Конечные продукты фотосинтеза

Образовавшиеся в цикле Кальвина С₃-продукты (3-фосфоглицери-новая кислота, 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон), а также фруктозо-6-фосфат не накапливаются в хлоропластах. Они участвуют в синтезе сахарозы, крахмала, аминокислот, органических кислот, липидов и белков как непосредственно в хлоропластах, так и в цитоплазме фотосинтезирующих клеток. Фруктозо-6-фосфат в значительном количестве изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который далее используется для синтеза крахмала. Накопление крахмала может достигать до 90 % от общего объёма хлоропластов.

Синтез сахарозы происходит в цитоплазме, в которую легко диффундируют из хлоропластов фосфоглицериновая кислота, фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Из триоз по уже известным механизмам образуются гексозы, а уже с их участием синтезируются молекулы сахарозы (см. стр…). Большая часть синтезированной в цитоплазме сахарозы транспортируется в акцепторные клетки по флоэме.

В ходе фотосинтеза в цитоплазме инициируются и другие процессы: синтез жирных кислот, восстановление нитратов и сульфатов, образование липидов и белков и др. Для их осуществления необходимы биоэнергетические продукты в виде АТФ и восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н и НАД×Н . Но они очень слабо проникают через оболочку хлоропластов. Поэтому для их переноса из хлоропластов в цитоплазму выработаны специальные механизмы.

Перенос в цитоплазму макроэргических связей АТФ осуществляется в результате взаимных превращений фосфоглицериновой кислоты и фосфодиоксиацетона, при этом также происходит перенос восстановительного потенциала НАД×Н (рис. 35). Указанные С₃ – продукты легко диффундируют через оболочку хлоропластов. В цитоплазме фосфодиоксиацетон изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид, который далее под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы фосфорилируется с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. В ходе реакции также образуются восстановленные динуклеотиды НАД×Н. Затем остаток ортофосфорной кислоты с макроэргической связью переносится на АДФ и таким образом осуществляется синтез АТФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфоглицераткиназа.

	СН2О Р триозофос- СН2О Р СН2О Р СН2О Р | ¾¾¾® | Н₃РО₄ | АДФ | С=О ¾¾¾ СНОН ¾¾® СНОН ¾® СНОН | фатизомераза | НАД+ | | СН2ОН С=О НАД×Н+Н+ С=О СООН фосфодиокси- ‌ О~ Р АТФ 3-фосфо- ацетон Н 1,3-дифосфо- глицерино- 3-фосфоглицериновый глицериновая вая кислота альдегид кислота

Образовавшаяся в цитоплазме фосфоглицериновая кислота далее диффундирует в хлоропласты, включается там в реакции цикла Кальвина и снова превращается в фосфодиоксиацетон, способный вновь перемещаться в цитоплазму и т.д.

Одним из механизмов переноса из хлоропластов в цитоплазму восстановительного потенциала НАДФ×Н является взаимное превращение яблочной и щавелевоуксусной кислот. Щавелевоуксусная кислота легко проникает через оболочку хлоропластов и подвергается превращению в яблочную кислоту с участием НАДФ×Н под действием фермента малатдегидрогеназы. Затем яблочная кислота диффундирует в цитоплазму и там окисляется с участием дегидрогеназы в щавелевоуксусную кислоту. При этом происходит образование НАДФ×Н:

	СН2-СООН СН2-СООН | + НАДФ+ ¾¾® | + НАДФ×Н + Н+ СНОН-СООН СО-СООН яблочная щавелевоуксус- кислота ная кислота

После этого щавелевоуксусная кислота вновь диффундирует в хлоропласты и там превращается в яблочную кислоту и т.д. В результате каждого такого превращения в хлоропласте потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н, а в цитоплазме регенерируются.

Выход продуктов фотосинтеза зависит от условий окружающей среды, которые могут ускорять или ингибировать биохимические реакции при фотосинтезе . К важнейшим факторам, прямо влияющим на процесс фотосинтеза, относятся интенсивность и состав солнечной радиации, концентрация в атмосфере СО₂ и О₂, температура, обеспеченность влагой и элементами питания.

На световую стадию фотосинтеза решающее влияние оказывает интенсивность солнечной радиации. Образование продуктов фотосинтеза начинается при освещённости, составляющей 1% от полного солнечного света, однако максимальная скорость фотосинтеза наблюдается у разных видов растений при освещённости 10-40 тыс. лк, тогда как в ясный солнечный день уровень освещённости может достигать 100 тыс. лк. Чрезмерно высокая интенсивность солнечной радиации может повреждать пигментные системы фотосинтезирующих клеток и ингибировать фотосинтез.

На образование конечных продуктов фотосинтеза существенное влияние оказывает состав солнечной радиации. Если в ней увеличивается доля коротковолнового света (синих лучей), то в фотосинтезирующих органах уже при коротких экспозициях инициируется включение углерода СО₂ в неуглеводные продукты – аланин, аспарагиновую, яблочную, лимонную, глутаминовую кислоты, серин, а через несколько минут меченый углерод СО₂ обнаруживается в значительном количестве в составе белков. При увеличении доли длинноволнового света (красных лучей) меченый углерод СО₂ при коротких экспозициях более интенсивно включается в моносахариды и их фосфорнокислые эфиры, а при 5-минутной и более длительных экспозициях – в состав крахмала.

Кроме того, в опытах отмечено, что скорость фотосинтеза заметно возрастает при добавлении к красному свету небольшого количества синего света (до 20 %), который действует в определённой степени как регулятор фотохимических реакций. Увеличение интенсивности синтеза азотистых веществ под действием синего света также связано с его регуляторным действием на ферменты, катализирующие реакции обмена азотистых веществ. Выяснено, что роль хромофоров у этих ферментов, поглощающих синий свет, выполняют флавиновые группировки.

Темновая стадия фотосинтеза зависит от концентрации СО₂. Оптимум концентрации СО₂ для С₃-растений составляет 0,1-0,3%, тогда как среднее его содержание в атмосфере – 0,03%. При такой концентрации СО₂ интенсивность фотосинтеза у С₃-растений достигает лишь 50 % от максимальной. Поэтому для тепличных культур разрабатываются специальные технологии выращивания растений в атмосфере с повышенной концентрацией СО₂. Как было показано ранее, при пониженных концентрациях СО₂ в атмосфере более эффективно осуществляют фотосинтез С₄-растения, у которых первичное связывание СО₂ катализирует фермент фосфопируваткарбоксилаза, обладающий более высокой карбоксилирующей активностью и не способный инициировать процесс фотодыхания.

У С₃-растений интенсивность темновой стадии фотосинтеза также в значительной степени определяется концентрацией О₂. При понижении концентрации О₂ в окружающей среде до 3-5 % увеличивается выход продуктов фотосинтеза за счёт ослабления оксигеназной реакции, которую катализирует фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза в условиях повышенной концентрации О₂.

Все ферментативные реакции темновой и световой стадий фотосинтеза зависят от температуры окружающей среды и при её повышении их скорости возрастают как и при любом химическом процессе. Однако при температурах свыше 35°С наблюдаются солнечные ожоги листьев, что приводит к повреждению пигментных и других фотосинтетических структур, в результате чего интенсивность фотосинтеза понижается. Температурный оптимум С₃-растений наблюдается при 25°С, а у С₄-растений повышается до 35°С.

Обеспеченность растений водой оказывает как прямое, так и косвенное влияние на фотосинтез. Вода непосредственно потребляется в реакциях фотосинтеза и является источником кислорода. С другой стороны, основой жидкой физиологической среды растительных клеток, включая и хлоропласты, являются также молекулы воды и при её недостатке нарушается функционирование мембранных структур и вследствие усиления вязкости жидкой физиологической среды понижаются скорости ферментативных реакций. Кроме того, водный режим растений влияет на работу устьиц, которые регулируют поступление во внутреннюю физиологическую среду СО₂ из атмосферы. При дефиците и избытке воды устьица закрываются.

Для формирования и функционирования фотосинтетических структур растений также необходим довольно сложный комплекс различных химических элементов, которые должны содержаться в фотосинтезирующих клетках в оптимальных концентрациях. Недостаток или избыток питательных элементов понижает интенсивность фотосинтеза, оказывая влияние на его световую или темновую стадии, работу каталитических и мембранных структур хлоропластов, взаимодействие компонентов электронтранспортных цепей и др. Роль отдельных химических элементов в процессе фотосинтеза показана при изложении конкретных механизмов фотохимических реакций в данной главе.

Следует также отметить воздействие на фотосинтетический аппарат растений различных химических загрязнителей окружающей среды. Так, например, выяснено, что сернистый газ промышленных выделений даже в малых концентрациях повреждает листья многих растений, в результате чего понижается выход фотосинтетических продуктов и происходит недобор урожая сельскохозяйственных культур.

Некоторые фотосинтезирующие организмы (одноклеточные водоросли, некоторые бактерии) образуют в анаэробных условиях в качестве основного продукта жизнедеятельности молекулярный водород, который может использоваться в энергетике страны как высокоэффективное топливо. В связи с этим проводятся исследования по созданию искусственных биологических систем, обладающих способностью улавливать солнечную энергию и превращать её в химическую энергию молекул водорода.

свет 2Н2О ¾¾® О2 + 4Н+ + 4ē хлоро- пласты

Значительный интерес представляет процесс фотолиза воды, который катализируют реакционные центры фотосистемы II, локализованные в мембранах хлоропластов растений и водорослей:

гидрогеназа 2ē + 2Н+ ¾¾¾¾¾® Н2

В фотохимических реакциях электроны и протоны, образующиеся при фотолизе воды, затрачиваются на синтез восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. Однако с помощью гидрогеназной ферментной системы они могут восстанавливаться до молекулярного водорода:

Первая искусственная биологическая система (1973 г.) для фотосинтетического получения водорода включала изолированные хлоропласты высших растений, ферредоксин и ферментный комплекс гидрогеназы, выделенный из бактерий.

Фотосинтез у бактерий

Клетки фотосинтезирующих бактерий отличаются по своей структуре от клеток растений и эукариотических водорослей. В них нет хлоропластов и пигменты локализованы в цитоплазмотических мембранах. Главный пигмент большинства фотосинтезирующх бактерий – бактериохлорофилл. У этих бактерий отсутствует белково-пигментный комплекс фотосистемы II, поэтому не происходит фотоокисления воды при фотосинтезе. У них в качестве доноров электронов для реакций фотосинтеза используется не вода, а другие соединения: H₂S, Н₂, органические вещества. В связи с этим у них функционирует только фотосистема I, а фотосистемы II нет.

Цианобактерии (сине-зелёные водоросли), как и другие фотосинтезирующие бактерии, не имеют хлоропластов, но главный пигмент у них - хлорофилл, который входит в состав белково-пигментных комплексов как фотосистемы I, так фотосистемы II. Поэтому у цианобактерий в качестве донора водорода для фотосинтетических реакций, как и у растений, используются молекулы воды, в результате фотолиза которых выделяется О₂.

У галофильных бактерий (Н. halobium) роль светопоглощающего пигмента выполняет родопсиноподобный белок с молекулярной массой 26000, входящий в состав поверхностной мембраны, окружающей цитоплазму. Этот белок получил название бактериородопсина. В нём в качестве активной группировки содержится ретиналь – альдегидная форма витамина А. Пептидные цепи бактериородопсина образуют спиралевидные структуры, вытянутые вдоль длинной оси их молекулы, но расположены перпендикулярно по отношению к плоскости мембраны. На долю бактериородопсина приходится до 75 % от общей массы поверхностной цитоплазматической мембраны.

При поглощении света бактериородопсин инициирует перенос электронов по электронтранспортной цепи, приводящей в действие Н⁺-помпу, способную перемещать протоны через цитоплазматическую мембрану на её внешнюю поверхность, создавая трансмембранный электрохимический потенциал. В дальнейшем энергия трансмембранного потенциала используется для осуществления ионного транспорта и синтеза АТФ в клетках галофильных бактерий, при этом фотолиза воды не происходит.

По способу питания фотосинтезирующие бактерии подразделяются на две группы – фотоавтотрофные и фотогетеротрофные. Первые способны использовать в качестве источника углерода для синтеза органических веществ СО₂ воздуха или другой окружающей среды. Вторые используют в качестве источников углерода различные органические вещества.

К типичным фотоавтотрофным бактериям относятся зелёные и пурпурные серобактерии. В их клетках найдены ферментные системы, которые способны с участием восстановленного ферредоксина катализировать присоединение СО₂ к ацетилкоферменту А или сукцинилкоферменту А:

	2Н+ СН3–С~S-КоА + СО2 + 2Fdвосст. ¾® СН3 + 2Fdокисл. + НS–КоА || | О С=О ацетил-КоА | СООН пировиноград- ная кислота     2Н+ СООН НООС–СН2–СН2–С~S–КоА +2Fdвосст.+ СО2 ¾® | + 2Fdокисл. + НS–КоА || СН2 О | СН2 | СО | СООН a-кетоглута- ровая кислота

Образующиеся в ходе этих реакций продукты могут включаться в различные биохимические превращения, связанные с обеспечением жизнедеятельности рассматриваемых бактерий.

У некоторых пурпурных бактерий при фотосинтезе происходит накопление аспарагиновой кислоты, которая синтезируется из 3-фосфо-глицериновой кислоты, образующейся в результате присоединения СО₂ к рибулозо-1,5-дифосфату. Фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту, которая, подвергаясь карбоксилированию, образует щавелевоуксусную кислоту. Затем из щавелевоуксусной кислоты в результате реакции переаминирования может синтезироваться аспарагиновая кислота.

	СН2О Р СН2ОН СН2 СО2+Н2О СН2–СООН глутаминовая СН2–СООН | | -Н2О || ¾¾¾® | кислота | СНОН ¾® СНО Р ¾¾® СО~ Р СО–СООН ¾¾¾¾® СНNН2–СООН | | | Н3РО4 щавелево- аспарагино- СООН СООН СООН уксусная α-кетоглу- вая кислота 3-фосфогли- 2-фосфогли- фосфоенол- кислота таровая цериновая цериновая пировино- кислота кислота кислота градная кислота

К фотогетеротрофным относятся галобактерии и некоторые разновидности пурпурных несерных бактерий. Они под действием света способны использовать в качестве субстрата питания для превращения в продукты жизнедеятельности уксусную, пировиноградную кислоты и некоторые другие органические вещества.

9.2. Ассимиляция СО₂ за счёт использования энергии

Химических реакций.

Известна большая группа хемоавтотрофных бактерий, которые используют для синтеза органических веществ в качестве источника углерода СО₂, а энергию для этих процессов получают в результате окисления неорганических веществ: сероводорода, серы, аммиака, нитратов, водорода, восстановленных форм железа и марганца и некоторых других неорганических соединений. Синтез организмами органических веществ из СО₂ за счёт энергии, полученной не от солнечных лучей, а с помощью химических реакций, получил название хемосинтеза. Типичным примером хемоавтотрофных организмов являются бесцветные серобактерии, которые получают энергию для восстановления СО₂ в органические вещества в результате окисления сероводорода или серы:

2Н₂S + O₂ ¾¾® 2H₂O + S₂ + DG (Thiobacillus)

S₂ + 3O₂ + 2H₂O ¾¾® 2H₂SO₄ + DG

Высвобождающаяся при окислении указанных веществ энергия используется для синтеза АТФ и других нуклеозидполифосфатов, которые участвуют в синтезе органических веществ, образуемых из СО₂. Как было установлено в опытах с меченым углеродом, первичным акцептором СО₂ у этих и других хемоавтотрофных бактерий служит рибулозо-1,5-дифосфат и продуктом этой реакции так же, как и в хлоропластах растений, является 3-фосфоглицериновая кислота.

Нитрофицирующие бактерии в качестве источника энергии используют восстановленные формы азота в виде аммиака и нитритов, которые они с помощью своих ферментов подвергают окислению кислородом:

2NH₃ + 3O₂ ¾¾® 2HNO₂ + 2H₂O + DG (Nitrosomonas)

2HNO₂ + O₂ ¾¾® 2HNO₃ + DG (Nitrobacter)

Эти бактерии играют важную роль в круговороте азота в биосфере и формировании плодородия почвы, так как от их деятельности зависит процесс нитрификации, обогащающий почву нитратной формой азота.

Хемоавтотрофные бактерии, способные окислять восстановленные формы железа и марганца, по-видимому стали источником отложения железных и марганцевых руд. Они также способны использовать энергию химических реакций окисления для синтеза органических веществ путем ассимиляции СО₂.

Частичное усвоение СО₂ происходит даже в клетках гетеротрофных организмов. Выявлено несколько типов реакций, в которых происходит связывание СО₂ с органическими субстратами. Под действием соответствующих ферментов карбоксилированию подвергаются некоторые кетокислоты, например, пировиноградная кислота:

	СН3 СН2–СООН | малатдегидро- | С=О + СО2 + НАДФ×Н + Н+ ¾¾¾® СНОН–СООН + НАДФ+ | геназа яблочная СООН кислота пировино- градная кислота

Хорошо известный путь гетеротрофного карбоксилирования – присоединение СО₂ к фосфоенолпировиноградной кислоте. Такие реакции изучены у растений и автотрофных бактерий. Роль катализатора в них выполняет фермент фосфопируваткарбоксилаза. Причём фиксация СО₂ под действием данного фермента происходит в нефотосинтезирующих клетках.

В клетках растений, микроорганизмов и животных найден фермент фосфопируваткарбоксикиназа, который катализирует присоединение СО₂ к фосфоенолпировиноградной кислоте с участием ГДФ, при этом образуется яблочная кислота и ГТФ:

	СН2 СН2–СООН || | СО~ Р + СО2 + ГДФ ¾¾® С=О + ГТФ | | СООН СООН фосфоенол- щавелево- пировиноградная уксусная кислота кислота

К важным реакциям карбоксилирования следует отнести синтез карбамоилфосфата, катализируемый ферментом карбамоилфосфатсинте-тазой. Источником углерода в этой реакции служит бикарбонат-ион (НСО₃¯):

	СН2–СОNН2 СН2–СООН О | | || СН2 + НСО3¯ + 2АТФ ¾® СН2 + Н2N–С–О– Р + 2АДФ + Н3РО4 | | СНNН2–СООН СНNН2–СООН карбамоил- глутамин глутаминовая фосфат кислота

Образовавшийся карбамоилфосфат далее используется в синтезе пиримидиновых нуклеотидов, а также в реакциях орнитинового цикла (см. «Обмен азотистых веществ»).

С участием ферментов фосфопируваткарбоксилазы и фосфопируваткарбоксикиназы по-видимому осуществляется усвоение СО₂, поступившего из почвы, в клетках корней растений. Фосфоенолпировиноградная кислота в них образуется в ходе дыхательных реакций. Продукт реакций гетеротрофного карбоксилирования – щавелевоуксусная кислота может далее включаться в реакции цикла Кребса и вместе с другими продуктами этого цикла поступать в любые акцепторные клетки растительного организма и использоваться в них для синтеза различных органических веществ.

Таким образом, у растений наряду с процессом фотосинтеза существует дополнительный механизм углеродного питания за счёт СО₂ почвы, поступающего в нефотосинтезирующие клетки корней. Однако первичный акцептор СО₂ для этих реакций - фосфоенолпировиноградная кислота - образуется в результате окисления фотоассимилятов, поступающих в корни из листьев.

Дыхание

Основной источник энергии для поддержания процессов жизнедеятельности у гетеротрофных организмов – это химическая энергия органических веществ, которые они используют в качестве пищи. Несинтезирующие органы растений, а в темноте и способные к фотосинтезу клетки также используют в качестве источника энергии органические вещества, образующиеся как продукты фотосинтеза. Для того чтобы химическая энергия органических веществ могла использоваться для поддержания жизнедеятельности организма, они подвергаются окислению. При этом на каждом этапе окислительного распада веществ выделяется энергия, которая связывается в ходе определённых реакций в виде макроэргических соединений и восстановленных динуклеотидов и может затем использоваться для осуществления эндергонических процессов, связанных с синтезом, транспортом и активированием различных химических веществ. В ходе биологического окисления образуются промежуточные метаболиты, которые затем участвуют в синтезе конечных продуктов, выполняющих в организме те или иные биологические функции (структурные, запасные вещества и др.).

Последовательность биохимических реакций, лежащих в основе биологического окисления, называют дыханием. У растений и других высших организмов в реакциях дыхания участвует кислород, а в качестве продуктов дыхания выделяются СО₂ и Н₂О. Первые сведения о дыхании растений были получены Я. Ингенхаузом (1778 г.), а к концу 19 века было установлено общее уравнение дыхательного процесса:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ¾¾® 6СО₂ + 6Н₂О + DG, (1)

где С₆Н₁₂О₆ – моносахариды, образуемые при фотосинтезе.

В дальнейшем благодаря работам В.И. Палладина (1912 г.) было показано, что на первом этапе дыхательных реакций происходит отщепление водорода от молекул сахара и воды и образование промежуточных восстановленных продуктов, а на следующем этапе эти продукты уже окисляются кислородом с образованием воды. Поэтому дыхательный процесс можно представить в две стадии:

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О ¾® 6СО₂ + 24[Н] (2)

24[Н] + 6О₂ ¾® 12Н₂О (3)

Если из уравнений (2) и (3) составить суммарное уравнение процесса, то мы получим уравнение (1).

В 1921–25 г.г. в опытах по изучению роли фермента цитохромоксидазы О.Г. Варбург и Д. Кейлин установили, что на второй стадии дыхания на кислород переносятся электроны и протоны, которые и участвуют в образовании молекул воды:

О₂ + 4ē + 4Н⁺ ¾® 2Н₂О

Отщепление электронов и протонов от молекул сахара и воды, как было выявлено в ходе дальнейших исследований, катализируют ферменты дегидрогеназы и с их участием происходит образование восстановленных динуклеотидов НАД×Н и ФАД×Н₂, при окислении которых и осуществляется перенос электронов и протонов на кислород.

По современным представлениям процесс дыхания у растений состоит из трёх стадий: гликолиза, цикла ди- и трикарбоновых кислот и окисления восстановленных динуклеотидов, образующихся на первых двух стадиях дыхания, с участием ферментных комплексов, локализованных во внутренних мембранах митохондрий.

Гликолиз

В процесс гликолиза включаются активированные формы моносахаридов – гексоз, которые подвергаются окислительному распаду с образованием пировиноградной кислоты. Большой вклад в раскрытие механизмов этих реакций внесли известные биохимики Г. Эмбден, О.Ф. Мейергоф и Я.О. Парнас. Гликолиз представляет собой анаэробную стадию дыхания у высших организмов и основной механизм дыхания у анаэробных микроорганизмов. Реакции гликолиза локализованы в жидкой фазе цитоплазмы и хлоропластов. Ферменты, катализирующие эти реакции в цитоплазме, образуют комплексы с актиновыми белками цитоплазматических филаментов и таким образом обеспечивается локализация происходящих превращений.

Активирование гексоз осуществляется путём фосфорилирования с участием АТФ под действием соответствующих киназ и образующиеся фосфаты гексоз изомеризируются во фруктозо-6-фосфат, который уже далее включается в реакции гликолиза. В первой реакции фруктозо-6-фосфат подвергается повторному фосфорилированию под действием фермента фосфофруктокиназы:

(1)

+ АТФ ¾® + АДФ

фруктозо-6-фосфат фруктозо-1,6-дифосфат

Образующийся в этой реакции фруктозо-1,6-дифосфат имеет полярную молекулу, которая легко подвергается расщеплению на следующем этапе превращений.

Фермент фосфофруктокиназа – аллостерический и поэтому подвержен активной регуляции. Его активность ингибируется высокой концентрацией АТФ и лимонной кислоты, образующейся в цикле Кребса. Однако фермент аллостерически активируется АДФ. Следовательно, при высокой обеспеченности клетки энергией, повышающей концентрацию АТФ, происходит замедление первой реакции гликолиза и в целом интенсивности дыхания. А когда энергетический потенциал клетки понижается и возрастает концентрация АДФ, последний аллостерически активирует фермент фосфофруктокиназу, вследствие чего возрастает скорость включения фрутозо-6-фосфата в реакции гликолиза, вызывая повышение интенсивности дыхания, обеспечивающего клетку энергией.

На следующем этапе гликолиза под действием фермента альдолазы происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две триозы – 3-фос-фоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон:

	СН2О Р СН2О Р (2) | | СНОН + С=О ¾® | | С=О СН2ОН Н фруктозо-1,6-дифосфат 3-фосфоглицери- фосфодиоксиацетон новый альдегид

(

Между триозофосфатами устанавливается динамическое равновесие с участием фермента триозофосфатизомеразы:

	СН2О Р СН2О Р (3) | | СНОН D С=О | | С=О СН2ОН Н фосфодиокиацетон 3-фосфоглице- риновый альдегид

Образовавшийся 3-фосфоглицериновый альдегид далее окисляется в 3-фосфоглицериновую кислоту под действием фермента глицеральдегид-фосфатдегидрогеназы (1.2.1.12), молекулы которого состоят из четырёх полипептидных субъединиц с молекулярными массами по 45000 и содержат в активном центре тиоловые группы (-SН) и окисленные динуклеотидные группировки НАД⁺. При взаимодействии фермента с 3-фосфоглицери-новым альдегидом образуется фермент-субстратный комплекс, в котором инициирутся возникновение ацилмеркаптановой макроэргичесой связи и восстановление динуклеотидной группировки НАД⁺ в НАД×Н:

	СН2О Р СН2О Р (4) | | СНОН + НS–фермент + НАД+ ¾® СНОН + НАД×Н + Н+ | | С=О С=О Н S-фермент 3-фосфороглице- фермент-субстратный риновый альдегид комплекс

СН2О Р СН2О Р (5) | | СНОН + Н3РО4 ¾® СНОН + НS- фермент | | С~S-фермент С=О О О~ Р фермент-суб- 1,3-дифосфоглице- стратный комплекс риновая кислота

После этого фермент-субстратный комплекс подвергается фосфоролизу с участием неорганического ортофосфата. При этом НS-фермент отщепляется от субстрата и к остатку субстрата присоединяется фосфатная группировка, в которой за счёт энергии ацилмеркаптановой связи возникает макроэргическая ацилфосфатная связь:

СН2О Р СН2О Р (6) | | СНОН + АДФ ¾® СНОН + АТФ | | С=О С=О О~ Р ОН 1,3-дифосфоглице- 3-фосфогицериновая риновая кислота кислота

В следующей реакции остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью переносится на АДФ, в результате чего осуществляется синтез АТФ. Эту реакцию катализирует фермент фосфоглицераткиназа (2.7.2.3):

Так как в реакции (5) макроэргическая ацилфосфатная связь возникает в составе субстрата, такой процесс называют субстратным фосфорилированием.

Полученная в реакции (6) 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицератмутазы изомеризуется затем в 2-фосфо-глицериновую кислоту:

	СН2О Р СН2ОН (7) | | СНОН ¾® СНО Р | | С=О С=О ОН ОН 3-фосфоглице- 2-фосфоглице- риновая кислота риновая кислота

СН2ОН СН2 (8) | || СНО Р ¾¾® СО~ Р + Н2О | | С= О С=О \ \ ОН ОН 2-фосфоглице- фосфоенолпиро- риновая кислота виноградная кислота

После этого от 2-фосфоглицериновой кислоты отщепляется молекула воды с образованием фосфоенолпировиноградной кислоты. Реакцию дегидратации катализирует фермент енолаза (4.2.1.11):

В результате дегидратации в молекуле субстрата происходит перераспределение внутренней энергии и возникает макроэргическая связь.

СН2 СН2 (9) || || СО~ Р + АДФ ¾® С-ОН + АТФ | | С=О С=О ОН ОН фосфоенолпиро- енолпировино- виноградная кислота градная кислота

От молекулы фосфоенолпировиноградной кислоты фосфатная группировка с макроэргической связью передается на АДФ, в результате чего осуществляется синтез АТФ. Перенос фосфатной группировки в этой реакции катализирует фермент пируваткиназа (2.7.1.40):

Пируваткиназа аллостерически ингибируется высокой концентрацией АТФ и ацетилкофермента А, который образуется при дальнейшем превращении пировиноградной кислоты в ходе дыхательных реакций.

Продукт реакции (9) енолпировиноградная кислота самопроизвольно подвергается перегруппировке и превращается в более устойчивую кетоформу – пировиноградную кислоту.

	СН2 СН3 (10) || | С-ОН ¾® С=О | | С=О С=О ОН ОН енолпировино- пировиноградная градная кислота кислота

Учитывая, что из гексозы образуется 2 триозы, в ходе их окисления возникают 2 молекулы пировиноградной кислоты. По этой же причине все реакции гликолиза, начиная с четвертой, при окислении одной молекулы гексозы повторяются дважды. В ходе гликолиза, кроме двух молекул пировиноградной кислоты, синтезируются биоэнергетические продукты в виде четырёх молекул АТФ (в реакциях 6 и 9) и двух молекул НАД×Н (в реакции 4). В связи с тем, что на активирование гексозы затрачивается 2 молекулы АТФ, то окончательный выход АТФ при гликолизе составляет не 4, а 2 молекулы. Кроме того, в реакции 9 происходит дегидратация 2-фосфоглицериновой кислоты, поэтому в расчете на 1 молекулу окисляемой гексозы выделяется 2 молекулы воды. Исходя из этих данных, суммарное уравнение гликолиза принимает следующий вид:

С₆Н₁₂О₆+2НАД⁺+2Н₃РО₄+2АДФ ® 2СН₃–СО–СООН+2НАД×Н+2Н⁺+ 2АТФ+2Н₂О

гексоза пировиноградная

кислота

Конечный продукт гликолиза – пировиноградная кислота представляет собой один из важнейших продуктов дыхания и в целом обмена веществ любого организма. У анаэробных организмов пировиноградная кислота включается в реакции брожения, в ходе которых в зависимости от организма происходит синтез этилового спирта, молочной, уксусной, пропионовой кислоты и некоторых других биохимических продуктов. У растений и других аэробных организмов пировиноградная кислота подвергается окислению до СО₂ и Н₂О в ходе реакций цикла Кребса. В некоторых органах растений при недостатке кислорода также могут частично происходить реакции брожения, конечным продуктом которых чаще всего является этиловый спирт.

Через образование пировиноградной кислоты, как будет показано далее, осуществляется связь между обменом углеводов, липидов и белков в растительном организме. Из пировиноградной кислоты путём аминирования синтезируется аминокислота аланин, которая участвует в реакциях азотного обмена и синтезе белков. Путём превращения в ацетил-КоА пировиноградная кислота даёт начало синтезу жирных кислот. А с другой стороны, при распаде белков, аминокислот, жирных кислот на определённых этапах образуется пировиноградная кислота, которая может использоваться на синтез углеводов путём обращения реакций гликолиза благодаря тому, что большинство ферментов, катализирующих эти реакции, обладают обратимым действием. Однако некоторые стадии гликолиза необратимы и для их преодоления используются обходные пути.

Первый необратимый этап в ходе превращения пировиноградной кислоты в гексозу – это образование из пировиноградной фосфоенолпирови-

СН3 СН2-СООН | | С=О + СО2 + Н2О + АТФ ¾® С=О + АДФ + Н3РО4 | | СООН СООН пировино- щавелевоуксусная градная кислота кислота

ноградной кислоты. Он осуществляется в четыре последовательные реакции, происходящие в митохондриях и цитоплазме. Вначале пировиноградная кислота карбоксилируется с участием АТФ под действием митохондриальной пируваткарбоксилазы (6.4.1.1) и превращается в щавелевоуксусную кислоту:

СН2-СООН СН2-СООН | | С=О + НАД×Н + Н+ ¾® СНОН + НАД+ | | СООН СООН щавелевоук- яблочная сусная кислота кислота

Затем щавелевоуксусная кислота восстанавливается митохондриальной малатдегидрогеназой в яблочную кислоту:

СН2-СООН СН2-СООН | | СНОН + НАД+ ¾® С=О + НАД×Н + Н+ | | СООН СООН яблочная щавелевоук- кислота сусная кислота

Образовавшаяся яблочная кислота перемещается в цитоплазму и под действием цитоплазматической малатдегидрогеназы снова превращается в щавелевоуксусную кислоту:

СН2-СООН СН2 | || С=О + ГТФ ¾¾¾® СО~ Р + СО2 + ГДФ | (или АТФ) | СООН СООН щвелевоуксус- фосфоенолпиро- ая кислота виноградная кислота

После этого под действием фермента фосфопируваткарбоксикиназы (4.1.1.32) из щавелевоуксусной кислоты путём декарбоксилирования образуется фосфоенолпировиноградная кислота:

Превращение фосфоенолпировиноградной кислоты в 3-фосфо-глицериновый альдегид осуществляется в результате обращения соответствующих реакций гликолиза (8-4). В ходе этих реакций на фосфорилирование 3-фосфоглицериновой кислоты затрачивается АТФ, а на восстановление фер<