4.2.4. Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении. Синтез сахаров при обращении гликолиза называется глюконеогенезом.

Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза:

гликолиз

Г люкоза пируват

Глюконеогенез

Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые киназами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с помощью других ферментов и реакций (см.рис.4.3). Для того, чтобы обратить реакцию, катализируемую пируваткиназой, и получить из пирувата ФЕП, необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозоля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при участии пируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12 ) с образованием оксалоацетата (ОАА). В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата ( 13 ) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, которая идет в направлении синтеза малата, так как соотношение НАДН\НАД⁺ в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется до ОАА (14). И, наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависимой реакции (15), катализируемой ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1.6.-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (16 и 17), катализируемых гексокиназой и фосфофруктокиназами достигается при действии соответствующих фосфатаз. Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза возможен синтез сахарозы при участии сахарозо-синтазы ( см.»фотосинтез»). Таким образом, в метаболизме растений существует способ синтеза сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семянах тех растений, в которых запасными соединениями являются жиры (см.4..9).

4.2.5. В цикле трикарбоновых кислот образуются восстановительные эквиваленты, атф и со2.

В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энергии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюкоза. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СО₂.

Сначала окисление пирувата катализирует сложный пируват-дегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис.4.4.). В его состав входят три фермента ( пируватдегидрогеназа, дигидролипоилтрансацетилаза и дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат=витамин В1, липоевая кислота, НАД⁺, ФАД , и коэнзим А).

В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоАSH) – сложная молекула, в составе которой есть активная SH-группа. Коэнзим А функционирует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментативных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле ацетилСоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата (1) пируват-дегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД⁺ до НАДН, отщеплением СО₂ и образованием ацетил-СоА. Ацетил СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестящих работ, выполненных в лаборатории английских биохимиков Кребса и Джонсона в 30-тых годах ХХ века на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК- универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных организмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.

Первой реакцией цикла можно считать реакцию конденсации ацетилСоА с оксалоацетатом с образованием цитрата (1), катализируемую цитратсинтазой. (см.рис.4.4).

Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сначала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализируются одним ферментом - аконитазой. Далее следуют две реакции окислительного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД⁺ и выделением СО₂. Сначала НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа окисляет изоцитрат (4) с образованием -кетоглутарата, СО₂ и НАДН . Эта самая медленная реакция, которая определяет скорость оборота всего цикла. Образованный -кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению

-кетоглутарат-дегидрогеназным комплексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО₂ и сукцинил-СоА. Далее сукцинилСоА-синтетаза катализирует превращение сукцинилСоА в сукцинат (6), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинилСоА . Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ( животные).

Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фермент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи – Комплекс II. В ходе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, которая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДН₂ прямо уходят в дыхательную цепь. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа - это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи. Далее фумараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И, наконец, цикл замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Эта третья реакция цикла, в которой генерируются НАДН. Хотя данная реакция является легко обратимой, in vivo ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Это происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетилСоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя большинство реакций цикла обратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и сукцинилСоА-синтетазой, являются физиологически необратимыми и контролируют направление цикла.

Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисление глюкозы, начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СО₂ . Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, 1 молекулы ФАДН₂, и синтезом одной молекулы АТФ.

Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ. Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхательной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДН₂ – двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. 4. 10). При полном окислении глюкозы 2 НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8 НАДН и 2 ФАДН₂ в матриксе при окислении двух молекул пирувата. При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фофорилирования (2АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра является достаточно приблизительной и, скорее всего, завышенной. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН может быть меньше 3 ( см.4.3.7)