Глюкозо-6-фосфат, образованный в начале гликолиза  в результате фосфорилирования глюкозы, может подвергаться дальнейшим преобразованиям в окислительном пентозофосфатном цикле (нельзя смешивать с восстановительным пентозофосфатным циклом при фотосинтезе). Пентозофосфатный цикл, или гексозомонофосфатный шунт, часто называют апотомическим окислением в отличие от гликолитического цикла, называемого дихотомическим (распад гексозы на две триозы). Цикл условно можно разделить на две фазы: непосредственно окислительную и регенерации. Первая включает превращение глюкозо-6-фосфата и двух молекул НАДФ в рибулозо-5-фосфат, две молекулы НАДФ Н и С0₂ (рис. 60). Вначале глюкозо-6-фосфат окисляется дегидрогеназой, в результате чего образуются НАДФН и 6-фос-фоглюконовая кислота:

СбН11О6(Н₂Р04) + НАДФ + Н₂0 = С6Н11Об(Н₂Р04) + НАДФН,

которая затем  подвергается декарбоксилированию  с образованием пятиуглеродных фосфорилированных Сахаров (рибозо-5-фос-фат) и С0₂: СбН11О6(Н₂Р0₄) + НАДФ = С5Н90₄(Н₂Р0₄) + НАДФ Н + С0₂.

Рибозо-5-фосфат способен переходить в ходе реакции  изомеризации в кетоформу рибулозо-5-фосфат. Эти сахара выполняют в клетке разные функции: они включаются в полимеры клеточной стенки (пентозаны), расщепляются при обмене веществ с образованием С0₂, Н₂0 и АТФ, включаются в нуклеотиды РНК и ДНК или участвуют в синтезе высокоэнергетических соединений, таких, как АТФ.

В фазе регенерации  участвуют только фосфорные эфиры  Сахаров, причем те же, что и в фотосинтетическом цикле Кальвина. В ходе процесса образуются седогептулозо-7-фосфат, эритрозо-4-фосфат, фруктозо-6-фосфат и ФГА. Наличие общих промежуточных продуктов в цикле Кальвина и ОПЦ свидетельствует о том, что эти соединения могут переходить в случае необходимости из одного цикла в другой. Совокупность реакций ОПЦ заключается в том, что из шести молекул глюкозо-6-фосфата одна молекула окисляется до С0₂, а остальные пять регенерируют вновь и выходят из цикла. При этом восстанавливаются 12 молекул НАДФ. Суммарное уравнение ОПЦ выглядит так:

6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 7Н₂0 -> 5 глюкозо-6-фосфат + 6С0₂ + 12НАДФ Н + 12Н⁺ + Н3РО4.

ОПЦ представляет собой анаэробное окисление, сопровождаемое в отличие от гликолиза выделением С0₂. Этот процесс, так же как и гликолиз, локализован в цитоплазме, но частично происходит и в пластидах. В цикле восстанавливаются 12 молекул НАДФ, и в результате транспорта электронов от НАДФН по дыхательной цепи митохондрий синтезируется 12 • 3 = 36 молекул АТФ. Чистый выход энергии за вычетом молекулы АТФ, потраченной на фосфорилирование глюкозы, составит 35 молекул АТФ. Однако наибольшее значение этот цикл имеет как источник водорода из НАДФН, необходимого для восстановительного синтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений. Эритрозо-4-фосфат — промежуточный продукт цикла — принимает непосредственное участие в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза фенолов, ауксинов и других ароматических физиологически активных соединений.

В регуляции  скорости пентозофосфатного цикла наряду с концентрацией Рн, контролирующего также гликолиз, важную роль играет содержание НАДФ⁺, которое тесно коррелирует со скоростью ОПЦ. Так, например, восстановительное аминирование кетокислот, как и другие биосинтезы, протекающие с использованием НАДФН и соответственно увеличением НАДФ⁺, активирует ОПЦ. Важную роль в переключении с гликолиза на ОПЦ играет эритрозо-4-фосфат.

66. Электронно-транспортная  дыхательная цепь.

В рассмотренных реакциях цикла Кребса и при гликолизе молекулярный кислород не участвует. Потребность в кислороде возникает при окислении восстановленных переносчиков НАДН и ФАДН2, в которых заключена значительная энергия. Процесс высвобождения энергии, осуществляемый постепенно, заключается в передаче электронов от НАДН и ФАДН2 по ЭТЦ на свободный кислород, который, таким образом, служит терминальным акцептором электронов. ЭТЦ растений состоит из четырех мульти-белковых комплексов и двух небольших компонентов — убихинона и цитохрома с, расположенных как на внутренней мембране митохондрий, так и внутри нее. Комплексы I, III и IV представляют собой пункты сопряжения транспорта электронов с фосфорилированием. Компоненты дыхательной цепи (переносчики электронов) в определенной мере мобильны, поскольку они как бы представляют собой составную часть жидкого липидного бислоя и, по данным Б. Чанса и др. (1956), расположены в порядке, указанном на рисунке 61.

Следовательно, ЭТЦ представляет сложное образование, состоящее из нескольких десятков белковых молекул и лежащее между метаболитами цикла ТКК с одной стороны и кислородом воздуха с другой. Белки выполняют в основном структурную функцию, входят в состав сопрягающего фактора, а также являются переносчиками электронов. Простетическими группами белков-переносчиков служит, как отмечалось, наряду с флави-ном и гемом железо, имеющее переменную валентность и, следовательно, легко переходящее из одной формы в другую. Например, в гемсодержащих цитохромах поступающие к ним по ЭТЦ электроны восстанавливают железо, переводя его из окис-ной формы (Fе³⁺) в закисную (Fе²⁺). Каждый такой переносчик находится на несколько более низком уровне восстановленности чем его предшественник, и в соответствии с этим содержит меньше энергии. Зная окислительно-восстановительный потенциал отдельных компонентов ЭТЦ, их можно расположить в порядке его убывания — от -0,32 у дыхательного субстрата до +0,82 у кислорода.

Электроны скатываются  с этой «энергетической» горки благодаря разности потенциалов не сразу, а постепенно, что позволяет, во-первых, избежать неэффективного выброса энергии и, во-вторых, связать энергию в форме химических связей АТФ (образуемых из АДФ и Рн. В этом, по существу, и заключается физиологический смысл транспорта электронов.

На каждую молекулу НАДН, передающую свои электроны в  ЭТЦ синтезируются три молекулы АТФ, а на каждую молекулу ФАДН2 - две. Процесс фосфорилирования АДФ с  образованием АТФ, сопряженный с транспортом электронов от дыхательного субстрата к 0₂, получил название окислительного фосфорилирования. Этот процесс является основным источником энергии АТФ в клетке в нормальных физиологических условиях, требующим достаточно сложной структуры как ЭТЦ дыхания, так и самих митохондрий. Нарушение в любой точке цепи переноса электронов при стрессе полностью блокирует транспорт электронов. Так, дыхательные яды (цианид, окись углерода) могут со-, единиться с железом цитохромов, вследствие чего Fе не переходит в Fе²⁺. В этом случае функция энергообеспечения клетки переходит к гликолизу как к более надежному и филогенетически относительно старому механизму и к окислительному пентозофосфатному циклу, который не блокируется при обработке динитрофенолом. Не случайно активность ОПЦ заметно возрастает при дефиците питания, влаги, света, а также при старении.

67. Аэробная фаза  дыхания (цикл  Кребса).

Субстратом  цикла трикарбоновых кислот (ТКК) служит ПВК, окисляющаяся в аэробных условиях в строме митохондрий до СО2 и Н2О. По существу, цикл представляет собой окислительное декарбоксилирование ПВК в ходе ряда реакций, названных в совокупности циклом Кребса ПВК перед вступлением в цикл подвергается окислительному декарбоксилированию с участием дегидрогеназы ПВК. ПВК импортируется или из цитозоля как продукт гликолиза, или образуется из яблочной кислоты. Коферменты А и НАД также вступают в эту реакцию, в результате чего образуются ацетил-КоА с высокоэнергетической тиоэфирной связью, НАДН и С02

Для успешного протекания данной реакции необходимы также другие кофакторы, включая ФАД, липоевую кислоту, тиамин пирофосфат и двухвалентные катионы. В дальнейшем фермент цитратсинтаза катализирует реакцию конденсаций ацетил-КоА, ЩУК и воды с образованием лимонной кислоты и комплекса КоА-SН. Эта реакция ответственна за вхождение углерода в цикл Кребса и, следовательно, контролирует его прохождение по циклу.

В следующей  реакции фермент аконитаза превращает лимонную кислоту в цис-аконитовую, которая затем трансформируется в изолимонную кислоту. Последняя под воздействием НАД-за-висимой изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение — щавелевую кислоту, которая сразу же декарбоксилиру-ется с образованием а-кетоглутаровой кислоты. При этом образуется НАДН, а также первая в цикле и вторая после начала метаболизации ПВК молекула СО2

В ходе последующего окислительного декарбоксилирования  а-кетоглутаровой кислоты с помощью  сс-кетоглутаратдегидроге-назного  комплекса образуются НАДН, сукцинил-КоА  и выделяется СО2. Сукцинил-КоА в присутствии Рн и АДФ, в свою очередь, превращается в сукцинат (янтарная кислота), что сопровождается образованием АТФ в процессе субстратного фосфори-лирования. Сукцинатдегидрогеназа, коферментом которой служит ФАД, катализирует обратимое превращение янтарной кислоты в фумаровую с образованием ФАДН2 во время реакции.

Фумаровая кислота, реагируя с водой в присутствии  фумарат-гидратазы, образует яблочную кислоту (малат), которая затем с  помощью НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в ЩУК. При этом образуется НАДН, а ЩУК может принимать участие в дальнейших реакциях цикла Кребса. Центральную роль в регуляции цикла Кребса играет отношение [ НАДН ]/[ НАД ] Расходование ацетил-КоА на метаболические потребности клетки, например на синтез жирных кислот, также может контролировать вход углерода в цикл Кребса.

В ходе реакции цикла потребляются одна молекула ПВК, четыре НАД, одна АДФ, одна ФАД, две молекулы воды и синтезируются четыре молекулы НАДН, одна АТФ, одна ФАДН2, две молекулы воды и выделяются три молекулы СО2. При этом от компонентов цикла отщепляется пять пар атомов водорода (электронов). Поскольку на каждую расщепляющуюся молекулу глюкозы приходятся два оборота цикла Кребса (если промежуточные продукты не извлекаются из гликолиза и цикла ТКК на другие метаболические нужды), соответственно указанный энергетический выход также удваивается.

Электроны НАДН и ФАДН2, образованные в цикле  Кребса, могут передаваться по ЭТЦ, образуя АТФ из АДФ и Рн при  окислительном фосфорилировании. Окисление каждой молекулы НАДН или НАДФ(Н) дает три молекулы АТФ, а окисление ФАДН2 — две АТФ. Следовательно, при полном окислении ПВК образуются 15 молекул АТФ и 30 АТФ при двух оборотах цикла Если сюда добавить 8 АТФ, образованных в ходе гликолиза, получается 38 АТФ, синтезированных при полном окислении молекулы глюкозы. Принято считать, что энергия третьей сложноэфирной фосфатной связи АТФ равняется примерно 42 кДж/моль (10 ккал/моль). Отсюда следует, что при полном окислении глюкозы до СО2 и Н2О образуется 1591 кДж/моль (380 ккал/моль) энергии, в то время как изменение свободной энергии составляет 2872 кДж/моль (686 ккал/моль). Таким образом эффективность использования энергии составляет = 55 %.

68. Анаэробная фаза  дыхания (гликолиз). Субстратное фосфорилирование.

Гликолиз - процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого является ПВК. Гликолиз — общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах.

Этапы гликолиза, фосфорилированис на уровне субстрата.

Цепь  реакций, составляющих суть гликолиза, можно разбить на три этапа:

I. Подготовительный этап - фосфорилирование гексозы и ее расщепление на две фосфотриозы.

II. Первое субстратное фосфорилированис, которое начинается с 3-фосфоглицеринового альдегида и кончается 3-фос-фоглицериновой кислотой. Окисление альдегида до кислоты связано с освобождением энергии. В этом процессе на каждую фосфотриозу синтезируется одна молекула АТР.

III. Второе субстратное фосфорилирование, при котором 3-фосфоглицериновая кислота за счет внутримолекулярного окисления отдает фосфат с образованием АТР.

Поскольку глюкоза стабильное соединение, на ее активацию необходима затрата  энергии, что осуществляется в процессе образования фосфорных эфиров глюкозы в ряде подготовительных реакций. Глюкоза (в пиранозной форме) фосфорили-руется АТР с участием гексокиназы, превращаясь в глюкозо-6-фосфат, который изомеризуется в фруктозо-6-фосфат с помощью глюкозофосфатизомеразы. Этот переход необходим для образования более лабильной фуранозной формы молекулы гексозы. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется вторично фосфофруктокиназой с использованием еще одной молекулы АТР. Фруктозо-1,6-дифосфат — лабильная фуранозная форма с симметрично расположенными фосфатными группами. Обе эги группы несут отрицательный заряд, отталкиваясь друг от друга электростатически. Такая структура легко расщепляется аль-долазой на две фосфотриозы. Следовательно, смысл подготовительного этапа состоит в активации молекулы гексозы за счет двойного фосфорилирования и перевода в фуранозную форму с последующим распадом на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА). причем бывший 6-й атом углерода в молекуле глюкозы и фруктозы (фосфо-рилированный) становится 3-м в 3-ФГК, а 1-й атом углерода фруктозо-1,6-дифосфа1 а остается 1-м углеродом (фосфорилиро-ванным) в ФДА (см. рис. 4.1). 3-ФГА и ФДА легко превращаются друг в друга с участием триозофосфатизомеразы. Из-за расщепления молекулы гексозы на две триозы гликолиз иногда называют дихотомическим путем окисления глюкозы.