V.1.2. Метаболизм моносахаридов

Как уже от­ме­ча­лось рас­пад оли­го­са­ха­ри­дов и по­ли­са­ха­ри­дов осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём гид­ро­ли­за и фос­фо­ро­ли­за. В пер­вом слу­чае об­ра­зу­ют­ся сво­бод­ные мо­но­зы, а во вто­ром – их фос­фор­ные эфи­ры. Даль­ней­ший об­мен мо­но­са­ха­ри­дов идёт та­ки­ми пу­тя­ми, что ис­поль­зу­ют­ся толь­ко фос­фор­ные эфи­ры мо­но­са­ха­ри­дов. Сво­бод­ные же мо­но­зы фос­фо­ри­ли­ру­ют­ся, пре­вра­ща­ясь в со­от­вет­ст­вую­щие фос­фор­ные эфи­ры. Ре­ак­ция фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния мо­но­са­ха­ри­дов рас­смат­ри­ва­ет­ся в био­хи­мии как ре­ак­ция их ак­ти­ви­ро­ва­ния, по­сколь­ку фос­фор­ные эфи­ры мо­ноз го­раз­до ре­ак­ци­он­но­спо­соб­нее, чем сво­бод­ные мо­но­са­ха­ри­ды.

Фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние мо­но­са­ха­ри­дов осу­ще­ст­в­ля­ет­ся при взаи­мо­дей­ст­вии их с АТФ и ус­ко­ря­ет­ся спе­ци­фи­че­ски­ми фос­фотранс­фе­ра­за­ми, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся ки­на­за­ми. На­при­мер, фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние глю­ко­зы ус­ко­ря­ет­ся фер­мен­том глю­ко­ки­на­зой, пол­ное но­менк­ла­тур­ное на­зва­ние ко­то­рой АТФ: D-глю­ко­за-6-фос­фотранс­фе­ра­за:

В ана­ло­гич­ную ре­ак­цию всту­па­ют и дру­гие мо­но­са­ха­ри­ды, та­кие как фрук­то­за и ри­бо­за. Фрук­то­за при фос­фо­ри­ли­ро­ва­нии об­ра­зу­ет фрук­то­зо-6-фос­фат, а ри­бо­за – ри­бо­зо-5-фос­фат.

В при­ро­де об­на­ру­же­но бо­лее двух де­сят­ков ин­ди­ви­ду­аль­ных фос­фотранс­фе­раз, пе­ре­но­ся­щих ос­тат­ки фос­фор­ной ки­сло­ты на те или иные мо­но­са­ха­ри­ды. Сле­до­ва­тель­но, прак­ти­че­ски лю­бой мо­но­са­ха­рид мо­жет быть пе­ре­ве­дён в фос­фор­ный эфир.

Важ­ной осо­бен­но­стью фос­фор­ных эфи­ров мо­но­са­ха­ри­дов яв­ля­ет­ся их спо­соб­ность к изо­ме­ри­за­ции под дей­ст­ви­ем фер­мен­тов изо­ме­раз. При­чём изо­ме­ри­зо­вать­ся они мо­гут дву­мя пу­тя­ми: пу­тём внут­ри­мо­ле­ку­ляр­но­го пе­ре­но­са ато­мов во­до­ро­да (взаи­мо­пре­вра­ще­ния аль­доз и ке­тоз) и пу­тём из­ме­не­ния про­стран­ст­вен­но­го рас­по­ло­же­ния ато­мов и атом­ных групп в мо­ле­ку­ле (сте­рео­изо­ме­ри­за­ция). При­ме­ра­ми та­ких ре­ак­ций слу­жат пе­ре­ход глю­ко­зо-6-фос­фа­та во фрук­то­зо-6-фос­фат и пре­вра­ще­ния ри­бо­зо-5-фос­фа­та.

Изо­ме­ри­за­ция глю­ко­зо-6-фос­фа­та во фрук­то­зо-6-фос­фат ин­тен­сив­но осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в мы­шеч­ной тка­ни и при­во­дит к ус­та­нов­ле­нию рав­но­ве­сия ме­ж­ду эти­ми дву­мя эфи­ра­ми в со­от­но­ше­нии 2: 1:

Ри­бо­зо-5-фос­фат вна­ча­ле пре­вра­ща­ет­ся в свою ке­то-фор­му – ри­бу­ло­зо-5-фос­фат, а ри­бу­ло­зо-5-фос­фат, под­вер­га­ясь эпи­ме­ри­за­ции – в кси­лу­ло­зо-5-фос­фат. Пре­вра­ще­ния ка­та­ли­зи­ру­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щи­ми фер­мен­та­ми:

Очень лег­ко про­цес­сы пе­ре­строй­ки од­них мо­но­са­ха­ри­дов в дру­гие про­те­ка­ют, ес­ли фос­фор­ные эфи­ры мо­но­са­ха­ри­дов со­еди­не­ны с ури­дин-5¢-фос­фа­том. При­мер ре­ак­ции та­ко­го ро­да – об­ра­ти­мое пре­вра­ще­ние УДФ-глю­ко­зы в УДФ-га­лак­то­зу:

Как итог рас­смот­рен­ным про­цес­сам, мож­но ска­зать, что в жи­вом ор­га­низ­ме лю­бой мо­но­са­ха­рид и его фос­фор­ный эфир мо­жет пре­вра­тить­ся в лю­бой дру­гой, изо­мер­ный ему. Это иг­ра­ет ог­ром­ную роль, по­сколь­ку про­цесс об­ме­на мо­но­са­ха­ри­дов про­те­ка­ет толь­ко че­рез не­ко­то­рые их клю­че­вые фор­мы: глю­ко­зо-6-фос­фат и ри­бу­ло­зо-5-фос­фат.

По­это­му сле­дую­щий во­прос, ко­то­рый не­об­хо­ди­мо ра­зо­брать для по­ни­ма­ния ме­та­бо­лиз­ма мо­но­са­ха­ри­дов, – об­мен глю­ко­зо-6-фос­фа­та.

Об­мен глю­ко­зо-6-фос­фа­та

Глю­ко­зо-6-фос­фат об­ра­зу­ет­ся в ор­га­низ­ме раз­ны­ми пу­тя­ми.

Во-пер­вых, он мо­жет син­те­зи­ро­вать­ся пу­тём фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния глю­ко­зы за счёт её взаи­мо­дей­ст­вия с АТФ.

Во-вто­рых, он об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те изо­ме­ри­за­ции фос­фор­ных эфи­ров дру­гих гек­соз.

В-треть­их, он по­лу­ча­ет­ся из глю­ко­зо-1-фос­фа­та – про­дук­та фос­фо­ро­ли­за оли­го- и по­ли­са­ха­ри­дов.

Пер­вые две ре­ак­ции мы уже рас­смат­ри­ва­ли ра­нее. Что ка­са­ет­ся пре­об­ра­зо­ва­ния глбко­зо-1-фос­фа­та в глю­ко­зо-6-фос­фат, то эта ре­ак­ция про­те­ка­ет в два эта­па и ус­ко­ря­ет­ся фер­мен­том фос­фог­лю­ко­му­та­зой. Ак­тив­ный центр фос­фог­лю­ко­му­та­зы со­дер­жит ос­та­ток фос­фо­се­ри­на, с ко­то­ро­го ос­та­ток фос­фор­ной ки­сло­ты пе­ре­да­ет­ся на глю­ко­зо-1-фос­фат с об­ра­зо­ва­ни­ем глю­ко­зо-1,6-ди­фос­фа­та и де­фос­фо­ри­ли­ро­ван­но­го фер­мен­та. За­тем де­фос­фо­ри­ли­ро­ван­ная фос­фог­лю­ко­му­та­за, взаи­мо­дей­ст­вуя с глю­ко­зо-1,6-ди­фос­фа­том, сно­ва пре­вра­ща­ет­ся в фос­фо­про­те­ин, од­на­ко ос­та­ток фос­фор­ной ки­сло­ты она от­ще­п­ля­ет не от 6-го уг­ле­род­но­го ато­ма фос­фор­но­го эфи­ра, а от пер­во­го. В ре­зуль­та­те этой ре­ак­ции фер­мент воз­вра­ща­ет­ся в преж­нее со­стоя­ние и вы­сво­бо­ж­да­ет­ся глю­ко­зо-6-фос­фат:

Опи­сан­ная ре­ак­ция об­ра­ти­ма, од­на­ко её рав­но­ве­сие сдви­ну­то в сто­ро­ну об­ра­зо­ва­ния глю­ко­зо-6-фос­фа­та. По­это­му со­дер­жа­ние глю­ко­зо-1-фос­фа­та в тка­нях ор­га­низ­мов обыч­но не пре­вы­ша­ет 3–4% от об­ще­го ко­ли­че­ст­ва гек­со­зо­мо­но­фос­фа­тов.

Да­лее глю­ко­зо-6-фос­фат под­вер­га­ет­ся в ор­га­низ­ме раз­лич­ным пре­вра­ще­ни­ям. Не­ко­то­рая до­ля его рас­па­да­ет­ся до уг­ле­ки­сло­го га­за и во­ды. При этом мно­го­крат­но по­вто­ря­ют­ся ре­ак­ции окис­ле­ния как са­мо­го глю­ко­зо-6-фос­фа­та, так и про­дук­тов его даль­ней­ше­го рас­па­да. Со­пря­жён­но с его окис­ле­ни­ем осу­ще­ст­в­ля­ет­ся син­тез АТФ из АДФ и H₃PO₄. Та­ким об­ра­зом глю­ко­зо-6-фос­фат яв­ля­ет­ся, во-пер­вых, ис­точ­ни­ком энер­гии для ор­га­низ­ма.

Вме­сте с тем зна­чи­тель­ная часть про­ме­жу­точ­ных про­дук­тов рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та ис­поль­зу­ет­ся для син­те­за ами­но­кис­лот, нук­лео­ти­дов, гли­це­ри­на и ВЖК, сте­ро­лов и т.д. В ча­ст­но­сти, пи­ро­ви­но­град­ная ки­сло­та ис­поль­зу­ет­ся для син­те­за ала­ни­на; 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вая ки­сло­та и фос­фое­нол­пи­ро­ви­но­град­ная ки­сло­та идут на син­тез фе­ни­ла­ла­ни­на, ти­ро­зи­на, трип­то­фа­на и се­ри­на; пи­ро­ви­но­град­ная ки­сло­та, вклю­ча­ясь в цикл Креб­са, пре­вра­ща­ет­ся в ща­ве­ле­во­ук­сус­ную и a-ке­тог­лу­та­ро­вую, ко­то­рые да­ют на­ча­ло ас­па­ра­ги­но­вой и глу­та­ми­но­вой ки­сло­там; ри­бо­зо-5-фос­фат слу­жит для син­те­за гис­ти­ди­на, пи­ри­ми­ди­но­вых и пу­ри­но­вых нук­лео­ти­дов:

Та­ким об­ра­зом, вто­рое пред­на­зна­че­ние об­ме­на глю­ко­зо-6-фос­фа­та – снаб­жать ор­га­низм строи­тель­ным ма­те­риа­лом для син­те­за но­вых ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, ис­поль­зуе­мых в про­цес­се жиз­не­дея­тель­но­сти.

Су­ще­ст­ву­ет три пу­ти рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та: ди­хо­то­ми­че­ский, апо­то­ми­че­ский и путь Эт­не­ра-Ду­до­ро­ва. Рас­смот­рим ка­ж­дый из них.

Ди­хо­то­ми­че­ский путь рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та. На­зы­ва­ет­ся так по­то­му, что на оп­ре­де­лён­ной ста­дии его про­ис­хо­дит рас­пад шес­ти­уг­ле­род­ной мо­ле­ку­лы на две трёх­уг­ле­род­ные.

Всту­пая на ди­хо­то­ми­че­ский путь рас­па­да, глю­ко­зо-6-фос­фат пре­ж­де все­го изо­ме­ри­зу­ет­ся и пре­вра­ща­ет­ся во фрук­то­зо-6-фос­фат. Фрук­то­зо-6-фос­фат да­лее фос­фо­ри­ли­ру­ет­ся по 1-му уг­ле­род­но­му ато­му, об­ра­зуя фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фат. Пер­вую ре­ак­цию мы уже рас­смот­ре­ли чуть рань­ше. Вто­рая же ре­ак­ция ус­ко­ря­ет­ся фер­мен­том фос­фоф­рук­то­ки­на­зой, прак­ти­че­ски не­об­ра­ти­ма, очень мед­лен­на (в 500 раз мед­лен­нее, чем ре­ак­ция, ка­та­ли­зи­руе­мая глю­ко­зо­фос­фат-изо­ме­ра­зой) и ли­ми­ти­ру­ет весь про­цесс ди­хо­то­ми­че­ско­го рас­па­да:

Фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фат под­вер­га­ет­ся да­лее ди­хо­то­ми­че­ско­му рас­па­ду на две фос­фот­рио­зы – фос­фо­ди­ок­си­аце­тон и 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вый аль­де­гид:

Фос­фо­ди­ок­си­аце­тон и 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вый аль­де­гид изо­мер­ны друг дру­гу и мо­гут пре­вра­щать­ся один в дру­гой при по­мо­щи фер­мен­та трио­зо­фос­фа­ти­зо­ме­ра­зы. Хо­тя пер­во­на­чаль­но мас­са фос­фо­ди­ок­си­аце­то­на со­став­ля­ет 95% от мас­сы об­ра­зую­щих­ся фос­фот­ри­оз, в даль­ней­ших пре­вра­ще­ни­ях уча­ст­ву­ет толь­ко 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вый аль­де­гид. По ме­ре рас­хо­до­ва­ния 3-фос­фог­ли­це­ри­но­во­го аль­де­ги­да, его убыль по­пол­ня­ет­ся за счёт фос­фо­ди­ок­си­аце­то­на, ко­то­рый прак­ти­че­ски на­це­ло в не­го пре­вра­ща­ет­ся. В ко­неч­ном счё­те из ка­ж­дой мо­ле­ку­лы фрук­то­зо-1,6-ди­фос­фа­та фак­ти­че­ски воз­ни­ка­ют две мо­ле­ку­лы 3-фос­фог­ли­це­ри­но­во­го аль­де­ги­да, ко­то­рый пре­тер­пе­ва­ет даль­ней­ший мно­го­ста­дий­ный рас­пад:

Спер­ва 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вый аль­де­гид окис­ля­ет­ся с по­мо­щью фер­мен­та гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­ге­на­зы. Ак­тив­ный центр ка­ж­дой субъ­е­ди­ни­цы это­го фер­мен­та со­дер­жит 4 ра­ди­ка­ла цис­теи­на со сво­бод­ны­ми HS-груп­па­ми. Сна­ча­ла ка­ж­дая мо­ле­ку­ла фос­фог­ли­це­ри­но­во­го аль­де­ги­да при­сое­ди­ня­ет­ся к фер­мен­ту по од­ной из ти­оль­ных групп, за­тем в дей­ст­вие всту­па­ет ко­фер­мент НАД⁺, вхо­дя­щий в со­став фер­мен­та гли­це­раль­де­гид-3-фос­фат­де­гид­ро­ге­на­зы. Он от­ни­ма­ет от мо­ле­ку­лы 3-фос­фог­ли­це­ри­но­во­го аль­де­ги­да два ато­ма во­до­ро­да, окис­ляя его. В этот мо­мент связь ме­ж­ду об­ра­зо­вав­шим­ся ос­тат­ком фос­фог­ли­це­ри­но­вой ки­сло­ты и фер­мен­том ста­но­вит­ся мак­ро­эр­ги­че­ской. Эта связь спон­тан­но рас­па­да­ет­ся в при­сут­ст­вии H₃PO₄ с об­ра­зо­ва­ни­ем 1,3-ди­фос­фог­ли­це­ри­но­вой ки­сло­ты. Фер­мент при­этом от­ще­п­ля­ет­ся.

За­тем про­ис­хо­дит суб­страт­ное фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го ос­та­ток фос­фор­ной ки­сло­ты из 1,3-ди­фос­фог­ли­це­ри­но­вой ки­сло­ты пе­ре­но­сит­ся на АДФ с об­ра­зо­ва­ни­ем АТФ. Про­цесс ка­та­ли­зи­ру­ет­ся фер­мен­том фос­фог­ли­це­рат­ки­на­зой. Да­лее об­ра­зо­вав­шая­ся 3-фос­фог­ли­це­ри­но­вая ки­сло­та изо­ме­ри­зу­ет­ся под дей­ст­ви­ем фос­фог­ли­це­рат-фос­фо­му­та­зы в 2-фос­фог­ли­це­ри­но­вую ки­сло­ту, ко­то­рая, те­ряя во­ду, пре­вра­ща­ет­ся в 2-фос­фое­нол­пи­ро­ви­но­град­ную ки­сло­ту. Связь с ос­тат­ком фос­фор­ной ки­сло­ты ста­но­вит­ся при этом мак­ро­эр­ги­че­ской. Фос­фое­нол­пи­ро­ви­но­град­ная ки­сло­та всту­па­ет в ре­ак­цию суб­страт­но­го фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния с АДФ с об­ра­зо­ва­ни­ем АТФ и енол­пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты. По­след­няя изо­ме­ри­зу­ет­ся в про­цес­се ке­то-еноль­ной тау­то­ме­рии в бо­лее ста­биль­ную пи­ро­ви­но­град­ную ки­сло­ту.

Та­ким об­ра­зом, ко­неч­ным про­дук­том рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та по ди­хо­то­ми­че­ско­му пу­ти яв­ля­ет­ся пи­ро­ви­но­град­ная ки­сло­та. Её даль­ней­шие пре­вра­ще­ния мы рас­смот­рим позд­нее. Те­перь пе­рей­дём к апо­то­ми­че­ско­му пу­ти рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та.

Апо­то­ми­че­ский путь рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та. В от­ли­чие от ди­хо­то­ми­че­ско­го пу­ти, он на­чи­на­ет­ся не с ре­ак­ции фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния, а с ре­ак­ции окис­ле­ния. Глю­ко­зо-6-фос­фат под дей­ст­ви­ем фер­мен­та глю­ко­зо-6-фос­фат­де­гид­ро­ге­на­зы пре­вра­ща­ет­ся в 6-фос­фог­лю­ко­но­лак­тон. Ак­цеп­то­ром во­до­ро­да слу­жит НАДФ⁺, ко­то­рая яв­ля­ет­ся ко­фер­мен­том глю­ко­зо-6-фос­фат­де­гид­ро­ге­на­зы:

Об­ра­зо­вав­ший­ся лак­тон да­лее гид­ро­ли­зу­ет­ся до 6-фос­фог­лю­ко­но­вой ки­сло­ты при уча­стии фер­мен­та глю­ко­но­лак­то­на­зы. 6-Фос­фог­лю­ко­но­вая ки­сло­та да­лее пре­тер­пе­ва­ет окис­ли­тель­ное де­кар­бок­си­ли­ро­ва­ние, пре­вра­ща­ясь в ри­бу­ло­зо-5-фос­фат:

Ри­бу­ло­зо-5-фос­фат яв­ля­ет­ся од­ним из цен­траль­ных ве­ществ в уг­ле­вод­ном об­ме­не. Его даль­ней­шие пре­вра­ще­ния про­те­ка­ют дос­та­точ­но слож­но. Он мно­го­крат­но изо­ме­ри­зу­ет­ся, пе­ре­хо­дя в ри­бо­зо-5-фос­фат и кси­лу­ло­зо-5-фос­фат; всту­па­ет в тран­саль­до­лаз­ные и транс­ке­то­лаз­ные ре­ак­ции, за­клю­чаю­щие­ся в пе­ре­но­се двух- и трёх­уг­ле­род­ных фраг­мен­тов от од­но­го фос­фор­но­го эфи­ра уг­ле­во­да к дру­го­му. В ко­неч­ном счё­те из не­го сно­ва об­ра­зу­ет­ся глю­ко­зо-6-фос­фат. При этом из ка­ж­дых 6 мо­ле­кул ри­бу­ло­зо-5-фос­фа­та по­лу­ча­ет­ся 5 мо­ле­кул глю­ко­зо-6-фос­фа­та. Та­ким об­ра­зом, сум­мар­ный эф­фект всех ре­ак­ций апо­то­ми­че­ско­го рас­па­да глю­ко­зо-6-фос­фа­та сво­дит­ся к то­му, что из ка­ж­дых 6 его мо­ле­кул рас­па­да­ет­ся од­на. Это мож­но вы­ра­зить сле­дую­щи­ми урав­не­ния­ми:

6 мол-л глю­ко­зо-6-фос­фа­та + 12НАДФ⁺ + 7H₂O ® 6CO₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + H₃PO₄ + 5 мол-л глю­ко­зо-6-фос­фа­та

глю­ко­зо-6-фос­фат + 12НАДФ⁺ + 7H₂O ® 6CO₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + H₃PO₄

По­сколь­ку ог­ром­ную роль в апо­то­ми­че­ском рас­па­де иг­ра­ют пре­вра­ще­ния фос­фор­ных эфи­ров пен­тоз, то та­кой путь об­ме­на уг­ле­во­дов на­зы­ва­ет­ся по-дру­го­му пен­то­зо­фос­фат­ным цик­лом. Эво­лю­ци­он­но он от­но­сит­ся к чис­лу наи­бо­лее древ­них. Од­на­ко в про­цес­се эво­лю­ции ди­хо­то­ми­че­ский путь рас­па­да стал пре­об­ла­даю­щим и сей­час пен­то­зо­фос­фат­ный цикл у выс­ших жи­вот­ных за­ни­ма­ет скром­ное ме­сто.

Путь Эт­не­ра-Ду­до­ро­ва. Этот тре­тий путь об­ме­на глю­ко­зо-6-фос­фа­та, на­зван­ный по име­ни уче­ных, от­крыв­ших его в 1952 г., ха­рак­те­рен в ос­нов­ном для мик­ро­ор­га­низ­мов, у ко­то­рых при его по­сред­ст­ве рас­па­да­ет­ся до 50% глю­ко­зы.

Пер­вые ста­дии это­го пу­ти до об­ра­зо­ва­ния 6-фос­фог­лю­ко­но­вой ки­сло­ты вклю­чи­тель­но, пол­но­стью по­вто­ря­ют апо­то­ми­че­ский путь. За­тем 6-фос­фог­лю­ко­но­вая ки­сло­та окис­ля­ет­ся без де­кар­бок­си­ли­ро­ва­ния в 2-ке­то-6-фос­фог­лю­ко­но­вую ки­сло­ту, ко­то­рая, вос­ста­нав­ли­ва­ясь по 3-му уг­ле­род­но­му ато­му, пе­ре­хо­дит в 2-ке­то-3-де­зок­си-6-фос­фог­лю­ко­но­вую ки­сло­ту, рас­ще­п­ляю­щую­ся до пи­ро­ви­но­град­ной ки­сло­ты и 3-фос­фог­ли­це­ри­но­во­го аль­де­ги­да:

Оба ко­неч­ных про­дук­та рас­па­да по­па­да­ют в об­щий ме­та­бо­ли­че­ский фонд и под­вер­га­ют­ся даль­ней­шим пре­вра­ще­ни­ям.

Пировиноградная кислота, образующаяся в этом и дихотомическом путях обмена глюкозо-6-фосфата, является важнейшим метаболитом организмов и претерпевает дальнейшие превращения, которые мы и рассмотрим далее.