Материал: Биохимия учебное пособие

является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. На рис. 15 показаны участки гликолиза, на которых расходуется и образуется АТФ.

Глюкоза

2 АДФ

Фосфоглицераткиназа

Пируваткиназа

2 АТФ

Пируват Лактат

Лактатдегидрогеназа

Рис. 15. Участки гликолиза, связанныесзатратой иобразованием АТФ ванаэробных условиях

2 молекулы АТФ потребляются на активацию одной молекулы глюкозы (реакции 1 и 3).

Врезультатепревращений каждогоиздвухС3-фрагментов вреакцияхсубстратного фосфорилирования (реакции 7 и 10) образуются 2 молекулы АТФ.

НАДН2, который образуется в ходе окисления фосфоглицеральдегида на пятой стадии, окисляется в лактатдегидрогеназной реакции с образованием молочной кислоты и в получении АТФ не участвует.

Такимобразом,выигрышэнергииванаэробныхусловияхсоставляет2мольАТФ на моль глюкозы:

55

3.3.3. Расчет выхода АТФ при аэробном окислении

Большинство животных и растительных клеток в норме находится в аэробных условиях, и глюкоза полностью окисляется до СО2 и Н2О.

При наличии вклеткекислородаНАДН2, возникающий на 6-й стадии, направляетсявмитохондриинапроцессокислительногофосфорилирования.Тамегоокисление сопровождается синтезом 3 молекул АТФ.

Образовавшийся в гликолизе пируват в аэробных условиях под действием пируватдегидрогеназного комплекса превращается в ацетил-SКоА, при этом образуется 1 молекула НАДН2.

Ацетил-SКоАвовлекаетсяв циклКребса и,окисляясь,дает3молекулыНАДН2, 1молекулуФАДН2 и 1молекулуГТФ. При окислении НАДН2 и ФАДН2 в дыхательной цепи образуется еще 11 молекул АТФ. В целом при сгорании 1 ацетильного остатка образуется 12 молекул АТФ.

Суммируя «гликолитический» АТФ, результаты окисления «гликолитического»и пируватдегидрогеназногоНАДН2, энергетический выходцикла Кребса и умножая все на 2, получаем 38 молекул АТФ:

Итого: –2 + 2 (3 + 1 + 1 + 3 +1 + 9 + 2) = 38 АТФ.

Очевидно, что в энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз (рис. 16).

Однако мембрана митохондрий непроницаема для НАДН2, поэтому перенос водорода с цитозольного НАДН2 в митохондрии осуществляется за счет челночного транспорта. Суть этого механизма сводится к тому, что НАДН2 в цитозоле восстанавливает некоторое соединение, способное проникать в митохондрию. В митохондрии это соединение окисляется, восстанавливая внутримитохондриальный НАД+, и вновь переходит в цитозоль. В качестве челнока работает глицеролфосфатный механизм или малат-аспартатная система (рис. 17, 18).

Если перенос водорода с НАДН2 происходит за счет глицеролфосфатного механизма, то реальное количество синтезируемых молекул АТФ меньше, так как энергия расходуется на транспорт НАДН2 из цитозоля через митохондриальную мембрану. Цитозольный НАДН2 сначала реагируетсцитозольнымдигидроксиаце- тонфосфатом,образуяглицерол-3-фосфат, который легкопроникаетчерезмембрану

56

Цикл Кребса

Дыхательная цепь митохондрий

Рис. 16. Участкиаэробногоокисления глюкозы, связанные с затратой и образованием АТФ

митохондрии. Внутри митохондрии глицерол-3-фосфат окисляется до диоксиацетонфосфата с участием неНАД, а ФАД-зависимой глицерол-3-фосфат-дегидроге- назы. Восстановленный флавопротеин (фермент-ФАДН2) вводит приобретенные имэлектронывдыхательнуюцепьна уровнеKoQ. Такимобразом, параэлектронов (из одной молекулы цитозольного НАДН2), вводимая в дыхательную цепь с помощью глицеролфосфатного челночного механизма, дает не 3, а 2 АТФ и общий энергетический выход составляет не 38, а 36 молекул АТФ.

57

Фосфоглицеральдегид 1,3-Бисфосфоглицерат

НАД+ НАДН2

Цитозоль

1

Рис. 17. Глицеролфосфатныйчелнок:

1, 2 – окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие транспорт водорода из цитозоля

вмитохондрии на дыхательную цепь; 3 – ФАД-зависимая глицеролфосфатдегидрогеназа

Спомощьюданногочелночногомеханизма переносвосстановленныхэквива-

лентов от цитозольного НАДН2 в митохондрии осуществляется лишь в скелетных мышцах и мозге.

В клетках печени, почек и сердца действует более сложная малат-аспартатная челночная система (см. рис. 18).

Действие такого челночного механизма становится возможным благодаря присутствиюмалатдегидрогеназыиаспартатаминотрансферазыкаквцитозоле,так

ив митохондриях. Цитозольный НАДН2 восстановливает оксалоацетат домалата при участии фермента малатдегидрогеназы.

Малат с помощью системы, транспортирующей дикарбоновые кислоты, проходит через внутреннюю мембрану митохондрии в матрикс. Здесь малат за счет внутримитохондриального НАД+ окисляется в оксалоацетат, а восстановленный

НАДН2 передает свои электроны в цепь дыхательных ферментов.

В свою очередь, образовавшийся оксалоацетат в присутствии глутамата и фермента АСТ вступает в реакцию трансаминирования. Образующиеся аспартат

и-кетоглутарат спомощью специальныхтранспортных системспособны проходить через мембрану митохондрий. Трансаминирование в цитозоле регенерирует оксалоацетат, что вызывает к действию следующий цикл.

В целом процесс включает легкообратимые реакции, происходит без потребления энергии, в результате полного окисления одной молекулы глюкозы может образоваться не 36, а 38 молекул АТФ.

При переходе от анаэробных условий к аэробным накопление лактата в клетке прекращается в связи с его окислением в пируват. Первым это явление отметил Л. Пастер, сформулировав тезис о том, что с началом дыхания (т. е. потребления кислорода) брожение останавливается. Он определял брожение как жизнь без доступа кислорода.

58

Фосфоглицеральдегид 1,3-Бисфосфоглицерат

Рис. 18. Малат-аспартатный челнок:

1, 2 – окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие транспорт водорода из цитозоля

âмитохондрии на дыхательную цепь; 3, 4 – транслоказы, обеспечивающие транспорт малата, аспартата

èглутамата через мембрану митохондрий

Механизм эффекта Пастера (блокирование брожения дыханием, сопровождаемое резким падением скорости утилизации глюкозы) объясняется тем, что в присутствии кислорода НАДН2 и пируват сразу после их образования утилизируются митохондриями. При переключении на аэробное окисление происходит убыль ранее накопленного лактата. Утилизация лактата, накопившегося в период дефицита кислорода, лежит в основе явления, которое получило название «ликвидация кислородной задолженности». Суть этого явления состоит в том, что после интенсивной мышечной работы легочное дыхание не сразу возвращается к норме, а некоторое время остается усиленным. Избыточное потребление кислорода в этот период определяется количеством лактата, накопившегося во время работы, недостаточно обеспеченной кислородом.

Таким образом, в отсутствие или при недостатке кислорода лактат не может не образоваться, а при достаточном снабжении кислородом он не может образоваться (ðèñ. 19).

59