Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 15)
5. Эта энергия используется затем для синтеза АТФ. Синтез АТФ, таким образом, поддерживается наличием градиента рН.
6. АТФ образуется в результате фосфорилирования АДФ:
АДФ + Фн ⇔ АТФ + Н2О.
По закону действующих масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т. е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование воды при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, что ионы водорода освобождаются с внутренней стороны мембраны, где значение рН выше (т. е. концентрация Н+ меньше), а гидроксильные ионы (ОН-) — с наружной стороны, где рН ниже (т.е. концентрация Н+ больше). Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез.
Из гипотезы Митчелла ясно, почему мембрана должна быть интактной (в ней расположены ферменты, ответственные за прохождение ионов во-дорода и за образование воды, так что любое изменение структуры мембраны неминуемо сказалось бы также на расположении ферментов и на их структуре). Объяснимо и требование непроницаемости мембраны для ионов водорода (в направлении снаружи внутрь): в основе гипотезы лежит представление о трансмембранном градиенте рН, а такой градиент не мог бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаемой. Следует отметить также, что гипотеза обходится без каких бы то ни было промежуточных продуктов в процессе синтеза АТФ.
11.5.5. Другие пути дыхания
Пентозофосфатный (гексозомонофосфатный) шунт
Этот метаболический путь требует наличия кислорода и служит главным источником пятиуглеродных сахаров, входящих в состав важных нуклеотидов (АТФ, НАД, ФАД) и нуклеиновых кислот. Шунт может функционировать наряду с обычным гликолитическим путем, поставляя в разных клетках от 10 до 90% энергии, получаемой за счет расщепления углеводов в процессе дыхания.
Суть превращений сводится к тому, что шесть молекул глюкозо-6-фосфата сначала дегидрируются, а затем декарбоксилируются. Акцептором водорода служит НАДФ. В конечном итоге образуется шесть молекул рибулозо-5-фосфаза (фосфорилированного пятиуглеродного сахара) и в качестве побочного продукта — шесть молекул СО2. Молекулы рибулозо-5-фосфата претерпевают затем сложную последовательность реакций, в результате которой ресинтезируются пять молекул глюкозо-6-фосфата. Кроме того, образуется глицеральдегид-3-фосфат, который может быть направлен на путь гликолиза и превращен в пировиноградную кислоту, поступающую в конце концов в цикл Кребса. Пентозофосфатный шунт дает в общем итоге 36 молекул АТФ. Гликолиз вместе с циклом Кребса дает 38 молекул, но шунт имеет то преимущество, что в нем меньше реакций, а значит, меньше и число необходимых ферментов. Суммарную реакцию можно записать так:
Шунт поставляет также НАДФ⋅Н2, который служит донором водорода и электронов (восстановителем) при синтезе ряда веществ. В жировой ткани, например, именно этот шунт дает большие количества НАДФ⋅Н2, который используется для восстановления ацетил-КоА до жирных кислот в процессе синтеза липидов.
Глиоксилатный цикл
Глиоксилатный цикл, функционирующий в богатых маслами семенах, обеспечивает превращение запасных жиров в углеводы. Ферменты, участвующие в этом цикле, сосредоточены главным образом в органеллах, называемых глиоксисомами (они содержат каталазу и, следовательно, представляют собой разновидность пероксисом), и активных в период прорастания семян; впрочем, этот цикл протекает и в других органеллах. Он, однако, перестает функционировать, после того как будет израсходован весь запас жиров.
Во время прорастания семян жиры гидролизуются до жирных кислот и глицерола. Затем жирные кислоты расщепляются путем β-окисления (разд. 11.5.6), что дает в итоге значительные количества ацетил-КоА. Ацетил-КоА, как обычно, вступает в цикл Кребса, но здесь к реакциям этого цикла добавляется еще и глиоксилатный цикл. В каждом обороте глиоксилатного цикла происходит следующее суммарное превращение:
2Ацетил-КоА (2х2С) → Янтарная кислота (4С) + 2Н + 2КоА
Пара отделившихся атомов водорода передается на кислород через дыхательную цепь, в результате чего синтезируется АТФ. Янтарная кислота может использоваться как источник углеродных скелетов для синтеза ряда различных соединений. Таким образом, субстратом для глиоксилатного цикла служит двухуглеродное соединение ацетил-КоА, а поставляет этот цикл энергию и промежуточные четырех — углеродные продукты для биологических синтезов.
11.5.6. Жиры как дыхательный субстрат
В некоторых животных тканях, например в печени, а также в семенах растений, содержащих большие количества жиров, эти жиры могут использоваться в качестве дыхательного субстрата без предварительного превращения их в углеводы. Сначала жиры при участии ферментов, называемых липазами, гидролизуются до жирных кислот и глицерола.
Глицерол
Глицерол (глицерин) сначала фосфорилируется под действием АТФ, превращаясь в глицеролфосфат, а затем дегидрируется под действием НАД с образованием дигидроксиацетонфосфата. Этот последний превращается в свой изомер-глицеральдегид-3-фосфат (рис. 11.18). В этих процессах, как видно из рис. 11.18, одна молекула АТФ потребляется и три образуются (при переносе водорода на кислород в дыхательной цепи). Далее глицеральдегид-3-фосфат вступает на путь гликолиза и в цикл Кребса, что дает еще 17 молекул АТФ. Таким образом, превращения одной молекулы глицерола в процессе аэробного дыхания дают в общем итоге 20 — 1 = 19 АТФ.
Рис. 11.18. Превращение глицерола в глицеральдегид-3-фосфат
Жирные кислоты
Каждая молекула жирных кислот окисляется в результате процесса, называемого β-окислением. При этом от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двухуглеродные фрагменты, так что на каждом этапе эта длинная молекула укорачивается на два атома углерода. Образовавшийся ацетил-КоА может, как обычно, поступить в цикл Кребса, чтобы окислиться до СО2 и воды (рис. 11.21). Этот процесс протекает в матриксе митохондрий. Из каждой молекулы жирной кислоты извлекается большое количество энергии: при окислении стеариновой кислоты выход АТФ составляет, например, 147 молекул. Неудивительно поэтому, что жирные кислоты — важный источник энергии. Около половины обычных энергетических затрат сердечной мышцы, печени, почек и скелетных мышц (в покое) покрывается именно за счет окисления жирных кислот.
11.5.7. Белки как дыхательный субстрат
Белки используются как дыхательный субстрат крайне редко — только после того, как будут исчерпаны все имеющиеся запасы углеводов и жиров. Сначала белки гидролизуются до аминокислот, из которых состоят их молекулы, а затем аминокислоты дезаминируются (от них отщепляются аминогруппы). С отщеплением аминогрупп протекают реакции двух типов: окислительное дезаминирование и трансаминирование.
Окислительное дезоминирование
Окислительное дезаминирование происходит в клетках печени позвоночных. В результате дегидрирования и гидролиза от аминокислоты отщепляется молекула аммиака. Позже азот выводится из организма в виде аммиака, мочевой кислоты или мочевины (у разных животных выводимый продукт может быть различным; см. разд. 18.5). Аминокислота при дезаминировании превращается в α-оксокислоту. В зависимости от природы боковых групп аминокислот их углеродные скелеты могут в процессе дыхания расщепляться по пути, характерному для углеводов или же для жирных кислот (рис. 11.19).
Рис. 11.19. Окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты
Трансаминирование
Эту реакцию, свойственную всем клеткам, катализируют ферменты, называемые трансаминазами. Трансаминирование — это перенос аминогруппы от аминокислоты на оксокислоту. Таким образом, вместо одной аминокислоты может получиться другая. Одновременно образуются соответствующие α-оксокислоты, которые могут затем подвергаться обычному расщеплению в процессе дыхания. Несколько примеров трансаминирования приведено на рис. 11.20. На рис. 11.21 представлены главные метаболические пути, участвующие в дыхании.
Рис. 11.20. Примеры реакций трансаминирования
Рис. 11.21. Главные метаболические пути, участвующие в процессе дыхания
11.6. Газообмен
Каким бы ни был процесс дыхания — аэробным или анаэробным, между организмом и средой непрерывно должен происходить обмен газами. Аэробам для окисления пищевых веществ и получения энергии нужен поступающий из внешней среды кислород, а в среду аэробы и большинство анаэробов выделяют углекислоту (диоксид углерода СО2) — конечный продукт ("отходы") дыхания. Обмен СО2 и О2 между средой и организмом называется газообменом, а поверхность, на которой этот обмен фактически происходит, — дыхательной поверхностью. Осуществляется газообмен у всех организмов путем диффузии. Для того чтобы диффузия могла происходить, дыхательная поверхность должна удовлетворять нескольким условиям:
1) она должна быть проницаемой, чтобы газы могли сквозь нее проходить;
2) образующий ее слой должен быть тонким, потому что диффузия эффективна на расстояниях не более 1 см;
3) она должна быть влажной, так как оба газа — кислород и СО2-диффундируют в растворе;
4) дыхательная поверхность должна быть большой, чтобы через нее могли обмениваться достаточные количества газов в соответствии с потребностями организма.