Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Дихання
Основні шляхи дисиміляції вуглеводів. Анаеробна фаза дихання (гліколіз)

Розрізняють три стадії процесу дихання. Перша з них відбувається в анаеробних умовах і має назву гліколізу. Він є спільним початковим етапом аеробного дихання та всіх типів бродіння.

На другому етапі продукти гліколізу включаються в цикл трикарбонових кислот, або цикл Кребса. Характерно, що на перших двох етапах молекулярний кисень не бере участі і лише на завершальному третьому етапі виникає його потреба, тому що значна доля енергії субстрату дихання, після проходження двох попередніх етапів, знаходиться у відновлених переносниках, які, окислюючись, передають свої електрони через електрон-транспортний ланцюг мітохондрій до О₂.

Гліколіз — основний шлях катаболізму вуглеводів, що включає ряд послідовних реакцій, в яких глюкоза перетворюється на піровиноградну кислоту з одночасним утворенням АТФ (рис. 88).

Рис. 88. Гліколітичний шлях розщеплення вуглеводів

В процесі гліколізу гексози розщеплюються та частково окислюються з утворенням піровиноградної кислоти. Хоча гліколіз — процес анаеробний, однак це не строге визначення, бо часто він може відбуватися і при наявності кисню. Оскільки у вищих рослин стан анаеробіозу буває досить рідко, в клітинах вищих рослин гліколіз відбувається, як правило, в присутності кисню.

Гліколіз — найважливіший метаболічний шлях процесу дихання в зв’язку з тим що він генерує енергію в формі АТФ в тих клітинах, де не відбувається фотосинтез. Особливо важливе його значення в нефотосинтезуючих органах та в тканинах насіння, що проростає.

Субстрати гліколізу (крохмаль, сахароза) попередньо гідролізуються: з крохмалю утворюється глюкоза, а з сахарози — фруктоза. Крохмаль запасається в хлоропластах, або в насінні. Сахароза надходить через флоему з фотосинтезуючих органів або запасних тканин та гідролізується інвертазою.

Гліколіз відбувається в цитозолі. Сама назва даного процесу походить від гр. glycos — цукор, солодкий та lysis — розчинення. Повністю гліколітичний шлях розщеплення вуглеводів був розкритий до 1940 р. головним чином завдяки працям Густава Ембдена, Отто Мейєргофа та Якоба Парнаса, тому його інколи і називають цикл ЕМП. Проміжні продукти гліколізу складаються з шести або трьох вуглецевих атомів.

Сполуки з шестивуглецевим скелетом — похідні глюкози та фруктози, а ті, що містять три атоми вуглецю, — похідні дигідроацетону, гліцеральдегіду, гліцерату та пірувату:

Всі проміжні продукти гліколізу знаходяться в фосфорильованому стані, фосфат з’єднується через ефірний зв’язок:

Важливо підкреслити, що хоч гліколіз служить для генерації енергії, перші його реакції відбуваються з використанням енергії АТФ. Вона використовується для фосфорилування гексоз з допомогою гексокінази. Активація гексоз відбувається шляхом фосфорилування шостого вуглецевого атому за рахунок взаємодії з АТФ. Це використання енергії АТФ надалі компенсується на наступних етапах. Отже, на першому етапі 2 АТФ використовується для перетворення гексози в гексозофосфат. Глюкоза проникає в клітину за допомогою специфічного переносника або через систему активного транспортування.

Перетворення глюкози в фруктозо-1,6-бісфосфат (ФБФ) здійснюється в три етапи: фосфорилування, ізомеризація та повторне фосфорилування.

Стратегія початкового етапу зводиться до утворення сполук, які можуть легко розщеплюватися на фосфориловані тривуглецеві фрагменти, з яких на наступних етапах вилучається енергія.

У процесі ізомеризації глюкозо-6-фосфату в фруктозо-6-фосфат шестичленне піранозне кільце глюкози перетворюється на п’ятичленне фуранозне кільце, тобто альдоза перетворюється на кетозу:

фруктозо-6-фосфат фосфорилується за рахунок другої молекули АТФ з утворенням фруктозо- 1,6-бісфосфату за участю ферменту фосфофруктокінази. Слід зауважити, що хід гліколізу лімітований саме рівнем активності даного ферменту, який контролюється наявністю АТФ:

Друга стадія гліколізу складається з чотирьох етапів і розпочинається розщепленням фрук- тозо-1,6-бісфосфату на гліцеральдегід-3-фосфат та дигідрооксіацетонфосфат:

В наступних реакціях гліколізу беруть участь лише тривуглецеві сполуки, причому провідну роль відіграє гліцеральдегід-3-фосфат. Щодо дигідрооксіацетонфосфату (ДГАФ), то він легко перетворюється на гліцеральдепд-3-фосфат (ГАФ) за допомогою ферменту тріозофосфатізомерази:

Таким чином, при послідовній дії альдолази та тріозофосфатізомерази утворюються дві молекули гліцеральдегід-3-фосфат (ГАФ):

На розглянутих стадіях гліколізу енергія не виділяється, але в наступних реакціях відбувається використання енергії, що містять в собі молекули гліцеральдегід-3-фосфату (ГАФ).

Гліцеральдегід-З-фосфат спочатку перетворюється на 1,3-бісфосфатгліцерат (1,3-БФГ) за участю складного комплексу гліцеральдегід-3-фосфат дегідрогенази (НАД-залежний SH-фер- мент); молекула даного ферменту складається з чотирьох ідентичних субодиниць. Кожна субодиниця — це поліпептидний ланцюг, складений приблизно із 220 амінокислотних залишків. Фермент містить SH-групи і кофермент НАД.

Суть процесу полягає в окисленні альдегідної групи фосфогліцеринового альдегіду в карбоксильну 1,3-бісфосфогліцеринової кислоти. Окислення супроводжується виділенням енергії. Одночасно відбувається відновлення кофермента НАД:

Це єдина реакція окислення — відновлення в процесі гліколізу, в ході якої відбувається окислення субстрату та передача електронів і протонів на НАД⁺.

В ході окислення ФГА → ФГК (фосфогліцеринова кислота) в фермент-субстратному комплексі (НАД-залежний SH-фермент та фосфогліцериновий альдегід) за участю неорганічного фосфату в молекулі 1,3- бісфосфогліцеринової кислоти виникає високоенергетичний зв'язок, що характеризується високою вільною енергією гідролізу. Це відбувається за рахунок перетворення альдегідної групи при першому вуглецевому атомі ФГК в ацилфосфат — змішаний ангідрид фосфорної та карбонової кислот:

Енергія для його утворення звільняється при окисленні альдегідної групи, дд гідролізу ацил- фосфатного зв’язку 1,3-бісфосфогліцеринової кислоти дорівнює 49,3 кДж×моль^-1. В наступній реакції ця молекула фосфогліцеринової кислоти (ФГК) використовується для генерування АТФ:

Перенесення фосфатного залишку від ацилфосфатної групи на АДФ каталізує фосфогліце- раткіназа. дд даної реакції дорівнює (-49,3) + (+30,05) = -18,8 кДж-моль’¹.

Нарешті відбувається останній етап гліколізу, що включає реакції утворення піровиноградної кислоти та генерування однієї молекули АТФ:

Перетворення 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК) в 2-фосфогліцеринову кислоту (2-ФГК) каталізується фосфогліцеромутазою. Далі в результаті дегідратації 2-ФГК утворюється високоенергетичний фосфоенолпіруват (дд гідролізу фосфоенолпірувату дорівнює -61,9 кДж×моль^-1). Реакція каталізується ферментом енолаза в присутності іонів Мg²⁺ або Мn²⁺:

Дегідратація супроводжується перерозподілом енергії всередині молекули, внаслідок чого в молекулі фосфоенолпіровиноградної кислоти і виникає макроергічний зв’язок.

У зв’язку з тим, що в даному випадку високоенергетичний ковалентний зв'язок фосфату формується безпосередньо на окислювальному субстраті, цей процес одержав назву субстратного фосфорилування.

Фосфоенолпіруват (ФЕП) використовується в останній реакції гліколізу для утворення АТФ за участю піруваткінази:

Фосфатний залишок високоенергетичного енолфосфату переноситься на АДФ з утворенням АТФ та енолпіровиноградної кислоти, яка спонтанно таутомеризується в піровиноградну кислоту (дд = -61,9 + (+30,5) = -31,4 кДж-моль¹):

Так як при розпаді однієї молекули глюкози на початку гліколізу утворюється дві молекули фосфогліцеринового альдегіду, то всі розглянуті нами реакції повторюються двічі. Тому сумарну реакцію гліколізу можна записати таким чином: