Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты, их количественные соотношения в составе

комплекса зависят  от источника выделения, как правило  это соотношение

приближается к 30:1:10.

Первый фермент  этого

комплекса - пируватдекарбоксилаза ( Е1) катализирует реакцию:                        

 Н 

СН 3 -СО-СООН

+   ТДФ-Е1 ---- > СО 2 + СН 3 - С-ТДФ-Е1

ОН 

с образованием   углекислого газа и активированного

ацетальдегида,

связанного с

тиаминдифосфатом - простетической группой фермента.

Второй фермент - дигидролипоатацетильрансфераза ( Е2 ) катализирует два

последовательных  превращения:

а) на первом этапе  идет перенос активированного

остатка ацетальдегида на простетическую группу фермента - липоевую кислоту,

причем этот перенос  сопровождается одновременным окислением альдегидной группы

до карбоксильной  группы:

Н                              S\                                                      

HS\

СН 3 -С

-ТДФ-Е1 + | ЛК-Е2 ---- >             ЛK-Е2   +   ТДФ-Е1

ОН                           S/                                     CH 3 -

C- S/

O

б) на  

втором   этапе   остаток  

ацетила переносится  с липоевой

кислоты, жестко

связанной с ферментом, на свободный HS-КоА:

HS\                                                                  HS\

ЛК-Е2   +  

HS-KoA ---- >     

ЛК-Е2   +   СН 3 - С-S-КоА

СН 3 -C-

S/                                                                        HS/                                        

 О 

О

Образуются ацетил-КоА  и фермент Е2 с восстановленной  формой кофермента.

Третий фермент - дегидрогеназа дигидролипоевой  кислоты катализирует

превращение восстановленной  формы липоевой кислоты

предыдущего фермента в окисленную форму:

HS\                                                                        S\

ЛК-Е 2 +   НАД + ------- >    | ЛК-Е 2 +    НАДН+Н +

HS/                                                                           Е

3                                 S/

В состав фермента входит в качестве простетической группы ФАД и

фактически атомы  водорода с восстановленной формы  липоевой кислоты вначале

переносятся на ФАД, а затем уже переносятся на НАД + с образованием

его восстановленной  формы.

Следует напомнить, что при окислении глюкозы  образуется

2 молекулы пирувата, что следует учесть при написании  суммарного уравнения

окислительного  декарбоксилирования пирувата:  

2Пируват 

2НАД 

2HS

КоА

>2Ацетил 

КоА

2НАДН 

2СО 2  

 В ходе окисления  2 моль пирувата

высвобождается  около 120 ккал энергии, из них около 100 ккал накапливается

ввиде энер- гии  восстановленного НАД. Остальная энергия  рассеивается в виде

теплоты.

Превращение пирувата в ацетил-КоА в ходе

функционирования  пируватдегидрогеназного комплекса  необратимо, посколько

сопровождается потерей 11,5 ккал/моль энергии в расчете на 1 моль окисленного

пирувата. Таким  образом, мы имеем дело еще с одним  пунктом термодинамического

контроля в общей  метаболической системе 

аэробного окисления

глюкозы.

Контроль интенсивности  потока метаболитов по пируватдегидрогеназному

комплексу осуществляется за счет работы двух механизмов: ковалентной

модификации и  аллостерической модуляции. Ковале-

нтная модификация  реализуется в виде фосфорилирования и дефосфорилирования

комплекса:

Н 3 РО

<-- Н 2 О 

-------------------

- --------------------------------------

|             Фосфатаза |

Активный <--                                                                                                                                                                 
 

 Неактивный 

комплекс          -->                                                                                              

 комплекс 

|     Киназа |

----------------------------------------

----------------

| |

АТФ                                  --> АДФ

Фосфорилирование

усиливается    при    высоких                                       

соотношениях 

АТФ/АДФ, НАДН/НАД + и ацетил-КоА/КоА. Иначе говоря,

активность комплекса  снижается, если клетка хорошо обеспечена энергией ( мно-

го

АТФ   и  

НАДН   )                или же цикл Кребса не справляется

с окислением

имеющегося ацетил-КоА. А дефосфорилирование стимулируется  по аллостерическому

механизму пируватом, т .е. накопление пирувата в клетке ускоряет его утилизацию

- уже известный  нам механизм стимуляции предшественником.

Образовавшийся  ацетил-КоА, как уже неоднократно

упоминалось. поступает  в цикл трикарбоных кислот, работа которого сопряжена с

функционированием цепи дыхательных ферментов. При  функционировании этих двух

метаболических  путей остаток ацетила окисляется до углекислого газа и воды.

В качестве напоминания  можно привести суммарную реакцию  окисления

ацетила ( из ацетил-КоА ) в цикле Кребса:

Ацетил-КоА

+ НАД + + ФАД + ГДФ + Ф + 2Н 2 О   ----- >

------ > 2 СО 2 + КоА  + ГТФ + 3 НАДН+Н + + ФАДН 2

Далее уже можно  написать суммарное уравнение для  всех

трех этапов окисления  молекулы глюкозы:  

 Глюкоза + 2 АДФ  + 2 ГДФ + 4Ф

+ 10 НАД + + 2 ФАД        ---- > 6 СО 2 + 2 АТФ + 2 ГТФ + 10 НАДН+Н +

2 Н 2 О --- >

2 ФАДН2

Из уравнения  следует, что аэробное окисление  одной

молекулы глюкозы  сопровождается образованием 6 молекул  углекислого газа, 4

макроэргов ( 2АТФ  и 2 ГТФ ), а также 12 восстановленных  коферментов ( 10 НАДН

и 2 ФАДН2)

Полный расчет

энергетической  эффективности аэробного окисления глюкозы можно произвести,

руководствуясь  следующей далее схемой:

2АДФ                                       4 АТФ                 2НАДН+Н +                          

2НАДН+Н +

2АТФ ^                                                4 АДФ +2 Ф ^   2НАД+ ^                                                    

2НАД+ ^

----                                                       -------      -------          

-------

Глюкоза ------> 2 ФГА --------------------> 2 Пируват ---------->

|

--> 2 СО 2

2 ГТФ                    6НАДН+Н +                    2ФАДН 2

2 ГТФ +2 Ф ^                                 6НАД + ^                           

2ФАД    ^

-------        -------         ------

---> 2 Ацетил - КоА  ----------------------------------------> 4 СО 2

На схеме   видно следующее:

а) на первом этапе  при фосфорилировании гексоз расходуется

2 АТФ ;

б) за счет

субстратного окислительного фосфорилирования клетка получает 6 макроэргических

эквивалентов ( 4АТФ + 2ГТФ)

в) за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных

ферментов, куда будут  поступать атомы водорода с восстановленных коферментов,

клетка получит 34 молекулы АТФ ( З0 молекул АТФ за счет окисления 10 НАДН и

еще 4 молекулы АТФ  за счет окисления 2 молекул ФАДН 2 ).

Таким образом, при  окислении 1 молекулы глюкозы до углекислого газа

и воды клетка получит 38 молекул АТФ ( 40 синтезируется и 2 расходуется ).

Оценка энергетической эффективности процесса в плане

аккумуляции энергии окисления может быть проведена исходя из того,

что свободная  энергии

гидролиза моля макроэргических  связей АТФ в 

стандартных условиях составляет -7,3 ккал. В таком случае окисление 1

моля глюкозы  сопровождается аккумуляцией в АТФ  и ГТФ 278 ккал энергии, что

составляет около 40% от общего количества энергии, высвобождающейся при

окислении 1 моля глюкозы (686 ккал).

Второй важной функцией аэробного окисления глюкозы

является пластическая функция. Из промежуточных продуктов  ее окисления

синтезируется много  различных соединений, необходимых  клетке:

а) Гл-6-ф используется в клетке для синтеза пентоз и

глюкуроновой кислоты,

б) Фр-6-ф   -  

для синтеза аминосахаров,

в) ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для

синтеза глицеролсодержащих липидов,

г) 3-фосфоглицериновая  кислота - для синтеза заменимых

аминокислот: серина, глицина и цистеина,

д) ФЭП - для синтеза  сиаловых кислот, используемых при

синтезе гетероолигосахаридов,

е) пируват - для

синтеза аланина 

ж) ацетил-КоА - для

синтеза жирных кислот и стероидов. Безусловно, этот   перечень может быть

продолжен.  

Важно отметить, что  атомы углерода из молекулы глюкозы  могут оказаться

в   составе соединений различных

классов,   что было однозначно доказано с

помощью метода меченых атомов.

2.1.3. Аэробное окисление

других углеводов 

В процессе пищеварения  из кишечника в кровь в ощутимых

количествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих

соединений в  клетках уже на начальных этапах происходит образование

метаболитов, общих  с рассмотренным нами путем распада  глюкозы.

2.1.3.1. Начальный  этап метаболизма