Анаэробное расщепление углеводов (гликолиз). Спиртовое и молочнокислое брожение.

Гликолиз - процесс распада глюкозы (шестиуглеродного соединения) на два трехуглеродных в анаэробных условиях («лизис» — распад). Гликолиз в качестве начальной стадии дыхания почти универсален для растительных и животных клеток, а также клеток многих микроорганизмов.

В то же время последовательности гликолитических реакций у разных организмов отличаются скоростью регуляции отдельных реакций, а также использованием в метаболических процессах конечного продукта гликолиза пировиноградной кислоты. Источником углеводов и основным запасным полисахаридом у растений является крахмал, а у животных и микроорганизмов — гликоген. При использовании в процессе дыхания запасные полисахариды предварительно подвергаются гидролизу: крахмал гидролизуется до глюкозы, а гликоген – до глюкозо-6-фосфата. Образовавшиеся низкомолекулярные продукты - гексозы подвергаются в дальнейшем окислению с выделением энергии.

Гликолиз включает две стадии и состоит из 10 после­довательных реакций.

Первая стадия гликолиза - это фосфорилирование глюкозы и ее превращение в глицеральдегид- З- фосфат.

В результате первой пусковой реакции вследствие присоедине­ния к шестому углеродному атому фосфорной кислоты от АТР про­исходит активирование молекулы глюкозы и расходуется одна мо­лекула AT Р.

Реакции катализируется ферментом гексокиназой, которая отно­сится к классу трансфераз. Гексокиназа присутствует почти во всех животных, растительных и микробиальных клетках. Для протекания реакции необходимы ионы магния.

Затем происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата.

Вторая пусковая реакция протекает с расходованием АТР.

Фосфофруктокиназа - это трансфераза, которая осуществляет перенос фосфатной группы от молекулы АТР к первому углеродному атому фруктозофосфата, в результате чего образуется фруктозо-1,6-днфосфат. Для проявления активности этого фермента требуют­ся ионы магния.

Дигидрооксиацстонфосфат (фосфодиоксиацетон) образуется из первых трех атомов глюкозы, а глицеральдегид-3-фосфат от последних трех углеродных атомов. Реакции катализирует фруктозодифосфатальдолазой, которую чаше называют альдолазой. Эта реакция представляет собой обратимую альдольную конденсацию.

Так как продукты прямой реакции вовлекаются в дальнейшие превращения, то при окислении глюкозы реакция идет преимуществен­но в сторону расщепления фруктозо-1,6-дифосфата.

 

В дальнейших превращениях принимает участие только глицеральдегид, так как дигидрооксиацетонфосфат (фосфодиоксиацетон) изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат, и потому в дальнейшем все превращения про­ходят с коэффициентом 2, так как в итоге молекулы фруктозо-1,6-дифосфата образуются две молекулы глицеральдегид-3-фосфата:

На этом завершается первая стадия гликолиза, которая заключа­ется в активировании гексоз и распаде углеродного скелета глюкозы на две молекулы глицеральдегид-З-фосфата.

Вторая стадия гликолиза. Это превращение глицеральдегид-3-фосфата в пировиноградную кислоту.

Катализатором этой реакции является глицеральлегидфосфатдегидрогеназа, ее кофермент — NAD*. Этот фермент выделен из дрожжей в кристаллическом виде, состоит из 4 субъединиц. Каждая субъединица имеет молекулярную массу 35 000 Да и содержит одну мо­лекулу NAD'. Фермент содержит свободные сулъфгидрильные груп­пы, которые участвуют в каталитической реакции.

В итоге образуется 3-фосфоглицероилфосфат, сохраняющий в себе значительную часть энергии, которая высвобо­дилась при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата. Кофермент NAD⁺ восстанавливается до NADH+Н⁺. Это первая реакция, сопровождающаяся образованием АТР.

Реакция катализируется ферментом енолазой, пол действием которого происходит отщепление воды от 2-фосфоглицерата. В ре­зультате дегидратации происходит перераспределение энергии внутри молекулы 2-фосфоглниерата и в месте присоединения остатка фос­форной кислоты возникает высокоэнергетическая связь.

 

Фермент пируваткиназа — трансфераза, переносящая остаток фосфорной кислоты. Этот фермент активизируется ионами калия и магния или марганца. Это вторая реакция, сопровождающаяся образованием АТР.

10. В результате предыдущей реакции образуется неустойчивая енольная форма пировиноградной кислоты (пирувата), которая неферментативным путем переходит в кетоформу:

 

Процесс гликолиза завершен.

Продукт гликолиза (пировиноградная кислота или пируват) может использоваться тремя способами. У аэробных организмов гликолиз составляет лишь первую часть расщепления глюкозы до CO₂ и Н₂О. В этом случае пируват подвергается окислительному декарбоксилированию - теряет СО₂, а двухуглеродный фрагмент (ацетильная группа) включается в ацетилкофермент А и в дальнейшем окисляется в цикле лимонной кислоты до СО₂ и Н₂О с участием молекулярного кислорода воздуха.

В анаэробных условиях при молочнокислом брожении пировиноградная кислота восстанавливается образовавшимся при гликолизе NADH + Н* под действием фермента лактатдегидрогеназы получается молочная кислота:

При спиртовом брожении пировиноградная кислота предвари­тельно декарбоксилируется до уксусного альдегида:

Пируватдекарбоксилаза относится к классу лиаз. В клетке эта реакция необратима, для проявления се активности необходимы ионы магния. Коферментом является тиаминпирофосфат.

Образовавшийся уксусный альдегид восстанавливается до этанола за счет NADH + Н . образовавшегося вследствие окисления глицеральдегид-3-фосфата