большинстве случаев равна 144000. Молекула фермента состоит из четырех субъединиц с М = 37 000. Первичная структура их выяснена у глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы из пекарских дрожжей, термофильной бактерии и мышц свиньи и омара, а третичная—у фермента из термофильной бактерии и мышц омара (рис. 113).

Каждая субъединица несет одну молекулу НАД+ и 4 свободные HS-группы, принадлежащие остаткам цистеина. Сначала фосфоглицериновый альдегид присоединяется к ферменту по радикалу остатка цистеина, занимающего 149-е положение в полипептидной цепи; в активный центр фермента входят также остаток аргинина, находящийся в 231-м положении, и остаток гистидина, занимающий 17б-ю позицию. Затем в действие вступает НАД+, отнимающий от субстрата атом водорода в виде гидрид-иона (схема 5), и гисцв активного центра, снимающий другой атом водорода с ОН-группы тиополу-ацеталя в виде протона; радикал гистидина удерживает снятый протон в течение непродолжительного времени и потом высвобождает его в среду (схема 5 и рис. 113).

В этот момент связь между остатком 3-фосфоглицериновой кислоты и ферментом становится макроэргической (обозначена значком ~, схема 5). Указан-

346

39871317574^

ная связь спонтанно распадается в присутствии Н3Р04 с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Остальные реакции идут в основном при участии соответствующих киназ. Важно отметить, что в момент отщепления воды от 2-фосфоглицериновой кислоты (схема 5) также возникает макроэр-гическая связь у остатка фосфата, что делает возможной дальнейшую киназ-ную реакцию с образованием АТФ. Такой путь биосинтеза АТФ называется субстратным фосфорилированием, которое возможно лишь потому, что в активном центре фосфоглицераткиназы и пируваткиназы при участии Mg2+ сближаются концевой фосфат АДФ и переносимый на него фосфат, связанный макроэргической связью в 1,3-дифосфоглицериновой или 2-фосфоенолпирови-ноградной кислоте. В частности, эта важнейшая реакция фосфорилирования АДФ на уровне окисляемого субстрата детально изучена у пируваткиназы (рис. 114).

Апотомический путь распада глюкозо-б-фосфата. При апотомическом распаде глюкозо-6-фосфата не происходит его превращения в фруктозо-1,б-дифос-фат в результате введения в молекулу второй фосфатной группы. Распад глюкозо-б-фосфата в этом случае начинается реакцией окисления его в 6-фосфоглюконолактон. Окисление состоит в отнятии двух атомов водорода от 1-го углеродного атома глюкозо-6-фосфата. Акцептором Н служит НАДФ+, являющийся коферментом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, ускоряющей эту реакцию:

Глюкоэо-6- Никотянаынд- 6-фосфо- Никотииаыид-

фосфат ад ннндниуклео- глюкоио- аденнндинук-

тидфосфат окис- 8-лактон леотидфосфат

ленный (НАДФ+) восстановленный

(НАДФН+Н+)

1люкозо-6-фосфатдегидрогеназа, открытая более полувека тому назад О. Варбургом и сотр. и В. А. Энгельгардтом и А. П. Бархаш, вьщелена из различных источников и характеризуется либо димерной, как, например, в молочной железе крысы: М = 130000 (2x63000) или эритроцитах человека: М = 204 000 (2x101400), либо тетрамерной, как, например, у нейроспоры: М = 206000 (4 x 57000), в надпочечниках быка: М = 284000 (4 x 64 000) или

347

грене тутового шелкопряда: М=232 ООО (4x54000), структурой. Она существует в виде множественных форм, которыми особенно богаты эритроциты человека, а ее активность задается соотношением НАДФ+/НАДФН. Выяснена первичная структура глюкозо-б-фосфатдегидрогеназы из Bacillus megaterium (М = 118 ООО; 4 х 29 500); в ее субъединице—262 аминокислотных остатка.

6-Фосфоглюконолактон при участии фермента глюконолактоназы гидроли-зуется до б-фосфоглюконовой кислоты, которая претерпевает окислительное декарбоксилирование и превращается в рибулозо-5-фосфат:

/° ^°

С,---^ 6-фосфо- ^-°Н

н-с-он] гЛк,КоИо- н-с-он *л\ЪлаУ?55Г сн2он

но-А-н о + нр Г™"" но-с-н (дс^!^ща,)> с=о + со,

н-с—он] н-с—он надф+ надфн+н+н-с—он

и-с-^ он н-с—он он н—с-он он

сн,—о—р=0 сн,—о—р=0 сн,—о—р=0 '

2 i 2 i 2 i

он он он

6-Фосфоглюкоио-Д- 6-Фосфоглюкоиовая Рибулозо-5-

лактон кнслота фосфат

Фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) представлена белком с М = 100000, состоящим из двух равных субъединиц, независимо от источника выделения (печень овцы и крысы, эритроциты человека, дрожжи).

Дальнейший обмен рибулозо-5-фосфата—одного из центральных веществ в углеводном обмене—протекает весьма сложно (схема б). Многократно изомеризуясь, в частности, переходя в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат, а также вступая в транскетолазные и трансальдолазные реакции, заключающиеся в переносе двууглеродных и трехуглеродных фрагментов от одного фосфорного эфира к другому, рибулозо-5-фосфат снова превращается в глюкозо-б-фосфат. Подсчитано, что из б молекул рибулозо-5-фосфата получается 5 молекул глюкозо-б-фосфата. Таким образом, суммарный эффект всех реакций, осуществляющихся при апотомическом распаде глюкозо-б-фосфата, сводится к тому, что из каждых б его молекул одна полностью распадается. Это можно выразить следующим уравнением:

6 Молекул глюкозо-6-фосфата+12 НАДФ+ + 7Н20—*6С02 +12 НАДФН+ + 12Н+ +Н3Р04 + 5 молекул глюкозо-6-фосфата

После сокращения 5 молекул глюкозо-6-фосфата в левой и правой частях уравнения остается следующее:

Глюкозо-6-фосфат+12 НАДФ+ +7Н20—»6С02 +12 НАДФН +

+ Н3Р04+12Н+

Как следует из схемы б, важнейшее значение в апотомическом распаде углеводов имеет превращение фосфопентоз. Поэтому этот путь обмена углеводов называют также пентозофосфатным циклом. Центральной реакцией в нем является перенос двууглеродных фрагментов, осуществляемый при каталитическом воздействии транскетолазы. Этот фермент (у нас в стране) детально изучен Г. А. Кочетовым с сотр. Транскетолаза из пекарских дрожжей (М = 160 000) построена из двух субъединиц (2x75000), каждая из которых содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат, присоединенный

348

Рибулозо-5-фосфат (С5)

Ксилулозо 5-фосфат

(С5)

Рибулозо-5-фосфат (С5)

I

Ксилулозо-5-'фосфат (С5) 3-фосфо-гептулозо- ^глицериио-7-фосфат вый альде-(с7) \/гид (сз>

Рибулозо-5-фосфат (С5)

I

Рибозо-5-фосфат

(с5) у

Седо- I i

ii030-'']

фо- 'Ч

Эритрозо

X

Рнбулоэо-5-фосфат (С5)

\

Ксилулоэо-Б-фосфат <С5) 3-фосфо-глицернно-вый альдегид (Са)

3-фосф| глицериновый альдегид (С3)

фосфат (С4)

Фруктоэо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Рибулозо-5-фосфат (С5)

¦

Рнбозо-Б-фосфат

Х(С5) Седо-гептулозо-7-фосфат

Рибулоэо-5-фосфат (С9)

\

Ксилулозо-Б-фосфат (С5)

фосфо-глицервко-¦вый альдегид (Са)

Фруктоэо-1,6.-дифосфат

Схема 6. Превращения глюкозо-б-фосфата при апотомическом распаде (пояснения в тексте) исходя из распределения 14С-промежуточных соединений в экстрактах ацетоновых порошков печени крысы и листьев и корешков гороха (В. Хоррекер и др., 1951). В 1978—1983 гг. усложнена Дж. Вильямсом и др. введением в нее арабинозо-5-фосфата, диоксиацетонфосфата и октулоэо-1,8-дифосфата в качестве метаболитов, которые на схеме не показаны

к белковой части соответственно через радикал триптофана и пирофосфат-ную группировку (рис. 115). Именно при посредстве тиаминпирофосфата и осуществляется перенос двууглеродных фрагментов. Он идет с помощью \5_ -группы тиазолового цикла (рис. 115). В каждой из субъединиц 20%

ii

/с\

ос-спиралей, 40% Р-слоев и 40% полипептидной цепи в виде клубка. Для становления димерной формы фермента и его функции важен Са2+. Транске-толаза из эритроцитов человека резко отличается от дрожжевой. Будучи очищена в 70000 раз, она имеет М = 140 000 и не нуждается ни в тиамин-пирофосфате, ни в Mg2+ для проявления активности.

Постепенно укрепляется мнение, что транскетолазные и другие трансфертные реакции в обмене углеводов являются одними из наиболее древних. По

349

Рис. 115. Схема связывания тиаминпирофосфата с апо-транскетолазой в активном центре фермента (пояснения в тексте)

мере эволюции к ним присоединились дегидрогеназные процессы (см. выше две первые реакции окисления в апотомическом распаде углеводов) и апотомический путь обмена углеводов приобрел законченный вид. Но в дальнейшем дихотомический путь распада углеводов стал преобладающим, и сейчас пентозофосфатный цикл в целом, особенно у высших животных, занимает скромное место.

Путь Этнера—Дудорова. Кроме дихотомического и апо-

томического путей обмена глюкозо-6-фосфата существует еще один путь, характерный для микроорганизмов (у некоторых из них при его посредстве распадается от 30 до 50% глюкозы), названный в честь его первооткрывателей (1952). Первые стадии распада глюкозо-6-фосфата по этому пути, вплоть до образования 6-фосфоглюконовой кислоты, полностью повторяют апотомический путь. Но далее 6-фосфоглюконовая кислота окисляется без декарбоксилировании в 2-кето-6-фосфоглюконовую кислоту, которая, восстанавливаясь по 3-му углеродному атому, переходит в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконо-вую кислоту, претерпевающую альдолазное расщепление:

соон I

с=о I

сн2 I

н—с—он н-с-он он сн,-о-р=о он

2-Кето-З-дезокси-б-фосфЪглюконоат кислота

2-Кето-З-дезоксн-6-фосфоглюконат-альдолаэа

соон I

с=о + I

сн,

Пировиноград-ная кислота

с^°

н-с-он он сн„—О-Р=0

I

он

3-Фосфоглии.ерииовый альдегид

Оба конечных продукта распада поступают в общий метаболический фонд и подвергаются обычным превращениям.

Обмен пировиноградной кислоты (ПВК). Проследим теперь судьбу ПВК, возникающей в качестве конечного продукта при дихотомическом распаде глюкозо-6-фосфата и другими путями. В зависимости от места и условий протекания процесса в организме, наличия или отсутствия в последнем тех или иных ферментных систем и т. п. судьба эта различна.

Если процесс идет в анаэробных условиях или при недостаточном снабжении кислородом, то простейший вариант обмена ПВК заключается в ее восстановлении до молочной кислоты. Донором атомов водорода при этом служит НАДН, образующийся в процессе окисления 3-фосфоглицеринового альдегида при дихотомическом распаде глюкозо-6-фосфата (см. схему 5) и во многих других случаях. Эта реакция ускоряется лактатдегидрогеназой. На этом ферменте впервые детально был разработан вопрос об изозимах

350

(см. С; 101). Изозим типа ММММ характерен для анаэробных тканей и обеспечивает процесс превращения ПВК в молочную кислоту; изозим типа НННН локализован в тканях с высоким аэробиозом и превращает в них молочную кислоту в ПВК. Гибридные формы (НМММ, ННММ и НННМ) обладают промежуточной активностью. Так достигается очень тонкая регулировка направления ферментативного процесса и соотношения в тканях молочной и пировиноградной кислот.

Таким образом, в анаэробных условиях каждая молекула глюкозо-б-фосфата дает две молекулы молочной кислоты, которая в этом случае представляет конечный продукт реакции. Если исходным углеводом для образования глюкозо-б-фосфата, а затем молочной кислоты служит глюкоза, то процесс называют гликолизом. Если же исходным углеводом, дающим начало глюкозо-6-фосфату (через глюкозо-1-фосфат) и потом молочной кислоте, является гликоген, то процесс называют гликогенолизом. Учитывая, что и в том и в другом случае на промежуточных стадиях дихотомического распада синтезируется АТФ, гликолиз и гликогенолиз служит средством быстрого получения энергии в анаэробных условиях.

При переключении в аэробные условия от 1/5 до 1/6 общего количества молочной кислоты, возникшей при гликогенолизе, и, вероятно, вся молочная кислота, образовавшаяся при гликолизе, окисляются до С02 и Н20. От 4/5 до 5/6 общего количества молочной кислоты гликогенолитического происхождения вдет на ресинтез гликогена путем обращения реакции гликогенолиза. ' Энергия для этого черпается из реакций окисления, идущих в аэробных условиях.

Таким образом, в анаэробных условиях ПВК, образующаяся при дихотомическом распаде углеводов, становится акцептором гидрид-ионов (Н~) и протонов (Н+), снимаемых глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой с 3-фос-фоглицеринового альдегида. Регенерация окисленной формы НАД+ вследствие передачи гидрид-ионов на ПВК поддерживает течение гликолитического процесса. Последний неизбежно остановился бы, если бы все количество НАД+ оказалось насыщенным атомами водорода, ибо глицеральдегид-3-фос-фатдегидрогеназа не смогла бы осуществлять свою функцию.

Полный набор ферментов гликогенолиза характерен для мышц и печени животных. Однако если в первых превалирует распад гликогена, то для второй более показателен его биосинтез.

У некоторых организмов, в частности в дрожжевых клетках,, содержится мощная декарбоксилаза пировиноградной кислоты, способная в анаэробных условиях превращать ПВК в уксусный альдегид и С02:

Л

Пнруаатдскарбоксилам А

сн3-со-соон--* сн,-сГ + со»

Пнроаиноградиая Уксусный кислота альдегид

Начальная фаза реакции декарбоксилирования ПВК при участии дрожжевой пируватдекарбоксилазы (М=. 185 ООО, состоит из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу тиаминпирофосфата в качестве кофермента и Mg2+ в качестве кофактора) рассмотрена ранее. Уксусный альдегид, образующийся при распаде оксиэтилтиаминпирофосфата (см. с. 161), восстанавливается за счет НАДН при участии другого фермента—алкогольде-гидрогеназы, отличающейся тоже очень высокой активностью в дрожжевых клетках:

351

о

Алкоголь-

+ НАДН + Н*

дегидрогенаэа

СН3—СН8—ОН + НАД*

Н

Уксусный альдегид

Этиловый спирт

Механизм данной реакции, равно как и структура алкогольдегидрогеназы, также детально рассмотрен выше (см. рис. 53).

Так как конечным продуктом обмена углеводов в этом случае оказывается этиловый спирт, этот процесс называется спиртовым брожением. Как и при гликолизе, акцептирование атомов Н при брожении ацетальдегидом поддерживает течение реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида, т. е. является условием осуществления процесса в целом.

Кроме спиртового брожения, у микроорганизмов существует еще ряд специфических путей утилизации трехуглеродных соединений, возникающих в результате дихотомического распада углеводов. Сюда относятся молочнокислое и пропионовокислое брожение, ацетоноэтиловое и ацетонобутиловое брожение, маслянокислое брожение и др.

В аэробных условиях ПВК окисляется. Реакция ускоряется мультиэнзим-ной системой, называемой пируватдегидрогеназным комплексом. Она идет в соответствии с уравнением

Характерно, что в результате реакции окисления ПВК в образующейся молекуле ацетил-КоА возникает макроэргическая связь. Она способствует его энергичному обмену в дальнейшем.

Структура пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГК) и первая фаза ускоряемой при его посредстве реакции окислительного декарбоксилирования ПВК рассмотрены ранее (см. рис. 46 и уравнение реакции на с. 161). Как видно из этого уравнения, первая фаза процесса состоит в декарбоксилировании ПВК. Эта реакция ускоряется пируватдекарбоксилазой, которая входит в состав мультиэнзимного комплекса в количестве 12 димерных молекул (см. Ех на рис. 46, Г); каждая из них несет две молекулы тиаминпирофосфата в качестве кофермента. Естественно, что оксиэтильный радикал, возникающий после декарбоксилирования ПВК, остается связанным с пируватдекарбоксилазой в виде оксиэтилтиаминпирофо