Аэробный распад углеводов. Гликолиз. Особенности гликолиза у растений.

Анаэробный путь распада углеводов может начинаться как с распада глюкозы — гликолиз, так и с распада гликогена — гликогенолиз.

Гликолиз – это последовательность реакций, приводящих к превращению гексозы (глюкозы) в пируват (ПВК) с одновременным образованием АТР. Гликолиз – процесс аНАэробный, но он может протекать и в отсутствии кислорода, и в присутствии О2. Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). Гликолиз является основным метаболитическим путем, образующим энергию в форме АТР в клетках, где отсутствует фотосинтез. Все реакции гликолиза протекают в цитоплазме.

Гликолизу предшествует гидролиз или фосфоролиз сложных углеводов до глюкозы, которая и вступает в первую реакцию гликолиза, а после гликолиза протекает аЭробное дыхание или аНАэробное брожение. Если гидролиз – фермент 3 класса, если фосфоролиз – ф.2 класса, в этом случае должна протекать еще одна реакция – превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат под действием фермента 5 класса фосфоглюкомутазы.

Процесс гликолиза можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2-х молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

На втором этапе происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ.

Первый этап гликолиза (эндергонический) начинается с реакции фосфорилирования глюкозы и требует затраты химической энергии (в форме АТР), фосфорилированная форма глюкозы является наиболее реакционно активной. Первый этап включает в себя 5 реакций, две из которых (1-ая и 3-ья являются НЕобратимыми). Реакции первого этапа:

 

 

Описание реакций:

1 реакция: Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат, при этом АТР переходит в АДР, фермент – 2 класса, гексокиназа (глюкокиназа). Реакция необратимая. Р. Фосфорилирования.

2 р. Глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат, фермент – 5 кл. Фосфоглюкоизомераза. Р. Обратима. Р. Изомеризации.

3 р. Второе фосфорилирование. Фруктозо-6-фосфат под действием АТР переходит во фруктозо-1,6-бисфосфат. Фермент – 2 кл. Фосфофруктокиназа. (играет важную роль в регуляции скорости гликолиза). Р. НЕобратима.

4 р. Расщепления фруктозо-1,6-бисфосфата под действием фермента 4 класса альдолазы, превращается в ФГА и ДОАФ. Р.Обратима.

5 р. Взаимопревращение ФГА и ДОАФ, фермент 5 кл. триозофосфатизомераза.

Во втором этапе участвует ФГА.

 

Второй этап гликолиза (экзергонический).

6 р. 2 молекулы ФГА превращаются в 1,3-ФГК. (здесь макроэргическая связь!) При этом НАД окисленный переходит в НАДН+Н восстановленный, фермент – 1 кл. ФГА-дегидрогеназа. Р. Обратима.

7 р. 1,3 – ФГК превращается в 3-ФГК под действием фермента 2 кл. Фосфоглицераткиназы и 2х молекул АДР. Обратима.

8 р. 3-ФГК превращается в 2 –ФГК, фермент – 5 кл. фосфоглицератмутаза. Обратима.

9 р. 2-ФГК превращается в ФЕП (там макроэргическая связь), р.дегидратации, фермент 4 кл – енолаза. Обратима.

10 р. НЕобратима. ФЕП превращается в ПВК, фермент – 2 кл – пируваткиназа, АДР переходит в АТР.

Энергетический баланс гликолиза:

Если условия аЭробные:

Если гидролиз сложных углеводов: +2+(3*2)=+8АТР.

Если фосфоролиз сложных углеводов: +3+(3*2)=+9АТР.

Если условия аНАэробные:

Если гидролиз:

1р. Глюкоза в глюкозо-6-фосфат ----- затрачивается 1 мол АТР.

3р. Фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бисфосфат ------затрачивается 1 мол АТР.

7р. 1,3-ФГК в 3-ФГК-----выделяется 2 мол АТР.

10р. ФЕП в ПВК-----выделяется 2 мол АТР.

ИТОГО: +2 АТР.

Если фосфоролиз:

3р. Фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бисфосфат ------затрачивается 1 мол АТР.

7р. 1,3-ФГК в 3-ФГК-----выделяется 2 мол АТР.

10р. ФЕП в ПВК-----выделяется 2 мол АТР.

ИТОГО: +3 АТР.

Образовавшийся в 6р. НАДН+Н+ «поступает» в ЭТЦ (электроннотранспортную цепь) в митохондрии, где распадается на НАД окисленный + 2Н+2е. Примерно дает 3 АТР (при переносе электронов).

Биологическая роль гликолиза:

Образование АТР.

Метаболическая(пластическая), т.е. является поставщиком строительных блоков для реакции синтеза (ДОАФ →глицерол, ПВК – аланин, а у растений на синтез вторичных метаболитов).

Для аЭробов является подготовкой к аЭробному дыханию.

У аНАэробных организмов после гликолиза следует брожение.

Особенности гликолиза у растений:

Субстратом может служить крахмал. При участии фосфорилазы крахмал превращается в глюкозо-1-фосфат в присутствии неорганического фосфата.

В растительных клетках имеется 2 фосфофруктокиназы (3-я р-ция): АТФ-зависимая и пирофосфат-зависимая (реакция, катализируемая последней, обратима).

Пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа локализована в цитозоле и активируется в условиях стресса, при дефиците АТФ (например, при аноксии) и фосфорном голодании.

У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, проте­кает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изофор­мы АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена из-за высокой концентра­ции АТФ. Пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа не обнаружена в хлоропластах и пластидах.

У растений обнаружены ферменты, при участии которых возможен «обход» некоторых реакций гликолиза. Так, в клетках растений есть НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, катализирующая 6-ую реакцию (превращение 3-ФГА в 1,3-ФГК.

В вакуолях некоторых растений обнаружена ФЕП-фосфатаза, катализирующая 10-ую реакцию (образование ПВК). Оба альтернативных фермента активируются при фосфорном голодании.

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН ис­пользуются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах.

Пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.

При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений, глико­лиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. Обычно сначала при участии лактатдегидрогеназы образуется молочная кислота:

Пируват + НАДН + Н Лактат + НАД

При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при рН > 7,0 находится в неактив­ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:

Пируват Ацетальдегид + СО2;
Ацетальдегид + НАДН + Н+ Этанол + НАД+

Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж­клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточ­ного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выжи­вают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы и табака спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с дыханием.