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 брожение осуществляется 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 + 2P_i + 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 β-фрукто-фуранозидазой и α-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 + 2P_i → 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 + 2P_i + 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.