Энергетический выход реакций дыхания

Основные биоэнергетические продукты реакций дыхания – молекулы АТФ, образующиеся в процессах субстратного фосфорилирования, а также восстановленные формы динуклеотидов НАД×Н и ФАД×Н₂, при окислении которых в митохондриях в результате окислительного фосфорилирования осуществляется синтез АТФ. Таким образом, для оценки энергетического эффекта дыхания необходимо определить возможный суммарный выход АТФ и сопоставить его с изменением свободной энергии полного окисления глюкозы или фруктозы до СО₂и Н₂О. Полезный энергетический выход определяется как изменение свободной энергии в ходе гидролиза АТФ, которое при стандартных условиях составляет –30,6 кДж×моль^-1.

Как было показано ранее, в процессе гликолиза сначала происходит фосфорилирование фруктозы с участием двух молекул АТФ и образование фруктозо-1,6-дифосфата, а затем фруктозо-1,6-дифосфат образует две молекулы триозы, каждая из которых окисляется до пировиноградной кислоты. В ходе окисления каждой из триоз дважды осуществляется синтез АТФ в результате реакций субстратного фосфорилирования и синтез НАД×Н при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту. Учитывая, что превращению в пировиноградную кислоту подвергаются две молекулы триозы, в итоге синтезируются две молекулы НАД×Н и четыре молекулы АТФ. При окислении в митохондриях одной молекулы НАД×Н в результате реакций окислительного фосфорилирования образуются 3 молекулы АТФ, а при окислении двух молекул НАД×Н возможен синтез шести молекул АТФ. Следовательно, суммарный выход АТФ в реакциях гликолиза складывается из 4 молекул АТФ, образованных в ходе субстратного фосфорилирования в цитоплазме и 6 молекул АТФ, синтезирующихся путем окислительного фосфорилирования в митохондриях, всего получается 10 молекул АТФ, но 2 из них затрачиваются на фосфорилирование гексозы, поэтому фактический выход АТФ при окислении одной молекулы гексозы до пировиноградной кислоты составляет 8 молекул АТФ. Изменение свободной энергии при гидролизе 8 молей АТФ в стандартных условиях составляет –30,6×8= –245 кДж.

Исходя из того, что при полном окислении глюкозы в стандартных условиях выделяется 2872 кДж×моль^-1 энергии, а при окислении пировиноградной кислоты 1144 кДж×моль^-1, общее изменение свободной энергии в ходе окисления 1 моля глюкозы до пировиноградной кислоты в стандартных условиях равно (–2872) – (–1144×2) = –584 кДж. На основе этих данных, коэффициент полезного использования энергии, освобождающейся в процессе гликолиза, будет равен:

245∙100

Кисп. = ———— = 42%

В ходе окисления одной молекулы пировиноградной кислоты в реакциях цикла Кребса образуются четыре молекулы восстановленных динуклеотидов НАД×Н, 1 молекула ФАД×Н₂ и в результате субстратного фосфорилирования синтезируется 1 молекула АТФ. Восстановленные динуклеотиды НАД×Н образуются при окислительном декарбоксилировании пировиноградой и a-кетоглуторовой кислот, а также в реакциях окисления изолимонной и яблочной кислот. А при окислении янтарной кислоты возникает 1 молекула ФАД×Н₂. За счёт реакций окислительного фосфорилирования при окислении 4 молекул НАД×Н могут синтезироваться 3х4 = 12 молекул АТФ, а при окислении ФАД×Н₂ – 2 молекулы АТФ, то есть всего за счёт окислительного фосфорилирования образуется 14 молекул АТФ. Учитывая, что ещё одна молекула АТФ синтезируется путём субстратного фосфорилирования, всего при окислении 1 молекулы пировиноградной

кислоты в реакциях цикла Кребса может образоваться 15 молекул АТФ. При их гидролизе в стандартных условиях высвобождается –30,6×15=–459 кДж свободной энергии в расчёте на 1 моль окисленной пировиноградной кислоты. Общее же изменение свободной энергии при окислении 1 моля пировиноградной кислоты до СО₂ и Н₂О в стандартных условиях равно –1144 кДж. Коэффициент полезного использования энергии в этом процессе составляет:

459∙100

Кисп. = ——— = 40%

1144

В целом в результате дыхательного окисления одной молекулы глюкозы может синтезироваться 38 молекул АТФ, включая 8 молекул АТФ за счёт гликолиза и 30 молекул АТФ в результате окисления восстановленных динуклеотидов, которые образуются в цикле Кребса в ходе превращения двух молекул пировиноградной кислоты, возникающих при гликолизе из одной молекулы глюкозы. В стандартных условиях суммарное изменение свободной энергии при гидролизе 38 молей АТФ составляет –30,6×38 = –1153 кДж. Общее изменение свободной энергии при окислении одного моля глюкозы до СО₂ и Н₂О в стандартных условиях равно –2872 кДж. Коэффициент полезного действия реакций аэробного окисления глюкозы будет равен:

1153×100

КПД = ———— = 40%.

Следует отметить, что в физиологической среде живых клеток концентрация АТФ значительно меньше, чем принято для стандартных условий (1 моль/л), поэтому изменение свободной энергии при гидролизе АТФ будет не –30,6 кДж/моль, а более отрицательной величиной –40-42 кДж×моль^-1. Поэтому коэффициент использования энергии при реакциях дыхания в физиологической среде фактически имеет более высокие значения –53-56 %.

Остальная энергия, высвобождающаяся в дыхательном процессе, в основном выделяется в виде тепла, которое затрачивается на испарение воды и повышение температуры физиологической среды. Для живых функционирующих клеток это может быть полезным, так как при повышении температуры возрастает скорость биохимических превращений, что ускоряет биосинтетические процессы. Однако повышение температуры за счёт дыхательных процессов при хранении растительных продуктов является нежелательным явлением, так как становится причиной порчи и потерь сохраняемой продукции.

На активность функционирования электронтранспортной цепи митохондрий и ферментного комплекса, катализирующего окислительное фосфорилирование, очень сильное влияние оказывает обеспеченность клеток кислородом. Однако для нормального осуществления дыхания нужна невысокая концентрация кислорода в атмосфере, вполне достаточно 6-9 %. Последнее объясняется тем, что первичное формирование живых систем на Земле происходило при низких концентрациях кислорода в атмосфере. Но даже при достаточной обеспеченности клеток кислородом, скорость его потребления в митохондриях зависит от концентрации АДФ, которая определяется соотношением:

[АТФ]

————

[АДФ]∙[Рн]

При этом содержание неорганического фосфата, как правило, не является ограничивающим фактором дыхания, за исключением тех условий, когда наблюдается сильный дефицит фосфорного питания. Поэтому чаще всего на активность дыхания в митохондриях влияет соотношение [АТФ]: [АДФ]. Если в клетках организма активизируются биосинтетические процессы, связанные с потреблением АТФ, то возрастание концентрации АДФ по принципу смещения химического равновесия ускоряет синтез АТФ и интенсивность переноса электронов по электронтранспортной цепи митохондрий.

Ингибирование дыхания происходит при высоких концентрациях СО₂, как конечного продукта дыхательных реакций. Кроме того, в листьях растений под влиянием повышенной концентрации СО₂ могут закрываться устьица, вследствие чего уменьшается поступление кислорода.

Скорость дыхательных реакций возрастает при повышении температуры. Оптимальная температура для дыхания растений 35-40°С, она на 5-10° выше оптимальной температуры для фотосинтеза. В пределах достижения оптимальной температуры температурные коэффициенты (Q_1О) скорости дыхательных реакций для различных биологических объектов находятся в пределах 2-3. При температурах свыше 45-50°С начинаются процессы тепловой денатурации ферментных и других функционально активных белков, поэтому интенсивность дыхания быстро понижается.

В связи с тем, что многие дыхательные ферменты локализованы в жидкой фазе клеток, степень оводнения тканей заметно влияет не интенсивность дыхания. Так, например, при влажности семян не более 10-11 % интенсивность дыхательных процессов находится на низком уровне, а при увеличении влажности на 5-6 % интенсивность дыхания возрастает в несколько раз, что может привести к перегреву и порче семян при хранении. Это объясняется тем, что в сухих семенах вся вода находится в связанном состоянии и не может служить растворителем для физиологической среды. А при повышении влажности тканей выше критической появляется свободная вода, которая инициирует ферментативные процессы, происходящие в жидкой фазе клеток, в том числе и реакции дыхания.

Усиление дыхания наблюдается при облучении нефотосинтезирующих клеток растений коротковолновым светом (380-500 нм), что очевидно связано с активацией компонентов электронтранспортной цепи митохондрий, имеющих хромофорные (светочувствительные) группировки.

Наиболее слабое дыхание имеют семена растений, находящиеся в состоянии покоя и не содержащие свободной воды. Наиболее интенсивно дышат вегетативные органы растений, а также сочные растительные продукты – картофель, корнеплоды, плоды и овощи. Ещё более интенсивное дыхание имеют микроорганизмы, особенно плесневые грибы. Появление плесени на хранящихся растительных объектах вследствие усиления дыхания и выделения тепла быстро приводит к порче указанных растительных продуктов. Очень активно проходят процессы дыхания в молодых и растущих органах. Чем активней в растительных тканях осуществляются биосинтетические процессы, тем интенсивней они дышат.

Пентозофосфатный цикл

В 1935-38 г.г. исследованиями ряда учёных было показано, что при ингибировании основного дыхательного пути углеводов процесс их окисления не прекращается, так как инициируются реакции превращения гексоз в пентозы на уровне фосфорнокислых эфиров, которые сопровождаются окислением и отщеплением от гексоз атомов углерода в виде СО₂. Такой путь окисления гексоз имеет циклический механизм и получил название пентозофосфатного пути или пентозофосфатного цикла. Как и реакции цикла Кребса, пентозофосфатный путь окисления глюкозы инициируется в присутствии кислорода.

Все ферменты, катализирующие реакции пентозофосфатного цикла, локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, а также в хлоропластах и пропластидах. Реакции этого цикла инициируются при усилении биосинтетических процессов, связанных с потреблением восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. В нефотосинтезирующих клетках реакции пентозофосфатного цикла являются основным источником этих восстановленных продуктов.

Повышение концентрации окисленной формы динуклеотидов НАДФ⁺ вызывает активацию дегидрогеназ, катализирующих ключевые реакции пентозофосфатного цикла. Кроме того, промежуточный продукт пентозофосфатного цикла 6-фосфоглюконовая кислота ингибирует фермент фосфофруктокиназу, инициирующий реакции гликолиза, что способствует переводу дыхательного процесса на пентозофосфатный путь окисления гексоз.

В реакции пентозофосфатного цикла включаются фосфорилированные гексозы, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат. В первой реакции этого цикла под действием фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (1.1.1.49) глюкозо-6-фосфат окисляется в лактон 6-фосфоглюконовой кис-лоты. Коферментом данной дегидрогеназы служит НАДФ⁺, с помощью которого от глюкозо-6-фосфата отщепляются 2 электрона и 2 протона:

Н ОН О (1) \ / // С--------- С-------- | | | Н–С–ОН | Н–С–ОН | | О + НАДФ+ ¾® | О + НАДФ×Н+ Н+ НО–С–Н | НО–С–Н | | | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | | | Н–С--------- Н–С------- | | СН2О Р СН2О Р глюкозо-6-фосфат лактон 6-фосфоглюконовой кислоты

 

 

О (2) // С-------- СООН | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | | НО–С–Н О + Н2О → НО–С–Н | | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | Н–С-------- Н–С–ОН | | СН2О Р СН2О Р лактон 6-фосфоглюконовой 6-фосфоглюконовая кислоты кислота

С участием фермента глюконолактоназы (3.1.1.17) лактон далее превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту:

 

 

На следующем этапе окисления от 6-фосфоглюконовой кислоты отщепляются 2 электрона и 2 протона и переносятся на НАДФ⁺ в каталитическом центре фермента фосфоглюконатдегидрогеназы (1.1.1.43) и под действием этого же фермента происходит отщепление СО₂ от карбоксильной группы 6-фосфоглюконовой кислоты. Установлено, что для проявления каталитической активности этого фермента необходимо присутствие катионов Мn²⁺. В результате декарбоксилирования и сопряжённого с ним b-окисления из 6-фосфоглюконовой кислоты образуется рибулозо-5-фосфат:

СОО Н СН2ОН (3) | | Н–С–ОН С=О | | НО–С–Н + НАДФ+ ¾® Н–С–ОН + НАДФ×Н + Н+ + СО2 | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | Н–С–ОН СН2О Р | СН2О Р рибулозо-5-фосфат 6-фосфоглюконовая кислота

 

 

СН2ОН СН2ОН Н (4,5) | | / С=О С=О С=О | | | НО–С–Н D Н–С–ОН D Н–С–ОН | | | Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН | | | СН2О Р СН2О Р H–C–OH | ксилулозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат СН2О Р рибозо-5-фосфат

Для осуществления дальнейших реакций пентозофосфатного цикла необходимо окисление в рибулозо-5-фосфат ещё одной молекулы глюкозо-6-фосфата, в связи с чем реакции 1, 2 и 3 повторяются, образуя восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н и рибулозо-5-фосфат. После этого происходит изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы и в рибозо-5-фосфат – с участием фермента рибозофосфатизомеразы:

 

Далее вступает в действие фермент транскетолаза, который переносит концевой двууглеродный радикал с кетонной группой от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат, в результате чего образуются два новых фосфата моносахаридов – седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицери-новый альдегид:

СН2ОН СН2ОН Н (6) | | / С=О Н С=О С=О | + | ¾® | ¾® | НО–С–Н С=О НО–С–Н Н–С–ОН | | | | Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН2О Р | | | 3-фосфоглице- СН2О Р Н–С–ОН Н–С–ОН риновый альдегид | | ксилулозо-5-фосфат Н–С–ОН Н–С–ОН | | СН2О Р СН2О Р рибозо-5-фосфат седогептулозо-7- фосфат

 

 

Затем под действием фермента трансальдолазы осуществляется перенос трёхуглеродного радикала от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфо-глицериновый альдегид с образованием фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата:

СН2ОН СН2ОН Н (7) | Н | / С=О / С=О С=О | С=О | | НО–С–Н | НО–С–Н Н–С–ОН | + Н–С–ОН ¾® | + | Н–С–ОН | Н–С–ОН Н–С–ОН | СН2О Р | | Н–С–ОН 3-фосфоглицери- Н–С–ОН СН2О Р | новый альдегид | эритрозо-4-фосфат Н–С–ОН СН2О Р | фруктозо-6 фосфат СН2О Р седогептулозо-7- фосфат

 

 

СН₂ОН фруктозо-6-фосфат

седогептулозо-7-фосфат

СН2ОН Н (8) | / С=О С=О | | НО–С–Н D Н–С–ОН | | Н–С–ОН НО–С–Н | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | СН2О Р Н–С–ОН фруктозо-6-фосфат | СН2О Р глюкозо-6-фосфат

Образовавшийся фруктозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется в глюкозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы:

 

 

СН2ОН Н СН2ОН Н (9) | / | / С=О С=О С=О С=О | | | | НО–С–Н + Н–С–ОН ¾® НО–С–Н + Н–С–ОН | | | | Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН2О Р | | | 3-фосфоглице- СН2О Р СН2О Р Н–С–ОН риновый аль- ксилулозо-5-фосфат эритрозо-4- | дегид фосфат СН2О Р фруктозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозофосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, полученный в реакции 7, взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом, который возникает в результате окисления и декарбоксилирования третьей молекулы глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует транскетолаза с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида:

 

 

Н СН2О Р (10) / | С=О СН2ОН С=О | + | ¾® | Н–С–ОН С=О НО–С–Н | | | СН2О Р СН2О Р Н–С–ОН 3-фосфоглицери- фосфоди- | новый альдегид оксиацетон Н–С–ОН | СН2О Р фруктозо-1,6-дифосфат

Образовавшийся в реакции 9 фруктозо-6-фосфат так же, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, а цикл реакций, указанный выше, повторяется ещё раз до образования второй молекулы 3-фосфо-глицеринового альдегида. В этих реакциях происходит окисление еще трёх молекул глюкозо-6-фосфата, однако две из них регенерируются из фруктозо-6-фосфата. Одна из молекул 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон, который далее взаимодействует со второй молекулой 3-фосфо-глицеринового альдегида с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Эту реакцию катализирует фермент альдолаза:

 

 

СН2О Р СН2ОН (11) | | С=О С=О | | НО–С–Н + Н2О ¾® НО–С–Н + Н3РО4 | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | Н–С–ОН Н–С–ОН | | СН2О Р СН2О Р фруктозо-1,6- дифосфат фруктозо-6-фосфат

После этого от фруктозо-1,6-дифосфата в результате гидролиза отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием фруктозо-6-фосфата:

 

 

Полученный в данной реакции фруктозо-6-фосфат, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который вновь может включаться в реакции пентозофосфатного цикла.

Таким образом, в результате окисления шести молекул глюкозо-6-фосфата в реакциях пентозофосфатного цикла шесть раз происходит реакция декарбоксилирования с образованием шести молекул СО₂, при этом 5 молекул глюкозо-6-фосфата регенерируются, поэтому фактически окислению подвергается одна молекула глюкозо-6-фосфата. При окислении каждой из шести молекул глюкозофосфата дважды прроисходят реакции дегидрирования и в конечном итоге в них синтезируются 12 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. Суммарное уравнение окисления глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле можно записать в следующем виде:

С₆Н₁₁О₆– Р + 12НАДФ⁺ + 7Н₂О ¾® 6СО₂ + 12НАДФ×Н + 12Н⁺ + Н₃РО₄

В реакциях пентозофосфатного цикла не происходят процессы субстратного фосфорилирования, а синтезируемые в этом цикле восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н довольно медленно окисляются ферментами электронтранспортной цепи митохондрий, вследствиие чего пентозофосфатный цикл не является активным источником свободной энергии для синтеза АТФ. Однако восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н обладают большим восстановительным потенциалом по сравнению с НАД×Н, в связи с чем активно используются в качестве восстановителей во многих окислительно-восстановительных реакциях, таких как синтез жирных кислот, восстановление нитритов, сульфатов, дисульфидных связей в пептидах и белках, превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды и др.

В пентозофосфатном цикле осуществляется превращение гексоз в пентозы, которые могут выводиться из цикла и участвовать в различных биосинтетических процессах. Так, рибозо-5-фосфат является исходным соединением, с которого начинается синтез рибонуклеотидов, участвующих в образовании нуклеиновых кислот, макроэргических нуклеозидполифосфатов, а также коферментных группировок НАД, НАДФ, ФАД, кофермента А. Рибулозо-5-фосфат, превращаясь в рибулозо-1,5-дифосфат, участвует в процессах темновой фиксации СО₂, в которых также потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н, синтезированные в пентозофосфатном цикле.

У растений и бактерий пентозофосфатный цикл является также важнейшим источником эритрозо-4-фосфата для синтеза шикимовой кислоты, из которой образуются многие ароматические и фенольные соединения.

В хлоропластах реакции пентозофосфатного цикла наиболее активно проходят в темноте, поддерживая в отсутствии света необходимый уровень НАДФ×Н для восстановительных процессов. А поддержание определённого уровня АТФ осуществляется за счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном цикле, которые превращаются в 3-фосфо-глицериновую кислоту, инициирующую реакции субстратного фосфорилирования.

Следует отметить, что в пентозофосфатном цикле синтезируются промежуточные метаболиты, которые могут включаться также в реакции гликолиза (фруктозо-6-фосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон), поэтому между этими двумя дыхательными путями осуществляется постоянная связь. Взаимодействие между гликолизом и реакциями пентозофосфатного цикла осуществляется очень легко ещё и потому, что они локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, в которой постоянно происходят процессы диффузии различных химических компонентов. В связи с этим очень трудно определить, какая из молекул гексозы и на каком этапе включается в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. При благоприятных условиях развития растительных организмов 10 - 40% гексоз, окисляющихся при дыхании, подвергаются распаду через реакции пентозофосфатного цикла, а остальные преимущественно – в реакциях гликолиза и цикла Кребса.

В анаэробных условиях реакции цикла Кребса и пентозофосфатного цикла ингибируются и дыхание в основном осуществляется через гликолиз. Соотношение дыхательных реакций реализующихся в виде гликолиза и пентозофосфатного цикла, зависит от природы клеток и их функционального состояния. Активизация реакций пентозофосфатного цикла наблюдается при дефиците влаги, затемнении растений, недостатке элементов питания, поражении инфекцией, старении, интенсификации процессов, связанных с потреблением НАДФ×Н, рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фосфата, эфитрозо-4-фосфата.