Анаеробне розщеплення вуглеводів
Цей процес протікає в органах, тканинах і клітинах живого організму без участі кисню. Його основні реакції схожі з хімізмом спиртового бродіння, названого Л. Пастером „життям без кисню”. Відмінності полягають в наступному: при спиртовому бродінні вуглеводів кінцевими продуктами є етанол і CO2, а при анаеробному розщепленні – молочна або піровиноградна кислоти.
Анаеробне розщеплення вуглеводів може починатися фосфоролітичним розщепленням глікогену (глікогеноліз) або фосфорилуванням глюкози (гліколіз). У скелетній мускулатурі обидва процеси виражені однаковою мірою, в головному мозку і міокарді переважає гліколіз. Анаеробне розщеплення супроводжується утворенням у тканинах і клітинах АТФ – сполуки з великим запасом енергії.
Фосфоролітичне розщеплення глікогену до глюкозо-1-фосфата відбувається під впливом ферменту фосфорилази:
Під впливом ферменту фосфоглюкомутази глюкозо-1-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат:
Якщо процес починається з глюкози, то її фосфорилування відбувається під впливом ферменту фосфоглюкокінази з утворенням глюкозо-6-фосфата:
Подальші етапи глікогеноліза і гліколіза подібні і можуть розглядатися спільно.
1. Глюкозо-6-фосфат під дією ферменту глюкозофосфатізомерази перетворюється у фруктозо-6-фосфат. Між обома ефірами встановлюється рівновага при вмісті 70% глюкозо-6-фосфата і 30% фруктозо-6-фосфата:
2. Під впливом фосфофруктокінази, за наявності АТФ та йонів Mg2+, утворюється фруктозо-1,2-дифосфат:
3.
Наявність двох залишків фосфату на протилежних кінцях молекули гексози призводить до різкого ослаблення зв'язків між третім і четвертим атомами вуглецю. В результаті цього вуглевод легко розщеплюється на дві фосфотріози під впливом ферменту альдолази:
При цьому утворюється 3-фосфогліцериновий альдегід (ФГА) – 3% і діоксіацетонфосфат – 97%, який таутомеризується в 3-фосфогліцериновий альдегід:
4.
3-Фосфогліцериновий альдегід під впливом ферменту гліцеральдегідфосфатдегідрогенази та НАД вступає в реакцію оксиредукції, що призводить до утворення макроергічного зв'язку, а потім 1,3-дифосфогліцеринової кислоти:
5.
1,3-Дифосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцераткінази віддає свій макроергічний зв'язок АДФ:
6. 3-Фосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцеромутази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту:
7. 2-
Фосфогліцеринова кислота, під впливом ферменту фосфопіруватгідратази у присутності іонів Mg2+, втрачає молекулу води, перетворюючись на енольну форму фосфопіровиноградної кислоти, яка містить макроергічний зв'язок:
8. Фосфопіровиноградна кислота під впливом ферменту піруваткінази за наявності іонів Mg2+ і K+, віддає свій макроергічний зв'язок АДФ, перетворюючись на енольну форму піровиноградної кислоти:
Енольна форма піровиноградної кислоти таутомеризується в кетоформу:
9. При недостатній кількості кисню піровиноградна кислота під дією ферменту лактатдегідрогенази і за наявності НАД×Н2 перетворюється на молочну кислоту, яка є кінцевим продуктом анаеробного розпаду вуглеводів в тканинах:
Реакції гліколізу (глікогенолізу) часто поділяють на дві стадії. На першій стадії відбувається енергозалежний процес фосфорилування глюкози та її розкладання на дві тривуглецеві сполуки – фосфотріози. Реакції першої стадії ендергонічні, вони проходять з поглинанням енергії АТФ. Цю стадію вважають підготовчою.
Друга стадія гліколізу (глікогенолізу) забезпечує перетворення фосфотріоз на кінцевий продукт – молочну кислоту. В зв'язку зі специфічністю частини реакцій, які відбуваються на цій стадії, вони дістали назву гліколітичної оксиредукції. В процесі утворення молочної кислоти синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії і є екзергонічним процесом (схема 3).
Схема 3. Анаеробний обмін вуглеводів (глікогеноліз і гліколіз)
Як видно з наведених вище рівнянь хімічних реакцій, під час гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули фосфотріоз. Кожна з них у процесі перетворення на молочну кислоту зумовлює утворення двох молекул АТФ, тобто всього утворюється чотири молекули АТФ. Однак дві з них використовуються для фосфорилування глюкози (гексокіназна реакція) та утворення фруктозо-1,6-дифосфату (фруктокіназна реакція), тому енергетична ефективність гліколізу становить дві молекули АТФ. Оскільки в макроергічному зв'язку АТФ акумулюється в середньому 42 кДж енергії, то всього під час гліколізу нагромаджується 84 кДж енергії. Експериментально встановлено, що внаслідок перетворення глюкози у дві молекули молочної кислоти зміна вільної енергії дорівнює 210 кДж/моль. На основі цього неважко обчислити, що під час гліколізу близько 40 % вивільненої енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а решта розсіюється у вигляді теплоти. Отже, коефіцієнт корисної дії гліколізу становить 0,35 – 0,40. Загальну схему можна записати так:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ ® 2CH3–CHOH–COOH + 2АТФ.
Під час глікогенолізу також утворюється чотири молекули АТФ, однак на першій стадії цього процесу використовується лише одна молекула АТФ (у фосфофруктокіназній реакції), тому енергетичний ефект глікогенолізу становить 3 молекули АТФ, або 126 кДж/моль.
На перший погляд енергетичний ефект глікогенолізу більший, ніж гліколізу. Однак, якщо врахувати, що частина молекул АТФ використовується для синтезу глікогену, стане зрозумілим, що ці два процеси в енергетичному відношенні майже рівноцінні. Для організму і гліколіз, і глікогеноліз не вигідні, оскільки для компенсування енергетичних витрат необхідна велика кількість вуглеводів. Однак як фізіологічні процеси вони досить важливі, оскільки дають змогу забезпечити організм енергією за умов недостатнього постачання тканин киснем.
Під час вивчення енергетичних ефектів окремих реакцій анаеробного перетворення вуглеводів було встановлено, що більшість реакцій цього процесу близькі до рівноваги і можуть проходити як у прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу організму з одних і тих самих речовин діставати як хімічну енергію, так і сполуки, необхідні для забезпечення протікання різних метаболічних реакцій. Однак три реакції анаеробного перетворення вуглеводів (гексокіназна, фруктокіназна і піруваткіназна) супроводжуються значним зменшенням вільної енергії, тому є практично необоротними. Перебіг цих реакцій у зворотному напрямку потребує подолання певного енергетичного бар'єру та наявності специфічних ферментів (схема 3).
Спиртове бродіння
У нижчих організмів – дріжджових і цвілевих грибів, деяких мікроорганізмів – процес анаеробного перетворення вуглеводів завершується утворенням етилового спирту, тому він дістав назву спиртового бродіння:
C6H12O6 ® 2С2Н5ОН + 2СО2.
Хімізм цього процесу досить близький до гліколізу, який протікає в тканинах вищих організмів. Усі стадії перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти включно в обох випадках проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментними системами. Відмінність між цими процесами виявляється, починаючи з етапу перетворення піровиноградної кислоти. Так, під час гліколізу і глікогенолізу піровиноградна кислота відновлюється до молочної, а під час спиртового бродіння вона піддається декарбоксилюванню і перетворюється на оцтовий альдегід:
Фермент піруватдекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, містить у вигляді простетичної групи тіамінпірофосфат, який зв'язується з піровиноградною кислотою з утворенням оксіетилтіамінпірофосфату. В процесі перетворення останнього утворюється оцтовий альдегід і тіамінпірофосфат. Каталітична активність ферменту забезпечується наявністю іонів Mg2+.
Утворений за цією реакцією оцтовий альдегід далі за участю НАД×H2 відновлюється до кінцевого продукту спиртового бродіння – етилового спирту Реакцію каталізує алкогольдегідрогеназа:
Слід зазначити, що деяким мікроорганізмам властиві специфічні шляхи утилізації тривуглецевих сполук, які утворюються під час розкладання глюкози. Тому крім спиртового бродіння існують також інші його види: молочнокисле, пропіоновокисле, ацетоетилове, маслянокисле тощо.
Під час молочнокислого бродіння у бактеріях піровиноградна кислота відновлюється до молочної, подібно як під час гліколізу в тканинах вищих організмів. Відома також інша група молочнокислих бактерій, які здатні перетворювати кожну молекулу глюкози в молекулу молочної кислоти, молекулу етанолу і CO2. Це так зване гетероферментативне (змішане) молочнокисле бродіння.