Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Эти два процесса не могут идти независимо друг от друга; они обязательно должны быть сопряжены. Однако, написав оба уравнения по отдельности, мы видим, что превращение 1 моль глюкозы в лактат в стандартных условиях приводит к высвобождению гораздо большего количества свободной энергии (47,0 ккал), чем необходимо для образования 2 моль АТР из А)ЗР и фосфата (2 7,3 = + 14,6 ккал). В живой клетке при истинных внутриклеточных концентрациях АТР, АОР и Ра а также глюкозы и лактата эффективность запасания высвобождающейся при гликолизе энергии в форме АТР превышает 6(77,'.
Пользуясь уравнениями (!] и (2), мы можем определить также общее изменение стандартной свободной энергии при гликолизе, учитывающее и образование АТР. Это изменение ЬО,' равно алгебраической сумме величин Ь01' и Абзе'. Глюкоза + 2Р, + 2А)ЗР— 2лактат + 2Н' + 2АТР + (3) + 2НО Або. Або + Або = — 47,0 + 14,6 — — 32,4 ккал~моль. Мы видим, таким образом, что суммарная сопряженная реакция гликолиза сопровождается очень большим снижением свободной энергии. Как в стандартных условиях, так и в живых клетках гликолиз представляет собой необратимый процесс, идущий практически до конца именно иэ-за этого больщо| о снижения свободной энергии. 15.3.
В продуктах гликолиза сохраняется еше много спободиой энергии При гликолизе высвобождается только небольшая часть всей энергии, заключенной в молекуле глюкозы. Общее изменение стандартной свободной энергии при полном окислении глюкозы до СОЗ и НЗО составляет — 686 акал/моль (табл. 14-3). Следовательно, выход свободной энергии при гликолитическом расщеплении глюкозы на две молекулы лактата (Абп' = — 47,0 ккал7моль) равен всего лишь (47!686) . 100 = 6,9;„' того количества энергии, которое может высвободиться при полном окислении глюкозы до СОЗ и Н~О. Большая часть биологически доступной энергии, заключенной в молекуле глюкозы, сохраняется в продукгах гликолиза-.двух молекулах лактата.Она может высвободиться только в том случае, если продукты гликолиза подвергнутся полному окислению до СО, и Н,О молекулярным кислородом, играющим роль акцептора электронов (об этом мы будем подробно говорить в следующей главе).
И тем не менее этот ЧАСТЪ и. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ Дополнение 15-1. Анаэробный гликолиз, кислородная задолженность, аллигаторы и обитатели больших глубин Большинство позвоночных это по преимушеству аэробцые орпь низмы; глюкоза у них сначала праврашается в процессе гликолиза в пируват, а затем этот пнруват претерпевает полное окисление до СО н НтО под действием молекулярного кислорода. У болыпинства позвоночных, и в частности у человека, а«иэробны«глпколпз включается только на короткое время при напряженной работе мышц, например при беге на 100 м, т. е. в такие моменты, когда кислород не успевает достаточно быстро поступать в ~кани и не успевает обеспечивать окисление пирувата и сопряженный с ним синтез АТР. Мышцы при этом используют в качестве «топливаь имеющийся в них запас гликогена и генерируют АТР посредством анаэробного гликолиза, конечным продуктом которого является лактат.
Поэтому при беге на короткие дистанции в крови в весьма значительных количествах накапливается лактат. Позднее, в период восстановления, этот лактат медленно превращается в печени обратно в глюкозу; на протяжении периода восстановления потребление кислорода постепенно снижается до тех пор, пока нс установится. наконец, нормальная интенсивность дыхания. Избыточное количество кислорода, потребленное за период восстановления, служит мерой кисяородной задолэкен«осла« Это количество кислорода требуется для синтеза (в процессе дыхания) соответствующего количества АТР, которого должно хватить на то, чтобы пополнить израсходованный запас гликогена в печени н в мышцах, т.е.
«ликвидировать задолженность», возникшую вследствие усиленной работы мышц во время бега. Анаэробный глнколиз как один нз источников энергии для мышечного сокращения играет особо важную роль в белых мышцах. Большинство скелетных мышц содержит как белые, так и красные волокна, однако есть и такие мышцы, которые состоят почти целиком из одних только красных нли одних только белых волокон. У индеек мышцы крыла белые и летать они могут лишь на очень короткие расстояния. У лошади, способной к длительному непрерывному бегу, мышцы ног состоят преимущественно из красных волокон. Белые мышечные волокна, содержащие мало митохондрий, отличаются чрезвычайно высокой частотой сокращений.
Источником АТР служит для них анаэробный гликолиэ, так что работать с максимальной интенсивностью они могут лишь очень короткое время, поскольку имеющийся в них запас гликогена используется малоэффективно. В отличие от белых красные мьппцы сокращаются медленнее, содержат много митохон- анаэробный гликолиз до стадии лактата никак нельзя считать малоэффективным процессом, в котором энергия расходуется неэкономно. Напротив, гликолиз-удивительный по своему совершенству процесс, поскольку он обеспечивает получение энергии иэ глюкозы без ее окисления. В организме животных лактат. образующийся в работающих мыш- цах и диффундируюший в кровь, может возвращаться в цикл„.
он поступает в печень и здесь в период восстановления после напряженной мышечной работы вновь превращается в глюкозу. У некоторых видов животных анаэробный гликолиз играет чрезвычайно важную роль в мышечной активности (дополнение 15-1). ГЛ. !Х ГЛИКОЛИЗ ЦЕНТРАЛЬНЪ|й ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ 443 дрнй и получают энергию главным образом за счет окисления клеточного «топлива» кислородом; поэтому онн могут работать непрерывно в течение длительно~о времени. Вообще говоря. у мелких животных кислород доставляется к мышцам циркуляторными системами достаточно быстро, так что необходимости в анаэробном использовании мышечного гликогена у них нет.
Птицы, например, при своих перелетах часто покрывают огромные расстояния с очень большой скоростью без какой бы то нн было кислоролной задолженности. Красным мышцам многих бегающих животных среднего размера. также свойствен по преимуществу аэробный метаболизм. Однако у крупных животных при напряженной и длительной работе цнркуляторная система оказывается уже не в состоянии поддерживать полностью аэробный метаболизм в мышцах. Эти животные движутся обычно медленно, и только крайние обстоятельства вынуждают их к усиленной мышечной активности, поскольку за каждой такой вспышкой активности должен следовать долгий период восстановления, необходимый для погашения кислородной задолженности. Медлительны и вялы, например, большую часть времени аллигаторы и другие крокодилы, однако эти рептилии способны к молниеносной атаке и столь же быстрому нанесению опасных ударов мощным хвостом.
Такие бурные вспышки активности коротки; за ними неизменно следует долгий период восстановления сил. Для быстрых движений, когда в них возникает необходимость, АТР генерируется в белых скелетных мьшщах этих животных путем анаэробного гликолиза. Поскольку запас глнкогена в мыпщах не очень велик. при напряженной работе мышц он быстро истощается. Кроме того, в мышцах и во внеклеточной жидкости при таких вспышках активности в очень большом количестве накапливается продукт аназробного гликолиза лактат. В то время как тренированному спортсмену после бега на 100 м для восстановлении нормального состояния достаточно каких-нибудь 30 мин, аллигатору после резко~о броска может потребоваться многочасовой отдых с повышенным потреблением кислорода, лля того чтобы из его крови был вывелен избыток лактата. а в мышцах восстановился запас гликогена.
Аналогичные проблемы определяют характер метаболизл5а и у других крупных животных, таких, как слоны и носороги, а также у китов, тюленей и прочих морских млекопитающих, подолгу остающихся под водой. У динозавров н других гигантских доисторических животных источником энергии для работы мышц служил, вероятно, анаэробный гликолиз, и значит, им тоже были необходимы длительные периоды восстановления сил, во время которых этн животные легко становились добычей более мелких хищников. способных лучше использовать кислород, а потому и лучше приспособленных к длительной мышечной активности.
Глубоководные исследования показали, что на очень больших глубинах, там, где содержание кислорода в воде близко к нулю, обитает тем не менее много вилен животных. У этих обитателей больших глубин метаболизм имеет по преимушеству анаэробный характер; расщепление углеводов приводит у ннх к образованию лактата и некоторых других продуктов, большая часть которых должна выводиться из организма.
У некоторых морских позвоночных для получения энергии в форме АТР ~ люкоза сбраживается не до лактата, а до зт.анапа и СО,. ЧАСГЪ 12 БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ 15.4. Гликолнз включает две стадии Прежде чем заняться рассмотрением отдельных ферментативных этапов гликолиза, попробуем охарактеризовать этот процесс в более общем плане. Расщепление шестиуглеродной молекуль1 глюкозы на две трехуглеродные молекулы пирувата совершается прн участии десяти ферментов.
Все они были вьшелены в чистом виде из разных видов организмов и тщательно изучены. Первые пять этапов составляют цодгопчовигпельнуит свюдию гликолиза (рис. 15-2):. В этих ферментативных реакциях глюкоза фосфорилируется за счет АТР сначала в положении 6, а затем в положении 1 с образованием фрукгпоэо-),б-дифосфата, который расщепляется иа две молекулы трехуглеродного соединения-глиг)ераль- Стадия 2: Превращение глицерьльлегид-зи)юсфата в лактат и сопряженное образонюпи АТР Стадии 1: Фосфорилнрование глюкозы и ее превращение в глицеральдегид-3-фагфат рпльдетил;3-фосфат (2) 2Р АО~ фогл 2АОР + гн' Фруктоэо-!,б-дифотфат (1 Глицерваьдегид-з.фос рнт(1) + Дигидраксинж тонфогфат (» Фасфог 2АОР Пи Глицеральдегид-з.фагфнт (2 молекулы) 2 иАО~ 2 Лактит Глюкоза (1) Атр "ир я "пуако еия" реакция сапроаождаищ АОРи'~ ся Расходов „ ем Ат 1 лкиаза б"фас фиг (1) Фруктозо.б фоорш (В Ц'ораа пуско ~ вая*' ре.„„ци промюдаю „ Р юяодоп юиаь АТ дегид-3-фосфаиия. Таким образом, продуктом первой стадии гликолиза является глицеральдегид-3-фосфат.
Отметим, что на активацию молекулы глюкозы и подготовку ее к расщеплению на два трехуглеродных фрагмента должны быть затрачены две молекулы АТР; впоследствии этот «вклад» принесет весьма солцлную прибыль. Далее, мы покажем, что и другие гексоэы, в частности П-фруктоэа, П-галактоза и П-манноза, тоже могут вовлекаться в подготовительную стадию гликолиза, после того как они подвергнутся фосфорилированию. Подготовительная стадия гликолиэа служит, таким образом, для того, чтобы превратить углеродные цепочки Рис. 15-2.
Дае сталин аиазробного гликолиза. Цифры в скобках означают число молекул, вступающих е ланнуьз реакаию. 2-фосфоглицервт (2) 2НАОН Гл. !5. ГЛИКОЛИЗ вЂ” ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ 445 всех метаболизируемых гексоз в один общий продукт — глицеральдегид-З-фосфат. Вторая стадия гликолиза, также состоящая из пяти ферментативных реакций, прелставляет собой, образно говоря, выплату процентов; на этой стадии энергия, высвобождающаяся при превращении двух молекул глицеральдегид- 3-фосфата в две молекулы пирувата, запасается (в результате сопряженного фосфорилирования четырех молекул АПР) в виде четырех молекул АТР (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
