Шляхи окислення дихального субстрата і їх механізми

У рослин виділяють два шляхи окислення дихального субстрата: гліколіз і пентозофосфатний шлях.

Гліколіз – це анаеробний процес, що відбувається в цитоплазмі. З біологічної оцінки гліколіз вельми примітивний процес, що виник до появи кисню в атмосфері Землі і формування клітинних органелл.

У складному ланцюзі розпаду гліколізу вуглеводів можна виділити дві ланки (9 реакцій):

У першій ланці – споживається енергія АТФ; у другому – відбувається розрив шестивуглецевих з'єднань (фруктоза-1.6 дифосфат) з утворенням триоз; у третьому, відбувається запасання (виділення) енергії. Гідролізу піддається не вільна молекула гліколізу, а активована за рахунок АТФ. Така активація іменується фосфорилуванням.

В результаті фосфорилування утворюється глюкозо-6-фосфат. Подальше активування гексози досягається шляхом перетворення глюкозо-6 фосфату на фруктозо-6 фосфат. На наступному етапі відбувається приєднання до фруктозо-6 фосфату ще одного залишку фосфорної кислоти. Донором фосфорної кислоти і енергії необхідної для утворення ефіру служить молекула АТФ. Реакції перенесення каталізують ферментом фосфогексокеназою. Результатом цієї реакції є утворення фруктозо-1.6-дифосфат.

У другій ланці: молекула фруктозо-1.6-дифосфата, що утворилася, розривається на 3-фосфоглицериновий альдегід і *. Реакція розриву каталізує ферментом альдолазой.

Подальшу участь в процесах розпаду гліколізу беруть тільки фосфоглицериновий альдегід. Фосфодіоксиацетон повністю перетвориться у фосфоглицеріновий альдегід. Фосфогліцеріновий альдегід окислюється з утворенням 1.3дифосфоглицеріновой кислоти.

У третій ланці: 1.3дифосфоглицерінова кислота, що утворилася, вступає у ферментативную реакцію з АДФ. В результаті одна з її фосфорних груп переноситься на АДФ з утворенням АТФ і 3-фосфоглицерінової кислоти.

Утворення АТФ в цитоплазмі в ході ферментативних реакцій називається субстратним фосфорилуванням. 3ФГК перетворюється за допомогою ферменту * у 2ФГК. 2ФГК за допомогою ферменту енолази перетворюється на 2 фосфоенолпіровиноградну кислоту.

При віднятті фосфорного залишку від ФСПВК утворюється енолПВК, який через свою нестійкість спонтанно перетворюється на кетокислоту ПВК.

Утворення ПВК піддається подальшому розщеплюванню як анаеробному так і аеробному в циклі ди- і трикарбонових кислот. Анаеробне розщеплювання, тобто без участі О₂, ПВК може відбуватися за типом спиртного бродіння або за типом молочнокислого бродіння. При спиртному бродінні утворюється етиловий спирт і СО₂. Для м'ясистих соковитих плодів спиртне бродіння є нормальним фізіологічним процесом. Для цілої рослини або ж для коневой системи тривале перебування в умовах недостатньої аерації, спиртове бродіння надає шкідливу дія, призводячи до загибелі.

Чому? Тому, що бродіння супроводжується виділенням невеликої кількості енергії, якої недостатньо, щоб тривало підтримувати життя, а накопичення спирту приводить до отруєння організму. Анаеробне дихання за типом бродіння виявляється в умовах затоплення.

В умовах аеробів ПВК в мітохондріях окислюється повністю до СО₂ і Н₂О. Це окислення як встановлено англійським біохіміком Кребсом, проходить послідовно ступінчасто з утворенням ди- і трикарбонових кислот. Цикл Кребса можна розділити на три частини.

У першій частині відбувається окислення ПВК до уксусної кислоти з утворенням Ацетіл КОА і виділенням СО₂.

Друга частина циклу починається з реакції між ЩУК і Ацетил КОА, яка приводить до синтезу лимонної кислоти. Лимонна кислота надалі через ряд проміжних з'єднань (ізолимонну) перетворюється на щавлево-янтарну. Щавлево-янтарна піддається декарбоксилуванню в результаті виділяється СО₂ і утворюється Х-кетоглутарова кислота. Х-кетоглутарова знов декарбоксилується – виділяється СО₂ і утворюється янтарна кислота. У цій частині циклу оцетова кислота окислюється повністю (по виділенню СО₂) і на цьому закінчується окислення ПВК.

Третя частина циклу є взаємним перетворенням двуосновних кислот з 4 атомами вуглецю - янтарна > фумарова > яблучна > і закінчується регенерацією ЩУК.

Безпосередньо у циклі Кребса АТФ не синтезується, виключаючи субстратне фосфорилування Х-кетоглутарової кислоти, але в циклі виникають п'ять молекул відновлених нуклеотидів:

1. при окислювальному декарбоксилуванні ПВК;

2. при дегідруванні ізолимонної кислоти;

3. при окисленні кетоглутарової кислоти;

4. при окисленні янтарної кислоти;

5. при окисленні яблучної кислоти.

Кожна пара водневих атомів (Н+, е-) після відщеплювання проходить шлях від субстрата до кисню через ряд переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. З перенесенням електронів по ЕТЦ пов'язаний і синтез АТФ. Процес утворення АТФ, зв'язаний з перенесенням електронів по ЕТЦ мітохондрій отримав назву окислювального фосфорилування. В кінці ланцюга електрони захоплюються киснем і об'єднуються з протонами (іоном повітря) з утворенням молекули води.

Який енергетичний вихід при окисленні глюкози? В процесі дихання при функціонуванні гліколізу (субстратне фосфорилування: 8 молекул АТФ) і циклу Кребса (окислювальне фосфорилування дає 30 молекул АТФ) утворюється 38 молекул АТФ. Ефективність використання енергії через гліколіз і цикл Кребса складає Кпд=1596/2721*100%=58,6%.

У клітинах рослин разом з гліколізом і циклом Кребса існує і інший шлях окислення вуглеводів – пентозофосфатний. Окислення глюкози в цьому циклі пов'язане з відщеплюванням першого (альдегідного) атома вуглецю у вигляді СО₂. Початковим продуктом в пентозофосфатному циклі є глюкозо-6фосфат, який далі окислюється в 6-фосфоглюконову кислоту.

У пентозофосфатному циклі АТФ використовується для утворення початкового продукту: для фосфорилування глюкозо-6фосфата. Всі реакції пентозофосфатного шляху протікають в розчинній частині цитоплазми кліток, а також в протопластидах і хлоропластах. Ні у одній реакції цього циклу АТФ не утворюється, але цей цикл є постачальником водню для ЕТЦ дихання. Донором водню для ЕТЦ дихання служить НАДН. Енергетичний вихід ПФП складає 36 молекул АТФ. Основне призначення ПФП полягає в участі не стільки в енергетичному, скільки в пластичному обміні. Пентозофосфатний шлях має велике значення як джерело утворення вуглеводів з різним числом вуглецевих атомів в ланцюзі – від С3 до С7. ПФП служить основним позахлоропластним і позамітохондріальним джерелом НАДФН, яке необхідне для синтезу жирних кислот.

Біологічна роль пентоз, необхідних для синтезу нуклеотидів, тобто для синтезу рибози і дезоксирибози. Зрушення убік пентозофосфатного шляху відбувається в тих випадках, коли клітці вимагається великі кількості п'ятивуглецевих сахарів і коли як джерело енергії для синтезу використовується не НАДН, а НАДФН.