Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

распаде молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ФГА,   при дальнейшем описании

процесса мы дожны  учесть это

обстоятельство.

Следующая реакция  рассматриваемого процесса является

окислительной реакцией:

НС=О                                                                          

О=С ~ О-РО 3 Н 2

6.                              |                               |

2 НСОН   +  

2НАД+ + 2Н 3 РО 4 ---->   2

НСОН    + 2НАДН+Н+

|                                

|

Н 2 СО-РО 3 Н 2                                                                                                            

 Н 2 СО-РО 3 Н  2

ФГА                                                                                                        

1,3-дифосфоглице-

риновая   кислота

В ходе этой реакции, катализируемой дегидрогеназой 3 - фосфоглице - ринового

альдегида , происходит окисление ФГА в 1,3-дифосфоглицериновую

кислоту. Окисление  идет путем дегидрирования, а отщепленные от субстрата атомы

водорода переносятся  на НАД + с образованием восстановленной формы

кофермента. Энергия  окисления накапли-

вается в клетке , во-первых, в виде энергии восстановленного НАДН+Н + ,а,

во-вторых, в виде макроэргической связи продукта окисления с участвующей в

реакции фосфорной  кислотой, т.е. в макроэргической связи

1,3-дифосфоглицериновой  кислоты. 

В седьмой реакции  остаток фосфорной кислоты из

1,3-дифосфоглицерата вместе с запасом энергии, накопленной в макроэргической

связи, переносится  на АДФ с образованием АТФ:

О=С ~ О-РО 3 Н 2     СООН

| |

7.                          2   НСОН        + 2         АДФ ------>   2 НСОН   

+   2 АТФ

| |

Н 2 СО-РО 3 Н 2                                                                                                

 Н 2 СО-РО 3 Н  2

1,3-дифосфоглицериновая                                                                                    

3-фосфоглицериновая 

кислота                                                                            

кислота

Эта обратимая  реакция

катализируется  ферментом фосфоглицераткина - зой .

Далее идет обратимая  изомеризация 3-фосфоглицериновой кислоты в

2-фосфоглицериновую  кислоту при участии фермента  фосфоглицератмутазы :

СООН                                                     СООН

| |

8.                          2   НСОН       

------>    2   НСО-РО 3 Н 2

| |

Н 2 СО-РО 3 Н 2                                                                       

 Н 2 СОН 

В следующей , девятой  по счету , реакции идет отщепление воды от

2-фосфоглицериновой  кислоты: 

СООН                                                   СООН

| |

9.                          2   НСО-РО 3 Н 2 ------>   2   С ~ О-РО 3 Н 2 + 2  

Н 2 О 

|                                                                                           

|

Н 2 СОН                                                                                       

 СН 2

3-фосфоглицериновая                                                                   

Фосфоенолпировино-

кислота                                   градная

кислота ( ФЭП )

В ходе отщепления воды идет перераспределение электронной  плотности в

молекуле с образованием макроэргической связи между  вторым

атомом углерода

енольной формы  пировиноградной кислоты и остатком фосфорной кислоты. Реакция

обратима, она катализируется ферментом 

енолазой .

Накопленная в  макроэргической связи ФЭП энергия  вместе

с остатком фосфорной  кислоты в ходе следующей реакции  переносится на АДФ с

образованием АТФ. Реакция катализируется пируваткиназой .

СООН                                                                     СООН

!О.        |                       |

2   С ~ О-РО 3 Н 2 + 2 АДФ ------>  

2   С=О     +                                                                                                            

2 АТФ 

| |

CH 2                                                                                                                 

 СН 3

Реакция

сопровождается  потерей 7,5 ккал/моль энергии и в  условиях клетки практически

необратима.

Суммарное уравнение

первого этапа  аэробного окисления глюкозы:  

 Глюкоза + 2 АДФ 

2 Н 3 РО 4 + 2 НАД  + ---->

> 2 пируват + 2

АТФ + 2 НАДН+Н + + 2 Н 2 О  

 В ходе этого  этапа высвобождается 140

ккал/моль энергии, ос- новная ее часть ( около 120 ккал/моль ) накапливается

в клетке в виде энергии 2 АТФ и энергии 2 восстановленных  НАД +

из которого следует, что на

первом этапе  молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной

кислоты, при этом клетка на каждую молекулу  

расщепленной   глюкозы   получает 2 молекулы АТФ и две молекулы

восстановленного  НАДH+H + .

Регуляция работы

первого этапа  аэробного расщепления глюкозы  осуществляется с помощью

термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции

регуляторных ферментов, принимающих участие в работе этого метаболического

пути.

С помощью термодинамических  механизмов осуществляется

контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В

описанную систему  реакций включены три реакции, в  ходе которых теряется большое

количество энергии: гексокиназная ( G 0 =

- 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная  ( G 0 = -3,4 ккал/моль

) и пируваткиназная  ( G 0 = - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в  клетке

практически не обратимы, в особенности пируваткиназная  реакция, и за счет их

необратимости процесс  становится необратимым в целом.

Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому

метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности

включенных в  систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы

и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля

метаболического пути одновременно являются и участками, на которых

осуществляется  регуляция интенсивности потока метаболитов.

Главным регуляторным звеном системы является

фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими

концентрациями

АТФ в клетке, степень  аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается

при высоких концентрациях  цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим

активатором фосфофруктокиназы.

Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму

высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой

сопряженного регуляторного  механизма. В клетке после угнетения активности

фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит

накапливается и  Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой,

легко обратима. В  таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует

активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.

Очень сложно выглядит регуляция активности третьей

киназы - пируваткиназы. Активность фермента стимулируется  Гл-6-ф, Фр-1,6-бф

и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация  предшественником.

В свою очередь, высокие  внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата,

сукцинил-КоА и  жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому

механизму.

В целом, расщепление  глюкозы до пирувата тормозится на

уровне 3 указанных  киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях

хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии  в клетке

активация расщепления  глюкозы достигается,во первых, за счет снятия

аллостерического  ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и

аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ  и, во-вторых, за счет

аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и

ФГА.

Каков смысл ингибирования  цитратом фосфофруктокиназы и

цитратом и сукцинил-КоА - пируваткиназы? Дело в том, что из одной молекулы

глюкозы образуется две молекулы ацетил-КоА, который  за-

тем окисляется в  цикле

Кребса. Если в  клетке накапливаются цитрат

и сукцинил-КоА,   значит  

цикл   Кребса не справляется с

окислением 

уже наработанного

ацетил-КоА и  есть смысл притормозить его допол-

нительное

образование,   что   и достигается ингибированием фосфоф-

руктокиназы и

пируваткиназы.

Наконец, угнетение  окисления глюкозы на уровне

пируваткиназы при  повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение

глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным

видом энергетического  топлива.

2.1.1.2. Окислительное  декарбоксилирование

пирувата 

В аэробных условиях пировиноградная кислота

подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА. Это 

превращение   катализируется надмолекулярным пируватдегидрогеназным

комплексом , локализованным в

матриксе митохондрий. В состав пируватдегидрогеназного комплекса входят три

различных фермента: пируватдекарбоксилаза, дигидролипоатацетилтрансфераза и