7. Катаболические превращения

7.1. Гликолиз

Самым древним метаболическим процессом можно считать гликолиз, заключающийся в получении энергии за счёт расщеплении сахаров до более простых молекул без участия кислорода. Процесс гликолиза харак-терен для всего живого, и отдельные его элементы, различающиеся меха-низмами регуляции и скоростью, присутствуют в любой живой клетке.

Центральный метаболический путь гликолиза завершается образова-нием из глюкозы двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата). В аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксили-рованию с образованием ацетатного остатка, а в анаэробных условиях пировиноградная кислота (пируват) восстанавливается до молочной кис-лоты (лактата) или же после декарбоксилирования, протекающего с образованием ацетальдегида, превращается в спирт (в клетках дрожжей при отсутствии кислорода).

Расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты сопровождается образованием двух молекул АТФ (АТР):

Если рассчитать изменение свободной энергии в этой системе, то окажется, что в результате превращения глюкозы в два моля лактата выде-ляется около 47 ккал/моль, тогда как образование двух молекул АТФ из АДФ и фосфата требует затрат энергии около 29 ккал/моль. Экзотермичес-кий эффект, равный 18 ккал/моль, делает этот процесс необратимым, хотя, конечно, с включением обходных путей становится возможным и энергозатратный глюконеогенез (см. с. 183-187).

Гликолиз начинается с фосфорилирования концевой гидроксильной группы глюкозы действием АТФ при катализе АТФ-гексозо-6-фосфат-трансферазой (гексокиназой):

Если в этот катаболический процесс включается гликоген или крах-мал, то 6‑фосфоглюкоза образуется в результате изомеризации 1-фосфо-глюкозы, отщепившейся от концевого гексозного остатка (см. с. 130). Изомеризация 1-фосфоглюкозы в 6-фосфоглюкозу идёт в присутствии фосфоглюкомутазы:

Затем фермент глюкозофосфатизомераза вызывает превращение 6‑фосфоглюкозы в 6‑фосфофруктозу, например:

Далее АТФ с участием фосфофруктокиназы фосфорилирует 6-фосфо-фруктозу с образованием 1,6-дифосфофруктозы:

Теперь дифосфорилированная фруктоза может разложиться на два трёхуглеродных карбонильных соединения – фосфат глицеринового аль-дегида и фосфат диоксиацетона – в результате реализации обратного хода реакции альдольной конденсации:

Это превращение осуществляется при катализе фруктозодифосфат-альдолазой, относящейся к лиазам.

В дальнейшие превращения включается только фосфат глицеринового альдегида, однако фосфат диоксиацетона может превращаться в фосфат глицеринового альдегида в присутствии триозофосфатизомеразы:

Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа дегидрирует фосфат глицери-нового альдегида в фосфат глицериновой кислоты. Катализируемый этим ферментом процесс состоит из ряда превращений. Сначала фосфат глице-ринового альдегида присоединяется альдегидной группой к находящейся в активном центре фермента сульфгидрильной группе (Е-SH) с образова-нием полутиоацеталя:

Затем идёт реакция дегидрирования с участием NAD⁺, а регенерация свободного фермента происходит в результате реакции ацидолиза: образо-вавшийся тиоэфир расщепляется фосфорной кислотой с образованием смешанного ангидрида фосфорной и фосфоглицериновой кислоты:

Макроэргическая ангидридная связь в этом соединении переносится на аденозиндифосфат (фосфоглицераткиназа), и конечным результатом становится образование фосфоглицерата и одной молекулы АТФ с генерированием восстановительного потенциала (NADH + H⁺):

Теперь фосфоглицератмутаза (изомераза) переносит фосфатный оста-ток на соседнюю гидроксильную группу:

а фермент енолаза (отщепление воды, лиаза) превращает это вещество в фосфат енольной формы пировиноградной кислоты (фосфоенолпируват):

На следующей стадии пируваткиназа переносит макроэргическую связь фосфата (около 62 кДж/моль) енольной формы пировиноградной кислоты на аденозиндифосфат с образованием пировиноградной кислоты и аденозинтрифосфата:

В анаэробных условиях и при недостатке в клетках кислорода пиро-виноградная кислота гидрируется восстановительным потенциалом, обра-зовавшимся на стадии превращения фосфата глицеринового альдегида в фосфат глицериновой кислоты, и конечным продуктом гликолиза стано-вится молочная кислота:

Осуществляющий это превращение фермент лактатдегидрогеназа назван по обратной реакции превращения лактата в пируват. Так обеспе-чивают себя энергией разные молочнокислые бактерии и мышцы живот-ных при недостатке кислорода. Отложения молочной кислоты в нетрени-рованных мышцах вызывают известные всем болевые ощущения на следующий после интенсивной нагрузки день.

Энергетический выход гликолитического превращения глюкозы неве-лик: из одной молекулы глюкозы получается две молекулы АТФ. Если же процесс начинался с концевого глюкозидного остатка гликогена или крах-мала, то энергетический выход увеличится в полтора раза (до трёх молекул АТФ). Правда, эта, казалось бы, дополнительная, молекула АТФ была за-трачена на образование глюкозидной связи в полисахариде, т.е. истинный энергетический выход всё равно сводится к двум молекулам АТФ.

Не увеличивается выход АТФ и в процессе брожения. В дрожжевых клетках при отсутствии кислорода воздуха (они факультативные анаэробы) образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота подвергается декарбоксилированию до уксусного альдегида, и только после этого в про-цесс включается NADH и образуется этиловый спирт. Декарбоксилирова-ние пирувата идёт на ферментах, в работе которых в качестве кофермента принимает участие тиаминпирофосфат (ТРР):

Карбонильная группа пировиноградной кислоты присоединяется к тиазольному циклу тиаминпирофосфата (ТРР), а образовавшийся аддукт декарбоксилируется и разлагается на тиаминпирофосфат и ацетальдегид:

После этого образовавшийся на стадии дегидрирования глицеральде-гидфосфата NADH восстанавливает ацетальдегид до этилового спирта.