3.1.2. Дыхание

Несинтезирующие органы растений, а в темноте и способные к фотосинтезу клетки используют в качестве источника энергии органические вещества, образующиеся как продукты фотосинтеза. Для того чтобы химическая энергия органических веществ могла использоваться для поддержания жизнедеятельности организма, они подвергаются окислению.

Последовательность биохимических реакций, лежащих в основе био-логического окисления, называют дыханием. У растений и других высших организмов в реакциях дыхания участвует кислород, а в качестве продуктов дыхания выделяются СО₂ и Н₂О. Первые сведения о дыхании растений были получены Я. Ингенхаузом (1778), а к концу ХIХ в было установлено общее уравнение дыхательного процесса:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂  6СО₂ + 6Н₂О + G, (1)

где С₆Н₁₂О₆ – моносахариды, образуемые при фотосинтезе.

В дальнейшем благодаря работам В.И. Палладина (1912) было показано, что на первом этапе дыхательных реакций происходит отщепление водорода от молекул моносахарида и воды и образование промежуточных восстановленных продуктов, а на следующем этапе эти продукты уже окисляются кислородом с образованием воды. Поэтому дыхательный процесс можно представить в две стадии:

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О  6СО₂ + 24Н (2)

24Н + 6О₂  12Н₂О (3)

Если из уравнений (2) и (3) составить суммарное уравнение процесса, то мы получим уравнение (1).

В 1921–25 гг. в опытах по изучению роли фермента цитохромоксидазы О.Г. Варбург и Д. Кейлин установили, что на второй стадии дыхания на кислород переносятся электроны и протоны, которые и участвуют в образовании молекул воды:

О₂ + 4ē + 4Н⁺  2Н₂О

Отщепление электронов и протонов от молекул моносахарида и воды, как было выявлено в ходе дальнейших исследований, катализируют ферменты дегидрогеназы, и с их участием происходит образование восстановленных динуклеотидов НАД  Н и ФАД  Н₂, при окислении которых и осуществляется перенос электронов и протонов на кислород.

По современным представлениям процесс дыхания у растений состоит из трёх стадий: гликолиза, цикла ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а также окисления восстановленных динуклеотидов, образующихся на первых двух стадиях дыхания, с участием ферментных комплексов, локализованных во внутренних мембранах митохондрий.

3.1.2.1. Гликолиз

Гликолиз представляет собой анаэробную стадию дыхания у высших организмов и основной механизм дыхания у анаэробных организмов. В процесс гликолиза включаются активированные формы моносахаридов – гексоз, которые подвергаются окислительному распаду с образованием пи-ровиноградной кислоты. Большой вклад в раскрытие механизмов этих реакций внесли известные биохимики Г. Эмбден, О.Ф. Мейергоф и Я.О. Пар-нас. Реакции гликолиза локализованы в жидкой фазе цитоплазмы и хлоропластов. Ферменты, катализирующие эти реакции в цитоплазме, образуют комплексы с актиновыми белками цитоплазматических филаментов, таким образом обеспечивается локализация происходящих превращений.

Активирование гексоз осуществляется путём фосфорилирования с участием АТФ под действием соответствующих киназ, и образующиеся фосфаты гексоз изомеризируются во фруктозо-6-фосфат, который уже далее включается в реакции гликолиза. В первой реакции фруктозо-6-фосфат подвергается повторному фосфорилированию под действием фермента фосфофруктокиназы:

СН₂ОН СН₂ОⓅ (1)

| |

С=О С=О

| |

НО–С–Н + АТФ  НО–С–Н + АДФ

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

фруктозо-6-фосфат фруктозо-1,6-дифосфат

Фосфофруктокиназа – аллостерический фермент, активность которого ингибируется высокой концентрацией АТФ, однако этот фермент аллостерически активируется АДФ. При высокой обеспеченности клетки энергией повышается концентрация АТФ, в результате чего происходит замедление первой реакции гликолиза и в целом интенсивности дыхания. Когда же энергетический потенциал клетки понижается и возрастает концентрация АДФ, последний аллостерически активирует фермент фосфофруктокиназу, который инициирует более активное включение фрутозо-6-фосфа-та в реакции гликолиза, вызывая повышение интенсивности дыхания.

На следующем этапе гликолиза под действием фермента альдолазы происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на 3-фосфоглицерино-вый альдегид и фосфодиоксиацетон, между которыми устанавливается динамическое равновесие с участием фермента триозофосфатизомеразы:

СН₂ОⓅ Н (2)

| |

С=О СН₂ОⓅ С=О

| | |

НО–С–Н  С=О + Н–С–ОН

| | |

Н–С–ОН СН₂ОН СН₂ОⓅ

|

Н–С–ОН фосфодиоксиацетон 3-фосфоглицериновый

| альдегид

СН₂ОⓅ

фруктозо-1,6-дифосфат

Н

|

С=О СН₂ОН (3)

|  |

Н–С–ОН  С=О

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

Образовавшийся 3-фосфоглицериновый альдегид далее окисляется в 3-фосфоглицериновую кислоту под действием фермента глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы (1.2.1.12), молекулы которого содержат в активном центре тиоловые группы (–SН) и окисленные динуклеотидные группировки НАД⁺. При взаимодействии фермента с 3-фосфоглицериновым альдегидом образуется фермент-субстратный комплекс, в котором инициирутся возникновение ацилмеркаптановой макроэргичесой связи и восстановление динуклеотидной группировки НАД⁺ в НАД  Н:

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ (4)

| |

СНОН + НS–фермент + НАД⁺  СНОН + НАД  Н + Н⁺

| |

С=О С～S-фермент

| ||

Н О

3-фосфоглице- фермент-субстратный

риновый альдегид комплекс

П

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ (5)

| |

СНОН + Н₃РО₄  СНОН + НS- фермент

| |

С~S-фермент С–ОⓅ

|| ||

О О

фермент-субстрат- 1,3-дифосфоглице-

ный комплекс риновая кислота

осле этого фермент-субстратный комплекс подвергается фосфоролизу с участием неорганического ортофосфата. При этом НS-фермент отщепляется от субстрата и к остатку последнего присоединяется фосфатная группировка, в которой за счёт энергии ацилмеркаптановой связи возникает макроэргическая ацилфосфатная связь:

В следующей реакции остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью переносится на АДФ, в результате чего осуществляется синтез АТФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфоглицераткиназа (2.7.2.3):

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ (6)

| |

СНОН + АДФ  СНОН + АТФ

| |

С–ОⓅ С–ОН

|| ||

О О

1,3-дифосфоглице- 3-фосфогицериновая

риновая кислота кислота

Т

СН₂ОⓅ СН₂ОН (7)

| |

СНОН  СНОⓅ

| |

С–ОН С–ОН

|| ||

О О

3-фосфоглице- 2-фосфоглице-

риновая кислота риновая кислота

ак как в реакции (5) макроэргическая ацилфосфатная связь возникает в составе субстрата, такой процесс называют субстратным фосфорилированием. Полученная в реакции (6) 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицератмутазы изомеризуется затем в 2-фосфоглицериновую кислоту:

П

СН₂ОН СН₂ (8)

| ||

СНОⓅ  СОⓅ + Н₂О

| |

С–ОН С–ОН

|| ||

О О

2-фосфоглице- фосфоенолпиро-

риновая кислота виноградная кислота

осле этого от 2-фосфоглицериновой кислоты отщепляется молекула воды с образованием фосфоенолпировиноградной кислоты. Реакцию дегидратации катализирует фермент енолаза (4.2.1.11):

В результате дегидратации в молекуле субстрата происходит перераспределение внутренней энергии и возникает макроэргическая связь.

О

СН₂ СН₂ (9)

|| ||

СОⓅ + АДФ  С–ОН + АТФ

| |

С–ОН С–ОН

|| ||

О О

фосфоенолпиро- енолпировино-

виноградная кислота градная кислота

СН₂ СН₂ (9)

|| ||

СО~Ⓟ + АДФ ¾® С–ОН + АТФ

| |

С–ОН С–ОН

|| ||

О О

фосфоенолпиро- енолпировино-

виноградная кислота градная кислота

т молекулы фосфоенолпировиноградной кислоты фосфатная группировка с макроэргической связью передается на АДФ, в результате чего осуществляется синтез АТФ. Перенос фосфатной группировки в этой реакции катализирует фермент пируваткиназа (2.7.1.40):

Продукт реакции (9) енолпировиноградная кислота самопроизвольно

п

СН₂ СН₃ (10)

|| |

С–ОН  С=О

| |

С–ОН С–ОН

|| ||

О О

енолпировино- пировиноградная

градная кислота кислота

одвергается перегруппировке и превращается в более устойчивую кетоформу – пировиноградную кислоту:

Учитывая, что из гексозы образуется две триозы, в ходе их окисления возникают две молекулы пировиноградной кислоты. По этой же причине все реакции гликолиза, начиная с четвертой, при окислении одной молекулы гексозы повторяются дважды. В ходе гликолиза, кроме двух молекул пировиноградной кислоты, синтезируются биоэнергетические продукты в виде четырёх молекул АТФ (в реакциях 6 и 9) и двух молекул НАД  Н (в реакции 4). Поскольку на активирование гексозы затрачивается две молекулы АТФ, окончательный выход АТФ при гликолизе составляет не четыре, а две молекулы. Кроме того, в реакции 9 происходит дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты, поэтому в расчете на одну молекулу окисляемой гексозы выделяется две молекулы воды. Исходя из этих данных, суммарное уравнение гликолиза принимает следующий вид:

С₆Н₁₂О₆ + 2НАД⁺ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ  2СН₃–СО–СООН +

гексоза пировиноградная

кислота

+ 2НАД  Н + 2Н⁺ + 2АТФ + 2Н₂О

Конечный продукт гликолиза – пировиноградная кислота представ-

ляет собой один из важнейших продуктов дыхания и в целом обмена веществ любого организма. У анаэробных организмов пировиноградная кислота включается в реакции брожения, в ходе которых в зависимости от организма происходит синтез этанола, молочной, уксусной, пропионовой, масляной кислот и некоторых других биохимических продуктов. В некоторых органах растений при недостатке кислорода также могут частично происходить реакции брожения, конечным продуктом которых чаще всего является этиловый спирт.

Через образование пировиноградной кислоты, как будет показано далее, осуществляется связь между обменом углеводов, липидов и белков в растительном организме. Из пировиноградной кислоты путём аминирования синтезируется аминокислота аланин, которая участвует в реакциях азотного обмена и синтезе белков. Путём превращения в ацетил-КоА пировиноградная кислота даёт начало синтезу жирных кислот.

Пировиноградная кислота может использоваться на синтез углеводов путём обращения реакций гликолиза благодаря тому, что большинство ферментов, катализирующих эти реакции, обладают обратимым действием. Однако некоторые стадии гликолиза необратимы и для их осуществления используются обходные пути. П

СН₃ СН₂–СООН

| |

С=О + СО₂ + Н₂О + АТФ  С=О + АДФ + Н₃РО₄

| |

СООН СООН

пировиноградная щавелевоуксусная

кислота кислота

ервый необратимый этап в ходе превращения пировиноградной кислоты в гексозу – это образование из пировиноградной кислоты фосфоенолпировиноградной. Он осуществляется в четыре последовательные реакции, происходящие в митохондриях и цитоплазме. Вначале пировиноградная кислота карбоксилируется с участием АТФ под действием митохондриальной пируваткарбоксилазы (6.4.1.1) и превращается в щавелевоуксусную кислоту:

Затем щавелевоуксусная кислота восстанавливается митохондриальной малатдегидрогеназой в яблочную кислоту:

СН₂–СООН СН₂–СООН

| |

С=О + НАД  Н + Н⁺  СНОН + НАД⁺

| |

СООН СООН

щавелевоуксусная яблочная

кислота кислота

Образовавшаяся яблочная кислота перемещается в цитоплазму и под

действием цитоплазматической малатдегидрогеназы снова превращается в щавелевоуксусную кислоту:

СН₂–СООН СН₂–СООН

| |

СНОН + НАД⁺  С=О + НАД  Н + Н⁺

| |

СООН СООН

яблочная щавелевоуксусная

кислота кислота

П

СН₂–СООН СН₂

| ||

С=О + ГТФ  СОⓅ + СО₂ + ГДФ

| (или АТФ) |

СООН СООН

щавелевоуксусная фосфоенолпиро-

кислота виноградная кислота

осле этого под действием фермента фосфопируваткарбоксикиназы (4.1.1.32) из щавелевоуксусной кислоты путём декарбоксилирования образуется фосфоенолпировиноградная кислота:

П

ревращение фосфоенолпировиноградной кислоты в 3-фосфогли-цериновый альдегид осуществляется в результате обращения соответствующих реакций гликолиза (8–4). В ходе этих реакций на фосфорилирование 3-фосфоглицериновой кислоты затрачивается АТФ, а на восстановление фермент-субстратного комплекса глицеральдегидфосфатдегидрогеназы – восстановленные динуклеотиды НАД  Н.

В результате обращения реакций гликолиза (3) и (2) происходит синтез фруктозо-1,6-дифосфата из 3-фосфоглицеринового альдегида. А под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы фруктозодифосфат гидролизуется с образованием фруктозо-6-фосфата, с превращения которого начинаются реакции гликолиза.

Реакции гликолиза являются для функционирующей клетки важным источником биоэнергетических продуктов, таких как АТФ и НАД  Н, а также промежуточных метаболитов, которые могут использоваться для синтеза многих жизненно важных веществ. К ним относятся 3-фосфогли-цериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, 3-фосфоглицериновая и фосфоенолпировиноградная кислоты. Фосфоглицериновый альдегид, кроме реакций гдиколиза, является также промежуточным продуктом пентозо-фосфатного цикла и через него осуществляется связь между этими двумя важнейшими биохимическими поцессами, происходящими в цитоплазме растительных клеток. При восстановлении фосфодиоксиацетона образуется глицеролфосфат, который даёт начало реакциям синтеза ацилглицеринов, фосфолипидов и гликолипидов. Из 3-фосфоглицериновой кислоты образуется оксипировиноградная кислота и аминокислота серин. Фосфоенолпировиноградная кислота необходима для синтеза щавелевоуксусной кислоты и фенольных соединений.