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
