БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 12. ГЛИКОЛИЗ

Мы начнем рассматривать генерирование метаболической энергии с гликолиза, почти универсального процесса для биологических систем. Гликолиз-это последовательность реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТР. У аэробных организмов гликолиз предшествует циклу трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов, которые вместе извлекают большую часть энергии, содержащейся в глюкозе. При аэробных условиях пируват проникает в митохондрии, где он полностью окисляется до СO₂ и Н₂O. При недостаточном содержании кислорода, как это может иметь место в активно сокращающейся мышце, пируват превращается в лактат. У некоторых анаэробных организмов, таких, как дрожжи, пируват превращается не в лактат, а в этанол. Образование этанола и лактата из глюкозы-это примеры брожения.

Изучение гликолиза имеет богатую историю. Исследование этого центрального метаболического пути шло рука об руку с развитием биохимии. Основное открытие сделали совершенно случайно Ганс и Эдуард Бухнеры (Hans Buchner, Eduard Buchner) в 1897 г. Они работали над получением бесклеточных экстрактов дрожжей с целью их возможного терапевтического применения. Эти экстракты надо было хранить без добавления антисептиков, таких, как фенол, и они решили испробовать сахарозу, которая обычно используется для предохранения продуктов в пищевой химии. Результат оказался поразительным: под действием дрожжевого сока сахароза быстро сбраживалась, образуя спирт. Это открытие имело огромное значение. Бухнеры впервые показали, что брожение может происходить вне живых клеток. В то время было принято считать, согласно утверждению Луи Пастера, высказанному в 1860 г., что брожение неразрывно связано с живыми клетками. Случайное открытие Бухнеров опровергло эту виталистическую догму и открыло дорогу новой биохимии. Метаболизм стал химией.

Следующий важный вклад в изучение этой проблемы сделали Артур Гарден и Уильям Ионг (Arthur Harden, William Young) в 1905 г. Они добавляли дрожжевой сок к раствору глюкозы и обнаружили, что брожение начиналось при этом почти немедленно. Однако, если они не добавляли неорганический фосфат, то скорость брожения вскоре значительно снижалась. Более того, они установили, что добавленный неорганический фосфат в ходе брожения исчезал, и сделали из этого вывод о том, что он включается в фосфосахар. Гарден и Ионг выделили гексозобисфосфат, который при дальнейшем анализе оказался фруктозо-1,6- бисфосфатом. Они открыли также присутствие в дрожжевом соке двух видов веществ, необходимых для брожения: зимазы и козимазы. Оказалось, что при диализе или нагревании до 50°С дрожжевой сок теряет свою активность. Однако неактивный диализированный сок активируется после смешивания с неактивным прогретым соком. Таким образом, активность зависит от присутствия в растворе двух типов веществ: термолабильного недиализуемого компонента (названного зимазой) и термостабильной диализуемой фракции (названной козимазой). Теперь мы знаем, что на самом деле зимаза представляет собой совокупность нескольких ферментов (энзимов), а ко- зимаза состоит из ионов металлов, адено- зинтрифосфата (АТР), аденозиндифосфата (ADP) и коферментов (коэнзимов), таких, как никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺).

Рис. 12.1. Некоторые превращения глюкозы

Гликолиз-происходит от греческих слов glycos-сахар (сладкий) и lysis-растворение.

Брожение-процесс генерирования АТР, в котором органические соединения действуют и как доноры, и как акцепторы электронов. Может протекать в отсутствие 0₂. Открыто Пастером, который описал брожение как la vie sans Pair (жизнь без воздуха).

Энзим -термин, предложенный Фридрихом Вильгельмом Кюне (Fridrich Wilhelm Kühne) в 1878 г. для обозначения каталитически активных соединений, которые ранее назывались ферментами. Происходит от греческих слов en-в и zyme-дрожжи.

Исследования мышечных экстрактов, проведенные несколькими годами позднее, показали, что многие реакции молочнокислого брожения подобны реакциям спиртового брожения. Это было волнующее открытие, потому что оно вскрывало существование внутреннего единства в биохимии. Полностью гликолитический путь был установлен к 1940 г. главным образом благодаря работам Густава Эмбдена, Отто Мейергофа, Карла Нойберга, Якоба Парнаса, Отто Варбурга, Герти Кори и Карла Кори (Gustav Embden, Otto Meyerhof, Carl Neuberg, Jacob Pamas, Otto Warburg, Gerti Cori, Carl Cori). Гликолиз иногда называют путем Эмбдена-Мейергофа.

12.1. Номенклатура и конформация моносахаридов

Прежде чем обратиться к реакциям гликолиза, рассмотрим номенклатуру и структуру простейших углеводов - моносахаридов. Моносахариды представляют собою альдегиды или кетоны, содержащие две или более гидроксильные группы; их эмпирическая формула (СН₂О) n. Простейшие из них, для которых n = 3,-это глицеральдегид и дигидроксиацетон. Они являются триозами. Глицеральдегид назван альдозой, потому что он содержит альдегидную группу, тогда как дигидроксиацетон - кетоза, поскольку он содержит кетогруппу.

Рис. 12.2. Микрофотография дрожжевых клеток, полученная с помощью светового микроскопа

Глицеральдегид имеет один асимметрический атом углерода. А это означает, что существуют два стереоизомера этой трехуглеродной альдозы, называемые D-глине- ральдегид и L-глицеральдегид. Приставки D- и L- обозначают абсолютную конфигурацию.

Сахара с 4, 5, 6 и 7 углеродными атомами называются соответственно тетрозами, пептозами, гексозами и гептозами. Их формулы и стереохимические соотношения приведены в приложении к этой главе (стр. 46). Две широко распространенные гексозы- это D-глюкоза и D-фруктоза. Символ о означает, что абсолютная конфигурация при асимметрическом атоме углерода, наиболее отдаленном от альдегидной группы или кетогруппы, а именно при С-5 подобна таковой в D-глицеральдегиде. Заметим, что глюкоза является альдозой, а фруктоза - кетозой.

Рис. 12.3. Абсолютная конфигурация D-глицеральдегида

В растворе глюкоза и фруктоза редко находятся в виде структуры c открытой цепью. Глюкоза и фруктоза с открытой цепью могут циклизоваться в кольцо.

В общем выражении альдегид может реагировать со спиртом с образованием полуацеталя. Альдегидная группа при С-1 в молекуле глюкозы с открытой цепью реагирует с гидроксильной группой при С-5, образуя внутримолекулярный полуацеталь.

Возникший в результате шестичленный кольцевой сахар назван пиранозой из-за его сходства с пираном.

Подобно этому, кетон может реагировать со спиртом, давая полукеталь.

Кетогруппа при С-2 фруктозы с открытой цепью взаимодействует с гидроксильной группой при С-5 с образованием внутримолекулярного полукеталя. Этот пятичленный кольцевой сахар назван фуранозой из-за его сходства с фураном.

Структурные формулы глюкопиранозы и фруктофуранозы, приведенные в этом разделе, являются проекционными формулами Хаворта (Haworth). В таких формулах углеродные атомы в кольце видны не совсем четко. Примерная плоскость кольца перпендикулярна плоскости бумаги, и край кольца, ближайший к читателю, отмечен жирной линией.

При циклизации глюкозы создается дополнительный асимметрический центр. Таким центром становится в кольцевой форме углерод-1, карбонильный атом углерода в структуре с открытой цепью. Возможно образование двух кольцевых структур: α-D- глюкопиранозы и β-D-глюкопиранозы (рис. 12.4). Символ α означает, что гидроксильная группа при С-1 расположена под плоскостью кольца, символ β-что она находится над плоскостью кольца. Углерод-1 назван апомерным углеродным атомом, α- и β- формы - аномерами.

Рис. 12.4. Пространственная модель β-D-глюкозы

Такая же номенклатура приложима к кольцевой форме фруктозы, с той лишь разницей, что в этом случае символы α и β относятся к гидроксильной группе при С-2, аномерном углеродном атоме в кетозах.

Альфа-D-глюкопираноза, β-D-глюкопира- ноза и глюкоза с открытой цепью способны к быстрому взаимопревращению аналогично фуранозе и фруктозе с открытой цепью. В дальнейшем изложении, говоря о глюкозе и фруктозе, мы будем подразумевать равновесную смесь молекул с открытой цепью и кольцевых форм этих сахаров.

Шестичленное пиранозное кольцо не плоское. Его предпочтительной конформацией является конформация кресла. Заместители могут быть двух типов: аксиальные и экваториальные. В β-D-глюкопиранозе все гидроксильные группы - экваториальные.