Катобалические пути

  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 (фосфо-фруктокиназы) 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

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

сторону образования глицеральдегид-3-фосфата, поскольку он все время выводится из реакционной смеси, претерпевая дальнейшие превращения. Глицеральдегид-3-фосфат служит субстратом первого субстратного фосфорилирования.

  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 субстрат-ферментный 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 (b) (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 ами-

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

нокислот. Рибозо-5-фосфат служит субстратом для  синтеза азотистых оснований и некоторых аминокислот.

  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.