энергетическая . Анаэробное окисление – источник АТФ для биосинтетических процессов (идущих с поглощением энергии), для процессов мышечного сокращения и активного транспорта. В эритроцитах, не имеющих митохондрий, а следовательно и ферментов ЦТК, потребность в АТФ удовлетворяется только за счет анаэробного распада углеводов. Гликолиз дает 2 молекулы АТФ (табл. 1), а гликогенолиз - 3 АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы.
Таблица 1
Энергетический баланс гликолиза
Энергетический баланс гликогенолиза составляет 3 молекулы АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы (+ 4 АТФ на уровне субстратного фосфорилирования в тех же реакциях, что и при гликолизе и – 1 АТФ в фосфофруктокиназной реакции: Ф-6-Ф Ф-1,6-Ф).
Эффективность использования энергии при гликолизе и гликогенолизе составляет 35 – 40 %, остальные 60 – 65 % рассеиваются в виде тепла. Таким образом, с энергетической точки зрения анаэробное окисление углеводов неэффективно, однако физиологическое его значение велико, так как организм может выполнять свои функции в условиях недостаточного снабжения кислородом;
- анаболическая (промежуточные продукты используются для биосинтетических процессов, например, ДАФ – для образования липидов, пируват – для синтеза некоторых аминокислот);
- регуляторная (1,3-ДФГ превращается в организме в 2,3-ДФГ, регулирующий сродство гемоглобина к кислороду. Чем выше уровень 2,3-ДФГ, тем ниже сродство и наоборот).
Аэробное окисление углеводов
Аэробный гликолиз протекает по тем же этапам, что и анаэробный до образования пирувата. В аэробных условиях пируват в митохондриях подвергается окислительному декарбоксилированию под действием мультиферментного пируватдегидрогеназного комплекса:
КоА-SH, НАД + О
С = О НАДН(Н +) + СО 2 + СН 3 – С // S -КоА
Е 1 -ТПФ, Е 2 -ЛК, Е 3 -ФАД
Е 1 – пируватдегидрогеназа (связана с тиаминпирофосфатом)
Е 2 – дигидролипоилтрансацетилаза (соединена с липоевой кислотой)
Е 3 – дигидролипоилдегидрогеназа (кофермент – флавинадениндинуклеотид)
Активность пируватдегидрогеназного комплекса ингибируется при высоких соотношениях АТФАДФ; ацетил-КоАКоА-SH; и НАДН(Н +)НАД + .
НАДН(Н +) поступает в дыхательную цепь, где его водород окисляется до воды, ацетил-КоА – в ЦТК, в котором он окисляется с образованием СО 2 и восстановленных коферментов НАДН(Н +) и ФАДН 2 , водород которых в дыхательной цепи окисляется до воды и этот процесс сопряжен с синтезом АТФ.
Таким образом конечными продуктами аэробного окисления углеводов являются СО 2 , Н 2 О и АТФ. Выход АТФ при окислении глюкозы в аэробных условиях составляет 38 молекл АТФ (табл. 2).
В присутствии кислорода (в аэробных условиях) большинство клеток животных получают энергию за счёт полного разрушения питательных веществ (липидов, аминокислот и углеводов), то есть за счёт окислительных процессов. В отсутствие кислорода (анаэробные условия) клетка может синтезировать АТФ (АТР) только за счёт гликолитического разрушения глюкозы. Хотя такое разрушение глюкозы, заканчивающееся образованием лактата, даёт незначительную энергию для синтеза АТФ, этот процесс имеет решающее значение для существования клеток при недостатке или в отсутствие кислорода.
В аэробных условиях (на схеме слева) АТФ образуется почти исключительно за счёт окислительного фосфорилирования (см. ). Жирные кислоты в виде ацилкарнитина попадают в матрикс митохондрий (см. ), где подвергаются β-окислению с образованием ацил-КоА (см. ). Глюкоза в цитоплазме превращается в пируват путём гликолиза (см. ). Пируват транспортируется в митохондриальный матрикс, где декарбоксилируется пируватдегидрогеназным комплексом (см. ) с образованием ацетил-КоА. Восстановительные эквиваленты , высвобождающиеся при гликолизе, переносятся в матрикс митохондрий малатным челноком. Образующиеся из жирных кислот ацетильные остатки окисляются до CO 2 в цитратном цикле (см. ). Деградация аминокислот также приводит к ацетильным остаткам или продуктам, которые непосредственно включаются в цитратный цикл (см. ). В соответствии с энергетическими потребностями клетки восстановительные эквиваленты переносятся дыхательной цепью на кислород (см. ). При этом высвобождается химическая энергия, которая путём создания протонного градиента используется для синтеза АТФ (см. ).
В отсутствие кислорода, то есть в анаэробных условиях (на схеме справа), картина полностью меняется. Так как электронных акцепторов для дыхательной цепи не хватает, НАДН + Н + и QH 2 не могут окисляться повторно. Вследствие этого останавливается не только митохондриальный синтез АТФ, но почти весь обмен веществ в митохондриальном матриксе. Главной причиной такой остановки является высокая концентрация НАДН (NADH), ингибирующая цитратный цикл и пируватдегидрогеназу (см. ). Останавливаются также процесс β-окисления и функционирование малатного челнока, зависящие от наличия свободного НАД + . Поскольку энергия уже не может быть получена за счёт деградации аминокислот, клетка становится полностью зависимой в энергетическом отношении от потребления глюкозы при гликолизе . При этом обязательным условием является постоянное окисление образующегося НАДН + Н + . Так как этот процесс уже не может идти в митохондриях, в клетках животных, функционирующих в анаэробных условиях, пируват восстанавливается до лактата, который поступает в кровь. Процессы этого типа называют брожением (см. ). Продукция АТФ при этих процессах незначительна: при образовании лактата возникают только 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы.
Для того чтобы оценить число образованных в аэробном состоянии молекул АТФ, необходимо знать так называемое P/O-соотношение, то есть молярное соотношение синтезированных АТФ (Р) и воды (O). Во время переноса двух электронов от НАДН на O 2 в межмембранное пространство транспортируются около 10 протонов и только 6 молекул убихинола (QH 2). Для синтеза АТФ АТФ-синтаза нуждается в трёх ионах Н + , так что максимальное возможное Р/O-соотношение составляет примерно 3 или, соответственно, 2 (для убихинола). Нужно, однако, учитывать, что при переходе метаболитов в матрикс и обмене митохондриального АТФ 4- на цитоплазматический АДФ 3- в межмембранном пространстве также расходуются протоны. Поэтому при окислении НАДН Р/O-соотношение скорее всего составляет 2,5, а при окислении QH 2 - 1,5. Если на основе этих величин рассчитать энергобаланс аэробного гликолиза, получается, что окисление одной молекулы глюкозы сопровождается синтезом 32 молекул АТФ .
Молекулярный кислород атмосферы, очевидно, имеет биогенное происхождение. Появление его связано с процессом фотосинтеза древнейших цианобактерий или их предков, впервые ставших использовать в процессе фотосинтеза донором водорода воду. Переход прокариот к анаэробному окислению оказался возможным только на определенном этапе
эволюции, когда в клетке была сформирована более или менее полная дыхательная цепь.
Большая часть аэробных прокариотных организмов потребляет в качестве источника энергии различные органические соединения, окисляя их до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Аэробное окисление органических веществ в прокариотной клетке проходит подобно аэробному дыханию эукариот. В основе его лежит окисление пировиноградной кислоты по циклу трикарбоновых кислот (ЦТК – цикл Кребса).
Включению пировиноградной кислоты в цикл Кребса предшествует сложная реакция окисления ее до ацетил-К 0 А, катализируемая пируватдегидрогеназным комплексом:
СН 3 – СО – СООН + К 0 А – SН + НАД + →СН 3 – СО ~ К 0 А + НАД · Н 2 + СО 2
Собственно цикл Кребса начинается с реакции конденсации ацетил-К 0 А с молекулярной щавелевоуксусной кислоты при участии фермента цитрасинтазы.
Цикл Кребса выполняет две важные функции для клетки. В реакциях этого цикла осуществляется полное окисление органического субстрата с отщеплением водорода и переходом его на фермент, помимо этого идет снабжение клетки веществами-предшественниками.
Суммарно цикл Кребса можно выразить следующим уравнением:
СН 3 СОСООН + 2Н 2 О→ 3СО 2 + 8Н
Исходным субстратом для цикла трикарбоновых кислот служат не только углеводы, но и жирные кислоты и многие аминокислоты.
Цикл Кребса сопряжен с дыхательной цепью. Основная функция дыхательной цепи заключается в запасании энергии клеткой, освобождающейся в процессе переноса электронов путем трансформации ее в химическую энергию фосфатных связей в молекулах АТФ.
В состав дыхательной цепи аэробных прокариотных организмов входят: НАД-дегидрогеназы, ФАД-или ФМН-дегидрогеназы, убихинон и система цитохромов. НАД-дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от окисляемого субстрата и передачу его на стартовые переносчики дыхательной цепи – НАД Н 2 -дегидрогеназы. С них водород передается в дыхательную цепь на ФАД-или ФМН-дегидрогеназы, затем на убихинон и далее на систему цитохромов. При передаче водорода по дыхательной цепи происходит расщепление его атомов на протоны и электроны. Протоны выделяются в среду, а электроны передаются далее по дыхательной цепи на терминальный переносчик – цитохромоксидазу. Последняя передает их на конечный акцептор – молекулярный кислород, который активизируется и соединяется с водородом.
Перенос электронов по дыхательной цепи на все более низкие энергетические уровни приводит к освобождению значительного количества свободной энергии, которая аккумулируется клеткой в фосфатных связях в
форме молекул АТФ. Поскольку реакции фосфорилирования идут сопряженно с реакциями окисления, этот процесс получил название окислительного фосфорилирования . В основе его лежит разность окислительно-восстановительного потенциала донора и акцептора электронов. Образование АТФ обычно происходит на участках дыхательной цепи с большой разностью потенциала. На примере митохондрий эукариот определены три участка в цепи дыхания. Первый участок связан с переносом водорода НАД Н 2 -дегидрогеназой на ФАД-или ФМН-дегидрогеназу. Второй участок сопряжен с активностью убихинона, осуществляющего перенос электронов от ФАД-или ФМН-дегидрогеназы на систетему цитохромов, Третий, последний участок связан с переносом электронов цитохромоксидазой на молекулярный кислород.
Об эффективности реакций окислительного фосфорилирования судят по отношению р/о (количество потребленных молекул неорганического фосфора на один атом поглощенного кислорода).У эокариот отношение р/о равно 3. У многих прокариот отношение р/о может быть меньше трех, что объясняется выпадением некоторых участков дыхательной цепи.
Среди прокариот-аэробов имеются микроорганизмы, способные получать энергию за счет неполного аэробного окисления некоторых органических веществ.
Уксуснокислые бактерии представлены палочками небольших размеров, в молодой культуре они подвижны. Все виды – облигатные аэробы, довольно требовательные к субстратам, особенно к витаминам и в первую очередь к пантотеновой кислоте. Наиболее характерна способность бактерий этой группы окислять этиловый спирт с образованием уксусной кислоты при участии НАД-зависимых дегидрогеназ.
Подчеркнем, что процессы неполного анаэробного окисления не имеют ничего общего с процессами брожения. Энергия для жизнедеятельности клетки образуется в реакциях окисленого фосфорирования, но в меньшем количестве, чем при полном аэробном окислении, так как часть ее сохраняется в недоокисленных конечных продуктах.
Различные виды уксуснокислых бактерий в качестве окисляемого субстрата способны использовать как одноатомные спирты, так и многоатомные спирты – производные сахаров. При окислении одноатомных спиртов образуются различные кислоты. Окисление многоатомных спиртов приводит к образованию альтоз и кетоз. В промышленности уксуснокислые бактерии применяются для получения столового уксуса, а также аскорбиновой кислоты.
В отличие от эукариот, осуществляющих дыхание толькл за счет окисления органических веществ, среди прокариот имеются группы хемолитотрофных микроорганизмов, способных в процессе катаболизма окислять неорганические вещества субстрата.
Дыхательная цепь хемолитотрофных микроорганизмов включает в основном те же ферменты-переносчики электронов, что и дыхательная цепь хемоорганотрофов. Специфика функционирования дыхательной цепи этой группы микроорганизмов заключается в том, что при окислении неорганических соединений, обладающих разным окислительно-восстановительным потенциалом, электроны с окисляемого субстрата включаются в дыхательную цепь на разных энергетических уровнях. Поэтому для обеспечения клетки энергией микроорганизмы вынуждены окислять огромное количество субстрата.
К хемолитотрофным микроорганизмам, получающим энергию за счет окисления неорганических веществ, относятся нитрифицирующие бактерии, железобактерии, тионовые бактерии и др.
С точки зрения лабильности метобализма особый интерес представляют карбоксибактерии. Эти микроорганизмы могут вести себя как автотрофы, потребляя в качестве единственного источника углерода и энергии угарный газ (СО), и как гетеротрофы, используя источником углерода и энергии органические вещества – спирты и органические кислоты.
Суммарно процессы катаболизма и анаболизма карбоксидобактерий-автотрофов можно представить следующим уравнением:
24СО + 11О 2 + Н 2 О→ 23СО 2 + (СН 2 О),
где (СН 2 О) – символ биомассы.
Из уравнения следует, что окисление СО – неэффективный способ получения энергии, поэтому микроорганизмы вынуждены окислять большое количество субстрата.
Выделение СО современным транспортом и промышленными предприятиями загрязняет атмосферу этим соединением. Единственный путь удаления СО из окружающей среды – утилизация его в обмене микробной клетки.
Анаэробное окисление: нитратное и сульфатное дыхание
Анаэробное окисление встречается только среди представителей царства прокариот. Оно присуще микроорганизмам, способным переходить от аэробного образа жизни к анаэробному, используя в качестве конечного акцептора электронов как молекулярный кислород, так и азот нитратов и серу сульфатов.
Типичным примером таких микроорганизмов являются денитрифицирующие бактерии.
Дыхательная цепь денитрифицирующих бактерий включает все основные ферменты-переносчики электронов, характерные для дыхательной цепи аэробов. Только конечное звено цитохромной системы – цитохромоксидаза замещена у них на нитратредуктазу, катализирующую перенос электронов на азот нитратов. Нитратредуктазы относятся к индуцибельным ферментам, синтезируемым клеткой только в анаэробных условиях при наличии нитратов в среде.
Процесс денитрификации состоит из 4 восстановительных стадий, каждая из которых катализируется соответствующей нитратредуктазой. На первой стадии происходит восстановление нитратов в нитриты:
азот+5 принимая 2 протона и 2 электрона восстанавливается в азот нитритов NО 2 - +3:
NО 3 - + 2e - + 2Н + →NО 2 - + Н 2 О.
NО 2 - + e - + Н + → NО + ОН -
2NО + 2e - + 2Н + → N 2 О + Н 2 О
N 2 О + 2e - + 2Н + →N 2 + Н 2 О
Использование азота в качестве акцептора электронов позволяет денитрифицирующим бактериям полностью окислять органические вещества субстрата до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Поэтому энергетический выход нитратного дыхания практически приближается к обычному аэробному окислению.
Поскольку денитрофицирующие бактерии переключаются на нитратное дыхание, только попадая в анаэробные условия, приспособление их к анаэробному образу жизни следует считать эволюционно вторичным и рассматривать как возврат к анаэробиозу от типичного аэробного окисления.
К анаэробному окислению способны и сульфатвосстанавливающие бактерии, относящиеся к родам Desulfotomaculum, Desulfonema, Desulfovibrio и др. Пути получения энергии у сульфатвосстанавливающих бактерий могут быть разными. Это процесс брожения органических веществ, сопровождающиеся образованием АТФ в результате субстратного фосфорилирования, сульфатное дыхание, предусматривающее окисление органических веществ в анаэробных условиях с переносом электронов на серу сульфатов. Бактерии этой гетерогенной группы способны получать энергию также за счет окисления молекулярного водорода, сопряженного с востановлением сульфатов.
Способность сульфатвосстанавливающих бактерий использовать молекулярный водород для получения энергии позволяет отнести их к анаэробным хемолитотрофным микроорганизмам.
В процессе окисления молекулярного водорода получают энергию и метанообразующие бактерии, использующие в качестве акцептора электронов углекислый газ. Для бактерий этой группы СО 2 выступает одновременно источником углерода и акцептором электронов:
4Н 2 + СО 2 →СН 4 + 2Н 2 О
Изучение различных типов катаболизма прокариот дает возможность предположить, что именно совершенствование способов получения энергии клеткой лежит в основе эволюции представителей этого царства.
Наиболее древней группой прокариот являются анаэробные бактерии, добывающие энергию в процессах брожения за счет субстратного фосфорилирования.
Существенным этапом на пути эволюции прокариот следует считать появление фототрофных бактерий, использующих в качестве основного источника энергии солнечный свет и в качестве основного источника углерода СО 2 .
Развитие фотосинтетиков-аэробов, в первую очередь цианобактерий, привело к обогащению среды молекулярным кислородом. В клетке аэробных бактерий сложилась еще одна система электроного транспорта и сопряженный с ней механизм фосфорилирования – окислительное фосфорилирование.
В настоящее время в царстве прокариот мы встречаемся с поразительным разнообразием типов катаболизма. Однако доминирующим и эволюционно господствующим типом катаболизма, несомненно, являтся аэробное окисление со всем его многообразием доноров и акцепторов.
Энергетика любой клетки нашего организма основана на окислении глюкозы. Окисление глюкозы происходит по двум направлениям:
- Окисление с образованием пентоз : рибозы, рибулозы, ксилулозы. Этот путь называется пентозофосфатный шунт и не связан с получением энергии
- Окисление с получением энергии .
Второй путь, т.е. тот по которому глюкоза окисляется для получения энергии, называется гликолиз (греч. glykos - сладкий и греч. lysis - растворение). Конечным продуктом гликолиза является пировиноградная кислота (пируват).
В зависимости от дальнейшей судьбы пирувата различают аэробное и анаэробное окисление глюкозы. Целью обоих типов окисления является получение АТФ .
В аэробном процессе пировиноградная кислота превращается в ацетил-SКоА (реакции ПВК-дегидрогеназы) и далее сгорает в реакциях цикла трикарбоновых кислот до СО 2 (реакции ЦТК) .
Общее уравнение аэробного окисления глюкозы:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 32 АДФ + 32 Ф неорг → 6 CO 2 + 44 H 2 О + 32 АТФ
В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата). Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват. В микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением .
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза имеет вид:
C 6 H 12 O 6 + 2 АДФ + 2 Ф неорг → 2 Лактат + 2 H 2 O + 2 АТФ
Глюкоза – это источник оксалоацетата
После того как пируват синтезировался, он необязательно превращается в ацетил-SКоА или молочную кислоту. Существенное значение имеет его способность карбоксилироваться в оксалоацетат , особенно эта реакция активна в печени . Наличие избытка оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла трикарбоновых кислот (доступность субстрата) , ускоряет связывание ацетильной группы, ее окисление и производство энергии.
При голодании отсутствие глюкозы в клетках и активация
В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды.
Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разделить на 3 этапа:
1. Расщепление глюкозы до пирувата.
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетилКоА.
3. Окисление ацетила в цикле Кребса (ЦТК), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.
Общее уравнение аэробного окисления глюкозы:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38 АДФ + 38 Ф неорг → 6 CO 2 + 44 H 2 О + 38 АТФ
В аэробных условиях пируват поступает в митозхондрии, где под действием лируватдегидрогиназного комплекса подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА В состав пируватдегидрогиназного комплекса входит 3 фермента: пируватдекарбоксилаза, дегидролипоатацетилтрансфераза, дегидрогиназа липоевой кислоты. Их количественное соотношение в составе комплекса как правило приближается 30:1:10.
Пируватдекарбоксилаза отщепляет карбоксильную группу в виде СО2 и образует соединенный с ферментом активный ацетоальдегид (гидроксиэтил).
Второй фермент этого комплекса катализирует две реакции:
В качестве простетической группы этот фермент содержит липоевую кислоту В ходе этой реакции происходит перенос остатка эфирного ацетоальдегида на ЛК. Параллельно происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной.
В ходе этой реакции происходит перенос ацетильного остатка на входящий в состав
электроны и протоны на НАД. Фермент катализирующий данную реакцию - дегидрогиназа липоевой кислоты. Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата.
2пируват + 2НАД+ + 2HS-KoA -> 2Ацетил-КоА + 2НАДН+Н* + 2С0 2
Под действием пируватдегидрогиназного комплекса который содержит 3 фермента и 5 коферментов: ТДФ, ЛК, ФАД, НАД, HSKoA, происходит отщепление 2СО 2 , образование двух восстановленных НАД, т.е. энергия прошедшего окисления запасается в восстановленном НАД и образуется макроэргическое соединение - ацетил-КоА, которое дальше может использоваться в цикле трикарбоновых кислот Кребса.
Анаэробный распад глюкозы в клетках (гликолиз), последовательность реакций до образования лактата. Физиологическое значение этих процессов, их регуляция. Роль анаэробного распада глюкозы и гликогена в мышцах. Дальнейшая судьба молочной кислоты.
В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата). Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват. В микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением .
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза имеет вид:
C 6 H 12 O 6 + 2 АДФ + 2 Ф неорг → 2 Лактат + 2 H 2 O + 2 АТФ
Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.
Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Бескислородное окисление глюкозы усиливается при гипоксии клеток при анемиях , нарушении кровообращения в тканях.
