28. Пути окисления глюкозы при дыхании. Гликолиз, пентозофосфатный окислительный путь. Последовательность реакций, ферменты, энергетический выход.

Главным дыхательным субстратом являются углеводы. В растительной клетке существует даже такая закономерность: чем больше она содержит сахаров, тем интенсивнее она дышит. Окисление дыхательного субстрата - сложный процесс, состоящий из большого числа химических реакций. Главный путь распада углеводов - гликолиз и ЦТК (ц. Кребса ).

Гликолиз(дихотомический распад углеводов)

Гликолиз – это последовательность реакций, приводящих к превращению гексозы (глюкозы) в пируват (ПВК) с одновременным образованием АТР. Гликолиз – процесс анаэробный , но он может протекать и в отсутствии кислорода, и в присутствии О2. Гликолиз является основным метаболитическим путем, образующим энергию в форме АТР в клетках, где отсутствует фотосинтез. Все реакции гликолиза протекают в цитоплазме.

Гликолизу предшествует гидролиз или фосфоролиз сложных углеводов до глюкозы, которая и вступает в первую реакцию гликолиза, а после гликолиза протекает аЭробное дыхание или аНАэробное брожение. Если гидролиз – фермент 3 класса, если фосфоролиз – ф.2 класса, в этом случае должна протекать еще одна реакция – превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат под действием фермента 5 класса фосфоглюкомутазы.

Процесс гликолиза можно разделить на два этапа. Первый этап, протекающий с расходом энергии 2-х молекул АТФ, заключается в расщеплении молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

На втором этапе происходит окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся синтезом АТФ.

Первый этап гликолиза (эндергонический) начинается с реакции фосфорилирования глюкозы и требует затраты химической энергии (в форме АТР), фосфорилированная форма глюкозы является наиболее реакционно активной. Первый этап включает в себя 5 реакций, две из которых (1-ая и 3-ья являются НЕобратимыми).

Описание реакций 1го этапа:

1 реакция: Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат, при этом АТР переходит в АДР, фермент – 2 класса, гексокиназа (глюкокиназа). Реакция необратимая. Р. Фосфорилирования.

2 р. Глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат, фермент – 5 кл. Фосфоглюкоизомераза. Р. Обратима. Р. Изомеризации.

3 р. Второе фосфорилирование. Фруктозо-6-фосфат под действием АТР переходит во фруктозо-1,6-бисфосфат. Фермент – 2 кл. Фосфофруктокиназа. ( играет важную роль в регуляции скорости гликолиза). Р. НЕобратима.

4 р. Расщепления фруктозо-1,6-бисфосфата под действием фермента 4 класса альдолазы, превращается в ФГА и ДОАФ. Р.Обратима.

5 р. Взаимопревращение ФГА и ДОАФ, фермент 5 кл. триозофосфатизомераза.

Во втором этапе участвует ФГА.

Второй этап гликолиза (экзергонический).

6 р. 2 молекулы ФГА превращаются в 1,3-ФГК. (здесь макроэргическая связь!) При этом НАД окисленный переходит в НАДН+Н восстановленный, фермент – 1 кл. ФГА-дегидрогеназа. Р. Обратима.

7 р. 1,3 – ФГК превращается в 3-ФГК под действием фермента 2 кл. Фосфоглицераткиназы и 2х молекул АДР. Обратима.

8 р. 3-ФГК превращается в 2 –ФГК, фермент – 5 кл. фосфоглицератмутаза. Обратима.

9 р. 2-ФГК превращается в ФЕП (там макроэргическая связь), р.дегидратации, фермент 4 кл – енолаза. Обратима.

10 р. НЕобратима. ФЕП превращается в ПВК, фермент – 2 кл – пируваткиназа, АДР переходит в АТР.

Все реакции гликолиз можно представить суммарным уравнением:

C6H12O6 + 2НАД+ + 2АДФ + 2H3PO4 ---> 2CH3COCOOH + 2H+ + 2НАДН + 2АТФ + 2H2O

Энергетический баланс гликолиза:

Аэробные условия	Если предшествует:	Анаэробные условия
+2+(3*2)=+8АТР	Гидролиз	-2+4=+2АТР
+3+(3*2)=+9АТР	Фосфоролиз	-1+4=+3АТР

Образовавшийся в 6р. НАДН+Н+ «поступает» в ЭТЦ (электроннотранспортную цепь) в митохондрии, где распадается на НАД окисленный + 2Н+2е. Примерно дает 3 АТР (при переносе электронов).

Особенности гликолиза у растений:

Субстратом может служить крахмал. При участии фосфорилазы крахмал превращается в глюкозо-1-фосфат в присутствии неорганического фосфата.

В растительных клетках имеется 2 фосфофруктокиназы (3-я р-ция): АТФ-зависимая и пирофосфат-зависимая  (реакция, катализируемая последней, обратима).

Пирофосфат-зависимая  фосфофруктокиназа  локализована в цитозоле  и  активируется в условиях стресса, при дефиците  АТФ  (например, при аноксии)  и  фосфорном голодании.

У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, протекает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изоформы АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена из-за высокой концентрации АТФ. Пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа не обнаружена в хлоропластах и пластидах.

Биологическая роль гликолиза:

Образование АТР.

Метаболическая(пластическая), т.е. является поставщиком строительных блоков для реакции синтеза (ДОАФ →глицерол, ПВК – аланин, а у растений на синтез вторичных метаболитов).

Для аЭробов является подготовкой к аЭробному дыханию.

У аНАэробных организмов после гликолиза следует брожение.

Пентозофосфатный окислительный путь(апотомический распад углеводов)

Пентофосфатный окислительный цикл (путь) - это ещё один способ окисления глюкозы, свойственный всем высшим растениям. Является альтернативным путем распада глюкозы. Все реакции этого пути протекают в растворимой части цитоплазмы клетки, в пропластидах и хлоропластах. ПФОП особенно активен в клетках, в которых идет интенсивный синтез липидов, нуклеиновых кислот, элементов кл. стенки, фенольных соединений. В ходе ПФОП синтезируется НАДФН.

Выделяют 2 этапа:

1 этап – окислительный. Происходит последовательное окисление глюкозо-6-фосфата с образованием СО2, рибулозо-5-фосфата и 2х молекул НАДФН.

Суммарное уравнение:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ⁺ + 2Н2О →6 Рибулозо-6-фосфат + 12 НАДФН + 12 Н⁺ + 6 СО2.

2 этап - неокислительный: происходит регенерация глюкозо-6-фосфаа из пентоз. Реакции взаимопревращения сахаров.

1. Изомеризация (межклассовая и эпимеризация).

2. Транскетолазные (перенос с кетозы на альдозу 2С).

3. Трансальдолазные (перенос с кетозы на альдозу 3С).

В результате превращений 3х пентоз обр-ся 2 фруктозо-фосфата и 1 (шт.) 3-ФГА. При вступлении в цикл еще 3х пентоз, образуется еще 2 фр-6-фосфата и 1(шт.) 3-ФГА. Образовавшийся 3-ФГА изомеризуется в ДОАФ и они образуют 5-ую молекулу фр-6-фосфата.

Суммарное уравнение ПФОП:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ⁺ + 7Н2О =5 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФН + 12 Н⁺ + 6 СО2 + Рн.

Функции ПФОП – поддержание пластического обмена.

1. Синтез НАДФН, который используется как вос-ль при биосинтезах ВЖК, липидов, углеводов в ц.Кальвина, вторичных соединений, органических кислот.

2. Синтез пентоз, которые идут на синтез нуклеиновых кислот и нуклеотидов АТФ, ГТФ, НАД(Ф)⁺, ФАД, КоА.

3. Поставляет углеводы С3-С7, которые являются основой для синтеза широкого спектра органических соединений. Образование эритрозо-4-фосфат, необходимого для синтеза фенольных соединений и алкалоидов у растений.

4. ПФОП в хлоропластах функционирует в темноте, предотвращая резкое изменение концентраций НАДФН в отсутствие света. (Процесс происходит только тогда, когда есть потребность в метаболитах).

5. Глюкоза на одном из этапов ПФОП может переходить на гликолитический путь. Образующиеся при этом в хлоропластах триозофосфаты, поступая в гликолиз и цикл Кребса, могут использоваться на синтез АТР.