разделе 3.7).

Значительная часть промежуточных продуктов, возникающих в процессе обмена глюкозо-6-фосфата, используется для синтеза аминокислот (белков), нуклеотидов (нуклеиновых кислот), глицерина и высших жирных кислот (триглицеридов, фосфатидов), стиролов (стеридов) и др.

Таким образом, глюкозо-6-фосфат обеспечивает организм и энергией (энергетическая функция), и строительным материалом (анаболическая функция) для синтеза новых органических соединений, используемых в процессе жизнедеятельности.

3.2 Гликогенолиз

Процесс расщепления углеводов может начаться не с глюкозы, а с гликогена и тогда он называется гликогенолиз. Полный набор ферментов гликогенолиза характерен для мышц и печени человека и животных. При этом включает три дополнительных фермента – гликогенфосфорилазу, амило-1,6-глюкозидазу (изоамилазу) и фосфоглюкомутазу.

Гликогенолиз происходит путем фосфоролиза: гликоген без затраты АТФ сначала превращается в глюкозо-1-фосфат, который изомеризуется в глюкозо-6-фосфат и далее реакции протекают аналогично реакциям гликолиза:

Суммарное уравнение гликогенолиза можно выразить:

(С₆Н₁₀О₅)_n + 2НАД⁺ + 3АДФ + 3Н₃РО₄ → (С₆Н₁₀О₅)_n-1 + 2С₃Н₄О₃ + 2НАДН + 2Н⁺ + 3АТФ + 2Н₂О

Таким образом, при гликогенолизе на активирование 1 молекулы глюкозы и образование фруктозо-1,6-дифосфата тратится 1 молекула АТФ. С учетом того, что в ходе дальнейших реакций образуется 4 молекулы АТФ энергетический выход гликогенолиза составляет 3 молекулы АТФ.

3.3 Брожение

Дальнейшее превращение пирувата зависит от условий протекания процесса. В аэробных условиях происходит дыхание и конечным акцептором Н⁺ является О₂.

В анаэробных условиях происходит брожение, а роль конечного акцептора протонов играет обычно какая-то органическая молекула. Для глюкозы наиболее важную роль играют 2 способа брожения:

– молочнокислое;

– спиртовое.

Химизм процесса брожения представлен на рисунке 15.

При молочнокислом брожении шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на 2 трехуглеродные молекулы пирувата, которая далее при участии лактатдегидрогеназы восстанавливается до лактата – единственного конечного продукта этого процесса. Суммарное уравнение молочнокислого брожения:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Такой тип расщепления глюкозы свойственен многим микроорганизмам и клеткам высших животных. Но образующаяся молочная кислота является кислотой средней силы, при обратимой диссоциации которой выделяется достаточно большое количество Н⁺. На нейтрализацию протонов будут задействованы буферные системы организма, но при высокой концентрации молочной кислоты их буферная емкость может быть исчерпана. В этом случае происходит сдвиг активной среды в кислую сторону, что вызовет снижение активности фосфофруктокиназы и скорость гликолиза заметно снизится.

Лактат в больших количествах образуется в мышцах при интенсивной или длительной работе. Часть кислоты с током крови может поступать в печень, где расходуется в процессах глюконеогенеза; некоторое количество выводится с потом и мочой. Но большая часть молочной кислоты застаивается в саркоплазме и межклеточном веществе, и из-за смещения рН нарушается транспорт нейромедиатора нервных окончаний, которые контактируют с мышечным волокном. В этом случае человек ощущает боль в мышцах.

При спиртовом брожении шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на 2 трехуглеродные молекулы пирувата, а далее под действием пируватдекарбоксилазы от ПВК отщепляется молекула СО₂ и образуется уксусный альдегид. Уксусный альдегид (этаналь) – промежуточный продукт. Если условия и далее остаются анаэробными, то под действием алкагольдегидрогеназы он восстанавливается до этилового спирта. Процесс спиртового брожения может быть выражен суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2АТФ + 2Н₂О

Отметим, что спиртовое брожение не свойственно клеткам человека.

Если условия становятся аэробными, то уксусный альдегид окисляется до уксусной кислоты и этот процесс называется уксуснокислое окисление (рисунок 15).

Кроме спиртового брожения, у микроорганизмов существует еще ряд специфических путей утилизации трехуглеродных соединений, возникающих в результате дихотомического распада углеводов: пропионовокислое, бутиленгликолиевое, маслянокислое брожение и др. (таблица 2).

Название	Организмы, вызывающие брожение	Конечный продукт
Ацетонобутиловое	Clostridium acetobutylicum	ацетон и бутиловый (возможен этиловый) спирты: 2C₆H₁₂O₆ → CH₃COCH₃ + CH₃(CH₂)₃OH + 5CO₂ + 4H₂
Бутиленгликолевое	некоторые виды бактерий родов Aeromonas, Bacillus, Enterobacter	ацетон, бутиленгликоль, молочная и муравьиная кислоты
Маслянокислое	некоторые виды бактерий родов Clostridium, Butyrivibrio, Fusobacterium, Eubacterium	масляная кислота: C₆H₁₂O₆ → CH₃(CH₂)₂COOH + 2CO₂ + 2H₂, а также бутанол, ацетон, изопропанол, уксусная, капроновая, валерьяновая, пальмитиновая кислоты
Молочнокислое, гомоферментативное	бактерии Streptococcus sp., Lactobacterium sp.	Молочная кислота: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CHOHCOOH
Молочнокислое, гетероферментативное	бактерии из родов Escherichia, Proteus, Salmonella, Shigella	Молочная кислота и этанол: C₆H₁₂O₆ → CH₃CHOHCOOH + C₂H₅OH + CO₂, реже муравьиная и янтарная кислоты
Пропионовокислое	Clostridium propionium, Propionibacterium sp., Corynebacterium diphtheriae, некоторые виды бактерий из родов Micromonospora, Neisseria, Veillonella	Пропионовая и уксусная кислоты: 3C₆H₁₂O₆ → 4CH₃CH₂COOH + 2CH₃COOH + 2CO₂↑ + 2H₂O, реже янтарная кислота
Спиртовое	Некоторые грибы, преимущественно дрожжи Saccharomyces sp.	Этанол

Таблица 2 – Основные типы брожения

Таким образом, при любом типе брожения организм получает только 2 молекулы АТФ за счёт субстратного фосфорилирования. Кроме того, биологический смысл брожения заключается в окислении НАДН, обеспечивая, тем самым, гликолитические процессы НАД⁺ в условиях отсутствия кислорода.

3.4 Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

В аэробных условиях пируват окисляется. Реакция ускоряется мультиэнзимной системой, называемой пируватдегидрогеназным комплексом, который прикреплен к внутренней мембране митохондрий у эукариот, у бактерий – находится в цитозоле. Последовательное действие ферментов этого комплекса приводит к преобразованию пирувата в активную форму уксусной кислоты (ацетил-КоА):

Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов: пируватдегидрогеназы (Е₁), дигидролипоилтрансферазы (Е₂) и дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃), включает 5 кофакторов:

• ТПФ – тиаминпирофосфат;
• липоевую кислоту;
• НАД⁺;
• ФАД;
• коэнзим А.

Три кофактора (ТПФ, липоевая кислота и ФАД) ковалентно связаны в активных центрах ферментов (соответственно с Е₁, Е₂ и Е₃), а НАД⁺ и КоА выполняют роль вторых субстратов в химических реакциях (мигрирующие коферменты). Также в состав пируватдегидрогеназного комплекса входят 2 регуляторных белка – протеинкиназа и протеинфосфатаза. Пируватдегидрогеназный комплекс активен в дефосфорилированном состоянии: цАМФ-независимая протеинкиназа фосфорилирует Е₁-субъединицу фермента и инактивирует его.

Первая фаза процесса – непосредственно декарбоксилирование ПВК при участии пируватдегидрогеназы (Е₁). Этот энзим представляет собой гомодимер (состоит из двух α-цепей как, например, у Escherichia coli) или тетрамер (состоит из двух α- и двух β-субъединиц, как у человека), связан с коферметом ТПФ при участии Mg²⁺. ТПФ образован тиамином (витамин В₁), связанным с двумя остатками фосфорной кислоты. Именно он участвует в реакции:

Первый атом углерода (С-1) пирувата превращается в СО₂, а второй атом углерода (С-2), находящийся в альдегидной форме, прикрепляется к ТПФ в виде гидроксиэтильной группы. Эта фаза является наиболее медленной и поэтому ограничивает скорость всего процесса окислительного декарбоксилирования. Кроме того, на этом этапе пируватдегидрогеназный комплекс проявляет свою субстратную специфичность.

Далее гидроксиэтильная группа окисляется до ацетата, который переносится сначала на липоевую кислоту, а затем на коэнзим А.

Оба эти процесса (окисление и перенос ацетильного радикала) ускоряются вторым энзимом пируватдегидрогеназного комплекса: дигидролипоилтрансферазой (Е₂). Она сосредоточена в центральной части комплекса в виде 24 молекул (Мr = 70 000 Да), упакованных в виде куба. Каждая молекула Е₂ связана с кофактором – липоевой кислотой через ε-аминогруппу радикала лизина. Такое присоединение липоевой кислоты обеспечивает ее подвижность в составе пируватдегидрогеназного комплекса и беспрепятственный контакт как с Е₁, так и с Е₃ при условии использования не менее двух остатков липоевой кислоты.

Окислительное декарбоксилирование пирувата завершается следующими двумя реакциями при участии третьего компонента мультиэнзимного комплекса – дигидролипоилдегидрогеназы (Е₃) которая включает 6 димерных молекул, содержащих по 2 молекулы ФАД в качестве кофактора. При этом дигидролипоевая кислота переходит в липоевую:

Поскольку кофактором Е₃ является ФАД, то именно он непосредственно снимает два Н⁺ с дигидролипоевой кислоты и передает их на НАД⁺. Водород с НАДН поступает в дыхательную цепь митохондрий. Поэтому в приведенном выше суммарном уравнении окислительного декарбоксилирования ПВК в качестве акцептора протонов выступает НАД⁺. В пересчете на молекулу глюкозы в ходе окислительного декарбоксилирования пирувата образуется 2 молекулы НАДН; полный выход на этом этапе – 5 АТФ.

Характерно, что в результате реакции окисления пирувата в образующейся молекуле ацетил-КоА формируется макроэргическая связь. Она способствует его энергичному обмену в дальнейшем.

3.5 Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – циклический ферментативный процесс, в котором происходит превращение ацетил-кофермента А (СН₃СО~SKoA) до углекислого газа и воды.

Был открыт и изучен в живых клетках немецким биохимиком Хансом Кребсом в 1937 году (отсюда и название «цикл Кребса»). За эту работу в 1953 году Х. Кребс совместно с Ф. Липманом был удостоен Нобелевской премии.

Необходимо отметить, что это ключевой этап дыхания. Всего цикл Кребса составляют 8 этапов, из них 4 – окислительные, выделяющаяся при этих реакциях энергия эффективно запасается в виде восстановленных коферментов НАДН·Н⁺ и ФАДН₂.

1. Образование лимонной кислоты. В начале процесса ацетил-коэнзим А, образовавшийся в ходе окислительного декарбоксилирования пирувата, конденсируется с оксалоацетатом (щавелевоуксусная кислота), который всегда есть в клеточном содержимом. При этом образуется цитрат (лимонная кислота) и освобождается коэнзим А; макроэргическая тиоэфирная связь распадается, что делает данную реакцию практически необратимой. Каталитическую функцию в этой реакции с участием воды выполняет конденсирующий фермент – цитратсинтаза:

Образованием лимонной кислоты открывается специфический цикл химических реакций, приводящих к постепенному ее окислению до оксалоацетата, которая снова конденсируется с ацетил-коэнзимом А так, что вновь образуется лимонная кислота. Таким образом, совокупность этих реакций получила еще одно название – цикл лимонной кислоты.

2. Изомеризация цитрата в изоцитрат (изолимонную кислоту) через образование промежуточного соединения – цис-аконитата. Этот этап катализирует железосодержащий фермент аконитаза (аконитатгидратаза):

Реакция изомеризации обратима, но в физиологических условиях ее равновесие смещено в сторону образования изоцитрата, так как он расходуется в последующих реакциях.

3. Дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата при этом образуется дикарбоновая α-оксоглутаровая кислота (α-оксоглутарат). Промежуточным продуктом этого этапа является оксалосукцинат (щавелево-янтарная кислота):

В клетках обнаружены две различных формы изоцитратдегидрогеназы. Для функционирования одной из них нужен НАД⁺ и ионы Mn²⁺, для другой – НАДФ⁺ и ионы Mg²⁺. Осуществляемые ими реакции идентичны.

4. Окислительное декарбоксилирование α-оксоглутарата с образованием активной формы янтарной кислоты – сукцинил-КоА. Эта реакция происходит при участии мультиферментного комплекса – α-оксо-глутаратдегидрогеназного комплекса, который по структуре и механизму действия аналогичен пируватдегидрогеназному комплексу и также включает 5 кофакторов (ТПФ, липоевую кислоту, HS~КоА, ФАД и НАД⁺). Равновесие реакции сильно смещено в сторону образования сукцинил-КоА и ее можно считать необратимой.

5. Субстратное фосфорилирование. Высокоэнергетическая тиоэфирная связь сукцинил-КоА преобразуется в макроэргическую связь гуанозинтрифосфата (ГТФ), который далее передает ее на АДФ, с последующим образованием АТФ. Также продуктом данной реакции будет сукцинат (янтарная кислота):

6. Дегидрирование сукцината с замыканием двойной связи и между его α и β углеродными атомами. Окисление происходит с помощью аэробной дегидрогеназы с коферментом ФАД. Этот фермент прочно связан с внутренней митохондриальной мембраной:

7. Образование малата. Фумарат подвергается гидратированию с образованием малата (яблочной кислоты). Эта реакция обратимая и катализируется ферментом фумаратгидратазой, для которого характерна стереоспецифичность. Поэтому может образовываться как L-, так и D-изомер яблочной кислоты.

8. Образование оксалоацетата. Это последняя реакция цикла Кребса. При участии НАД⁺-зависимой малатдегидрогеназы происходит дегидрирование малата. В ходе этой реакции образуется оксалоацетат и, таким образом, цикл реакций замыкается:

Обобщенная схема цикла Кребса представлена на рисунке 16.

Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот описывается уравнением:

Ацетил-SКоА + 3НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Н₃РО₄ + 2Н₂О → 2 СО₂ + 3НАДН +3Н⁺ + ФАДН₂ + ГТФ + НSКоА

Энергетический выход реакций ЦТК и сопряженных ЭТЦ на 1 молекулу ацетил-КоА составляет 10 АТФ, тогда при пересчете на 1 молекулу глюкозы – 20 АТФ.

У эукариот все реакции цикла Кребса протекают внутри митохондрий, причём катализирующие их ферменты, кроме одного, находятся в свободном состоянии в митохондриальном матриксе. Ферменты, возможно, собраны в специфически построенный комплекс (метаболон), локализованный между расположенными друг против друга поверхностями внутренней мембраны митохондрий. Предполагается, что в метаболоне осуществляется эстафетная передача промежуточных продуктов цикла от одного фермента к другому без их высвобождения в матрикс митохондрии. Поэтому процесс идет с большой скоростью. У прокариот реакции цикла протекают в цитоплазме.

Значение цикла Кребса не исчерпывается только его вкладом в энергетический обмен клетки. Другие функции:

• интегративная функция – цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма;
• катаболическая функция – превращение различных биомолекул в субстраты цикла (например, жирные кислоты, пируват, лейцин, фенилаланин преобразуются в ацетил-КоА, аргинин, гистидин, глутаминовая кислота – в α-кетоглутарат, а фенилаланин, тирозин – в фумарат);
• анаболическая функция – использование субстратов цикла для синтеза других биоорганических веществ (например, из оксалоацетата образуются глюкоза, аспарагин и аспарагиновая кислота, из сукцинил-КоА синтезируется Гем, а CО₂ может использоваться в реакциях карбоксилирования).

3.6 Пентозофосфатный путь превращения углеводов

Пентозофосфатный путь обмена углеводов или апотомический путь обмена глюкозы происходит по первому (С-1) атому углерода и не требует присутствия кислорода.

Открытие пентозофосфатного пути (или пути прямого окисления углеводов) принадлежит О. Варбургу, Ф. Липману, Ф. Дикенсу и В. А. Энгельгарду. Полная последовательность реакций была опубликована в 1955 г. И.К. Гансалусом и У.А. Вудом.

Расхождение путей окисления углеводов – гликолиза и пентозофосфатного – начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, которая, окисляясь до ацетил-КоА, затем «сгорает» в цикле Кребса.

Если второго фосфорилирования гексозо-6-монофосфата не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз.

Осуществляется в клетках животных, растений и микроорганизмов. В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния. У млекопитающих активность пентозофосфатного цикла относительно высока в печени, адипоцитах, надпочечниках, эмбриональной ткани и молочной железе в период лактации, а в эритроцитах составляет только 7 % от всей расщепляемой глюкозы, в клетках мозга – 2 %. При ряде патологических состояний удельный вес пентозофосфатного пути окисления глюкозы возрастает.

Значение пентозофосфатного пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФН, необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозофосфатного цикла примерно на 50 % покрывается потребность организма в НАДФН. Другая функция пентозофосфатного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот, многих коферментов. Пентозы используются на гликозилирование белков и других соединений.

У микроорганизмов, растений и грибов из промежуточного метаболита этого пентохофосфатного пути – эритрозо-4-фосфата образуется шикимовая кислота (шикимат – одноосновная моноциклическая мононенасыщенная тригидроксимонокарбоновая кислота), которая является предшественником синтеза таких важнейших соединений, как фенилаланин, тирозин, триптофан, убихинон.

Реакции пентозофосфатного пути протекают в цитоплазме клетки. Механизм реакций пентозофосфатного цикла достаточно расшифрован (рисунок 17).

Из схемы видно, что только 1 молекула глюкозо-6-фосфата подвергается полному расщеплению до СО₂ и воды.

Рассмотрим процесс более подробно. Пентозофосфатный путь включает 2 этапа: окислительный и неокислительный (структурных перестроек).

Первый этап начинается с окисления глюкозо-6-фосфата и последующего окислительного декарбоксилирования продукта (в результате от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода).

Первая реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и кофермента НАДФ⁺. Образовавшийся в ходе реакции 6-фосфоглюконо-δ-лактон – соединение нестабильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента фосфоглюконолактоназы с образованием 6-фос-фоглюконовой кислоты (6-фосфоглюконат):

Во второй – окислительной – реакции, катализируемой фосфоглюко-натдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконат дегидрируется и декарбоксилируется. В результате этой необратимой реакции образуется фосфорилированная кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат и еще 1 молекула НАДФН:

В отличие от реакций первого этапа пентозофосфатного пути, реакции второго – неокислительного – этапа обратимы.

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия:

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия) пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, фосфотриозы), а другие – специфические для пентозофосфатного пути (седогептулозо-7-фосфат, пентозо-5-фосфаты, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозофосфатного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной реакции служит ТПФ, играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы от ксилулозо-5-фосфата к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный моносахарид седогептулозо-7-фосфат и ГАФ.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, второй раз – при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в результате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритрозо-4-фосфатом.

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка диоксиацетона (но не свободного диоксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на ГАФ:

Таким образом, окислительный и неокислительный этапы вместе составляют циклический процесс. Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюкозо-6-фосфата (рисунок 16). Однако это не означает, что молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью окисляется. Все 6 молекул СО₂ образуются из С-1-атомов 6 молекул глюкозо-6-фосфата.

Обобщенное уравнение окислительной и неокислительной стадий пентозофосфатного цикла можно представить в следующем виде:

6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂О + 12НАДФ⁺ → 5Глюкозо-6-фосфат + 6СО₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

или сокращенно:

Глюкозо-6-фосфат + 7Н₂О + 12НАДФ⁺ → 6СО₂ +12НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

Образовавшийся НАДФН используется в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях. Также полагают, что пентозофосфатный путь и гликолиз, протекающие в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке.

3.7 Энергетика брожения и дыхания

В процессе гликолиза высвобождается лишь очень незначительная часть химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из молекулы глюкозы. При полном окислении глюкозы, т.е. при ее окислении до СО₂ и Н₂О, высвобождается значительно большее количество энергии.

Глюкоза → 2 Лактат, ΔG′ = −85 кДж/моль (гликолиз)

Глюкоза + 6 О₂ → 6 СО₂ + 6 Н₂О, ΔG′ = –2840 кДж/моль (дыхание)

Как уже было отмечено ранее, при любом типе брожения организм получает только 2 молекулы АТФ. При сбраживании глюкозы продукты брожения, которые в анаэробных условиях уже не могут быть использованы клеткой и поэтому выводятся из нее, все еще содержат значительную часть той энергии, которая была заключена в молекуле глюкозы. Поэтому для получения того же количества энергии клеткам, находящимся в анаэробных условиях, приходится расходовать гораздо больше глюкозы, чем тем же самым клеткам в условиях аэробиоза.

Даже в различных тканях и органах одного и того же организма соотношения путей распада углеводов могут быть различными. Тем не менее можно установить и некоторые общие закономерности. Так, у подавляющего большинства организмов аэробный путь распада углеводов превалирует над анаэробным, а дыхание подавляет брожение.

Все сказанное выше о путях распада углеводов и о механизме реакций, осуществляющихся в процессе их деструкции, можно представить в виде общей схемы (рисунок 18). Из схемы видно, что глюкозо-6-фосфат занимает в этих процессах центральное место, а из промежуточных продуктов дальнейшего его распада узловые позиции принадлежат пирувату и рибулозо-5-фосфату.

В результате аэробного превращения углеводов на стадии окисления глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту образуется восстановленный цитозольный НАДН, перенос которого в митохондрии осуществляется малатным челночным механизмом (рисунок 19). Молекула НАДН не проникает в митохондрии и поэтому не может непосредственно использоваться для окисления кислородом и образования энергии. Поэтому 2 протона от НАДН сначала переносятся на цитозольный оксалоацетат при участии фермента малатдегидрогеназы. Образовавшийся в результате реакции малат является восстановительным эквивалентом НАДН и с помощью переносчиков транспортируется через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс. В митохондриях малат окисляется в оксалоацетат, а матриксный НАД⁺ восстанавливается до НАДН, который и передает электроны в ЭТЦ внутренней мембраны митохондрий. В результате окислительного фосфорилирования образуется 2,5 молекулы АТФ.

Образовавшийся оксалоацетат не проникает через мембрану митохондрий. Его транспортной формой является аспартат, который образуется в митохондриях при переаминировании оксалоацетата с глутаматом. Аспартат путем антипорта с глутаматом переходит в цитоплазму, где превращается в оксалоацетат, и челночный цикл замыкается. Часто этот челночный цикл называют малат-аспартатный. В результате челночных перемещений этого цикла за один акт переносится пара протонов из цитоплазмы в митохондрию, а цитоплазматический НАДН окисляется митохондриальным НАД⁺.

В некоторых тканях транспорт протонов осуществляется по глицерофосфатному челночному механизму (рисунок 20). Он активно функционирует в летательных мышцах насекомых, в клетках человека и животных малоактивен. НАДН восстанавливает диоксиацетонфосфат до глицерол-3-фосфата при участии глицерол-3-фосфатдегидрогеназы. Образовавшийся глицерол-3-фосфат легко достигает внутренней мембраны митохондрий, где встроенная в мембрану глицерол-3-фосфатдегидрогеназа с простетической группой ФАД передает электроны в митохондриальную ЭТЦ. Сам глицерол-3-фосфат окисляет до диоксиацетонфосфата, который возвращается в цитозоль, тем самым замыкая челночный цикл. Необходимо отметить, что в этом цикле глицерол-3-фосфат не проникает в матрикс митохондрий, а лишь передает электроны с цитоплазматического НАДН через ФАД/ФАДН₂ на ЭТЦ. В этом случае образуется 1,5 молекул АТФ.

Образующийся ФАДН₂ используется не только для введения восстановительных эквивалентов в дыхательную цепь, но и для терморегуляции, так как большая его часть окисляется путем свободного окисления. Освобождающаяся тепловая энергия позволяет избежать наступления равновесия реакций глицерофосфатного челночного цикла и создает условия для его непрерывной работы.

Рассмотрим энергетический эффект аэробного (дихотомического) пути распада глюкозы.

На первом этапе распада глюкозы до двух молекул пирувата (раздел 3.1) образуется 2 молекулы АТФ (субстратное фосфорилирование) и 2 молекулы НАДН (в зависимости от рассмотренного выше челночного механизма в ходе окислительного фосфорилирования будет образовываться 5 или 3 молекулы АТФ).

В процессе окислительного декарбоксилирование каждой молекулы ПВК образуется 2,5 АТФ, а полный выход на этом этапе – 5 АТФ.

В результате реакций ЦТК и сопряженных ЭТЦ из 1 молекулы ацетил-КоА образуются 10 АТФ, тогда из 2 молекул СН₃СО~S-КоА – 20 АТФ.

Таким образом, аэробный распад 1 молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О в тканях, где действует малатный челночный механизм переноса восстановительных эквивалентов в митохондрию, сопровождается образованием 32 молекул АТФ, а в тканях с глицерофосфатным челночным механизмом – 30 молекул АТФ.

Дихотомическому распаду углеводов принадлежит в целом более видное место, чем апотомическому. В значительной мере эти соотношения путей метаболизма углеводов зависят от их энергетического эффекта. Последнее вполне естественно, т.к. одной из функций углеводов, в ряде случаев главной, является обеспечение организма энергией, выделяющейся при их анаэробном и аэробном распаде.

3.8 Синтез углеводов автотрофами

Синтез простых углеводов. Простые углеводы возникают главным образом при первичном биосинтезе органического вещества на Земле.

Этот процесс осуществляется автотрофными организмами – растениями, а также фотосинтезирующими и хемосинтезирующими бактериями. Первичный синтез органического вещества в природе идет путем восстановления СО₂ атмосферы с одновременным формированием органических молекул, содержащих цепи углеродных атомов. В связях между атомами углерода и других элементов образующихся органических соединений заключена энергия, поэтому их новообразование сопровождается ее поглощением.

В общем виде процесс первичного новообразования органического вещества принято изображать в виде следующей схемы (рисунок 21).

Гетеротрофные организмы, использующие для построения составных частей своего тела уже готовые органические вещества, не обладают способностью к первичному биосинтезу органических молекул, но могут образовывать их за счет перестройки органических соединений пищи. Естественно, что в числе новообразуемых гетеротрофами соединений находятся и простые углеводы.

Фотосинтез – это процесс образования углеводов из углекислого газа (СО₂) и воды с помощью энергии света при участии фотосинтетических пигментов.

В процессе фотосинтеза энергия солнечного света превращается в химическую энергию.

Упрощенное уравнение процесса имеет вид:

Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере пригоден любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до среднего красного (700 нм). При некоторых видах бактериального фотосинтеза, не сопровождающегося выделением O₂, может эффективно использоваться свет с большей длиной волны, вплоть до дальнего красного (900 нм).

Выяснение природы фотосинтеза началось еще во времена зарождения современной химии. Работы Дж. Пристли (1772), Я. Ингенхауза (1780), Ж. Сенебье (1782), а также химические исследования А. Лавуазье (1775, 1781) позволили сделать вывод, что растения превращают диоксид углерода в кислород и для этого процесса необходим свет. Роль воды оставалась неизвестной до тех пор, пока на нее не указал в 1808 г. Н. Соссюр. В своих очень точных экспериментах он измерял прирост сухого веса растения, растущего в горшке с землей, а также определял объем поглощенного диоксида углерода и выделенного кислорода. Соссюр подтвердил, что весь углерод, включенный растением в органические вещества, происходит из диоксида углерода. В то же время он обнаружил, что прирост сухого вещества растения был больше, чем разность между весом поглощенного диоксида углерода и весом выделенного кислорода. Поскольку вес почвы в горшке существенно не изменялся, единственным возможным источником увеличения веса следовало считать воду. Так было показано, что одним из реагентов в фотосинтезе является вода.

Значение фотосинтеза как одного из процессов превращения энергии не могло быть оценено до тех пор, пока не возникло само представление о химической энергии. В 1845 Р. Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его продуктах.

Фотосинтез – сложный многоступенчатый окислительно-восстанови-тельный процесс, который включает следующие фазы:

1) световая (фотофизический и фотохимический этапы);

2) темновая (ферментативная фаза).

Световая фаза – фотохимические реакции фотосинтеза, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, в первую очередь в энергию фосфоэфирных связей АТФ. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФН и выделяется кислород.

Фотофизический этап фотосинтеза заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на реакционный центр, осуществляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удаленную орбиталь, т.е. на более высокий энергетический уровень. Наибольшей энергией обладает электрон, находящийся на достаточно большом расстоянии от ядра. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света, если энергия этого кванта равна разнице между этими энергетическими уровнями. Все фотосинтезирующие организмы содержат какой-либо тип хлорофилла. Исключением являются бактерии (Halobacterium halobium), содержащие бактериородопсин, с помощью которого они поглощают кванты света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения обусловлен переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй – с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движение. Наиболее подвижными в молекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены между двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопряженных двойных связей.

В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции – поглощение и передачу энергии. При этом более 90 % всего хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающего комплекса. Светособирающий комплекс выполняет роль антенны, которая эффективно поглощает свет и переносит энергию возбуждения к реакционному центру. Реакции данной стадии фотосинтеза осуществляются на тиллакоидных мембранах.

Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов светособирающего комплекса к фотохимическому реакционному центру, содержащему особую пару (димер) молекул хлорофилла а. Наряду с димером хлорофилла в фотосинтетический комплекс входят молекулы первичного и вторичного акцепторов электрона. Совокупность светособирающего комплекса, фотохимического реакционного центра и связанных с ним молекул – переносчиков электронов составляет фотосистему. По современным представлениям фотосистема является важнейшим структурно-функциональным звеном фотосинтетического аппарата. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу:

Хл + hν → Хл*; Хл* → (Хл)⁺ + е^-,

где Хл^* – возбужденная форма хлорофилла, (Хл)⁺ – окисленная форма хлорофилла, е^- – электрон.

Затем электроны попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, забирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды:

Н₂О + hν → Н⁺ + ОН^-

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН:

ОН^- → •ОН + е^-

Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:

4НО• → 2Н₂О + О₂

Исследования показали, что почти весь кислород атмосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процессы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это и позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Появление свободного кислорода в атмосфере Земли вызвало значительные изменения во всей живой природе: возникли аэробные организмы. На поверхности Земли процессы приняли биогеохимический характер, произошло окисление соединений железа, серы, марганца и др. Изменился состав атмосферы: содержание СО₂ и аммиака снизилось, а кислорода и азота возросло. Следствием появления кислорода является формирование озонового экрана, который задерживает опасную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию. Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма, являясь процессом так называемого воздушного питания.

Акцептором протонов, образующихся в результате фотолиза воды, является кофермент НАДФ⁺. При этом необходимо отметить, что большая часть преобразованной световой энергии светового этапа фотосинтеза запасается при переносе электронов от воды к НАДФ⁺.

Образовавшийся НАДФН удерживает электроны не столь прочно, как кислород воды, и может отдавать их в процессах синтеза органических соединений, расходуя накопленную энергию на полезную химическую работу. Значительное количество энергии запасается еще и в форме АТФ.

Также образовавшийся НАДФН используется в реакциях темновой фазы фотосинтеза.

Совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит образование углеводов из углекислого газа атмосферы, составляют темновую фазу фотосинтеза, которую также называют стадией синтеза. Термин «темновая фаза» означает лишь то, что свет в ней непосредственно не участвует. Реакции этой стадии тоже происходят в хлоропластах.

Процесс состоит из ряда реакций, часть которых (15 или более) образует цикл. Этот цикл был открыт в 1953 химиком М. Кальвином и его сотрудниками. Использовав в своих опытах вместо обычного (стабильного) изотопа углерода его радиоактивный изотоп, эти исследователи смогли проследить путь углерода в изучаемых реакциях. В 1961 М. Кальвин был удостоен за эту работу Нобелевской премии по химии.

Другое название цикла Кальвина – С₃-путь фотосинтеза. В цикле Кальвина участвуют соединения с числом атомов углерода в молекулах от трех до семи. Все компоненты цикла, за исключением одного, представляют собой сахарофосфаты. Исключение составляет 3-фосфоглицерат (3-фосфоглицериновая кислота). Непосредственным участником реакций является рибулозо-5-фосфат, образование которого в большей степени связано с пентозофосфатным путем распада углеводов (глава 3.7).

Образующийся в световой стадии АТФ реагирует с рибулозо-5-фосфатом, превращая его в рибулозо-1,5-дифосфат:

Вторая фосфатная группа придает рибулозодифосфату дополнительную энергию, поскольку несет в себе часть энергии, запасенной в молекуле АТФ. Поэтому тенденция реагировать с другими соединениями и образовывать новые связи выражена у рибулозодифосфата сильнее. Именно эта пентоза присоединяет CO₂ с образованием гексозы. Последнее очень неустойчиво и под действием воды распадается на два фрагмента – две молекулы 3-фосфоглицерата:

Фермент, катализирующий фиксацию CO₂ (рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилаза гидратирующая), присутствует в хлоропластах в очень больших количествах (свыше 16 % от общего содержания в них белка). Учитывая огромную массу зеленых растений, этот фермент, вероятно, является самым распространенным белком в биосфере.

Непосредственно сам 3-фосфоглицерат не может превратиться в глюкозу. Следующий этап состоит в том, что две молекулы 3-фосфоглицерата, образовавшиеся в реакции карбоксилирования, восстанавливаются каждая за счет одной молекулы НАДФН до ГАФ. Но перед восстановлением происходит повышение реакционной способности 3-фосфоглицерата за счет энергии АТФ с образованием 1,3-дифосфоглицерата:

Значение последующих этапов цикла сводится к тому, что они приводят к регенерации рибулозомонофосфата, необходимого для возобновления цикла. При этом из шести образовавшихся молекул ГАФ пять идут на регенерацию рибулозо-5-фосфата – акцептора СО₂. Следовательно, образуется (5С₃ → 3С₅) три молекулы рибулозо-5-фосфата.

Шестая молекула ГАФ конденсируется с диоксиацетонфосфатом, при этом образуется гексозодифосфат (фруктозо-1,6-дифосфат или глюкозо-1,6-дифосфат). Эту часть цикла можно записать в следующем виде:

Таким образом, за один оборот цикла одна молекула диоксида углерода включается в состав трехуглеродного органического соединения; три оборота цикла суммарно дают новую молекулу последнего, а для синтеза молекулы шестиуглеродного сахара (глюкозы или фруктозы) необходимы две трехуглеродные молекулы и соответственно 6 оборотов цикла.

В результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода в год. Фотосинтез создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Он препятствует увеличению концентрации CO₂ в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (парниковый эффект).

3.9 Глюконеогенез

Глюконеогенез – метаболический путь, приводящий к образованию глюкозы из неуглеводных соединений (пирувата (рисунок 22), гликогенных аминокислот, глицерола, лактата, пропионата).

Наряду с гликогенолизом глюконеогенез поддерживает в крови уровень глюкозы, необходимый для работы многих тканей и органов, в первую очередь нервной ткани и эритроцитов. Этот процесс служит важным поставщиком глюкозы в условиях недостаточного количества гликогена, например, после длительного голодания или тяжёлой физической работы.

Первой реакцией глюконеогенеза является превращение пирувата в фосфоенолпируват. Однако, данная реакция не является обратной пируваткиназной реакции гликолиза, так как последняя имеет отрицательное изменение энергии Гиббса и необратима в клеточных условиях. Фосфорилирование пирувата осуществляется обходным путем, для осуществления которого у эукариот задействованы и цитозольные, и митохондриальные ферменты. Вначале пируват переносится из цитозоля в митохондрию или образуется в митохондрии из аланина в результате переаминирования. В матриксе митохондрий пируват карбоксилируется в оксалоацетат при участии пируваткарбоксилазы. Оксалоацетат является промежуточным метаболитом ЦТК. Оксалоацетат, образующийся в митохондриальном матриксе, восстанавливается в малат, который может переноситься в цитоплазму с помощью специальных переносчиков. В цитоплазме малат вновь превращается цитоплазматической малатдегидрогеназой в оксалоацетат, который в свою очередь превращается в фосфоенолпируват. Все последующие реакции глюконеогенеза (рисунок 22) протекают в цитозоле.

У человека и животных глюконеогенез осуществляется в основном в печени, но менее интенсивно он протекает также в корковом веществе почек и слизистой кишечника. Образованная в ходе глюконеогенеза глюкоза уходит в кровь, откуда доставляется к другим тканям.

Глюконеогенез является обязательной частью цикла Кори, кроме того, этот процесс может быть использован для превращения пирувата, образованного при дезаминировании аминокислот аланина и серина.

Цикл Кори – совокупность биохимических процессов транспорта лактата из мышц в печень и дальнейшего синтеза глюкозы из лактата, при участии ферментов глюконеогенеза.

Глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно: если клетка снабжена энергией в достаточной степени, то гликолиз приостанавливается и запускается глюконеогенез; напротив, при активизации гликолиза происходит приостановление глюконеогенеза.

Суммарное уравнение глюконеогенеза выглядит следующим образом:

2 Пируват + 4ATФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2H⁺ + 4H₂O → глюкоза + 4AДФ + 2ГДФ + 6 Н₃РО₄ + 2НАД⁺

При этом реакции глюконеогенеза не являются обратными реакциям гликолиза, т.к. некоторые превращения идут обходными путями (рисунок 22).

На каждую молекулу глюкозы, образовавшуюся из пирувата, необходимо 6 высокоэнергетичных фосфатных групп, донорами для четырех из них является ATФ и для двух – ГТФ. Кроме того, для восстановления двух молекул 1,3-дифосфоглицерата необходимы 2 молекулы НАДH. В то же время для гликолиза нужны лишь 2 молекулы ATФ. По этой причине синтез глюкозы из пирувата является затратным процессом. Большая часть затрачиваемой энергии обеспечивает необратимость глюконеогенеза. В клеточных условиях суммарное изменение энергии Гиббса при гликолизе составляет -85 кДж/моль, а при глюконеогенезе соответствует -16 кДж/моль. Таким образом, в клеточных условиях и гликолиз, и глюконеогенез необратимы.

Синтез дисахаридов. Долгое время предпринимались безуспешные попытки доказать, что синтез дисахаридов представляет собой реакцию обратную реакции их гидролиза. Однако, несмотря на многочисленные эксперименты такого рода, никто не сумел подобрать условия, при которых удалось бы направить вспять реакцию гидролиза, например, сахарозы, протекающую при участии фруктофуранозидазы (сахараза).

Оказалось, что биосинтез дисахаридов осуществляется путем реакций трансгликозилирования. Перенос гликозильного остатка на один моносахарид идет с фосфорного эфира другого моносахарида и ускоряется специфической гликозилтрансферазой.

Процесс трансгликозилирования может осуществляться двумя путями, при этом один из моносахаридов обязательно находится в виде фосфорного эфира:

Исходными соединениями, с которых гликозильный остаток энергично переносится на моносахарид, служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара), и это основной путь синтеза дисахаридов.

Они были открыты Л. Лелуаром с сотрудниками (1950) и очень быстро привлекли к себе внимание как наиболее вероятные метаболиты в биосинтезе углеводов. В настоящее время известно свыше 50 представителей НДФ-сахаров. Ясна и причина их особого значения в качестве доноров гликозильных остатков: при гидролизе НДФ-сахаров изменение уровня свободной энергии значительно выше, чем при гидролизе других доноров, а нуклеотидная часть их молекул способна обеспечить избирательность гликозилтрансферазной реакции.

Тип азотистого основания нуклеозиддифосфатов зависит от переносимого моносахарида, так для глюкозы это урацил. Например, при синтезе сахарозы специфический фермент сахарозосинтаза ускоряет реакцию переноса остатка глюкозы с уридиндифосфатглюкозы (УДФ-глюкоза) на фруктозу, поэтому второе название фермента – УДФ-глюкоза: D-фруктоза 2-глюкозилтрансфераза. Этот фермент представлен четырьмя субъединицами и имеет молекулярную массу около 405 000 Да.

Долгое время считали, что именно так синтезируется сахароза в растениях (животные не синтезируют сахарозу, а лишь используют ее). Однако оказалось, что эта реакция ввиду ее обратимости служит для поддержания равновесия между сахарозой и УДФ-глюкозой и даже используется для наработки УДФ-глюкозы во время ее энергичного использования для биосинтеза крахмала и гликогена.

Синтез олиго- и полисахаридов. Подобен синтезу дисахаридов и идет путем трансгликозилирования. Полная аналогия существует и в характере субстратов, с которых переносятся гликозильные остатки на конец растущей цепи полисахарида. Ими могут быть фосфорные эфиры моноз, НДФ-сахара и олигосахариды. Реакции переноса остатков моносахаридов в процессе биосинтеза полисахаридов ускоряются соответствующими гликозилтрансферазами. Приведем несколько примеров.

Синтез амилозы, целлюлозы и подобных им 1,4-глюканов может происходить путем переноса гликозильных остатков с глюкозо-l-фосфата или аналогичных фосфорных эфиров моносахаридов. Эта реакция представляет собой обращение реакции фосфоролиза указанных соединений. Однако более существенное значение имеет другой путь: биосинтез из НДФ-сахаров при участии соответствующих трансгликозидаз.

Необходимо отметить, что перенос гликозильного остатка идет на невосстанавливающий конец молекулы синтезируемого полисахарида. Эта реакция может повторяться многократно, что обеспечивает ступенчатый синтез молекул полисахаридов, содержащих огромное число остатков моносахаридов. Характерная особенность реакций такого типа состоит в необходимости затравки, т.е. наличия в реакционной среде небольшого количества молекул полисахарида (например, глюкана). Он как бы предопределяет тот тип связи, который возникает в процессе трансгликозилирования, и, следовательно, синтезируется полисахарид, одноименный с «затравочным».

Таким образом, полисахарид стал длиннее исходного на 1 моносахарид.

Установлено, что при биосинтезе различных полисахаридов субстратами (а точнее, коферментами соответствующих трансгликозидаз) служат разные НДФ-сахара. Так, целлюлоза образуется с помощью гуанозиндифосфатглюкозы, полисахарид дрожжей (маннан) с помощью гуанозиндифосфатманнозы и т.д.

В связи с этим по-новому встает вопрос о специфичности реакции биосинтеза полисахаридов. Нуклеотидная часть НДФ-сахаров – это, по мнению Н. К. Кочеткова, «рукоятка», при помощи которой фермент располагает определенный сахар в нужном для осуществления реакции положении; она нужна также для «узнавания» гликозилтрансферазой соответствующего НДФ-сахара.

Конкретным представителем гликозилтрансфераз этого типа может служить гликогенсинтетаза. Она открыта Л. Лелуаром (1957) в печени крысы, а сейчас обнаружена у многих животных и микроорганизмов.

Донором гликозильных остатков при синтезе полисахаридов могут служить и олигосахариды:

В данном случае полисахарид стал длиннее на х-звеньев олигосахарида.

Изучены реакции переноса остатков глюкозы на растущий конец цепи синтезируемого полисахарида с мальтозы, сахарозы и других олигосахаридов. Реакция аналогична описанной выше. Однако разнообразие типов связей, которые могут возникать при переносе гликозильных остатков с олигосахаридов на новообразуемый полисахарид, гораздо больше.

Здесь перенос может идти не только на четвертый (С–4), но и на шестой (С–6) углеродный атом остатка моносахарида, что обеспечивает синтез 1,6-глюканов, а возможно, и полисахаридов разветвленного строения.

3.10 Нарушения углеводного обмена

При некоторых состояниях можно наблюдать повышение содержания глюкозы в крови – гипергликемию, а также понижение концентрации глюкозы – гипогликемию. Гипергликемия является довольно частым симптомом различных заболеваний, прежде всего связанных с поражением эндокринной системы.

Гипергликемия. Это клинический симптом, обозначающий повышение содержания глюкозы в крови по сравнению с нормой (выше 6,1 ммоль/л). Наиболее часто развивается у больных сахарным диабетом, также наблюдается при гипертиреозе, повышении гормональной активности коры и мозгового слоя надпочесников, гипофиза, при сильных эмоциональных и психических возбуждениях, при одномоментном приеме лугкоусвояемых углеводов.

Сахарный диабет. В регуляции гликолиза и глюконеогенеза большую роль играет инсулин. При недостаточности содержания инсулина возникает заболевание, которое носит название «сахарный диабет»: наблюдается гипергликемия, появляется глюкоза в моче (глюкозурия) и уменьшается содержание гликогена в печени. Мышечная ткань при этом утрачивает способность утилизировать глюкозу крови. В печени при общем снижении интенсивности биосинтетических процессов: биосинтеза белков, синтеза жирных кислот из продуктов распада глюкозы – наблюдается усиленный синтез ферментов глюконеогенеза. При введении инсулина больным диабетом происходит коррекция метаболических сдвигов: нормализуется проницаемость мембран мышечных клеток для глюкозы, восстанавливается соотношение между гликолизом и глюконеогенезом. Инсулин контролирует эти процессы на генетическом уровне как индуктор синтеза ключевых ферментов гликолиза: гексокиназы, фос-фофруктокиназы и пируваткиназы. Инсулин также индуцирует синтез гли-когенсинтазы. Одновременно инсулин действует как репрессор синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза. Следует отметить, что индукторами синтеза ферментов глюконеогенеза служат глюкокортикоиды.

Гипогликемия. Это патологическое состояние, характеризующиеся снижением концентрации глюкозы в крови ниже нормы 3,3 ммоль/л. Нередко гипогликемия связана с понижением функций тех эндокринных желез, повышение функций которых приводит, как отмечалось, к гипергликемии. Резкое снижение уровня глюкозы в крови отмечается при аденомах поджелудочной железы вследствие повышенной продукции инсулина β-клетками панкреатических островков. Кроме того, гипогликемия может быть вызвана голоданием, продолжительной физической работой. Низкий уровень глюкозы в крови иногда отмечается при беременности, лактации. Гипогликемия может возникнуть при введении больным сахарным диабетом больших доз инсулина. Как правило, она сопровождает почечную глюкозурию, возникающую вследствие снижения «почечного порога» для глюкозы.

Глюкозурия. Обычно присутствие глюкозы в моче (глюкозурия) является результатом нарушения углеводного обмена вследствие патологических изменений в поджелудочной железе (сахарный диабет, острый панкреатит и т.д.). Реже встречается глюкозурия почечного происхождения, связанная с недостаточностью резорбции глюкозы в почечных канальцах. Как временное явление глюкозурия может возникнуть при некоторых острых инфекционных и нервных заболеваниях, после приступов эпилепсии, сотрясения мозга. Отравления морфином, стрихнином, хлороформом, фосфором также обычно сопровождаются глюкозурией. Наконец, необходимо помнить о глюкозурии алиментарного происхождения, глюкозурии беременных и глюкозурии при нервных стрессовых состояниях (эмоциональная глюкозурия).

Гликогенозы. Ряд наследственных болезней связан с нарушением обмена гликогена. Эти болезни получили название гликогенозов. Они возникают в связи с дефицитом или полным отсутствием ферментов, катализирующих процессы распада или синтеза гликогена, и характеризуются избыточным его накоплением в различных органах и тканях. Гликогеноз I типа (болезнь Гирке) встречается наиболее часто, обусловлен наследственным дефектом синтеза фермента глюкозо-6-фосфатазы в печени и почках. Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Патологические симптомы появляются уже на первом году жизни ребенка: увеличена печень, нередко увеличены почки. В результате гипогликемии появляются судороги, задержка роста, возможен ацидоз. В крови – повышенное количество лактата и пирувата.

---