Дыхательная электронтранспортная цепь и окислительное фосфорилирование

Глиоксилатный цикл (в животных клетках отсутствует). Можно рассматривать как модификацию цикла Кребса. Он активно функционирует в прорастающих семенах масличных растений, где запасные жиры превращаются в сахара (глюконеогенез). Локализован не в митохондриях, а в специализированных микротельцах – глиоксисомах.

В отличие от цикла Кребса, в каждом обороте участвует не одна, а две молекулы ацетил-СоА А (образуется при β-окислении жирных кислот)и используется для синтеза янтарной кислоты, которая выходит из глиоксисом, превращается в ЩУК и участвует в глюконеогенезе (обращённом гликолизе).

Пентозофосфатный путь окисления (ПФП, пентозный шунт). Окисление глюкозы по этому пути связано с отщеплением от глюкозы первого атома углерода в виде СО₂.

Протекает этот процесс в растворимой части цитоплазмы клеток и в хлоропластах. ПФП дыхания особенно активен в тех клетках и тканях растений, в которых интенсивно идут синтетические процессы, такие, как синтез липидных компонентов мембран, нуклеиновых кислот, клеточных стенок, фенольных соединений.

В ПФП выделяют 2 этапа:

1) окисление глюкозы до рибулозо-5-фосфата с образованием 2 NADPH*H⁺;

2) рекомбинация сахаров для регенерации исходного субстрата при участии ферментов транскетолаз, трансальдолаз и изомераз.

6С₅ = 5С₆

Суммарное уравнение ПФП выглядит таким образом:

6С₆Н₁₂О₆ = 5С₆Н₁₂О₆ + 6СО₂ + 12 NADPH*H⁺

Основное значение ПФП не энергетическое, а пластическое:

1 - NADPH*H⁺, образующийся не в митохондриях, а в цитоплазме, используются главным образом в различных синтетических процессах (так как в отличие от NAD⁺, который присутствует в клетках в основном в более устойчивой окисленной форме, NADPH*H⁺ - в восстановленной).

2 – В ходе ПФП синтезируются пентозы, входящие в состав нуклеиновых кислот и нуклеотидов (ATP,GTP,UTP, NAD,FAD,коэнзим А тоже являются нуклеотидами, в состав которых входит рибоза).

3 – Углеводы С₃ – С₇ необходимы для синтеза различных веществ. Например, из эритрозы синтезируется шикимовая кислота – предшественник многих ароматических соединений, таких как аминокислоты, витамины, дубильные и ростовые вещества, лигнин клеточных стенок и др.

4 – Компоненты ПФП принимают участие в темновой фиксации СО₂. Только 2 из 15 реакций цикла Кальвина специфичны для фотосинтеза, остальные участвуют в ПФП.

5 – Триозы С₃ из ПФП могут превращаться в 3-ФГК и участвовать в гликолизе.

Активность ПФП в норме в общем дыхательном обмене составляет 10-40%. Активность увеличивается при неблагоприятных условиях: засухе, калийном голодании, инфекции, затенении, засолении, старении.

Цикл Кребса, глиоксилатный и ПФП функционируют только в условиях достаточного количества О₂. В то же время О₂ непосредственно не участвует в реакциях этих циклов. Он необходим для заключительного этапа дыхательного процесса, связанного с окислением накопленных восстановленных коферментов NADH*H⁺ и FADH₂ в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен и синтез АТФ.

Дыхательная ЭТЦ, локализованная во внутренней мембране митохондрий состоит из четырех мультиэнзимных комплексов, в состав которых входят (по мере увеличения окислительно-восстановительного потенциала):

FMN – железосерные белки FeS – убихинон Q – цитохромы (b₅₅₆,b₅₆₀,₁c,c,a,a₃) - О₂. При этом электроны от NADH*H⁺ поступают на FMN, а от FADH₂ – непосредственно на убихинон.

Из матрикса митохондрий при транспорте каждой пары электронов от NADH*H⁺ к О₂ в трех участках ЭТЦ через мембрану наружу (в межмембранное пространство) переносятся по крайней мере шесть протонов Н⁺, при окислении FADH₂ – таких участков лишь два.

В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н⁺, включающий химический или осмотический градиент (ΔрН) и электрический градиент. Согласно хемиоосмотичской теории Митчелла такой электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н⁺ и является источником энергии для синтеза АТФ за счет транспорта протонов через протонный канал мембранной АТФ-азы.

АТФ-азный комплекс состоит из фактора сопряжения F₁ (белок из 9 субъединиц) и фактора F_о, который перешнуровывет мембрану и служит каналом для транспорта ионов Н⁺.

Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с переносом электронов при ЭТЦ митохондрий, называется окислительным фосфорилированием.

При окислении NADH*H⁺ коэффициент фосфорилирования =3, FADH₂= 2, то есть энергии хватает на синтез соответственно 3 и 2 молекул АТФ.

Таким образом можно рассчитать общий энергетический выход (в молекулах АЬФ) окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ = 6СО₂ + 4 АТФ + 10 NADH*H⁺ + 2 FADH₂.

При этом 10 NADH*H⁺ = 30 АТФ, а 2 FADH₂ = 4 АТФ. В итоге имеем 4 +30+4 =38 АТФ = 380 ккал/моль = 1591 кДж/моль энергии.