2НаО

CH3CH2OH -f HsO -4- Оа >- СН3СООН + 2Н20

AG0' = —455 кДж/моль.

При анаэробном брожении вторая часть процесса отпадает. Молочнокислое брожение (мышцы, бактерии Lactobacillus, Streptococcus):

CHJJO, »- 2CHsCHOH.COOH

AG"' = —200 кДж/моль.

Спиртовое брожение (Saccharomyces и другие дрожжи): с,н12о, —-, зщрпрн + ко,

AG0' - —235 кДж/моль.

150 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 151

Маслянокислое брожение (Clostridium и другие бактерии):

CeHj20, »• С,Н,СООН + 2Ш2 + 2Н2

ДЙ°' - —265 кДж/моль.

У других бактерий встречается муравьинокислое и пропио-новокислое брожение.

4.3.1.3. Дыхательный коэффициент (RQ)— это объемное отношение образующейся С02 к используемому Oj: RQ=COj/02.

Это отношение равно 1, когда для дыхания используются углеводы, меньше 1 в случае субстратов с меньшим содержаннем кислорода (для жиров — 0,7, для белков ~0,8) и больше 1 при использовании кислот, богатых кислородом (иногда встречающихся у растений):

Углеводы:

С«НцО, + 6Н20 + 60, *? 6С02 + 12НаО

RQ = 6/6= 1.

Стеариновая кнслота (типичный компонент жиров):

С,«Н«А + 34Н,0 + 260, ? 18СО, + 52Н,0

RQ= 18/26 = 0,i

4СО, + 6Н,0

Яблочная кислота: С^,05 + ЗН,О + 30, RQ = 4/3 = 1,33.

Количества 02 и COj можно измерить; полученная величина RQ позволяет судить о том, какого рода субстрат используется для дыхания.

4.3.2. ПУТИ РАСЩЕПЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ

При расщеплении субстрата на него последовательно воздействуют различные ферменты. Некоторые этапы этого процесса при дыхании и брожении идентичны. Расщепление углеводов начинается с гликолиза, после чего пути дыхания и брожения расходятся (рис. 4.5,4).

4.3.2.1. Гликолиз. При подготовке к расщеплению различные углеводы превращаются в фруктозо-1,6-бисфосфат.

Гликолиз — это процесс окислительного расщепления, происходящий в основном веществе цитоплазмы (и клеточного ядра) и ведущий от фруктозо-1,6-бисфосфата к пирувату (пировино-градной кислоте СН3СО.СООН) — промежуточному продукту, имеющему большое значение.

Фруктозо-1,6-бисфосфат сначала расщепляется на два изомерных продукта, находящихся в равновесии между собой (рис. 4.5,Б). Один из них, 3-фосфоглицеринальдегид, в результате одного этапа окисления превращается в фосфоглицерат, из которого затем образуется пируват.

Окисление катализирует дегидрогеназа (фермент, отщепляющий водород). Водород присоединяется к коферменту NAD*

®

СООН

с=о I

CHj

АТР

р

с-он

неон -*• неон

снго-® снго-®

© ©

неон -снго~®

©

АБР 7 ООН | /СООН

СООН

CHjO-©

©

С0~(рН»СОН»

„ т II — II

CH20-® CHjOH Нг0 СНг СНг

© © © С]

Рис. 4.5. Гликолиз. А. Место в обмене веществ при дыхании н брожении. Ф?Ф —фруктозо-1,6-бисфосфат; Лир —пируват; Ац-СоА — ацетил-СоА. Б. Химические этапы. В. Окислительная часть цепи гликолиза с фосфорилнровани-ем на уровне субстрата. / — фруктозо-1,6-бисфосфат; 2 — дигидроксиацетон-фосфат; 3 — 3-фосфоглицеринальдегид; 4— 1,3-дифосфоглнцерат; 5 —3-фосфо-глицерат; 6 — 2-фосфоглицерат; 7 — фосфоенолпируват; 8 — пируват (енольная форма н кето-форма).

(никотинамидадениндинуклеотид). Восстановленный кофермент NAD-H (рис. 4.6)—один из наиболее универсальных переносчиков водорода.

Чтобы энергию окисления можно было сохранить в форме АТР, она используется сначала для «фосфорилирования на уровне субстрата» (рис. 4.5,Л); при этом образуется высокоэнергетический промежуточный продукт 1,3-дифосфоглицерат. Затем фосфатная группа (вместе с энергией) переносится на ADP, и в результате последний превращается в высокоэнергетическое соединение АТР.

Итак, продуктами гликолиза являются пируват, водород в форме NAD-H и энергия в форме АТР.

4.3.2.2. Расщепление углеводов при брожении. При разных видах брожения дальнейшая судьба продуктов гликолиза— пи-рувата и NAD• Н — различна:'

152 Глава 4

Н Н

R R

[Н,1

Рибоза

NAD+ .. ' NAU-H + H+ ©

Рис. 4.6. NAD+. А. Структурная формула. Б. Восстановление никотинамидного компонента в результате принятия водорода от субстрата.

При молочнокислом брожении водород переносится на пи-руват и в результате сразу образуется лактат (молочная кислота):

CH3CO.COOH + NAD-H + Н+ ? СНэСНОН .СООН + NAD+.

При спиртовом брожении пируват сначала декарбоксилиру-ется, т. е. от него отщепляется СО», а затем промежуточный продукт ацетальдегид восстанавливается в этанол в результате переноса водорода:

СН3СО.СООН ? C04-f СН3СНО

СН3СНО + NAD-H + Н+ ? СН3СН2ОН + NAD+.

Функция NAD+ и сходных с ним переносчиков водорода состоит в том, чтобы в первой реакции принимать водород (восстанавливаться), а во второй реакции отдавать его (окисляться), (рис. 4.7,Л).

При маслянокислом брожении пируват превращается в ацетильный остаток СН3—СО—, связанный с коферментом (ацетил-СоА; 4.3.2.3). Два таких

остатка соединяются в ацетоацетат СН3СО.СН2СО— (связанный с коферментом), который восстанавливается до бутирата (масляной кислоты к

СН3СН2СН2СООН. '

4.3.2.3. Расщепление углеводов при дыхании. При дыхании водород, получаемый в результате гликолиза, транспортируется к кислороду (4.3.3).

Пируват подвергается окислительному декарбоксилирова-нию при участии мультиферментного комплекса (комплекс белков, осуществляющих несколько ферментативных функций) и нескольких коферментов (рис. 4.7, Б). Один кофермент принимает отщепленный водород (окисление), а другой — кофермент A (CoA-SH)—присоединяет оставшуюся ацетильную группу (—СО.СНз).

CoA-SH содержит реакционноспособные сульфгндрильные группы (—SH). Высокоэнергетическое соединение ацетил-СоА (CoA-S~ СО.СНз) («активированная уксусная кислота») является важнейшим промежуточным продуктом клеточного метаболизма, который может иметь различное происхождение и по-разному использоваться (4,5; см. рис. 1.7).

При дыхании ацетильный остаток полностью расщепляется в цикле лимонной кислоты в результате окисления (отнятия Н), декарбоксилирования (отщепления С02) и гидратации (присоединения Н20). Общее уравнение:

CoA-S~CO.CH3 + ЗНаО ? CoA-SH + 2СО, + ЦК,].

Перед расщеплением ацетильный остаток связывается с ок-салоацетатом (рис. 4.8); в результате образуется цитрат, который постепенно расщепляется, пока снова не остается оксало-ацетат; последний вступает в реакцию с новой молекулой аце-тил-СоА, и цикл повторяется.

Получаемый в этом цикле водород присоединяют кофермен-ты, прежде всего NAD. Один из этапов цикла (а-кетоглута-рат—^сукцинат) связан с фосфорилированием на уровне суб154 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 155

S-Co А'

©

©

©

НХ-С©

Рис. 4.8. Цикл лимонной кислоты. 1 — оксалоацетат; 1а — ацетил-СоА; 2 — цитрат; 3 — изоцитрат; 4 — оксалосукцинат; 5 — а-кетоглутарат; 6 — сукцинат (янтарная кислота); 7 — фумарат; 8 — малат (яблочная кислота); FAD —см. 4.3.3.2.

страта и используется в зеленых растительных клетках для синтеза АТР (ADP+Фосфат—>-АТР), а в гетеротрофных клетках— для синтеза гуанозинтрифосфата (GDP+Фосфат—>-GTP) (рис. 4.8).

Окисление пирувата и цикл лимонной кислоты осуществляются в митохондриях (3.7.1.1.4).

В основном веществе цитоплазмы возможен еще другой путь расщепления углеводов, без гликолиза н цикла лимонной кнслоты, — пентозофосфатный цикл. Глюкозофосфат подвергается окислительному декарбоксилнрованню до пентозофосфата, а затем 6 молекул пентозофосфата превращаются через ряд промежуточных этапов" в 5 молекул глюкозофосфата. Общее уравнение (бе» фосфата):

6С6Н1аОв + 6НаО >- 6CsH10Os + С02 + 12[Н2]

6C02 + 12ГН,]

6CsH10Os * 5С,Н12Оа

CaH12Oe + 6rLO

Сравните это с общим уравнением расщепления субстрата (4.3.1.2)!

4.3.3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Основной источник энергии для синтеза АТР при дыхании — это окисление кислородом водорода (связанного с кофермен-том), получаемого в результате гликолиза, окисления пирувата и реакций цикла лимонной кислоты, а иногда и пентозофосфат-ного цикла.

4.3.3.1. Окислительно-восстановительный потенциал. Каждая реакция окисления (отдача электронов) сопряжена с восстановлением (принятием электронов), так что мы всегда имеем дело с окислением-восстановлением. Приведем два примера:

I. На » 2Н+ + 2е_ (окисление)

VjO, + 2e~ > Оа- (восстановление)

На + VjOj >- 2Н+ + Оа- = HjO (окислеине-восстановление)

II. Н, * 2Н+ + 2е" (окисление)

+ 2е" ? 2Fe2* (восстановление)

Hs -f 2Fe>+ - 2Н+ -f- Fea+ (окисление-восстановление)

Системы H2/2H+, 02-/У202 и Fe2+/Fe3+ являются окислительно-восстановительными системами. Окисление-восстановление— это перенос электронов от одной окислительно-восстановительной системы к другой.

Окислительно-восстановительные системы с большим сродством к электронам («акцепторы электронов») имеют склонность принимать электроны (например, 02^-*-'/202-|-2е_), а с малым сродсдвом («доноры электронов») — отдавать их (Н2—»-2Н+-|-+2е~). Переход электронов от вещества с более низким сродством к веществу с более высоким сродством к электронам (от донора к акцептору) —экзергонический процесс, протекающий самопроизвольно с выделением энергии. Перенос электронов в противоположном направлении — эндергонический процесс.

Сродство к электронам измеряется как окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Отрицательный ОВП означает низкое сродство к электронам, положительный — высокое сродство. В биологии используют стандартный ОВП (нормальный потенциал) Е'о [при 25°С, 1 моль/л, 1 атм (=1,013 бар), рН 7], в химии — Еа (те же условия, но рН = 0).

Для системы Н2/2Н+ ?'0 = —0,42 В, для системы Fe2+/Fe3+ ?'о = +0,77 В, для системы 02-/У202 ?'0 = +0,81 В. Самопроизвольный, экзергонический перенос электронов происходит но направлению от более отрицательного к более положительному окислительно-восстановительному потенциалу, например Н2/2Н+-^02-/У202, Н2/2Н+—*Fe2+/Fe3+ или Fe2+/Fe3+—>--*02-/'/202.

Чем больше разница в ОВП (?о') между двумя окислительно-восстановн-тельиыми системами, тем больше количество освобождаемой энергии (—AG0'): —AG°' = AE0'-n-F,

где G0'— свободная энтальпия (1.2.6) в джоулях, Во' — окнслительио-восста156 Глава 4

Обмен веществ и энергии в