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
