Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Дихання
Пентозофосфатний шлях окислення та його роль в обміні речовин клітини

Гліколіз, як відомо, головний шлях катаболізму гексоз. Однак у рослин є також інший шлях — пентозофосфатний або гексозомонофосфатний шунт.

Слово шунт свідчить про те, що мова іде про відгалуження від основного шляху. Ферменти даного шунта, як і ферменти гліколізу, зосереджені в цитозолі, а також в пропластидах, хлоропластах.

Насамперед слід зауважити, що коли в процесах окислення глюкози через гліколіз, цикл Кребса, дихальний ланцюг її енергія використовується переважно на синтез АТФ, то пентозофосфатний шлях забезпечує генерацію іншого типу метаболічної енергії — відновлювальної здатності у вигляді молекул НАДФ×Н₂. Справа в тому, що деяка частина електронів і протонів молекул дихального субстрату теж використовується в процесах біосинтезу, а не для перенесення на О₂.

Найбільш легкодоступним джерелом відновлювального еквівалента в клітині є НАДФ×Н₂, який відрізняється від НАД×Н₂ наявністю фосфатного залишку при другому вуглецевому атомі (С₂) одного з рибозних компонентів. Істотна різниця між ними саме в тому, що вони відіграють різну фізіологічну функцію: НАД×Н₂ окислюється в ЕТЛ та генерує АТФ, тоді як НАДФ×Н₂ є донором водню та електронів при різних відновлювальних біосинтезах в рослинній клітині.

Відкриття Отто Варбургом в 1931 р. першого ферменту даного циклу (глюкозофосфат-дегідрогенази) дозволило повністю розшифрувати його, що і здійснили Ф. Дікенс, Ф. Ліпман, Б. Хорекер та Е. Рекер. Цей шлях дихання спостерігається лише в аеробних умовах і діє основним джерелом надходження в клітину пентоз-цукрів, що є складовою частиною АТФ, НАД, ФАД, нуклеїнових кислот. Він може функціонувати поряд з гліколізом, подаючи від 10 до 99% енергії, яка надходить в клітину при розпаданні вуглеводів в процесі дихання.

Пентозофосфатний шунт розпочинається на рівні глюкозо-6-фосфату гліколізу (рис. 104) і на кінцевому етапі знову зливається з гліколітичною послідовністю реакцій на рівні фруктозо- циклу 6-фосфату та 3-фосфбгліцеринового альдегіду:

Рис. 104. Послідовність реакцій пентозофосфатного

Таким чином, пентозофосфатний шунт окислення гексоз виконує такі рсновні функції: по-перше, він постачає НАДФ-Н, який використовується як відновник при різних біосинтезах, в умовах, коли не відбувається утворення його в процесі фотосинтезу. Тому він має особливе значення для нефотосинтезуючих тканин {при диференціюванні тканин, проростанні насіння}, а також в темповий період;

по-друге, в процесі циклу формується рибозо-5-фосфат, який необхідний для біосинтезу нуклеїнових кислот та нуклеотидів, КоА, коферментів НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД⁺.

Нарешті, він утворює еритрозо-фосфат, що використовується для синтезу шикимової кислоти, яка виступає попередником ароматичних кілець, вітамінів, лігніну, дубильних речовин. Це також джерело утворення вуглеводів з різноманітним вуглецевим скелетом.

Перевага пентозофосфатного шляху спостерігається за умови, коли клітині потрібні значною мірою пентози та коли як джерело енергії вимагається НАДФ×Н. Такі продукти даного шляху окислення, як рибулозо-1,5-бісфосфат, НАДФ×Н, можуть брати участь і в процесах темнової фіксації та у відновленні СО₂ в фотосинтезі.

Взагалі, за своєю сутністю пентозофосфатний шунт віддзеркалює цикл Кальвіна (лише дві реакції специфічні для фотосинтезу, решта однакові).

В молодих, особливо меристематичних тканинах, переважає гліколіз, тоді як в більш старих — в значній мірі бере участь і пентозофосфатний шлях. Цей шлях функціонує і при ряді бродінь. Наприклад, проміжний продукт ксилуозо-5-фосфат може розщеплюватись фосфокетолазою при молочнокислому бродінні з утворенням ацетилфосфату та фосфогліцеринового альдегіду (ФГА).

Може бути незакінченим пентозофосфатний шунт, бо на певному етапі він може перейти на гліколітичне розщеплення вуглеводів. Окислювальний пентозофосфатний шлях розподіляється на дві фази. На першій відбувається перетворення глюкозо-6-фосфату в рибулозо-5-фос- фат та генерується 2 молекули НАДФ×Н. Фаза І розпочинається з окислення глюкозо-6-фосфату до глюконо-лактон-6-фосфату. Ця реакція каталізується НАДФ-залежною глюкозо-6- фосфатдегідрогеназою. Потім глюконо-лактон-6-фосфат гідролізується 6-фосфоглюконолак- тоназою з утворенням, 6-фосфоглюконової кислоти. Остання піддається окислювальному декарбоксилуванню з утворенням рибулозо-5-фосфату. Реакція каталізується НАДФ-залежною 6-фосфоглюконатдегідрогеназою. Таким чином в першій фазі на одну молекулу глюкозо-6- фосфату утворюється дві молекули НАДФ×Н. На другій фазі молекули рибулозо-5-фосфату зазнають серії перетворень, в результаті чого молекули глюкозо-6-фосфату та 3-фосфогліцериново- го альдегіду знову ресинтезуються. Це відбуваєтья наступним чином. У фазі 2 рибулозо-5- фосфат ізомеризується в рибозо-5-фосфат і ксилулозо-5-фосфат за участю відповідно рибозофосфатізомерази і рибозофосфат-3-епімерази. Рибозо-5-фосфат і ксилулозо-5-фосфат потім взаємодіють один з одним (реакція каталізується транскетолазою) з утворенням 3-фосфо- гліцеринового альдегіду і седогептулозо-7-фосфату. Ці сполуки в свою чергу вступають у взаємодію за участю трансальдолази, утворюючи фруктозо-6-фосфат і еритрозо-4-фосфат. В присутності траскетолази із еритрозо-4-фосфату і ксилулозо-5-фосфату утворюється 3-фосфо- гліцериновий альдегід і фруктозо-6-фосфат. Останній може бути направлений по шляху гліколізу.

Пентозофосфатний шунт та гліколіз поєднуються між собою ферментами трансальдолазою та транскетолазою, які каталізують реакції, пов’язані з перебудовою вуглецевих скелетів:

За рахунок другої фази будь-який надлишок пентоз може бути знову повернений на шлях гліколітичного розщеплення (рис. 105). До того ж при необхідності рибозо-5-фосфат та еритрозо-4-фосфат можуть бути синтезовані з трифосфогліцеринового альдегіду та фруктозо-6- фосфату без необхідності генерувати НАДФ×Н.

Рис. 105. Оксидативний пентозофосфатний шлях перебудови вуглецевих скелетів

Як видно з реакцій окислення глюкози в пентозофосфатному ЦИКЛІ; вони досить подібні до реакцій перетворення вуглеводів у фотосинтетичному циклі Кальвіна. Ймовірно, завдяки наявності однакових проміжних продуктів ці процеси в певних пунктах взаємопов’язані. До того ж відомо, що поряд з локалізацією пентозофосфатного шляху в цитоплазмі, в темряві він здійснюється і в хлоропласті. Тому в онтогенезі рослинного організму і залежно від конкретних умов відбувається зміна можливих шляхів дисиміляції вуглеводів.

Швидкість функціонування даного шляху регулюється концентрацією НАДФ⁺, тоді як частка розщеплення глюкозо-6-фосфату залежить від потреби в НАДФ×Н, рибозо-5-фосфаті та АТФ. Еквівалент глюкозо-6-фосфату може бути повністю окисленим до СО₂ із одночасним генеруванням НАДФ×Н, причому при окисленні кожного атома вуглецю утворюється 2 молекули НАДФ×Н₂.

Пряме окислений цукрів

Шлях прямого окислення глюкози було відкрито у деяких бактерій, грибів та тварин, а також у морських водоростей (про вищі рослини дані недостовірні). Окислення глюкози до глю- конової кислоти відбувається за участю ферменту глюкооксидази. Перед окисленням відбувається перетворення (мутаротація α-глюкози в β-форму, що каталізується ферментом мугаротазою). Через ряд перетворень глюконова кислота в кінцевому етапі дає дві тріози: піровиноградну кислоту та 3-ФГА, які через піровиноградну кислоту можуть окислюватись в циклі Кребса.

Якщо в процесі дихання прямому окисленню піддаються інші цукри, утворюється ряд кислот первинного окислення. Як відомо, в тканинах вищих рослин С.В. Солдатенков виявив ряд органічних кислот (4, 5, 6- та 7-вуглецеві — тетронова, гептонова і т. ін.). За своєю хімічною природою і складом вони досить близькі до простих цукрів і є первинними стадіями прямого окислення останніх.

Таким чином, на прикладі глюкози видно, що для окислення однієї і тієї ж сполуки в клітині існують різні шляхи, різні цикли перетворень, кожен із яких каталізується певним комплексом ферментів. Маючи істотні відмінності на початкових етапах, розглянуті вище шляхи розщеплення цукрів в наступних реакціях досить зближуються і є подібними. Необхідно детально вивчити співвідношення між різними типами дихання у різних видів рослин у зв’язку з їх екологічними особливостями, умовами розвитку, віком, типом тканини тощо. Це дозволить зрозуміти шляхи адаптації однієї з найважливіших фізіологічних функцій, якою є дихання, до умов життя рослинних організмів.