big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Кислородный этап расщепления. Дыхание

Продукты, возникшие в результате гликолиза, содержат еще большой запас химической, энергии, которая может быть освобождена и использована организмом при полном окислении продуктов анаэробной фазы. Это могут осуществлять только аэробные организмы, у которые гликолиз является первым, этапом энергетических превращений.

Стадия кислородного расщепления, как и гликолиз представляет собой последовательность ферментативных реакций, но сосредоточенных в специализированных энергетических органеллах клетки — митохондрий. Дыхание — высокоупорядоченный, каскадный и экономичный процесс высвобождения химической энергии и преобразования ее в энергию макроэргических связей АТФ.

Основная часть происходящей: в клетке работы — химической, механической, энергетической или осмотической — выполняется за счет свободной энергии, поставляемой в доступной форме реакциями окисления — восстановления, образующими в совокупности циклический процесс превращений органических кислот — цикл Кребса, начало которому дают конечные продукты анаэробного этапа дыхания. Главенствующую роль в реакциях ступенчатого окисления исходных продуктов играют С4 - и С6-органические кислоты — лимонная и близкие к ней ди- и трикарбоновые кислоты. Сущность превращений состоит в ступенчатом декарбоксилировании и дегидрировании пировиноградной кислоты — продукта анаэробного этапа дыхания, происходящих в три стадии.

Первая стадия. Окислительное декарбоксилирование пирувата с участием коэнзима А(КоА) — соединения высокой каталитической активности, производного аденина, и окисленной формы НАД+

В результате этой реакции образуется активный адетил-КоА, содержащий высокоэнергетическую тиоэфирную связь, гидролиз которой обеспечивает энергией начальную реакцию второй стадии, отщепляется первая молекула СО2 и восстанавливается НАД.

Вторая стадия. Образованный ацетил-КоА присоединяется к четырехуглеродной акцепторной молекуле — щавелево-уксусной кислоте — с образованием шестиуглеродного соединения — лимонной кислоты, начиная цикл реакций (цикл Кребса), осуществляющихся в матриксе митохондрий. В результате дальнейших реакций происходят последующее декарбоксилирование на этапе щавелево-янтарной и кетоглутаровой кислот, восстановление электронами, отщепленными НАД и ФАД от субстратов цикла, и регенерация щавелево-уксусной кислоты. Происходит замыкание цикла. Молекула пирувата превратилась в три молекулы СО2 и образовалось 5 пар ионов водорода и электронов, восстанавливающих коферменты (рис, 68).

Важно отметить, что на одном из этапов цикла (перед образованием янтарной кислоты) образуется активный сукцинил-КоА, превращение которого в янтарную кислоту сопровождается выделением энергий, достаточной для образования макроэргической связи АТФ. Такой тип образования АТФ называется субстратным фосфорилированием.

Третья стадия. Окисление субстратов в цикле Кребса сопровождается- одновременным восстановлением НАД и ФАД. Для регенерации (окисления) этих восстановленных коферментов с целью их участия в новых превращениях субстрата нужен кислород. Он поглощается клеткой и поставляется в митохондрии. В дальнейшей серии реакций богатые энергией восстановленные НАД и ФАД передают свои электроны в электронно-транспортную цепь, представляющую собой мультиферментный комплекс, находящийся на внутренней поверхности митохондриальных мембран.

Движущей силой в дыхательной цепи является разность окислительно-восстановительных потенциалов ее компонентов. В начале цепи расположен НАД, у которого наибольшая отрицательная величина окислительно-восстановительного потенциала (—0,32В), а в конце цепи — кислород (+0,82 В). Остальные переносчики расположены в порядке последовательного повышения потенциала, что и создает конвейер транспорта электронов и протонов. На каждом из этапов переноса электроны попадают на все более низкий энергетический уровень до тех пор, пока не будут присоединены кислородом, восстанавливающимся в результате этого до воды. Роль необходимого для живых организмов кислорода и состоит именно в том, чтобы присоединять электроны, отщепляемые при превращениях дыхательных субстратов.

Многозвенная цепь переноса электронов (дыхательная цепь) осуществляет ступенчатое окисление субстратов путем отрыва от них протонов и переноса электронов по дыхательной цепи к молекуле кислорода на конечном участке. Дыхательная цепь напоминает каскадное устройство, поставляющее клетке свободную энергию удобными для нее порциями. В процессе такого каскадного передвижения электрона по цепи переносчиков на трех этапах (рис. 69) происходит превращение энергии окисления в энергию АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Осуществляется процесс окислительного фосфорилираеания.

Энергетический баланс дыхательного процесса. Процесс дыхания представляет собой сложный многоэтапный процесс, начало которому

Цикл трикарбоновых кислот

Сочетание цикла Кребаса с дыхательной цепью окисления восстановленных коферментов

дают реакции анаэробного расщепления дыхательного материала до более простых, но богатых энергией соединений типа пировиноградной кислоты (гликолиз), и собственно дыхание — реакции биологического окисления с участием кислорода воздуха. Каждая молекула пирувата, образованная в результате гликолитического расщепления и используемая для дальнейшего окисления, дает шесть пар электронов. При этом пара электронов после прохождения блока дыхательных реакций, включающих электронно-транспортную цепь, дает начало трем молекулам АТФ.

Последовательность реакций и процессов образования АТФ:

1. На гликолитическом этапе молекула глюкозы дает 2 молекулы АТФ. При этом окисление фосфоглицеринового альдегида до фосфоглицериновой кислоты дает 2 молекулы восстановленного кофермента НАД • Н, которые при последующем прохождении через дыхательную цепь образуют уже 6 молекул АТФ (по 3 на каждую молекулу НАД • Н)

2+6 молекул АТФ.

II. 1. В аэробной фазе дыхания при окислении пирувата до СО2 образуется 4 молекулы НАД • Н. При их окислении в дыхательной цепи образуется 12 молей АТФ

+ 12 молекул АТФ.

2. В цикле Кребса происходит восстановление 1 молекулы ФАД∙Н, энергетический эквивалент которого равен 2 молекулам АТФ

+ 2 молекулы АТФ.

3. При окислении кетоглутаровой кислоты до янтарной происходит субстратное фосфорилирование, энергия которого равнозначна образованию 1 моля АТФ.

+ 1 молекула АТФ.

Всего за аэробную фазу окисления 1 молекулы пирувата образуется

15 молекул АТФ.

В связи с тем что из молекулы глюкозы при гликолизе образуется две молекулы пирувата, количество АТФ после окисления равно

30 молекулам АТФ.

Добавив 12 молекулы АТФ анаэробной фазы и 6 молекул АТФ от окисления НАД ∙Н гликолитического этапа, +6  получим

38 молекул АТФ.

В 38 молях АТФ аккумулировано 1162,8 кДж. Энергетическая емкость молекулы глюкозы составляет 2824 кДж. Отсюда КПД процесса использования глюкозы в дыхании составляет более 40 %.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.