Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Рис. 15-16 поясняет роль пункта перекреста с помощью аналогии на модели гз)дравлической системы. Измеряя концентрации различных промежуточных продуктов какого-либо метаболического пути и выясняя, как изменяются эти концентрации в ответ на изменение обшей скорости данного метаболического пути в интактной ткани, мы можем таким способом установить, какие именно из реакций этого метаболического пути регулируются. С помощью этого методического подхода было установлено, что главным регуляторным этапом гликолиза в скелетных мышцах, мозге н прочих тканях является фосфофрукгокнназная реакция. Для того чтобы определить н сравнить концентрации всех промежуточных продуктов данного пути в покоящихся и в стимулированных клетках, пользуются следующим способом.
Клетки или ткани быстро замораживают в жидком азотЕ и тем самым подавляют в них ферментатнвную активность (этот метол получил название «фиксапля замораживанием>з). Затем нз замороженной ткани зкстрагнруют промежуточные продукты с помощью какого-нибудь кислого реактива, который вызывает денатурацию и инак- А Расотакхная мы~спи Г 1 П!Ф Фбф Ф |Ф ТФ ЗФГ Е Г ФФК Г Е: лнтивяю Пируиат В Мышца с ~о\ гояипн ис1 оя | 1 Гбф ФСФ Ф,!Ф ТФ ЗФГ Г К ФФК Е. Еь ингяйиропаю Ф Пнрун;гг П)вы ю р.крег та Рнс.
15.16. Гидравлическая модель, пояснюошая роль пункта перекреста в регуляции гл»- колиза, прогекаюпжго в мышце. Измерение концентраций последовательных промежуточных пролуктов гликолиза в активной ннтактной мышце (д) и в мышце, иаходяшейся в состоянии покоя(Б), позволяет выявить регулируемыи этап этого процесса. Пункт перекреста -это реакция, каталнзируемая ферментом, Лля которого при переходе мышцы из активного состояния в состояние гшкоя концентрации субстрата возрастает, а концентрация продукта (продуктов) снижается. В данном случае пунктом перекреста сл) жит реакпия, катализируемая фосфофруктокиназой (ФФКЕ ог которой зависит скорость образования пирувата. Г глюкоза: ГЕФ - глюкозо-6-фосфат; Фбф— фруктово-6-фосфатг ФДФ вЂ” фрукгоэо-|,б-дифосфат, ТФ - триозофосфат; 3ФГ 3-фосфог лицера г. Здесь показаны не асс промежуточные продукты гликолиэа ЧАСТЬ Н БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ тивацию ферментов, и определяют концентрации этих промежуточных продуктов в тканевых экстрактах.
В любой данный момент времени при данных условиях скорость расшепления ппокозы (или гликогена! до пирувата определяется только одной из регуляторных реакций гликолиза. Почему же в таком случае в гликолизе регулируется не одна реакция, а несколько7 Объясняется это тем, что метаболизм — очень сложный процесс. При определенных метаболических ситуациях клетке выголнее регулировать скорость гликолиза за счет скорости вовлечения в тликолиз остатков глюкозы„т.е.
через гексокиназную или гликоген-фосфорилазную реакцию. В других условиях более выгодной для клетки может оказаться регуляция через фосфофруктокиназную или пируваткиназную реакцию. Поскольку метаболические активности и функции, а также «топливные смеси» в различных тканях и клетках не совсем одинаковы,гликолиз при разных метаболических условиях может регулироваться в них через разные регуляторные пункты.
Наличие нескольких регуляторных пунктов на центральном гликолитическом пути обеспечивает клетке большую метаболическую гибкость. Важно иметь в виду и два других обстоятельства, касаюшихся регуляции гликолиза и вообще любого метаболического пути. 1) Регулируемые этапы какого-либо метаболического пути при внутриклеточных условиях обычно необратимы.
Фосфорилаза, гексокиназа, фосфофрук гокиназа и пируваткиназа - все зги ферменты катализируют реакции, сопровождаюшиеся в условиях клетки значительным уменьшением свободной энергии и потому практически необратимые. 2] Почти все другие, т.е. нерегулируемые. ферментативные этапы гликолиза находятся в состоянии равновесия или близки к нему.
Однако, поскольку гликолиз включает необратимые этапы, весь этот процесс в целом также должен быть необратим. В интактной клетке многие отдельные ферментативные реакции могут быть близки к равновесию, однако в целом ии сами живые организмы, ни их метаболические функции никогда не на- ходятся в состоянии равновесия. 15ПВ. Спиртовое брожение отличаетси от Гликолиза тОлькО иа последних этапах У дрожжей и у других микроорганизмов, сбраживаюших глюкозу не до лактата, а до этанола и СОт, путь ферментативного расшепления глюкозы совпадает с описанным выше для анаэробного гликолиза на всем протяжении.
за исключением этапа, катализируемого лактатдегилрогеназой. В дрожжевых клетках, которые не содержат фермента, аналогичного лактатдегидрогеназе мышечной ткани, этот этап заменен лвумя другими реакпиями (рнс. 15-17). В первой из них продукт расшепления глюкозы пируват теряет свою карбоксильную группу под действием внрувптдекирбоксилаэы. Эта реакция представляет собой простое декарбоксилирование; реального окисления пирувата при этом не происходит; о=с-(Я ! Н сн О Пируват Н„о Пируватдснарбокснлаэа СНа Ацатпльдегид ! О Н' + МАРН АлногольдегидроМАР' СН, ! СНя Зтацол ! ОН Рис 1Ь11 Коисяныс этапы спиртоноса Бранс- ния ГЛ Гз ГЛИКОЛИЗ ИЕНТРАЛЬНЫЙ ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ 469 Дополнение 15-2.
Пивоварение Пиво изготовляется спиртовым брожением углеводов, содержащихся в зерне (обычно для пива берут ячмень). Эти углеводы, представлены главным образом полисахаридами и недоступны действию гли- В клетке эта реакция необратима. Для проявления каталитической активности пируватдекарбоксилазе требуется Мяэ '. С молекулой этого фермента прочно связан кофермент я5на,ииииирофос95ае (о его функции в качестве переносчика ацетальдегидиых групп мы уже говорили в разд. 10.4). На последнем этапе спиртового брожения ацетальдегид восстанавливается до этанола за счет ХАТ)Н, образовавшегося при окислении глицеральдегид-3-фосфата; эта реакция катализируется алкогольдегидрогеназой: СН» -С--Н НАНН+ Н' =' Сню — СН~ОН -' КАП' о ЭгВнех Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются эганол и СО„, а не лактат.
Суммарное уравнение спиртового брожения имеет вил Глюкоза + 2Р, з- 2АОР— — 2Эганол + 2СОЗ + 2АТР + + 2НО. Отметим, что суммарное отношение атомов водорода к а~омам углерода не изменяется, когда молекула О-глюкозы (Н!С=12~6=2) сбраживается до двух молекул этанола и двух молекул СО, (Н,'С = 12~6 = 2). И вообще при всех анаэробных брожениях отношение Н 'С в исходных веществах и в продуктах оказывается одинаковым.
Пируватдекарбоксилаза содержится в клетках пивных. дрожжей и других микроорганизмов, осуществляющих спиртовое брожение. В животных тканях этот фермент отсутствует. Лишены пируватдекарбоксилазы также организмы„осуществляющие молочнокислое брожение, например молочнокислые бактерии. Биохимия спиртового брожения лишь недавно изучена настолько хорошо, чтобы можно было представить этот процесс в виде ряда последовательных ферментативных реакций, Что же касается виноделия и пивоварения, то это весьма древние искусства, освоенные людьми за сотни лет до того, как родилась сама наука химия. Более того, сами старинные рецепты приготовления пива и нина сыграли в свое время важную роль, послужив ключом к некоторым фундаментальным открытиям на заре развития биологии и биохимии.
Так, в 1856 г. Луи Пастер впервые убедительно показал, что сбраживание сахара в спирт вызывается микроорганизмами, а не какимито магическими влияниями. Французские виноделы пригласили Пастера для того, чтобы он помог им выяснить, почему в иные годы вино не удается и превращается в уксус. Пастер в своих экспериментах, ставших классическими, показал, что в стерильных растворах глюкозы брожения не происходит. тогда как в растворах, соприкасающихся с непрофильтрованным воздухом, брожение идет, и причина э~ого заключается в том, что в раствор попадают нз воздуха споры дрожжей и других микроорганизмов. Из налета на гроздьях свежесрезанного винограда Пастер выделил культуры дрожжей и доказал, что именно дрожжи ответственны за брожение, происходящее в соке, отжатом из раздавленного винограда. Он выяснил также„что превращение спирта в уксусную кислоту вызывается другими видами микроорганизмовуксуснокислыми бактериями; эти аэробные организмы окисляют этанол с образованием уксусной кислоты.
При пивоварении, которое также принадлежит к числу древнейших искусств, помимо реакций спиртового брожения протекает еще и ряд других ферментативных процессов (дополнение 15-2). 470 ЧАСТЬ 11 БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ колитических ферментов дрожжей, сбраживающих только дисахариды и моносахариды. Поэтому из ячменя сначала готовят солод. Для этого ячмень проращивают, чтобы в семенах образовались ферменты, необходимые для расщепления полисахаридов клеточных стенок, а также крахмала н прочих запасных полисахаридов. В определенный момент дальнейшее проращивание подавляют нагреванием.
Полученный таким путем продукт, солод, содержит среди прочих ферментов и-амилазу и мальтазу, которые расщепляют крахмал до мальтозы, глюкозы н других простых сахаров. Присутствуют в сололе также ферменты, специфически расщепляющне )3-связи целлюлозы и других полисахаридов клеточных стенок семенных оболочек ячменя. Этн оболочки должны быть разрушены, лля того чтобы и-амилаза могла подействовать на крахмал, содержащийся в зерне. Следующий этап-это приготовление из солода пивного сусла, которое и служит питательной средой для дрожжевых клеток, осуществляющих спиртовое брожение. Для получения сусла солод дробят и смешивают с водой (затирают).
Это дает возможность ферментам, образовавшимся в процессе приготовления солода, подействовать на полисахариды зерна и расщепить их до мальтозы, глюкозы и прочих простых сахаров, растворимых в водной среде. После завершения такого ферментативного осахарнвания затор фильтруют и жидкое сусло кипятят с хмелем для ароматизации.
Затем сусло охлаждают и аэрируют. В подготовленное таким образом сусло добавляют дрожжевые клетки. В аэробном сусле дрожжи растут и размножаются очень быстро, извлекая необходимую им энергию из некоторых присутствующих в сусле сахаров. На этой стадии спирт не образуется, потому что дрожжи, располагая достаточным количеством кислорода, окисляют образовавшийся в процессе гликолиза пируват через цикл лимонной кислоты до СОз и Н,О. Азробный метаболизм дрожжей обусловливает очень быстрый рост к.теток, регулируется же этот метаболизм добавлением нужного количества кислорода.
После исчерпания всего растворенного кислорода в чане с суслом дрожжевые клетки как факультативные анаэробы (разд. 13.1) переключаются на анаэробное использование сахаров. Начиная с этого момента дрожжи сбраживают содержащиеся в сусле сахара с образованием этанола и СО,. Процесс брожения регулируется концентрацией образовавшегося этанола, а также величиной рН и количеством несброженного сахара. В определенный момент брожение останавливают, улаляют дрожжи, и молодое, или зеленое, пиво поступает на дображивание.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
