Биохимия. Энергетический обмен и общий путь катаболизма Общие и специфические метаболические пути

Метаболизм и его функции Метаболизм включает два неразрывных процесса: анаболизм и катаболизм. Он выполняет три специализированные функции: Энергетическая – снабжение клетки химической энергией, Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков, Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул - предшественников. Поскольку анаболизм сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Жизнь Энергия Вещество Поддержание сложности Рост и размножение Метаболизм – все химические реакции в организме Энергетический обмен Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые Обмен веществ = Анаболизм – реакции синтеза макромолекул из простых Пластический обмен АТФ

НАДФ - НАДФН - цикл НАДФ - НАДФН - цикл Для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6- фосфата в пентозном пути и оксалоацетата малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ- НАДФН-цикл.

Катаболизм Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Использование атомов водорода Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, могут использоваться клеткой только по двум направлениям: на анаболические реакции в составе НАДФН. на образование АТФ в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН 2.

Этапы катаболизма. Первый этап. Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа: I этап Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах при расщеплении молекул. При этом освобождается около 1 % энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

Второй этап II этап Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил -S- КоА) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13 % энергии вещества усваивается, т. е. запасается в виде макроэргических связей АТФ.

Третий этап III этап Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил -S КоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН 2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием " окислительное фосфорилирование " образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ. Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46 % энергии исходного вещества усваивается, т. е. запасается в связях АТФ и ГТФ.

Роль АТФ Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ. Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в каких - либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа использования АТФ биосинтез веществ, транспорт веществ через мембраны, изменение формы клетки и ее движение. Эти процессы совместно с процессом образования АТФ получили название АТФ - цикл:

Способы получения энергии в клетке В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание: 1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил -S КоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту. 2. β - Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления) – окисление жирных кислот до ацетил -S КоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2. Молекулы АТФ " в чистом виде " не появляются.

Способы получения энергии в клетке 3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, 3 этап биологического окисления) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил -S КоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления) – окисляются НАДН и ФАДН 2, полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ.

Два способа синтеза АТФ Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого - либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3- дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил -S КоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал / моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

ПВК Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях пируват симпортом с ионами Н +, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. Здесь происходит его превращение до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Глюкоза 2 ПВК Гликолиз к л е т к а 9 реакций (пируват) гликолиз 2 АТФ 2 НАД·Н © М.А. Волошина biologii.net

Окисление пировиноградной кислоты Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов: Пируватдегидрогеназа (Е 1, ПВК - дегидрогеназа), ее коферментом является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1- ю реакцию. Дигидролипоат - ацетилтрансфераза (Е 2), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2- ю и 3- ю реакции. Дигидролипоат - дегидрогеназа (Е 3), кофермент – ФАД, катализирует 4- ю и 5- ю реакции. Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Регулируемым ферментом ПВК - дегидрогеназного комплекса является первый фермент – пируватдегидрогеназа (Е 1). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования. Сама киназа активируется при избытке конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ферментного комплекса – НАДН и ацетил -S- КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается. Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Ганс Адольф Кребс В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии. Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса. Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953 г.

Цикл трикарбоновых кислот Образующийся в ПВК - дегидрогеназной реакции ацетил - S КоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких - либо иных веществ. Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций: связывание ацетил - КоА и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) с образованием лимонной кислоты, изомеризация лимонной кислоты и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО 2. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Основная роль ЦТК Основная роль ЦТК заключается в 1) генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН 2. 2) Кроме этого, в ЦТК образуется одна молекула АТФ, сукцинил -S КоА, участвующий в синтезе гема, кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α - кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой.

Регуляторные ферменты ЦТК Некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами: Ферменты ЦТКИнгибиторыАктиваторы ЦитратсинтазаАТФ, цитрат, НАДН, ацил -S- КоА Изоцитрат - дегидрогеназа АТФ, НАДНАМФ, АДФ α - Кетоглутарат - дегидрогеназа Сукцинил -S- КоА, НАДН цАМФ

Окислительное фосфорилирование Молекулы НАДН и ФАДН 2, образуемые в реакциях окисления углеводов, жирных кислот, спиртов и аминокислот, далее поступают в митохондрии, где идет процесс окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН 2) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.

Механизм окислительного фосфорилирования По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью (англ. electron transport chain).

Принцип работы дыхательной цепи В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем: 1) Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода (т. е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи. 2) Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию. 3) Эта энергия используется на выкачивание протонов Н + из матрикса в межмембранное пространство. 4) В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. 5) Протоны Н + стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ - синтазу. 6) При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ. Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т. е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

Дыхательная цепь включает множество белков - переносчиков Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.

Первый комплекс. Первый комплекс. 1 комплекс - НАДН - Ко Q- оксидоредуктаза Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН - дегидрогеназа, содержит ФМН, 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков с общей молекулярной массой до 900 кДа. Функция Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон). Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Второй комплекс 2 комплекс - ФАД - зависимые дегидрогеназы Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. Он включает в себя ФАД - зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил -S КоА - дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол -3- фосфат - дегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию). Функция Восстановление ФАД в окислительно - восстановительных реакциях. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.

Третий комплекс 3 комплекс - Ко Q- цитохром с - оксидоредуктаза Данный комплекс включает цитохромы b и c 1. Кроме цитохромов в нем имеются 2 железо - серных белка. Всего насчитывается 11 полипептидных цепей общей молекулярной массой около 250 к D а. Функция Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с. Переносит 2 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Четвёртый комплекс 4 комплекс. - Цитохром с - кислород - оксидоредуктаза В этом комплексе находятся цитохромы а и а 3, он называется также цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептидных цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. Функция Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды. Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Пятый комплекс 5 комплекс – это фермент АТФ - синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы: одна группа формирует субъединицу F о (олигомицин - чувствительная) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ. Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно 3- х протонов Н +. Механизм окислительного фосфорилирования На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования: 1) Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т. е. обладает более положительным окислительно - восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов. 2) Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2.

3) На внутренней мембране митохондрий атомы водорода (от НАДН и ФАДН 2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (шт / сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода. 4) Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Механизм окислительного фосфорилирования (продолжение) Участки сопряжения 5) Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участками сопряжения (или пунктами фосфорилирования). Название " участки сопряжения " возникло из - за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ. Участки сопряжения представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией. Градиент (Δμ, " дельта мю ") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, " дельта пси ") и концентрационную (ΔрН): Δμ = ΔΨ + ΔрН

Наработка АТФ 6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H + теряют свою энергию, проходя через АТФ - синтазу (Н + - транспортирующая АТФ - аза). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла:

На клеточное дыхание можно влиять В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией на воздействие.

Гипоэнергетические состояния Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее: гиповитаминозы экзогенные и / или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В 1, В 2, никотиновой кислоты, В 6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты, дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности, снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии, дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает " переполнение " дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН 2 в клетке и прекращение катаболизма, дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Разобщители окисления и фосфорилирования К разобщителям в первую очередь относят " протонофоры " – вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме. Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Белок термогенин является физиологическим протонофором. Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН 2 на кислород. Они называются ингибиторы. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н + и работа АТФ - синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает. Выделяют три основных группы ингибиторов: действующие на I комплекс, например, амитал (производное барбитуровой кислоты), ротенон, прогестерон, действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А, действующие на IV комплекс, например, сероводород (H 2 S), угарный газ (СО), цианиды (-CN).

Содержание статьи

БИОХИМИЯ, наука, которая описывает на языке химии строение и функции живых организмов. Биохимические концепции находят применение в медицине, пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности, сельском хозяйстве, а также в перерабатывающей промышленности, использующей отходы и побочные продукты сельского хозяйства.

Области исследований.

В развитии биохимии можно выделить несколько этапов и направлений.

Типы органических соединений и их структура.

Фундаментальное значение имело составление перечня органических соединений, обнаруженных в живых организмах, и установление структуры каждого из них. Этот перечень включает относительно простые соединения – аминокислоты, сахара и жирные кислоты, затем более сложные – пигменты (придающие окраску, например, цветкам), витамины и коферменты (небелковые компоненты ферментов), а заканчивается гигантскими молекулами белков и нуклеиновых кислот.

Метаболические пути.

По-видимому, наиболее значительные успехи в биохимии связаны с выяснением путей биосинтеза природных соединений из более простых веществ, т.е. из компонентов пищи у животных и из диоксида углерода и минеральных веществ (в ходе фотосинтеза) у растений. Биохимикам удалось подробно изучить основные метаболические пути, обеспечивающие синтез и расщепление природных соединений у животных, растений и микроорганизмов (в частности, у бактерий).

Структура и функции макромолекул.

Третье направление биохимии связано с анализом связи между структурой и функцией биологических макромолекул. Так, биохимики пытаются понять, какие особенности структуры белковых катализаторов лежат в основе их специфичности, т.е. способности ускорять строго определенные реакции; как выполняют свои функции сложные полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и мембран; каким образом сложные липиды, присутствующие в нервной ткани, участвуют в функционировании нервных клеток – нейронов.

Функционирование клеток.

Еще одна проблема, которой занимаются биохимики, – раскрытие механизмов функционирования специализированных клеток. Исследуются, например, следующие вопросы: как происходит сокращение мышечных клеток, как определенные клетки формируют костную ткань, каким образом эритроциты переносят кислород от легких к тканям и забирают из тканей углекислый газ, каков механизм синтеза пигментов в клетках растений и т.д.

Генетические аспекты.

Исследования, начавшиеся в 1940-х годах и проводившиеся на грибах и бактериях, а затем на высших организмах, включая человека, показали, что обычно в результате мутации генов в клетках перестают протекать определенные биохимические реакции. Эти наблюдения привели к созданию концепции гена как информационной единицы, отвечающей за синтез специфического белка. Если белок является ферментом, а кодирующий его ген подвергся мутации (т.е. изменился), то клетка утрачивает способность осуществлять реакцию, которую этот фермент должен был бы катализировать.

Ген – это специфический сегмент молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), который способен реплицироваться (воспроизводить себя) и ответствен за синтез определенного белка. Многие биохимические исследования направлены на выяснение деталей репликации нуклеиновых кислот и механизма синтеза белков, а потому тесно связаны с генетикой. Область исследований, лежащую в сфере и биохимии и генетики, обычно называют молекулярной биологией.

Проект «Геном человека»

– грандиозный международный проект в области молекулярной биологии и генетики, в котором принимают участие коллективы ученых из многих стран. Цель проекта – построить генетические карты 23 хромосом человека с точным указанием положения всех десятков тысяч генов на этих хромосомах и в конечном итоге определить структуру хромосом, т.е. последовательность примерно 3 млрд. пар азотистых оснований, из которых состоит хромосомная ДНК. Эти исследования позволят создать доступную для всех ученых базу данных, представляющих большую ценность для изучения генетики человека, а главное – помогут биохимикам раскрыть механизмы наследственных болезней.

Медицинская биохимия.

С каждым годом все большее число болезней удается связать с теми или иными нарушениями метаболизма. Совместные усилия биохимиков и врачей позволили раскрыть природу нарушений, лежащих в основе таких заболеваний, как сахарный диабет и серповидноклеточная анемия. Более чем в 800 случаях установлена корреляция между нарушениями метаболизма и генетическими дефектами, в некоторых случаях найдены способы, которые позволяют смягчить последствия заболевания.

4.1 Биохимические пути окисления глюкозы..doc

ДЫХАНИЕ
В этой главе рассматриваются процесс аэробного дыхания, в котором осво-бождаемая при окислении углеводов свободная энергия преобразуется в энер-гию, заключенную в молекулах АТФ, а также механизмы, позволяющие растению контролировать энергетический статус клетки. Особое внимание уделе-но особенностям растений, связанным с наличием альтернативных путей в дыхательном метаболизме. Кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с генерацией клеткой активных форм кислорода.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы, которые транс-портируются из листьев в другие органы. На свету и в темноте клетки растения «дышат», окисляя углеводы молекулярным кислородом с образованием СО 2 и воды. При этом освобождается большое количество свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + энергия;
∆G = -2882 кДж/моль (-686 ккал/моль)

Эта формула в общем виде отражает чрезвычайно сложный, а главное, кон-тролируемый процесс, который условно можно разбить на три этапа: гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи (рис. 4.1).

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот - это биохимические пути окисле-ния глюкозы, протекающие соответственно в цитозоле и матриксе митохонд-рий. В биохимических реакциях синтезируется небольшое количество АТФ, и главный их результат - образование соединений с высоким восстановитель-ным потенциалом - НАДН и ФАДН 2 . На заключительном этапе восстановительные эквиваленты окисляются в электрон-транспортной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электрона в цепи за-вершается восстановлением кислорода до воды. В процессе электронного транспорта на мембране образуется электрохимический протонный градиент Δ
, энергия которого используется для синтеза АТФ из АДФ и Ф н. Процесс, в котором работа дыхательной цепи сопряжена с синтезом АТФ, получил на-звание окислительного фосфорилирования. Именно в этом процессе синтезиру-ется основная масса АТФ, образуемого при дыхании.

И у растений, и у животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии - Δ и АТФ. Вторая, не менее важная функция - снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т. е. рассеиванием энергии в виде тепла. Про-цесс дыхания принципиально сходен у животных и растений, но у последних имеет свои особенности. Все вместе они отражают пластичность растительного метаболизма и связаны с функционированием, наряду с основными, альтер-нативных ферментов и реакций. Наличие альтернативных путей расширяет адап-тивные возможности растений, но усложняет (с точки зрения исследователя) систему регуляции метаболических процессов.

Рис. 4.1. Основные этапы дыхания.

Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД + , синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до СО 2 в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН 2 , а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива-ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

^ 4.1. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПУТИ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ
4.1.1. СТРУКТУРА МИТОХОНДРИЙ

Основные события, связанные с дыханием, происходят в митохондриях. Растительные митохондрии, как правило, сферической или цилиндрической формы, их число может сильно варьировать в зависимости от метаболической активности клетки. Две мембраны, наружная и внутренняя, делят митохонд-рию на два функциональных компартмента - межмембранное пространство и матрикс (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структура митохондрий
Особые белки, называемые поринами, образуют в наружной мембране крупные гидрофильные каналы, или поры, через которые в меж-мембранное пространство из цитозоля свободно могут проникать соединения с молекулярной массой не более 10 кДа. Это практически все основные мета-болиты клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, кри-сты, которые увеличивают ее поверхность. Во внутреннюю мембрану интегри-рованы электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) и АТФ-синтаза. В отличие от дру-гих клеточных мембран внутренняя мембрана митохондрий обогащена белком (75 %) и содержит особый фосфолипид (дифосфатидилглицерол) - кардиолипин. Она пропускает газы, воду и небольшие липофильные молекулы, но непроницаема для заряженных молекул и ионов, что является обязательным условием ее функционирования как сопрягающей мембраны. Однако в мемб-ране есть белки - транспортеры, с помощью которых возможен обмен мета-болитами между матриксом и цитозолем (см. подразд. 4.1.8 и 4.2.11). Матрикс, т. е. окруженное внутренней мембраной пространство, содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот.
^ 4.1.2. ГЛЮКОЗА - ОСНОВНОЙ СУБСТРАТ ДЫХАНИЯ У РАСТЕНИЙ

Основным субстратом дыхания у растений являются глюкоза и ее произ-водные, хотя в особых случаях дыхание могут поддерживать белки и жиры, запасенные в семенах. Глюкоза образуется в клетках растений при гидролизе крахмала и сахарозы - продуктов фотосинтеза. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы - это длинные, неразветвленные цепи α-D-глюкопиранозных остатков, соеди-ненных гликозидными α(1→4)-связями. Молекулы амилопектина также представлены цепями α -D-глюкопиранозных остатков, которые в точке ветвления образуют а(1→6)-связь. Крахмал как запасный полисахарид накапливается в хлоропластах и пластидах гетеротрофных тканей. Некоторые растения - топи-намбур (Heliantus tuberosus ), георгин (Dahlia sp .) в качестве запасных углеводов могут использовать инулин и гемицеллюлозы. Сахароза - это дисахарид, обра-зованный остатками глюкозы и фруктозы. Она синтезируется в цитозоле, из фотосинтезирующих клеток по апопласту листа и сосудам флоэмы транспор-тируется в другие органы растения.

Крахмал расщепляется до моносахаридов при участии ряда ферментов (α- и β-амилазы, α-1,6-глюкозидазы, крахмалфосфорилазы и др.) с образованием D-глюкозы или D-глюкозо-1-фосфата. Распад сахарозы может идти при обра-щении реакций ее синтеза, но в основном происходит в результате гидролиза при участии фермента инвертазы:

Сахароза + Н 2 О → фруктоза + глюкоза

В геноме таких растений, как томат (Lycopersicon esculentum ), кукуруза (Zea mays ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), морковь (Dancus carota ), обнаружено целое семейство ядерных генов, кодирующих разные изоформы инвертазы. Например, у моркови кислые инвертазы (оптимум рН 4,5 - 5,0) в пяти разных изоформах присутствуют в вакуоли и клеточной стенке. В цитозоле есть нейт-ральная инвертаза (оптимум рН 7,0-8,0), которая также может иметь несколько изоформ. Таким образом, у растений гидролиз сахарозы может идти в разных клеточных компартментах и контролируется сложным образом через актив-ность инвертаз, обладающих разными свойствами.
^ 4.1.3. ГЛИКОЛИЗ - ПЕРВЫЙ ЭТАП ДЫХАНИЯ

Гликолиз - это универсальная последовательность реакций, общая для всех известных науке организмов, в ходе этих реакций глюкоза последовательно окисляется до пирувата. Окисление сопровождается образованием двух моле-кул НАДН и синтезом 2 молекул АТФ. Несомненно, что гликолиз - эволюционно самый ранний из известных способов получения энергии, и единствен-ный для многих анаэробных бактерий. В аэробный метаболизм гликолиз вклю-чен как начальный этап окисления глюкозы.

Реакции гликолиза (рис. 4.3) протекают в цитозоле и катализируются фер-ментами, легко экстрагируемыми из клеток. Вначале богатая энергией, но ста-бильная молекула глюкозы фосфорилируется за счет АТФ в реакции (1), ката-лизируемой гексокиназой. Образованный глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (2) и еще раз фосфорилируется до фруктозо-1,6-бисфосфата с использованием еще одной молекулы АТФ (3). Эта необратимая реак-ция, ключевая в регуляции гликолиза (см. подразд. 4.1.7), имеет у растений следующую особенность. Если у животных данную реакцию катализирует толь-ко один фермент -

^ АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (3), то в клетках рас-тений на этой стадии действуют сразу два фермента. Помимо АТФ-зависимой фосфофруктокиназы растения содержат также пирофосфатзависимую фосфофруктокиназу, которая катализирует фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, используя не АТФ, а пирофосфат (4).

Рис. 4.3. Реакции гликолиза.

Реакции 1- 17 катализируют следующие ферменты: 1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизомераза; 3 - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (АТФ: В-фруктозо-6-фосфат-1-фосфотрансфераза); 4 - ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа; 5 - фруктозо-1,6-бисфосфат альдолаза; 6 - триозофосфатизомераза; 7 - глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа; 8 - фосфоглицераткиназа; 9 - фосфоглицеромутаза; 10 - енолаза; 11 - пируваткиназа (АТФ пируват-фосфотрансфераза); 12 - пируваткарбоксилаза; 13, 14 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа; 15 - ФЕП-карбоксикиназа;

16 - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; 17 - глюкозо-6-фосфатаза;→ - необратимая реакция;

↔ - обратимая реакция; ∙∙∙∙∙∙ - обходные реакции при обращении гликолиза;

Фосфатная группа:

Впервые этот фермент был обнаружен у пропионовокислых бактерий в начале 1980-х гг. в листьях ананаса (Ananas comosus ), а затем и в других растительных объектах.

Цитозоль растительных клеток содержит пирофосфат (ФФ Н) в довольно высокой и устойчивой концентрации, который в ряде случаев выступает как энергетический эквивалент, или как донор фосфатных групп. ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа способна катализировать реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата в обоих направлениях, работая либо на синтез ФФ Н либо на его удаление. Предполагается, что таким образом контролируется пул ФФ Н в цитозоле.

Отрицательно заряженные фосфатные группы в молекуле фруктозо-1,6-бис-фосфата облегчают ее распад при участии альдолазы на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА) (5). Последний легко изомеризуется в ФГА (6). На этой реакции завершается первая стадия гликолиза: при использовании двух молекул АТФ глюкоза фосфорилируется и расщепля-ется на две половинки - фосфотриозы, которые в дальнейшем подвергаются одинаковым превращениям.

Вторая стадия гликолиза включает окислительно-восстановительные реак-ции, в которых образуются НАДН и АТФ. Окисление 3-фосфоглицеринового альдегида (7) катализирует глицералъдегид-3-фосфат дегидрогеназа. В ходе этой сложной реакции, которая идет через образование фермент-субстратного ком-плекса, восстанавливается НАДН и образуется

1,3-дифосфоглицериновая кис-лота (1,3-ФГК). Последняя представляет собой высокоэнергетическое соеди-нение, в молекуле которого есть макроэргическая фосфатная связь. Синтез АТФ осуществляется при переносе фосфатной группы от 1,3-ФГК на АДФ в реакции (8), катализируемой фосфоглицераткиназой. Таким образом, АТФ син-тезируется в результате совместного действия двух реакций, в первой из кото-рых макроэргическая связь образуется на молекуле окисляемого субстрата. По-этому такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфорилиро-вания. В следующей реакции (9) 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, от которой при участии енолазы отщепляется молекула воды (10). В результате этой реакции вновь образуется высокоэнерге-тическое соединение - фосфоенолпируват (ФЕП). Второе субстратное фосфорилирование связано с переносом фосфатной группы от ФЕП на АДФ, ката-лизируемом пируваткиназой (11). Образованный пируват является конечным продуктом гликолиза.

У растений обнаружены ферменты, при участии которых возможен «обход» некоторых реакций гликолиза. Так, в клетках растений есть НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, катализирующая реакцию

3-ФГА + НАДФ + + Н 2 ^ О → 3-ФГК + НАДФН + 2Н +

В вакуолях некоторых растений (у Catharanthus roseus , Cupinus albus , Brassica nigra , Allium сера) обнаружена ФЕП-фосфатаза, катализирующая реакцию

ФЕП + Н 2 О
Пируват + Ф н

Оба альтернативных фермента активируются при фосфорном голодании.

Энергетический выход гликолиза небольшой. Если учесть, что на первом этапе активация глюкозы связана с расходом двух молекул АТФ, суммарный баланс можно выразить через уравнение

Глюкоза + 2НАД + + 2Ф Н + 2АДФ→ 2Пируват + 2НАДН + 2Н + + 2АТФ + 2Н 2 О

У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, проте-кает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изофор-мы

АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена из-за высокой концентра-ции АТФ (см. подразд. 4.1.7). Пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа не обнаружена в хлоропластах и пластидах.

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН ис-пользуются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах. Следует также иметь в виду, что пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.

При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений глико-лиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. Обычно сначала при участии лактатдегидрогеназы образуется молочная кислота:

Пируват + НАДН + Н
Лактат + НАД

При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при рН > 7,0 находится в неактив-ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:

Пируват Ацетальдегид + СО 2 ;
Ацетальдегид + НАДН + Н + Этанол + НАД +

Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж-клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточ-ного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выжи-вают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы (Zea mays ) и табака (Nicotiana tabacum ) спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с дыханием.
^ 4.1.4. СИНТЕЗ САХАРОВ ПРИ ОБРАЩЕНИИ ГЛИКОЛИЗА

Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза:

Глюкоза
Пируват
Глюкоза
Пируват

Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые киназами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с помощью других ферментов и реакций (см. рис. 4.3). Для обращения реакции, катализируемой пируваткиназой, и получения ФЕП из пирувата необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозоля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при уча-стии пируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12) с образованием оксалоацетата (ОАА). В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата (13) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, ко-торая идет в направлении синтеза малата, так как соотношение НАДН/НАД в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется до ОАА (14). И наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависи-мой реакции, катализируемой

^ ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (16 и 17), катализируемых гексокина-зой и фосфофруктокиназами, достигается при действии соответствующих фосфатаз. Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза, возможен синтез сахарозы при участии сахарозофосфатсинтазы. Таким образом, в мета-болизме растений существует способ синтеза Сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семенах тех растений, в которых запасными соединениями являются жиры (см. подразд. 4.1.9).
4.1,5. ОБРАЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ, АТФ И СО 2 ^ В ЦИКЛЕ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энер-гии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюко-за. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СО 2 .

Сначала окисление пирувата катализирует сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис. 4.4). В его состав входят три фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилтрансацетилаза, дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат - витамин В 1 , липоевая кислота, НАД, ФАД и коэнзим А).

В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоА-SH) - сложная молекула, в составе которой есть активная SH-группа. Коэнзим А функциони-рует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментатив-ных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле

Ацетил-СоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата (7) пируватдегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД до НАДН, отщеплением СО 2 и образованием ацетил-СоА. Ацетил-СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестя-щих работ, выполненных в лаборатории английского биохимика Г. А. Кребса в 30-х гг. XX в. на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК - универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных орга-низмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.

Рис. 4.4. Окисление пирувата в матриксе митохондрий через пируватдегидрогеназный

Комплекс и цикл трикарбоновых кислот.

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается выделением СО 2 , восстановле-нием НАДН и синтезом ацетил-СоА. В реакции, катализируемой цитратсинтазой, ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата. В ЦТК цитрат окисляется с выделением двух молекул СО 2 , в результате вновь синтезируется оксалоацетат. В реакциях ЦТК образу-ются 3 НАДН и 1 ФАДН 2 , а также синтезируется 1 АТФ. Образованный оксалоацетат вновь реагирует с ацетил-СоА, запуская следующий оборот цикла. Реакции 1- 9 1 - пируватдегидрогеназный комплекс; 2 - цитратсинтаза; 3 - аконитаза; 4 - НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа; 5 - α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс; б - сукцинил-СоА-синтетаза; 7 - сукцинатдегидрогеназа; 8 - фумараза; 9 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа
Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сна-чала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализи-руются одним ферментом - аконитазой. Далее следуют две реакции окисли-тельного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД и выделением СО 2 . Сначала НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа окис-ляет изоцитрат (4) с образованием α-кетоглутарата, СО 2 и НАДН. Эта самая медленная реакция определяет скорость оборота всего цикла. Образованный α-кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО 2 и сукцинил-СоА. Далее сукцинил-СоА-синтетаза катализирует превращение сукцинил-СоА в сукцинат (6), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинил-СоА. Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ (животные).

Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фер-мент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи - комплекс II. В ходе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, кото-рая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДН 2 прямо уходят в дыхательную цепь. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа - это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи (см. подразд. 4.2.3). Далее фумараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И наконец, цикл замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Это третья реакция цикла, в которой генери-руются НАДН. Хотя данная реакция легкообратима, in vivo ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Сдвиг происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя большинство реакций цикла об-ратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, физиологически необратимы и контролируют на-правление цикла.

Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисления глюкозы, начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СО 2 . Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, восста-новлением ФАД и синтезом одной молекулы АТФ.

Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ. Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхатель-ной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДН 2 - двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. подразд. 4.2.6 и 4.2.9). При полном окислении глюкозы 2НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8НАДН и 2ФАДН 2 - в матриксе при окислении двух молекул пирувата. При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фосфорилирования (2 АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра достаточно приблизительна и скорее всего завышена. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН, может быть меньше трех (см. подразд. 4.2.7).
^ 4.1.6. ОСОБЕННОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ МИТОХОНДРИЙ - ПРИСУТСТВИЕ МАЛИК-ЭНЗИМА

Стабильная работы ЦТК во многом зависит от концентрации промежуточ-ных соединений, а значит, и от процессов, связанных с их удалением или, наоборот, вовлечением в цикл. Многие интермедиаты цикла активно из него уходят и используются в различных реакциях в цитозоле (см. подразд. 4.1.8). В связи с этим важное значение имеют так называемые анаплеротические реак-ции, которые катализируют взаимопревращение продуктов гликолиза и ЦТК, и при необходимости «подкармливают» цикл, пополняя пулы промежуточных соединений.

Так, ФЕП-карбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из ФЕП:

ФЕП + НСО
ОАА + Ф н

Как уже было показано (см. подразд. 4.1.4; рис. 4.3), оксалоацетат может быть также синтезирован из пирувата при участии пируваткарбоксилазы:

Пируват + С0 2 + АТФ
ОАА + АДФ + Ф н

Малатдегидрогеназа катализирует легко обратимое взаимопревращение оксалоацетата и малата:

Малат + НАД + ОАА + НАДН + Н

Особый интерес вызывает функционирование в растительной клетке малик-энзима, который катализирует окислительное декарбоксилирование малата:

Малат + НАД + Пируват + СО 2 + НАДН + Н
У растений малик-энзим присутствует не только в цитозоле, но и в митохон-дриях

(НАД + -зависимая изоформа) и хлоропластах (НАДФ + -зависимая изоформа). Наличие этого фермента в митохондриях делает возможным получать пиру-ват из малата и тем самым обходить последнюю реакцию гликолиза (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Альтернативные пути образования пирувата в растительной клетке.

Образованный в гликолизе фосфоенолпируват (ФЕП) может метаболизировать с образованием пирувата или малата. ФЕП-карбоксилаза катализирует взаимодействие ФЕП с НСО с образова-нием оксалоацетата, который превращается в малат. Малат, как и пируват, поступает в митохонд-рии и может поддерживать ЦТК, превращаясь в пируват при участии малик-энзима. Реакции 1 - 7 катализируют ферменты: 1 - пируваткиназа; 2 - ФЕП-карбоксилаза; 3 - малатдегидрогеназа в цитозоле; 4 - малатдегидрогеназа в митохондриях; 5 - малик-энзим; 6 - пируватдегид-рогеназный комплекс; 7 - цитратсинтаза
Действительно, образованный в гликолизе ФЕП является субстратом сразу двух реакций. При участии пируваткиназы он превращается в пируват (1), а при участии ФЕП-карбоксилазы - в оксалоацетат (2). Последний легко воестанавливается до малата (5). Поступив в митохондрии, малат либо сразу включается в ЦТК, либо окисляется малик-энзимом до пирувата (5). На самом деле не совсем понятно, насколько этот альтернативный способ образования пиру-вата из малата используется in vivo в нормальной физиологической ситуации. Сообщалось, что этот путь активируется у некоторых растений при фосфор-ном голодании. Возможно, он включается при регуляторном подавлении актив-ности пируваткиназы (см. подразд. 4.1.7). Тем не менее дублирование реакций, связанных с синтезом пирувата, отражает пластичность растительного метабо-лизма и, безусловно, расширяет их адаптивные возможности. Так, трансгенные растения табака (Nicotiana tabacum ), лишенные пируваткиназы, выживали и поддерживали нормальный метаболизм за счет этого обходного пути.
^ 4.1.7. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ РЕГУЛИРУЕТСЯ КЛЮЧЕВЫМИ МЕТАБОЛИТАМИ И ПОДЧИНЕН КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ

В гликолизе и ЦТК действуют несколько ключевых реакций, благодаря ко-торым весь процесс окисления глюкозы от начала до конца является контро-лируемым. Наиболее важная точка контроля - реакции гликолиза, связанные с I превращением фруктозо-6-фосфата во

Фруктозо-1,6-бисфосфат и обратно. Все ферменты, участвующие в прямой и обратной реакциях, подвержены аллостерической регуляции (рис. 4.6). В клетках животных АТФ-зависимая фосфофруктокиназа активируется АДФ и подавляется АТФ, тогда как в клетках растений этот фермент активируется ионом фосфата, а ингибируется ФЕП. Обратная реакция, катализируемая фосфатазой, в обоих случаях активируется АТФ и цитратом и подавляется АДФ. Такая система регуляции означает, что накопле-ние в клетке нереализованного АТФ и фосфоенолпирувата на фоне низкого уровня АДФ и Ф н приведет к подавлению активности фосфофруктокиназы и активации фосфатазы, т.е. к торможению скорости распада глюкозы.

Рис. 4.6. Регуляция гликолиза у растений на уровне реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата:

Фр-6-Ф - фруктозо-6-фосфат; Фр-1,6-Ф - фруктозо-1,6-бисфосфат; Фр-2,6-Ф - фруктозо-2,6-бисфосфат; АТФ-ФФК - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа; ФФ Н -ФФК - пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа; фосфатаза - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; - активирование;

┴ - ингибирование

В регуляцию этих реакций включен еще один фактор - фруктозо-2,6-бисфосфат, регуляторная молекула у всех эукариот. Фруктозо-2,6-бисфосфат дей-ствует как активатор прямой и ингибитор обратной реакции, т. е. стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. У животных фруктозо-2,б-бисфосфат ак-тивирует АТФ-зависимую фосфофруктокиназу и подавляет активность фосфа-тазы. У растений в отличие от животных фруктозо-2,6-бисфосфат не действует на АТФ-зависимый фермент, но четко активирует ФФ н -зависимую фосфо-фруктокиназу и ингибирует фосфатазу. Пластидная изоформа АТФ-зависимой фосфофруктокиназы, как и цитозольная, активируется фосфатом и подавля-ется ФЕП, а также АТФ. О способах регуляции пластидной фосфатазы извест-но мало.

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется и деградирует при участии двух фер-ментов: фруктозо-6-фосфат 2-киназы и фруктозо-2,6-бисфосфатазы:

Активность 2-киназы активируется ионом фосфата и фруктозо-6-фосфатом и ингибируется трехуглеродным продуктом гликолиза - ФГА и ФГК. Таким образом, синтез самой регуляторной молекулы сложным образом зависит от соотношения С6/СЗ-Сахаров в растительной клетке. На это соотношение будут влиять интенсивность синтеза сахарозы и транспорт в хлоропласт Ф н в обмен на триозофосфат (см. гл. 3).

Второй регуляторный фермент гликолиза, пируваткиназа, аллостерически ин-гибируется метаболитами ЦТК, цитратом и малатом и активируется АДФ и Ф н.

Следующая точка контроля на пути окисления глюкозы - ПДК, на приме-ре которого можно видеть, как иногда сложно регулируется активность ключевых ферментов. Одним из способов «быстрого реагирования» в клетке явля-ется изменение активности ферментов за счет их обратимого фосфорилирования-дефосфорилирования при участии специальных протеинкиназ и фосфатаз. Именно такому способу регуляции подвержен и ПДК: АТФ-зависимое фосфорилирование комплекса по остатку серина подавляет его активность, а при отщеплении фосфатной группы активность восстанавливается (рис. 4.7). Состояние комплекса зависит от активности киназы, которая в свою очередь подвержена аллостерической регуляции. Киназа активируется АТФ и ионом аммония и ингибируется субстратом комплекса - пируватом. Регуляторные свойства фосфатазы остаются пока неясными. Кроме того, ПДК ингибируется по типу обратной связи НАДН и ацетил-СоА.

Рис. 4.7. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса за счет обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования.

Киназа катализирует АТФ-зависимое фосфорилирование одного из белков комплекса, переводя его в неактивное состояние. Киназа активируется АТФ и ионами аммония, ингибируется пиру-ватом. Дефосфорилирование при участии фосфатазы восстанавливает активность комплекса. Кроме того, активность ПДК подавляется продуктами реакции - НАДН и ацетил-СоА; ┴ - ингибирование; - активирование
Регуляторные ферменты ЦТК - цитратсинтаза и НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа. Активность цитратсинтазы аллостерически подавляется АТФ и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и цитратом и ингибируется АТФ и НАДН. Кроме того, работа дегидрогеназ цикла зависит от соотно-шения НАД/НАДН в матриксе. Следовательно, ключевую роль в управлении ЦТК играет соотношение НАДН/НАД + и АТФ/АДФ в матриксе митохондрий. При высоком содержании АТФ и НАДН работа цикла будет тормозиться.

Итак, на всем пути окисления глюкозы действуют ферменты, активность которых сложным образом зависит от многих факторов. В то же время в системе регуляции прослеживается общий принцип: ключевые реакции регулируются «снизу вверх», т. е. метаболитами, которые образуются в последующих реакци-ях, и прежде всего на заключительной стадии, когда в процессе окислитель-ного фосфорилирования синтезируется основная масса АТФ из АДФ и Ф н. Во всех случаях ключевые ферменты реагируют либо на абсолютное содержание, либо на соотношение АДФ, АТФ и Ф н. Такая система регуляции очень логична и направлена на поддержание в клетке режима экономии, при котором скорость распада глюкозы соответствовала бы потребностям клетки в АТФ и дру-гих продуктах дыхания. При высоком уровне АДФ и Ф н, который отражает быстрый расход в клетке синтезируемой АТФ, ключевые реакции гликолиза и ЦТК активируются, а при накоплении АТФ тормозятся. Благодаря такой си-стеме регуляции скорость окисления глюкозы и дыхания в целом координиру-ется в соответствии с энергетическим статусом клетки.
^ 4.1.8. ОБМЕН МЕТАБОЛИТАМИ ЦТК МЕЖДУ МИТОХОНДРИЯМИ И ЦИТОЗОЛЕМ

Цикл трикарбоновых кислот - это не только необходимый этап энергообме-на, но и источник соединений, необходимых для многих биосинтезов, проте-кающих в цитозоле и других компартментах. Благодаря интенсивному обмену с цитозолем в митохондриях пересекается обмен трех групп важнейших соеди-нений - углеводов, белков и липидов (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Цикл трикарбоновых кислот как центр метаболизма.

Интермедиаты ЦТК активно используются как исходные субстраты при образовании аминокис-лот, липидов и во многих других биосинтезах. Предлагаемая схема не является полной, она лишь демонстрирует активный отток метаболитов с основного пути дыхания
Например, ацетил-СоА - исходное соединение для синтеза жирных кислот и полиизопреноидных со-единений, необходимых при биосинтезе липидов, каротиноидов, раститель-ных гормонов. Важнейшей функцией цикла является экспорт так называемых «углеродных скелетов» в виде кетокислот, необходимых для синтеза амино-кислот в реакциях переаминирования.

Интеграция митохондрий в общий метаболизм возможна благодаря интен-сивному обмену метаболитами между матриксом и цитозолем. Наружная мемб-рана благодаря наличию пор не препятствует такому обмену. Транспорт со-единений через внутреннюю мембрану осуществляется с помощью интегри-рованных в нее белков-транспортеров. Транспортеры переносят кето- и амино-кислоты, адениннуклеотиды, НАД + , коэнзим А и многие другие соединения (см. также подразд. 4.2.11). Так, во внутренней мембране есть целое семейство похожих по своей структуре белков, которые осуществляют транспорт анио-нов ди- и трикарбоновых кислот, участвующих в ЦТК

(рис. 4.9). Особенно ин-тенсивно из митохондрий идет вынос α-кетоглутарата, который необходим для ассимиляции аммония и синтеза аминокислот в хлоропластах. В мембране обнаружены два обменных переносчика, которые выносят в цитозоль α-кетоглутарат и/или цитрат в обмен на малат. В цитозоле цитрат превращается в изоцитрат (при участии аконитазы), а затем окисляется с образованием α-кетоглутарата в реакции, катализируемой НАДФ + -зависимой изоцитратдегидроге-назой. В обмен на а-кетоглутарат или цитрат в митохондрии поступает малат, тем самым возмещая углеродные потери ЦТК.

Между митохондриями и цитозолем возможен также обмен восстанови-тельными эквивалентами. Образующийся в ЦТК НАДН не только окисляется в дыхательной цепи, но и выносится в цитозоль, где используется как восста-новитель в разных реакциях, например при восстановлении нитрата (см. гл. 6). И, наоборот, в ряде случаев НАДН из цитозоля может доставляться в матрикс. В то же время белок-переносчик для НАДН неизвестен. Обмен НАДН между матриксом и цитозолем осуществляется с помощью так называемых «челноч-ных систем», или «шаттлов». Наиболее важная из них - малат/оксалоацетат-шаттл (рис. 4.9), оперирующий при участии

НАД-зависимой малатдегидрогеназы, изоформы которой есть и в матриксе, и в цитозоле. В митохондриях, где содержание НАДН высокое, оксалоацетат за счет НАДН восстанавливается до малата. В мембране присутствует белок-переносчик, обменивающий малат на оксалоацетат. Оказавшись в цитозоле, малат может быть вновь окислен в обрат-ной реакции с образованием НАДН. Этот простой челнок в принципе может работать в двух направлениях в зависимости от соотношения НАДН/НАД + по обе стороны митохондриальной мембраны. В то же время есть данные, что in vivo он работает в основном «на экспорт»: около 25 -50 % НАДН, образован-ного в матриксе, окисляется в цитозоле благодаря малат/оксалоацетат-шаттлу. Цикл трикарбоновых кислот не только поставляет метаболиты, необходи-мые для синтеза белков и липидов, но также включен в деградацию этих со-единений. Хотя растения «дышат» в основном углеводами, в некоторых случаях дыхание поддерживают белки или жиры. Например, при развитии пророст-ков образованные при распаде запасных белков аминокислоты через реакции переаминирования превращаются в кетокислоты - интермедиаты ЦТК и вклю-чаются в цикл. Использование жиров при прорастании семян масличных рас-тений представляет собой особый случай, связанный с функционированием глиоксилатного цикла.

Рис. 4.9. Обмен метаболитами между матриксом и цитозолем.

Внутренняя мембрана митохондрий содержит белки-переносчики. Пируват и оксалоацетат по-ступают в митохондрии в обмен на ион ОН или фосфат и метаболизируют в ЦТК с образова-нием цитрата. Вынос цитрата или α-кетоглутарата в цитозоль в обмен на малат обеспечивает углеродными скелетами синтез аминокислот в пластидах, в том числе в хлоропластах. В цитозоле цитрат может превращаться в α-кетоглутарат при участии цитозольной НАДФ-зависимой изо-цитратдегидрогеназы. Малат/оксалоацетат шаттл обеспечивает обмен НАДН между матриксом и цитозолем. Шаттл работает благодаря переносчику (известному как ОАА-транспортер), который осуществляет обменный транспорт через мембрану малата и оксалоацетата в ту и другую сторону. Важным транспортером является АТФ/АДФ-транслокатор и переносчик фосфата (см. подразд. 4.2.11)

^ 4.1.9. КОНВЕРСИЯ ЖИРОВ В УГЛЕВОДЫ. ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ

В семенах некоторых растений жиры являются доминирующими запасными соединениями. К их числу относятся клещевина (Ricinus communis ), арахис (Arachis hypogaea ), рапс (Brassica napus ), подсолнечник { Helianthus annuus ), тыква (Cucurbita реро), соя (Glycine max ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), пальма (Elaeis guineensis ) и др.

В зависимости от вида растения жиры могут накапливаться в клетках семя-долей (подсолнечник, рапс, арахис, соя) или в эндосперме (клещевина), т.е. в тканях, предназначенных «кормить» развивающийся проросток. При прора-стании таких семян действует особый путь метаболизма, через который жиры превращаются в сахарозу, и она транспортируется в органы развивающегося проростка, где используется как субстрат дыхания и как источник углеводов для биосинтезов (например, клеточной стенки).

На пути превращения жиров в углеводы в тканях эндосперма или семядо-лей действует глиоксилатный цикл, ферменты которого локализованы в осо-бых органеллах - глиоксисомах.

Глиоксисомы принадлежат к пестрому семейству микротелец, которое у растений представлено глиоксисомами и пероксисомами. По мере развития проростка глиоксисомы либо исчезают вместе с эндоспермом, либо превра-щаются в типичные пероксисомы при зеленении семядолей.

Уникальная конверсия жиров в углеводы включает три этапа: окисление жирных кислот, глиоксилатный цикл и глюконеогенез. Все три этапа связаны между собой через взаимодействие четырех компартментов - жировых телец, глиоксисом, митохондрий и цитозоля (рис. 4.10, 4.11). Обычно растения запа-сают триацилглицеролы, которые в клетке находятся в виде жировых телец, или олеосом. Олеосомы отделены от водной фазы мембраной, состоящей из одного слоя фосфолипидов. Такая необычная структура возникает при образо-вании олеосом: жиры синтезируются в полостях ЭПР, откладываются между двумя монослоями мембраны, а затем отщепляются в виде капель. Специаль-ные белки, олеозины, покрывают их поверхность и предотвращают слипание. При прорастании семян жиры подвергаются гидролизу при участии липазы с образованием жирных кислот и глицерола. Глицерол может превращаться в триозофосфат и участвовать в гликолизе, а свободные жирные кислоты посту-пают в глиоксисомы, которые как правило находятся с олеосомами в тесном контакте. Здесь начинается процесс

β-окисления, в результате которого от жирной кислоты последовательно отщепляются 2С-фрагменты с образованием ацетил-СоА. Процесс сопровождается восстановлением НАД + и образованием пе-рекиси. Образованный НАДН может выноситься из глиоксисом через малат-оксалоацетат-челнок, а перекись разлагается каталазой (см. подразд. 4.3.2).

Ацетил-СоА является субстратом глиоксилатного цикла, который представ-ляет собой модифицированный ЦТК (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Глиоксилатный цикл.

Реакции 1- 5 катализирут ферменты: 1 - цитратсинтаза; 2 - аконитаза; 3 - изоцитратлиаза; 4 - малатсинтаза; 5 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа. Все ферменты, участвующие в цик-ле, локализованы в глиоксисоме, за исключением, возможно, аконитазы. Есть данные, что аконитаза в прорастающих семенях клещевины и тыквы является цитозольным ферментом

Рис. 4.11. Взаимодействие компартментов в процессе превращения жиров в углеводы при прорастании семян масличных растений.

Запасенные в виде жировых капель жиры подвергаются гидролизу липазой. Свободные жирные кислоты конденсируются с коэнзимом А и образуют ацил-СоА. Последний поступает в глиокси-сомы, где происходит процесс

β-окисления, в котором от жирной кислоты последовательно отщепляются ацетильные остатки в виде ацетил-СоА. Ацетил-СоА метаболизирует через глиоксилатный цикл, продуктом которого является сукцинат. Сукцинат поступает в митохондрии, где под действием ферментов ЦТК превращается в малат. Образованный в цикле малат выходит из митохондрий и метаболизирует в цитозоле с образованием фосфоенолпирувата. Фосфоенолпируват через глюконеогенез превращается в 6С-углеводы

Три фермента - цитратсинтаза, аконитаза и малатдегидрогеназа, общие для глиоксилатного цикла и ЦТК, представлены в глиоксисомах другими изоформами. Две первые реакции гли-оксилатного цикла идентичны двум первым реакциям ЦТК. Ацетил-СоА кон-денсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который затем превра-щается в изоцитрат при участии аконитазы. Последующие две реакции специ-фичны для глиоксилатного цикла и катализируются двумя ферментами, уни-кальными для растений. В первой из них изоцитратлиаза катализирует расщеп-ление изоцитрата с образованием сукцината и глиоксилата. Сукцинат уходит из цикла, а глиоксилат в реакции, катализируемой малатсинтазой, вновь конден-сируется с еще одной молекулой ацетил-СоА с образованием малата. Замыкает цикл реакция окисления малата до оксалоацетата, идентичная аналогичной за-мыкающей реакции ЦТК. Таким образом, в результате пяти реакций из двух мо-лекул ацетил-СоА (ацетильных остатков) синтезируется сукцинат, который уходит из глиоксисом и используется в синтезе углеводов. Согласно простей-шей схеме сукцинат поступает в митохондрии, где включается в реакции ЦТК и восстанавливается до малата. Малат выносится из митохондрий в цитозоль и окисляется до оксалоацетата при участии малатдегидрогеназы. ФЕП-карбоксикиназа катализирует реакцию, в которой оксалоацетат превращается в ФЕП. Фосфоенолпируват, ключевой метаболит гликолиза, может быть превращен в глюкозу и сахарозу в процессе глюконеогенеза (см. подразд. 4.1.4).

Глиоксилатный цикл функционирует не только в прорастающих семенах масличных растений, но и в стареющих листьях, а также при созревании пыльцы. Предполагается, что гены, кодирующие ферменты глиоксилатного цикла, имеются у всех растений, но экспрессируются не во всех тканях и не на всех стадиях онтогенеза. При старении листьев пероксисомы, вероятно, трансфор-мируются в глиоксисомы, и в них начинает функционировать глиоксилатный цикл, с помощью которого метаболизирует ацетил-СоА, образованный при деградации липидов мембран. Образующиеся сахара в дальнейшем уходят из стареющих листьев в другие органы.
^ 4.1.10. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

В клетках растений и животных существует еще один способ окисления-глю-козы, не связанный с энергообменом, но играющий важную роль в конструк-тивном обмене, - окислительный пентозофосфатный цикл (оПФЦ). В ПФЦ можно выделить два этапа (рис. 4.12). На первом из них первые три реакции цикла необратимы и связаны с последовательным окислением глюкозо-6-фос-фата при участии глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидро-геназы. В результате этих двух реакций теряется СО 2 , восстанавливаются две молекулы НАДФ + и образуется рибулезо-5-фосфат. Второй этап включает ре-акции, связанные с рекомбинацией 5С-сахаров, в результате которых образу-ется исходный субстрат - глюкозо-6-фосфат. Для того чтобы цикл был замк-нут, необходимо участие 6 молекул глюкозо-6-фосфата и образование соот-ветственно 6 молекул рибулезо-5-фосфата. Перегруппировка молекул сопро-вождается превращением 6 молекул × 5С-сахаров в 5 молекул × 6С-сахаров.

У растений ферменты оПФЦ обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами.

В гетеротрофных тканях корня оПФЦ в пластидах протекает достаточно актив-но, но функционирование оПФЦ в хлоропластах вызывает много вопросов. Дело в том, что на свету в хлоропластах действует цикл Кальвина, многие ферменты которого (фосфатазы, транскетолазы, альдолаза, триозофосфатизомераза) являются также ферментами оПФЦ. Поэтому полагают, что в хло-ропластах оПФЦ действует только в темноте. «Выключение» цикла на свету связано с механизмом регуляции пластидной изоформы глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы. Как уже говорилось, активность ферментов может изменяться в результате их обратимого фосфорилирования. Еще один распространенный способ регуляции - это окисление или восстановление фермента по особой, регуляторной дисульфидной связи. На свету глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа переходит в неактивное состояние в результате восстановления по дисульфид-ной связи (-S-S → -SHHS-), тогда как в темноте происходит спонтан-ное окисление фермента. Полагают, что в восстановлении участвует ферредоксин или тиоредоксин, восстановленные в ходе фотосинтеза. Основная функ-ция оПФЦ - это генерация НАДФН, который требуется во многих биосинте-зах, а также синтез углеводов с разным числом углеродных атомов. Образу-ющиеся в цикле 5С- и 4С-углеводы активно уходят из цикла, так как необхо-димы для синтеза нуклеотидов, ароматических соединений, витаминов, флавоноидов, полисахаридов клеточной стенки и т.д. 3С- и 6С-сахара также могут покидать цикл и включаться в процесс гликолиза, который протекает в тех же компартментах. С учетом этого функционирование полного и замкнутого оПФЦ in vivo как в цитозоле, так и в хлоропласте представляется маловероятным.

Рис. 4.12. Пентозофосфатный цикл.

Первые три реакции цикла необратимы и сопровождаются образованием НАДФН и рибулозо-5-фосфата. Последующие реакции обратимы и представляют собой рекомбинацию 6 молекул 5С-сахаров с образованием 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Реакции 1-12 катализируют следу-ющие ферменты: 1 - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 - глюконолактоназа; 3 - фосфоглюконатдегидрогеназа; 4 - пентозофосфатэпимераза; 5 - пентофосфатизомераза; 6 - транскетолаза; 7 - трансальдолаза; 8 - транскетолаза; 9 - триозофосфатизомераза; 10 - альдолаза; 11 -

Фосфатаза; 12 - глюкозофосфатизомераза

Под силой мышц обычно понимается способность преодолевать внешнее сопротивление, либо противодействовать ему посредством мышечных напряжений.

Скоростно-силовые качества главным образом зависят от энергообеспечения работающих мышц и от их структурно-морфологических особенностей, в значительной мере предопределенных генетически.

Проявление силы и быстроты характерно для физических нагрузок, выполняемых в зоне максимальной и субмаксимальной мощности. Следовательно, в энергообеспечении скоростно-силовых качеств преимущественно участвуют анаэробные пути ресинтеза АТФ – креатин-фосфатный и гликолитический.

Быстрее всего развертывается ресинтез АТФ за счет креатинфосфатной реакции. Она достигает своего максимума уже через 1–2 с после начала работы. Максимальная мощность этого способа образования АТФ превышает скорость гликолитического и аэробного путей синтеза АТФ в 1,5 и 3 раза соответственно. Именно за счет креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ мышечные нагрузки выполняются с самой большой силой и скоростью. В свою очередь, величина максимальной скорости креатинфосфатной реакции зависит от содержания в мышечных клетках креатинфосфата и активности фермента креатинкиназы. Увеличить запасы креатинфосфата и активность креатинкиназы возможно за счет использования физических упражнений, приводящих к быстрому исчерпанию в мышцах креатинфосфата.

Для этой цели используются кратковременные упражнения, выполняемые с предельной мощностью. Хороший эффект дает применение интервального метода тренировки, состоящей из серий таких упражнений. Спортсмену предлагается серия из 4–5 упражнений максимальной мощности продолжительностью 8–10 с. Отдых между упражнениями в каждой серии равен 20–30 с. Продолжительность отдыха между сериями составляет 5–6 мин.

Выполнение скоростных и силовых нагрузок в зоне субмаксимальной мощности обеспечивается энергией в основном за счет гликолитического ресинтеза АТФ. Возможности этого способа получения АТФ обусловлены внутримышечными запасами гликогена, активностью ферментов, участвующих в этом процессе, и резистентностью организма к молочной кислоте, образующейся из гликогена. Поэтому для развития скоростно-силовых способностей, базирующихся на гликолитическом энергообеспечении, применяются тренировки, отвечающие следующим требованиям. Во-первых, тренировка должна приводить к резкому снижению содержания гликогена в мышцах с последующей его суперкомпенсацией. Во-вторых, во время тренировки в мышцах и в крови должна накапливаться молочная кислота для последующего развития резистентности к ней организма.

Промежутки отдыха как между отдельными упражнениями, так и между сериями упражнений явно недостаточны для восстановления запасов гликогена, и вследствие этого в ходе тренировки в мышцах происходит постепенное уменьшение содержания гликогена до очень низких величин, что является обязательным условием возникновения выраженной суперкомпенсации.

Структурно-морфологические особенности мышц, определяющие возможности проявления силы и быстроты, касаются строения как отдельных мышечных волокон, так и мышцы в целом. Скоростно-силовые качества отдельного мышечного волокна зависят от количества сократительных элементов – миофибрилл – и от развития саркоплазматической сети, содержащей ионы кальция. Саркоплазматическая сеть также участвует в проведении нервного импульса внутри мышечной клетки. Содержание миофибрилл и развитие саркоплазматической сети неодинаково в мышечных волокнах разных типов. В зависимости от преобладания тех или иных способов образования АТФ, химического состава и микроскопического строения выделяют три основных типа мышечных волокон: тонические, фазические и переходные. Эти типы волокон также различаются по своей возбудимости, времени, скорости и силе сокращения, продолжительности функционирования.

Тонические волокна содержат относительно большое количество митохондрий, в них много миоглобина, но мало сократительных элементов – миофибрилл. Основной механизм ресинтеза АТФ в таких мышечных волокнах – аэробный. Поэтому они сокращаются медленно, развивают небольшую мощность, но зато могут сокращаться длительное время.

Фазические волокна имеют много миофибрилл, хорошо развитую саркоплазматическую сеть, к ним подходит много нервных окончаний. В них хорошо развиты коллагеновые волокна, что способствует их быстрому расслаблению. В их саркоплазме значительны концентрации креатинфосфата и гликогена, высока активность креатинкиназы и ферментов гликолиза. Относительное количество митохондрий в белых волокнах значительно меньше, содержание миоглобина в них низкое, поэтому они имеют бледную окраску. Обеспечение энергией белых мышечных волокон осуществляется за счет креатинфосфатной реакции и гликолиза. Сочетание анаэробных путей ресинтеза АТФ с большим количеством миофибрилл позволяет волокнам данного типа развивать высокую скорость и силу сокращения. Однако вследствие быстрого исчерпания запасов креатинфосфата и гликогена время работы этих волокон ограничено.

Переходные мышечные волокна по своему строению и свойствам занимают промежуточное положение между тоническими и фазическими.

Даже из такого краткого перечисления различий между типами мышечных волокон следует, что для проявления силы и быстроты более предпочтительны белые волокна и близкие к ним по строению переходные волокна. Поэтому более выраженными скоростно-силовыми качествами, при прочих равных условиях, обладают те мышцы, в которых соотношение между мышечными волокнами смещено в сторону белых.

Соотношение между волокнами разных типов в скелетных мышцах неодинаковое. Так, мышцы предплечья, двуглавая мышца плеча, мышцы головы и другие содержат преимущественно физические волокна. Мышцы туловища, прямая мышца живота, прямая мышца бедра в основном содержат тонические волокна. Отсюда легко понять, почему указанные группы мышц существенно различаются по таким свойствам, как возбудимость, быстрота, сила, выносливость.

Соотношение между различными типами мышечных клеток у каждого человека генетически предопределено. Однако, используя физические нагрузки определенного характера, можно целенаправленно вызывать изменение спектра мышечных волокон. За счет применения силовых упражнений происходит смещение этого спектра в сторону преобладания белых волокон, имеющих больший диаметр по сравнению с красными и переходными, что в итоге приводит к гипертрофии тренируемых мышц. Основной причиной гипертрофии в этом случае является увеличение содержания в мышечных клетках сократительных элементов – миофибрилл. Поэтому мышечная гипертрофия, вызываемая силовыми нагрузками, относится к миофибриллярному типу.

Физические нагрузки, применяемые для развития мышечной гипертрофии миофибриллярного типа, на биохимическом уровне должны приводить к повреждению миофибрилл с последующей их суперкомпенсацией. С этой целью используются различные упражнения с отягощением.

Для развития силы часто используется метод повторных упражнений с напряжением 80–90% от максимальной силы. Наиболее эффективное отягощение – 85% от максимальной силы. В этом случае число повторений "до отказа" обычно 7–8. Каждое упражнение выполняется сериями, количество которых колеблется от 5 до 10, с интервалом отдыха между ними в несколько минут. Скорость выполнения упражнений определяется целью тренировки. Для преимущественного увеличения мышечной массы упражнения выполняются в медленном или умеренном темпе. Для одновременного развития силы и быстроты упражнения проводятся во взрывчато-плавном режиме: начальная фаза движения выполняется с большой скоростью, а завершается оно как можно более плавно. Поэтому в скоростно-силовых видах спортсмены в период силовой подготовки должны отказаться от медленного выполнения силовых упражнений, так как в этом случае утрачивается способность мышц к быстрому сокращению.

Время восстановления после скоростно-силовой тренировки составляет 2–3 дня. Однако, меняя мышечные группы, на которые направлены нагрузки, тренировочные занятия можно проводить через меньшие интервалы отдыха.

Обязательным условием эффективной силовой подготовки является полноценное, богатое белками питание, так как миофибриллы состоят исключительно из белков. Имеются данные о том, что развитию мышечной гипертрофии способствует ультрафиолетовое облучение. Предполагается, что под воздействием ультрафиолета увеличивается образование мужских половых гормонов, стимулирующих в организме синтез белков.

Углеводы, белки и жиры в организме гидролизуются, а образующиеся при этом продукты гидролиза – моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и глицерин подвергаются превращениям, в ходе которых часть из них окисляется до углекислого газа и воды, являющимися продуктами окисления углерода и водорода. Если бы система, в которой каждый из продуктов гидролиза биополимеров, представляющий собой субстрат для последующего окисления, имел бы свой метаболический путь, то такая система была бы очень громоздкой и ненадежной. Однако, Природа решила задачу унификации метаболических путей, организовав катаболические процессы таким образом, что на промежуточных этапах этих процессов образуется минимальное число одних и тех же метаболитов, которые получаются при окислении разных веществ. И, действительно, как видно из схемы, большинство субстратов окисления превращаются в пировиноградную кислоту – пируват (С 3), а затем в ацетил-КоА (С 2), причем последний может образовываться и при окислении пирувата. Ацетил-КоА полностью окисляется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК – он же цикл Кребса или цитратный цикл). Цикл Кребса является общим путем катаболизма для углеводов, белков и жиров. Энергия, выделяющаяся в ходе катаболических реакций, частично рассеивается виде теплоты, большая же ее часть расходуется в анаболических реакциях. Передача энергии осуществляется с помощью интермедиаторов, основной из них – АТФ. Эндергонические процессы – это синтез аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата, а также синтез и других веществ с макроэргическими связями. Этот процесс протекает благодаря сопряжению энергии с катаболическими реакциями. Экзергонический процесс – это гидролиз АТФ, а также других трифосфатов. Гидролиз поставляет необходимую энергию для биосинтеза.

Ниже приведена схема сопряжения анаболических и катаболических процессов:

S 1 окисленный субстрат, ΔG < 0

АДФ + фосфат АТФ + Н 2 О, ΔG < 0

Сопряжение

АТФ + Н 2 О → АДФ + фосфат, ΔG < 0

S 2 продукт биосинтеза, ΔG > 0

Большая часть АТФ в организме образуется в результате окислительного фосфорилирования , которое происходит в цепи передачи электронов (ЦПЭ). Основными субстратами этого процесса являются НАД*Н и ФАД*Н 2 , образующиеся преимущественно в ЦТК, поэтому одной из основных задач катаболизма является синтез АТФ – своеобразного аккумулятора энергии, необходимого для последующих реакций анаболизма. Большинство биосинтезов носят восстановительный характер, так как продукты биосинтеза являются менее окисленными по сравнению с исходными веществами. Роль восстановителя в таких процессах играет НАД*Н. Таким образом, ключевая роль в метаболизме принадлежит ограниченному числу соединений. Это пируват и ацетил-КоА, вещества которыми заканчиваются специфические пути катаболизма; АТФ, продукты гидролиза, к которым поступает энергия для анаболических процессов; НАД*Н и ФАД*Н 2 – коферменты, при окислении которых образуется основная часть АТФ в организме.

Катаболизм углеводов

Процессы обмена углеводов у человека начинаются в ротовой полости, так как в состав слюны входит фермент амилаза, который способен расщеплять крахмал и гликоген до дисахарида – мальтозы, которая ферментом мальтазой расщепляет последнюю до глюкозы. Поступление глюкозы в клетки различных органов зависит от гормона инсулина, который регулирует скорость переноса глюкозы через мембраны клеток. переносчиками – белками.

Обмен глюкозы в клетке начинается с ее фосфорилирования:

Глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

АТФ → + АДФ

В отличие от свободной глюкозы, глюклзо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны, поэтому фосфорилированная глюкоза как бы «запирается» в клетке, и там запасается в форме гликогена – животного крахмала, который синтезируется из молекул глюкозо-6-фосфата.

Катаболизм глюкозы в клетке может идти по трем основным направлениям, которые различаются по способу изменения углеродного скелета молекулы:

1. Дихотомический путь, при котором происходит расщепление связи С-С между третьим и четвертым атомами углерода, и из одной молекулы гексозы получаются две триозы (С 6 →2С 3).

2. Апотомический путь (пентозофосфатный), при котором гексоза превращается в пентозу (С 6 → С 5) в результате окисления и отщепления одного (первого) углеродного атома.

3.Глюкуроновый путь, когда происходит окисление и отщепление шестого углеродного атома

Главным путем распада глюкозы, ведущим к высвобождению энергии является дихотомический путь, а в этом пути, в свою очередь, окислить глюкозу и получить ее энергию можно двумя способами:

1.Независимый анаэробный распад глюкозы до молочной кислоты – гликолиз.

глюкоза →2-лактат + 134 кДж

Часть этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, а остальная рассеивается в виде теплоты.

2.Аэробный (кислородзависимый) распад глюкозы до углекислого газа и воды

Это процесс обратный фотосинтезу:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ↔ 6СО 2 + 6Н 2 О + 2850 кДж

60% этой энергии запасается в виде макроэргических связей АТФ, то есть в биологически доступной форме. Как видно из приведенных уравнений, аэробный путь, несомненно, более выгоден по сравнению с гликолизом, так как в нем из одинакового количества глюкозы образуется в двадцать раз больше АТФ. Аэробный распад осуществляется большинством тканей организма за исключением эритроцитов. Для злокачественных клеток основной путь получения энергии – гликолиз. Мышцы используют гликолиз в случае больших нагрузок, когда затруднен доступ кислорода и тогда в натруженных мышцах образуется молочная кислота.

Цепь реакции гликолиза глюкозы включает в себя одиннадцать реакций, из которых первые десять - общие с аэробным распадом, а одиннадцатая – это синтез молочной кислоты из пировиноградной кислоты (ПВК) с помощью НАД*Н. Рассмотрим последовательно реакции при аэробном распаде глюкозы:

1 реакция – это фосфорилирование глюкозы, ее активация.

2 реакция – это изомеризация, глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат.

3 реакция - фруктозо-6-фосфат фосфорилируется до фруктозо-1,6-дифосфата.

Первые три реакции представляют собой так называемую подготовительную стадию, на этом этапе еще идет затрата энергии АТФ на реакции фосфорилирования:

1

Глюкозо-6-фосфат

2- изомеризация

АТФ

фруктозо-6-фосфат 7 9 3-фосфоглицерат 10

2-фосфоглицерат общий путь

9 Н 2 О АТФ

Следующий этап – это реакции гликолетической оксиредуктации , в которых идет распад шестиуглеродного скелета на два трехуглеродных и окисление их до пирувата.

4 реакция - фруктозо-1,6-дифосфат в своей открытой ациклической форме распадается с помощью фермента альдолазы на два трехуглеродных фрагмента: глицеральдегидфосфат и диоксиацетонфосфат.

5 реакция - изомеризация, превращение диоксиацетонфосфата в глицеральдегидфосфат.

Дальнейший катаболизм происходит только через глицеральдегидфосфат, две молекулы которого в 6-ой реакции окисляются НАД + в 1,3-дифосфоглицерат, а выделяющаяся при этом энергия запасается в виде АТФ. В данном случае окисление альдегида приводит к ангидриду органической и фосфорной кислоты. Две молекулы 1,3-дифосфоглицерата превращаются в процессе гидролиза в 3-фосфоглицерат, а далее, в 8-ой реакции происходит перенос фосфатной группы из положения 3 в положение 2.

9 реакция- отщепление воды с получением фосфоенолпирувата, а затем происходит кето-енольное превращение, сопряженное с гидролизом, когда от диоксиацетонфосфата отщепляется одна молекула фосфорной кислоты и енольная форма превращается в кетоформу.

КАТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ

У высших животных и человека липиды поступают в желудок, и выходят из него почти не затронутые кислой средой. В щелочной среде тонкого кишечника липиды гидролизуются под действием липаз. Гидролизованные липиды всасываются в кровь и переносятся в различные органы для дальнейшего метаболизма.

В кровь поступают сквозь стенку кишечника глицерин, ЖК, моно- и диглицериды. В крови ЖК снова этерифицируются глицерином, который связан с белками крови и переносится в жировую ткань или печень, где откладывается. В печени идёт гидролиз с образованием ЖК, которые окисляются до СО 2 и Н 2 О. При окислении высвобождается большое количество энергии.

Процесс окисления ЖК включает много стадий. ЖК разрушается (синтезируется) до фрагментов С-С (природные ЖК состоят из чётного числа атомов углерода). При катаболизме, ЖК сначала превращаются в тиоэфиры с коферментом А, с выделением АТФ, затем окисляются в ненасыщенные кислоты, окислителем служит ФАД.

С 15 Н 31 СООН – пальмитиновая кислота

О HSКоА О ФАД

СН 3 (СН 2) 12 СН 2 СН 2 С ОН СН 3 (СН 2) 2 СН 2 СН 2 С SКоА

СН 2 (СН 2) 12 СН=СНС SКоА

Начинается путь катаболизма белков с гидролиза (протеолиза) под действием ферментов протеазы и пептидазы.

Гидролиз белков начинается в желудке под действием фермента пепсина, этому способствует кислая среда желудочного сока рН=1-2 возникает благодаря выделению желудочных клеток соляной кислоты.

В тонком кишечнике при рН=7,8-8,4 , распад белков катализируется ферментами поджелудочной железы трипсином и химитрипсином.

АК – продукт гидролиза белков, поступающие из ЖКТ, являются важным фондом пополнения аминокислотного запаса клеток и тканей. Ограниченное поступление из вне даже одной из незаменимых АК вызывает резкий распад собственных белков тканей, АК используются в синтезе собственных белков, нуклеотидов, порфиринов и т. д.

В сутки взрослому человеку необходимо 100 г белка. Белки могут быть полноценными – в наличии все незаменимые АК и неполноценными – в наличии не все незаменимые АК. За сутки распадается и синтезируется 400 г белка. За 35 дней обновляются все белки.

О состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Поскольку белки органов отличаются строгой видовой и тканевой специфичностью, живой организм обладает способностью использовать вводимый белок только в гидролизованном состоянии.

Всасывание АК через мембрану тонкого кишечника происходит под действием глутатиона. АК поступают в кровь воротной вены, затем в печень, где подвергаются ряду превращений.