Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 12)
Суммарную реакцию для образования ацетил-КоА и цикла Кребса можно записать так:
С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12АсН2,
где Ас — акцептор водорода.
Рис. 11.8. Упрощенная схема цикла Кребса
11.3.6. Окислительное фосфорилирование и дыхательная цепь
Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это, когда водород, отделившийся от НАД⋅Н2 или ФАД⋅Н2, передается по цепи, включающей по меньшей мере пять переносчиков — флавопротеин, кофермент Q и несколько разных цитохромов. В конце цепи водород соединяется с молекулярным кислородом и образует воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. Переносчики сгруппированы таким образом, что в трех пунктах цепи при переходе водородных атомов от одного переносчика к другому небольшое количество энергии высвобождается и включается в молекулу АТФ. На рис. 11.9 представлена дыхательная цепь, или цепь переноса электронов. В действительности на первом участке цепи происходит главным образом перенос водорода, а на последнем — исключительно перенос электронов. Переносчики X, Y и Z-цитохромы. X и Y представляют собой белковые пигменты с железосодержащей простетической группой, которая называется гемом (такой же гем содержится в гемоглобине). При каждой окислительно-восстановительной реакции железо оказывается попеременно в окисленной (Fe3+) и в восстановленной (Fe2+) форме. На конечном этапе медьсодержащий переносчик Z, называемый обычно цитохромоксидазой (или цитохромом а + а3), катализирует восстановление молекулярного кислорода до воды. Цианид калия и окись углерода блокируют клеточное дыхание на этом этапе.
Рис. 11.9. Схема дыхательной цепи, где происходит перенос водорода и электронов. Пункты, в которых высвобождается достаточно энергии для синтеза АТФ, не указаны. Кроме того, показаны не все переносчики, входящие в дыхательную цепь
11.3.7. Переносчики водорода и электронов
НАД и НАДО (никотинамидадениндинуклеотидфосфат)
НАД и НАДФ — два очень близких по своей структуре кофермента. Оба они представляют собой производные никотиновой кислоты (одного из витаминов группы В). Молекулы того и другого кофермента электроположительны (у них отсутствует один электрон) и могут играть роль переносчика как электронов, так и атомов водорода. Когда акцептируется пара атомов водорода, один из атомов диссоциирует на протон и электрон:
а второй присоединяется к НАД или НАДФ целиком.
Суммарную реакцию можно записать так:
или проще
НАД(Ф) + Н2 → НАД(Ф) ⋅ Н2.
Свободный протон позднее, при отщеплении водорода, используется для обратного окисления кофермента.
Флавопротеины
Флавопротеины — это коферменты, в состав которых входит витамин В2. ФАД (флавинадениндинуклеотид) играет роль простетической группы, белковая же часть молекулы флавопротеина действует как фермент. В дыхательной цепи эта белковая часть выступает в качестве НАД-дегидрогеназы, катализируя окисление восстановленного НАД. Водород переносится флавопротеином в виде целых атомов.
В цикле Кребса белковая часть флавопротеина, простетической группой которого служит ФАД, действует как сукцинатдегидрогеназа. Она катализирует окисление янтарной кислоты в фумаровую. Восстановленный ФАД располагается в дыхательной цепи после первого пункта окислительного фосфорилирования (т. е. синтеза АТФ). Поэтому за счет его обратного окисления синтезируются только две молекулы АТФ (рис. 11.10).
Рис. 11.10. Развернутая схема дыхательной цепи. Каждый цитохром способен передавать только один электрон. Предполагается, что на каждом дыхательном пути действуют два ряда цитохромов. Здесь показан только один, но цифры удвоены, чтобы количества образующихся конечных продуктов соответствовали действительности. В энергетическом смысле электроны перемещаются 'вниз'
Кофермент Q
Молекула этого кофермента содержит цикл из шести атомов углерода. Кофермент Q принимает водород от флавопротеина и передает его цитохрому b.
Цитохромы
Все цитохромы — это белки с относительно небольшой молекулярной массой. Они содержат тем в качестве прочно связанной простетической группы и переносят не водородные атомы, а электроны. Роль переносящего электроны компонента в цитохромах играет железо гема. Обычно оно находится в окисленной форме (Fe3+), но после присоединения электрона, переходит в восстановленную форму (Fe2+). Каждый водородный атом, поступающий от кофермента Q, распадается на ион водорода и электрон:
Н → Н+ + е-
Этот электрон присоединяется к иону железа:
Ионы водорода поступают на время в окружающую среду: они понадобятся вновь позднее, в конце дыхательной цепи.
Электрон от цитохрома b переходит к цитохрому с и далее к цитохрому а + а3 — прочному комплексу двух цитохромов, называемому обычно цитохромоксидазой. Этот комплекс, помимо железа, содержит еще и медь и вступает в окислительно-восстановительную реакцию, когда цитохром а3 в конце концов передает электроны кислороду (рис. 11.10). Любой цитохром может переносить только по одному электрону; поэтому полагают, что во всякой дыхательной цепи имеются два ряда цитохромов, которые и осуществляют перенос электронных пар:
Теперь, когда читатель уже кое-что знает о переносчиках водорода и электронов, ему будет легче разобраться и в более подробной схеме дыхательной цепи, приведенной на рис. 11.10.
Суммарные реакции аэробного дыхания:
11.3.8. Анаэробное дыхание
Многие микроорганизмы (анаэробы) получают большую часть своего АТФ за счет анаэробного дыхания. Для некоторых бактерий сколько-нибудь значительные количества кислорода вообще губительны, так что они вынуждены жить там, где кислород отсутствует. Такие организмы называют облигатными анаэробами (примеры — бактерии
Известны и другие организмы, например дрожжи и паразиты кишечного тракта (ленточные черви и др.), которые могут существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Их называют факультативными анаэробами. Некоторые клетки, временами испытывающие недостаток кислорода (в частности, мышечные клетки), тоже обладают способностью к анаэробному дыханию.
В условиях, когда кислорода нет и, значит, водородные атомы, освободившиеся в процессе гликолиза, не могут быть ему переданы, вместо НАД должен быть использован другой акцептор водорода. Таким акцептором становится пировиноградная кислота. При этом в зависимости от метаболических путей, имеющихся у данного организма или у самих клеток, конечные продукты анаэробного дыхания оказываются различными. У дрожжей, например, образуются этанол и СО2:
(этот процесс называется спиртовым брожением), а в животных клетках, испытывающих временный недостаток кислорода, и у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, приводящее к образованию молочной кислоты:
На рис. 11.11 представлены эти различные пути анаэробного дыхания.
Ни тот, ни другой процесс не дает дополнительного количества АТФ, так что выход энергии на одну молекулу глюкозы, расщепленную путем анаэробного дыхания, соответствует двум молекулам АТФ. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, при этом так и не извлекается (остается в конечных продуктах брожения — этаноле и молочной кислоте). Поэтому анаэробное дыхание (рис. 11.11) в сравнении с аэробным (см. разд. 11.3.9) следует считать процессом малоэффективным. Молочная кислота должна из мышечных клеток удаляться кровью, чтобы не наступило утомление. Позднее, в аэробных условиях, она вновь превращается в глюкозу в печени, где глюкоза запасается в форме гликогена. Подробно этот процесс описан в разд. 16.4.
Рис. 11.11. Различные пути анаэробного дыхания
11.3.9. Эффективность превращения энергии при аэробном и анаэробном дыхании
Аэробное дыхание
С6Н12О6 + 6О2→6СО2 + 6Н2О + 38АТФ;
ΔG = -2880 кДж/моль
( — 30,6 кДж-это величина свободной энергии, образующейся при гидролизе АТФ до АДФ).
Рис. 11.12. Модель челночной системы (подробное объяснение см. в тексте). НАД — никотинамидадениндинуклеотид; ФП — флавопротеин
Анаэробное дыхание
1) Дрожжевое (спиртовое) брожение:
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ;
ΔG = — 210 кДж/моль.
Эффективность = 2⋅(- 30,6)/(- 210) = 29,14%
2) Гликолиз в мышцах (молочнокислое брожение):
С6Н12О6 2СН3СНОНСООН + 2АТФ;
ΔG = — 150 кДж/моль.
Эффективность = 2⋅(- 30,6)/(- 150) = 40,80%