И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Брожение 216 обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточного снабжения кислородом, т.е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу расгепия могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выживают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы (геа тауг) и табака (Мсог1ана гаЬасит) спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с лыханием. 4гЕ4.
СИНТЕЗ САХАРОВ ПРИ ОБРАЩЕНИИ ГЛИКОЛИЗА Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза: ь» г. ' пру Глюкоиеогппез Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые наказами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с гюмощью других ферментов и реакций (см. рис. 4.3). Для обращения реакции, катализируемой пируваткиназой, и получения ФЕП из пирувата необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозсля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при участии нируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12) с образованием оксалоацетата (ОАА).
В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата (!3) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, которая идет в направлении синтеза малага, так как соотношение НАДН/НАТ в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется ло ОАА (14). И наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависимой реакции, катализируемой ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (1би 17), катализируемых гексокиназой и фосфофруктокиназами, достигается при действии соответствующих дюсфатаз.
Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза, возможен синтез сахарозы при участии сахарозофосфатсинтазы. Таким образом, в метаболизме растений существует способ синтеза сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семенах тех растений, в которых запасными соелинениями являются жиры (см. подразл. 4.1.9). 4.1.5.
ОБРАЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ, АТФ И СОг В ЦИКЛЕ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энергии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюкоза. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СОь 217 Сначала окисление пирувата катализирует сложный нируеагндегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис. 4.4). В его состав входят три фермента (пируватдегндрогеназа, ди гидрол и поилтрансацетилаза, дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат — витамин Вн липоевая кислота, НАД', ФАД и коэнзим А).
В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоА — БН) — сложная молекула, в составе которой есть активная БН-группа. Коэнзим А функционирует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментативных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле ацетил-СоА.
Окислительное декарбоксилирование пирувата (1) пируватдегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД' до НАДН, опцеплением СОз и образованием ацетил-СоА. Ацетил-СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестящих работ, выполненных в лаборатории английского биохимика Г.А. Кребса в 30-х гг.
ХХ в. на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК вЂ” универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных организмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.
Первой реакцией цикла можно считать реакцию конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом с образованием нитрата (2), катализируемую циглрагнсинтазой (см. рис. 4.4). Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сначала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализирукпся одним ферментом — аконитазой Далее следуют две реакции окислительного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД' и выделением СОь Сначала НАД-зависимая изоцивратдегидрогеназа окисляет изоцитрат (4) с образованием а-кетоглутарата, СОз и НАДН.
Эта самая медленная реакция определяет скорость оборота всего цикла. Образованный и-кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению и-кегноггугнарагндегидрогеназным комнлексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО2 и сукцинил-СоА. Далее сукцинил-Со4-синтетаза катализирует превращение сукцинил- СоА в сукцинат (б), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинил-СоА.
Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ (животные). Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фермент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи — комплекс П. В холе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, которая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДНг прямо уходят в дыхательную цепь.
Таким образом, сукцинатлегидрогеназа— это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи (см. подразд. 4.2.3). Далее $умараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И наконец, цикл 218 со, о И з — С-З вЂ” СоА сн с=о 1 со Ацепи-СеА СО О- Н'О сн, ! н,о соо~~ НзО СООносн 1 сн, соо- 8 Малат 1 нсон 1 СН-СОО соо- 1 сн сн соо- Фуиарат соо- 1 с=о 1 сооо С А-ВН С1оо-; ~Н~ сн, снз со, со о- ! б 1сн, сооНАД+ ~ ~ЯР) АДФ СоА-БН П Фе ~ ФАДН Рис. 4.4. Окисление пирувата в матриксе митохондрий через пируватдегидрогеназный комплекс и цикл трикарбоновых кислот.
Оклслительное декарбоксилирование пируяата сопрово>едается выделением Соз, восстановлением НАДН и синтезом ацетил-СоА. В реакции, катализируемой цитратсинтазой, ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата. В ЦТК нитрат окисляется с выделением двух молекул Соь и результате вновь синтезируется оксалоацетат. В реакциях ЦТК образуются 3 НАДН и 1 ФАДНз, а такхге синтезируется 1 АТФ. Образованный оксалоацетат вновь реагирует с ацетил-СоА„запуская следующий оборот цикла. Реакции 1 — Р катализиру!от слелуюшие 4юрменты! 1 — пируватлегидрогеназный комплекс; 2 — цитратсинтаза; 3 — аконитаза; 4— НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа; 5 — о-кетоглутаратдегилрогеназный комплекс; 6— сукцинил-СоА-сннтетаза; 7 — сукцинатдсгидрогеназа; 8 — Фумараза; р — НЛЛ-зависимая ма- латдегнлрогеназа 219 замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД- зависимой малатдегидрогеназы. Это третья реакция цикла, в которой генерируются НАДН.
Хотя данная реакция легкообратима, т иоо ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Сдвиг происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя болыпинство реакций цикла обратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и а-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, физиологически необратимы и контролируют направление цикла. Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисления глюкозы „начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СОь Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, восстановлением ФАД и синтезом одной молекулы АТФ. Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ.
Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхательной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДНз — двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. подразд. 4.2.6 и 4.2.9). При полном окислении глюкозы 2НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8НАДН и 2ФАДН~ — в матриксе при окислении двух молекул пирувата.
При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фосфорилирования (2 АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра достаточно приблизительна и скорее всего завышена. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН, может быть меньше трех (см.
подразд. 4.2.7). 4.1.6. ОСОБЕННОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ МИТОХОНДРИЙ— ПРИСУТСТВИЕ МАЛИК-ЭНЗИМА Стабильная работы ЦТК во многом зависит от концентрации промежуточных соединений, а значит, и от процессов, связанных с их удалением или, наоборот, вовлечением в цикл. Многие интермедиаты цикла активно из него ухолят и используются в различных реакциях в цитозоле (см. подразд. 4. Е8). В связи с этим важное значение имеют так называемые анаплеротические реакции, которые катализируют взаимопревращение продуктов гликолиза и ЦТК, и при необходимости «подкармливают» цикл„пополняя пулы промежуточных соединений. Так, ФЕП-карбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из ФЕП: Фей-««рвоте«»аз« ФЕП+ НСОз ОАА+ Фн Как уже было показано (см. подразд.
4гй4; рис. 4.3), оксалоацетат может быть также синтезирован из пирувата при участии пируваткарбоксилазы: Глюкоза п~1' Фосфоенолпируват 1 АДФ Фн АТФ 221 Рис. 4.5. Альтернативные пути образования пирувата в растительной клетке. Образованный в гликолизе фосфоенолпируват (ФЕП) может метаболизировать с образованием пирувата или лилата. ФЕП-карбоксилаза катализирует взаимодействие ФЕП с НСОз с образованием оксалоацетага, который превращается в малат.
Мелах, как и пируват, поступает в митохондрии и может поддерживать ЦТК, превращаясь в пируват при участии малик-энзима. Реакции 1— 7кювлизируют ферменты: 1 — пируваткиназа; 2 — ФЕП-карбоксилаза; 3 — малатдсгидрогеназа в цитозоле; 4 — мачатдсгидрогсназа в митохондриях; 5 — малик-энзим; б — пируватдегидрогеназный комплекс; 7 — цитратсинтаза дируваткарбоксилаза П ируват + СОз + АТФ ОАА+ АДФ + Ф„ Молатдегидрогеназа катализирует легко обратимое взаимопревращение оксалоацетата и малага: НАД-зависимое малатдегидрогеиаза Малат + НАД' ОАА+ НАДН + Н Особый интерес вызывает функционирование в растительной клетке маликзлзима, который катализирует окислительное декарбоксилирование малата: НгсД'-зависимый малик-экзот Малат+ НАД' Пируват+ СОз + НАДН + Н' У растений малик-знзим присутствует не только в цитозоле, но и в митохондриях (НАД'-зависимая изоформа) и хлоропластах (НАДФ'-зависимая изоформа).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
