Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
1. Полное отщепление водорода от органического субстрата достигается в результате функционирования цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) или окислительного пентозофосфатного цикла (гл. 9). Если энергетическим субстратом являются неорганические соединения, для их окисления также были сформированы ферментативные реакции, катализируемые соответствующими дегидрогеназами.
2. Перенос водорода (электронов) на молекулярный кислород осуществляется с помощью системы структурно и функционально взаимосвязанных переносчиков, составляющих в совокупности так называемую «дыхательную цепь».
3. Энергетические возможности переноса электронов по электрохимическому градиенту реализуются в результате функционирования механизмов, сопрягающих электронный транспорт с фосфо;.илирова-нием.
Рассмотрим несколько более подробно, как была решена каждая задача, при этом нам представляется более удобным сначала изложить максимум того, что достигнуто природой в процессе эволюции, а уже затем — какие варианты на пути формирования аналогичных механизмов обнаружены в мире прокариот.
Цикл трикарбоновых кислот
ЦТК можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение. Основная функция его заключается в том, что это совершенный клеточный «котел», в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в нею органического субстрата и отщепление водорода. Другая функция цикла — снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов.
Обычно ЦТК является дальнейшей «надстройкой» над анаэробными энергетическими механизмами клетки. Исходным субстратом ЦТК служит ацетил-КоА («активированная уксус мая кислота»), образующийся у аэробов из пирувата в реакции, осуществляемой пируватде-гидрогеназным комплексом:
CH3-CO-COOH + KoA-SH + НАД+-+С1- I3-CO ~ KoA+НАД. H2+CO2.
318
углеводы
^-соединения
!ируват
Жирные кислоты» аминокислоты
3 XS—KoA Ацетил—KoA
COOH
Щ авелевоуксусная кислота
*соон
H9O
*1
*СН2 А
НЮ C-COC)H У
^*<f COOH
CH
I
COOH
Лимонная кислота
COOH Яблочная кислота
KoA-SH
I
C-Il
CH
-COOK
/
со о и
цис- А копит о пая кислота__
?\
H2O
\
\
COOH
Фу маровая кислота
\/**~ ФАД-Н2
COOH
I
* CHO Глиоксиловая кислота -
*1
НАД(ф НАД(Ф
CC)OiI
I
CH2 HC-C-OOH
I
НС—он
1
CC)C)H Иаолимоии&я
кисло га
KoA-SH
COOH
\
сн„
COOH
I
CH0
CHo
COOH
I
CH
KoA-SH
C-S-KoA
Il
О
Сукцинил-КоА
НАД•H2 НАД4" "|
*4
HC-COOH
I
O=C-COOH Щ ав е л е в от i т ар пая
кислота
СО,,
COOH ?ОС—Кетоглутароаа я QQ кислота
Рис. 102. Цикл трикарбоновых кислот и глиоксилатиый шунт: Oi — цитратсинтаза (конденсирующий фермент); Ф2 — аконитаза; Фя — изоцнтрат-дегидрогеназа; Ф/. — а-кетоглутаратдегидрогеназа; Ф5 — сукцииилтиокииаза; Ф<* — сукцинатдегидрогеназа; Ф7 — фумараза; Фз — малатдегидрогеназа; Ф0 — изоцнтрат-
лиаза; Фю — малатсинтетаза. Включение углеродных атомов ацетильного остатка в молекулу лимонной кислоты помечено звездочками. Пунктирными линиями изображены реакции глиокеилатиого
шунта
Собственно ЦТК (рис. 102) начинается с конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелевоуксусной кислоты (ЩУК), катализируемой цит-ратсинтазой, относящейся к числу аллостерических ферментов, инги-бируемых АТФ и восстановленным НАД. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент А. Лимонная кислота с помощью фермента аканитазы превращается в ^ис-аконитовую и изо-л им о иную кислоты. Последняя превращается в а-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой ферментом изоцитратдегидрогеназой. На первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуется щавелевояптарная кислота и НАД?H2. Ha втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции — а-кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и CO2. J
Изоцитратдегидрогеназа существует в двух формах, одна из которых зависит от НАД, другая от НАДФ. Окисление изолпмошюп кислоты в ЦТК катализирует НАД-зависимый фермент, относящийся к числу аллостерических: он активируется АДФ и ингибируется АТФ и НАД •H2. Активность изоцитратдегидрогеназы прямо влияет на «производительность» процесса, так как именно эта реакция лимитирует скорость оборотов цикла.
а-Кетоглутаровая кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, катализируемому а-кетоглутаратдегидрогеиазиым комплексом, в результате чего образуется сукцинил-КоА. Эта реакция — единственная необратимая реакция из десяти, составляющих НТК. Один из продуктов реакции — сукцинил-КоА — представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфириую связь.
Следующий ферментативный этап — образование янтарной кислоты (сукцината) из сукцинил-КоА, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, освобождающаяся при разрыве тио-эфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ. ГТФ затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, что приводит к образованию АТФ. Следовательно, на данном этапе ЦТК имеет место субстратное фосфорилирование.
