Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.

В клетках растений наряду с гликолизом и циклом Кребса, являющимся главным поставщиком свободной энергии в процессах дыхания, существует и другой важнейший способ катаболизма гексоз — пентозофосфатный путь (ПФП), в котором участвуют пятиуглеродные сахара (пентозы). Окисление глюкозы (глюкозо-6-фосфата) по этому пути связано с отщеплением первого (альдегидного) атома углерода в виде С02.

Все реакции ПФП протекают в растворимой части цитоплазмы клеток, а также в пропластидах и хлоропластах. ПФП дыхания особенно активен в тех клетках и тканях растений, в которых интенсивно идут синтетические процессы, такие, как синтез липидных компонентов мембран, нуклеиновых кислот, клеточных стенок, фенольных соединений.

В ПФП АТР используется только для образования исходного продукта: для фосфорилирования глюкозы до глюкозо-6-фосфата; ни в одной реакции этого цикла АТР не образуется. ПФП, как и цикл Кребса, — циклический процесс, поскольку окисление глюкозы сопровождается регенерацией исходного субстрата ПФП — глюкозо-6-фосфата.

Этапы пентозофосфатного пути окисления глюкозы. В ПФП можно выделить два этапа:

1) окисление глюкозы,

2) рекомбинацию сахаров для регенерации исходного субстрата.

Для каждого оборота цикла суммарное уравнение ПФП имеет следующий вид:

6Глюкозо-6-фосфат + 12NADP+ + 7Н20 ->-> 5Глюкозо-6-фосфат + 6С02 + 12NADPH + 12Н + + Н3Р04

Энергетический выход ПФП и его роль в обмене веществ.

36 АТР, что составляет 41,868 кДж х х 36 = 1507 кДж/моль. Практически это не уступает энергетическому выходу дихотомического пути дыхания (гликолиз и цикл Кребса), в котором образуется 1591 кДж/моль (38 АТР).

Однако основное назначение ПФП состоит в участии не столько в энергетическом, сколько в пластическом обмене клеток.

Это участие в пластическом обмене включает несколько аспектов:

1. NADPH используется главным образом в различных синтетических реакциях. ПФП служит основным внемитохондриальным и внехлоропластным источником NADPH, который необходим для синтеза жирных кислот, жиров, изопреноидов, для восстановительного карбоксилирования пирувата, восстановления нитрата и сульфата и т. д.

2. В ходе пентозофосфатного цикла синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и различных нуклеотидов (пиридиновых, флавиновых, адениловых и др.).

3. ПФП имеет большое значение как источник образования углеводов с различным числом углеродных атомов в цепи (от С3 до С7).— предшественника многих ароматических соединений, таких, как ароматические аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.

4. Компоненты ПФП (рибулозо-1,5-дифосфат, NADPH) принимают участие в темновой фиксации С02.

5. В хлоропластах окислительный ПФП функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентрации NADPH в отсутствие света.

Окисление глюкозы по ПФП осуществляется в результате 12 реакций, тогда как в дихотомический (гликолитический) путь через ПВК и далее через цикл ди- и трикарбоновых кислот включаются более 30 различных реакций.

 

Фиксация молекулярного азота.

Химический и биологический пути связывания молекулярного азота.

В природе существуют два пути превращения NО2 в доступную растениям форму. Это химическая и биологическая азотфиксация.

Химическое связывание N2 в форме ионов NH4+ или NO3- небольших размерах осуществляется в результате фотохимических процессов и электрических разрядов в атмоcaepe.

В настоящее время в ряде стран больших масштабов достигло промышленное производство HNO3 и NH3 из азота воздуха. Химическое связывание молекулярного азота с образованием аммиака (N2 + ЗН2 ---> 2NH3) осуществляется в присутствии катализаторов при температуре свыше 500°, давлении около 35 МПа и составляет основу синтеза аммонийных удобрений.

Азотфиксируюшие микроорганизмы.

Микроорганизмы, осуществляющие биологическую азотфиксацию, можно разделить на две основные группы: а) свободноживущие азотфиксаторы Clostridium pasteurianum, Clostridium pasteurianum и б) микроорганизмы, живущие в симбиозе с высшими растениями - ризобиум образующие клубеньки на корнях бобовых растений, а также некоторые актиномицеты и цианобактерии..

Инфицирование растения-хозяина начинается с проникновег ния бактерий рода Rhizobium в клетку корневого волоска. Затем бактерии мигрируют в клетки коры и вызывают интенсивное деление инфицированных клеток, что приводит к образованию клубеньков на корнях. При этом сами бактерии превращаются в бактероиды, которые в среднем в 40 раз больше по объему, чем исходная бактерия. Образование бактероидов тесно связано с синтезом нитрогеназной ферментативной системы.

Молекулярный механизм азотфиксации.

Молекула азота N2(N = N) чрезвычайно прочна и химически инертна. Биологическая фиксация N2 микроорганизмами осуществляется при нормальной температуре и давлении, что свидетельствует об исключительно высокой эффективности участвующего в этом процессе фермента нитрогеназы,

Азотфиксация представляет собой восстановительный процесс и первым стабильным продуктом ее действительно является аммиак.

Процессу азотфиксации необходим постоянный приток электронов и энергии в форме АТР. Источником электронов и АТР для функционирования нитрогеназы у разных типов микроорганизмов могут быть процессы фотосинтеза, дыхания или брожения. Симбиотрофные бактерии рода Rhizobium в качестве источников электронов и АТР используют фотоассимиляты, синтезирующиеся в листьях растения-хозяина и поступающие в корневые клубеньки.

Процесс протекает в бактероиде, окруженном мембраной и локализованном в кортикальных клетках корня растения-хозяина. Основная роль в процессе азотфиксации принадлежит ферменту нитрогеназы. Нитрогеназа катализирует три типа сопряженных реакций: восстановление субстратов, зависимый от восстановителя гидролиз АТР и АТР-зависимое выделение Н2.

Поскольку нитрогеназа разрушается в присутствии 02, у азотфиксирующих микроорганизмов используется ряд механизмов для ее защиты.

Функционирующий в бактероиде цикл Кребса служит источником субстратов для окисления в электронтранспортной цепи, осуществляющей синтез АТР; обеспечивает нитрогеназу электронами через ферредоксин; поставляет кетокцслоты (а-кетоглутарат и др.), которые, реагируя с образуют аминокислоты, транспортируемые затем в клетки растения-хозяина.

 

Глиоксилатный цикл.

Глиоксилатный цикл можно рассматривать как модификацию цикла Кребса. Он активно функционирует в прорастающих семенах масличных растений и в других растительных объектах, где запасные жиры превращаются в сахара (глюконеогенез).

Глиоксилатный цикл локализован в специализированных микротелах — глиоксисомах. В отличие от цикла Кребса в глиоксилатном цикле в каждом обороте участвует не одна, а две молекулы ацетил-СоА и используется для синтеза янтарной кислоты. Янтарная кислота выходит из глиоксисом, превращается в ЩУК и участвует в глюконеогенезе (обращенном гликолизе) и других процессах биосинтеза.

Глиоксилатный цикл позволяет утилизировать запасные жиры, при распаде которых образуются молекулы ацетил-СоА. Кроме того, на каждые две молекулы ацетил-СоА в глиоксилатном цикле восстанавливается одна молекула NADH, энергия которой может быть использована на синтез АТР в митохондриях или на другие процессы.

 

18. Цикл ди – и трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

В анаэробных условиях пировиноградная кислота (пируват) подвергается дальнейшим превращениям в ходе спиртового, молочнокислого и других видов брожений, при этом NADH используется для восстановления конечных продуктов брожения, регенерируя в окисленную форму.

Последнее обстоятельство поддерживает процесс гликолиза, для которого необходим окисленный NAD+. В присутствии достаточного количества кислорода пируват полностью окисляется до С02 и Н20 в дыхательном цикле, получившем название цикла Кребса.

Все участки этого процесса локализованы в матриксе или во внутренней мембране митохондрий.

Непосредственно в цикле окисляется не сам пируват, а его производное — ацетил-СоА.

На протяжении одного оборота цикла при окислении пирувата происходит выделение трех молекул С02, включение трех молекул Н20 и удаление пяти пар атомов водорода.

Энергетический выход цикла Кребса, его связь с азотным обменом.

Цикл Кребса играет чрезвычайно важную роль в обмене веществ растительного организма. Он служит конечным этапом окисления не только углеводов, но также белков, жиров и других соединений. В ходе реакций цикла освобождается основное количество энергии.

При окислении одной молекулы пирувата может образоваться 15 молекул АТР + 8АТФ гликолиз = 38 АТФ = 1591 кДж/моль (380 ккал/моль).

Значение цикла Кребса не исчерпывается его вкладом в энергетический обмен клетки. Не менее важную роль играет то обстоятельство, что многие промежуточные продукты цикла используются при синтезе различных соединений. азотном обмене, синтезе и распаде белковых веществ, образуются аминокислоты. Для синтеза липидов, полиизопренов, углеводов и ряда других соединений используется ацетил-СоА. Особенно важно, что через реакции цикла Кребса устанавливается тесная связь между обменом трех важнейших групп соединений — белков, жиров и углеводов.

 

Вопрос.

Гликолиз.

Гликолиз — процесс анаэробного распада глюкозы, идущий с освобождением энергии, конечным продуктом которого является пировиноградная кислота.

Гликолиз — общий начальный этап аэробного дыхания и всех видов брожения. Реакции гликолиза протекают в растворимой части цитоплазмы (цитозоле) и в хлоропластах.

Этапы гликолиза, фосфорилирование 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 фосфорилирование, которое начинается с 3-фосфоглицеринового альдегида и кончается 3-фосфоглицериновой 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. Пируват 2 молекулы— конечный продукт гликолиза.

Энергетический выход гликолиза.

Всего в процессе гликолиза образуются 8 молекул АТР (335 кДж/моль, или 80 ккал).

Функции гликолиза в клетке.

В аэробных условиях гликолиз выполняет ряд функций:

1) осуществляет связь между дыхательными субстратами и циклом Кребса;

2) служит основным источником АТР в клетке;

3) производит интермедиаты, необходимые для синтетических процессов в клетке;