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 моле­кул НАДН и синтезом 2 молекул АТФ. Несомненно, что гликолиз — эволюционно самый ранний из известных способов получения энергии, и единствен­ный для многих анаэробных бактерий. В аэробный метаболизм гликолиз вклю­чен как начальный этап окисления глюкозы.

Реакции гликолиза (рис. 4.3) протекают в цитозоле и катализируются фер­ментами, легко экстрагируемыми из клеток. Вначале богатая энергией, но ста­бильная молекула глюкозы фосфорилируется за счет АТФ в реакции (1), ката­лизируемой 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 реак­ция, ключевая в регуляции гликолиза (см. подразд. 4.1.7), имеет у растений следующую особенность. Если у животных данную реакцию катализирует толь­ко один фермент —

АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (3), то в клетках рас­тений 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 расщепля­ется на две половинки — фосфотриозы, которые в дальнейшем подвергаются одинаковым превращениям.

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

1, 3-дифосфоглицериновая кис­лота (1, 3-ФГК). Последняя представляет собой высокоэнергетическое соеди­нение, 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 син­тезируется в результате совместного действия двух реакций, в первой из кото­рых макроэргическая связь образуется на молекуле окисляемого субстрата. По­этому такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфорилиро­вания. 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 высокоэнерге­тическое соединение — фосфоенолпируват (ФЕП). Второе субстратное фосфорилирование связано с переносом фосфатной группы от ФЕП на АДФ, ката­лизируемом 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⁺ + Н₂О → 3-ФГК + НАДФН + 2Н⁺

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

ФЕП + Н₂О 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 + 2Н₂О

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, проте­кает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изофор­мы

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

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН ис­пользуются 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 глико­лиз 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 неактив­ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:

Пируват Ацетальдегид + СО₂;

Ацетальдегид + НАДН + Н⁺ Этанол + НАД⁺

Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж­клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточ­ного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выжи­вают 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.