+МН, О +NH3 О

Креатинфосфат Креатин

I-3.E.1. Гликолиз и цикл лимонной кислоты. Перенос электронов 1-З.Е.1.а. Гликолиз

Каждый из поставленных вопросов может быть предметом отдельной монографии и каждому из них посвящена обширная литература. Поэтому в рамках данной книги указанные проблемы будут рассмотрены в весьма сокращенном виде и с единственной целью — обратить внимание на те фундаментальные принципы, которые необходимо учитывать всем, кто занят исследованиями в области поиска, изучения и применения лекарств — осознанно делать это без знаний хотя бы основных биохимических понятий и процессов вряд ли возможно. Итак, как уже говорилось, глюкоза является основным топливом большинства организмов, где она запасается в виде гликогена и легко мобилизуется при необходимости энергетических затрат. Гликолиз — это процесс ферментативного расщепления глюкозы, протекающего с высвобождением энергии, которая запасается в виде АТФ. Конечный продукт гликолиза — пируват используется в организме по следующим направлениям:

1. У аэробных организмов гликолиз — это первый этап полного аэробного расщепления глюкозы до С02. Пируват далее претерпевает окислительное декарбоксилирование, остаток (в виде ацильной группы) включается в ацетил-SKoA и далее через цикл лимонной кислоты происходит полное окисление до углекислого газа и воды с участием молекулярного кислорода.

2. В анаэробных условиях (бескислородных) пируват не может окисляться и восстанавливается до лактата. Лактат, образующийся в работающих мышцах и диффундирующий в кровь, может возвращаться в цикл. Он поступает в печень и здесь, в период восстановления организма после напряженной мышечной работы вновь превращается в глюкозу. Следует подчеркнуть, что большинство позвоночных — это аэробные организмы, и здесь глюкоза сначала превращается в пируват, который далее окисляется до С02 и Н,0. Но у позвоночных анаэробный гликолиз,

116

Глава I. Общие и теоретические проблемы фармакологии

также, может иметь место. Это происходит при особенно напряженной работе мышц, когда кислород не успевает быстро в них поступать и, соответственно, не обеспечивается окисление пирувата и сопряженное с ним образование АТФ. Вот здесь анаэробно образуется лактат.

3. Пируват трансформируется в этанол и С02 (спиртовое брожение). Все вышесказанное представлено на нижеследующей схеме:

2CHjCH(OH)COCT

D-глюкоза Гликолиз 2СНЭСОСОСГ пируват

(10 стадий) А

Лактат анаэробно

_\ анаэробно

_ аэробно Мспиртвюе брожение)

Ацетип-SKoA

1

Цикл хмяонной кислоты перенос электронов

Отметим, что, помимо D-глюкозы, в гликолиз вовлекаются и другие углеводы: полисахариды (гликоген, крахмал), дисахариды (мальтоза, лактоза, сахароза), моносахариды (фруктоза, манноза, галактоза).

Энергия, выделяемая при превращении глюкозы в пируват или лактат запасается в форме АТФ. Следует отметить, что лишь часть и, вообще-то говоря, небольшая часть энергии, которая выделяется при полном окислении глюкозы высвобождается при гликолизе. Так, при трансформации глюкозы в лактат выделяется только 49ккал/моль, а при полном окислении глюкозы до С02— 686 ккал/моль.

D-глюкоза —¦ 2 Лактат + 2Н* D-Глюкоэа + ЗОг — 6СОг + 6НгО

AG - - 49 ккал/моль AG - - 686 ккал/моль

Образовавшийся при гидролитическом расщеплении глюкозы пируват (но не лактат) при каталитическом воздействии целого ряда ферментов, образующих так называемый пируватдегидрогеназный комплекс, трансформируется в ацетил-SKoA и СОг

Пируват + НАД* + HS-KoA — Ацетил-S-KoA + НАДН + сОг

1-3. Некоторые проблемы биохимии

117

В этом процессе, в котором протекают реакции дегидрирования и декарбоксилирования участвуют последовательно три фермента — пи-руватдегидрогеназа, дигидролипоил-ацетилтрансфераза и дигидролипо-илдегидрогеназа; и пять коферментов (или простатических групп) — тиаминпирофосфат, флавинадениидинуклеотид (ФАД), кофермент А (HSKoA), никотинамидадеииидинуклеотид (НАД*), липоевая кислота (играющая роль необходимого витамина или фактора роста у некоторых микроорганизмов. Высшие организмы способны синтезировать её сами).

Необходимыми компонентами этой смеси являются 4 витамина (см. 1-3.В) — тиамин, рибофлавин, паитотеновая кислота (в HSKoA) и никотинамид (в НАД+). Все ферменты и коферменты организованы структурно в единый комплекс, т.е. все простетические группы находятся вблизи друг от друга, интемедиаты быстро реагируют друг с другом, процесс является необратимым.

1-3.ЕЛ.б. Цикл лимонной кислоты н перекос электронов Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса —один из важнейших элементов в биологическом контроле клеточного дыхания. Образовавшийся ацетил-S-KoA конденсируется с оксалоацетатом при каталитическом влиянии фермента цитратсинтазы. При этом высвобождается KoA-SH, принимающий участие в декарбоксилироваиии новой молекулы пирувата. Цитратсинтаза — регуляторный фермент, лимитирующий общую скорость цикла лимонной кислоты. Приведем обшую схему цикла:

CHjCOCCO"

О Ацвгил-S-KoA ОН ОН

СОХаН(Г>^СОСГ_|-^OOCCHjCCH^OO -*¦ ОСХХНХНСЛНСОО

OMUnifB [ЦигриЕинял] I |""*1В" имцпрп

Г coo сост

Ц*тр" {юочшрт»- 17

I тдрогмк) Г—Ь

С<ХХНгСНаССОО "ООССНСН^СОО снппцпрп

LrMm

KOASH+НАД* /C°I

1 (Сртммг-д**- Суи»мш-8-Ко«-

118

Глава I. Общие и теоретические проблемы фармакологии

Цикл лимонной кислоты — главный путь окисления углеводов в мышце и других тканях высших животных и растений и у многих других аэробных организмов. В митохондриях имеются все ферменты н коферменты цикла и-локализованы все ферменты и белки, необходимые для последующих стадий клеточного дыхания — переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Именно поэтому митохондрии называют силовыми станциями клетки. Скорость цикла лимонной кислоты регулируется скоростью образования «топлива» — ацетил-S-KoA (образующегося при окислении не только пнрувата, но и жирных кислот)- При высокой концентрации АТФ, ацетил-S-KoA и других интермедиатов в митохондриях — процесс образования новых порций ацетил-S-KoA приостанавливается. Для такого прекращения процесса используется специальный «вспомогательный* фермент — киназа пируватдегидрогеназы, который катализирует (при участии АТФ) фосфорилирование фрагмента серина в активном центре пируватдегидрогеназы, превращая этот фрагмент в неактивную форму — фосфопируватдегидрогеназу. Когда уровень АТФ и ацетил-S-KoA падает, идет дефосфорилирование (катализатор фосфатаза фосфопируватдегидрогеназы), для которого требуется Са1". Другими словами, когда топлива для цикла лимонной кислоты достаточно, пируват-дегндрогеназный комплекс «выключается».

Р|чупирув?атетя,)г"м,и

Фосфатаза / 2+ фосфопируаат! с*2+

Фосфопируватде гндао г*наэ> (неактнря)

Следует подчеркнуть сопряженность процессов гликолиза и цикла лимонной кислоты: в клетке до пирувата расщепляется ровно столько глюкозы, сколько нужно для обеспечения цикла коферментом ацетил-S-KoA.

Последний и решающий этап клеточного дыхания — перенос электронов и окислительное фосфорилирование. Все ферментативные этапы окислитель