Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001
Дихання
Цикл трикарбонових кислот
Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса) — другий етап дихання
Послідовність реакцій перетворення глюкози в піровиноградну кислоту досить подібна в усіх організмах та в усіх видах клітин, що не можна сказати про піруват, утилізація якого відбувається різними шляхами.
У дріжджів та деяких інших мікроорганізмів в анаеробних умовах перетворення пірувату відбувається шляхом спиртового бродіння:
Реакція каталізується піруватдекарбоксилазою. В нормі у багатьох мікроорганізмів із піровиноградної кислоти в аналогічних умовах утворюється лактат; в умовах аноксії цей процес спостерігається і у вищих рослин:
Відновлення пірувату за рахунок НАД×Н з утворенням лактату каталізує лактатдегідрогеназа.
Характерно, що регенерація НАД+ при відновленні пірувату в лактат підтримує в анаеробних умовах неперервний процес гліколізу.
Отже, в анаеробних умовах піруват вступає в реакції процесу бродіння, в ході якого істотного додаткового синтезу АТФ не відбувається. Саме тому на заболочених грунтах в кореневій системі обмежений процес аеробного дихання зменшує ймовірність синтезу АТФ, який потрібний для процесу поглинання мінеральних речовин. Тому у рослинних організмів на таких грунтах спостерігається різкий дефіцит тих чи інших мінеральних елементів.
Таким чином, лише незначна частина енергії звільняється в процесі бродіння. Значно більше її звільняється в аеробних умовах у циклі трикарбонових кислот та на завершальному етапі дихання в ланцюзі перенесення електронів. Аеробний шлях спричинює повне окислення глюкози, в результаті якого утворюється значно більше молекул АТФ, ніж під час гліколізу. Всі реакції відбуваються в мітохондріях евкаріот у два етапи у циклі трикарбонових кислот, а потім — в дихальному електронтранспортному ланцюгу (ЕТЛ). На першій підготовчій стадії (А) проходить включення Ацетил-КоА в цикл, а на другій (Б) — вивільнення енергії, яка запасається у вигляді НАД×Н, ФАД×Н2 та АТФ (рис. 90).
Рис. 90. Два етапи циклу Кребса (А — підготовчій, Б — вивільнення енергії)
Як відомо, мітохондрії оточені двома мембранами, причому внутрішня утворює численні вирости — кристи, вміст яких заповнений ферментами, коферментами, фосфатами, які беруть участь диханні. Зовнішня мембрана проникна для більшості молекул, тоді як крізь внутрішню вільно проникає лише піровиноградна кислота та АТФ. Ферменти циклу трикарбонових кислот знаходяться в матриксі, а компоненти дихального ЕТЛ вмонтовані в мембрани крист. Цикл трикарбонових кислот являє собою кінцевий загальний шлях окислення дихального субстрату — амінокислот, жирних кислот та вуглеводів. Його ще називають лимоннокислим або циклом Кребса, на честь Ганса Кребса, який відкрив і описав його в 1937 р. і удостоєний за це відкриття Нобелівської премії. Функціонування даного циклу в рослинних клітинах першим дослідив А. Чібнелл (1939). Включення пірувату в даний цикл відбувається на рівні ацетилкоферменту А (ацетил-КоА), який формується в мітохондріях у процесі окислювального декарбоксилування піровиноградної кислоти за участю мультиферментного піруватдегідрогеназного комплексу (рис. 91 а, б):
Рис. 91. а — модель ацетил КоА, б — структурна формула ацетил КоА
Ця реакція є зв’язуючою ланкою між гліколізом та циклом трикарбонових кислот. Структурне об’єднання трьох видів ферментів та п’яти коферментів дає змогу мультиферментному ком-
плексу координувати каталіз при здійсненні даної реакції. Всі проміжні продукти реакції асимільованого декарбоксилування пірувату міцно зв’язані з цим комплексом.
В ході даної реакції із НАД утворюється НАД×Н2, а з двох залишків вихідної молекули глюкози (піровиноградної кислоти) формуються дві ацетильні групи (СН3СО-) з одночасним виділенням СО2. Характерно, що жири та амінокислоти можуть також перетворюватися на ацетил-КоА і таким шляхом включатися в процес дихання через відповідні реакції циклу Кребса.
Цикл розпочинається із альдольної конденсації щавлевооцтової кислоти (ЩОК) та ацетил-КоА з утворенням цитрату та КоА і каталізується цитрат-синтазою:
Далі цитрат ізомеризується в ізоцитрат, що здійснюється шляхом дегідратації з наступною гідратацією. В результаті відбувається взаємопереміщення H+ та OН-. Цю реакцію каталізує фермент аконітаза, тому проміжним продуктом є цис-аконітат:
Нарешті відбувається перша з чотирьох окислювально-відновних реакцій циклу трикарбонових кислот, в якій ізоцитрат окислюється та декарбоксилується в a-кетоглугарат за участю ізоцитрат- дегідрогенази:
тобто
При окислювальному декарбоксилуванні а-кетоглутарату утворюється сукцинил-КоА, в якому знаходиться високоенергетичний зв’язок, енергії якого достатньо для синтезу АТФ. Розщеплення тіоефірного зв’язку сукцинил-КоА поєднане з фосфорилуванням гуанозиндифосфату (ГДФ):
Ця зворотна реакція каталізується сукцинил-КоА-синтетазою.
Фосфатний залишок ГТФ в ході реакції за участю нуклеозиддифосфаткінази переноситься на АДФ з утворенням АТФ:
Це також один із прикладів субстратного фосфорилування. Запам’ятайте, що це єдина реакція циклу трикарбонових кислот, яка безпосередньо зумовлює утворення макроергічного фосфатного зв’язку. В гліколізі ми вже відмічали субстратне фосфорилування при окисленні гліцеральдегідтрифосфату та перетворенні фосфоенолпірувату на піровиноградну кислоту.
Остання стадія ЦТК забезпечує регенерацію щавлевооцтової кислоти в процесі окислення сукцинату:
Отже, сукцинат перетворюється на щавлевооцтову кислоту (оксалацетат) поступово, шляхом окислення, гідратації та повторного окислення.
Кожен оборот циклу регенерує одну молекулу щавлевооцтової кислоти та генерує енергію в формі ФАД×Н2 та НАД×Н2 (рис. 92).
Сукцинат окислюється сукцинат-дегідрогеназою, причому на відміну від попередніх трьох окислювальних реакцій циклу в ролі акцептора протона тут виступає ФАД, а не НАД+. Це не випадково, а саме тому, що вихід вільної енергії в даній реакції не достатній для відновлення НАД+, тому в реакціях такого типу акцептором виступає ФАД. Сукцинатдегідрогеназа має в своєму складі крім флавіну ще й чотири залізосірчаних Fe-S-білки. На відміну від більшості ферментів циклу, він, як і аконітаза, є інтегральним білком внутрішньої мембрани мітохондрій і безпосередньо поєднується з електронтанспортним ланцюгом мітохондрій, а тому ФАД-Н2, не відокремлюючись від ферменту, передасть електрони при окисленні сукцинату на атом Fe3' його ж двох кластерів Fe-S-білків і далі через проміжні ланки до О2.
Рис. 92. Цикл Кребса
Фумараза каталізує гідратацію фумарину з утворенням малату, який окислюється до окса- лацетату за допомогою малат-дегідрогенази:
Таким чином, цикл Кребса завершує шлях окислення молекул вихідних субстратів дихання як джерела енергії. Сумарне рівняння його можна подати таким чином:
Як видно, два вуглеці вступають у цикл (при конденсації ацетильного компонента з оксалаце- татом) і два атоми вуглецю покидають його у вигляді СО2 при декарбоксилуванні (ізоцитрату та а-кетоглутарату).
В чотирьох окислювально-відновних реакціях циклу три пари електронів переносяться на НАД+ та одна на ФАД. Молекули НАД+ відновлюються в реакціях окислювального карбоксилування ізоцитрату та a-кетоглутарату та при окисленні малату. Ще одна НАД×Н формується при окислювальному декарбоксилуванні пірувату.
Молекулярний кисень (О2) не бере безпосередньої участі в жодній реакції циклу, хоча він функціонує лише в аеробних умовах. Це пояснюється тим, що НАД і ФАД в мітохондріях регенеруються пізніше, при перенесенні електронів на молекулярний кисень в процесі окислення в дихальному ланцюгу. На кожну молекулу НАД×Н утворюються дві молекули АТФ. Лише один макроергічний зв’язок АТФ (з розрахунку на один ацетильний залишок) генерується із сукци- нил-КоА, безпосередньо в циклі Кребса, решта (14 АТФ) синтезуються в електронтранспорт- ному ланцюгу.
Використовується також дві молекули Н2О, що підтверджує теорію В.І. Палладіна про те, що в процесі дихання кисень води включається до складу окислювального субстрату, а водень через «дихальний пігмент» (дегідрогенази) переноситься до О2.
Отже, при окисленні однієї молекули пірувату синтезується 15 молекул АТФ. Оскільки вихідна молекула глюкози розпадається в процесі гліколізу на дві молекули пірувату, то окислення двох залишків дає 30 молекул АТФ.
Необхідно відмітити, що внаслідок розпаду однієї молекли піровиноградної кислоти в аеробній фазі дихання (декарбоксилювання піровиноградної кислоти та в циклі Кребса) виділяється 3 молекули СО2, 4 НАД×Н2 та 2 ФАД×Н2 Таким чином, 5 пар Н2 (їх можна розглядати як 2Н+ + 2е ), що утворилися із піровиноградної кислоти і води, надходять в дихальний ланцюг.
Проміжні продукти циклу Кребса. Регуляція його реакцій
До цих пір ми розглядали енергетичний вклад циклу Кребса в метаболізм рослинної клітини, тоді як він відіграє важливу роль і як джерело цілого ряду проміжних продуктів для обмінних процесів. Зокрема, більшість вуглецевих атомів для біосинтезу порфіринів постачає сукцинил-КоА, а щавлевооцтова та а-кетоглутарова кислоти при амінуванні їх дають ряд амінокислот. Використання проміжних продуктів повинно супроводжуватись поповненням їх, бо для відновлені циклу потрібна реакція конденсації ацетил-КоА з щавлевооцтовою кислотою. Органічні кислоти циклу відіграють важливу роль в азотному обміні, ацетил-КоА використовується для синтезу ліпідів, вуглеводів.
Отже, функціонування циклу трикарбонових кислот — зв’язуюча ланка обміну таких важливих сполук як білки, жири, вуглеводи.
В цілому регуляція швидкості функціонування циклу трикарбонових кислот залежить від потреби клітини в АТФ (рис. 93).
Важливою регуляторною реакцією циклу є синтез цитрату з оксалацетату та ацетил-КоА. Справа в тім, що АТФ — інгібітор цитратсинтази, підвищення його вмісту знижує насичення ферменту ацетил-КоА.
Друга регулятора ланка — реакція, що каталізується ізоцитратдегідрогеназою. Фермент стимулюється наявністю АДФ, тоді як НАД-Н гальмує активність ферменту шляхом витіснення НАД .
Третьою регуляторною ланкою є реакція, що каталізується а-кетоглутарат-дегідрогеназою, яка гальмується продуктами цієї ж реакції сукцинил-КоА та НАД×Н. Як правило, високий енергетичний заряд знижує активність всіх трьох раніше зазначених ферментів. В таких випадках може формуватись інший транспорт електронів через альтернативну оксидазу, який підтримує низький рівень АТФ та співвідношення НАД×Н/НАД+.