ПОДГОТОВКА ЭНЕРГИИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ (ДЫХАНИЕ)

У растений источником энергии является солнечный свет, причем ответственными за производство АТФ являются хлоропласты. Энергия, которая оказывается запасенной в основном в углеводах, используется в дальнейшем клетками растений для обеспечения различных биологических реакций. Что же касается клеток животных, то энергия поступает к ним с пищей (сахарами и жирными кислотами). Чтобы эта энергия могла использоваться в процессе жизнедеятельности клеток, она должна быть подготовлена для использования. Каковы же механизмы, с помощью которых энергия, запасенная в глюкозе, трансформируется в клетках в доступную для использования форму АТФ?

Подготовка энергии к использованию, т. е. генерирование (извлечение) энергии из пищевых веществ осуществляется в процессе дыхания, под которым понимают окисление (расщепление) молекул-энергоносителей, т. е. «топливных» молекул, при котором роль конечного акцептора электронов выполняет О₂, а донором электронов является органическое или неорганическое соединение. Процесс подготовки энергии к использованию протекает в три последовательные стадии (рис. 71).

На первой стадии поступающие в клетки крупные молекулы полисахаридов гидролизуются до простых сахаров. На этой стадии происходит разложение и других энергоносителей. В частности, жиры разлагаются на глицерол и жирные кислоты, белки гидролизуются до аминокислот. Однако на этой стадии высвобождение запасенной в пищевых веществах энергии все еще не про- исходит.

На второй стадии происходит распад малых молекул до еще более простых структур, играющих уже ключевую роль в метаболизме. Глюкоза превращается в ацетильную часть ацетил-КоА, являющегося производным кофермента А. В результате этих реакций образуются молекулы АТФ, но их еще мало. На уровне ацетил-КоА в метаболический путь могут вступать также жирные кислоты и аминокислоты.

 

Наконец, на третьей стадии происходит полное окисление ацетильного компонента ацетил-КоА до СО_2. На этой стадии образуется основная часть АТФ.

Процесс генерирования энергии в животных клетках

(извлечения ее из субстрата) осуществляется с уча-

стием митохондрий и начинается с гликолиза (от греч.

glycos — сахар и lysis — растворение), который пред-

ставляет собой окисление глюкозы, заканчивающееся

превращением этого углевода в пировиноградную кис-

лоту и образованием АТФ. Уже давно установлено,

что для дыхания в качестве акцептора электронов необ-

ходим кислород. Однако на первых этапах расщепления

сахаров кислорода не требуется. Окисление

глюкозы начинается в анаэробных условиях дыхания (при

отсутствии кислорода) с частичного расщепления ее ше-

стиуглеродной молекулы и заканчивается образованием

двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты

(рис. 72). Превращения глюкозы можно описать следующим

уравнением:

 

C6H12O6+ 2Ф + 2АДФ ® 2СН3СНОНСООН + 2АТФ + 2Н2О

У большинства организмов гликолиз служит одним из

центральных метаболических путей и состоит из десяти

последовательных химических реакций, про- текающих в

цитоплазме (цитозол). Вначале глюкоза превращается

через глюкозо-6-фосфат во фруктозо-1,6-дифосфат в ре-

зультате фосфорилирования, катализируемого гексоки-

назой и фосфофруктозокиназой. Поскольку эти реакции

еще сами нуждаются в АТФ, они являются подготовитель-

ными в образовании АТФ. В частности, на превращение

каждой молекулы глюкозы в этих реакциях затрачивается

по две молекулы АТФ.

На втором этапе фруктозо-1,6-дифосфат превращается

с помощью альдолазы в дигидроксиацетонфосфат и глицер-

альдегид-3-фосфат, которые взаимопревращаемы в реакциях,

катализируемых триозофосфатизомеразой. Затем глицераль-

дегид-3-фосфат окисляется и фосфорилизуется, в результате

чего превращается в высокоэнергетическое фосфатное соеди-

нение 1,3-дифосфоглицерат (1,3-БФГ). Это превращение ка-

тализируется глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназой.

 

 

Поскольку 1,3-БФГ-ацилфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфатной группы, эта особенность используется для генерирования АТФ. Поэтому дальше происходит перенос фосфатной группы от ацилфосфатной группы 1,3-БФГ-ацилфосфата на АДФ, катализируемый фосфоглицераткиназой. В результате этого образуется молекула

АТФ и 3-фосфоглицерат, т. е. на этом этапе происходит

образование энергии.

 

Последний этап гликолиза связан с превращением

3-фосфоглицерата в пируват и образованием второй мо-

лекулы АТФ. Этот этап осуществляется в реакциях трех

типов. Пер- вая реакция заключается во внутримолеку- лярной перестройке, связанной с превраще- нием 3-фосфоглицера-та в 2-фосфоглицерат, катализируемым фосфоглицеромутазой.

В результате этой реакции происходит пере- мещение фосфатной группы. Во второй реак- ции происходит дегидратация 2- фосфоглицерата, катализируемая енолазой, в результате чего образуется фосфоенолпиру- ват. При этом повышается потенциал перено- са фосфатной группы енолфосфат обладает высоким потенциалом переноса фосфатной группы. В третьей (заключительной) реакции этого этапа гликолиза происходит перенос фосфатной группы, от фосфоенолпирувата к АДФ, катализируемый пируваткиназой. Это

приводит к образованию пирувата и АТФ (второй молекулы).

При анаэробных условиях пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат) или в этиловый спирт (этанол), или в пропионовую кислоту.

Этот анаэробный процесс называют еще брожением. В данном случае речь идет о молочнокислом, спиртовом и пропионовом брожении (соответственно). Мо- лочная кислота образуется из пирувата при метаболизме ряда микроорганиз- мов, а также в клетках мышц многоклеточных организмов. Суммарная реакция превращения глюкозы в лактат имеет следующий вид:

 

 

НАД´Н образуется в результате окисления глицеральдегид-3-фосфата, который используется при восстановлении пирувата.

В процессе превращения пировиноградной кислоты в лактат происходит реге- нерирование НАД+, что поддерживает непрерывность гликолиза в анаэробных условиях. Этиловый спирт образуется из пирувата при метаболизме дрожжей и некоторых других микроорганизмов спиртового брожения. Суммарная реакция превращения глюкозы в этанол имеет следующий вид:

 

 

Глюкоза + 2Pi + 2АДФ + 2Н+® 2 этанол + 2СО2 + 2АТФ + 2Н20.

Восстановление ацетальдегида в этиловый спирт сопровождается регенериро- ванием НАД+(Никотинамидадениндинуклеоти́д - кофермент).

Анаэробное дыхание с точки зрения производительности не является эффек- тивным процессом, т. к. при анаэробном превращении глюкозы в этанол или лактат освобождается лишь небольшое количество энергии. Большая часть энергии, запасенная в глюкозе, продолжает затем оставаться запасенной уже в молекулах этанола.

Как видно, последовательность реакций, в процессе которых глюкоза превра- щается в пируват, сходна в клетках всех видов у всех организмов. Биологиче- ское значение гликолиза заключается в том, что он генерирует молекулы АТФ. В результате распада глюкозы образуются строительные блоки, используемые для синтеза клеточных структур. Оба эти процесса регулируются скоростью превращения глюкозы в пируват. Однако роль пирувата в генерировании энер- гии обмена веществ различна в разных клетках и разных организмах.

У аэробных организмов гликолиз, осуществляемый в цитозоле выполняет роль своего рода процесса-прелюдии к дальнейшему окислению, ибо при аэробном дыхании (в присутствии кислорода) окисление идет дальше и осуществляется уже в митохондриях в так называемом цикле Кребса (цикле трикарбоновых ки- слот или цикле лимонной кислоты) и в цепи переноса электронов, цикл Кребса является конечным путем окисления топливных молекул, причем не только глюкозы и других углеводов, но и жирных кислот и аминокислот (рис. 73).

Следовательно, «топливом» для окисления в митохондриях являются пируват и жирные кислоты. Включение в этот окислительный путь осуществляется на уровне кофермента (ацетил-КоА), т. е. происходит с образования ацетил-КоА в митохондриаль-ном матриксе, в результате окислительного декарбоксилирова- ния пирувата или распада жирных кислот до двухуглеродных групп. Ацетил- КоА обладает высоким потенциалом переноса ацетильных групп. Следователь- но, топливные молекулы вступают в цикл Кребса в виде ацетил-КоА. Непре-

 

рывность же снабжения окислительных процессов «топливом» обеспечивается запасанием животными клетками липидов, являющихся главным ресурсом жирных кислот, а также гликогена, являющегося источником глюкозы.

 

 

Цикл Кребса действует только в аэробных условиях и начинается с конденса- ции ацетил-КоА (C2) и оксалоацетата (C4с образованием цитрата (С6), изомери- зация которого приводит к изоцитрату (C6). Затем следует окислительное де- карбоксилирование изоцитрата и образование a-оксоглутарата (С5), после чего последний подвергается окислительному декарбоксилированию (выделяется вторая молекула CO2 в сукцинил-КоА (С4). В следующей реакции происходит расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА в присутствии пирофосфата (Pi), в результате чего образуется сукцинат и генерируется высокоэнергетические фосфатные связи в форме ГТФ и АТФ.

 

 

Сукцинат потом окисляется в фумарат (С4), а последний гидратируется в малат. В последующей реакции происходит окисление малата, что приводит к регене- рированию оксалоацетата (C4). Следовательно, в цикл Кребса вступают два атома углерода в виде ацетил-КоА и такое же количество атомов углерода по- кидают этот цикл уже в виде CO2 в последовательных реакциях декарбоксили- рования, которые катализируются дегидрогеназами.

 

 

 

В результате четырех окислительно-восстановительных реакций цикла Кребса происходит перенос трех пар электронов над НАД и одной пары электронов на ФАД. Восстановленные этим путем переносчики электронов НАД и ФАД под- вергаются затем окислению уже в цепи переноса электронов, в результате ко- торого генерируется одиннадцать молекул АТФ. Одна высокоэнергетическая связь генерируется непосредственно в цикле Кребса. Таким образом, на каждый двухуглеродный фрагмент, полностью окисляемый до Н2О и СО2, генерируется двенадцать высокоэнергетических фосфатных связей.

Цикл Кребса подвержен регуляции; его скорость зависит от потребности в АТФ других метаболических реакций. Важное значение имеет регуляция синтеза цитратсинтазы, изоцитратдегидроге-назы и оксоглутаратдегидрогеназы.

Биологическое значение цикла Кребса заключается не только в том, что он яв- ляется завершающим этапом в генерировании энергии, но и в том, что он «по- ставляет» промежуточные продукты для биосинтеза.

Цикл Кребса действует только в аэробных условиях по той причине, что для него необходимы НАД и ФАД, регенерирование которых происходит при пе- реносе электронов НАД´Н и ФАД´H2 на О2по цепи транспорта электронов, со- провождаемом одновременным образованием АТФ (рис. 74).

Поскольку у аэробных организмов единственным акцептором электронов явля- ется О2, а электроны не переносятся от топливных молекул и продуктов их ре- акций прямо на O2, топливные молекулы и продукты их распада переносят электроны к пиримидиннуклеотидам или флавинам, являющимся переносчика- ми.

Главным акцептором электронов при окислении топливных молекул является никотинамидадениндинуклеотид (НАД+, реакционноспособной частью которо- го является никотинамидное кольцо. Последнее присоединяет ион водорода и два электрона. Восстановленной формой этого переносчика является НАД´Н. Окисление последнего дает три молекулы АТФ. Вторым акцептором электро- нов является ФАД (флавинадениндинуклеотид), ре-акционноспособной частью которого является изоаллоксазиновое кольцо, которое тоже присоединяет два электрона. Восстановленной формой ФАД является ФАД´H2. Окисление по- следнего дает две молекулы АТФ.

Таким образом, главными переносчиками являются НАД´Н и ФАД-Hg, которые содержат по паре электронов с высоким потенциалом и которые доставляют свои высокоэнергетические электроны к О3по цепи транспорта электронов, также локализованной в митохондриях.

Этот перенос сопровождается образованием АТФ из АДФ и пи-рофосфата (Рi), происходит на митохондриальных мембранах и носит название окислительного фосфорилирования. Оно было открыто в 1931 г. В. А. Энгельгардтом (1894- 1984). Следовательно, окислительное фосфорилирование — это процесс обра- зования АТФ, сопряженного с переносом электронов по цепи транспорта (пе- реносчиков) от НАД´Н или ФАД´H2 к O2 через многие другие переносчики, в частности питохромы. В процессе окислительного фосфорилирования генери-

 

руется 32 молекулы АТФ из всех 36 молекул АТФ, генерируемых в процессе окисления глюкозы до СО2и Н2О.

Многоступенчатость транспорта электронов от НАД´Н или ФАД´Н2 к О2по це- пи многочисленных переносчиков сопровождается выбросом протонов из ми-

тохондриального матрикса и генерированием на внутренней митохондриальной мембране протон-движущей силы (мембранного потенциала), измеряемой в милливольтах. На внутренней поверхности митохондриальной мембраны про- тондвижущая сила равна 220 микровольтам.

В процессе обратного перехода протонов в митохондриальный матрикс проис- ходит синтез АТФ.

Следовательно, окисление НАД´Н и ФАД´H2и фосфорилирование АДФ в АТФ сопряжены по той причине, что они обеспечиваются протонным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий. Это сопряжение называют дыха- тельным контролем.

Потенциальные возможности окисления в митохондриях очень большие, т. к. последние обеспечивают производство почти всего АТФ в клетках млекопи- тающих.