Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_2 (А. Уайт - Основы биохимии в 3-х томах), страница 3

Эритроциты птиц и ретикулоциты млекопитаюших, однако, могут обладать дополнительной системой активного транспорта, поскольку поступление глюкозы у этих клеток чувствительно к цианиду и динитрофенолу, прекращающим образование ЛТР в митохондриях. Исследования бактериальных клеток интересны, поскольку у большинства бактерий проникновение различных моносахаридов через клеточную мембрану происходит очень медленно, если не присутствует спепифический механизм переноса. Известны разнообразные системы этого типа; некоторые из них, по-видимому, пе нуждаются в метаболической энергии, в то время как другие, вероятно, утилизируют АТР, генерируемый при транспорте электРонов в определенным образом организованной мембране (гл.

12). Наиболее тщательно изучена фосфотрансферазная система. получающая свою энергию непосредственно из фосфоенолпирувата, а не из АТР. В таких организмах, как Е. сой, 5сарйд1ососсих аигеиз, Яа!топе((а 1урЫтигшт, транспорт глюкозы совершается путем согласованного действия трех белков. Два из них, фермент 1 и небольшой белок (мол.

масса 9400), обозначаемый как НРг„-— зто цитоплазматические белки; третий, фермент П, локализован в клеточной мембране. В первой стадии реакционной последовательности фермент 1 катализнрует перенос фосфата от фосфоенолпирувата к Х-1 гнстидинового остатка НРг: Е! фоофоенолпнрунаг+ НРг — 1 ннруаат+ фо:фо НРг и аа !4. мьтлволизм углеводов. ! Вторая стадия, катализирусмая ферментом П, происходит в мембране и заключается в переносе фосфата от НРг на транспортируемый сахар, т. е. глюкозу еп фоофо НРт —,. глюкоза — з. НРг -т глюкозо-б-фосфат (2) У Е. сои фермент Н состоит из двух неодинаковых субъединиц: ИА, в которой заложена специфичность к сахару„и ПВ, которая катализирует перенос фосфорильного остатка от фосфо НРг к сахару, вероятно связанному с ПА.

В ходе этой реакции фермент П, по-видимому, подвергается некоторой транслокации внутри мембраны таким образом, чтобы внешняя глюкоза превратилась во внутренний глюкозо-б-фосфат, доступный дальнейшему метаболизму. !'(утации (гл. 25) генов, кодяруюших синтез ферментов 1 нли НРг, плейотропны; это означает, что мутации приводят к неспособности транспортировать многие сахара. Напротив, клетки с мутациями в гспс для субъсдиницы ПА фермента И, которая специфична для данного сахара, неспособны транспортировать только этот определенный сахар. Кроме фосфотрансферазной системы Е. сои и другие бактерии обладают еще системой для активного транспорта сахаров, сопряженной с переносом электронов.

В этом случае фосфорилирование сахара не происходит. !4.3. Метаболизм углеводов. Некоторые общие положения Принимаемые с пищей углеводы обеспечивают материал для синтеза очень разнообразных органических соединений, найденных у животных: стероидов, аминокислот, пуринов, пиримидинов, сложных липидов, полнсахаридов и т. д.

Последовательности реакций, через которые совершаются эти превращения, и участвующие в них ферменты рассмотрены в последующих главах. Прежде всего следует обратить внимание на те процессы, благодаря которым принимаемые углеводы — преимущественно глюкоза — используются для удовлетворения энергетических потребностей клеток животных. Центральную роль глюкозы можно успешно связать с тремя ее химическими свойствами (гл. 2): высокая растворимость (причем раствор глюкозы не содержит ионов); доступная для реагирования карбонильная группа, которая защищена благодаря образованию внутреннего полуацеталя; оптимальная стабильность шестичленного пиранозного кольца, в котором все гидроксидные группы располагаются экваториально. Сильно упрощенная схема этого центрального процесса жизнедеятельности представлена на рис.

14.1, где показаны лишь клю- 550 пь метхволиэл1 чевые превращения углеродных скелетов. образующихся прп метаболизме глюкозы соединений. Остановимся на некоторых общих свойствах, характерных для указанной последовательности реакций. 1. Для глюкозы, как таковой, существует единственное главное превращение; фосфорилирование до глюкозо-б-фосфата. 2. Последующие реакции, ведущие от любого ключевого промежуточного продукта й какому.-нибудь конечному продукту, обозначаются как путь, например превращение глюкозо-6-фосфата через пути 8, 9, 11, 12, 13, 14 до лактата.

3. Все пути осуществляются с потерей свободной энергии. Используя тот же пример, можно показать, что образование 2 молей лактата из глюкозо-6-фосфата сопровождается синтезом 4 молей АТР; суммарное изменение свободной энергии составит Аб'= — 22000 кал/моль. Хотя лактат может вновь превратиться в глюкозо-б-фосфат, однако не путем обращения той же последовательности реакций. Функционально обратный путь (реакции 14, 28, 29, 12, 11„10, 8) включает введение шести молекул АТР на молекулу образуемого глюкозо-6-фосфата. Таким образом, в результате каждого процесса теряется свободная энергия, т.

е. в обоих случаях А6 процесса велика и отрицательна. Сразу же становится очевидным, что образование лактата может происходить при условии расходования АТР в ходе других реакций, в то время как обратный процесс маловероятен, если только клетка не обладает избытком АТР. 4. Для всех клеток главная форма доступной энергии представлена в виде АТР; в большинстве клеток принципиальный механизм генерации АТР состоит в окислении 14АРН митохондриальной электронпереносящей системой с сопряженным фосфорилированием А()Р. Главные восстановители (чА(1+ для этого процесса — интермеднаты путей цикла лимонной кислоты 16, 21, 23, 25, 29 (гл. 12) и жирные кислоты пути 17 (гл.

17). 5. Клетки обычно не могут запасать ни глюкозу, нн глюкозо-6- фосфат. Легко доступная запасная форма углеводов, в особенности в печени и скелетной мышце, представлена гликогеном, который образуется из глюкозо-1-фосфата по одному пути н распадается по другому пути. 6. Энергия депонируется главным образом в жирных кислотах нейтральных триацилглицерниов. Хотя жирные кислоты имеются в большинстве клеток, образуются они из глюкозо-6-фосфата (в процессах 8, 9, 11, 12, 13, 16 и 17) в первую очередь в печени и жировой ткани; из последней они могут быть возвращены в печень. В то время как по этой последовательности з6 углерода глюкозы переводится в жирные кислоты, механизма, с помощью которого клетки животных смогли бы осущест- !4.

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. ! спгрукгпурные паписахвпиды 4 1з 1 2 глюкоза-1-фосфвв ь глипоген глюкоза 1 глюкоза-б-фосфвв — - - пенвозы ~з гррукваъа-6-вюсгрвгп 9 ( ~ 1О фруктово-1,Ь- дигросфвв 1ы глицера-3- фасграв -ч — врмазофасгиагп ! 1 12 аз~~в фосОювнолпнрував глицерин глуваыав ааегпоацевав, Ацевил.СОД+ оксалавцеввв~ ми!прав асипные кислапгы аспарвав Рис.

14 1. Схема некоторых главных метаболических превращений, Не показаны адениновые нуклеотиды и пирндинвуклеатпды, участвующие в этих процессах, а также многочисленные промежуточные продукты, образующиеся в каждой последаватечьности. отмеченной штриховой стрелкой. Двухсторонняя стрелка означает, чта процесс, будь то одна или несколько реакцианньж стадий, кзтализируется одним и тем же ферментам в обоих направлениях. Обычные стрелки (в одном направлении) свидетельствуют о реакции нли последовательности реакций, практически проходящих в авачительных масштабах только в показанном направлении.Пара противоиаложно направленных закругленньж стрелок означает, чта различные ферменты оперируют в этих двух направлениях и что, как правило, несколько или все промежуточные продукты 1неприведенные на схеме) неодинаковы в обоих процессах.

в аленин гь в пирува лаквав 1Ь 12 — ОО: ызлав -м — — 11-кепюгпуваржп 21 у 2Ь Г'22 Ж / пь яетхволизм вить прямое превращение углерода жирных кислот в углеводы, не существует. Однако такой механизм имеется у растений и некоторых микроорганизмов; он описывается последовательностью реакций (равд. 14.9). Общее потребление энергии в виде АТР-эквивалентов для пути 17 превышает почти на 20')э количество АТР, вырабатываемого в пути 18.

Такова цена, которую приходится платить за депонирование энергии. Очевидно, что каждый из этих путей осуществляется с большим отрицательным изменением свободной энергии. 7. В схеме не показано, как эти взаимосвязанные процессы рас пределяются в клетке. Превращение глюкозы в лактат (пути 1, 8, 9, 11, 12, 13 и 14) происходит исключительно в цитозоле. Пикл лимонной кислоты (пути 16, 21, 23, 25 и 26) и окисление жирных кислот до ацетил-СоА (путь 17) протекает в митохондрнях н сопровождаются восстановлением КАП" в АРАОН, Синтез жирных кислот, однако, происходит в частицах питозоля, и в качестве восстановителя используется ЫАОРН.

Этот процесс частично обеспечивается ферментами цитозоля, ответственными за пути 7 и 21, но, кроме того, требуется поступление НАОРН из митохондрий. В синтезе глюкозы из аминокислот или лактата функционирует по крайней мере один митохондриальный фермент, а также несколько ферментов цитозоля. Более грубая форма компартментализации связана с иеодина- ковыми мстаболическими потребностями клеток различных органов. Почти постоянная потребность в больших количествах АТР в сокращающейся мышце вызывает усиленное превращение гликогена в лактат (пути 6, 3, 9, 11, 12, 13 и 14), в то время как большая часть энергетических потребностей скелетной мышцы в состоянии покоя, подобно потребностям сердца или почек, обеспечивается окислением ацетоацетата (путь 20 и цикл лимонной кислоты), поступающего из печени через кровь.

Стало быть, значительная часть метаболической активности печени должна быть направлена на продуцирование ацетоацетата либо из гликогена (пути 6, 3, 8, 9, 11, 12, 13, 16 и 19), либо из жирных кислот (путп 17 и 18), получаемых из жировой ткани. . Мозг и сокращающаяся скелетная мышца нуждаются в непрерывном притоке глюкозы, которая у животного, находящегося в состоянии сытости, доставляется в первую очередь нз печени. Способность гидролизовать глюкозо-6-фосфат до глюкозы (путь 2) свойственна только печени, а также эпителию почечных канальцев и кишечника, где эта реакция связана с освобождением абсорбированной глюкозы.

Поскольку резерв гликогщш в печени ограничен, голодное животное должно обла- дать способностью синтезировать углеводы пз нсуглеводных предшественников; этот процесс называется глюкоаеогенезом. 1З. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. 1 Предшественниками углеводов являются аминокислоты, которые поступают из путей 15, 24, 27 и последующих, глицерин из нейтральных триацилглицеринов, который поступает из путей ЗЗ и 31, и лактат, транспортируемый в печень из сокращающейся скелетной мышцы. 10.

Каждый из этих разнообразных процессов должен происходить со скоростью, соизмеримой с потребностями индивидуальной клетки. Поверхностное ознакомление со схемой может создать впечатление, что каждый из этих процессов осуществляется постоянно, как в действительности до некоторой степени это и имеет место. Однако относительные скорости различных путей должны регулироваться таким образом, чтобы конечный результат всего происходящего соответствовал запросам клетки. Весьма редко какой-либо путь осуществляется с максимальной скоростью, поскольку такие процессы возможны, только если бы все участвующие в данном пути ферменты функционировали с 1',„.