Дыхание

В процессе дыхания, при котором углеводы окисляются до CO₂ и H₂O, энергия, запасенная в молекулах углеводов, высвобождается для использования ее в эндергонических реакциях клетки (реакциях, идущих с затратой энергии; см. рис. 5.1). Одновременно многие образующиеся при этом промежуточные продукты используются в качестве строительных блоков для синтеза различных других соединений, необходимых клетке.

Окисление гексозы до CO₂ и H₂O совершается не в один прием, а состоит из ряда ферментативных реакций с участием разных клеточных органелл (рис. 5.4). Преобразование энергии происходит на нескольких таких этапах еще до того, как в конечном счете из ADP и P_i образуется АТР. При полном окислении одной молекулы гексозы образуется 38 молекул АТР. Суммарную реакцию можно записать в следующем виде:

C₆H₁₂O₆+6O₂+38ADP+38P_i -> 6CO₂+6H₂O+38ATP.

Рис. 5.4. Окисление глюкозы до CO₂ и сопутствующий ему синтез АТР

Гликолиз

Различают три стадии процесса дыхания. Первая из них - последовательность реакций, протекающих в анаэробных условиях, - носит название гликолиза или пути Эмбдена - Мейергофа - Парнаса (ЭМП). Эта стадия происходит в цитоплазме, где гексозы расщепляются и частично окисляются с образованием пировиноградной кислоты (трехуглеродная органическая кислота, обычно рассматриваемая в ионизированной форме, т. е. в форме пируват-иона). Поскольку гексозы - относительна стабильные соединения, на активацию начальных реакций гликолиза должна затрачиваться метаболическая энергия. Две молекулы АТР расходуются на превращение гексозы в гексозодифосфат; затем фосфорилированная гексоза расщепляется с образованием двух триозофосфатов, которые в серии промежуточных реакций окисляются до пирувата. В этих последних реакциях образуются четыре молекулы ATP, так что суммарный результат гликолиза сводится к синтезу двух молекул АТР. Помимо непосредственного образования ATP в процессе гликолиза, АТР образуется еще и благодаря тому, что часть высвобождаемой при гликолизе энергии расходуется на восстановление кофактора никотинамидадениндинуклеотида, который при этом переходит из окисленной формы (NAD⁺)^* в восстановленную (NADH). Позже эта энергия (в виде NADH) используется для синтеза АТР при окислительном фосфорилировании в цепи переноса электронов.

^* (Для восстановления NAD⁺ в NADH требуются два электрона и один протон (H⁺). Они поступают от двух атомов водорода (H), при этом лишний протон переходит в среду. Таким образом: NAD⁺+2H->NADH+H⁺.)

Рис. 5.5. Гликолиз и брожение

В присутствии кислорода образовавшийся во время гликолиза пируват используется во второй стадии дыхания, в которой он окисляется до CO₂ и H₂O с образованием новых молекул АТР. В отсутствие кислорода пируват вступает в реакции, последовательность которых носит название брожения (рис. 5.5); при брожении существенного дополнительного синтеза АТР не происходит. На плохо дренированных почвах недостаток кислорода - обычная проблема; когда почва заболочена, уровень кислорода в ней ниже оптимума. При этом в корневых клетках ограничено аэробное дыхание и соответственно ограничен синтез АТР. А так как поглощение минеральных веществ из почвы связано с расходованием АТР, у растений, произрастающих на плохо дренированных почвах, часто обнаруживаются симптомы резкой недостаточности тех или иных минеральных элементов (см. гл. 7).

Цикл Кребса

Ферменты, катализирующие окисление пирувата до CO₂, находятся во внутреннем компартменте митохондрий (рис. 5.6). Ферменты же, окисляющие (с одновременным образованием АТР и H₂O) продукты этого процесса, восстановленные кофакторы, локализуются на внутренней стороне митохондриальной мембраны. Пируват сначала расщепляется, теряя CO₂ (декарбоксилируется), и образовавшийся ацетат (двууглеродный фрагмент) присоединяется к веществу, называемому коферментом A (CoA). Продукт этой реакции присоединения, ацетил-CoA, вовлекается непосредственно в цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, составляющий вторую из трех стадий процесса дыхания (рис. 5.7). Сначала двууглеродный фрагмент переносится от ацетил-CoA к четырехуглеродной органической кислоте, играющей роль "акцептора" этого двууглеродного фрагмента. В результате образуется шестиуглеродное соединение - лимонная кислота. Это шестиуглеродное соединение, подвергаясь ряду последовательных превращений, во время которых оно отдает сначала один атом углерода, а затем второй, расщепляется снова до четырехуглеродного соединения. Таким образом, два атома углерода, вовлеченные в цикл в виде ацетильной группы, высвобождаются в форме CO₂.

Рис. 5.6. Электронная микрофотография, на которой видна митохондрия (M) в клетке семядоли Phaseolus vulgaris. (С любезного разрешения M. Bovlan Yale University.) Обратите внимание на наружную мембрану митохондрии и выросты ее внутренней мембраны, кристы. (Сравните эту микрофотографию со схематическим изображением на рис. 2.18.) В - вакуоль; Ц - цитоплазма; Г - аппарат Гольджи

На некоторых этапах этих превращений высвобождается энергия. Она либо используется непосредственно для синтеза АТР в соответствующих связанных с мембраной системах, либо расходуется на восстановление растворимых переносчиков дыхательной цепи. К числу таких переносчиков относятся NAD⁺, восстанавливаемый в NADH, и флавинадениндинуклеотид (FAD), восстанавливаемый в FADH₂. При этих реакциях восстановления протон и электрон поступают от одного и того же атома водорода в молекуле субстрата. В других точках цепи переноса электронов восстановление осуществляется путем переноса одних только электронов. Протон (H⁺) при необходимости или поступает из водной клеточной среды, в которой всегда имеется избыток протонов, или, наоборот, переходит в нее.

Суммарный результат цикла Кребса сводится, следовательно, к тому, что каждая ацетильная группа (двууглеродный фрагмент), образовавшаяся из пирувата (трехуглеродного соединения), расщепляется до CO₂. Во время этого процесса восстанавливаются определенные переносчики электронов (NAD⁺ и FAD) и синтезируется также некоторое количество АТР.

Окислительное фосфорилирование

Ни в одной из рассмотренных выше реакций молекулярный кислород не участвует, а между тем, как известно, потребление кислорода - характернейшая черта процесса, который мы называем дыханием. Потребность в кислороде возникает вследствие того, что значительная доля энергии, находившейся ранее в гексозе, содержится теперь в восстановленных переносчиках NADH и FADH₂, из которых она должна высвободиться в третьей стадии дыхания, когда эти переносчики вновь окислятся, передав свои электроны свободному кислороду. Поскольку в упомянутых переносчиках (NADH и FADH₂) заключено довольно большое количество энергии, высвобождаться она должна опять-таки постепенно, путем передачи электрона от этих: кофакторов целому ряду переносчиков, связанных с белками в определенным образом ориентированных в пространстве в составе цепи переноса электронов. Каждый такой переносчик находится на несколько более низком уровне восстановленности, чем его предшественник, и в соответствии с этим содержит меньше энергии. Конечным акцептором электрона служит молекулярный кислород, который вместе с протоном, поступившим из окружающей водной среды, образует новую молекулу воды:

Цепь переноса электронов состоит из ряда переносчиков, которые могут находиться либо в восстановленном, либо в окисленном состоянии (рис. 5.8). Эти переносчики представляют собой ферменты, для которых коферментами служат различные производные витаминов. Расположены переносчики на внутренней мембране митохондрий (см. рис. 2.19 и 5.6), подобно тому как локализованы на тилакоидах хлоропластов переносчики электронов, действующие при фотосинтезе. Завершают цепь переноса электронов гемсодержащие цитохромы, в которых поступающие к ним электроны восстанавливают железо, переводя его из окисной формы (Fe³⁺) в закисную (Fe²⁺); от цитохромов электроны переходят на кислород. На нескольких этапах в цепи переноса электронов энергия высвобождается и используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (см. рис. 5.8). На каждую молекулу NADH, передающую свои электроны в цепь переноса электронов, синтезируются, как полагают, три молекулы АТР, а на каждую молекулу FADH₂ - две. Поскольку АТР образуется в результате окисления каждого предшествующего переносчика и электроны в конце концов переходят на кислород, процесс этот получил название окислительного фосфорилирования. Сложность всех этих реакций делает понятной необходимость соответствующей сложной структуры митохондрий. Каждый фермент должен располагаться таким образом, чтобы он мог принять определенный субстрат и передать готовый продукт следующему ферменту в том же ряду. Нарушение в любой точке цепи переноса электронов полностью блокирует транспорт электронов. Известно, например, что такие дыхательные яды, как цианид и окись углерода, осуществляют свое действие, соединяясь с железом цитохромов, в результате чего становится невозможным переход Fe³⁺ в Fe²⁺. Клетка при этом может погибнуть, если в ней не существует какого-нибудь другого пути, по которому электроны могли бы переноситься на кислород.

Рис. 5.8. Передача энергии по цепи переносчиков электронов в митохондриальной мембране. Электроны от NADH переходят от одного переносчика к другому, каждый раз на более низкий энергетический уровень, и в конце концов восстанавливают 1/2 O₂ до H₂O. В процессе этого переноса фосфорилируются три молекулы ADP с образованием АТР, высокоэнергетического соединения, используемого в других реакциях. Пункты, в которых происходит фосфорилирование, намечены пока лишь предположительно; возможно, что здесь происходит также и перемещение протонов

Для дыхания, так же как и для фотосинтеза (см. гл. 4), хемиосмотическая теория предлагает стройное объяснение, позволяющее понять, каким образом энергия, получаемая от переноса электронов по цепи переносчиков, сопрягается с синтезом АТР (рис. 5.9). Переносчики электронов расположены асимметрично на внутренней мембране митохондрии (см. рис. 2.18). Некоторые из них переносят не только электроны, но и протоны, вследствие чего между двумя сторонами внутренней мембраны митохондрии возникает градиент концентрации протонов; дело обстоит здесь так же, как и на мембране тилакоидов (см. рис. 4.13), с той разницей, что протоны транспортируются изнутри наружу, так что с внутренней стороны митохондриальная мембрана оказывается более щелочной, а с наружной - более кислой (см. рис. 5.9). Перенос каждой пары электронов по цепи переносчиков от NADH к ¹/₂O₂ приводит к переходу через митохондриальную мембрану шести ионов Н+. Этот значительный градиент pH между двумя сторонами мембраны представляет собой, так же как и при фотосинтезе, потенциальный источник: энергии. Энергия, выделяющаяся при обратном движении протонов, т. е. при их перемещении в митохондрию по особым каналам в грибовидных выростах (см. рис. 2.18), расходуется при участии фактора сопряжения на синтез АТР из ADP и P_i.

Рис. 5.9. Образование АТР в митохондриях с точки зрения хемиосмотической теории. (С изменениями по Hinkle, McCarthy. 1978. Scientific American, 238(3), 104-123.) В каждом обороте цикла Кребса три молекулы NAD⁺ восстанавливаются в NADH. Затем NADH отдает пару электронов, которые перемещаются по цепи переносчиков и в конце концов присоединяются к кислороду. В процессе этого переноса электроны трижды пересекают мембрану митохондрии и при каждом таком переходе через мембрану переносят пару протонов из внутреннего компартмента митохондрии в межмембранное пространство. В результате этого между двумя сторонами мембраны возникает значительный градиент pH, вследствие чего протоны возвращаются обратно во внутренний компартмент, диффундируя по каналам, имеющимся в грибовидных выростах (их называют также фактором сопряжения). Энергия этого градиента используется для образования ATP из ADP и P_i. Реакция катализируется ATP-азой, присутствующей в факторе сопряжения

Пентозофосфатный путь

У всех высших растений имеется помимо гликолиза еще и другой дыхательный путь, так называемый пентозофосфатный путь, или гексозомонофосфатный шунт (см. рис. 5.4). Исходным субстратом служит глюкозо-6-фосфат. При помощи NADP⁺ он окисляется до карбоновой кислоты, а именно до фосфоглюконовой кислоты, которая затем подвергается декарбоксилированик с образованием пятиуглеродных фосфорилированных сахаров.

Эти пятиуглеродные фосфорилированные сахара используются затем в клетке по-разному: они включаются в полимеры клеточной стенки (пентозаны), расщепляются в процессе метаболизма с образованием CO₂, H₂O и АТР, включаются в нуклеотиды РНК и ДНК или участвуют в синтезе высокоэнергетических соединений, таких, как АТР. Сдвиг в сторону пентозофосфатного пути происходит в тех случаях, когда клетке требуются? большие количества пятиуглеродных сахаров и когда в качестве источника энергии для синтезов используется не NADH, a NADPH.

Образование строительных блоков

Независимо от того, как именно идет расщепление углеводов - путем гликолиза или по пентозофосфатному пути, - промежуточные продукты этого расщепления с разным числом углеродных единиц часто используются еще до полного окисления субстрата, т. е. до его превращения в CO₂ и H₂O (рис. 5.10). В отсутствие кислорода пировиноградная кислота может восстанавливаться в молочную кислоту или через ацетальдегид - в этанол (см. рис. 5.5).

Образующиеся в цикле Кребса органические кислоты могут присоединять аммиак путем прямого аминирования или переаминирования и превращаться в аминокислоты, а затем в конечном счете включаться в белок (см. рис. 5.10). Из аминокислот получаются также фенолы, флавоноиды, антоцианы, лигнин и все прочие соединения, путь образования которых начинается с дезаминирования аминокислоты фенилаланина. Различные алкалоиды и растительный гормон ауксин (индолил-3-уксусная кислота) синтезируются из аминокислоты триптофана. Ацетил-CoA, образующийся из пирувата, служит важным исходным продуктом для синтеза многих соединений, таких, как жирные кислоты, входящие в состав липидов (см. ниже); полимеры изопрена (C₅H₈), например каучук; летучие терпены; стероиды; и, наконец, некоторые гормоны - гиббереллин, абсцизовая кислота и часть гормона цитокинина. В гл. 15 мы рассмотрим и некоторые другие изопреноидные соединения.

Рис. 5.10. Промежуточные продукты превращений, происходящих при окислении углеводов в процессе дыхания

Итак, две главные функции дыхания - это высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма, и образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются многие другие соединения. Эти функции дыхания иллюстрирует рис. 5.11.

Рис. 5.11. Схема, поясняющая функции процесса дыхания

Дыхательный коэффициент

Дыхательным коэффициентом (RQ)^* называется отношение количества выделившейся CO₂ к количеству поглощенного O₂ при окислении данного субстрата до CO₂ и H₂O. Когда субстратом служат сахара, дыхательный коэффициент равен единице, например:

^* (От англ. respiratory quotient - дыхательный коэффициент. - Прим. ред.)

Однако, когда роль субстрата играют липиды, белки и прочие соединения с высокой степенью восстановления, дыхательный коэффициент оказывается меньше единицы, например:

И наоборот, для субстратов с более низкой, чем у сахаров, степенью восстановления дыхательный коэффициент превышает, единицу, например:

Определив дыхательный коэффициент данной ткани экспериментальным путем, т. е. параллельно измерив изменения в содержании CO₂ и O₂, можно получить представление о степени окисления расщепляемых соединений. Следует, однако, учесть, что подобные определения могут вести и к неверным выводам, если природа дыхательного процесса не вполне ясна. Известно, например, что частичное окисление сахаров до пировиноградной кислоты совершается с поглощением кислорода, но без выделения CO₂, тогда как при последующем декарбоксилировании, ведущем к образованию ацетил-Coa, используемого для синтеза жирных кислот, CO₂ выделяется, но одновременного поглощения O₂ не происходит. Ясно таким образом, что определение дыхательного коэффициента позволяет нам судить о природе окисляемого субстрата только в том случае, если этот субстрат окисляется полностью - до CO₂ и H₂O.