СОВРЕМЕННАЯ БОТАНИКА - П. РЕЙВН - 1990
РАЗДЕЛ II. ЭНЕРГИЯ И ЖИВЫЕ КЛЕТКИ
ГЛАВА 6. ДЫХАНИЕ
Дыхание — это процесс, в результате которого энергия углеводов передается на АТР — универсальную энергонесущую молекулу — и, таким образом, может использоваться в метаболических процессах клетки (рис. 6-1). В дальнейшем будет подробно описано, как в клетке осуществляется распад углеводов и хранение выделившейся при этом энергии в виде высокоэнергетических фосфатных связей АТР. Детальное описание этого процесса позволит достаточно полно проиллюстрировать как химические принципы, описанные в предыдущих главах, так и отдельные этапы биохимической работы клеток.
Рис. 6-1. Митохондрия из клетки листа папоротника Regnellidium diphyllum. В митохондриях происходит процесс дыхания, в результате которого химическая энергия углеродсодержащих соединений запасается в виде АТР. В основном АТР синтезируется на поверхности крист с участием ферментов, которые встроены в мембраны крист
В гл. 3 уже упоминалось, что богатые энергией углеводные молекулы запасаются в растениях в виде сахарозы или крахмала. Необходим предварительный этап, чтобы гидролизовать эти молекулы в моносахариды. Считается, что дыхание как таковое начинается с расщепления глюкозы — строительного «блока» сахарозы и крахмала.
Глюкоза может использоваться как источник энергии в аэробных (О2) и в анаэробных (без О2) условиях. Однако максимальный энергетический выход при окислении органических веществ достигается только при аэробных условиях. Например, общее уравнение реакций полного окисления глюкозы может быть записано следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 —> 6СО2 + 6Н2О + энергия.
Данная реакция в присутствии кислорода — конечного акцептора электронов — высокоэкзергонична (∆G= — 686 ккал/моль). Она в целом выражает процесс, называемый дыханием. (Процесс расщепления органических веществ с выделением энергии без участия кислорода называется брожением и будет описан ниже.)
Процесс дыхания можно подразделить на три стадии: гликолиз, цикл Кребса и электронотранспортную цепь. В процессе гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты, или пирувата. (Пировиноградная кислота диссоциирует, образуя пируват и ион водорода. Пировиноградная кислота и пируват существуют в динамическом равновесии, и поэтому могут употребляться оба названия.) Молекулы пирувата далее окисляются до двуокиси углерода и воды в цикле Кребса и электронотранспортной цепи.
Когда молекула глюкозы окисляется, часть энергии выделяется в результате отдельных, последовательно идущих реакций и запасается в виде АТР.
В соответствии со вторым законом термодинамики часть этой химической энергии рассеивается в виде тепла. У птиц, млекопитающих и некоторых других позвоночных тепло, выделяемое при дыхании, тем или иным образом сохраняется, и поэтому температура их тела, как правило, выше температуры окружающей среды. У растений скорость дыхания относительно невелика, поэтому выделяемое тепло не влияет на температуру самого растения. Однако у некоторых растений, например, филодендрона (Philodendron) или «скунсовой капусты» (Symplocarpus foetidus) в период быстрого роста, связанного с цветением, температура поднимается и на 20°С превышает температуру окружающей среды.
Гликолиз
Гликолиз (от glyco, что означает сахар, и lysis, что означает расщепление) включает девять последовательных реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом (рис. 6-2). Данная последовательность реакций осуществляется практически во всех живых клетках — от бактерий до эукариотических клеток растений и животных. Гликолиз — это анаэробный процесс, происходящий в основном веществе цитоплазмы (иногда называемом цитозолем). С биологической точки зрения гликолиз в известной степени можно рассматривать как достаточно примитивный процесс, поскольку, вероятно, он возник до появления кислорода в атмосфере Земли и формирования клеточных органелл.
Рис. 6-2. Первая из девяти реакций гликолиза, которые будут описаны ниже, заключается в переносе «высокоэнергетической» фосфатной группы от АТР к молекуле глюкозы. В данной реакции расходуется энергия. Подобно другим реакциям гликолиза, она тоже катализируется специфическим ферментом
Гликолитический путь в деталях показан на рис. 6-3. При рассмотрении последовательности реакций обратите особое внимание на то, как происходит шаг за шагом распад углеродного скелета молекулы глюкозы. Данные этапы приводятся нс для заучивания, просто тщательно разберите их. Внимательно проследите за образованием ATР из ADP и NADH2из NAD (если быть точными, то следует писать NAD+ и NADH + Н+, однако мы будем пользоваться более простыми обозначениями). АТР и NADH2 представляют собой суммарный энергетический вклад гликолиза в жизнедеятельность клетки.
Рис. 6-3. Реакции гликолиза
Реакция 1. Первая реакция гликолиза требует энергетических затрат. Необходимая энергия активации выделяется при гидролизе АТР до ADP. Концевая фосфатная группа молекулы АТР переносится на молекулу глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Часть энергии, образуемой при распаде АТР, запасается в форме химической связи фосфата с глюкозой. Фосфорилирование глюкозы катализируется ферментом гексокиназой. (Каждая из реакций, которые будут описаны ниже, катализируется специфическим ферментом.)
Реакция 2. В данной реакции молекула глюкозо-6-фосфата видоизменяется с помощью специфического фермента. Шестиуглеродное кольцо глюкозы превращается в пятиуглеродное кольцо фруктозы. Как показано на рис. 3-2, молекулы глюкозы и фруктозы имеют одинаковое число атомов (С6Н12О6), но различаются по их расположению. Эта реакция обратима, но она протекает по прямому пути благодаря накоплению глюкозо-6-фосфата как продукта реакции 1 и тому, что фруктозо-6-фосфат расходуется в реакции 3.
Реакция 3. В результате этой реакции, подобной реакции 1, фосфат присоединяется к первому углеродному атому молекулы фруктозы с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата (т. е. молекулы фруктозы с фосфатными группами в 1-м и 6-м положениях). Превращение молекулы глюкозы в высокоэнергетическое соединение фруктозо-1,6-бисфосфат сопровождается, таким образом, расщеплением двух молекул АТР. Пока что энергия только расходуется, однако, как мы увидим в дальнейшем, общий выход энергии будет больше, чем необходимо для возмещения первоначальных энергетических затрат.
Реакция 4. В гликолизе — это реакция расщепления. Молекула фруктозо-1,6-бисфосфата расщепляется на две взаимопревращаемые трехуглеродные молекулы — глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат. Однако, поскольку глицеральдегид-3-фосфат используется в последующей реакции, весь дигидроксиацетонфосфат в конечном счете превращается в глицсральдегид-3-фосфат. Реакция 4 завершает подготовительный этап гликолиза, на котором расходуется энергия АТР. Поскольку из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы глицсральдсгид-3-фосфата, обе половины молекулы вовлекаются на втором этапе гликолиза в одни и те же реакции.
Реакция 5. В данной реакции две молекулы глицеральдегид-3-фосфата окисляются, т. е. отдают атомы водорода с их электронами, и в результате NAD превращается в NADH2. Это первая из двух реакций, которые приводят к запасанию энергии. Энергия реакции окисления используется для присоединения добавочной фосфатной группы в положение 1 каждой молекулы глицеральдегида. (Символом Рi обозначают неорганический фосфат, который в цитоплазме представлен фосфатным ионом.) При этом образуется высокоэнергетическая связь (~).
Реакция 6. Фосфатная группа переходит с молекулы глицерат-1,3-бисфосфата на молекулу ADP (в целом образуются две молекулы АТР на одну молекулу глюкозы). Это высокоэкзергоническая реакция, и она стимулирует протекание всех предыдущих реакций гликолиза.
Реакция 7. Оставшаяся фосфатная группа переносится в молекуле глицерата из положения 3 в положение 2.
Реакция 8. Молекула воды отщепляется от трехуглеродного соединения, и в результате этой внутренней перестройки образуется высокоэнергетическая фосфатная связь.
Реакция 9. Фосфатная группа переносится на ADP, при этом снова образуется АТР (т. е. на одну исходную молекулу глюкозы образуются две молекулы АТР). Данная экзергоническая реакция завершает гликолиз.
Полный баланс гликолиза
Гликолиз начинается с расщепления одной молекулы глюкозы (рис. 6-4). Энергия расходуется в реакциях 1 и 3 в результате переноса фосфатной группы с молекулы АТР на молекулу сахара. В ходе реакции 4 шестиуглеродная молекула расщепляется и, начиная с этого момента, происходит накопление энергии. В реакции 5 две молекулы NADвосстанавливаются до двух молекул NADH2 и запасается значительная часть энергии, высвобождающейся при окислении глицсральдсгид-3-фосфата. В реакциях 6 и 9 две молекулы ADP фосфорилируются с образованием двух молекул АТР. (Фосфорилирование, происходящее в процессе гликолиза, называют фосфорилированием на уровне субстрата.)
Рис. 6-4. Общая схема гликолиза. Две молекулы АТР и две молекулы NADH2, образующиеся в результате гликолиза, — энергетический выход данного процесса. Большая часть энергии, запасенной в исходной молекуле глюкозы, в конце концов переходит в две молекулы пирувата
Гликолиз (от глюкозы до пирувата) может быть выражен следующим суммарным уравнением:
Таким образом, одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата. Общий итог запасания энергии — по две молекулы АТР и NADH2. Общее сдержание энергии в двух молекулах пиру вата составляет 546 ккал (т. е. большую часть от 686 ккал, которые запаслись в виде исходной молекулы глюкозы).
Характерно, что гликолиз включает последовательность окислительно-восстановительных реакций. Сравним исходный субстрат гликолиза — глюкозу — с конечным продуктом — пируватом. Метильная группа -СН3 пирувата образована первым и последним атомами углерода исходной молекулы глюкозы, и они более восстановлены в пирувате, чем в глюкозе. Напротив, карбоксильная группа -СООН пирувата образована двумя центральными атомами глюкозы, и они более окислены в пирувате, чем в глюкозе.