загрузка...
 
ГЛИКОЛИЗ
Повернутись до змісту

ГЛИКОЛИЗ

В отсутствие кислорода молекулы НАД-Нг, образующиеся на 6-й стадии этапа I, не могут избавиться от своего водорода путем передачи его на систему МтО. Поскольку содержание любого кофермента в клетке очень мало, то окисление уже небольших количеств ФГА могло бы превратить весь наличный НАД в НАД-Нг и тем самым исчерпать свободный НАД, необходимый для окисления новых порций ФГА. Как следствие, полностью остановилась бы утилизация глюкозы ГБФ-путем. Однако и здесь природа нашла удачную альтернативу. Суть ее в том, что конечный продукт этапа I - молекула ПВК - является хорошим акцептором атомов водорода. Перенос двух атомов водорода с НАД-//2 на кето-группу пирувата превращает его в молочную кислоту (лактат). Реакция эта обратима (рис. 6-28). Равновесие ее сильно сдвинуто влево; отсюда и название фермента - лактатдегидрогеиаза (ЛДГ).

Таким образом, при дефиците кислорода появляется новая реакция, которую можно назвать стадией XI цитоплазматического этапа ГБФ-пути, если не забывать, что она имеет место не в обычных условиях, а лишь при чрезмерном накоплении молекул НАД-Н2 и ПВК. Эта стадия не только позволяет обойтись без 02, но и обеспечивает в определенном смысле «безотходную технологию», а именно: сколько молекул НАД'Н2 образуется на 6-й стадии, столько же ПВК возникает на 10-й стадии, и все они могут освобождать НАД-//2 от водорода. Иными словами, происходит полная регенерация молекул НАД, необходимая для окисления все новых порций ФГА. Это сопряжение между 6-й стадией (окисление ФГА) и 11-й стадией (восстановление пирувата) назвали гликолитической окси- доредущией. Она является, по существу, механизмом «освобождения» цитоплазматического этапа ГБФ-пути от кислородной зависимости. А весь процесс распада глюкозы до лактата (идущий без участия 02) обозначили термином гликолиз. Его итоговое уравнение (рис. 6-29) очень похоже на аналогичное уравнение I этапа ГБФ-пути (см. рис. 6-27). Самое главное отличие - гораздо меньшая продукция АТФ.

Биологический смысл гликолиза заключается в том, чтобы обеспечивать распад

Рис. 6-28. Обратимое восстановление пирувата в лактат.

Рис. 6-29. Итоговое уравнение гликолиза.

глюкозы даже в анаэробных условиях, — пусть не до конца, а только до лактата, но получая при этом хотя бы немного АТФ. Если при полном окислении глюкозы ГБФ-путем образуется 32 (или 30) молекул АТФ, то при гликолизе — всего 2 молекулы АТФ, т.е. примерно в 15 раз меньше. Зато эти 2 молекулы АТФ на каждую глюкозу можно получить в полной независимости от кислорода (и вообще от митохондриального окисления).

Единственный критерий того, что происходит бескислородный распад углеводов ГБФ-пу- тем, — это накопление недоокисленных продуктов. У молочнокислых бактерий таковым является лактат (как и у животных). А вот пивные дрожжи в отсутствие 02 образуют не лактат, а этанол. Объясняется это тем, что они не имеют лактатдегидрогеназы, но содержат в цитоплазме пируватдекарбоксилазу, способную, в отличие от митохондриальной, отщеплять СОг от пирувата без участия кислорода. Из-за этого акцептором водорода от НАД-//г становится не пируват, а продукт его неокислительного де- карбоксилирования — уксусный альдегид, восстанавливаемый до этанола (рис. 6-30).

Рис. 6-30. Анаэробное декарбоксилирование ПВК (XI) и восстановление уксусного альдегида (XII) в цитоплазме дрожжевых клеток.

Таким образом, у дрожжей в отсутствие кислорода распад глюкозы ГБФ-путем насчитывает не 10, и даже не 11, а 12 стадий. И конечный продукт — не лактат, а этанол. В практике виноделия этот процесс известен с глубокой древности и обозначается как спиртовое брожение. Брожение — из-за того, что интенсивное выделение СОг ведет к образованию пузырьков газа: жидкость как бы бурлит. По мере выяснения химизма анаэробного распада углеводов, становились известными и другие виды брожения (маслянокислое, пропионово- кислое и иные). Образование лактата в нестерильном молоке тоже назвали одним из видов брожения - молочнокислым, хотя в этом случае никакой углекислоты не выделяется, т.е., нет «брожения» в физическом смысле. А главное — стало известно, что различия между основными вариантами брожения появляются лишь на завершающих стадиях процесса. Точнее, они сводятся к тому, какие именно молекулы становятся конечными акцепторами водорода от НАД-//2 , возникающего на 6-й стадии. Вместе с тем, биологический смысл процесса всегда одинаков: получение хотя бы минимума АТФ в условиях недоступности кислорода. Спирт для дрожжей - это конечный продукт, отброс, и накопление его препятствует жизнедеятельности клеток (поэтому содержание этанола в некрепленом вине обычно не превышает 11-12%).

Итак, несмотря на совпадение первых 10 стадий, процессы, обозначаемые как «гликолиз», «спиртовое брожение» и им подобные, отнюдь не идентичны понятию «цитоплазматический этап ГБФ-пути».

Гликолиз, как и другие виды брожения, - тупиковый путь метаболизма, ибо лактат ни во что дальше превращаться не может. Он может лишь снова трансформироваться в ПВК (благодаря обратимости лактатдегидрогеназной реакции). Такое случается только при переходе от анаэробных условий к аэробным. Полноценное обеспечение клетки кислородом ведет к прекращению прироста лактата. Первым это отметил Л.Пастер, сформулировав тезис о том, что с началом дыхания (т.е., потребления Ог) брожение останавливается. Он определял брожение как жизнь без доступа кислорода.

Механизм эффекта Пастера (блокирование брожения дыханием, сопровождаемое резким падением скорости утилизации глюкозы) был раскрыт гораздо позже. Теперь известно, что в присутствии 02 нет условий для появления лактата (или спирта и т.п.), ибо НАД-7/2 и пи- руват сразу же после их образования утилизируются митохондриями. Более того, в животных тканях наблюдается убыль ранее накопленного лактата. Происходит это из-за того, что молочная кислота отдает водород молекулам НАД, превращаясь в пируват, который (как и водород НАД-//2) потребляется митохондриями с использованием 02-

Утилизация лактата, накопившегося в период нехватки кислорода, лежит в основе феномена, которому физиологи дали название ликвидация кислородной задолженности. Он заключается в том, что после интенсивной мышечной работы легочное дыхание не сразу возвращается к норме, а остается усиленным еще некоторое время. Избыточное потребление 02 в этот период (в сравнении с состоянием покоя) является отражением того, сколько лактата накопилось во время работы, недостаточно обеспеченной кислородом.

Итак, в отсутствие кислорода (или при его нехватке) лактат не может не образоваться, а при достаточном снабжении кислородом он, напротив, не может образовываться.

Со временем, однако, выяснилось, что в некоторых случаях выработка лактата происходит даже в аэробных условиях. Впервые это выявлено в злокачественных опухолях, хотя и до сих пор причины отсутствия эффекта Пастера в раковых клетках остаются неясными. Позднее обнаружили, что лактат в обычных, аэробных условиях вырабатывают и совершенно нормальные эритроциты. Механизм этого стал понятен после открытия митохондрий и того факта, что в зрелых эритроцитах они отсутствуют. Значит, будучи не в состоянии осуществлять II и III этапы ГБФ-пути, эти клетки обеспечивают себя энергией только за счет тех 2 молекул АТФ, которые они получают субстратным фосфорилированием по ходу расщепления молекулы глюкозы до лактата (отдаваемого затем в плазму крови). Иными словами, нормальные зрелые эритроциты способны осуществлять аэробный гликолиз, т.е. бескислородный распад глюкозы до лактата в аэробных условиях!

Здесь необходимо определиться с терминологией. Уже в первых наблюдениях иа рубеже 19-20 вв. образование молочной кислоты при разложении глюкозы (гликогена) прямо связывали с недостатком (в частности, при мышечной работе). И даже строже: лактат возникает только при недостатке кислорода, тогда как в аэробных условиях глюкоза расщепляется до С02 и НгО. Полвека спустя окончательно утвердилось понимание того, что гликолиз - это процесс распада углеводов без потребления кислорода, оцениваемый по появлению лактата и протекающий в анаэробных условиях, ио иногда реализуемый и в присутствии Ог (аэробный гликолиз). К сожалению. в последние 15-20 лет без каких-либо обоснований, «явочным» порядком возникла тенденция обозначать термином «гликолиз» любое разложение глюкозы ГБФ- путем. Это привело к явному смещению понятий. Собственно гликолиз (распад до лактата) пришлось уточнять: «анаэробный гликолиз» (хотя этот процесс на самом деле случается иногда и в присутствии О2). А для обозначения распада глюкозы (гликогена) до ПВК стали употреблять термин «аэробный гликолиз» (игнорируя тем самым известные факты выработки в аэробных условиях не пиру- вата, а именно лактата). Терминологическая нечеткость особенно затрудняет тех, кто изучает медицинскую литературу: в ней до сих пор часто используются понятия «гликолиз» и «аэробный гликолиз», — как правило, в традиционном смысле (образование лактата). Поэтому в настоящем учебнике процесс превращения углеводов в лактат всегда обозначается понятием «гликолиз», а в пируват - терминами «этап I (цитоплазматический этап) ГБФ- пути» (за неимением лучшего, — более краткого, но тоже однозначного).



загрузка...