Энергетические процессы в цитоплазме

Гликолиз, фосфагенная система, система " гликоген-молочная кислота".

В цитозоле происходят наиболее древние в эволюционном плане процессы образования и утилизации химической энергии, получившие название гликолиз или анаэробное окисление глюкозы. Гликолиз это последовательность реакций, в результате которых молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, превращается в две молекулы молочной кислоты, содержащие по три атома углерода каждая. (В водной среде молочная и другие органические кислоты диссоциируют с образованием соответствующих анионов, имеющих собственное название. В частности, анион молочной кислоты называется лактат). Для такого превращения требуется одиннадцать последовательных ферментативных реакций, т.е. химических реакций катализируемых ферментами. Начальной реакцией является фосфорилирование (активация) глюкозы до глюкозо-6-фосфат в реакции трансфосфорилирования с АТФ. Фермент, катализирующий эту реакцию называется, гексокиназа. Во второй пусковой реакции используется еще одна молекула АТФ, на этот раз для фосфорилирования фруктоза-6-фосфата (образуется при изомеризации глюкозо-6-фосфата) при участии фермента фосфофруктокиназы. Образующая фруктоза-1, 6-дифосфат расщепляется на 2 трехуглеродных фрагмента – глицеральдегид-3-фосфат. Далее в процессе метаболизма образуется 2 фосфорилированных сверхмакроэргических соединения: 3-фосфоглицероилфосфат и фосфоенолпируват. В клетке эти соединения не подвергаются гидролизу, а их фосфатные группы с помощью киназ переносятся на АДФ, образуя АТФ. Другие реакции и катализирующие их ферменты подробно изложены во всех руководствах по биохимии. Здесь же мы рассмотрим только вопрос об энергетике анаэробного окисления. Суммарное уравнение гликолиза имеет вид

Глюкоза+2Фн+2АДФ—> 2лактат+2АТФ+2Н2О

Необходимо помнить, что на первой стадии гликолиза используются 2 молекулы АТФ, но на второй стадии образуются 4 АТФ. Поскольку в результате гликолиза происходит уменьшение суммарной упорядоченности в системе, при окислении глюкозы имеет место и уменьшение свободной энергии и эта величина составляет около 50 ккал (47, 4 ккал) на моль утилизированной глюкозы. Приблизительно 50% выделившейся энергии (22-26 ккал) расходуется для синтеза в ходе гликолиза 2 молекул АТФ, остальное количество рассеивается в форме тепла. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного окисления превышает 50%.

Несмотря на то, что КПД гликолиза весьма высок, анаэробное образование АТФ в процессе гликолиза относительно неэффективно, так как образующиеся при этом конечные продукты все еще несут в себе очень большое количество энергии, которая могла бы выделиться при более глубоком их окислении. Поэтому, для большинства клеток животных гликолиз служит лишь поставщиком субстрата для аэробного пути окисления, проходящего в митохондриях. В этом случае гликолиз включает не 11, а 10 ферментативных реакций и конечным продуктом является пировиноградная кислота (анион - пируват). Образующийся пируват быстро поступает в митохондрии, где полностью окисляется до СО₂ и Н₂О в более молодом в эволюционном отношении энергетическом процессе - цикле трикарбоновых кислот. Тем не менее, при некоторых условиях, например в работающей с максимальной нагрузкой мышце, гликолиз является основным источником энергии. Рассмотрим более подробно физиологическую сторону этого феномена. Характерной особенностью мышц является наличие в них значительного количества гликогена - сильно разветвленного полисахарида, состоящего из остатков D-глюкозы. Гликоген используется исключительно в качестве резервного " топлива" для гликолиза и образования АТФ во время интенсивного мышечного сокращения. В этом случае он предварительно расщепляется ферментом фосфорилазой (процесс протекает с использованием фосфорной кислоты и называется фосфоролиз) с образованием глюкозо-6-фосфата, который является, как уже указывалось, продуктом первой реакции гликолиза, и в том случае если в качестве субстрата используется глюкоза. Поскольку для активации (фосфорилирования) глюкозы в этом случае используется неорганический фосфат, а не АТФ, то при распаде одной глюкозной единицы образуется целых 3 молекулы АТФ (КПД в 1, 5 раза выше). Важно также то, что гликоген в клетке осмотически неактивен.

При физической нагрузке расщепление гликогена по гликолитическому пути многократно увеличивается, а поступление кислорода в клетки может даже снизиться из-за затруднения в кровоснабжении сильно сокращенной мышцы. В результате, кислорода становится недостаточно для процессов аэробного окисления пирувата в митохондриях и его количество в митохондриях и цитозоле значительно увеличивается. В этих условиях гликолиз в мышечных клетках переключается на анаэробный путь. Часть пирувата вовлекается в 11-ую реакцию гликолиза катализируемую ферментом лактатдегидрогеназой и продуктом которой является молочная кислота. Поэтому, при высоких физических нагрузках, концентрация молочной кислоты в мышечных клетках сильно возрастает, она проникает в межклеточное пространство и даже кровь, обуславливая чувство утомления и боли в мышцах. После того как мышца перестанет выполнять физическую работу и расслабится, интенсивность гликолиза в мышечных клетках резко уменьшается, а их снабжение кислородом возрастает. Активируются процессы аэробного окисления пирувата в митохондриях и его концентрация в цитозоле снижается. Направление реакции пируват-лактат меняется в противоположную сторону и тот же фермент - лактатдегидрогеназа - превращает накопившуюся в мышце молочную кислоту в пируват. Кроме того, молочная кислота с током крови поступает в печень, где используется для синтеза глюкозы в анаболическом процессе, протекающем в направлении противоположном глюколизу и получившем название - глюконеогенеза. Соотношение процессов гликолиза и глюконеогенеза, и их интенсивность существенно различается в различных типах клеток. Органная и тканевая специфичность в полной мере касается и других метаболических реакций. Следовательно, компартментализация метаболических реакций существует не только в клетке, но и на уровне всего организма. Каждый тип клеток и тканей обладает специфическими особенностями метаболизма и тесно взаимодействует друг с другом.

Кроме возможности получать энергию в результате анаэробного гликолиза мышцы животных и человека имеют еще один физиологический механизм, позволяющий им эффективно работать в условиях высокой физической нагрузки. В отличие от большинства других тканей, мышцы животных и человека обладают способностью запасать химическую энергию не только в виде АТФ, но и в виде другого фосфагена - креатинфосфата. Креатинфофат накапливается в мышечных волокнах во время отдыха за счет катализируемой ферментом креатинкиназой реакции фосфорилирования креатина АТФ в большой концентрации (30 мМ). При физической нагрузке, содержание АТФ резко снижается (с 8 мМ более чем наполовину) и креатинкиназа начинает катализировать обратную реакцию, т.е. фосфорилирование АДФ креатинфосфатом. При этом запасы креатинфосфата могут быть исчерпаны практически полностью, но АТФ до 0 мМ в живой клетке никогда не снижается. У беспозвоночных для аналогичных целей используется аргининфосфат.

Сходный с гликолизом процесс, получивший название спиртовое брожение или просто брожение, является основным источником энергии у анаэробных микроорганизмов, в частности у дрожжей. При брожении, в отличие от гликолиза, образующаяся пировиноградная кислота превращается не в молочную кислоту, а этиловый спирт. При этом выделяется углекислый газ. Спиртовое брожение виноградного сахара использовалось в виноделии с глубокой древности.

Известно таже маслянокислое брожение. Возбудителем этого брожения является анаэробные бактерии Clostridium butyricum. Маслянокислое брожение вызывает пороки сыра (неприятный запах, свищи), а также порчу кисломолочных продуктов и силоса.

При молочнокислом брожении углевод окисляется до пирувата по гликолитическому пути, затем пируват восстанавливается до молочной кислоты NADН при помощи лактатдегидрогеназы. Молочнокислое брожение используется для консервации продуктов питания (за счет ингибирования роста микроорганизмов молочной кислотой и понижения рН) с целью длительного сохранения (квашение овощей), приготовлении кисломолочных продуктов (кефира, ряженки, йогурта, сметаны), силосовании растительной массы, а также биотехнологического способа производства молочной кислоты.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: