Биоэнергетика анаэробного разложения углеводов
Лекция 5.
1. Брожение – анаэробный путь катаболизма. Основные типы брожения: спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое брожение.
2. Биоэнергетика анаэробного разложения углеводов.
3. Дыхание – аэробный путь катаболизма. Цикл трикарбоновых кислот
4. Энергетический баланс анаэробного и аэробного процессов деградации сахаров.
У многих микроорганизмов, растущих в анаэробных условиях, гликолиз является основным катаболическим путем, предназначенным для извлечения энергии из углеводных субстратов; дальнейшие превращения пирувата приводят к образованию определенных конечных продуктов метаболизма — продуктов брожения. Химическая природа этих продуктов зависит от вида микроорганизма и условий протекания процесса, в которых один и тот же микроорганизм осуществляет брожение.
Основными типами брожений, широко распространенными в природе, являются спиртовое, молочнокислое, маслянокислое.
Спиртовое брожениеосуществляется дрожжами рода Saccharomyces и дрожжеподобными организмами (Monilinia, Oidium и др.), а также некоторыми микромицетами. Этанол способны продуцировать и клетки высших растений, если они находятся в среде, лишенной кислорода.
Превращение пирувата в этанол идет в двух последовательных реакциях. В первой происходит его декарбоксилирование:
Реакция полностью необратима; она катализируется пируватдекарбоксилазой, которая содержит в качестве кофермента тиаминпирофосфат (ТРР). Вторая реакция состоит в восстановлении ацетальдегида в этанол за счет NADH:
Эта окислительно-восстановительная реакция катализируется алкогольдегидрогеназой. Суммарная реакция спиртового брожения имеет следующий вид:
Глюкоза + 2Pi + 2 ADP 2 этанол + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
При спиртовом брожении, вызываемом дрожжами, используют гексозы; пентозы не сбраживаются. Легче всего дрожжи сбраживают глюкозу и фруктозу, значительно труднее маннозу и особенно галактозу. Сахароза и мальтоза сбраживаются только после предварительного гидролиза до гексоз, осуществляемого -фрукто-фуранозидазой и -глюкозидазой соответственно.
Молочнокислое брожение отличается от спиртового тем, что пируват не декарбоксилируется как при спиртовом брожении, а непосредственно восстанавливается лактатдегидрогеназой с участием NADH.
Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат такова:
Глюкоза + 2 ADP + 2Pi 2 лактат + 2 ATP + 2 H2O
Возбудителями молочнокислого брожения являются молочнокислые бактерии родов Lactobacillus и Streptococcus. Различают гомоферментативное (до 90 % молочной кислоты) и гетероферментативное молочно-кислое брожение. При гетероферментативном брожении образуются этанол, уксусная кислота, диоксид углерода. При гетероферментативном брожении катаболизм глюкозы до глицеральдегид-3-фосфата осуществляется по фосфоглюконатному пути.
Маслянокислое брожение. Возбудителями маслянокислого брожения являются бактерии рода Clostridium. Оно осуществляется комплексом ферментов по схеме:
Суммарное уравнение реакции маслянокислого брожения:
С6Н12О6 + 2ADP + 2Pi + 2 NADH + 2H+ масляная кислота + 2 NAD +
2H2 + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами, отличающиеся резко выраженным бродильным типом обмена веществ. Токсическое действие кислорода связано с отсутствием у данных бактерий цитохромов и каталазы и с высоким содержанием флавиновых ферментов.Последние переносят водород от субстрата на кислород с образованием пероксида водорода, который накапливается в токсических концентрациях. В природе маслянокислое брожение происходит в местах, куда ограничен доступ кислорода.
Помимо основного продукта отмечено накопление в среде ацетона и бутанола.
Биоэнергетика анаэробного разложения углеводов
В процесс гликолиза входят две АТР-зависимые реакции: первая - образование глюкозо-6-фосфата и вторая — фруктозо-1,6-бисфосфата, и две реакции синтеза АТР, сопряженные с образованием глицерол-3-фосфата и пирувата. Поскольку в ходе гликолиза каждая молекула гексозы расщепляется на 2 трехуглеродных фрагмента, то, следовательно, в этом процессе синтезируется 4 молекулы АТР. В сумме, таким образом, затрачиваются 2 молекулы АТР и образуются 4 молекулы ATP; итого генерируются 2молекулы АТР.
3. Дыхание – аэробный путь катаболизма. Цикл трикарбоновых кислот
У аэробных организмов (животные, растения, многие микроорганизмы) пируват подвергается дальнейшему превращению — окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-СоА.Этот активированный ацетильный комплекс далее полностью окисляется до СО2 и Н20, вовлекаясь в так называемый цикл трикарбоновых кислот(ЦТК). Сущность цикла и заключается в окислительном разложении ацетильного остатка, в результате чего освобождаемая энергия запасается в виде АТР.
Он выполняет следующие функции:
1. Интегративную— объединяет пути катаболизма углеводов, жиров и белков; во всех аэробных организмах он выступает в роли центрального метаболического пути углерода.
2. Амфиболическую — выполняет не только катаболическую функцию распада ацетильных остатков, но и анаболическую, поскольку субстраты цикла используются для синтеза других веществ.
3. Энергетическую – совместно с цепью переноса электронов является основным поставщиком химической энергии в форме АТР.
Реакции гликолиза протекают в цитоплазме, а окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-СоА и реакции цикла трикарбоновых кислот осуществляется в клеточных органеллах - митохондриях.
Реакции цикла трикарбоновых кислот представлена на рисунке:
Цикл трикарбоновых кислот состоит из 8 стадий, катализируемых 8 специфическими ферментами. Он начинается с конденсации ацетильного остатка (ацетил-СоА) с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат.
Первая стадия - реакция конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом — синтетическая, ведущая к образованию С-С-связи и к появлению трикарбоновой кислоты — цитрата:
Вторая реакция цикла трикарбоновых кислот — обратимое превращение цитрата в изоцитрат. Реакция протекает через стадию образования цис-аконитата и катализируется ферментом аконитатгидратазой. Под действием этого фермента цитрат теряет молекулу воды и превращается в ненасыщенный цис-аконитат, который, не отделяясь от активного центра аконитазы, вновь присоединяет воду, но уже иным путем и образует изоцитрат.
Третья реакция цикла трикарбоновых кислот - окислительное декарбоксилирование изоцитрата под действием фермента изоцитратдегидрогеназы, в результате чего образуется 2-оксоглутарат. Это первая окислительно-восстановительная реакция в цикле трикарбоновых кислот; в цикле она играет основную регуляторную роль.
Четвертая реакция цикла - окислительное декарбоксилирование 2-оксоглутарата с образованием сукцинил-СоА. Реакция катализируется мультиферментным комплексом, аналогичным пируватдегидрогеназному комплексу, называемым 2-оксоглу-таратдегидрогеназным комплексом.
Пятая реакция — превращение сукцинил-СоА в сукцинат — осуществляется при участии фермента сукцинил-СоА-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия сохраняется путем образования GTP. Эта реакция является реакцией субстратного фосфорилирования, протекает в три стадии.
Шестая реакция - дегидрирование сукцината до фумарата под действием сукцинатдегидрогеназы. Сукцинатдегидрогеназа локализована на митохондриальной мембране. Все остальные ферменты цикла трикарбоновых кислот локализованы в матриксе митохондрий.
Седьмая реакция — гидратация фумарата с образованием малата, каатализируемая фумаразой (фумаратгидратазой).
Восьмая реакция - регенерация исходного соединения цикла оксалоацетата в результате окисления L-малата под действием малатдегидрогеназы. Образовавшийся оксалоацетат вступает в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-СоА и начинается следующий виток цикла.
Итак, основными реакциями цикла трикарбоновых кислот являются реакции декарбоксилирования и дегидрирования, в результате которых происходит освобождение энергии, аккумулированной в ацетил-СоА.
Цикл трикарбоновых кислот является одной из важнейших узловых станций обмена веществ и энергии, на которой пересекаются пути превращения различных соединений, что обеспечивает единство и неразрывную связь различных типов обмена веществ в организме.