Пентозомонофосфатный путь (ПФП) окисления глюкозы и его роль в конструктивном обмене клетки

Раздел 4 Дыхание растений

Тема 3 Химизм дыхания (продолжение лекции)

4.1. Гликолиз: понятие, этапы, энергетический выход, значение

4.1.1. Гликолиз- процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого является пировиноградная кислота. Гликолиз - общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах.

А. Гарден и Л. А. Иванов в 1905 г. независимо показали, что в процессе спиртового брожения наблюдается связывание неорганического фосфата и превращение его в органическую форму. Гарден установил, что глюкоза подвергается анаэробному распаду только после ее фосфорилирования.

4.1.2. Этапы гликолиза(см. схему):

I. Подготовительный этап — фосфорилирование гексозы и ее расщепление на две фосфотриозы.

II. Первое субстратное фосфорилирование, которое начинается с 3-фосфо-глицеринового альдегида и кончается 3-фосфоглицериновой кислотой. В этом процессе на каждую фосфотриозу синтезируется одна молекула АТФ.

III. Второе субстратное фосфорилирование, при котором 3-фосфо-глицериновая кислота за счет внутримолекулярного окисления отдает фосфат с образованием АТФ.

На активацию глюкозы необходима затрата энергии, что осуществляется в процессе образования фосфорных эфиров глюкозы в ряде подготовительных реакций. Глюкоза (в пиранозной форме) фосфорилируется АТР с участием гексокиназы, превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется с помощью глюкозофосфатизомеразы в фруктозо-6-фосфат (фуранозная форма), являющуюся более лабильной формой молекулы гексозы.

Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется вторично фосфофруктокиназой с использованием еще одной молекулы АТР. Образующийся фруктозо-1,6-дифосфат - лабильная фуранозная форма с симметрично расположенными фосфатными группами. Обе эти группы несут отрицательный заряд отталкиваясь друг от друга электростатически. Такая структура легко расщепляется альдолазой на две фосфотриозы − на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА).

3-ФГА и ФДА легко превращаются друг в друга с участием триозофосфатизомеразы. Из-за расщепления молекулы гексозы на две триозы гликолиз иногда называют дихотомическим путем окисления глюкозы.

С 3-ФГА начинается II этап гликолиза - первое субстратное фосфорилирование. Фермент дегидрогеназа фосфоглицеринового альдегида (NAD-зависимый SH-фермент) образует с 3-ФГА фермент-субстратный комплекс, в котором происходит окисление субстрата, передача электронов и протонов на NAD ⁺ и образование высокоэнергетической связи (т. е. связь с очень высокой свободной энергией гидролиза). Далее осуществляется фосфоролиз этой связи: SH-фермент отщепляется от субстрата, а к остатку карбоксильной группы субстрата присоединяется неорганический фосфат. Высокоэнергетическая фосфатная группа с помощью фосфоглицераткиназы передается на AДФ и образуется АТФ. Так как в данном случае высокоэнергетическая ковалентная связь фосфата формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс получил название субстратного фосфорилирования. Таким образом, в. результате II этапа гликолиза образуются АТР и восстановленный NADH:

Последний этап гликолиза - второе субстратное фосфорилирование. 3-Фосфоглицериновая кислота с помощью фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Далее фермент енолаза катализирует отщепление воды от 2-фосфоглицериновой кислоты в молекуле, в результате чего образуется фосфоенолпируват − соединение, содержащее высокоэнергетическую фосфатную связь Фосфат фосфоенолпируватв при участии пируваткиназы передается на AДФ и образуется АТР, а енолпируват самопроизвольно переходит в более стабильную форму - пируват − конечный продукт гликолиза.

4.1.3. Энергетический выход гликолиза.При окислении одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты. При этом за счет первого и второго субстратного фосфорилирования образуются четыре молекулы АТФ. Однако две молекулы АТФ тратятся на фосфорилирование гексозы на I этапе гликолиза. Таким образом, чистый выход гликолитического субстратного фосфорилирования составляет две молекулы АТФ.

Кроме того, на II этапе гликолиза на каждую из двух молекул фосфотриоз восстанавливается по одной молекуле НАДH. Окисление одной молекулы НАДH в электронтранспортной цепи митохондрий в присутствии О₂ сопряжено с синтезом трех молекул АТФ, а в расчете на две триозы (т. е. на одну молекулу глюкозы) - шесть молекул АТФ. Таким образом, всего в процессе гликолиза (при условии последующего окисления НАДH) образуются восемь молекул АТФ. Поскольку свободная энергия гидролиза одной молекулы АТФ во внутриклеточных условиях составляет около 41,868 кДж/моль (10 ккал), восемь молекул АТР дают 335 кДж/моль, или 80 ккал. Таков полный энергетический выход гликолиза в аэробных условиях.

Суммарное уравнение гликолиза:

С₆Н₁₂О₆ + 2 АТФ + 2 НАД⁺ + 2Ф_н + 4АДФ 2 ПВК + 4АТФ + 2НАДН

4.1.4. Значение гликолиза:

1) осуществляет связь между дыхательными субстратами и циклом Кребса;

2) поставляет на нужды клетки две молекулы АТФи две молекулы НАДH при окислении каждой молекулы глюкозы (в условиях аноксии гликолиз, по-видимому, служит основным источником АТФ в клетке);

3) производит интермедиаты для синтетических процессов в клетке (например, фосфоенолпируват, необходимый для образования фенольных соединений и лигнина);

4) в хлоропластах обеспечивает прямой путь для синтеза АТФ, независимый от поставок НАДФH; кроме того, через гликолиз в хлоропластах запасенный крахмал метаболизируется в триозы, которые затем экспортируются из хлоропласта.

Пентозомонофосфатный путь (ПФП) окисления глюкозы и его роль в конструктивном обмене клетки

4.2.1. ПФП и его этапы (см. схему)

ВПФП можно выделить два этапа:

1) окисление глюкозы,

2) рекомбинацию сахаров для регенерации исходного субстрата.

Следует знать, что очень часто на одном из этапов ПФП переходит в гликолитический.

Первый (окислительный) этап апотомического пути включает реакции, катализируемые дегидрогеназно-декарбоксилирующей системой, состоящей из трех ферментов. Первая реакция представляет собой дегидрирование глюкозо-6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой (акцептор электронов − НАДФ⁺) с образованием лактона 6-фосфоглюконовой кислоты. Лактон самопроизвольно или под действием глюконолактоназы гидролизуется, образуя 6-фосфоглюконовую кислоту. В следующей окислительной реакции, катализируемой НАДФ- и Мn²⁺-зависимой фосфо-глюконатдегидрогеназой, 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется и образуются D-рибулозо-5-фосфат и восстановленный НАДФH. Таким образом, при окислении каждого атома углерода образуются две молекулы НАДФH:

Второй этап связан с регенерацией исходного метаболита — глюкозо-6-фосфата. Из рибулозо-5-фосфата под действием эпимеразы образуется ксилулозо-5-фосфат, а под действием изомеразы — рибозо-5-фосфат. Рекомбинации сахаров с участием транскетолазы и трансальдолазы приводят к появлению 3-ФГА и седогептулозо-7-фосфата, затем эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата; в результате образуются фруктозо-6-фосфаты, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат.

В итоге 6 молекул глюкозо-6-фосфата, участвуя в ПФП дыхания, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата регенерируют 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Для каждого оборота цикла суммарное уравнение ПФП имеет следующий вид:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ⁺ + 7Н₂О

5 глюкозо-6фосфат + 6СО₂ + 12 НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

4.2.2. Энергетический выход ПФП

Если при окислении субстрата образуется НАДФH, как, например, при апотомическом окислении глюкозо-6-фосфата, то атомы водорода перед поступлением в электронтранспортную цепь должны быть переданы на. НАД⁺ (трансгидрогеназная реакция). Если бы все 12 пар протонов от НАДФH, которые образуются при полном окислении молекулы глюкозо-6-фосфата по ПФП, были бы переданы через ЭТЦ на О₂, то получилось бы 3 АТР х 12 = 36 АТР, что составляет 41,868 кДж х 36 = 1507 кДж/моль. Практически это не уступает энергетическому выходу дихотомического пути дыхания (гликолиз и цикл Кребса), в котором образуется 1591 кДж/моль (38 АТР).

4.2.3. Роль ПФП в конструктивном обмене

Основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Аспекты участия ПФП в пластическом обмене:

1. ПФП служит основным внемитохондриальным и внехлоропластным источником НАДФH. НАДФH используется главным образом в различных синтетических реакциях и играет значительную роль в поддержании восстановленности SH-соединений в клетке, поскольку является первичным восстановителем глутатиона.

2. В ходе пентозофосфатного цикла синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов. Например, рибозы необходимы для синтеза АТФ, ГTФ, УTФ и других нуклеотидов. Коферменты НАД ⁺, НАДФ ⁺ , ФАД, коэнзим А — тоже нуклеотиды и в их состав входит рибоза.

3. ПФП имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи (от С₃ до С₇). Эритрозо-4-фосфат, возникающий в ПФП, необходим для синтеза шикимовой кислоты — предшественника многих ароматических соединений, таких, как ароматические аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.

4. Компоненты ПФП (рибулозо-1,5-дифосфат, НАДФH) принимают участие в темновой фиксации СО₂. Только две из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в окислительном ПФП дыхания и гликолизе.

5. В хлоропластах окислительный ПФП функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентрации НАДФH в отсутствие света. Кроме того, триозофосфаты этого цикла в хлоропластах превращаются в 3-ФГК, что важно дляподдержания в них уровня АТФ в темноте.

Окисление глюкозы по ПФП осуществляется в результате 12 реакций, тогда как в дихотомический (гликолитический) путь через ПВК и далее через цикл ди- и трикарбоновых кислот включаются более 30 различных реакций.

Различные виды брожения

Брожение − внутренний окислительно-восстановительный процесс, при котором акцептором электронов служит органическая молекула и при котором суммарная степень окисления образующихся продуктов не отличается от степени окисления сбраживаемого вещества.

Организм обладает способностью при изменении условий переключать процессы, прекращая брожение и усиливая дыхание и наоборот. Впервые в опытах Л.Пастера. бы.ло показано, что в присутствии кислорода процесс брожения_дрожжей тормозится_и заменяется процессом дыхания. Одновременно резко сокращается распад глюкозы. Это явление оказалось характерным для всех факультативных анаэробных организмов, включая и высшие растения, и получило название эффекта Пастера.

Поскольку процесс брожения энергетически значительно менее эффективен, в анаэробных условиях рост растений приостанавливается. Кроме того, продукты брожения, в частности спирт, ядовиты, и их накопление приводит к гибели растения.

Первые этапы (гликолиз) протекают одинаково при процессах как дыхания, так и брожения. В анаэробных условиях пировиноградная кислота (пируват) подвергается дальнейшим превращениям в ходе спиртового, молочнокислого и других видов брожений, при этом НАДH используется для восстановления конечных продуктов брожения, регенерируя в окисленную форму. Последнее обстоятельство поддерживает процесс гликолиза, для которого необходим окисленный NAD ⁺.

В зависимости от получаемого продукта различают разные типы брожения (см. схему в п.3). При спиртовом брожении провиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с обазованием уксусного альдегида при участии фермента карбоксилазы, а затем восстанавливается дo этилового спирта ферментом алкогольдегидрогеиазой.

Ни та, ни другая реакция не сопровождается образованием АТФ. В связи с этим выход АТФ при спиртовом брожении такой же, как при гликолизе (первой фазы брожения и дыхания), и составляет две молекулы при распаде 1 моль глюкозы. Восстановленные никотинамидные коферменты (НАДН), образовавшиеся в процессе гликолиза, не поступают в дыхательную цепь (у анаэрооных организмов ее и нет), а используются для восстановления уксусного альдегида до спирта. Поэтому энергетический выход процессов брожения крайне низок. Процесс брожения служит источником энергии для облигатных (обязательных) или факультативных анаэробных организмов.

Разные микроорганизмы осуществляют и разные типы брожения. Так, молочнокислые бактерии накапливают молочную кислоту. При этом пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. Для некоторых облигатных анаэробных микроорганизмов, например азотфиксирующей бактерии Clostridium pasteurianum, характерно образование в процессе брожения масляной кислоты.

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 891; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!