Реакции второй стадии гликолиза, их физиологическая значимость.

При участии альдолазы неустойчивая молекула Ф_р-1,6-ДФ распадается на две триозы (дихетомический путь): 3-фосфоглицириновый альдегид и диоксиацетонфосфат. Отметим, что соответствующие им нефосфорилированные триозы в свободной виде в клетке не обнаружены.Альдолаза – очень распространенный фермент, который участвует в фотосинтезе, где он работает в обратном направлении: катализирует конденсацию фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона до фруктоза-6-фосфата.Таким образом, фосфоглицериновый альдегид и диоксиацетонфосфат – промежуточные продукты и дыхания и фотосинтеза.Молекула диоксиацетонфосфата затем также превращается в молекулу фосфоглицеринового альдегида. Мы можем считать, что в процессе образуются две молекулы фосфоглицеринового альдегида и поэтому дальнейшие гликолитические превращения идут с коэффициентом 2.Образовавшийся 3-фосфоглицириновый альдегид окисляется до 1,3-дифосфоглицириновой кислоты под воздействием дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида, коферментом которой является НАД⁺. Суть данной реакции состоит в том, что альдегид окисляется до кислоты. Однако кислород в этой реакции не участвует. Окисление происходит в результате дегидрирования – потери водорода, который присоединяется к НАД⁺, в результате чего последний восстанавливается.

1,3-Дифосфоглицириновая кислота при участии фосфоглицераткиназы передает один фосфорный остаток АДФ и образуется АТФ и 3-фосфоглицириновая кислота (3-ФГК).В данном случае ярко выявляется явление, которое называется в биоэнергетике сопряжением. Синтез АТФ из АДФ сопряжен с окислением альдозы до кислоты. Рассмотренный путь синтеза АТФ называется субстратным фосфорилированием. Далее, 3-ФГК при воздействии фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицириновую кислоту (2-ФГК).

Образовавшаяся 2-ФГК при участии енолазы (фосфопируватгидротаза) преобразуется в фосфоенолпируват, при этом молекула 2-ФГК отдает воду, а в остатке фосфорной кислоты возникает высокоэнергетическая связь.

Заканчивается гликолиз переносом фосфатной группы на АДФ и образованием пирувата. Реакцию катализирует пируваткиназа.Все реакции, происходящие при гликолизе, можно представить в следующем виде:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2СН₃СОСООН + 2НАДН + 2Н⁺ + 2АТФ

Во время гликолиза – первой фазы дыхания при распаде молекулы глюкозы на две молекулы пирувата (ПВК) образуется 4 молекулы АТФ. Однако 2 молекулы АТФ используются вначале процесса для активации глюкозы, таким образом, в клетке запасаются только 2 молекулы АТФ. Одновременно на этой фазе дыхания при активации ФГА до ФГК образуются две молекулы НАДН.

Гликолиз происходит в гиалоплазме и ядре. Для него не нужен О₂. Это анаэробная стадия дыхания. В чем физиологический смысл гликолиза?У аэробных организмов гликолиз является первым, подготовительным этапом дыхания. В процессе гликолиза происходит медленное выделение энергии, часть которой запасается в макроэргических связях синтезируемых молекул АТФ и может использоваться для работы клетки.

Гликолиз обеспечивает клетку промежуточными метаболитами, из которых могут синтезироваться нуклеиновые кислоты, белки, жиры и углеводы. Например, пировиноградная кислота может аминироваться с образованием аланина – аминокислоты необходимой для синтеза белков.В какой-то степени гликолиз способен регулировать ход других физиологических процессов в клетке. Можно привести такой пример. Образование из каждой молекулы гексозы двух молекул триоз может увеличить осмотический потенциал вакуолярного сока, что повлияет, в свою очередь, на поступление воды в клетку.

Гликолиз – физиологически наиболее давний способ получения свободной энергии. Для своего осуществления ему не нужны специальные органеллы, и предполагают, что его реакции как-то связаны с мембранами ЭР.Еще одной особенностью гликолиза является то, что его реакции образуют линейную последовательность, а не цикл, поэтому они менее саморегулируемы (нет обратной связи).

Образование ацетил-СоА, его участие в метаболизме. Общая схема и суммарное уравнение цикла Кребса (трикарбоновых кислот).

В аэробных условиях главный путь преобразования ПВК – окислительное декарбоксилирование при помощи пируватдегидрогеназного мультиферментного комплекса, составной частью которого является коэнзим А (СоА или СоА-SH). В результате образуется ацетил-СоА. Окисление пирувата и образование ацетил-СоА (активированной уксусной кислоты) – очень сложный процесс, рассматриваемый подробно в курсе биохимии. Ограничимся суммарным выражением этого процесса:СН₃СОСООН + НАД⁺ + СоА-SH →СН₃СО ~ S-СоА + НАДН + Н⁺ + СО₂

В молекуле ацетил-СоА (СН₃СО ~ S-СоА) тиоловая группа участвует в образовании эфирной связи уксусной кислоты. Тиоэфирная связь относится к высокоэнергетическим связям.Рассмотренный путь образования ацетил-СоА является главным, но не единственным. Ацетил-СоА может образовываться при окислении аминокислот и жирных кислот. Это значит у высших растений дыхательным субстратом могут быть все основные запасенные вещества: углеводы, белки, жиры. В анаэробных условиях пируват вступает в реакции брожжения. При брожжении, в основном спиртовом, пируват декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида при участии карбоксилазы, а затем восстанавливается до этилового спирта ферментом алкагольдегидрогеназой:СН₃СОСООН → СН₃СОН + СО₂

СН₃СОН + НАДН + Н⁺ → СН₃СН₂ОН + НАД⁺.

Ни одна из реакций не сопровождается ни образованием АТФ, ни восстановлением коферментов. Образовавшийся во время гликолиза НАДН растрачивается на восстановление уксусного альдегида.В последние годы выявлено молочно-кислое брожжение. В этом случае из одной молекулы гексозы образуются две молекулы молочной кислоты: С₆Н₂О₆ → 2СН₃СНОН СООН. Таким образом, основная функция брожжения заключается в регенерации НАД⁺ и обеспечения гликолитических процессов окисленной формой кофермента в аэробных условиях. В аэробных условиях образовавшийся ацетил-СоА вступает в цикл Кребса. В цикле Кребса после реакций отнятия и присоединения воды, декарбоксилирования и дегидрирования ацетильный остаток, поступивший в цикл в виде ацетил-СоА, полностью расщепляется. Суммарная реакция записывается в следующем виде: СН₃СО ~ S-СоА + 3Н₂О + АДФ + Н₃РО₄ → НS-СоА + 2СО₂ + 4[Н₂] + АТФ

Цикл Кребса проходит одинаково у животных и растений. Это является еще одним доказательством единства происхождения. Цикл происходит в строме митохондрий. Рассмотрим его подробней: Первая реакция цикла – перенос ацетильного остатка от ацетил-СоА на щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрат)

В ходе реакции, катализируемой цитратсинтазой, растрачивается макроэргическая связь ацетил-СоА, т. е. та энергия, какая была занесена в процессе окисления пирувата перед началом цикла. Это значит, как и гликолиз, цикл Кребса начинается не с запасания энергии в клетке, а с расходования. Подчеркнем, что цепь преобразований, образующих этот цикл и направленных, в конечном счете, на разрушение углеродного состава рядя кислот, начинается с их увеличения: двухуглеродный фрагмент (уксусная кислота) присоединяется к четырехугольному фрагменту ЩУК с образованием шестиуглеродной трикарбоновой кислоты цитрата, которая может запасаться в клетках в больших количествах.

Таким образом, цикл Кребса – процесс каталитический и начинается не с катаболизма (разрушения), а с синтеза цитрата. Цитратсинтетаза, катализирующая эту реакцию, относится к регуляторным ферментам: она ингибируется НАДН и АТФ. НАДН – конечный продукт, в форме которого запасается энергия, освобождаемая в процессе дыхания. Чем активней цитратсинтетаза, тем быстрей пойдут и другие реакции цикла, быстрей пойдет дегидрирование веществ с образованием НАДН. Однако увеличение количества последнего вызывает ингибирование фермента, и цикл затормозится. Это пример реакции по принципу обратной связи. Следующая серия реакций – преобразование цитрата в активную изолимонную кислоту (изоцитрат). Она протекает при участии воды и по сути сводится до внутримолекулярного преобразования лимонной кислоты. Промежуточным продуктом этого преобразования является цис-аконитовая кислота. Катализируются обе реакции аконитатгидротазой. Затем изоцитрат дегидрируется с участием изоцитратдегидрогеназы, коферментом которой является НАД⁺. В результате окисления образуется щавелево-янтарная кислота (оксалосукцинат). Последняя кислота декарбоксилируется. Отсоединяющийся СО₂ принадлежит ацетильному остатку, вступившему в цикл в виде ацетил-СоА. В результате декарбоксилирования образуется очень активная α-кетоглутаровая кислота (кетоглутарат). α-Кетоглутарат, в свою очередь, подвергается тем же изменением, которые происходят перед началом цикла с пируватом: одновременное окисление и декарбоксилирование.В реакции принимает участие α-кетоглутарат дегидрогеназный комплекс: α-кетоглутарат + НАД⁺ + СоА–SН →сукцинил-S-СоА + СО₂ + НАДН + Н⁺ → сукцинил–S–СОА + АДФ + Н₃РО₄ → янтарная кислота + АТФ + СоА–SН

Освободившийся СО₂ является другой частицей, которая отщепляется от ацетильного остатка. Образовавшийся в результате этих сложных преобразованием янтарная кислота (сукцинат) вновь дегидрируется, и образуется фумаровая кислота (фумарат). Реакция происходит с помощью сукцинатдегидрогеназы. Фумарат после присоединения молекулы воды легко преобразуется в яблочную кислоту (малат). В реакции принимает участие фумаратгидротаза. Яблочная кислота, окисляясь, преобразуется в ЩУК при участии НАД⁺ – специфической малатдегидрогеназы.Напомним, что ЩУК конечный продукт цикла Кребса – образуется и при фотосинтезе С₄-растений (цикл Хетча – Слека) при карбоксилировании ФЕП на свету, и в темноте у растений типа САМ.Таким образом, цикл Кребса заканчивается и может начинаться сначала. Одно условие – подача новых молекул ацетил-СоА. Главное значение цикл Кребса состоит в запасании энергии, которая освобождается в результате разрушения пирувата, в макроэргических связях АТФ. Поставляя в клетку АТФ, цикл Кребса может являться регулятором других процессов, идущих с затратой энергии, таких как транспорт воды и солей, синтез и транспорт органических веществ. Чем быстрей проходит преобразование веществ в цикле, тем больше может синтезироваться АТФ, тем быстрей пойдут указанные процессы.