Характеристика химизма дыхания у растений

         Рисунок № 1 – «Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)»

изоцитратдегидрогеназой. При этом водород переносится на НАД (образуется НАД-H). Для протекания этой реакции требуются ионы магния или марганца. Одновременно происходит процесс декарбоксилирования. За счет одного из атомов углерода, вступившего в цикл Кребса, первая молекула СО2 выделяется. Образовавшаяся кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию подобно тому, которое разбиралось по отношению к пировиноградной кислоте. Этот процесс также катализируется мультиферментом кетоглутаратдегидрогеназой, содержащей тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, коэнзим А, ФАД и НАД. В результате за счет второго атома углерода, вступившего в цикл, выделяется вторая молекула СО2. Одновременно происходит восстановление еще одной молекулы НАД до НАД-Ш и образуется сукцинил-КоА. На следующем этапе сукцинил-КоА расщепляется на янтарную кислоту (сукцинат) и HS — КоА. Выделяющаяся при этом энергия накапливается в макроэргической фосфатной связи АТФ. Этот этап важен, так как выделяющаяся энергия непосредственно накапливается в АТФ. Этот тип образования АТФ, подобно ее образованию в процессе гликолиза, относится к субстратному фосфорилированию. Образовавшаяся янтарная кислота окисляется до фумаровой кислоты. Реакция катализируется ферментом сукцинатдегидрогеназой, простетической группой которого является ФАД. Одновременно выделяется третья пара водородов, образуя ФАД-Н2.

На следующем этапе фумаровая кислота, присоединяя молекулу воды, превращается в яблочную кислоту. На последнем этапе цикла яблочная кислота окисляется до щавеливо-уксусную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент малатдегидрогенеза, активной группой которого является НАД, и происходит выделение четвертой пары атомов водорода— образуется НАД-H. Таким образом, ЩУК регенерирует в прежнем виде и может реагировать со следующей молекулой активного ацетата, поэтому практически ЩУК в процессе цикла не расходуется. Одновременно в ходе каждого цикла выделяются две молекулы СО2 и образуются три молекулы НАД-Н + Н + и молекула ФАД-Н2. Многие реакции цикла Кребса обратимы. Важно также отметить, что образовавшиеся в рассмотренных реакциях органические кислоты могут служить материалом для построения аминокислот, жиров и углеводов и в этом случае выводятся из цикла. Вместе с тем соединения, входящие в цикл, могут образовываться в ряде других реакций (например, при декарбоксилировании аминокислот) и вступать в цикл. Таким образом, рассмотренные превращения не отделены от других реакций метаболизма, а тесно с ними взаимосвязаны. Для реакций цикла Кребса кислород не требуется. Кислород необходим для регенерации или окисления восстановленных коферментов (НАД-Н2 и ФАД-H). Количество окисленных форм этих коферментов ограничено. В анаэробных условиях, когда регенерация коферментов невозможна, они быстро оказываются исчерпанными и весь процесс прекращается. Окисление коферментов осуществляется в дыхательной цепи, или цепи переноса водорода и электронов. Конечным акцептором в этой цепи является кислород воздуха. Энергия, высвобождаемая при окислении коферментов, накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ.

Подводя итог, можно отметить, что в результате распада 1 молекулы ПВК в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК + цикл Кребса) выделяется ЗСО2, 4НАД-Н2 и 1ФАД-Н2. Таким образом, 5 пар Н2, образующихся из ПВК и воды, поступают в дыхательную цепь.

5.3 Электронно-транспортная  цепь

Третья стадия — электронно-транспортная цепь (ЭТЦ). В процессе окисления пировиноградной кислоты в цикле Кребса образовались пары водорода 2Н, которые мы можем рассматривать как 2Н + + 2е-. Именно в таком виде они, акцептированные НАД и ФАД, и передаются по цепи переносчиков. В процессе переноса водорода и электронов важную роль играют ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз.

Оксидоредуктазы, участвующие в дыхательной цепи, делятся на следующие основные группы.

А) Пиридиновые дегидрогеназы, у которых коферментом служит НАД или НАДФ, отнимают два атома водорода от субстрата. При этом к коферментам присоединяются один протон и два электрона. Протон и один электрон связываются с атомом углерода в молекуле НАД, а второй электрон нейтрализует положительный заряд атома азота. Один протон выделяется в среду (рис. 2). Коферменты НАД и НАДФ связаны с ферментом с помощью ионов металла и сульфгидрильных группировок. В зависимости от белкового носителя, к которому присоединен кофермент (НАД или НАДФ), различают более 150 пиридиновых дегидрогеназ. Каждая из них специфична по отношению к определенному субстрату. Необходимо учитывать, что НАД и НАДФ могут воспринимать водород и электроны лишь в том случае, если субстрат имеет более отрицательное значение потенциала по сравнению с ними.

Рисунок 2 -  «Окисленная и восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (НАД)»

Б) Флавиновые дегидрогеназы. Это также большая группа ферментов, катализирующая отнятие 2Н от различных субстратов. Простетической группой этих ферментов служат производные витамины В2 (рибофлавина) — флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН). Активной частью флавиновых дегидрогеназ служит изоаллоксазиновое кольцо. В процессе восстановления именно к этой группировке присоединяется 2Н (2Н++2е) (рис.3). Простетическая группа у флавиновых дегидрогеназ прочно прикреплена к белковому носителю. Специфичность и в этом случае определяется белковой частью фермента.

Рисунок  3.А  - «Структурные формулы флавиновых нуклеотидов: ФМН (в рамке) и ФАД (вся формула)»; Б – «восстановление и дегидрирование флавиновых нуклеотидов»

В) Цитохромы. Простетическая группа цитохромов представлена железопорфиринами. Железопорфириновая группа (тем) в цитохромах прочно связана с белком через атомы серы аминокислоты цистеина. Известно около 20 цитохромов, которые делятся на четыре главных класса: а, Ь, с, d, отличающихся между собой природой простетической группы: цитохромы а содержат железоформилпорфирины, цитохромы b — железопротопорфирины, цитохромы d — железогидропорфирины. В каждую группу цитохромов входит по нескольку различающихся между собой ферментов.

Рисунок 4 -  «Окисленная и восстановленная формы коферментов Q»

Роль цитохромов заключается в переносе электронов. Содержащееся в цитохромах железо способно к обратимым окислительно-восстановительным реакциям. Воспринимая электрон, железо восстанавливается, теряя его — окисляется: Fe3+ +е-→ Fe2+. Непосредственно с кислородом воздуха может реагировать только цитохромоксидаза, которая кроме железа содержит атомы меди.

Помимо перечисленных ферментов в переносе электронов по дыхательной цепи принимают участие кофермент Q и железосерные белки. Кофермент Q —это производное бензохинона, получившее название убихинон. Убихинон представляет собой кольцевую молекулу с двумя присоединенными к ней атомами кислорода, для которой возможны три состояния. В полностью окисленном состоянии, или хиноновой форме, оба атома кислорода связаны с кольцом двойными связями. Присоединение одного атома водорода к одному из атомов кислорода дает полухиноновую форму QH. В полностью восстановленной форме атомы водорода присоединяются к обоим атомам кислорода. Эта форма носит название гидрохиноновой — QH2 (рис. 4).

Таким образом, кофермент Q может присоединять 2 протона и 2 электрона. Убихинон растворим в жирах и в связи с этим подвижен в липидной фазе мембран. Железосерные белки содержат FeS — это переносчики электронов подобно цитохромам. Содержащееся в них железо обратимо восстанавливается и окисляется.

Путь переноса водорода и электрона от одной молекулы переносчика к другой (рис. 5) представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или водород, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или водород, восстанавливается. Движущей силой транспорта водорода в дыхательной цепи является разность потенциалов. В связи с этим расположение отдельных переносчиков в дыхательной цепи, так же как и в цепи фотосинтетической, определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала. В начале цепи расположен НАД, обладающий наибольшей отрицательной величиной окислительно-восстановительного потенциала (—0,32 В), а в конце — кислород с наиболее положительной величиной (+0,82 В). Остальные переносчики ФАД, KoQ цитохромы расположены между ними в порядке последовательного повышения положительного потенциала. Это и позволяет электронам передвигаться по направлению к кислороду (наивысший положительный потенциал).

В 1939—1940 гг. биохимик В. А. Белицер указал, что выделяющаяся в процессе передачи по дыхательной цепи электронов энергия

Рисунок 5 – «Дыхательная цепь (расположение переносчиков в мембране митохондрий)»

Рисунок  8 – «Окислительное фосфорилирование в митохондриях: А – схема Митчелла; Б – расположение переносчиков в мембране митохондрий»

частично накапливается в АТФ. При переносе электронов свободная энергия системы постепенно уменьшается. Общее изменение энергии при переносе пары водородов и пары электронов от НАД на кислород можно рассчитывать по формуле: ∆Go = nF∆Eo, где n — число электронов, равное 2; F — фарада = 96 633,97 Дж; ∆ E0 — разность потенциалов между участком цепи от —0,32 до +0,82= 1,14; ∆ Go — стандартное изменение свободной энергии, ∆ Gо = 2-96633,97 Дж-1,14 = 220,8 кДж.

Таким образом, изменение свободной энергии системы составляет около 220,8 кДж. Свободная энергия гидролиза АТФ равна 30,6 кДж. Исходя из того, что уменьшение свободной энергии системы при переносе пары электронов с НАД на кислород составляет 220,8 кДж, можно было предположить возможность образования из АДФ + Фн семи молекул АТФ. Однако было показано, что при прохождении пары электронов от НАД-Н до 1/2 О2 образуется всего 3 молекулы АТФ. Из этого был сделан вывод, что в цепи переноса электронов имеется три пункта фосфорилирования. Накопление энергии окисления в АТФ при продвижении электрона по цепи переносчиков называют окислительным фосфорилированием. Механизм образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, так же как и фотофосфорилирования, объяснен благодаря работам английского биохимика П. Митчелла. Его теория получила название хемиосмотической. Согласно хемиосмотической теории свободная энергия, образованная при окислительно-восстановительных реакциях в дыхательной цепи, преобразуется в электрохимический градиент ионов водорода (∆μН +). При этом мембрана переходит в высокоэнергетическое состояние. Ионы Н+ (протоны) переносятся с внутренней стороны внутренней мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство с помощью переносчиков. ∆μН +, в свою очередь, является источником энергии для образования АТФ из АДФ. ∆μН+ имеет две составляющие: градиент рН (∆ рН) и градиент электрического потенциала. Переносчики дыхательной цепи сосредоточены на внутренней мембране митохондрий. При этом они как бы вплетены в митохондриальную мембрану и составляют дыхательные ансамбли. Так же как в мембранах хлоропластов, переносчики, расположенные в митохондриях, неоднородны. Одни из них переносят целые атомы водорода, а другие — лишь электроны. Использование переносчиков второго типа (переносящих электрон) возможно потому, что протоны (Н+) могут находиться в водной среде клетки в свободном состоянии. В мембране митохондрий, так же как и в мембране хлоропластов, переносчики водорода чередуются с переносчиками электрона, что имеет принципиальное значение для хемиосмотической теории. Молекула переносчика, несущая целый атом водорода, взаимодействует с переносчиком, воспринимающим только электроны, и протоны высвобождаются в межмембранное пространство. Именно это, согласно хемиосмотической теории, лежит в основе преобразования выделяющейся в процессе окисления энергии в энергию электрохи мического мембранного потенциала — ∆μН+ и далее в энергию АТФ. Согласно теории Митчелла, при переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану 3 раза и этот перенос сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны 6 (3 пар) протонов (рис. 6, А, Б).

При рассмотрении рисунков 5 и 6 надо учитывать, что это лишь предположительная схема расположения переносчиков. Многое в ней нуждается в уточнении. Как видно из приведенной схемы, восстановленный кофермент НАДН+ +Н+, образующийся в реакциях цикла Кребса, располагается на внутренней стороне мембраны митохондрий. На первом этапе ФАД воспринимает водороды от НАД и восстанавливается, образуя ФАД-Н2. С помощью этого фермента 2Н + переносятся на другую (внешнюю) сторону мембраны, и здесь происходит первое разделение зарядов. Два протона (2 Н+) выделяются на внешнюю сторону внутренней мембраны, а электроны присоединяются к переносчику (железосерный белок), с помощью которого переносятся на внутреннюю сторону мембраны. При этом происходит восстановление железа (Fe3+e-→Fe2+). Этот переносчик переправляет электроны снова на внутреннюю сторону мембраны. Здесь электроны акцептируются KoQ (убихинон — переносчик Н), который, заряжаясь отрицательно, захватывает двумя электронами два протона из внутренней среды. Поскольку KoQ растворим в липидах, он диффундирует к внешней стороне мембраны и выделяет там еще 2Н + (второе разделение зарядов), а электроны передаются на цитохром b. Рассматривая схему, мы указали на два места выделения (всего четырех) протонов. Между тем, согласно хемиосмотической теории, локализация пунктов фосфорилирования в дыхательной цепи определяется пунктами выделения ионов Н +. Поскольку, как указывалось выше, показано наличие трех мест фосфорилирования, то необходима транслокация через внутреннюю мембрану трех пар протонов. Однако точно место выделения третьей пары протонов не установлено. Предполагается, что третья пара Н+ выделяется также при переносе электронов от KoQ (убихинона) к цитохрому b. При этом участвуют 2 молекулы убихинона, которые сначала переходят в полухинон, а затем в гидрохинон (выделяется третья пара Н+). Далее электроны передвигаются по цепи цитохромов b, с, а, а3, содержащих железо. В каждом из них происходят обратимые окислительно-восстановительные превращения железа. На заключительном этапе электроны переносятся ферментом цитохромоксидазой (содержащей наряду с железом медь) на внутреннюю сторону мембраны на кислород. Кислород, заряжаясь, воспринимает 2Н+ из внутренней среды с образованием Н2О. В результате выброса ионов Н+ на внешнюю сторону мембраны митохондрий и создается электрохимический градиент протонов (∆μН+). Таким образом, сам механизм процессов, происходящих на мембранах хлоропластов и митохондрий, сходен. Однако имеются два основных отличия: 1) в случае хлоропластов источником энергии потока электронов служит энергия света, а у митохондрий — энергия окислительных процессов; 2) распределение протонов на мембране противоположно: у митохондрий протоны - накапливаются на наружной стороне, а у хлоропластов — на внутренней.