Файл: КЛ_углев_об.doc

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов, катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только один из двух образующихся триозофосфатов, а именно – глицеральдегид-3-фосфат. Вследствие этого по мере потребления в ходе дальнейших превращений альдегидной формы фосфотриозы, дигидроксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат, т.е. дальнейшему окислению подвергается 2 молекулы фосфотриозы.

Образованием глицеральдегид-3-фосфата завершается первая стадия гликолиза.

Вторая стадия включает в себя окислительно-восстановительную реакцию, сопряженную с субстратным фосфорилированием, в процессе которого образуется АТФ.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы (класс оксидоредуктазы), кофермента НАД⁺и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-бисфосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАДН:

1,3-бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой (класс трансферазы), при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты:

Данная реакция является реакцией субстратного фосфорилирования.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы под действием фермента фосфоглицеромутазы (класс изомеразы).

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой (класс лиазы):

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэнергетической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ (субстратное фосфорилирование).

Катализируется ферментом пируваткиназой (класс трансферазы):

Далее пути аэробного и анаэробного окисления расходятся.

В анаэробных условиях дальнейшие превращения пирувата приводят к образованию продуктов брожения.

В общем виде схема гликолиза имеет вид (рис.1).

3. Спиртовое брожение

Превращение пировиноградной кислоты в этанол идет в двух последовательных реакциях. В первой происходит ее декарбоксилирование:

Реакция катализируется пируватдекарбоксилазой (класс лиазы), которая содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат (ТПФ), активную форму витамина В₁.

Вторая реакция состоит в восстановлении ацетальдегида в этанол за счет НАДН:

Реакция катализируется алкогольдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы), коферментом которой является НАДН.

В данной реакции используется тот НАДН, который образовался при гликолизе в шестой реакции, при этом регенерируется НАД⁺. Суммарная реакция спиртового брожения:

Спиртовое брожение является важнейшей стадией в технологии хлеба,спирта, пива, вина.

Рис.1 Схема гликолиза

3. Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение отличается от спиртового тем, что пировиноградная кислота не декарбоксилируется как при спиртовом брожении, а непосредственно восстанавливается лактатдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы) с участием НАДН, образовавшегося при гликолизе в шестой реакции:

Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат:

Молочнокислое брожение является основной стадией в производстве ржаного хлеба, в консервировании овощей и плодов, в изготовлении кисломолочных продуктов.

Молочнокислое брожение играет большую роль в засолке огурцов и помидоров, квашении капусты, мочке яблок. Молочная кислота является консервирующим фактором, предотвращающим развитие посторонней, особенно гнилостной, микрофлоры, придает продукту специфический вкус и аромат.

3. Биоэнергетика анаэробного разложения углеводов

В процессе гликолиза затрачиваются две молекулы АТФ. Это реакции: первая – образования глюкозо-6-фосфата и третья – фруктозо-1,6-бисфосфата. В двух реакциях синтезируется АТФ за счет субстратного фосфорилирования. Это реакции образования глицерат-3-фосфата (см. реакцию 7) и ПВК (реакция 10). Поскольку в ходе гликолиза каждая молекула гексозы расщепляется на 2 трехуглеродных фрагмента, то, следовательно, в этом процессе синтезируются 4 молекулы АТФ. В шестой реакции (окисления глицеральдегид-3-фосфата) образуется 2 молекулы НАДН₂, которые в дыхательной цепи дадут 6 молекул АТФ. Итого в процессе гликолиза синтезируется 4+6–2=8 молекул АТФ. При образовании этилового спирта или молочной кислоты НАДН₂затрачивается на восстановление уксусного альдегида и ПВК соответственно. Поэтому выход АТФ при спиртовом или молочнокислом брожении глюкозы составит 4+6–2––6=2 молекулы АТФ.

5.2.6 Аэробное окисление

Клетки, недостаточно снабжаемые кислородом, могут частично или полностью существовать за счет энергии гликолиза. Однако большинство животных и растительных клеток в норме находятся в аэробных условиях. В этих условиях пируват, образовавшийся при расщеплении глюкозы, не восстанавливается до лактата, а постепенно окисляется до СО₂и Н₂О в аэробной стадии катаболизма, при этом первоначально происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

5.2.6.1 Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пвк)

Окисление ПВК до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название «пируватдегидрогеназный комплекс».

Процесс окислительного декарбоксилирования ПВК происходит в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе пируватдегидрогеназного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилдегидрогеназа и дигидролипоилацетилтрансфераза) и 5 коферментов (тиаминпирофосфат (ТПФ (витамин В₁)), амид липоевой кислоты, коэнзим А (СоА (витамин В₃)), ФАД (флавинадениндинуклеотид (витамин В₂)),НАД⁺(никотинамидадениндинуклеотид (витамин РР)).

Суммарную реакцию, катализируемую пируватдегидрогеназным комплексом, можно представить следующим образом:

Образовавшийся в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-СоА окисляется далее в цикле трикарбоновых кислот с образованием СО₂и АТФ.

5.2.6.2 Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса).

Этот цикл известен также под названием цикла лимонной кислоты или цикла Кребса в честь Г. Кребса, определившего последовательность реакций цикла. За это открытие Кребс получил в 1953 году Нобелевскую премию.

Хотя цикл трикарбоновых кислот мы рассматриваем во взаимосвязи с катаболизмом углеводов, однако его роль в метаболизме веществ гораздо шире.

Цикл Кребса выполняет следующие функции:

1. Интегративную – объединяет пути катаболизма углеводов, жиров, белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.

2. Амфиболическую – выполняет не только катаболическую функцию распада ацетильных остатков, но и анаболическую, поскольку субстраты цикла используются для синтеза других веществ;

3. Энергетическую – совместно с цепью переноса электронов является основным поставщиком химической энергии в форме АТФ.

Реакции цикла протекают в матриксе митохондрий и представляют восемь последовательных превращений.

Первая реакция цикла начинается с конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота.

Реакция катализируется цитрат-синтазой (класс лиазы):

В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидрагированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную (изоцитрат). Обратимые реакции гидратации-дегидратации катализирует фермент аконитаза (класс лиазы):

Третья реакция лимитирует скорость цикла Кребса. Изолимонная кислота дегидрируется в присутствии НАД–зависимой дегидрогеназы ( класс оксидоредуктазы):

Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование -кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-СоА.

Механизм этой реакции сходен с механизмом реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. -кетоглутаратдегидроге-назный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс (см. пируватдегидрогеназный комплекс):

Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-СоА-синтетазой (класс лигазы):

Данная реакция является реакцией субстратного фосфорилирования, т.к. за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ.

В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой (класс оксидоредуктазы), простетической группой при этом является ФАД.

Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратгидратазы (класс лиазы):

В ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление яблочная кислоты в оксалоацетат: