Спиртовое брожение

Гликолиз или молочнокислое брожение - анаэробный распад глюкозы до лактата ради энергии. Гликолиз является наиболее древним биохимическим процессом, так как первичная атмосфера земли не содержала кислорода.

Совершается в тканях животных в условиях кислородной недостаточности. В эритроцитах, где отсутствуют митохондрии, гликолиз является единственным процессом обеспечивающим образование АТФ. Высокая интенсивность гликолитического распада углеводов отмечается в эмбриональной и опухолевой ткани. Процесс является уникальным так как является главным путем метаболизма не только глюкозы, но и фруктозы и галактозы.

Гликолиз представляет собой линейную последовательность 11 реакций, протекающих в цитозоле клеток и является примером функциональной формы организации полиферментных систем. Гликолиз состоит из двух этапов: первый этап является подготовительным, в ходе которого глюкоза дважды фосфорилируется и подвергается дихотомии с образованием двух молекул глицеральдегид-3-фосфата.

Второй этап это гликолитическая оксидоредукция. В ходе реакций этого этапа происходят реакции, приводящие к накоплению в метаболитах энергии в виде макроэргических связей, за счет разрыва которых происходит две реакции субстратного фосфорилирования и образуется АТФ.

Суммарное уравнение гликолиза следующее

глюкоза + 2АДФ + 2Р® 2 лактат + 2АТФ + Н₂О

Гликолитический путь превращения глюкозы начинается с ее фосфорилирования по 6 положению под действием гексокиназы. Донором фосфатной группы выступает АТФ. Реакция характеризуется значительными потерями энергии в виде теплоты, поэтому она является необратимой. Продуктом реакции является глюкозо-6-фосфат, неспособный покинуть клетку в силу наличия отрицательного заряда. Глюкозо-6-фосфат занимает важное положение в области стыковки ряда метаболических путей (гликолиз, гликогенолиз, глюконеогенез, пентозофосфатный путь. В ходе гликолиза он превращается в во фруктозо-6-фосфат при участии фосфогексозоизомеразы, т.е. альдоза в реакции изомеризации превращается в кетозу.

Далее следует еще одно фосфорилирование, которое катализируется фосфофруктокиназой с образованием фруктозо-1,6-дифосфата

Фруктозо-1-фосфат + АТФ фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ

Донором фосфатной группы является АТФ. Реакция является необратимой. Фосфофруктокиназа является ключевым ферментом гликолиза, именно он определяет скорость всех остальных реакций. Его активность увеличивается в присутствии АМФ, фруктозо-6-фосфата, а подавляется АТФ и цитратом.

Заканчивается первый этап альдольным расщеплением фруктозо-1,6-дифосфата под действием альдолазы на два триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат,т.е. исходная гексоза располовинивается на две равные части.

Фруктозо-1,6-фосфат глицеральдегид-3-фосфат + дигидроксиацетонфосфат.

Глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат превращаются друг в друга при участии триозофосфатизомеразы

Дигидоксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат

В дальнейших реакциях гликолиза может участвовать только глицеральдегид-3-фосфат.

Окислительно-восстановительный этап начинается с окисления глицеральдегид-3-фосфата с образованием 1,3-дифосфоглицерата. Дигидроксиацетонфосфат также окисляется в 1,3-дифосфоглицерат, проходя через стадию образования глицеральдегид-3-фосфата.

Глицеральдегид-3-фосфат + НАД + Р 1,3-дифосфоглицерат + НАДН₂

Реакция катализируется глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Акцептором атомов водорода в этой реакции является НАД (производное витамина РР). В результате фосфорилирования у первого углеродного атома образуется макроэргическая связь. Высокоэнергетический фосфат переходит в следующей реакции в состав АТФ при участии фермента фосфоглицераткиназы при этом образуется 3-фосфоглицерат. Эта реакция является одной из реакций субстратного фосфорилирования

1,3-дифосфоглицерат + АДФ 3-фосфоглицерат + АТФ

Поскольку на каждую молекулу глюкозы, участвующую в гликолизе, образуется две молекулы триозы, то на данной стадии образуется две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. В качестве разобщителя субстратного фосфорилирования на данном этапе выступает арсенат.

3-фосфоглицерат в ходе внутримолекулярного переноса фосфата превращается в 2-фосфоглицерат под действием фермента фосфоглицератмутазы.

На следующей стадии, катализируемой енолазой, происходит отщепление молекулы воды и перераспредление энергии внутри молекулы, при этом фосфат в положении 2 переходит в высокоэнергетическое состояние. Продуктом реакции является фосфоенолпируват

2-фосфоглицерат фосфоенолпируват + Н₂0

Высокоэнергетический фосфат фосфоенолпирувата переносится на АДФ ферментом пируваткиназой, т.е. происходит субстратное фосфорилирование. На этой стадии образуются еще две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Продуктом реакции является пируват. Реакция является необратимой

Фосфоенолпируват + АДФ пируват + АТФ

На заключительном этапе происходит восстановление пирувата в лактат под действием лактатдегидрогеназы. В этой реакции используется восстановленный НАДН, образовавшийся в шестой реакции гликолиза (глицеральдегиддегидрогеназной реакции), который окисляется до НАД. Эта реакция обеспечивает регенерацию окисленного НАД, необходимого для осуществления шестой реакции гликолиза. Благодаря наличию двух окислительно-восстановительных реакций исходный субстрат – глюкоза и конечный продукт гликолиза- лактат имеют одинаковую степень окисленности.

Пируват + НАДН₂ лактат + НАД

Энергетическая ценность гликолиза составляет 2 АТФ; на подготовительном этапе расходуется две молекулы АТФ в реакциях фосфорилирования глюкозы и фруктоз-6-фосфата, а на этапе гликолитической оксидоредукции происходит образование 4 АТФ в двух реакциях субстратного фосфорилирования.

Спиртовое брожение отличается от гликолиза двумя заключительными реакциями. Пируват в этом случае декарбоксилируется в образованием ацетальдегида. Реакция катализируется пирувадекарбоксилазой и требует присутсивя ТПФ (производное витамина В₁). В следующей реакции происходит восстановление ацетальдегида под действием алкогольдегидрогеназы, использующей восстановленный НАД, с образованием этанола. Реакции спиртового брожения катализируются ферментным комплексом из 12 ферментов микрорганизмов, пивных дрожжей, который называется зимазой.

Гликогенолиз отличается двуми первыми реакциями, приводящими к образованию глюкозо-6-фосфата. С этими рекциями вы уже познакомились при рассмотрении мобилизации гликогена.

Значение гликолиза сводится к возможности получения АТФ в анаэробных условиях, т.е. это аврийный путь, включающийся в условиях гипоксии. В энергетическом отношении путь крайне не эффективен, но в то же время это единственный путь дающий энергию в анаэробных условиях.

Пластическое значение гликолитической цепи заключается в том, что некоторые метаболиты могут использоваться в реакциях синтеза. Например, дигидроксиацетонфосфат – на синтез липидов, пируват на образование аланина.

Гликолитическая цепь до стадии образования пирувата представляет собой первый этап дихотомического распада углеводов.