Переваривание углеводов

Переваривание начинается в ротовой полости за счёт слюны, содержащей муцин. При пережёвывании пища перемешивается, смачивается, пропитывается воздухом.Частицы слизи обеспечивают мобилизацию ферментов и этим самым увеличивают эффективность переваривания. Переваривание крахмала во рту начинается под действием а - амилазы (птиалин), которая относится к гликозид - гидролазам, гидролизирует а - 1,4 гликозидную связь, при этом образуются крупномолекулярные фрагменты крахмала - декстрины и немного мальтозы, а - амилаза (относится к эндогликозидазам)- это незаменимый белок, легко проходящий через клеточные барьеры, её активность в крови и моче высока. Активация а- амилазы происходит при рН = 6,8 - 7,0 ионами С а, входящими в состав её активного центра, а - амилаза животного происхождения также активируется ионами хлора. У некоторых животных (лошади, собаки) а - амилаза отсутствует и крахмал переваривается в тонкой кишке под действием панкреатической амилазы. Кроме а-амилазы существует ешё два вида амилаз ~ в - и гамма - амилазы. Они содержатся в тканях, в - амилаза гидролизирует крахмал, отщеплением мальтозы, то есть является экзогликозидазой. Гамма - амилаза отщепляет от крахмала гликозидные остатки. Различают кислую и нейтральную гамма-амилазу, в зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную активность. Кислая гамма - амилаза локализуется в лизосомах. Нейтральная - в микросомах и гиалоплазме.

Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы, но в желудке действие а-амилазы слюны прекращается, так как среда кислая (рН - 1,5 -2,5). Но в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие слюнной амилазы некоторое время продолжается.

В двенадцатиперстной кишке переваривание идёт под действием а - амилазы панкреатического сока. Здесь рН возрастает до нейтральных значений, и при этих условиях панкреатическая а - амилаза обладает максимальной активность. Она завершает работу, начатую слюнной амилазой по превращению крахмала в мальтозу. Но в молекулах амилопектина и гликогена существуют а- 1,6 - гликозидные связи. Эти связи гидролизуются особыми ферментами: амило - 1,6 гликозидазой, олиго - 1,6 гликозидазой (тер-минальной декстриназой). Образовавшаяся мальтоза быстро гидролизуется под действием мальтозы на две молекулы глюкозы. Сахароза расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу. Лактоза расщепляет содержащуюся только в молоке лактозу на глюкозу и галактозу. В конце концов, все углеводы распадаются на моносахариды.

7 Виды пищеварения

Различают три вида пищеварения;

1) полостное ( неэффективно, так как вероятность встречи фермента и субстрата не велика и подчиняется закону Броуновского движения)

2) пристеночное (осуществляется в гликокаликсе, который представляет собой гликопротеиновый комплекс, локализованный над и под микроворсинками тонкого кишечника. Сквозь сеть гл и ко кал икса не проникают микробы, поэтому среда пищеварения стерильна, ферменты иммобилизованы на микроворсинках, конкурентного торможения их не происходит, так как среда стерильна. Всё это определяет высокую вероятность встречи фермента и субстрата, а значит и высокую эффективность этого пищеварения, кроме этого образующийся продукт сразу же убирается поэтому ретроингибирование не имеет места).

3) внутриклеточное (проходит по механизму фаго - и пиноцитоза; является несовершенным, поскольку может приводить к развитию аллергических реакций).

Пристеночное пищеварение - составная часть транспортного конвейра. Пищевой транспортный конвейер - совокупность процессов переваривания, сопряжённая с механизмами всасывания или транспорта веществ через мембрану, причём сопряжённая структурно и функционально, то есть место локализации иммобилизованного фермента находится с местом транспорта Р. За счёт этого конвейера обеспечивается направленное поступление компонентов пищи из полости ЖКТ в кровь. Процессы всасывания осуществляются тремя путями:

1) пассивная диффузия (по градиенту концентрации), так переносятся манноза, арабиноза, ксилоза.

2) облегчённая диффузия (облегчается путём образования гидрофобных каналов и пор при контакте мембраны с транспортируемым веществом).

3) активный транспорт (против градиента концентрации, за счёт энергии макроэргических связей АТФ или энергии мембранного потенциала).

При этом активное участие принимает Ыа - К - АТФ- аза. В процессе работы Ка-К-АТФ-азы в клетку поступает 2К и выкачивается из клетки 3№.

Механизм всасывания выглядит так: глюкоза соединяется с ионами N3, образуя комплексное соединение, которое транспортируется внутрь клетки. Затем комплекс распадается, а освобождённый ион № транспортируется обратно. Попавшая внутрь клетки глюкоза подвергается фосфорилированию. Причинами этого является:

1) при фосфорилировании глюкоза приобретает заряд, это позволяет ей эффективно взаимодействовать с активным центром ферментов, катализирующих последующие реакции.

2) образовавшийся глюкоза - 6 - фосфат имеет отрицательный заряд, что препятствуют его выходу изклетки, то есть срабатывает эффект «замерзания».

8.Пути обмена глюкоза-6-фосфата.

Обмен глюкозо-6-ф о с ф а т а. Глюкозо-6-фосфат образуется в орга­низме разными путями. Во-первых, он может синтезироваться путем фосфорилирования глюкозы за счет ее взаимодействия с АТФ. Во-вторых, он образуется в результате реакции изомеризации фосфорных эфиров других изомерных ему гексозофосфорных эфиров. В-третьих, он получается из глюкозо-1-фосфата, который представляет собой продукт фосфоролиза олиго- и полисахаридов. Две первые реакции рассмотрены в предыдущем разделе. Что касается преобразования глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат, то эта реакция протекает в два этапа при участии фермента фосфоглюкомутазы.Молекулярная масса фермента из мышц кролика равна 62000;молекула фосфоглюкомутазы состоит из двух субъедениц с М-31000каждая.Активный центр ее включает в свой состав остаток фосфосерина,с которого остаток фосфорной кислоты передается на глюкозо-1-фосфат с образованием глюкозо-1,6-дифосфатом,снова превращаясь в фосфопротеин,однако получает остаток фосфорной кислоты,присоединенной к 1-му углеродному атому глюкозы с высвобождением соответственно глюкозо-6-фосфата.

Равновесие рассмотренной реакции сильно сдвинуто в сторону образо­вания глюкозо-6-фосфата. Поэтому в тканях содержание глюкозо-1-фос-фата не превышает 3—4% от общего количества гексозомонофосфатов в организме.

Глюкозо-6-фосфат подвергается в организме разнообразным превращениям. Некоторая доля его распадается в конечном счете до СО2 и Н₂О.При этом многократно повторяются реакции окисления (дегидрогенизации) как самого глюкозо-6-фосфата, так и продуктов его дальнейшего распада. Сопряженно с передачей атомов водорода, снятых с глюкозо-6-фосфата и возникших из него субстратов, на кислород (с образова­нием молекул воды) осуществляется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата,,те. запасается, аккумулируется энергия в составе макроэргических связей молекул АТФ. Кроме того, некоторое количество молекул АТФ синтезируется здесь же иным путем. Следовательно, распад глюкозо-6-фосфата служит энергетическим целям: является источником энергии для организма.

Вместе с тем значительная часть промежуточных продуктов, возни­кающих в процессе обмена глюкозо-6-фосфата, используется для синтеза аминокислот (белков), нуклеотидов (нуклеиновых кислот), глицерина и выс­ших жирных кислот (триглицеридов, фосфатидов), стеролов (стеридов) и т. п. В частности, как описано выше, для синтеза аланина используется пировиноградная кислота, являющаяся непременным промежуточным продуктом при распаде глюкозо-6-фосфата по дихотомическому пути. Другие промежуточные продукты распада глюкозо-6-фосфата: 3-фосфоглицериновая кислота и фосфоенолпировиноград-ная кислота идут на синтез фенилаланина, тирозина, триптофана и серина. Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, пировиноградная кислота, превращаясь в щавелево-уксусную и а-кетоглутаровую, дает начало аспарагиновой и глутаминовой кислотам, а из них — ряду других аминокислот. Рибозо-5-фосфат, образую­щийся при апотомическом распаде глюкозо-6-фосфата, служит для синтеза гистидина и, в еще большей степени, для синтеза пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов.

Таким образом, глюкозо-б-фосфат обеспечивает организм и энергией и строительным материалом для синтеза новых органических соедине­ний, используемых в процессе жизнедеятельности.

Распад глюкозо-6-фосфата осуществляется преимущественно двумя путями. В одном случае на определенной стадии происходит распад шестиуглеродной молекулы на две трехуглеродные, т. е. пополам. Этот путь получил название дихотомического распада. Второй путь состоит в потере глюкозо-6-фосфатом 1-го углеродного (головного) атома и именуется апотомическим распадом. Есть еще третий путь, содержащий элементы первого и второго. Рассмотрим каждый из них.

Дихотомический путь распада глюкоз о-6-ф о с ф а т а. Вступая на дихотомический путь распада, глюкозо-6-фосфат прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-6-фосфат, который далее фосфорилируется по 1-му углеродному атому, образуя фруктозо-1,6-дифосфат.

Фосфофруктокиназа, представляющая собой белок с М= 140 000 у бактерий и от 360000—400000 (во всех случаях — тетрамер) до 800000 (гексамер или октамер) у эукариот, является самым «медленным» из всех ферментов, обслуживающих дихотомический распад углеводов. Эта практически необ­ратимая реакция лимитирует весь процесс. В то же время активность глюкозофосфатизомеразы, например в дрожжах, в 500 раз превышает активность фосфофруктокиназы и на 1—2 порядка выше, чем у других ферментов дихотомического распада, т. е. это один из самых «быстрых» ферментов обмена глюкозо-6-фосфата. Строение и механизм действия фосфо­фруктокиназы из термофильной бактерии детально изучены.

Концентрация фруктозо-1,6-дифосфата поддерживается на строго определенном уровне при посредстве сложного комплекса регуляторных процессов:снижается под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы (М= 140000) и возрастает под влиянием фосфофруктокиназы. Однако активность первой тормозится, а второй — побуждается в присутствии фруктозо-2,6-дифосфата, который, в свою очередь, синтезируется в печени при посредстве 6-фосфо-фрукто-2-фосфокиназы. Более того, последняя реакция цАМФ-зависима,а сам этот фермент в печени бифункционален: один его домен ускоряет другой — распад фруктозо-2,6-дифосфата. В дрожжах фрукто-2-фосфокиназа и фруктозо-2,6-дифосфатаза не образуют бифункционального фермента и являются самостоятельными энзимами.

Последнее соединение (фруктозо-1,6-дифосфат) и подвергает дихотомическому распаду на две фосфотриозы, превращающиеся друг в друга.

Оба фермента, ускоряющие приведенные выше реакции, получены в кристаллическом состоянии. Альдолаза из мышц кролика характеризуется М= 160 000 (4X40000), а триозофосфат-изомераза — 53 000 (2X26500).

Выяснена первичная структура последней и параметры ее вторичной струк­туры (52% а-спиралей и 24% b-слоев). Хотя при дихотомическом рас­щеплении фруктозj-1,6-дифосфата (видимо, расщепляется его открытая форма) получается равное количество обеих фосфотриоз, в состоянии равновесия между ними преобладает фосфодиоксиацетон.

В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере расходования убыль этого соединения восполняется за счет фосфоди-оксиацетона, который практически нацело в него превращается. Следо­вательно, из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата фактически возникает две молекулы

3-фосфоглицеринового альдегида, претерпевающего далее распад.

Все реакции, происходящие при обмене 3-фосфоглицеринового альде­гида, осуществляются ферментативным путем. Характерная их особенность состоит в том, что на каждую молекулу распадающегося 3-фосфоглице­ринового альдегида синтезируются две молекулы АТФ из АДФ и остатков фосфорной кислоты, поступающих сначала от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем от 2-фосфоенолпировиноградной кислоты.Таким образом, уже здесь запасается энергия, выделяющаяся в процессе постепенного окисления фосфоглицеринового альдегида. Конечным продуктом распадаглюкозо-6-фосфата является пировиноградная кислота (ПВК). В зависимости от объекта и условий, в которых идет обмен углеводов, дальнейшая ее судьба различна.

Наиболее сложной из всех приведенных выше реакций на пути от 3-фосфоглицеринового альдегида до ПВК является реакция окисления фосфо-глицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту. Остановимся на ней несколько подробнее. Реакция ускоряется глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой, полученной в кристаллическом состоянии из дрожжей, термофильных бактерий и мышц кролика, омара и свиньи. Молекулярная масса фермента в большинстве случаев равна 144000. Молекула фермента состоит из четырех субъединиц с М = 37000. Первичная структура их выяснена у глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы из пекарских дрожжей, термофильной бакте­рии и мышц свиньи и омара, а третичная — у фермента из термо­фильной бактерии и мышц омара.

Каждая субъединица несет одну молекулу НАД⁺ и 4 свободные Н5-группы, принадлежащие остаткам цистеина. Сначала фосфоглицериновый альдегид присоединяется к ферменту по радикалу остатка цистеина, занимающего 149-е 'положение в полипептидной цепи; в активный центр фермента входят также остаток аргинина, находящийся в 231-м положении, и остаток гистидина, занимающий 176-ю позицию. Затем в действие вступает НАД ⁺, отнимающий от субстрата атом водорода в виде гидрид-иона. и гис₁₇₆ активного центра, снимающий другой атом водорода с ОН-группы тиополуацеталя в виде протона; радикал гистидина удерживает снятый протон в течение непродолжительного времени и потом высвобождает его в среду.

В этот момент связь между остатком 3-фосфоглицериновой кислоты и ферментом становится макроэргической. Указанная связь спонтанно распадается в присутствии НдРО₄ с образованием 1,3-дифосфоглицериновон кислоты. Остальные реакции идут в основном при участии соответствующих киназ. Важно отметить, что в момент отщепле­ния воды от 2-фосфоглицериновой кислоты также возникает макроэргическая связь у остатка фосфата, что делает возможной дальнейшую киназную реакцию с образованием АТФ. Такой путь биосинтеза АТФ назы­вается субстратным фосфорилированием, которое возможно лишь потому, что в активном центре фосфоглицераткиназы и пируваткиназы при участии Mg²⁺ cближаются концевой фосфат АДФ и переносимый на него фосфат, связанный макроэргической связью в 1,3-дифосфоглицериновой или 2-фосфое-нолпировиноградной кислоте. В частности, эта важнейшая реакция фосфорилирования АДФ на уровне окисляемого субстрата детально изучена у пируваткиназы.

Апотоминеский путь распада глюкозо-6-фосфата. При агготомическом рас­паде глюкозо-6-фосфата не происходит его превращения в фруктозо-6-фосфат и последующего введения в молекулу второй фосфатной группы. Распад глюкозо-6-фосфата в этом случае начинается реакцией окисления его в б-фос-фоглюконолактон. Окисление состоит в отнятии двух атомов водорода от 1-го углеродного атома глюкозо-6-фосфата. Акцептором Н служит НАДФ ⁺, являющийся коферментом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, ускоряющей эту реакцию.

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, открытая более полувека тому назад О.Варбургом и сотр. и В.А.Энгельгардтом и А.П.Бархаш,выделена на различных источников и характеризуется либо димерной,как,напрнимер,в молочной железе крысы:М=130000 или эритроцитах чеповека: М = 204 000 (2х 101 400), либо тетрамерной, как, например, у нейроспоры: М=206000 (4X57000), в надпочечниках быка: М = 284 000 (4-Х 64 000) или грене тутового шелкопряда: М = 232 000 (4X54000), структу­рой. Она существует в виде множественных форм, которыми особенно бо­гаты эритроциты человека, а ее активность задается соотношением НАДФ ⁺ /НАДФН. Выяснена первичная структура глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы из Васillis megaterium (М—118000; 4X29500); в ее субъединице-262 аминокислотных остатка.

6-Фосфоглюконолактон при участии фермента глюконолактоназы гидролизуется до 6-фосфоглюконовой кислоты, которая претерпевает окислительные декарбоксилирование и превращается в рибулозо-5-фосфат.

Фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) представлена белком с М=100000, состоящим из двух равных субъединиц, независимо от источника выделения (печень овцы и крысы, эритроциты человека, дрожжи).

Дальнейший обмен рибулозо-5-фосфата — одного из центральных веществ в углеводном обмене — протекает весьма сложно. Многократно изомеризуясь, в частности, переходя в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат, а также вступая в транскетолазные и трансальдолазные реак­ции, заключающиеся в переносе двууглеродных и трехуглеродных фрагмен­тов от одного фосфорного эфира к другому, рибулозо-5-фосфат снова превращается в глюкозо-6-фосфат. Подсчитано, что из 6 молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Таким образом, суммарный эффект всех реакций, осуществляющихся при апотомическом распаде глюкозо-6-фосфата, сводится к тому, что из каждых 6 его молекул одна полностью распадается. Это можно выразить следующим уравне­нием:

6 Молекул глюкозо-6-фосфата + 12 НАДФ+ + 7Н₂О=6СО₂+ 12 НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄ +

+ 5 молекул глюкозо-6-фосфата

После сокращения 5 молекул глюкозо-6-фосфата в левой и правой частях уравнения остается следующее:

Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+ + 7Н₂О + 6С0₂+ 12 НАДФН + Н₃РО„ + 12Н+

Как следует из схемы, важнейшее значение в апотомическом рас­паде углеводов имеет превращение фосфопентоз. Поэтому этот путь обмена углеводов называют также пентозофосфатным циклом. Центральной реакцией в нем является перенос двууглеродных фрагментов, осуществляемый при каталитическом воздействии транскетолазы. Этот фермент (у нас в стране)детально изучен Г. А. Кочетовым с сотр. Транскетолаза из пекарских дрожжей (М = 160 000) построена из двух субъединиц (2X75000), каждая из которых содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат, присое­диненный к белковой части соответственно через радикал триптофана и пирофосфатную группировку. Именно при посредстве тиаминпиро-фосфата и осуществляется перенос двууглеродных фрагментов. Он идет с по­мощью nс— -группы тиазолового цикла. В каждой из субъединиц 20% а-спиралей, 40% b-слоев и 40% полипептидной цепи в виде клубка. Для становления димерной формы фермента и его функции важен Са ⁺. Транскетолаза из эритроцитов человека резко отличается от дрожжевой. Будучи очищена в 70 000 раз, она имеет М = 140 000 и не, уждается ни в тиаминпирофосфате, ни в Мg²⁺ для проявле­ния активности Постепенно укрепляется мнение, что транскетолазные и другие трансферазные реакции в обмене углеводов являются одними из наиболее древних. По мере эволюции к ним при­соединились дегидрогеназные процессы и апотомический путь обмена углеводов приобрел законченный вид. Но в дальнейшем дихотомический путь распада углеводов стал преобладающим, и сейчас пентозофосфатный цикл в целом, особенно у высших животных, занимает скромное место.

Путь Этнера — Дударова. Кроме дихотомического и апотомического путей обмена глюкозо-6-фосфата существует еще один путь, характерный для микроорганизмов (у некоторых из них при его посредстве распадается от 30 до 50% глюкозы), названный в честь его первооткрывателей (1952). Первые стадии распада глюкозо-6-фосфата по этому пути, вплоть до образования 6-фосфоглюконовой кислоты, полностью повторяют апотомический путь. Но далее 6-фосфоглюконовая кислота окисляется без декарбоксилирования в 2-кето-6-фосфоглюконовую кислоту, которая, восста­навливаясь по 3-му углеродному атому, переходит в 2-кето-З-дезокси-6-фосфоглюконовую кислоту, претерпевающую альдолазное расщепление:

Оба конечных продукта распада поступают в общий метаболический фонд и подвергаются обычным превращениям.

Обмен пировиноградной кислоты (ПВК). Проследим теперь судьбу ПВК, возникающей в качестве конечного продукта при дихотоми­ческом распаде глюкозо-6-фосфата и другими путями. В зависимости от места и условий протекания процесса в организме, наличия отсутствия в последнем тех или иных ферментных систем и т.п судьба эта различна.

Если процесс идет в анаэробных условиях или при недостатрчном снабжении кислородом,то простейший вариант обмена ПВК заключается в ее восстановлении до молочной кислоты.Донором атомов водорода при этом служит НАДН, образующийся в процессе окисления 3-фосфоглицери-нового альдегида при дихотомическом распаде глюкозо-6-фосфата и во многих других случаях. Эта реакция ускоряется лактатде-гидрогеназой. На этом ферменте впервые детально был разработан вопрос об изозимах. Изозим типа ММММ характерен для анаэробных тканей и обеспечивает процесс превращения ПВК в молочную кислоту; изозим типа НННН локализован в тканях с высоким аэробиозом и превращает в них молочную кислоту в ПВК. Гибридные формы (НМММ, ННММ и НННМ) обладают промежуточной активностью. Так достигается очень тонкая регу­лировка направления ферментативного процесса и соотношения в тканях молочной и пировиноградной кислот.

Таким образом, в анаэробных условиях каждая молекула глюкозо-6-фосфата дает две молекулы молочной кислоты, которая в этом случае представляет конечный продукт реакции. Если исходным углеводом для обра­зования глкжозо-6-фосфата, а затем молочной кислоты служит глюкоза, то процесс называют гликолизом. Если же исходным углеводом, дающим на­чало глюкозо-6-фосфату (через глюкозо-1-фосфат) и потом молочной кислоте, является гликоген, то процесс называют гликогенолизом. Учитывая, что и в том, и в другом случае на промежуточных стадиях дихотомического распада синтезируется АТФ, гликолиз и гликогенолиз служит средством быстрого получения энергии в анаэробных условиях.

При переключении в аэробные условия от 1/5 до 1/6 общего количества молочной кислоты, возникшей при гликогенолизе, и, вероятно, вся молоч­ная кислота, образовавшаяся при гликолизе, окисляются доСО₂ и Н₂О.От 4/5 до 5/6 количества молочной кислоты гликогенолитического Происхождения идет на ресинтез гликогена путем обращения реакции гликогенолиза. Энергия для этого черпается из реакций окисления, идущих в аэробных условиях.

Таким образом, в анаэробных условиях ПВК, образующаяся при дихото­мическом распаде углеводов, становится акцептором гидрид- ионов (Н~) и протонов (Н ⁺), снимаемых глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой с 3-фос-фоглицеринового альдегида. Регенерация окисленной формы НАД⁺ вследствие передачи гидрид-ионов на ПВК поддерживает течение гликолитического процесса.

Последний неизбежно остановился бы, если бы все количество НАД⁺ оказалось насыщенным атомами водорода, ибо глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа не смогла бы осуществлять свою функцию.

Полный набор ферментов гликогенолиза характерен для мышц и печени животных. Однако если в первых превалирует распад гликогена, то для второй более показателен его биосинтез.

У некоторых организмов, в частности в дрожжевых клетках, содержится мощная декарбоксилаза пировиноградной кислоты, способная в анаэробных условиях превращать ПВК в уксусный альдегид и СО₂:

Начальная фаза реакции декарбоксилирования ПВК при участии дрожже­вой пируватдекарбоксилазы (М—185000, состоит из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу тиаминпирофосфата в качестве кофер-мента и Мд²⁺ в качестве кофактора) рассмотрена ранее. Уксусный альдегид, образующийся при распаде оксиэтилтиаминпирофосфата, восстанавливается за счет НАДН при участии другого фермента — алкогольдегидрогеназы, отличающейся тоже очень высокой активностью в дрож­жевых клетках.

Так как конечным продуктом обмена углеводов в этом случае оказывается этиловый спирт, этот процесс называется спиртовым брожением. Как и при гликолизе, акцептирование атомов Н при брожении ацетальдегидом поддерживает течение реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида, т. е. является условием осуществления процесса в целом.

Кроме спиртового брожения у микроорганизмов существует еще ряд специфических путей утилизации трехуглеродных соединений, возникающих в результате дихотомического распада углеводов. Сюда относятся молочнокис­лое и пропионовокислое брожение, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое брожение, маслянокислое брожение и др.

В аэробных условиях ПВК окисляется. Реакция ускоряется мультиэнзимной системой, называемой пируватдегидрогеназным комплексом.

Характерно, что в результате реакции окисления ПВК в образующейся молекуле ацетил-КоА возникает макроэргическая связь. Она способствует его энергичному обмену в дальнейшем.

Структура пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГК) и первая фаза ускоряемой при его посредстве реакции окислительного декарбоксилирования ПВК рассмотрены ранее. Как видно из этого уравнения, первая фаза процесса состоит в декарбоксилировании ПВК. Эта реакция ускоряется пируватдекарбоксилазой, которая входит в состав мультиэнзимного комплекса в количестве 12 димерных молекул; каждая из них несет две молекулы тиаминпирофосфата в качестве кофермента. Естественно, что оксиэтильный радикал, возникающий после декарбоксилирования ПВК, остается связанным с пируватдекарбоксилазой в виде оксиэтилтиаминпирофосфата.

Далее оксиэтильный радикал окисляется в ацетильный радикал, кото­рый переносится сначала на липоевую кислоту, а затем на коэнзим А. Оба эти процесса (окисление и перенос ацетильного радикала) ускоряются вторым компонентом пируватдегидрогеназного комплекса: липоат-ацетилтран- сферазой (М=70000). Она сосредоточена в центральной части комплекса в виде 24 молекул, упакованных, согласно современным данным, в виде куба, по 12 граням которого располага­ются 12 димерных молекул пируватдекарбоксилазы, а по 6 плоскостям -6 димерных молекул (М= 112 000) дигидролипоилдегидрогеназ. Общая молекулярная масса ПДГК кишечной палочки 4,6 млн. Да, а у высших организмов 7—8 млн. Да.

Каждая молекула липоат-ацетилтрансферазы в качестве простетической группы содержит молекулу липоевой кислоты, соединенную с апоферментом через е-аминогруппу радикала лизина. Такое присоединение липоевой кислоты обеспечивает ее подвижность в оставе пируватдегидрогеназного комплекса {длина «ножки» — 1,5 нм) и беспрепятственный контакт как с пируватдекарбоксилазой, так и с дигидролипоилдегидрогеназой при условии ис­пользования не менее двух остатков липоевой кислоты.

Окислительное декарбоксилирование ПВК завершается следующими (рис. 116, стадии 5 и 6) двумя реакциями. При посредстве третьего компонента мультиэнзимного комплекса, т. е. с помощью дигидролипоилде­гидрогеназы (6 димерных молекул, содержащих по 2 молекулы ФАД в качестве кофермента), дигидролипоевая кислота переходит в липоевую.

Поскольку коферментом дигидролипоилдегидрогеназы является ФАД, то конечно, именно он снимает непосредственно два атома Н с дигидроли-поевой кислоты и передает их на НАД ⁺. Поэтому в приведенном выше суммарном уравнении окислительного декарбоксилирования ПВК в качестве акцептора атомов Н выступает НАД+. Пируватде-гидрогеназный комплекс активен в дефосфорилированном состоянии: цАМФ-независимая протеинкиназа фосфорилирует Е_} и инактивирует его.

Адетил-коэнзим А далее конденсируется со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), которая всегда есть в клеточном содержимом. Образуется лимон­ная кислота и освобождается коэнзим А. Каталитическую функцию в этой реакции выполняет конденсирующий фермент. Предполагают, что реакция идет в несколько стадий. Образованием лимонной кислоты открывается специфический цикл химических реакций, приводящих к постепенному ее окислению до ЩУК, которая снова конденсируется с ацетил-коэнзимом А, так что образуется вновь лимонная кислота. По существу, следовательно, идет окисление ацетильных остатков до СО₂ и Н₂О. Этот цикл реакций получил название цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот, так как именно эти кислоты являются главными его компонентами (рис. 117). Его называют также циклом Кребса — по имени первооткрывателя, удостоенного за это Нобелевской премии в 1959 г. Таким образом, в конечном счете, ПВК окисляется до СО₂ и Н₂О.

Ферменты цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот (ЦТДК), ускоряющие единый метаболический многоступенчатый процесс окисления ацетильных групп, возможно собраны в специфически построенный комплекс (метаболой), локализованный между расположенными друг против друга по­верхностями внутренней мембраны митохондрий. В метаболоне, как полагают, осуществляется эстафетная передача промежуточных продуктов цикла от одного фермента к другому без их высвобождения в матрикс митохондрии. Поэтому процесс идет с большой скоростью. Рядом с метаболоном ЦТДК располагаются пируватдегидрогеназный комплекс и, вероятно, метабо­лон b-окисления высших жирных кислот, поставляющие ему СНзСО~5КоА.

Дата добавления: 2015-07-13