Энергия, которая оказывается запасенной в основном в углеводах, используется в дальнейшем клетками растений для обеспечения различных биологических реакций. Что касается клеток животных, то энергия поступает в них с пищей. Чтобы эта энергия могла использоваться в процессе жизнедеятельности клеток, она должна быть подготовлена для этого. Каковы эти механизмы, с помощью которых энергия, запасенная в глюкозе, трансформируется в клетках в доступную для использования форму АТФ?
Подготовка энергии к использованию, т. е. генерирование (извлечение) энергии из пищевых веществ, осуществляется в процессе дыхания, под которым понимают окисление (расщепление) молекул- энергоносителей (т. е. топливных молекул), при котором роль конечного акцептора выполняет О2, а донором электронов является органическое или неорганическое соединение. Процесс подготовки энергии к использованию протекает в три последовательные стадии (рис. 10).
На первой стадии поступающие в клетки крупные молекулы полисахаридов гидролизуются до простых Сахаров. На этой стадии происходит разложение и дополнительных энергоносителей. В частности,
жиры разлагаются на глицерол и жирные кислоты, белки гидролизуются до аминокислот. Однако на этой стадии высвобождения запасенной в пищевых веществах энергии все еще не происходит.
Рис. 10. Подготовка энергии к использованию
На второй стадии происходит распад малых молекул до еще более простых структур, играющих уже ключевую роль в метаболизме. Глюкоза превращается в ацетильную часть ацетил-КоА, являющегося производным кофермента А. В результате этих реакций образуются молекулы АТФ, но их еще мало. На уровне ацетил-КоА в метаболический путь могут вступать также жирные кислоты и аминокислоты.
Наконец, на третьей стадии происходит полное окисление ацетильного компонента ацетил-КоА до СО2. На этой стадии образуется основная часть АТФ.
Процесс генерирования энергии начинается с гликолиза (от греч. glycos — сахар и lysie — растворение), который представляет собой окислительный процесс, заканчивающийся превращением глюкозы в пировиноградную кислоту с образованием АТФ. Уже давно установлено, что для дыхания в качестве акцептора электронов необходим
кислород. Однако на первых этапах расщепления Сахаров кислорода не требуется. Окисление глюкозы начинается в анаэробных усло- виях дыхания (при отсутствии кислорода) с частичного расщепления ее шестиуглеродной молекулы и заканчивается образованием двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты (рис. 11). Превращения глюкозы можно описать следующим уравнением:
Рис. 11. Окисление глюкозы в анаэробных условиях (гликолиз)
Гликолиз состоит из десяти последовательных химических реакций, протекающих в цитоплазме (цитозоле), и идет в отсутствие кислорода.
Вначале глюкоза превращается через глюкозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бифосфат в результате фосфорилирования, изомеризации и второй реакции фосфорилирования, катализируемых гексокиназой и фосфофруктокиназой. Поскольку эти реакции еще сами нуждаются в АТФ, они являются подготовительными в образовании АТФ. В частности, на превращение каждой молекулы глюкозы в этих реакциях затрачивается по две молекулы АТФ.
На втором этапе фруктозо-1,2-дисфосфат превращается с помощью альдолазы в дигидроксиацетонфосфат и глицероальдегид- 3-фосфат, которые взаимопревращаемы в реакциях, катализируемых триозофосфатизомеразой. Затем глицероальдегид-3-фосфат окисляется и фосфорилизуется, в результате чего превращается в высокоэнергетическое фосфатное соединение 1,3-дифосфоргли- церат (1,3-ДФГ). Это превращение катализируется глицеральдегид- 3-фосфат-дегидрогеназой.
Поскольку 1,3-ДФГ-ацилфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфатной группы, эта особенность используется для гене- рирования АТФ. Поэтому дальше происходит перенос фосфорильной группы от ацилфосфатной группы 1,3-ДФГ-ацилфосфата на АДФ, катализируемый фосфоглицераткиназой. В результате этого образуется молекула АТФ и 3-фосфоглицерат, т. е. на этом этапе происходит образование энергии.
Последний этап гликолиза связан с превращением 3-фосфо- глицерата в пируват и образованием второй молекулы АТФ. Этот этап осуществляется в реакциях трех типов. Первая реакция заключается во внутримолекулярной перестройке, связанной с превращением 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат, катализируемый фосфоглицеромутазой. В результате этой реакции происходит перемещение фосфорильной группы. Во второй реакции происходит дегидратация 2-фосфоглицерата, катализируемая енолазой, в результате чего образуется фосфоенолпируват. При этом повышается потенциал переноса фосфорильной группы; енолфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфорильной группы. В третьей (заключительной) реакции этого этапа происходит перенос фосфорильной группы от фосфоенолпирувата к АДФ, катализируемый пируваткиназой. Это приводит к образованию пирувата и АТФ (второй молекулы).
При анаэробных условиях пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат) или в этиловый спирт (этанол). Этот анаэробный процесс называют еще брожением. В данном случае речь идет о молочнокислом и спиртовом брожении. Молочная кислота образуется из пирувата при метаболизме ряда микроорганизмов, а также в клетках мышц многоклеточных организмов. Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат имеет следующий вид:
НАДФ образуется в результате окисления глицеральдегид- 3-фосфата, который используется при восстановлении пирувата. В процессе превращения пировиноградной кислоты в лактат происходит регенерирование НАД+, что поддерживает непрерывность гликолиза в анаэробных условиях. Этиловый спирт образуется из пирувата при метаболизме дрожжей и некоторых других микроорганизмов спиртового брожения. Суммарная реакция превращения глюкозы в этанол имеет следующий вид:
глюкоза +2Pi + 2АДФ + 2Н2 — 2 этанол +2СО2 + 2АТФ + 2Н2О.
Восстановление ацетальдегида в этиловый спирт сопровождается регенерированием НАД+.
Анаэробное дыхание с точки зрения производительности не является эффективным процессом, так как при анаэробном превращении глюкозы в этанол или лактат освобождается лишь небольшое количество энергии. Большая часть энергии, запасенной в глюкозе, продолжает затем оставаться запасенной уже в молекулах этанола.
Как видно, последовательность реакций, в процессе которых глюкоза превращается в пируват, сходна в клетках всех видов у всех организмов. Биологическое значение гликолиза заключается в том, что он генерирует молекулы АТФ. В результате распада глюкозы образуются строительные блоки, используемые для синтеза клеточных структур. Оба эти процесса регулируются скоростью превращения глюкозы в пируват. Однако роль пирувата в генерировании энергии обмена веществ различна в разных клетках и организмах.
У аэробных организмов гликолиз выполняет роль своего рода процесса-прелюдии к дальнейшему окислению, ибо при аэробном дыхании (в присутствии кислорода) окисление идет дальше и осуществляется уже в митохондриях в цикле Кребса (цикле трикар-
Рис. 12. Цикл Кребса
боновых кислот или цикле лимонной кислоты) и в цепи переноса электронов. Цикл Кребса является конечным путем окисления топливных молекул, причем не только глюкозы и других углеводов, но и жирных кислот и аминокислот (рис. 12). Включение в этот окислительный путь осуществляется на уровне ацетил-кофермента (ацетил-КоА), т. е. происходит с образования ацетил-КоА в митохондриях в результате окислительного декарбоксилирования пирувата. Ацетил-КоА обладает высоким потенциалом переноса ацетильных групп. Следовательно, топливные молекулы вступают в цикл Кребса в виде ацетил-КоА.
Цикл Кребса действует только в аэробных условиях и начинается с конденсации ацетил-КоА (С2) и оксалоацетата (С4) с образованием цитрата (С6), изомеризация которого приводит к изоцитрату (С6). Затем следует окислительное декарбоксилирование изоцитрата и образование α-оксоглутарата (С5), после чего последний подвергается окислительному декарбоксилированию (выделяется вторая молекула СО2) в сукцинил-КоА (С4). В следующей реакции происходит расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА в присутствии Pi (пирофосфата), в результате чего образуется сукцинат и генерируются высокоэнергетические фосфатные связи в форме ГТФ или АТФ. Сукцинат потом окисляется в фумарат (С4), который гидратируется в малат. В реакции происходит окисление малата, что приводит к регенерированию оксалоацетата (С4). Следовательно, в цикл Кребса поступают два атома углерода в виде ацетил-КоА и такое же количество атомов углерода покидает этот цикл в виде СО2 в последовательных реакциях декар- боксилирования, которые катализируются дегидрогеназами.
В результате четырех окислительно-восстановительных реакций цикла Кребса происходит перенос трех пар электронов на НАД и одной пары электронов на ФАД. Восстановленные этим путем переносчики электронов НАД и ФАД подвергаются затем окислению уже в цепи переноса электронов, в результате которого генерируется 11 молекул АТФ. Одна высокоэнергетическая связь генерируется непосредственно в цикле Кребса. Таким образом, на каждый двухуглеродный фрагмент, полностью окисляемый до Н2О и СО2, генерируется 12 высокоэнергетических фосфатных связей.
Формула 2
Биологическое значение цикла Кребса заключается не только в том, что он является завершающим этапом в генерировании энергии, ноив том, что он «поставляет» промежуточные продукты для биосинтеза.
Цикл Кребса действует только в аэробных условиях по той причине, что для него необходимы НАД и ФАД, регенерирование которых происходит при переносе электронов НАДН и ФАДН2 на О2 по цепи транспорта электронов, сопровождаемом одновременным образованием АТФ (рис. 13). Поскольку у аэробных организмов единственным акцептором электронов является О2, а электроны не переносятся от топливных молекул и продуктов их реакций прямо на О2, топливные молекулы и продукты их распада переносят электроны к пиримидиннуклеотидам или флавинам, являющимся переносчиками.
Формула 3
Главным акцептором электронов при окислении топливных молекул служит никотинамидадениндинуклеотид (НАД+), реакционноспособ- ной частью которого является никотинамидное кольцо. Последнее присоединяет ион водорода и два электрона. Восстановленная форма этого переносчика — НАДН. Окисление последнего дает три молекулы АТФ. Вторым ацептором электронов является ФАД (флавинадениндинуклеотид), реакционноспособной частью которого служит изоаллоксазиновое кольцо, которое тоже присоединяет два электрона.
Рис. 13. Цепь транспорта электронов
Восстановленная форма ФАД — ФАД-Н2. Окисление последнего дает две молекулы АТФ. Таким образом, главными переносчиками являются НАД-Н и ФАД-Н2, которые содержат по паре электронов с высоким потенциалом и доставляют свои высокоэнергетические электроны к О2 по цепи транспорта электронов, также локализованной в митохондриях. Этот перенос сопровождается образованием АТФ из АДФ и Pi и носит название окислительного фосфорилирования (рис. 14). Следовательно, окислительное фосфорилирование — это процесс образования АТФ, сопряженного с переносом электронов по цепи транспорта (переносчиков) от НАД-Н или ФАД-Н2 к О2 через многие другие переносчики, в частности цитохромы. В процессе окислительного фосфорилирования генерируется 32 молекулы АТФ из всех 36 молекул АТФ, генерируемых в процессе окисления глюкозы до СО2 и Н2О.
Рис. 14. Цикл АТФ-АДФ
Многоступенчатость транспорта электронов от НАД-Н или ФАД-Н2 к О2 по цепи многочисленных переносчиков сопровождается выбросом протонов из митохондриального матрикса и генерированием протондвижущей силы (мембранного потенциала). В процессе обратного перехода протонов в митохондриальный матрикс происходит синтез АТФ. Следовательно, окисление НАД-Н и ФАД-Н2 и фосфорилирование АДФ в АТФ сопряжены по той причине, что они обеспечиваются
протонным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий. Это сопряжение называют дыхательным контролем.