Лекция № 3 (тобт 1)

1. Дыхание аэробное и анаэробное в клетках продуцентов.

2. Цикл трикарбоновых кислот во взаимосвязи с дыхательной цепью в клетках продуцентов.

3. Ключевые точки пересечения и разветвления метаболических путей в клетках бактерий.

4. Световая фаза фотосинтеза (аккумулирование световой энергии, транспорт электронов, фотофосфорелирование).

5. Темновые реакции фотосинтеза.

1. Дыхание аэробное и анаэробное в клетках продуцентов

Дыханием называется сопровождающийся выделением энергии процесс, в котором органические или восстановленные неорганические соединения окисляются в результате взаимодействия с неорганическими веществами. Если окислителем является кислород, то дыхание называют аэробным, а если не кислород – анаэробным. Облигатные (строгие) анаэробы вообще не используют кислород, облигатным аэробам кислород необходим, третью группу микроорганизмов называют факультативными – могут расти как в присутствии кислорода, так и в отсутствии его.

Таблица 1 – Восстановители и окислители в процессах дыхания бактерий

Восстановитель	Окислитель	Продукты реакции	Организмы
Н2	О2	Н2О	Водородные бактерии
Н2	SO42-	Н2О + S2	Сульфитредуцирующие бактерии Desulfovibrio
Органические вещества	О2	СО2 + Н2О	Многие бактерии, все растения и животные
NH3	О2	NO2- + Н2О	Нитрифицирующие бактерии
NO2-	О2	NO3- + Н2О	Нитрифицирующие бактерии
Органические вещества	NO3-	N2 + CO2	Денитрифицирующие бактерии
Fe2+	О2	Fe3+	Железобактерии Ferrobacillus
S2-	О2	SO42- + Н2О	Серные бактерии Thiobacillus

Процесс бескислородного дыхания у бактерий называют также брожением.

2. Цикл трикарбоновых кислот во взаимосвязи с дыхательной цепью в клетках продуцентов.

Аэробные клетки получают большую часть энергии за счет дыхания, при котором электроны переносятся от органических молекул (играющих роль клеточного «топлива») на молекулярный кислород. Дыхание — процесс значительно более сложный, чем гликолиз. Очень удачно сказано, что дыха­ние относится к гликолизу, как современная реактивная турбина к одно­цилиндровому поршневому двигателю.

Энергетика брожения и дыхания

В процессе гликолиза высвобождается лишь очень незначительная часть той химической энергии, которая потенциально может быть извлечена из молекулы глюкозы. При полном окислении глюкозы, т. е. при ее окисле­нии до СО₂ и Н₂О, высвобождается значительно большее количество энер­гии. В этом легко убедиться, сравнив величины изменения стандартной сво­бодной энергии при анаэробном превращении глюкозы в лактат и при окис­лении ее до СО_а и Н₂0:

Г люкоза 2 Лактат, ΔG^0/ = - 47 ккал,

Г люкоза + 6О₂ 6 СО₂ + 6Н₂О, ΔG^0/ = - 686 ккал.

При сбраживании глюкозы продукты брожения, которые в анаэробных усло­виях уже не могут быть использованы клеткой и потому выводятся из нее, все еще содержат значительную часть той энергии, которая была заключена в молекуле глюкозы. Поэтому для получения того же количества энергии клеткам, находящимся в анаэробных условиях, приходится расходовать гораздо больше глюкозы, чем тем же самым клеткам в условиях аэробиоза. Почему при дыхании выход энергии намного больше, чем при гликолизе? Прежде всего, это объясняется тем, что продукт гликолиза — молочная кис­лота — соединение, почти столь же сложное, как глюкоза, и его углерод-вые атомы имеют ту же степень окисления (соотношение между числом ато­мов углерода и водорода то же, что и в глюкозе), тогда как продукт дыха­ния — СО₂ — значительно более простое соединение, у которого единствен­ный атом углерода полностью окислен. Вторая причина заключается в том, что количество энергии, которое может быть получено при переносе пары электронов от данной молекулы клеточного топлива к акцептору электронов, сильно варьирует в зависимости от природы акцептора. Когда акцептором электронов служит кислород, как это бывает при дыхании, коли­чество освобождающейся энергии оказывается намного большим, чем ]при гликолизе, при котором роль акцептора играет пируват.

Общая схема процесса дыхания

На рисунке представлена общая схема процесса дыхания. Ацетильные группы, образовавшиеся из углеводов, жиров и аминокислот на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, т.е. в цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты, цикл Креббса) — общий конечный путь окислительного катаболизма всех видов клеточного топлива в аэробных условиях. В этом цикле ацетильные группы расщепляются с высвобождением СО₂ и атомов водорода. Послед­ние (или соответствующие им электроны) включаются в дыхательную цепь, состоящую из серии переносчиков электронов. Процесс переноса электронов по дыхательной цепи к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду — сопровождается очень большим уменьшением свободной энер­гии. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ, который образуется в результате сопряженного с окислением фосфорилирования АДФ. Суммарная реакция цикла трикарбоновых кислот описывается уравне­нием

СНзСООН + 2Н₂О —> 2СО₂ + 8Н.

Из этого уравнения видно, что в цикл не вовлекается ни молекулярный кис­лород, ни неорганический фосфат, ни АТФ. Главная функция цикла заклю­чается в дегидрировании уксусной кислоты, которое в конечном счете при­водит к образованию двух молекул С0₂ и четырех пар атомов водорода. Этот процесс включает ряд последовательных ферментативных реакций, замк­нутых в цикл (в отличие от реакций гликолитического ряда, которые сле­дуют одна за другой в линейном порядке).

На следующем рисунке приведена схема цикла трикарбоновых кислот.

При каждом обороте цикла (рис.) молекула уксусной кислоты (два атома углерода) вступает во взаимодействие с молекулой четырехуглеродного соединения — щавелево­уксусной кислоты,— образуя шестиуглеродное соединение — лимонную кислоту. Затем лимонная кислота разрушается с образованием двух моле­кул С0₂ и четырехуглеродного соединения — янтарной кислоты. Послед­няя в конечном счете окисляется до щавелевоуксусной кислоты, которая может снова включаться в цикл. При каждом обороте в цикл вовлекается одна молекула уксусной кислоты и образуются две молекулы С0₂. Одна молекула щавелевоуксусной кислоты расходуется на образование лимонной кислоты, но в конце цикла регенерирует. Поэтому практически щавелево-уксусная кислота в цикле не расходуется: одной ее молекулы достаточно-для окисления неограниченного числа молекул уксусной кислоты. Таким образом, цикл трикарбоновых кислот является каталитическим в двух отно­шениях: во-первых, каждый отдельный этап цикла катализируется специ­фичным ферментом (как это характерно для всех вообще ферментных систем); и, во-вторых, на этот уровень катализа накладывается каталитический эффект самих промежуточных продуктов цикла: одна молекула любого промежу­точного продукта цикла катализирует расщепление многих молекул уксус­ной кислоты.

Амфиболическая природа цикла трикарбоновых кислот. Анаплеротические реакции

Цикл Кребса представляет собой амфиболический путь; функции его связаны не только с катаболизмом, но и с ана­болическими процессами, для которых он поставляет предшественники. Существует ряд важных вспомогательных ферментативных реакций, в резуль­тате которых некоторые промежуточные продукты цикла, в частности а-кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат, могут удаляться из цикла и исполь­зоваться как предшественники аминокислот. Многие из этих реакций обратимы, так что они служат одновременно и для образования промежуточных продуктов цикла из аминокислот. В норме реакции, за счет которых определенные промежуточные продукты удаляются из цикла или, напротив, поступают в цикл, уравновешивают друг друга (состояние дина­мического равновесия), благодаря чему концентрации этих промежуточных продуктов в митохондриях поддерживаются на постоянном уровне.

Специальные ферментативные ме­ханизмы, пополняющие запас промежу­точных продуктов цикла трикарбоновых кислот, называются анаплеротическими («возмещающими») реакциями. Наибо­лее важная реакция такого рода — фер­ментативное карбоксилирование пирувата с образованием оксалоацетата (от­крытое Вудоми Веркманом).

Когда цикл трикарбоновых кислот функ­ционирует в условиях недостатка окса­лоацетата или других промежуточных продуктов, реакция карбоксилирования пирувата стимулируется, в результате чего запас оксалоацетата растет. При избытке оксалоацетата, напротив, мо­жет происходить его декарбоксилирование с образованием пирувата и СО₂.

Пируваткарбоксилаза — аллостерический фермент. Скорость катали­зируемой ею прямой реакции (приводящей к образованию оксалоацетата) в отсутствие ацетил-КоА, играющего роль позитивного модулятора, очень низка. Всякий же раз, когда ацетил-КоА, т. е. «топливо» цикла трикарбоно-вых кислот, имеется в избытке, пируваткарбоксилазная реакция стимули­руется, а это означает, что образуется больше оксалоацетата и, следовательно, создаются условия для окисления большего количества ацетил-КоА. Анаплеротическую функцию выполняет и так называемый глиоксилатный цикл, встречающийся у растений и у многих микроорганизмов, где он играет особую роль.

Глиоксилатный цикл (глиоксилатный шунт) и глиоксисомы

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:

Г люкоза + 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.