Энергетические процессы в цитоплазме

Гликолиз, фосфагенная система, система "гликоген-молочная кислота".

В цитозоле происходят наиболее древние в эволюционном плане процессы образования и утилизации химической энергии, получившие название гликолиз или анаэробное окисление глюкозы. Гликолиз это последовательность реакций, в результате которых молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, превращается в две молекулы молочной кислоты, содержащие по триатома углерода каждая. (В водной среде молочная и другие органические кислоты диссоциируют с образованием соответствующих анионов, имеющих собственное название. В частности, анион молочной кислоты называется лактат). Для такого превращения требуется одиннадцать последовательных ферментативных реакций, т.е. химических реакций катализируемых ферментами. Начальной реакцией является фосфорилирование (активация) глюкозы до глюкозо-6-фосфат в реакции трансфосфорилирования с АТФ. Фермент, катализирующий эту реакцию называется гексокиназа. Во второй пусковой реакции используется еще одна молекула АТФ, на этот раз для фосфорилирования фруктоза-6-фосфата (образуется при изомеризации глюкозо-6-фосфата) при участии фермента фосфофруктокиназы. Другие реакции и катализирующие их ферменты подробно изложены во всех руководствах по биохимии. Здесь же мы рассмотрим только вопрос об энергетике анаэробного окисления. Суммарное уравнение гликолиза имеет вид

Глюкоза+2Фн+2АДФ—>2лактат+2АТФ+2Н2О

Необходимо помнить, что на первой стадии гликолиза используются 2 молекулы АТФ, но на второй стадии образуются 4 АТФ. Поскольку в результате гликолиза происходит уменьшение суммарной упорядоченности в системе, при окислении глюкозы имеет место и уменьшение свободной энергии и эта величина составляет около 50 ккал (47,4 ккал) на моль утилизированной глюкозы. Приблизительно 50% выделившейся энергии (22-26 ккал) расходуется для синтеза в ходе гликолиза 2 молекул АТФ, остальное количество рассеивается в форме тепла. Таким образом, коэффициент полезного действия анаэробного окисления превышает 50%.

Несмотря на то, что КПД гликолиза весьма высок, анаэробное образование АТФ в процессе гликолиза относительно неэффективно, так как образующиеся при этом конечные продукты все еще несут в себе очень большое количество энергии, которая могла бы выделиться при более глубоком их окислении. Поэтому, для большинства клеток животных гликолиз служит лишь поставщиком субстрата для аэробного пути окисления, проходящего в митохондриях. В этом случае гликолиз включает не 11, а 10 ферментативных реакций и конечным продуктом является пировиноградная кислота (анион - пируват). Образующийся пируват быстро поступает в митохондрии, где полностью окисляется до СО₂ и Н₂О в более молодом в эволюционном отношении энергетическом процессе - цикле трикарбоновых кислот. Тем не менее, при некоторых условиях, например в работающей с максимальной нагрузкой мышце, гликолиз является основным источником энергии. Рассмотрим более подробно физиологическую сторону этого феномена. Характерной особенностью мышц является наличие в них значительного количества гликогена - сильно разветвленного полисахарида, состоящего из остатков D-глюкозы. Гликоген используется исключительно в качестве резервного "топлива" для гликолиза и образования АТФ во время интенсивного мышечного сокращения. В этом случае он предварительно расщепляется ферментом фосфорилазой (процесс протекает с использованием фосфорной кислоты и называется фосфоролиз) с образованием глюкозо-6-фосфата, который является, как уже указывалось, продуктом первой реакции гликолиза, и в том случае если в качестве субстрата используется глюкоза. Поскольку для активации (фосфорилирования) глюкозы в этом случае используется неорганический фосфат, а не АТФ, то при распаде одной глюкозной единицы образуется целых 3 молекулы АТФ (КПД в 1,5 раза выше). При физической нагрузке расщепление гликогена по гликолитическому пути многократно увеличивается, а поступление кислорода в клетки может даже снизиться из-за затруднения в кровоснабжении сильно сокращенной мышцы. В результате, кислорода становится недостаточно для процессов аэробного окисления пирувата в митохондриях и его количество в митохондриях и цитозоле значительно увеличивается. В этих условиях гликолиз в мышечных клетках переключается на анаэробный путь. Часть пирувата вовлекается в 11-ую реакцию гликолиза катализируемую ферментом лактатдегидрогеназой и продуктом которой является молочная кислота. Поэтому, при высоких физических нагрузках, концентрация молочной кислоты в мышечных клетках сильно возрастает, она проникает в межклеточное пространство и даже кровь, обуславливая чувство утомления и боли в мышцах. После того как мышца перестанет выполнять физическую работу и расслабится, интенсивность гликолиза в мышечных клетках резко уменьшается, а их снабжение кислородом возрастает. Активируются процессы аэробного окисления пирувата в митохондриях и его концентрация в цитозоле снижается. Направление реакции пируват-лактат меняется в противоположную сторону и тот же фермент - лактатдегидрогеназа - превращает накопившуюся в мышце молочную кислоту в пируват. Кроме того, молочная кислота с током крови поступает в печень, где используется для синтеза глюкозы в анаболическом процессе, протекающем в направлении противоположном глюколизу и получившем название - глюконеогенеза. Соотношение процессов гликолиза и глюконеогенеза, и их интенсивность существенно различается в различных типах клеток. Органная и тканевая специфичность в полной мере касается и других метаболических реакций. Следовательно, компартментализация метаболических реакций существует не только в клетке, но и на уровне всего организма. Каждый тип клеток и тканей обладает специфическими особенностями метаболизма и тесно взаимодействует друг с другом.

Кроме возможности получать энергию в результате анаэробного гликолиза мышцы животных и человека имеют еще один физиологический механизм, позволяющий им эффективно работать в условиях высокой физической нагрузки. В отличие от большинства других тканей, мышцы животных и человека обладают способностью запасать химическую энергию не только в виде АТФ, но и в виде другого фосфогена - креатинфосфата. Креатинфофат накапливается в мышечных волокнах во время отдыха за счет катализируемой ферментом креатинкиназой реакции фосфорилирования креатина АТФ. При физической нагрузке, содержание АТФ резко снижается и креатинкиназа начинает катализировать обратную реакцию, т.е. фосфорилирование АДФ креатинфосфатом. У беспозвоночных для аналогичных целей используется аргинифосфат.

Сходный с гликолизом процесс, получивший название спиртовое брожение или просто брожение, является основным источником энергии у анаэробных микроорганизмов, в частности у дрожжей. При брожении, в отличие от гликолиза, образующаяся пировиноградная кислота превращается не в молочную кислоту, а этиловый спирт. При этом выделяется углекислый газ. Спиртовое брожение виноградного сахара использовалось в виноделии с глубокой древности.