Метаболизм: Часть 4

Видео

Конспект

Итак, у нас образовалось две молекулы 3-фосфоглицерата, нужно решить, что с ними делать дальше. С точки зрения органической химии их можно либо дальше окислять, либо декарбоксилировать - удалять CO_{2} . Но разные органические кислоты отличаются друг от друга по «лёгкости» их декарбоксилирования, поэтому нужно привести молекулу к той форме, которую будет проще всего декарбоксилировать. Сразу скажем, что в самом гликолизе реакций декарбоксилирования нет, однако его реакции необходимы для облегчения удаления CO_{2} в следующих этапах клеточного дыхания. Кроме того, в 3-фосфоглицерате остается сложноэфирная связь с фосфатом, которую хотелось бы перевести в макроэргическую связь. Все последующие реакции гликолиза будут проводиться с этими целями.

Для начала 3-фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат. В проведении реакции участвует фермент фосфоглицеромутаза. Как вы помните, до этого в реакциях участвовали изомеразы – ферменты, перестраивающиеся углеродный скелет. Мутазы являются специфической подгруппой изомераз, которые не изменяют расположение атомов углерода в молекуле, а меняют положение функциональной группы, например, фосфата.

10.jpeg В результате данной реакции отрицательно заряженный фосфат оказывается сближенным с отрицательно заряженной карбоксильной группой, что создает более сильное электронное отталкивание. В следующей реакции с помощью фермента енолазы образуется фосфоенолпируват (ФЕП).

11.jpeg Как видно из Рис.11, в составе ФЕП есть двойная связь при атоме углерода, несущем фосфат. Если мысленно удалить фосфат, то получится соединение, у которого спиртовая группа находится при атоме углерода с двойной связью. Такие спирты в органической химии называются енолами, они крайне нестабильны даже при 0{ }^{\circ}C . Именно поэтому енолы почти мгновенно перегруппировываются в альдегиды или кетоны. Присутствие фосфата у 2 атома углерода не позволяет ФЕП перегруппироваться в кетон, поэтому отщепление фосфата в данном случае является крайне энергетически выгодным и может спонсировать синтез АТФ.

В следующей реакции гликолиза как раз и происходит отщепление фосфата с образованием АТФ и пирувата. Реакция катализируется пируваткиназой.

12.jpeg Итого, за гликолиз было потрачено 2 АТФ на активацию глюкозы, при этом синтезировано 2 НАДН +H^{+} ( 1 HAДН+H^{+} на 1 глицеральдегидфосфат), образовано 4 АТФ (1 АТФ на 1 молекулу 1,3бисфосфоглицерата, коих было две, и 1 АТФ на 1 молекулу ФЕП, коих тоже было две). Таким образом, суммарно образовалось 2 АТФ и 2 НАДН+ Н^{+} на 1 молекулу глюкозы.

Реакции синтеза АТФ, осуществляющиеся без работы ЭТЦ, называют реакциями субстратного фосфорилирования. ЭТЦ, напротив, проводит реакции окислительного фосфорилирования.

Следующим этапом клеточного этапа является окислительное декарбоксилирование пирувата.

Все реакции проходят в мультисубъединичном пируватдегидрогеназном комплексе, расположенном у эукариот в матриксе митохондрий. Пируват достаточно легко декарбоксилировать. Связь C=O в кето-группе молекулы пирувата сильно поляризована, и на кислороде имеется частичный отрицательный заряд. В то же время, на соседней карбоксильной группе при физиологическом рН будет сильный отрицательный заряд. Таким образом, мы опять получаем ситуацию, в которой два отрицательных заряда оказываются сближенными, что делает декарбоксилирование пирувата благоприятным.

Представим, что пируват просто декарбоксилировался с образованием СО _2 и уксусного альдегида (см. Рис. 13).

13.jpeg Некоторые организмы, например, дрожжи в процессе брожения осуществляют такую реакцию. У нас в клетках такая реакция с высвобождением уксусного альдегида не протекает, так как альдегиды являются достаточно реакционными соединениями, способными взаимодействовать, например, с аминогруппами белков, производя их модификации и нарушая их функции. Более того, чем меньше молекула, тем она более мобильная, что также чревато нежелательными последствиями. Уксусный альдегид в митохондриях не высвобождается из пируватдегидрогеназного комплекса, а сразу же окисляется до уксусной кислоты (рис. 14) с образованием НАДН +H^{+} , при этом уксусная кислота также не высвобождается в матрикс митохондрий, а вступает в следующую реакцию.

14.jpeg Все дело в том, что для маленьких по размеру молекул тяжело создать специфичный активный центр фермента, именно поэтому получаемый ацетат для облегчения последующих ферментативных реакций навешивается на более крупную молекулу – кофермент A (KoA-SH). В результате образуется соединение с макроэргической тиоэфирной связью - ацетил-КоА. Такая связь по энергии сопоставима с макроэргической связью в АТФ. Ацетил-КоА в дальнейшем вступает в следующий этап клеточного дыхания – цикл Кребса. Энергия на создание макроэргической тиоэфирной связи опять же (как и в глицеральдегидфосфатдегидрогеназной реакции) связана с разностью окислительно-восстановительных потенциалов окисляемой альдегидной группы уксусного альдегида и НАД ^+ .

Запишем итоговый баланс реакции окислительного декарбоксилирования пирувата, помня, что из глюкозы было образовано 2 молекулы пирувата.

15.jpeg