Анаэробная фаза дыхания (гликолиз)

Данный путь дыхательного обмена является наиболее распространенным и, в свою очередь, состоит из двух фаз. Первая фаза— анаэробная (гликолиз), вторая фаза— аэробная. Эти фазы локализованы в различных компартментах клетки. Анаэробная фаза гликолиз — в цитоплазме, аэробная фаза — в мито­хондриях. Обычно химизм дыхания начинают рассматривать с глюкозы. Вместе с тем в растительных клетках глюкозы мало, поскольку конечными продуктами фотосинтеза являются сахароза как основная транспортная форма сахара в рас­тении или запасные углеводы (крахмал и др.). Поэтому, чтобы стать субстратом дыхания сахароза и крахмал должны гидролизоваться с образованием глюкозы.

Гликолиз осуществляется во всех живых клетках организмов. В процессе глико­лиза происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пирови-ноградной кислоты: С₆Н₁₂О₆ → 2С₃Н₄О₂ + 2Н₂. Этот окислительный процесс может протекать в анаэробных условиях (в отсутствие кислорода) и идет через ряд этапов. Прежде всего, для того чтобы подвергнуться дыхательному распаду, глюкоза должна быть активирована. Активация глюкозы происходит путем фос-форилирования шестого углеродного атома за счет взаимодействия с АТФ:

глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ.

Реакция идет в присутствии ионов магния и фермента гексокиназы. Затем глюкозо-6-фосфат изомеризуется до фруктозо-6-фосфата. Процесс катализи­руется ферментом фосфоглюкоизомеразой:

Далее происходит еще одно фосфорилирование при участии АТФ. Фосфор­ная кислота присоединяется к первому углеродному атому молекулы фруктозы, процесс катализируется ферментом фосфофруктокиназой:

фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ.

Дальнейшие реакции, составляющие процесс гликолиза, складываются сле­дующим образом: фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется с образованием двух триоз, реакция катализируется ферментом альдолазой, которая состоит из четы­рех субъединиц и содержит свободные SH-группы. Реакция протекает по урав­нению:

I

Молекула фосфодиоксиацетона при участии фермента триозофосфатизоме-разы превращается также в 3-фосфоглицериновый альдегид (ФГА). Дальнейшим превращениям подвергается именно Ф1А, окисляясь до 1,3-дифосфоглицери-новой кислоты (ДФГК). Это важнейший этап гликолиза. Процесс идет с участием неорганического фосфата (Н₃РО₄) и фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидро-геназы. Молекула этого фермента состоит из четырех идентичных субъединиц. Каждая субъединица представляет одиночную полипептидную цепь прибли­зительно из 220 аминокислотных остатков. Фермент содержит SH-группы и кофермент НАД, который взаимосвязан с ферментом на всем протяжении процесса. Сущность процесса заключается в окислении альдегидной группы ФГА в карбоксильную ДФГК. Окисление идет с выделением энергии. За счет энер­гии окисления при участии неорганического фосфата (Н₃РО₄) в молекуле ДФГК образуется макроэргическая фосфатная связь. Одновременно происходит вос­становление кофермента НАД.

В целом реакция выглядит следующим образом:

На следующем этапе за счет имеющейся макроэргической связи в 1,3-дифосфоглицериновой кислоте образуется АТФ. Процесс катализируется ферментом фосфоглицераткиназой:

Таким образом, на этом этапе энергия окисления аккумулируется в формеэнергии фосфатной связи АТФ. Затем 3-ФГК превращается в 2-ФГК, иначе

говоря, фосфатная группа переносится из положения 3 в положение 2. Реакция катализируется ферментом фосфоглицеромутазой и вдет в присутствии магния:

Далее происходит дегидратация ФГК. Реакция вдет при участии фермента енолазы в присутствии ионов Mg²⁺ или Мn²⁺. Дегидратация сопровождается пе­рераспределением энергии внутри молекулы, в результате чего возникает мак-роэргическая связь. Образуется фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП):

Затем фермент пируваткиназа переносит богатую энергией фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ и пировиноградной кислоты. Для протекания ре­акции необходимо присутствие ионов Mg²⁺ или Мn²⁺:

Поскольку при распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы ФГА, то все реакции повторяются дважды. Таким образом, суммарное уравне­ние гликолиза следующее:

В результате процесса гликолиза образуются четыре молекулы АТФ, однако две из них покрывают расход на первоначальное активирование субстрата. Сле­довательно, накапливаются две молекулы АТФ. Образование АТФ в процессе

гликолиза носит название субстратного фосфорилирования, поскольку макро-эргические связи возникают на молекуле окисляемого субстрата. Если считать, что при распаде АТФ из АДФ и Ф_н выделяется 30,6 кДж, то за период гликолиза накапливается в макроэргических фосфатных связях всего 61,2 кДж. Прямые определения показывают, что распад молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты сопровождается выделением 586,6 кДж. Следовательно, энергетическая эффективность гликолиза невелика. Кроме того, образуются 2 молекулы НАДН, которые вступают в дыхательную цепь, что приводит к дополнительному обра­зованию АТФ. Образовавшиеся две молекулы пировиноградной кислоты участ­вуют в аэробной фазе дыхания.