Дыхание растений

Регулирующую роль может  играть также альтернативный путь транспорта электронов в растительных митохондриях. В условиях высокого содержания АТФ, когда активность основной дыхательной  цепи снижена, окисление субстратов через альтернативную оксидазу (без  образования АТФ) продолжается, что  поддерживает на низком уровне отношение  НАДH/НАД⁺ и снижает уровень АТФ. Все это позволяет циклу Кребса функционировать.

4.2 Пентозофосфатный  путь. Механизмы регуляции цикла.  Энергетическая эффективность процесса, значение. Связь с другими процессами

В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса, являющимся главным поставщиком свободной  энергии в процессах дыхания, существует и другой важнейший способ катаболизма гексоз —пентозофосфатный путь (ПФП), в котором участвуют пятиуглеродные сахара (пентозы). Этот путь дыхания известен также как гексозомонофосфатный цикл, пентозный шунт или апотомическое окисление. Окисление глюкозы (глюкозо-6-фосфата) по этому пути связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде С0₂ (отсюда и название — апотомический путь).

Пентозофосфатный путь дыхания  открыт в 1935—1938 гг. в результате исследований О. Варбурга, Ф. Диккенса, В. А. Энгельгардта и позднее Ф. Липмана. Установлено, что все реакции ПФП протекают  в растворимой части цитоплазмы клетки, а также в пропластидах и хлоропластах. ПФП дыхания особенно активен в тех клетках и  тканях растений, в которых интенсивно идут синтетические процессы, такие, как синтез липидных компонентов  мембран, нуклеиновых кислот, клеточных  стенок, фенольных соединений.

В ПФП АТФ используется только для образования исходного  продукта. ПФП, как и цикл Кребса, — циклический процесс, поскольку  окисление глюкозы сопровождается регенерацией исходного субстрата  ПФП — глюкозо-6-фосфата.

 

Рис. 5. Пентозофосфатный цикл  

 

Этапы пентозофосфатного  пути окисления глюкозы. В ПФП можно выделить два этапа: 1) окисление глюкозы, 2) рекомбинацию Сахаров для регенерации исходного субстрата.

Первый, окислительный, этап апотомического пути включает последовательные реакции, катализируемые дегидрогеназнодекарбоксилрующей  системой, состоящей из трех ферментов. Первая реакция представляет собой  Дегидрирование глюкозо- 6-фосфата глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой (1). Этот фермент в качестве акцептора  электронов использует НАДФ⁺. Он дегидрирует 1-й атом углерода глюкозо-6-фосфата с образованием лактона 6-фосфоглюконовой кислоты. Лактон самопроизвольно или под действием глюконолактоназы (2) гидролизуется, образуя 6-фосфоглюконовую кислоту. В следующей окислительной реакции, катализируемой НАДФ- и Мп^{2 +}-зависимой фосфо- глюконатдегидрогеназой (3) (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуются рибулозо-5-фосфат и восстановленный НАДФH. Таким образом, при окислении каждого атома углерода образуются две молекулы НАДФH (рис. 5).

Второй этап связан с регенерацией исходного метаболита — глюкозо-6-фосфата. Из рибулозо-5-фосфата под действием  эпимеразы (4) образуется ксилулозо-5-фосфат, а под действием изомеразы (5) —  рибозо-5-фосфат. Рекомбинации сахаров  с участием транскетолазы (6,8) и трансальдолазы (7) приводят к появлению 3-ФГА и  седогептулозо-7-фосфата, затем эритрозо-4-фосфата (7) и фруктозо-6-фосфата(8); в результате образуются фруктозо-6- фосфаты, которые  изомеризуются в глюкозо-6-фосфат (12).

Как видно из рис.5, 6 молекул  глюкозо-6-фосфата, участвуя в ПФП  дыхания, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата  и 6С0₂, 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 + 12НАДФ + + 7Н₂0 -->5Глюкозо-6-фосфат + 6С0₂ + 12НАДФH + 12Н⁺ + Н₃Р0₄

Энергетический  выход ПФП и его роль в обмене веществ.

Универсальным донором водорода для электронтранспортной цепи дыхания  служит НАДH, содержание которого в  растительных тканях всегда значительно  выше, чем НАДФH. В нормальных условиях НАДФ⁺ находится в клетках в восстановленной форме НАДФH, тогда как НАД⁺ — в окисленной. Доказано, что НАДФH окисляется медленнее, чем НАДH. 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⁺ (трансгидрогеназцая 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 0₂, то получилось бы 3 АТФ х 12 = 36 АТФ, что составляет 41,868 кДж х 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 АТФ,)1

Однако основное назначение ПФП состоит в участии не столько  в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток. Это участие в пластическом обмене включает несколько аспектов:

1. НАДФH используется главным  образом в различных синтетических  реакциях.

2.В ходе пентозофосфатного  цикла синтезируются пентозы,  входящие в состав нуклеиновых  кислот и различных нуклеотидов  (пиридиновых, флавиновых, адениловых  и др.). Для животных и других  гетеротрофных организмов ПФП  — единственный способ образования  пентоз (рибоз и дезоксирибоз) в  клетке. Рибозы необходимы для  синтеза АТФ, GTP, UTP 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 Су). 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 С0₂. По существу, ПФП представляет собой обращенный фотосинтетический (восстановительный) цикл Кальвина. Только две из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в окислительном ПФП дыхания и гликолизе.

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 для поддержания 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.

Не следует, однако, думать, что окисление глюкозо-6-фосфата  по схеме, представленной на рис. 5, идет во всех клетках до конца. Очень часто  на одном из этапов ПФП переходит  в гликолитический. Таким этапом может быть, в частности, транскетолазная  реакция (рис. 5, реакция 8), в результате которой ксилулозо-5-фосфат и эритрозо-4-фосфат превращаются во фруктозо-6-фосфат и 3-ФГА  — субстраты, общие для гликолиза  и ПФП.

4.3 Глиоксилатный  цикл. Механизмы регуляции цикла.  Энергетическая эффективность процесса, значение

Этот цикл в 1957 г. был впервые  описан у бактерий и плесневых  грибов Г. Л. Корнбергом и Г. А. Кребсом. Затем оказалось; что он активно  функционирует в про- растающих  семенах масличных растений и  в других растительных объектах, где  запасные жиры превращаются в сахара (глюконеогенез). Глиоксилатный цикл локализован не в митохондриях, как  цикл Кребса, а в специализированных микротелах — глиоксисомах. В клетках  животных этот цикл отсутствует. 

В глиоксилатном цикле  из ЩУК и ацетил-СоА синтезируется  лимонная кислота, образуются цис-аконитовая и изолимонная (изоцитрат), как и  в цикле Кребса . Затем изолимонная  кислота под действием изоцитрат-лиазы  распадается на глиоксиловую и янтарную кислоты. Глиоксилат с участием малатсинтазы взаимодействует со второй молекулой  ацетил-СоА, в результате чего синтезируется  яблочная кислота, которая окисляется до ЩУК.

Рис. 6. Глиоксилатный цикл

Таким образом, в отличие  от цикла Кребса в глиоксилатном  цикле в каждом обороте участвует  не одна, а две молекулы ацетил-СоА  и этот активированный ацетил используется не для окисления, а для синтеза  янтарной кислоты. Янтарная кислота  выходит из глиоксисом, превращается в ЩУК и участвует, в глюконеогенезе (обращенном гликолизе) и других процессах  биосинтеза. Глиоксилатный цикл позволяет  утилизировать запасные жиры, при  распаде которых образуются молекулы ацетил-СоА. 

Регуляция ПФП  и глиоксилатного цикла. Пентозофосфатный путь окисления регулируется концентрацией НАДФ ⁺ , так как содержит две НАДФ-зависимые дегидрогеназы (глюкозо-6- фосфатдегидрогеназу и 6-фосфоглюконатдегидрогеназу). Он регулируется также уровнем синтезов в клетке, потребляющих НАДФH (например, синтезом аминокислот и белков). Их высокий уровень приводит к увеличению содержания окисленного НАДФ ⁺ , что стимулирует ПФП.

В регуляции соотношения  между ПФП и гликолизом принимает  участие ряд интермедиатов: неорганический фосфат, 6-фосфоглюконовая кислота, эритрозо-4-фосфат. Недостаток неорганического  фосфата подавляет гликолиз и  активирует ПФП. 6-Фосфоглюконовая кислота  служит ингибитором гликолитического фермента фосфофруктокиназы (глюкозофосфатизомеразы), что способствует функционированию ПФП. Эритрозо-4-фосфат, являясь субстратом транскетолазной и трансальдолазной реакций, может тормозить активность ферментов гликолиза и тем  самым переключать превращения  углеводов с гликолитического на пентозофосфатный путь.

Активность глиоксилатного цикла снижается при повышении  концентрации оксалоацетата, который  ингибирует сукцинатдегидрогеназу  ЦТК. Другой ингибитор цикла —  фосфоенолпируват подавляет активность изоцитратлиазы.

 

5. Цепь переноса  водорода и электрона (дыхательная  цепь). Комплексы переноса электронов. Окислительное фосфорилирование. Хемиосмотическая  теория окисления и фосфорилирования. Механизмы сопряжения процесса  транспорта электронов с образованием  АТФ

Цикл Кребса, глиоксилатный  и пентозофосфатный пути функционируют  только в условиях достаточного количества кислорода. В то же время 0₂ непосредственно не участвует в реакциях этих циклов. Точно так же в перечисленных циклах не синтезируется АТФ (за исключением АТФ, образующегося в цикле Кребса в результате субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-СоА).

Кислород необходим для  заключительного этапа дыхательного процесса, связанного с окислением восстановленных коферментов НАДH и ФАДH₂ в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен и синтез АТФ.

Дыхательная ЭТЦ, локализованная во внутренней мембране митохондрий, служит для передачи электронов от восстановленных  субстратов на кислород, что сопровождается трансмембранным переносом ионов  Н ⁺ . Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окислительно-восстановительнои Н -помпы. ,

Б. Чане и др. (США) в 50-х  годах, используя значения окислительно-восстановительных  потенциалов известных в то время  переносчиков е^-, спектрофотометрические данные о временной последовательности их восстановления и результаты ингибиторного анализа, расположили компоненты ЭТЦ митохондрий в следующем порядке:

Пара электронов от НАДH или  сукцината передается по ЭТЦ до кислорода, который, восстанавливаясь и присоединяя  два протона, образует воду.

Д. Грин (1961) пришел к выводу, что все переносчики электронов в митохондриальной мембране сгруппированы  в четыре комплексу, что было подтверждёно дальнейшими исследованиями.

Согласно современным  данным дыхательная цепь митохондрий  включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших  по молекулярной массе компонента —  убихинон и цитохром с

Рис.7. Дыхательная электронтранспортная цепь растительных митохондрий

Комплекс I осуществляет перенос  электронов от НАДH к убихинону Q. Его  субстратом служат молекулы вдутримитохондриального  НАДH, восстанавливающиеся в цикле  Кребса. Всостав комплекса входит флавиновая ФМН-зависимая НАДH: убихи- нон-оксидоредуктаза, содержащая три  железосерных центра (FeS_N1-3). При встраивании в искусственную фосфолипидную мембрану этот комплекс функционирует как протонная помпа.

Комплекс II катализирует окисление  сукцината убихиноном. Эту функцию  осуществляют флавиновая (ФАД-зависимая) сукцинат : убихинон-оксидоредуктаза, в состав которой также входят три железосерных центра (Fe_s1_₃).

Koмплекс III переносит электроны  от восстановленного убихинона  к цитохрому с, т. е. функционирует  как убихинол: цитохром Т-оксидредуктаза. В своем составе он содержит  цитохромы b₅₅₆ и b₅₆₀,цитохром с, и железосерный белок Риске. По структуре и функции этот комплекс сходен с цитохромным комплексом b₆ — f тилакоидов хлоропластов. В присутствии убихинона комплекс III осуществляет активный трансмембранный перенос протонов.

В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду. _т. е. этот комплекс является цитохромом с: кислород-оксидоредуктазой (цитохромоксидазой). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохромы а и а₃ и два атома меди. Цитохром а₃ и Сив способны взаимодействовать с 0₂, на который передаются электроны с цитохрома а — Си_А. Транспорт электронов через комплекс IV сопряжен с активным транспортом ионов Н ⁺.