Общее выражение и основные реакции пентозофосфатного цикла.

Кроме гликолиза и цикла Кребса, существует и другой универсальный, присущий всем организмам, путь полного окисления глюкозы – пентозофосфатный. Ферменты, которые участвуют в этом процессе, локализованы в цитоплазме (гиалоплазме). Исходным веществом для этого цикла является глюкозо-6-фосфат, которая принимает участие и в гликолизе. Пентозофосфатный путь, как и гликолиз, можно разделить на две фазы: фазу окисления глюкозо-6-фосфата и фазу его регенерации.

При окислении глюкозо-6-фосфата образуется 6-фосфоглюколактон. Последний неустойчив и преобразуется в 6-фосфоглюконат (6-ФГ). В процессе окисления глюкозо-6-фосфата фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, коферментом которой является НАДФ⁺ в результате окисления глюкозо-6-фосфата восстанавливается.

6-фосфоглюконат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, образуется рибулозо-5-фосфат (Рл-5-Ф) и восстанавливается НАДФ⁺, который является коферментом фосфоглюконатдегидрогеназы. Если во время гликолиза одна молекула преобразуется в две триозы, то в пентозофосфатном цикле от глюкозо-6-фосфата отщепляется один атом углерода и образуется пентоза. Отсюда и другое название пентозофосфатного цикла – анатомический в отличие от гликолиза, называемого дихотомическим. Образованием рибулозо-5-фосфата окислительная фаза цикла заканчивается. Затем рибулозо-5-фосфат изомеризуется в рибозу-5-фосфат (Р-5-Ф) и ксилулозу-5-фосфат (Кс-5-Ф) при участии соответственно рибозо-фосфат-изомеразы и рибозофосфат-эпимиразы.

Рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют между собой (реакция катализируется транскеталазой) и образуют глицеральдегид-3-фосфат (ГА-3-Ф) и седагептулозо-7-фосфат (С-7-Ф). Эти соединения в свою очередь взаимодействуют в присутствии трансальдолазы и образуют фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и эритрозу-4-фосфат (Э-4-Ф). В присутствии транскаталазы и Э-4-Ф и Кс-5-Ф образуется фосфоглицериновый альдегид(ГА-3-Ф) и фруктозо-6-фосфат, которые в дальнейшем могут быть метаболизированы по гликолитическому пути.

В фазе регенерации участвуют только фосфорные эфиры сахаров. Процесс идет от пентоз через образование седагептулозо-7-фосфата, эритрозо-4-фосфата, фруктозо-6-фосфата и фосфоглициринового альдегида. Триозы могут конденсироваться до гексоз. В результате альдольной конденсации двух триоз образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Гидролиз фосфатной связи приводит к образованию фосфорной кислоты и глюкозо-6-фосфата. Цикл заканчивается.

Итак, в результате этого цикла из 6 молекул глюкозо-6-фосфата одна молекула окисляется до СО₂, а пять молекул регенерируют вновь и выходят из цикла. При этом восстанавливается 12 молекул НАДФ⁺. Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла можно записать в виде:6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 7 Н₂О →5 глюкозо-6-фосфат + 6СО₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

На примере этого цикла еще раз убеждаемся в справедливости вывода Палладина: окисление веществ происходит в результате дегидрирования, кислород воздуха в окислении дыхательного субстрата не участвует.В реакциях пентозофосфатного цикла участвуют те же фосфорные эфиры сахаров, что и в фотосинтетическом цикле Кальвина. Последний в связи с этим даже называют восстановительным пентозофосфатным циклом в отличии от этого – окислительного.

Образование одинаковых промежуточных продуктов в разных циклах говорит о том, что продукты одного цикла могут использоваться в случае необходимости в реакциях другого. Таким образом, каждый цикл не обязательно должен идти до конца, а возможны переходы с одного в другой. ФГА, образующийся во время пентозофосфатного окислительного цикла, превращается в пируват и дальше участвует в цикле Кребса.Пентозофосфатный цикл – это аэробное окисление углеводов. Он идет в гиалоплазме при высокой концентрации кислорода. Большое физиологическое значение этот цикл имеет как источник НАДФН, который является донором водорода для восстановительного аминирования и других процессов. Кроме того, пентозы, которые появляются в этом цикле, используются для синтеза таких важных соединений клетки как АТФ, АДФ, АМФ, нуклеиновые кислоты, пиридиновые ферменты и другие. Эритрозо-4-фосфат – промежуточный продукт этого цикла – участвует в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза гормонов роста. Таким образом, этот цикл дыхания очень важный для растений, как и гликолиз, и цикл Кребса. Один и тот же дыхательный субстрат, например глюкоза, может преобразовываться разными путями. Как клетка выбирает тот путь, по которому пойдет окисление? Во-первых, влияет наличие кислорода. Так пентозофосфатный окислительный цикл идет только в присутствии О₂; анаэробное условия подавляют активность дегидрогеназ этого цикла. В анаэробных условиях идет гликолиз. Во-вторых, на выбор пути влияет активность ферментов. Когда активны ферменты гликолиза, тогда ферменты пентозофосфатного цикла неактивны. В-третьих, выбор пути окисления зависит от фосфатного баланса, т. е. от отношения неорганического фосфата к АТФ. При низких соотношениях оба пути замедленны.

Рассмотрение преобразований органических веществ при дыхании показывает, что дыхание является центральным процессом обмена веществ, объединяющим преобразование углеводов, белков и жиров. Промежуточные продукты дыхания – ацетил-СоА, пируват, кетоглуторат и др. – могут использоваться для синтеза различных соединений. Участие одних и тех же веществ в разных циклах доказывает возможность переключения от одного цикла на другой в зависимости от потребностей клетки.

66. Основные компоненты и их последовательность расположения в митохондриальной электрон-транспортной цепи. Суммарная схема работы ЭТЦ дыхания.
В процессе субстратного фосфорилирования (разрушение органических веществ) происходит синтез АТФ и восстановление НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД⁺. В результате гликолиза в анаэробных условиях образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН; при последовательном осуществлении гликолиза и цикла Кребса в аэробных условиях – 4 молекулы АТФ, 10 молекул НАДН и 2 молекулы ФАДН₂. Во время глиоксилатного цикла восстанавливается 1 молекула НАД⁺. При разрушении глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном окислительном цикле восстанавливается 12 молекул НАДФ⁺.

Таким образом, часть энергии, которая освобождается при разрушении дыхательного субстрата, запасается в макроэргических связях АТФ, а часть, причем большая, содержится в восстановленных коферментах.

Образовавшиеся молекулы АТФ используются в качестве источника энергии для работы клетки. Восстановленные коферменты могут служить донорами водорода для восстановительных процессов, проходящих в клетках. Кроме того, они могут окисляться с образованием воды и одновременным синтезом АТФ. В этом случае кофермент включается в электрон-транспортную цепь.

Поскольку в восстановленных коферментах заключено довольно большое количество энергии, освобождаться она должна постепенно путем передачи Н⁺ и электрона от этих коферментов целому ряду переносчиков. Эти переносчики связаны с белками и образуют цепь транспорта электронов или дыхательную цепь.

Электрон-транспортная цепь и АТФаза находятся во внутренней мембране митохондрий. АТФаза располагается в грибовидных выростах внутренней мембраны.

Порядок размещения компонентов в цепи зависит от величины их окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Стандартный ОВП донора электронов НАДН равен – 0,32 В. Каждый следующий переносчик находится на более низком уровне восстановленности и в соответствии с этим содержит меньше энергии, чем предыдущий. Однако, подобные системы очень динамичны.

Таким образом, дыхательная цепь митохондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компонента: убихинон и цитохром.
Комплекс I (НАДН: СоQ-оксидоредуктаза): НАДН (Никотинамидадениндинуклеотид восстановленный); ФМН (Флавинмононуклеотид – кофермент дегидрогеназы, окисляющей эндогенный НАДН); FeS_N1(Железосерные центры (белки): FeS_N2 , FeS_NI.
Комплекс II (сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза): ФАД Флавинадениндинуклеотид – кофермент сукцинатдегидро- геназы , Железосерные белки: S_1, S₂ – 2FeS-типа, S₃ – 4Fe4S-типа, Убихинон – липидорастворимый одно- и двухэлектронный переносчик .
Комплекс III (убихинол: цитохром с-оксидоредуктаза): Цитохромы(Гемопротеины, в которых гем связан с белком нековалентно), Цит. с₁ (Цитохром с₅₅₂ – гемопротеин; гем ковалентно связан с белком), FeS_R (Железосерный белок Риске (2Fe2S)), Цит. с (Цитохром с₅₅₀ – гемопротеин; гем ковалентно связан с белком; водорастворим),

Комплекс IV (цитохром с: кислород – оксидоредуктаза; цитохромоксидаза: Цит. а (Цитохром а – гемопротеин, гем которого нековалентно связан с белком), Cu_А ( Атом меди, функционирующий с цит. а как редокскомпонент комплекса), Цит. а₃ (Цитохром а₃ – гемопротеин; способен взаимодействовать с кислородом), Cu_B (Атом меди, функционирующий с цит. а₃ при образовании комплекса с кислородом).
Все компоненты цепи, за исключением убихинона представляют собой белки с характерными простетическими группами. В состав цепи входят белки трех типов:

– флавопротеины, содержащие в качестве простетичной группы флавинмононкулеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД);– цитохромы, содержащие в качестве простетичной группы гемы;

– железосеропротеины, в которых простетичная группа состоит из негемового железа,освязанного комплексно с неорганической серой или серой цистеина.
Убихинон – липид, который состоит из бензохинона и длинной гидрофобной изопреноидной боковой цепи. Компоненты ЭТЦ классифицируют также как переносчики электронов или переносчики водорода в зависимости от функции, которую они выполняют. Поскольку назначение цепи перенос электронов – это перемещать (или содействовать передаче) электронов от высокоэнергетического восстановителя к кислороду, все компоненты цепи должны быть переносчиками электронов. Однако некоторые из них совместно с электронами переносят и протон (Н⁺); эти соединения называют переносчиками водорода (это сделано чтобы отличать их от переносчиков ē, которые перемещают только электроны).
Кроме этого, очень важно знать к каким переносчикам относится компонент – к одно- или двухэлектронным ОВ соединениям. В одноэлектронных соединениях окисленная и восстановленная формы отличаются на один электрон; это значит они принимают только один электрон при преобразованиях окисленной формы в восстановленную и отдают один электрон в обратной реакции. У двухэлектронных переносчиков окисленное и восстановленное положения отличаются на два электрона. Флавопротеины и убихинон являются двухэлектронными ОВ соединениями; цитохром – одноэлектронное соединение. Классификация железосерных белков не такая простая, но, вероятно, их правильней рассматривать как одноэлектронные ОВ соединения.