Глиоксилатный цикл (глиоксилатный шунт) и глиоксисомы

В тех случаях, когда ацетат служит не только источником энергии, но и источником различных промежуточных продуктов, необходимых для син­теза углеродных скелетов всех важных клеточных компонентов (именно так может обстоять дело у микроорганизмов, например у Е. coli и Pseudomonas, у водорослей и у высших растений), цикл трикарбоновых кислот оказы­вается заменен глиоксилатным циклом. Общая схема глиоксилатного цикла представлена на рисунке 6. «Топливом» для этого цикла служит также ацетил-КоА. Он взаимодействует с оксалоацетатом, в результате чего, в конеч­ном счете, образуется изоцитрат. Однако дальнейшее превращение осуще­ствляется не обычным способом, т. е. под действием НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы, а путем альдольного расщепления, катализируемого ферментом изоцитратазои, продуктами которого являются сукцинат и глиоксилат.

Образовавшийся глиоксилат соединяется с другой молекулой ацетил-КоА. Эта реакция, катализируемая ферментом малат-синтазой, приводит к образованию малата. Затем малат окисляется до оксалоацетата, который вновь мо­жет взаимодействовать с молекулой ацетил-КоА. При каждом обороте глиоксилатного цикла две молекулы ацетил- КоА включаются в цикл, образуется одна молекула сукцината — этот сук­цинат используется затем в процессах биосинтеза — и одна пара атомов водо­рода переносится от малата к кисло­роду через дыхательную цепь, резуль­татом чего является окислительное фосфорилирование АДФ.

Таким образом, глиоксилатный цикл поставляет для различных процессов биосинтеза как энергию, так и четырех-углеродные промежуточные продукты. У высших животных этот метаболи­ческий путь отсутствует; они в нем не нуждаются просто потому, что двууглеродные соединения практически никогда не служат у них единствен­ным клеточным топливом. В семенах высших растений этот путь, напро­тив, играет весьма важную роль, так как из ацетильных групп (источником которых служат жирные кислоты, входящие в состав запасных триглицеридов) таким путем, через сукцинат, образуются углеводы. Хотя реакции цикла трикарбоновых кислот протекают у высших расте­ний в митохондриях, ферменты глиоксилатного цикла — в частности, изо-цитратаза и малат-синтаза — локализуются у них в других цитоплазматических органеллах, так называемых глиоксисомах. В этих органеллах, снаб­женных мембраной, отсутствует большая часть ферментов цикла трикарбо­новых кислот и цитохромная система. Глиоксисомы найдены только в расти­тельных клетках, способных превращать жирные кислоты в углеводы. Поскольку глиоксисомы богаты каталазой, можно думать, что они имеют общее происхождение с микротелъцами (которые называются также пер-оксисомалш) или происходят непосредственно от этих последних.

Реакции пути начинаются с фосфорелирования глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата, затем следует окисление его до глюконо-1,5-лактон-6-фосфата и гидролиз последнего с образованием 6-фосфоглюконата. Дегидратация 6-фосфоглюконата по С2- и С3- атомам приводит к образованию енола, который спонтанно и практически необратимо таутомеризуется в 2-дегидро-3-дезокси-6-фосфоглюконат, называемый также 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ). В последующей альдолазной реакции формируется шиффово основание между определенным остатком лизина в составе фермента и карбонильной группы субстрата, что облегчает расщепление связи между С3- и С4-атомами, в результате которого образуется пируват и глицеральдегид-3-фосфат.

Общая стехиометрия этой последовательности реакций может быть выражена следующим уравнением:

Глюкоза + АТФ + NADP⁺ глицеральдегид-3-фосфат +

пировиноградная кислота + АДФ + NADPH + H⁺

Если учесть, что последующее превращение глицеральдегид-3-фосфата идет по той же схеме, что и в ЭМП-пути и сопровождается фосфорелированием двух молекул АДФ, то суммарный энергетический выход пути Энтнера-Дудорова составляет 1 молекула АТФ на каждый моль утилизированной глюкозы.

3. Ключевые точки пересечения и разветвления метаболических путей в клетках бактерий.

Анализ путей метаболизма как сети направленных реакций позволяет выявить ключевые элементы их организации. Исходные и конечные вещества нераз­ветвленного пути представляют собой или исходные питатель­ные вещества, или конечные продукты метаболизма (которые в свою очередь могут задерживаться в клетке или выделяться в среду), или, наконец, исходные вещества для других путей ме­таболизма, т. е. точки разветвления. Обычно первая после точ­ки разветвления метаболического пути необратимая (т. е. име­ющая существенное по абсолютной величине отрицательное Δ G' при внутриклеточных условиях) реакция является аллостерически регулируемой стадией. В этом случае посредством ре­гуляции поступления исходных веществ клетка распределяет метаболиты, используемые одновременно для нескольких це­лей. Со структурной точки зрения эти метаболиты представля­ют собой исходные точки или узловые пункты метаболической ветви. Отсюда следует, что точки разветвления и модулируе­мые необратимые реакции являются теми критическими эле­ментами, которые определяют все стороны химической актив­ности клетки.

Все типы метаболической активности клетки зависят от рас­пределения потоков трех основных реагентов: глюкозо-6-фосфата, пирувата и ацетил-СоА. На рисунке схематично изображе­ны пересечения различных путей метаболизма, в которых эти реагенты являются исходными или конечными веществами. Объем потоков по каждому из путей регулируется клеткой в за­висимости от метаболических потребностей и ее состава в дан­ный момент.

Рисунок - Схема пересечения основных путей метаболизма углерода. В клет­ках млекопитающих превращение ацетил-СоА в пируват не происходит.

4. Световая фаза фотосинтеза (аккумулирование световой энергии, транспорт электронов, фотофосфорелирование).

В большинстве типов дыхания атомы водорода постоянно переносятся от топлива к кислороду; этот процесс сопровожда­ется выделением энергии. Фотосинтез представляет собой, по сути дела, обратный процесс, в котором осуществляется улав­ливание световой энергии, используемой для превращения ди­оксида углерода в глюкозу и ее полимеры. Фотосинтез являет­ся первичным поставщиком энергии для всей биосферы. В фо­тосинтезе усваивается энергия единственного значимого источника энергии в Солнечной системе — самого солнца. Дру­гая жизненно важная функция фотосинтеза заключается в его участии в круговороте углерода и кислорода; именно благодаря фотосинтезу осуществляется восстановление углерода, окислен­ного в ходе дыхания:

Фотосинтез: 6СО₂ + 6Н₂О + свет — > C₆H₁₂O₆ + 6O2