образом, на 1 моль глюкозы в процессе гликолиза с самого начала расходуются 2 моля АТР, а в конце всего процесса образуются 4 моля АТР, т. е. выход АТР в результате составит 2 моля.

На основании этих рассуждений можно определить общую эффективность гликолиза. Около 48 000 кал/моль продуцируется, если расщепление глюкозы проходит только до лактата при стандартных условиях. Имеющаяся информация не позволяет рассчитать истинное изменение свободной энергии AG при физиологических условиях. Однако известно, что при гидролизе в физиологических условиях 2 моля АТР до ADP и Pt- освобождается ~ 24 ООО кал, откуда следует, что при гликолизе 1 моля глюкозы около половины потенциально доступной энергии может быть запасено в виде химической энергии в АТР.

В свете современных представлений о гликолизе интересно еще раз рассмотреть данные Гардена и йонга (разд. 14.4). Обнаруженная в их опытах потребность в Pt- при спиртовом брожении дрожжевых экстрактов, очевидно, отражает необходимость в ?(· в гли-церальдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции, единственной реакции в этой последовательности, в которой Pi действительно участвует. Отмеченный Гарденом и Йонгом факт накопления гексо-зодифосфата в ходе спиртового брожения, вызываемого бесклеточными экстрактами дрожжей, также получил объяснение. Напомним, что в клетках дрожжей, так же как в этих экстрактах, количество адениновых нуклеотидов мало в сравнении с количеством глюкозы. Когда весь присутствующий в экстракте ADP превратился в АТР, последовательность реакций должна остановиться на стадиях 1,3-дифосфоглицерата и фосфоенолпирувата. В принципе в живой клетке АТР утилизируется в разнообразных эндергониче-ских процессах, например при синтезе белка или мышечном сокращении, когда происходит регенерация как ADP, так и Рг. В дрожжевом экстракте эти явления, однако, не имеют места. Единственное средство для утилизации АТР представляет пара кипаз, присутствующих в экстракте и совместно образующих из глюкозы фруктозо-1,6-дифосфат. Суммарный процесс брожения в этих

14. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. I

579

экстрактах, следовательно, может быть представлен как результат действия двух частных систем:

2 глюкоза + 2Рг -*¦ 2 этанол + 2СОа + фруктозо-1,6-дифосфат

Накопленный фруктозодифосфат не подвергается дальнейшим превращениям, поскольку равновесие альдолазной реакции заметно сдвинуто в пользу фруктозодифосфата, а не смеси триозофосфатов. Причины отмеченной Гарденом и Йонгом потребности процесса брожения в NAD+ и Mg2+ очевидны и не нуждаются в пояснениях. Соответствующую интерпретацию получило и наблюдение Гар-дена и йонга об изменении характера брожения в присутствии арсената. В настоящее время известно (разд. 14.4.2), что глнце-ральдегидфосфатдегидрогеназа может переносить 3-фосфоглице-ронл на арсенат, образуя продукт, который спонтанно разлагается. При этих обстоятельствах на данной стадии процесса утрачивается необходимость в Р,-, но и не может образовываться АТР. Поскольку в присутствии арсената на каждую сбраживаемую молекулу глюкозы могут генерироваться только две молекулы АТР (на стадии превращения фосфоенолпирувата в пируват), то очевидно, что это количество АТР лишь компенсирует его расход в более ранних киназных стадиях процесса; отсюда следует, что брожение или гликолиз может происходить в отсутствие Р/ до тех пор, пока истощится вся глюкоза, причем эти процессы не сопровождаются ¦накоплением фруктозодифосфата. Накопление фруктозодифосфата в живой клетке представляет собой совершенно бесцельный процесс, так как, даже если при этом и происходит превращение глюкозы в лактат (или этанол + С02), в результате не продуцируется АТР. Понимание этого обстоятельства способствует правильной интерпретации процесса гликолиза.

14.4.3.1. Окисление пировиноградной кислоты

Подобно глюкозо-6-фосфату, шировиноградная кислота занимает центральное положение в метаболизме, поскольку она участвует в нескольких метаболических реакциях, как это показано на рис. 14.5. Пируват может подвергаться обратимому восстановлению до лактата (см. выше), превращаться обратно в глюкозу (разд. 14.6.1), использоваться для образования оксалоацетата или малата (разд. 14.6.1) или трансаминироваться с образованием аланина (также обратимый процесс) гл. 20). Однако главная участь пирувата в большинстве клеток млекопитающих заключает-

глюкоза + 2Рг + 2ADP глюкоза + 2 АТР -«-

фруктозо-1,6-дифосфат + 2ADP

2 этанол + 2С02 + 2АТР

(1) (2)

530

III. МЕТАБОЛИЗМ

глюкозо- б- фосфат

О

молочная_в__^пировинограЭная,^_^_г, „ кислота ___ кислота ^ аланин

яблочная кислота

щавелевоуксусная кислота

S?, -^=>Аи,етил-СоА^Г ацртоуксусная кислоты _^ кислота

С02

Рис. 14.5. Превращения пировиноградной кислоты у млекопитающих.

ся в его окислении до С02 и ацетил-СоА, как это описано в разд. 12.2.1. и кратко рассматривается еще раз ниже.

14.4.3.2. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-СоА и СОг, по существу, необратимо.

CHgCOCOOH + Со A—SH 4- NAD+ -СН3СО—SCoA -f СОа + NADH + H+

пировнноград- кофермент ацетил-СоА ная кислота А

Образуемый таким путем ацетил-СоА может быть использован в ряде реакций, таких, как ацетилирование холина или ароматических аминов или в биогенезе ацетоацетата, жирных кислот с длинной цепью и стероидов.

Наш интерес в этом вопросе, однако, сводится к биосинтезу АТР (в физиологических условиях) при полном окислении глюкозы в результате полного окисления пирувата, продуцируемого в гликолитическом пути.

Ход событий в цитоплазме может быть представлен суммарным уравнением

глюкоза 4- ADP 4- 2Рг 4- 2NAD+ ->-

-»-2 пировнноградная кислота + 2ATP-J- 2NADH + 2Н+

ТТируват затем поступает в митохондрии, где он превращается в ацетил-СоА и СОг; это сопровождается генерацией NADH, окисление которого обеспечивает образование 6 молей АТР на глю-козный эквивалент. При дальнейшем полном окислении аце-тил-СоА образуется 12 молей АТР, т. е. еще 24 молей АТР на глюкозный эквивалент. Остается оценить вклад NADH, возникшего в цитоплазме при окислении глицеральдегид-3-фосфата. Как

14. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ. I

581

указано ранее (разд. 12.2.2), цитоплазматический NADH должен восстановить некоторые метаболиты-переносчики, а именно ацето-ацетат или диоксиацетонфосфат, восстановленная форма которых может проникать через митохондриальный барьер и окисляться соответствующей митохондриальной дегидрогеназой. В зависимости от природы переносчика 2 моля окисляемого таким путем NADH могут давать 4 или 6 молей АТР.

Как следует из суммарного процесса, представленного в табл. 14.2, теоретический общий выход АТР составляет 38 молей на 1 моль окисленной глюкозы.

CeHjjO. + 602 + 38ADP + 38PS-- 6С02 + 6Н20 + 38АТР

Подобный расчет эффективности этого процесса в лучшем случае может быть лишь грубо приближенным. В действительности

Таблица 14.2

Общий выход АТР при превращениях глюкозы в дыхательной системе

Последовательность реакций

Выход АТР

Глюкоза —»- фруктозо-1.6-дифосфат —2

2 Трпозофосфат —»- 2.3-фосфоглицер1шовая кислота +2

2NAD+—-2NADH—>-2NAD+ +6

2 Фосфоенолпнровнноградная кислота —>- 2пировиноградная +2 кислота

2 Пировиноградная кислота —*- 2 ацетил-СоА + 2С02

2NAD+ —- 2NADH —-*¦ + 2NAD+ +6 2 Ацетил-СоА —- 4С02 +24

С6Н,206 + 602 6С02 + 6Н20 +38

процесс сопровождается существенной потерей свободной энергии. Полученная расчетная величина критическим образом зависит от свободной энергии образования АТР при имеющихся в клетке условиях. Последние, а именно [АТР], [ADP] и [Р,], в свою очередь различаются в митохондриях и цитозоле. В стационарном состоянии отношение [ATP]/[ADP] в клетке может увеличиваться от ~500 до 1000, что приводит к существенному возрастанию количества свободной энергии, требуемой для синтеза АТР из ADP. Оценивая свободную энергию, которая могла бы быть освобождена в условиях клетки при простом гидролизе всего количества ADP, образовавшегося в результате окисления одного моля глюкозы, и учитывая при этом, что AG для гидролиза АТР в физиоло-

582

III. МЕТАБОЛИЗМ

гических условиях составляет приблизительно —12 000 кал/моль, можно рассчитать, что ~ 450 ООО кал из потенциально доступных 686 000 кал действительно сохраняются при этом процессе. Эффективность процесса, таким образом, имеет порядок 65%-

14.5. Анаплероз

Как показано на рис. 12.1, в результате каждого оборота цикла лимонной кислоты регенерируется один эквивалент щавелево-уксусной кислоты, необходимый для инициирования следующего оборота цикла. Очевидно, что, если какие-либо промежуточные продукты этого цикла были бы отведены в другие метаболические пути, цикл должен был бы остановиться, если только не возобновится .поступление одного или нескольких требующихся веществ. Эта проблема отчетливо выражена в клетках растений и микроорганизмов, в которых ?-кетоглутарат и оксалоацетат постоянно оттягиваются из цикла для синтеза глутаминовой и аспарагиновой кислот, которые в свою очередь являются предшественниками других аминокислот (гл. 20). Подобные соображения приложимы и к клеткам животных. Процессы, с помощью которых осуществляется восполнение недостающих промежуточных продуктов, носят название анаплероз. Первым указанием на существование анаплероза послужило наблюдение у гетеротрофных нефотосинтезирующих бактерий процесса, в основе которого оказалась следующая реакция:

пировнноградная кислота -)- СОа -*¦ Щавелевоуксусная кислота

Вскоре после этого было установлено, что у животных, получавших ПС02, меченый углерод обнаруживается в гликогене печени. Хотя ни млекопитающие, ни гетеротрофные бактерии не способны к синтезу глюкозы из С02, очевидно, что реакции фиксации С02 все же имеют место в нефотосинтезирующих биологических системах. К числу наиболее важных реакций такого типа относятся реакции, в которых участвуют пировнноградная и щавелевоуксусная кислоты.

Образование оксалоацетата. Главная анаплеротическая реакция в животных клетках и у многих растений и микроорганизмов катализируется пируваткарбоксилаз