Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989
Стехиометрия и энергетика метаболических превращений
Дыхание
Дыхательная цепь
Оставив на время метаболизм соединений углерода, давайте проследим за реакциями, в которых атомы водорода окисляются до воды, — именно этот процесс в основном обеспечивает аэробные клетки энергией. В каждом единичном цикле ТКК высвобождаются четыре пары атомов водорода, три из которых переносятся к NAD, а одна, образующаяся при дегидрировании янтарной кислоты, как показано на рис. 5.7, переносится к флавинадениндинуклеотиду (FAD) (см. рис. 2.9). Высвобождающиеся в цикле ТКК восстанавливающие эквиваленты частично используются в биосинтетических реакциях, а частично — в регенерации АТР.
В последующем обсуждении регенерации АТР в процессе дыхания мы будем уделять особое внимание такой ситуации, когда в реакциях дыхательной цепи участвуют все атомы водорода, образующиеся при расщеплении глюкозы. Именно таким путем создается большая часть энергетических запасов клетки в виде АТР. На рис. 5.8 в сокращенном виде приведена последовательность реакций в дыхательной цепи, а также их связь с процессом полного расщепления пирувата через ацетил-СоА в цикле ТКК (Кребса). На этой схеме символами FP1 и FP2 обозначены два различных флавопротеина, которые представляют собой ферменты, содержащие FAD и участвующие в транспорте электронов. Электроны от NADH (NADH = FP1) передаются коферменту Q (обозначенному на рисунке символом Q); в этом процессе передача каждой пары электронов сопровождается фосфорилированием одной молекулы ADP до АТР. Электроны, высвобождающиеся в цикле ТКК в ходе дегидрирования сукцината, передаются при посредстве FAD (в FP2) непосредственно коферменту Q.
Начиная с этого момента судьба всех электронов одинакова: все они взаимодействуют с рядом цитохромов — гем-содержащих белков, обозначенных на рис. 5.8 символами b, с, а и а3. В ходе этого взаимодействия каждая пара электронов генерирует две молекулы АТР. Процесс регенерации АТР в дыхательной цепи называется окислительным фосфорилированием.
РИС. 5.8. Фосфорилирование ADP в дыхательной цепи с участием высокоэнергетических электронов высвобождающихся при окислении углеводов, жирных кислот и аминокислот (FP1 — NADH; FP2— сукцинатдегидрогеназа; Q — кофермент Q; b, с, а и а3 — соответствующие цитохромы). [Воспроизведено из работы; Lehninger A., Bioenergetics, 2d ed., р. 74, W. A. Benjamin, Inc., Palo Alto, CA, 1974.]
В конце концов атомы водорода вступают в реакцию с растворенным кислородом, в результате чего в качестве второго конечного продукта окисления образуется вода. Если проследить за изменениями свободной энергии на отдельных стадиях дыхательной цепи, нетрудно заметить, что АТР регенерируется во всех случаях, когда уменьшение свободной энергии превышает величину 7,3 ккал/моль, необходимую для фосфорилирования ADP.
Таким образом, все происходящие в дыхательной цепи реакции в конечном счете описываются следующими уравнениями:
NADH + H+ + 1/2O2 + 3ADP + 3Pi→ NAD+ + 4H2O + 3ATP (5.20)
и
FADH2 + 1/2O2 + 2ADP + 2Pi → FAD + 3H2O + 2ATP (5.21)
Потенциальные возможности дыхания в отношении обеспечения клетки энергией намного превосходят возможности гликолиза, поскольку изменение стандартной свободной энергии ∆G⁰' в реакции
Глюкоза + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O (5.22)
составляет —686 ккал/моль. Можно проверить, насколько эффективно используется этот богатый источник энергии в живых аэробных организмах. Для сравнения с реакцией (5.22) допустим, что глюкоза полностью окисляется до СO2 и Н2O по метаболическим путям ЭМП, ТКК и в дыхательной цепи. При этом не следует забывать, однако, что путь ЭМП и цикл ТКК являются амфиболическими и что, следовательно, часть промежуточных соединений постоянно отвлекается, включаясь в биосинтетические пути метаболизма. Поэтому на самом деле глюкоза не всегда претерпевает именно эти превращения, и приведенные ниже расчеты позволяют оценить только высший предел выхода АТР из глюкозы в аэробной клетке.
Путем сложения уравнения (5.12); (путь ЭМП) с умноженным на два уравнением (5.19) (цикл ТКК), умноженным на десять уравнением (5.20) [окисление всех NADH + H+, образующихся по пути ЭМП (дважды), и реакций цикла ТКК (четыре раза)] и умноженным на два уравнением (5.21) [окисление FADH2] получим
С6Н12O6 + 38ADР + 38Рi + 6O2 → 6СO2 + 38АТР + 44Н2O (5.23)
Поскольку изменение стандартной свободной энергии при гидролизе АТР равно —7,3 ккал/моль, то изменение свободной энергии в реакции (5.23) составит приблизительно
∆G⁰' ≈ (38 моль ATP/моль глюкозы) (7,3 ккал/моль АТР) =
=-277 ккал/моль глюкозы (5.24)
Эта величина в 19 раз превышает энергию, усваиваемую клеткой в ходе гликолиза. Как и в гликолизе, эффективность процесса дыхания очень высока:
Если ввести поправки на нестандартные концентрации в клетке, то мы получим поразительно высокую степень эффективности, превышающую 70%. Большая часть не использованной в процессе регенерации АТР энергии рассеивается в виде теплоты, которая должна тем или иным способом отводиться, чтобы температура не вышла за рамки допустимых для клетки физиологических пределов.
Поскольку в практической термодинамике химические машины обычно не изучаются, здесь может оказаться полезной аналогия с классическим примером сжатия газа в цилиндpе с поршнем. Если газ сжимают быстро, то большое количество энергии теряется в виде теплоты и поэтому не может быть использовано при последующем расширении. Аналогичным процессом является совершенно неэффективное сжигание глюкозы на воздухе. К идеальному обратимому процессу приближается сжатие газа путем очень медленного движения поршня, когда выделяется минимальное количество тепла. Точно так же и процессы в живой клетке приближаются к обратимым и максимально эффективным с точки зрения извлечения энергии благодаря тому, что окисление глюкозы осуществляется в несколько стадий, каждая из которых характеризуется относительно небольшим изменением свободной энергии.
Описанные выше реакции в дыхательной цепи типичны для обычной эукариотической клетки. В случае прокариот транспорт электрона к атому кислорода может сопровождаться фосфорилированием менее трех молекул ADP. Кроме того, цитохромный путь может несколько видоизменяться в зависимости от вида прокариоты, а на эффективность фосфорилирования могут влиять условия роста клеток. Для оценки эффективности усвоения энергии в дыхательной цепи используется особый параметр, отношение P/O, равное числу актов фосфорилирования в расчете на один усвоенный атом кислорода.
Позднее в этой главе мы узнаем, каким образом степень окисления субстрата и биосинтетические потребности клетки совместно налагают определенные ограничения на стехиометрию амфиболических путей. Прежде, однако, мы завершим наш обзор путей метаболизма как источников энергии, вкратце рассмотрев фотосинтез — процесс преобразования энергии, без которого была бы невозможна жизнь на земле.