• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

АНАЕРОБНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ

Анаеробне перетворення вуглеводів проходить у різних органах і тканинах вищих організмів, а також у клітинах бактерій та мікро­організмів. Основним субстратом для цього процесу є глюкоза і глікоген, а для окремих бактерій — пентози, жирні кислоти та амінокислоти.

Анаеробне перетворення вуглеводів в організмах людини і тварин може розпочинатися з глікогену або глюкози. У першому випадку його називають глікогенолізом, у другому — гліколізом. У скелетних м'язах ці два процеси виражені в однаковій мірі, а в головному мозку і серцевому м'язі переважає гліколіз. Обидва процеси розпочинаються з перетворення глюкозо-6-фосфату, проходять однаково і каталізуються одними ітими самими ферментами, локалізованими у розчинній частині цитоплазми. Відмінність між цими процесами полягає лише у способі утворення фосфорильованої форми гексози — глюкозо-6-фосфату.

Глікогеноліз.Процес розпочинається з фосфоролізу глікогену за участю ферментуглікогенфосфорилази. За цих умов внаслідок трансферазної реакції — перенесення глікозильного залишку з глікогену на фосфорну кислоту — утворюється глюкозо-1-фосфат (ефір Корі):

Глюкозо-1-фосфат, що утворився під впливом фосфорилази, пере­творюється на глюкозо-6-фосфат. Реакцію каталізує фосфоглюкомутаза:

Далі перетворення глюкозо-6-фосфату відбувається так само, як і в процесі гліколізу.

Гліколіз.Процес розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю АТФ і ферменту гексокінази. При цьому утворюється також глюкозо-6-фосфат:

Фосфорилювання глюкози є досить важливим етапом, оскільки лише в фосфорильованому стані вона здатна вступати в наступні мета­болічні перетворення. Враховуючи це, реакція фосфорилювання глюкози дістала назву «шлюзової», або реакції «запалу». Вивільнення значної кількості енергії в ході гексокіназної реакції сприяє зміщенню рівноваги вправо і робить реакцію практично незворотною.

Наступною реакцією гліколізу є ізомеризація глюкозо-6-фосфату в фруктозо-6-фосфат. Реакцію каталізує фермент глюкозо-6-фосфат-ізомераза:

Реакція протікає в основному в зворотному напрямку. У тканинах організму між двома фосфорними ефірами гексоз встановлюється динамічна рівновага (70 % глюкозо-6-фосфату і 30% фруктозо-6-фосфату).

На наступному етапі фруктозо-6-фосфат за участю АТФ, іонів Mg²⁺ та ферменту фосфофруктокінази перетворюється на фруктозо-1,6-дифосфат (ефір Іванова):

Реакція необоротна і є найповільнїшою у процесі гліколізу. Фермент фосфофруктокіназа активується АДФ і АМФ та інактивується при значному підвищенні вмісту АТФ. Отже, при інтенсифікації процесів окислювального фосфорилювання, коли збільшується відношення АТФ/АДФ, активність фосфофруктокінази послаблюється, що супроводжується сповільненням гліколізу. І, навпаки, при зменшенні відношення АТФ/АДФ процес гліколізу прискорюється.

Наступний етап гліколізу забезпечує розкладання фруктозо-1,6-дифосфату за участю ферменту альдолази на дві молекули фосфотріоз –

3-фосфогліцериновий альдегід і діоксіацетонфосфат:

Далі частина діоксіацетонфосфату, що утворився, за участю ферменту тріозофосфатізомерази перетворюється на 3-фосфогліцериновий альдегід:

Отже, з кожної молекули глюкози утворюються дві молекули 3-фос­фогліцеринового альдегіду. На цьому завершується перша стадія гліколізу, для якої характерне використання енергії АТФ. Її називають підготовчою стадією.

Далі розпочинається друга стадія гліколізу, що супроводжується вивільненням енергії та акумулюванням її в макроергічних зв'язках АТФ.

На наступній стадії гліколізу 3-фосфогліцериновий альдегід починає перетворюватись на 3-фосфогліцеринову кислоту. Реакція проходить у кілька етапів за участю специфічної дегідрогенази та неорганіч­ного фосфату.

Молекула ферменту 3-фосфогліцеринальдегіддегідрогеназа склада­ється з 4 субодиниць, кожна з яких містить 1 молекулу НАД⁺ і 4 вільних тіолових групи (НS-групи) залишків цистеїну, які входять до складу активного центра ферменту. В процесі каталітичної реакції на першому етапі 3-фосфогліцериновий альдегід зв'язується з молекулою ферменту за участю його тіолової групи з утворенням фермент-субстратного комплексу.

На наступному етапі при наявності неорганічного фосфату 3-фос­фогліцеринальдегіддегідрогеназа за участю НАД⁺ окислює фермент-субстратний комплекс. Енергія, що виділяється внаслідок реакції окислення, зосереджується в карбоніл-тіоловому зв'язку:

Окислений фермент-субстратний комплекс нестійкий, він взаємодіє з фосфорною кислотою, внаслідок чого утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота. При цьому енергія карбоніл-тіолового зв'язку зосереджується на карбоксил-фосфатному зв'язку:

Наступна стадія перетворення 1,3-дифосфогліцеринової кислоти — перенесення від неї залишку фосфорної кислоти і енергії, зосередженої на карбоксил-фосфатному зв'язку, на АДФ. Внаслідок реакції утворюється 3-фос­фогліцеринова кислота і АТФ. Реакцію каталізує фермент фосфогліцераткіназа:

3-Фосфогліцеринова кислота, що утворилась, внаслідок каталітичної дії ферменту фосфогліцеромутази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту:

Остання, втрачаючи молекулу води, під впливом ферменту фосфопіруватгідратази перетворюється на 2-фосфоенолпіровиноградну кислоту. Ця реакція важлива в зв'язку з енергетичними змінами, які відбуваються під час її перебігу. Залишок фосфорної кислоти, що входить до складу 2-фосфогліцеринової кислоти, сполучений з останньою простим енергетично бідним ефірним зв'язком. Внаслідок енолізації відбувається перерозподіл внутрішньомолекулярної енергії і цей зв'язок перетворюється на макроергічний:

Далі 2-фосфоенолпіровиноградна кислота дефосфорилюється за участю АДФ, внаслідок чого енергетично багатий фосфатний залишок переходить до АДФ. Продуктом реакції є енольна форма піровиноградної кислоти, яка спонтанно перетворюється на піровиноградну кислоту і АТФ:

Реакцію каталізує фермент піруваткіназа, яка активується іонами Мg²⁺, Мn²⁺ або іонами лужних металів.

Далі піровиноградна кислота, що утворилась, за участю ферменту лактатдегідрогенази перетворюється на молочну кислоту. Донором водню у цій реакції є відновлена форма коферменту НАД:

Реакції гліколізу (глікогенолізу) часто поділяють на дві стадії. На першій стадії проходить енергозалежний процес фосфорилювання глюкози та розкладання її на дві тривуглецеві сполуки — фосфотріози. Реакції першої стадії ендоергічні, вони проходять з поглинанням енергії АТФ. Цю стадію перетворення глюкози можна вважати підготовчою.

Друга стадія гліколізу (глікогенолізу) забезпечує перетворення фосфотріоз на кінцевий продукт — молочну кислоту. В зв'язку із специфічністю частини реакцій, які відбуваються на цій стадії, вони дістали назву гліколітичної оксидоредукції. В процесі утворення молочної кислоти синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії і є екзергонічним процесом.

Як видно з наведених вище рівнянь хімічних реакцій, під час гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули фосфотріоз. Кожна з них у процесі перетворення на молочну кислоту зумовлює утворення двох молекул АТФ, тобто всього утворюється чотири молекули АТФ. Однак дві з них використовуються для фосфорилювання глюкози (гексокіназна реакція) та утворення фруктозо-1,6-дифосфату (фруктокіназна реакція), тому енергетична ефективність гліколізу становить дві молекули АТФ. Оскільки в макроергічному зв'язку АТФ акумулюється в середньому 42 кДж енергії, то всього під час гліколізу нагромаджується 84 кДж енергії. Експериментально установлено, що внаслідок перетворення глюкози у дві молекули молочної кислоти зміна вільної енергії дорівнює 210 кДж/моль. На основі цього неважко обчислити, що під час гліколізу близько 40 % вивільненої енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а решта розсіюється у вигляді теплоти. Отже, коефіцієнт корисної дії гліколізу становить 0,35—0,40.

Загальну схему гліколізу можна записати так:

Під час глікогенолізу також утворюється чотири молекули АТФ, однак на першій стадії цього процесу використовується лише одна молекула АТФ (у фосфофруктокіназній реакції), тому енергетичний ефект глікогенолізу становить 3 молекули АТФ, або 126 кДж/моль.

На перший погляд енергетичний ефект глікогенолізу більший, ніж гліколізу. Однак, якщо врахувати, що частина молекул АТФ використовується для синтезу глікогену, стане зрозумілим, що ці два процеси в енергетичному відношенні майже рівноцінні. Для організму і гліколіз, і глікогеноліз не вигідні, оскільки для компенсування енергетичних витрат необхідна велика кількість вуглеводів. Однак як фізіологічні процеси вони досить важливі, оскільки дають змогу забезпечити організм енергією за умов недостатнього постачання тканин киснем.

Під час вивчення енергетичних ефектів окремих реакцій анаеробного перетворення вуглеводів було встановлено, що більшість реакцій цього процесу близькі до рівноваги і можуть проходити як у прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу організму з одних і тих самих речовин діставати як хімічну енергію, так і сполуки, необхідні для забезпечення протікання різних метаболічних реакцій. Однак три реакції анаеробного перетворення вуглеводів (гексокіназна, фруктокіназна і піруваткіназна) супроводжуються значним зменшенням вільної енергії, тому є практично необоротними. Перебіг цих реакцій у зворотному напрямку потребує подолання певного енергетичного бар'єру та наявності специфічних ферментів.

Спиртове бродіння.У нижчих організмів — дріжджових і цвільових грибків, деяких мікроорганізмів — процес анаеробного перетворення вуглеводів завер­шується утворенням етилового спирту, тому він дістав назву спиртового бродіння:

Хімізм цього процесу досить близький до гліколізу, який протікає в тканинах вищих організмів. Усі стадії перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти включно в обох випадках проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментними системами. Відмінність між цими процесами виявляється, починаючи з етапу перетворення піровиноградної кислоти. Так, підчас гліколізу і глікогенолізу піровиноградна кислота відновлюється до молочної, а під час спиртового бродіння вона піддається декарбоксилюванню і перетворюється на оцтовий альдегід:

Фермент піруватдекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, містить у вигляді простетичної групи тіамінпірофосфат, який зв'язується з піровиноградною кислотою з утворенням оксіетилтіамінпірофосфату. В процесі перетворення останнього вивільнюється оцтовий альдегід і тіамінпірофосфат. Каталітична активність ферменту забезпечується наявністю іонів Mg²⁺.

Утворений за цією реакцією оцтовий альдегід далі за участю НАД•Н+Н⁺ відновлюється до кінцевого продукту спиртового бродіння — етилового спирту:

Реакцію каталізує фермент алкогольдегідрогеназа.

Переглядів: 4785