Образование углеводов в процессах фотосинтеза и хемосинтеза

Фотосинтез. Фотосинтез — это совокупность процессов, в ходе которых запасается солнечная энергия в виде химических связей органических соединений, синтезируемых из неорганических веществ.

Рис. 15. Строение хлорофилла а: I—IV — пиррольные циклы; пунктиром показаны координационные связи

Фотосинтез состоит из двух фаз: световой (фотофизический и фотохимический этапы) и темновой. В ходе световой фазы происходит поглощение солнечной энергии хлорофиллом и передача ее в «реакционный центр», где в результате химических реакций, включающих транспорт электронов между различными переносчиками и сопряженного с ним фосфорилирования, образуются восстановительные и энергетические эквиваленты (НАДФН и АТФ). Для нормального функционирования реакций световой фазы кроме света необходимы хлорофилл и вода (или другой источник водорода). Различные хлорофиллы способны поглощать кванты света с определенной длиной волны и переходить при этом в возбужденное состояние. Переход в исходное состояние приводит к высвобождению энергии, которая через ряд промежуточных стадий запасается в форме АТФ и НАДФН.

Все известные в настоящее время фотосинтезирующие организмы содержат хлорофиллы — зеленые магнийпорфириновые пигменты. Известно свыше десяти их видов, различающихся природой химических группу присоединенных к пиррольным структурам порфиринового ядра, окраской, распространением среди живых организмов. Так, у всех зеленых растений содержатся хлорофиллы а и b (рис 17), в диатомовых водорослях — хлорофилл с, в красных водорослях — хлорофилл d. В клетках пурпурных бактерий обнаружены бактериохлорофиллы a и b, а в зеленых бактериях — бактериохлорофиллы с и d. Важным свойством молекул хлорофилла является их способность взаимодействовать с белками и друг с другом, образуя агрегированные формы с различными спектрами поглощения.

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся каротиноиды — желтые и оранжевые пигменты

Структура β-каротина

изопреновой природы. Каротиноиды могут быть разделены на ряд групп по своему строению: собственно каротиноиды, гидроксилсодержащие каротиноиды и каротиноиды, содержащие карбонильные группы. Основными представителями у высших растений являются β-каротин и ксантофилл. Предполагают, что каротиноиды, используя лучи, не поглощаемые хлорофиллом, передают их энергию на молекулы хлорофилла. Существуют данные, что каротиноиды предохраняют молекулы хлорофилла от разрушения в процессе фотоокисления, а также играют определенную роль в половом процессе при прорастании пыльцы и росте пыльцевых трубок, у высших растений и при созревании половой клетки у водорослей и грибов.

Третья группа пигментов — фикобилины. Это красные и синие пигменты (фикоэритрины, фикоцианины), содержащиеся в хроматофорах некоторых водорослей. В основе химического строения фикобилинов лежит та же тетрапиррольная структура, но пиррольные группы расположены линейно. Фикобилины поглощают энергию света в зеленой и желтой областях спектра и передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза. Наличие фикобилинов у водорослей — пример приспособления в ходе эволюции к поглощению тех лучей солнечного света, которые проникают через толщу морской воды.

Темновая фаза фотосинтеза — это фиксация и восстановление СО₂ с образованием углеводов и других конечных продуктов фотосинтеза. На этой стадии свет не нужен, а используются образованные в световой фазе восстановительные и энергетические эквиваленты. Во время темновой фазы атомы водорода, поставляемые световыми реакциями, используются для восстановления СО₂ до углеводов согласно общему уравнению фотосинтеза:

Свет

6С0₂ + 12Н₂0 → С₆Н₁₂О₆ + 60₂ + 6Н₂0

Хлорофилл

При этом на каждый моль синтезированного углевода запасается ~160 кДж энергии.

Процесс восстановления СО₂ начинается с его присоединения к пятиуглеродному акцептору рибулозо-1,5-бисфосфату (РуБФ). Образующееся шестиуглеродное соединение очень нестойко. Опытами М. Кальвина с меченым оксидом углерода (IV) установлено, что при длительности фотосинтеза 2 с первым фиксируемым меченым соединением является не С₆-соединение, а 3-фосфоглицериновая кислота (ФГК), причем метка обнаруживается только в карбоксиле. Реакция карбоксилирования катализируется рибулозобисфосфат-карбоксилазой (РБФ-карбоксилаза). Затем образующаяся ФГК фосфорилируется при участии фермента фосфоглице-раткиназы с использованием АТФ и превращается в 1,3-бисфосфо-D-глицериновую кислоту, которая более реакционноспособна и легче восстанавливается в глицеральдегид-3-фосфат (ГАФ).

В реакции восстановления принимают участие образовавшийся в световой стадии НАДФН (никотинамидадениннуклеотид) и фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа. Часть образовавшихся молекул ГАФ под действием фермента триозофосфатизомеразы превращается в дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ). Эти два триозофосфата конденсируются под действием альдолазы. Сначала образуется фруктозо-1,6-дифосфат (ФДФ), далее — монофосфаты фруктозы (Ф6Ф) и глюкозы (Г6Ф) и, наконец, — сахароза и крахмал. Для того чтобы процесс фотосинтеза продолжался, необходима постоянная регенерация РуБФ, поэтому в одном обороте цикла участвуют 6 молекул РуБФ, которые фиксируют 6 молекул С0₂. Образующиеся 12 молекул ФГК, а после ее восстановления 12 молекул ГАФ расходуются следующим образом:

5ГАФ → 5ДГАФ

ЗГАФ + ЗДГАФ -+ ЗФДФ →ЗФ6Ф

2ГАФ + 2Ф6Ф-→2 Ксилулоза-5Ф + 2Эритрозо-4Ф

2ГАФ + 2 Седогептулозо-7Ф 2 Ксилулозо-5Ф + 2 Рибозо-5Ф

Таким образом, две молекулы глицеральдегид-3-фосфата образуют одну молекулу гексозы, которая выходит из цикла, а 10 идут на регенерацию шести молекул рибулозо-1,5 бисфосфата, и цикл замыкается.

У некоторых растений в качестве первичных продуктов фотосинтеза сначала образуются оксалоацетат и малат в результате карбоксилирования ФЕП под действием ФЕП-карбоксилазы. Поскольку первичные продукты в этом случае содержат четыре атома углерода, его называют С₄-путь фотосинтеза в отличие от цикла Кальвина, где образующаяся ФГК содержит три атома углерода (С₃-путь). С₄-Путь фотосинтеза, в котором принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, называется кооперативным.

Хемосинтез. Гетеротрофная фиксация С0₂. Известный русский микробиолог С. Н. Виноградский показал (1885—1895), что органические вещества синтезируются в природе не только путем фотосинтеза в зеленых растениях, но и бактериями, не содержащими хлорофилла. Энергию, необходимую для синтеза органических соединений, эти бактерии получают при окислении различных неорганических соединений: Fe, N, S, Н, Sb, Мn. Этот процесс называется хемосинтезом. Некоторые хемосинтетики используют в качестве доноров водорода простейшие органические вещества — метан, метанол и пр.

Исследование химизма ассимиляции меченого оксида углерода (IV) (¹⁴С0₂) различными хемосинтезирующими бактериями показало, что первым стойким продуктом хемосинтеза является фосфоглицериновая кислота, а присоединение СO₂ к рибулозобисфосфату, т. е. цикл Кальвина, — основным механизмом ассимиляции СО₂. У многих хемосинтезирующих бактерий цикл Кальвина — главный, но не единственный путь образования органических веществ.

Таким образом, процессы фотосинтеза и хемосинтеза — источники органического вещества на Земле.

А. Ф. Лебедевым еще в 1914 г. была высказана мысль, что гетеротрофные организмы могут частично ассимилировать углерод не только из готовых органических соединений, но и из СО₂, связывая последний с некоторыми кетокислотами. В последние годы это получило экспериментальное подтверждение в исследованиях А. Л. Курсанова, Г. Вуда, С. Очоа и др.

Однако, как уже указывалось, между автотрофами и гетеротрофами существует коренное отличие: первые способны синтезировать органическое вещество полностью за счет неорганических веществ (СО₂ и Н₂0), вторые усваивают СО₂, используя готовое органическое соединение, например пируват.

6.6. Превращение углеводов в процессе пищеварения

Человек и животные не способны к первичному биосинтезу углеводов из неорганических веществ, они могут лишь образовывать их в процессе глюконеогенеза из других органических веществ (органических кислот, жиров, аминокислот), но главным источником углеводов является пища. Некоторые насекомые получают с пищей преимущественно одни углеводы (питающиеся древесиной, цветочным нектаром). Они настолько приспособились к подобному питанию, что погибают без углеводов. У ряда беспозвоночных животных существует хорошо выраженная сезонная периодичность содержания углеводов в организме. Так, у мидий и креветок осенью резко увеличивается количество углеводов, происходит запасание на зиму питательных веществ. Этому способствует и повышенное содержание углеводов в планктоне — пище мидий и креветок. Углеводы составляют существенную часть пищевого рациона человека и многих животных. На их долю приходится 60—70% общей суммы калорий пищи человека. Особенно много углеводов содержат крупы, лапша и макароны (65—75%), хлеб (около 50%), картофель (до 25%). Очень мало их в мясомолочных продуктах (0,5-2%).

Углеводы всасываются через слизистую оболочку кишечника только в виде моносахаридов. Даже хорошо растворимые дисахариды сахароза и лактоза не могут в неизмененном виде всасываться в кишечнике. Если их ввести в кровь, минуя желудочно-кишечный тракт, дисахариды не будут утилизироваться клетками различных тканей. Это еще в большей степени относится к нерастворимым в воде полисахаридам: крахмалу, гликогену. Таким образом, в процессе переваривания углеводов пищи должно происходить их расщепление до моносахаридов — той единственной формы, которая может всасываться и утилизироваться в организме.

Переваривание углеводов начинается в ротовой полости. В составе слюны содержатся два фермента: α-амилаза и мальтаза.

Специфической особенностью α-амилазы слюны (старое название — птиалин) является способность гидролитически расщеплять крахмал только тех пищевых продуктов, которые подвергались термической обработке при изготовлении пищи. «Сырой» крахмал во рту почти не гидролизуется, только при очень медленном жевании. α-Амилаза слюны млекопитающих в отличие от птиц высоко активна. Интересно, что у некоторых приматов (бабуины, резусы) этот фермент отсутствует, хотя у человека он очень активен.

Пища в ротовой полости находится недолго, после попадания ее в желудок постепенно пищевой комок пропитывается кислым желудочным соком. Низкие значения рН инактивируют α-амилазу слюны. Таким образом, ее гидролитическое действие осуществляется кратковременно, в ротовой полости расщепление крахмала и гликогена только начинается. В желудке амилолитические ферменты отсутствуют.

Основным местом переваривания крахмала и гликогена является тонкий кишечник, где на них действует α-амилаза поджелудочной железы. Она может расщеплять крахмал, не подвергшийся термической обработке при приготовлении пищи. Поэтому появление в кале непереваренных гранул крахмала — признак либо нарушения выделения, либо нарушения функции панкреатической α-амилазы. Установлено, что активность α-амилазы в кишечнике отдельных видов рыб зависит от типа питания: у видов, питающихся фитопланктоном, который богат крахмалом, она значительно выше, чем у потребляющих зоопланктон.

В поджелудочном соке содержится также фермент мальтаза, расщепляющий дисахарид мальтозу. Однако основная масса дисахаридов, образовавшихся в результате действия α-амилазы и поступивших с пищей, гидролизуется ферментами тонкого кишечника. Этот процесс происходит не в просвете кишечника, а в клетках слизистой оболочки. Там действуют мальтаза, изомальтаза и сахараза (инвертаза). Мальтаза и изомальтаза находятся обычно в прочном комплексе с инвертазой. Эти ферменты функционируют в щеточной кайме эпителия слизистой оболочки кишечника в количествах, обеспечивающих переваривание и усвоение пищи взрослого человека. Помимо перечисленных ферментов кишечный эпителий содержит β- галактозидазу с оптимумом рН 4,5, гетерогалактозидазу и лактазу.

В результате последовательного воздействия перечисленных ферментов углеводы превращаются в моносахариды. Они хорошо всасываются кишечной стенкой. Скорость их всасывания различна: наибольшая для галактозы, близка для глюкозы, примерно половину последней составляет для фруктозы, у маннозы и ксилозы около четверти от скорости всасывания глюкозы, самая малая у арабинозы. Пентозы и манноза проникают через эпителий путем облегченной диффузии, их поступление против градиента концентрации невозможно. Интенсивность всасывания пентоз и маннозы зависит поэтому от скорости удаления этих сахаров путем диффузии наружу, на серозную сторону клеток, откуда они быстро уносятся с током крови.

У человека и млекопитающих животных отсутствует фермент целлюлаза, вызывающий гидролиз клетчатки (целлюлозы). Не атакуются ферментами желудочно-кишечного тракта млекопитающих и растительные пентозаны. Только некоторые из них частично расщепляются бактериями в толстом кишечнике с образованием органических кислот, С0₂ и других веществ. Поскольку многие млекопитающие растительноядны, переваривание целлюлозы для них крайне необходимо. В связи с этим они имеют специализированный пищеварительный тракт, в высокой степени приспособленный для симбиотического переваривания целлюлозы. Так, у жвачных желудок состоит из нескольких отделов, первый и самый большой из которых называется рубцом. Он содержит в больших количествах бактерии и простейших типа инфузорий, продуцирующих фермент целлюлазу. Рубец можно сравнить с бродильным чаном, в котором пища, смешанная со слюной, подвергается интенсивной ферментации. Продукты брожения (главным образом масляная, уксусная и пропионовая кислоты), всасываются и используются организмом, С0₂ и СН₄ выводятся с отрыжкой. Очень важно, что образовавшиеся из целлюлозы органические кислоты могут непосредственно использоваться на биосинтез жиров, они являются у жвачных главным источником энергии (у крупного рогатого скота доставляют до 70% всей необходимой организму энергии).

Реакция содержимого рубца у здорового животного при нормальной организации кормления постоянно поддерживается в пределах рН 6,5-7,4 и смещается в кислую сторону в период наиболее интенсивного сбраживания корма. В этот момент образование органических кислот брожения превалирует над их всасыванием и нейтрализацией.

Среда рубца чрезвычайно благоприятна для размножения микроорганизмов. рН находится в пределах 6,5-7,4, температура колеблется от 39 до 40 °С. Кислород, который токсичен для многих видов бактерий, в рубце почти отсутствует.

Интенсивность бродильных процессов в рубце очень велика. За сутки в нем образуется до 4 л летучих жирных кислот (ЛЖК). Общее количество ЛЖК и соотношение отдельных кислот зависит от структуры рациона. В большинстве случаев в рубце преобладает уксусная кислота. Наибольшее ее количество образуется при даче рационов, богатых клетчаткой. Обилие в рационе крахмалистых и сахаристых кормов благоприятствует образованию пропионовой кислоты.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов в рубце образуются также газы. Они необходимы для дальнейших реакций, в результате которых синтезируется ряд ценных питательных веществ. Количество и состав газов, образующихся через 2 - Зч после кормления, достигает у крупного рогатого скота до 25-35 л/ч. За сутки может образовываться до 700 л газов.

В рубце образуются аммиак, метан, двуокись углерода, азот, небольшое количество водорода, сероводорода и кислорода.

В итоге тельности микрофлоры рубца каждый день в нем вырабатывается до 2,5кг бактериального протеина (400 г азота). Этот бактериальный протеин переваривается в тонком кишечнике и служит главным источником аминокислот для коровы.

Улучшение переваривания растительного материала с помощью симбиотического микробного брожения встречается и у некоторых птиц, например у белой куропатки, которая несколько зимних месяцев питается в основном почками и молодыми ветками. У боль­шинства птиц семейства куриных имеются две слепые кишки для сбраживания целлюлозы. Локализация этого процесса в заднем отделе кишечника менее выгодна, чем в рубце, так как исключается возможность дальнейшего переваривания пищи при прохож­дении кишечника. У многих грызунов, кроликов и зайцев это компенсируется капрофагией, поеданием кала.

6.7. Регуляция постоянства содержания глюкозы в крови

Всосавшиеся из кишечника моносахариды (преимущественно глюкоза) через воротную вену доставляются прежде всего в печень, где часть глюкозы используется на образование запасных отложений гликогена. Содержание последнего в печени человека и животных зависит от режима питания; чем больше углеводов в рационе, тем больше гликогена в печени. Синтез и распад глико­гена катализируются различными ферментами и контролируются независимо. Часть глюкозы используется самой печенью для по­лучения энергии, необходимой для многочисленных реакций, протекающих в ней. Кроме того, определенное количество глюкозы в печени превращается в жиры. Так, при нормальном смешанном питании только 3—5% глюкозы превращается в гликоген (его среднее содержание в печени колеблется от 5 до 7%), 30% глюкозы идет на образование жиров и 60—70% окисляется до С0₂ и Н₂0. При обильном углеводном питании 10% глюкозы откладывается в печени в виде гликогена, 40%—превращается в жиры и 50% окисляется.

Сахар в крови, лимфе, спинномозговой жидкости представлен глюкозой, уровень которой очень тонко регулируется. Содержание глюкозы в артериальной и капиллярной крови здорового человека составляет 54—96 мг/100 мл при определении глюкозооксидазным методом и 80—120 мг/100 мл при определении по Хагедорну и Иенсену (вторым методом кроме глюкозы определяются одновре­менно некоторые другие редуцирующие вещества в крови). В ве­нозной крови содержится меньше глюкозы, так как она потребляется тканями из крови. Единственный орган, выделяющий глюкозу в общую циркуляцию, — печень.

Инсулин секретируется β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы в форме проинсулина. Основным проявлением недостаточности инсулина является повышение уровня глюкозы в крови (гипергликемия), избыточное выведение глюкозы с мочой (глюкозурия) и понижение содержания гликогена в печени. Недостаточность инсулина подавляет биосинтез жирных кислот из глюкозы и ацетата, а также биосинтез белков; усиливает синтез ферментов, участвующих в глюконеогенезе; нарушает соотношение между гликолизом и глюконеогенезом.

Мышцы и печень при недостатке инсулина не способны использовать глюкозу даже при высоком ее содержании в крови. Недостаточность выделения инсулина лежит в основе возникновения заболевания— диабета. Многие последствия диабета напоминают эффект углеводного голодания, хотя содержание глюкозы в крови при этом заболевании резко повышается.

Глюкагон — гормон, продуцируемый α-клетками поджелудочной железы, активирует расщепление гликогена в печени, в результате чего освобождается глюкоза, поступающая в кровь.

Адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников. Совместно с глюкагоном активирует гликоген-фосфорилазу печени и мышц, увеличивает содержание глюкозы в крови. Фермент встречается в двух формах — активной (фосфорилаза а) и неактивной (фосфорилаза b). Молекулярная масса фосфорилазы а составляет 380 000. Фосфорилаза а состоит из четырех субъединиц, каждая из которых содержит остаток фосфосерина и молекулу кофермента — пиридоксальфосфата, ковалентно связанную с остатком лизина. Фосфатаза фосфорилазы вызывает гидролитическое расщепление связи фосфатной группы с остатком серина и образование димеров.

Механизмы действия адреналина и глюкагона на поддержание уровня глюкозы в крови аналогичны.

Глюкокортикоиды (гормоны коркового слоя надпочечников) усиливают глюконеогенез — новообразование сахара из неуглеводов. Это приводит к увеличению количества глюкозы в крови и гликогена в печени. Соматотропный гормон гипофиза уменьшает утилизацию глюкозы периферическими тканями, усиливает глюконеогенез, угнетает продукцию инсулина, в итоге повышает содержание глюкозы в крови. Тироксин и трийодтиронин (гормоны щитовидной железы) в умеренных дозах усиливают всасывание моносахаридов в кишечнике. Избыток этих гормонов тормозит окислительное фосфорилирование и способствует повышению концентрации глюкозы в крови.

Содержание гормонов в крови находится под контролем цент­ральной нервной системы, осуществляющей контроль за уровнем глюкозы в крови через эндокринную систему. Однако помимо опос­редованного влияния на уровень глюкозы в крови центральная нервная система (ЦНС) осуществляет и прямое воздействие.

За счет контроля со стороны ЦНС и эндокринной системы в крови автоматически поддерживается постоянный уровень глюкозы, происходит саморегуляция, которая может осуществляться на различных уровнях. Так, например, кровь с избыточным содержанием глюкозы, достигая поджелудочной железы, непосредственно стимулирует выделение инсулина. Последний усиливает поглощение глюкозы тканями, использование ее на синтез гликогена, в результате концентрация глюкозы снижается до нормы.

6.8. Превращения углеводов, связанные с дыханием и брожением

Гликолиз

Стадии и реакции гликолиза. Гликолиз — это анаэробный процесс, приводящий к распаду одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты. При этом ос­вобождается энергия, которую организм аккумулирует в форме АТФ. Реакции гликолиза протекают в цитозоле, без потребления кислорода. В анаэробных условиях гликолиз — единственный процесс в организме животных, растений и многих бактерий, постав­ляющий энергию.

При аэробном расщеплении глюкозы один из конечных продуктов гликолиза — пировиноградная кислота окисляется до С0₂ и Н₂0 в цикле трикарбоновых кислот. Реакция этого цикла осуществляется в митохондриях (у бактерий — в соответствующих мембранных образованиях) при участии кислорода.

Гликолиз протекает в две стадии.

Первая стадия — подготовительная, или собирательная. На этой стадии различные гексозы вовлекаются в гликолиз. Хотя в ре­акциях гликолиза окисляется главным образом глюкоза, наряду с ней могут вступить в этот процесс другие различные гексозы, например фруктоза, манноза. При этом инертные молекулы гексоз активируются, фосфорилируются за счет АТФ, превращаются в глюкозо-6-фосфат. Этот этап заканчивается образованием глицеральдегид-3-фосфата.

Вторая стадия — окислительная. Глицеральдегид-З-фосфат окисляется до пировиноградной кислоты (пируват) или молочной кислоты (лактат). Энергия окисления накапливается в АТФ, образуются восстановительные эквиваленты НАДН.

Гексокиназа

АТФ + Глюкоза → АДФ + Глюкозо-6-фосфат

Эту реакцию катализируют ферменты двух типов, различающи­еся по своей специфичности в отношении cахаров, — гексокиназа и глюкокиназа. Гексокиназа играет основную роль, именно она функционирует в большинстве клеток. Гексокиназа способна катализировать фосфорилирование не только D-глюкозы, но также и многих других гексоз, например D-фруктозы, D-маннозы и D-глюкозамина.

Глюкокиназа фосфорилирует только D-глюкозу, к тому же обладает к ней более низким сродством, чем гексокиназа. Глюкокиназа содержится в печени. Она вступает в действие только в том случае, когда концентрация глюкозы в крови очень высока. Обе киназы нуждаются в присутствии двухвалентных катионов (Mg²⁴⁺ или Мп²⁺), которые связываются с АТФ, образуя истинные субстраты— MgАТФ^2- или МnАТФ^2-. В ходе гексокиназной реакции происходит значительное уменьшение свободной энергии, что обеспечивает необратимость этой реакции внутри клетки. Скорость реакции тормозится ее продуктом — глюкозо-6-фосфатом.

Вторая реакция — изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат:

Гексозофосфат-

Глюкозо-6-фосфат ⇆ фруктозо-6-фосфат

изомераза

Третья реакция — фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Это вторая пусковая реакция гликолиза, в ней используется вторая молекула АТФ:

6-Фосфофрукто-

АТФ + Фруктозо-6-фосфат → Фруктозо-1,6-дифосфат+АДФ

киназа, Mg²⁺

Реакция необратима, так как происходит значительное уменьшение свободной энергии. Она протекает при участии фермента фосфофруктокиназы в присутствии ионов Mg²+, необходимых, видимо, для образования истинного субстрата, т. е. МgАТФ^2-. Это наиболее медленная реакция гликолиза, она определяет скорость процесса в целом, на ее уровне в основном осуществляется регуляция. Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических, или регуляторных, ферментов. Она ингибируется АТФ и лимонной кислотой, активируется АДФ и АМФ. В период покоя клетки при высоком отношении АТФ/АДФ активность фосфофруктокиназы понижается, гликолиз замедляется. При функциональной активности клетки количество АТФ уменьшается, и гликолиз ускоряется.

Четвертая реакция — расщепление фруктозо-1,6-дифосфата представляет собой обращенную альдольную конденсацию.

 

CH₂O(P) O

│ //

C=O C─H CH₂O(P)

│ Альдолаза │ │

HOCH ⇆ НСОН + С=О

│ │ │

НСОН СН₂О(Р) СН₂ОН

│ D-Глицераль- Дигидрокси-

НСОН дегид-3-фосфат ацетонфосфат

│

СН₂О(Р)

Фруктозо-1,6-

дифосфат

Пятая реакция — изомеризация триозофосфатов. Из образовавшихся триозофосфатов в последующие реакции гликолиза непосредственно включается только один — глицеральдегид-3-фосфат. В него превращается дигидроксиацетонфосфат в обратимой реакции:

CH₂O(P) O

│ Триозофосфат //

C=O ⇆ C

│ изомераза │ \Н

CH₂ОН НСОН

│

СН₂О(Р)

Дигидроксиацетон- D-Глицеральдегид-

фосфат 3-фосфат

 

Образованием фосфотриоз завершается первая стадия гликолиза. Молекула глюкозы путем двух фосфорилирований и расщепления превратилась в две молекулы фосфотриоз.

Вторая стадия гликолиза включает окислительно-восстановительные реакции и реакции фосфорилирования, в процессе которых генерируется АТФ. На этой стадии окисляются обе молекулы фосфотриоз, т. е. две половины молекулы глюкозы. Поэтому во всех остальных реакциях впереди формулы субстрата следует поставить коэффициент 2.

Шестая реакция — центральный этап гликолиза — представляет собой окислительно-восстановительный процесс. Альдегидная группа глицеральдегид-3-фосфата окисляется в СООН-группу 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, НАД⁺ восстанавливается в НАДН. Освобождается энергия, за счет которой образуется высокоэнергетическая связь 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Таким образом, в этой реакции происходит субстратное фосфорилирование. Суммарное уравнение реакции следующее:

О О

// //

С С

│ \ Н Глицеральдегид │ \О~(Р)

НСОН + Н₃РО₄+НАД⁺ ⇆ НСОН+НАДН+Н⁶

│ Фосфатдегидрогенза │

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

D-Глицеральдегид-3-фосфат 1,3-Дифосфоглицериновая кислота

 

Седьмая реакция — богатая энергией фосфорильная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (находящаяся в положении 1) переносится на АДФ с образованием АТФ:

 

О О

// //

С ~О~(Р) С

│ Фосфаглицерат- │ \ОН

НСОН + АДФ ⇆ НСОН + АТФ

│ киназа │

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

1,3-Дифосфоглицериновая кислота 3-фосфоглицериновая кислота

 

Восьмая реакция – фосфатная группа фосфоглицериновой кислоты переносится из положения 3 в положение 2:

 

О О

// //

С С

│ \ОН Фосфаглицеро- │ \ОН

НСОН ⇆ НС─О─(Р)

│ мутаза │

СН₂О(Р) СН₂О(Р)

3-Фосфоглицериновая кислота 2-Фосфоглицериновая кислота

Девятая реакция — внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс: степень окисления С-2 - 2-фосфоглицериновой кислоты увеличивается, а С-1—уменьшается. В результате образуется высокоэнергетическое соединение фосфоенолпировиноградная кислота. Таким образом, здесь также происходит субстратное фосфорилирование. Формально реакция представляет собой отщепление молекулы воды:

О О

// //

С С

│ \ОН Енолаза │ \ОН

НС─О─(Р) ⇆ НС─О~(Р) + Н₂О

│ │

СН₂ОН СН₂

2-Фосфоглицериновая кислота Фосфоенолпировиноградная кислота

Десятая реакция — перенос фосфорильной группы вместе с высокоэнергетической связью от фосфоенолпировиноградной кислоты на АДФ:

 

О О

// //

С С

│ \ОН Лактатдегидро- │ \ОН

С=О +НАДН+Н⁺ ⇆ С=О +НАД⁺

║ геназа │

СН₃ СН₃

Фосфоенолпировиноградная кислота Пировиноградная кислота

Реакция экзергоническая, поэтому в клетке она практически необратима.

В одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты (ПВК) до молочной с участием НАДН:

О О

// //

С С

│ \ОН Пируваткиназа │ \ОН

С─О~(Р) +АДФ ⇆ С=О +АТФ

║ │

СН₂ СН₃

Пировиноградная кислота Молочная кислота

Одиннадцатая реакция завершает процесс гликолиза. На ее уровне осуществляется регуляция гликолиза с помощью изоферментов лактатдегидрогеназы. Молочная кислота — это своеобразный тупик в метаболизме. В аэробных условиях она может превращаться путем обращения лактатдегидрогеназной реакции. В анаэробных условиях молочная кислота — конечный продукт гликолиза, например в мышцах при больших физических нагрузках. Тогда из мышц в кровь поступает большое количество молочной кислоты. В печени, а частично и в самих мышцах примерно одна пятая количества молочной кислоты окисляется до С0₂ и Н₂0 в аэробной фазе дыхания. Оставшиеся четыре пятых ресинтезируются в гликоген.

Образовавшийся при гликолизе в цитоплазме НАДН не может проникать внутрь митохондрий. В аэробных условиях он передает электроны и протон в дыхательную цепь митохондрий посредством глицерофосфатного челночного механизма. В цитоплазме НАДН реагирует с дигидроксиацетонфосфатом, образуя глицерол-3-фосфат, который легко проникает через мембрану митохондрий. Реакция катализируется цитоплазматической глицерол-3-фосфат — дегидрогеназой (НАД+):

Дигидроксиацетонфосфат + НАДН + Н⁺ ⇆ Глицерол-З-фосфат + НАД⁺

Внутри митохондрии глицерол-3-фосфат снова окисляется до дигидроксиацетонфосфата, но уже с помощью флавинового фермента— митохондриальной глицерол-3-фосфат — дегидрогеназы:

Глицерол-З-фосфат + ФАД⇆ Дигидроксиацетонфосфат + ФАДН₂

Цитоплазматический НАДН восстанавливает щавелевоуксусную кислоту до яблочной, легко проникающей в митохондрии и там снова окисляющейся до щавелевоуксусной кислоты с передачей водорода в дыхательную цепь.

У растений в некоторых тканях гликолиз протекает даже при достаточном доступе кислорода. Особенно характерно такое однофазовое, «анаэробное дыхание» (или «аэробное брожение») для зародышевой ткани семян и внутренних тканей плодов растений вследствие недостатка в них кислорода. Гликолиз является основным путем катаболизма глюкозы гомоферментативных молочнокислых бактерий, дрожжей.

Брожение. Многие микроорганизмы (дрожжевые грибы, плесневые грибы, бактерии) получают энергию за счет брожения. Это наиболее примитивный способ получения энергии. Разнообразные брожения совпадают с гликолизом во многих своих стадиях.

Часто встречающийся тип брожения — молочнокислое. В результате гомоферментативного молочнокислого брожения из глюкозы образуется молочная кислота с почти 100%-ным выходом. Реакции этого процесса идентичны реакциям гликолиза. При гетероферментативном (смешанное) молочнокислом брожении из глюкозы кроме молочной кислоты образуются в значительном количестве другие продукты — уксусная кислота, этиловый спирт и оксид углерода (IV). Химизм этого процесса совершенно иной, в основе его лежит окисление глюкозы по пентозофосфатному пути.

Молочнокислое брожение протекает при силосовании кормов для сельскохозяйственных животных, квашении капусты. Образующаяся молочная кислота предотвращает развитие гнилостных бактерий, плесневых грибов, т. е. служит консервантом.

Пропионовая кислота представляет собой продукт сбраживания углеводов пропионовыми бактериями. Наряду с ней образуются уксусная кислота и оксид углерода (IV). На каждую молекулу ПВК, окисленную до уксусной кислоты и С0₂, приходится две молекулы ПВК, которые превращаются в пропионовую кислоту.

Уксуснокислые бактерии (рода Acetobacter) окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты. Эти бактерии способны окислять и другие спирты, в том числе предельные многоатомные. Такое явление называется неполным окислением.

6.9. Глюконеогенез.

Анаэробная фаза расщепления глюкозы — гликолиз — заканчивается образованием ПВК или молочной кислоты. Они при определенных условиях могут вновь ресинтезироваться в глюкозу. Из двух молекул молочной кислоты образуется одна молекула глюкозы, т. е. происходит как бы обращение гликолиза. Этот процесс называется глюконеогенезом. Если гликолиз — центральный путь катаболизма углеводов, то глюконеогенез — анаболический про­цесс, наиболее важный общий путь биосинтеза моносахаридов и полисахаридов у человека, животных, многих бактерий. У фотосинтезирующих организмов он играет обычно второстепенную роль.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Однако существуют три необратимые стадии гликолиза, протекающие с выделением значительного количества энергии, поэтому глюконеогенез идет в обход этих стадий.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: