Пути окисления дыхательного субстрата и их механизмы

У растений выделяют два пути окисления дыхательного субстрата: гликолиз и пентозофосфатный путь.

Гликолиз – это анаэробный процесс, происходящий в цитоплазме. С биологической оценки гликолиз весьма примитивный процесс, возникший до появления кислорода в атмосфере Земли и формирования клеточных органелл.

В сложной цепи гликолитического распада углеводов можно выделить два звена (9 реакций):

В первом звене – потребляется энергия АТФ; во втором – происходит разрыв шестиуглеродных соединений (фруктоза-1.6 дифосфат) с образованием триоз; в третьем, происходит запасание (выделение) энергии. Гидролизу подвергается не свободная молекула гликолиза, а активированная за счет АТФ. Такая активация именуется фосфорилированием.

В результате фосфорилирования образуется глюкозо-6-фосфат. Дальнейшее активирование гексозы достигается путем превращения глюкозо-6 фосфата во фруктозо-6 фосфат. На следующем этапе происходит присоединение к фруктозо-6 фосфату еще одного остатка фосфорной кислоты. Донором фосфорной кислоты и энергии необходимой для образования эфира служит молекула АТФ. Реакции переноса катализируются ферментом фосфогексокеназой. Результатом этой реакции является образование фруктозо-1.6-дифосфат.

Во втором звене: образовавшаяся молекула фруктозо-1.6-дифосфата разрывается на 3-фосфоглицериновый альдегид и *. Реакция разрыва катализируется ферментом альдолазой.

Дальнейшее участие в процессах гликолитического распада принимают только фосфоглицериновый альдегид. Фосфодиоксиацетон полностью преобразуется в фосфоглицериновый альдегид. Фосфоглицериновый альдегид окисляется с образованием 1.3дифосфоглицериновой кислоты.

В третьем звене: образовавшаяся 1.3дифосфоглицериновая кислота вступает в ферментативную реакцию с АДФ. В результате одна из её фосфорных групп переносится на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты.

Образование АТФ в цитоплазме в ходе ферментативных реакций называется субстратным фосфорилированием. 3ФГК превращается с помощью фермента * в 2ФГК. 2ФГК с помощью фермента энолазы превращается в 2 фосфоэнолпировиноградную кислоту.

При отнятии фосфорного остатка от ФСПВК образуется енолПВК, который в силу своей неустойчивости спонтанно превращается в кетокислоту ПВК.

Образование ПВК подвергается дальнейшему расщеплению как анаэробному так и аэробному в цикле ди- и трикарбоновых кислот. Анаэробное расщепление, т.е. без участия О₂, ПВК может происходить по типу спиртового брожения или по типу молочнокислого брожения. При спиртовом брожении образуется этиловый спирт и СО₂. Для мясистых сочных плодов спиртовое брожение является нормальным физиологическим процессом. Для целого растения или же для коневой системы длительное пребывание в условиях недостаточной аэрации, спиртовое брожение оказывает вредное действие, приводя к гибели.

Почему? Потому, что брожение сопровождается выделением небольшого количества энергии, которой недостаточно, чтобы длительно поддерживать жизнь, а накопление спирта приводит к отравлению организма. Анаэробное дыхание по типу брожения проявляется в условиях затопления.

В аэробных условиях ПВК в митохондриях окисляется полностью до СО₂ и Н₂О. Это окисление как установлено английским биохимиком Кребсом, проходит последовательно ступенчато с образованием ди- и трикарбоновых кислот. Цикл Кребса можно разделить на три части.

В первой части происходит окисление ПВК до уксксной кислоты с образованием Ацетил КоА и ыделением СО₂.

Вторая часть цикла начинается с реакции между ЩУК и Ацетил КоА, которая приводит к синтезу лимонной кислоты. Лимонная кислота в дальнейшем через ряд промежуточных соединений (изолимонную) превращается в щавелево-янтарную. Щавелево-янтарная подвергается декарбоксилированию в результате выделяется СО₂ и образуется Х-кетоглутаровая кислота. Х-кетоглутаровая вновь декарбоксилируется – выделяется СО₂ и образуется янтарная кислота. В этой части цикла уксусная кислота окисляется полностью (по выделению СО2) и на этом заканчивается окисление ПВК.

Третья часть цикла представляет собой взаимное превращение двуосновных кислот с 4 атомами углерода - янтарная → фумаровая → яблочная → и заканчивается регенерацией ЩУК.

Непосредственно в цикле Кребса АТФ не синтезируется, исключая субстратное фосфорилирование Х-кетоглутаровой кислоты, но в цикле возникают пять молекул восстановленных нуклеотидов:

1. при лкислительном декарбоксилировании ПВК;

2. при дегидрировании изолимонной кислоты;

3. при окислении кетоглутаровой кислоты;

4. при окислении янтарной кислоты;

5. при окислении яблочной кислоты.

Каждая пара водородных атомов (Н⁺, е^-) после отщепления проходит путь от субстрата к кислороду через ряд переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряж6ен и синтез АТФ. Процесс образования АТФ, сопряженный с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий получил название окислительного фосфорилирования. В конце цепи электроны захватываются кислородом и объединяются с протонами (ионом воздуха) с образованием молекулы воды.

Каков энергетический выход при окислении глюкозы? В процессе дыхания при функционировании гликолиза (субстратное фосфорилирование: 8 молекул АТФ) и цикла Кребса (окислительное фосфорилирование дает 30 молекул АТФ) образуется 38 молекул АТФ. Эффективность использования энергии через гликолиз и цикл Кребса составляет КПД=1596/2721*100%=58,6%.

В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса существует и другой путь окисления углеводов – пентозофосфатный. Окисление глюкозы в этом цикле связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде СО₂. Исходным продуктом в пентозофосфатном цикле является глюкозо-6фосфат, который далее окисляется в 6-фосфоглюконовую кислоту.

В пентозофосфатном цикле АТФ используется для образования исходного продукта: для фосфорилирования глюкозо-6фосфата. Все реакции пентозофосфатного пути протекают в растворимой части цитоплазмы клеток, а также в протопластидах и хлоропластах. Ни в одной реакции этого цикла АТФ не образуется, но этот цикл является поставщиком водорода для ЭТЦ дыхания. Донором водорода для ЭТЦ дыхание служит НАДН. Энергетический выход ПФП составляет 36 молекул АТФ. Основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене. Пентозофосфатный путь имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи – от С₃ до С₇. ПФП служит основным внехлоропластным и внемитохондриальным источником НАДФН, который необходим для синтеза жирных кислот.

Биологическая роль пентоз, необходимых для синтеза нуклеотидов, т.е. для синтеза рибозы и дезоксирибозы. Сдвиг в сторону пентозофосфатного пути происходит в тех случаях, когда клетке требуется большие количества пятиуглеродных сахаров и когда в качестве источника энергии для синтеза используется не НАДН, а НАДФН.