Гликолиз, или фруктозофосфатный путь, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса.

Окислительный пентозофосфатный путь или гексозомонофосфатный путь или путь Варбурга-Диккенса-Хореккера

Кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь или путь Энтнера-Дудорова.

Следует отметить, что все виды катаболизма глюкозы могут протекать при разных типах энергетического метаболизма.

Все пути катаболизма начинаются с того, что глюкоза фосфорилируется с помощью фермента фосфогексокиназы и АТФ и образуется глюкозо-6-фосфат, который служит исходным пунктом для любого из трех путей катаболизма.

Наиболее распространенным путем катаболизма глюкозы является гликолиз. При этом глюкозо-6-фосфат изомеризуется и фосфорилируется во фруктозо-1,6-дифосфат, который затем расщепляется на 2 триозы: ФГА (фосфоглицериновый альдегид) и ДОАФ (фосфодиоксиацетон), последний изомеризуется в ФГА и образуются 2 молекулы ФГА. На эти реакции затрачивается 2 АТФ. Далее происходит окисление каждой молекулы ФГА до диФГК (дифосфоглицериновой кислоты). Последнее представляет собой высокоэнергетичное соединение и здесь происходят реакции субстратного фосфорилирования и образование АТФ и ФГК (фосфоглицериновой кислоты). Далее ФГК под действием фермента фосфоглицеромутазы и в результате отщепления воды образуется ФЕП (фосфоенолпировиноградная кислота). Далее при субстратном фосфорилировании образуется ПВК и АТФ. Суммарное уравнение гликолиза можно записать:

С₆Н₁₂0₆ + 2 АДФ+ Ф_н + 2 НАД → 2 С₃Н₄О₃ + 2 АТФ + 2 НАДН₂

Пентозофосфатный путь применим для бактерий семейства Enterobacteriacea, а также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых. В этом пути глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных реакций превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту, которая подвергается окислению и декарбоксилированию с образованием рибулозо-5-фосфата (РМФ), С0₂ и НАДФ*Н₂. РМФ включается в сложный цикл (реакции транс-альдолиза и транс-катализа), где из его трех молекул образуются 2 молекулы глюкозо-6-фосфата и 1 молекула 3-ФГА. Глюкозо-6-фосфат опять включается в цикл, а из 3-ФГА гликолитическим путем образуется ПВК. С энергетической точки зрения этот путь менее эффективен, чем гликолиз, но он служит для обеспечения клетки пентозами, которые необходимы для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот, кроме того образуются 2 молекулы НАДФН₂, необходимые для восстановительных реакций биосинтеза.

Путь Энтнера-Дудорова встречается у прокариот реже, чем другие. Он характерен для псевдомонад и уксуснокислых бактерий. От пентозофосфатного пути отличается тем, что 6-фософглюконовая кислота превращается в 3-ФГА и ПВК. Затем 3-ФГА гликолитическим путем превращается в ПВК. В этом пути из одной молекулы глюкозы при этом образуется 1 АТФ, 1 НАДФН₂ и 1 НАДН₂. Этот путь является самым кратчайшим путем расщепления глюкозы.

Таким образом, рассмотрев пути катаболизма глюкозы мы приходим к выводу, что важнейшим продуктом, образующимся в них является ПВК, которая подвергается дальнейшим превращениям. ПВК занимает центральное место в промежуточном метаболизме и может служить предшественником многих продуктов.

Что же происходит с ПВК при различных типах энергетического метаболизма: аэробном дыхании, анаэробном дыхании и брожении.

Брожение. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются особенно характерными, выделяют: спиртовое, молочнокислое, муравьинокислое, маслянокислое, пропионовокислое и др. виды брожения.

Спиртовое брожение. Проходит по гликолитическому пути до образования ПВК. Далее идет ее декарбоксилирование с участием фермента пируватдекарбоксилазы при участии тиаминпирофосфата с образованием ацетальдегида и С0₂. Образовавшийся ацетальдегид выступает конечным акцептором водорода. Он при помощи алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этанола.

Суммарно процесс спиртового брожения можно выразить следующим уравнением:

C₆H₁₂O₆ + 2 Ф _H +2 АДФ → 2 CH₃CH₂OH +2 CO₂ + 2 АТФ + 2 H₂O.

Энергетический выход спиртового брожения составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу катаболизированной глюкозы.

Главными возбудителями спиртового брожения являются некоторые виды дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, и др.) и бактерий (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Кроме этого, этанол образуют такие мезофильные бактерии, как Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Splrochaeta aurantia, а также термофильные бактерии: Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, C. thermocellum.

Спиртовое брожение лежит в основе ряда промышленных производств — виноделия, получения спирта, пивоварения, хлебопечения.

Молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение считается эволюционно одним из самых древних и примитивных типов брожения. По характеру самого процесса и образующимся конечным продуктам различают гомо- и гетероферментное молочнокислое брожение.

В основе гомоферментного молочнокислого брожения лежит гликолитический цикл сбраживания гексозы с образованием двух молекул ПВК. Последняя, выступая конечным акцептором водорода, восстанавливается до его единственного продукта - молочной кислоты. Этот процесс можно выразить следующим уравнением:

С₆ H₁₂ O₆ + 2 АДФ + 2Фн→ 2 СН₃-СНОН-СООН + 2 АТФ (196,65 кДж/моль)

Энергетический выход этого вида брожения невелик и составляет 2 АТФ на 1 молекулу глюкозы.

Процесс ведут гомоферментативные молочнокислые бактерии (кокки - родов Streptococcus, Pediococcus и палочковидные формы рода Lactobacillus), способные сбраживать до 85-95% сахара, находящегося в среде, до молочной кислоты. Все бактерии окрашиваются по методу Грамма положительно, спор не образуют, неподвижны, ауксотрофы (нуждаются в аминокислотах, компонентах нуклеиновых кислот, витаминах группы В и др. Источником углерода служат молочные или растительные сахара (глюкоза, лактоза, мальтоза) и редко некоторые сахароспирты, пентозы, органические кислоты. Низкие биосинтетические способности этой группы бактерий свидетельствуют о примитивности их конструктивного метаболизма.

В основе гетероферментного молочнокислого брожения лежит пентозофосфатный путь сбраживания гексоз и пентоз с образованием молочной кислоты и ряда других продуктов - уксусной кислоты, этилового спирта, глицерина и С0₂:

С₆Н₁₂ O₆ → СН₃СНОНСООН + СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СН₂ОНСНОНСН₂ОН + С0₂

К этой группе относят бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc и Bifidobacterium. Некоторые молочнокислые бактерии способны вести как гомо-, так и гетероферментативное молочнокислое брожение, сбраживая гексозы по гликолитическому пути, а пентозы по пентозофосфатному.

Молочнокислые бактерии находят широкое применение в хозяйственной деятельности деятельности человека - для приготовления кисломолочных продуктов, сырокопченых колбас, квашении овощей и фруктов, хлебопечении, для силосования кормов, для биологической выделки кожи. Они входят в состав нормальной миклофлоры кишечника человека и животных. Многие представители патогенны.

Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и ведут его облигатно-анаэробные бактерии рода Clostridium.

В основе этого типа брожения лежит гликолитический путь сбраживания углеводов до ПВК. В результате ряда последовательных реакций из пировиноградной кислоты образуются уксусный альдегид, муравьиная и уксусная кислоты, нередко этиловый спирт. Муравьиная кислота почти тотчас же распадается до С O₂ и Н₂, а реакция конденсации ацетальдегида приводит к образованию масляной кислоты. Суммарно процесс маслянокислого брожения можно выразить следующим уравнением:

4 С₆Н₁₂ O₆ → 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 8 С O₂ + 8 Н₂

Энергетический выход данного процесса составляет 3,3 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы. Это наибольший выход энергии, получаемый во всех вышерассмотренных типах брожений, сопровождающихся реакциями субстратного фосфорилирования. Процессмаслянокислого брожения очень лабилен и зависит от состава питательной среды и стадии развития культуры микроорганизма.

Маслянокислые бактерии рода Clostridium многочисленны и гетерогенны. Морфологически они представлены крупными палочками. В молодой культуре палочки подвижны, тип жгутикования перитрихиальный. По мере старения клетки формируют эндоспоры. Спорангии переходного типа, форма спор сферическая или овальная.

По типу использования углеродсодержащих веществ маслянокислые бактерии подразделяются на сахаролитические и протеолитические.

Различные виды маслянокислых бактерий в природе ведут самые разнообразные процессы: анаэробную аммонификацию органических азотсодержащих веществ, анаэробное разложение растительных остатков - пектина и клетчатки. Бактерии этой группы выделяются из всех типов почв и различных анаэробно разлагающихся материалов. Маслянокислые бактерии нередко причиняют вред, вызывая порчу продуктов - прогоркание масла, сметаны. В промышленности они используются для получения масляной кислоты, необходимой в парфюмерном производстве.

Пропионовокислое брожение

Основным продуктом, образующимся при пропионовокислом брожении является пропионовая кислота. Кроме нее образуются уксусная кислота и СO₂. Пропионовокислые бактерии расщепляют углеводы по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты, которая подвергается дальнейшим превращениям с образованием пропионовой кислоты, уксусной кислоты и СO₂:

(слайд) 1,5 Глюкоза —► 2 Пропионат + С O₂ + Ацетат.

Поскольку пропионовокислые бактерии развиваются, как правило, в тех же субстратах, что и молочнокислые (рубец и кишечник жвачных животных), то предпочтительным субстратом для них является молочная кислота, образующаяся в результате молочнокислого брожения:

(слайд) 3 Лактат—► 2 Пропионат + Ацетат + С0₂.

Существуют 2 метаболических пути образования пропионовой кислоты:

- акрилатный путь, в котором лактат постепенно восстанавливается до пропионата:

- сукцинат-пропионовый путь, в котором лактат превращается в пропионат через стадии образования пирувата и сукцината.

Акрилатный путь присущ, по-видимому, только нескольким микроорганизмам { Clostridium propionicum, Bacteroides ruminicola, Megasphaera elsdenii).

Кроме пропионата в акрилатном брожении образуется также ацетат и СO₂. Выход АТФ при этом виде брожения составляет 1 молекулу на 3 молекулы лактата.

Сукцинат-пропионатный путь или метилмалонил-КоА-путь имеется у большинства микроорганизмов, образующих пропионат. Сукцинат в этом пути синтезируется в качестве промежуточного продукта, но может продуцироваться также в качестве конечного продукта в малых или больших количествах. С другой стороны, бактерии, использующие акрилатный путь не образуют сколько-нибудь значительных количеств сукцината.

Пропионовокислое брожение используется в сыроделии: при созревании твердых сыров, которое длится 2-3 месяца. Источником пропионовокислых бактерий служит сычужный фермент - водный экстракт телячьих желудков. Пропионовокислые бактерии превращают молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты, придающие сыру острый вкус, а благодаря выделению углекислоты в сырной массе образуются поры («глазки»). В связи с тем. что пропионовокислые бактерии способны накапливать в своих клетках большие количества витамина В12, их также используют для промышленного получения этого витамина.

Аэробное дыхание прокариот.

Большая часть аэробных прокариотных организмов потребляет в качестве источников энергии различные органические соединения, окисляя их до конечных продуктов СO₂ и H₂О. Аэробные окисление органических веществ в прокариотной клетке проходит подобно аэробному дыханию эукариот. В основе лежит окисление ПВК по циклу Кребса (ЦТК).

Суммарно цикл Кребса можно выразить следующим уравнением:

СН₃СОСООН +2 Н₂0 -+ 3 C0₂ + 8 H + АТФ

Таким образом, ЦТК выполняет функцию конечного окисления органических веществ. Но кроме того, он обеспечивает биосинтетические процессы клетки различными предшественниками такими как ЩУК, α-кетоглутарарат, сукцинат и др. У некоторых бактерий ЦТК «разорван». Наиболее часто отсутствует этап превращения α-кетоглутаровой кислоты в сукцинат (янтарную кислоту). Основная функция «разованного» ЦТК - биосинтетическая. ЦТК сопряжен с дыхательной цепью. Назначение этой цепи далеко не исчерпывается переносом водорода и ē от окисляемого субстрата на конечный акцептор - молекулярный кислород. Основная функция дыхательной цепи заключается в запасании энергии клеткой в виде АТФ. НАД*Н2 и ФАД*Н2, образовавшиеся на разных этапах окисления органических веществ, поступают в дыхательную цепь, которая у бактерий находится в цитоплазматической мембране, а у эукариот в мембране митохондрий. В дыхательной цепи НАД*Н2 и ФАД*Н2 вновь окисляются до НАД и ФАД, а отщепившийся от них водород передаётся не менее через пять переносчиков к концу цепи, где соединяется с молекулярным кислородом, образуя воду.

Переход водорода по дыхательной цепи состоит из ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из этих реакций выделяется достаточно энергии для образования АТФ, и такой процесс носит название окислительного фосфорнлировання. В реакциях окислительного фосфорилирования принимает участие специальный фермент АТФ-синтаза, который катализирует превращение АДФ в АТФ.

В состав дыхательной цепи аэробных прокариотных организмов входят: НАД-дегидрогеназы, ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН-дегидрогеназы (флавинмононуклеотид-дегидрогеназы), убихинон и система цитохромов. НАД-дегидрогеназы катализируют отщепление водорода до окисляемого субстрата и передачу его на стартовые переносчики дыхательной цепи – НАДН₂-дегидрогеназы. С них водород передается в дыхательную цепь на ФАД или ФМН-дегидрогеназы, затемна убихинон и далее на систему цитохромов. Протоны выделяются в среду, а электроны передаются далее по ЭТЦ на терминальный переносчик - цитохромоксидазу. Последняя передает ее на конечный акцептор - молекулярный кислород, который активизируется и соединяется с водородом с образованием воды.

Как видно из схемы, потребление протонов происходит на внутренней стороне мембраны, а освобождение их на наружной стороне. Так как внутренняя мембрана митохондрий и цитоплазматическая мембрана бактерий непроницаемы для ионов, в том числе для Н- и ОН-, то создается электрохимический градиент между наружной и внутренней сторонами мембраны (иначе протонный градиент). Протоны могут пройти обратно через мембрану только в определенных местах. В некоторых из этих мест располагаются специфические белки АТФ-синтазы. Фермент АТФ-синтаза имеет мол. массу 350*10³и сложное строение - состоит из головки, построенной из нескольких субъединиц, ножки и основания. Основание погружено в липидный слой мембраны. АТФ-синтаза катализирует присоединение фосфата к АДФ с отщеплением воды, в результате чего образуется АТФ. Установлено, что синтез молекулы АТФ связан с переносом 2 протонов через АТФ-синтазу.

Теперь подсчитаем, каков энергетический выход при окислении одной молекулы глюкозы при аэробном дыхании у дрожжей:

- в процессе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, 2 молекулы НАД*Н2 и 2 молекулы пирувата:

- в цикле Кребса образуется б молекул НАД*Н2, 2 молекулы ФАД*Н2 и 2 молекул АТФ.

Итого: 4 молекулы АТФ, 10 молекул НАД*Н2, 2 молекулы ФАД*Н2.

Мы установили, что при окислении одной молекулы НАД*Н2 максимально образуется 3 молекулы АТФ. При окислении одной молекулы ФАД*Н2 - 2 молекулы АТФ. Значит: 10 молекул НАД*Н2 дают 30 молекул АТФ, а 2 молекулы ФАД*Н2 - 4 молекулы АТФ.

Всего: 4+30+4 = 38 молекул АТФ - суммарный энергетический выход аэробного дыхания у эукариотических микроорганизмов, когда катаболизм глюкозы осуществляется гликолитическим путём.

Суммарно уравнение аэробного дыхания выглядит так:

C₆ H₁₂ O₆ + 6 O₂ + 38 АДФ + 38 H₃ PO₄ → 6 С O₂ + 38 АТФ + 44 H₂ O

Анаэробное окисление.

Встречается только среди представителей царства прокариот. При анаэробном дыхании конечным акцептором в ЭТЦ являются неорганические и органические соединения, но не молекулярный кислород. Если конечным акцептором является SO₄^2-, то процесс называется сульфатным дыханием, а бактерии сульфатвосстанавливающими или сульфат редуцирующими. Если конечным акцептором являются нитраты или нитриты, то процесс называется нитратным дыханием или денитрификацией, а бактерии -динитрифицирующими. Если конечным акцептором является СO₂- то процесс называется карбонатным дыханием, а бактерии метанобразующими. Если конечным акцептором является фумарат, то фумаратное дыхание.

Бактерии, способные к анаэробному дыханию имеют укороченные дыхательные цепи. Кроме того, терминальная цитохромоксидаза заменена на соответствующую редуктазу. Основное количество АТФ синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования. Выход АТФ при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но больше, чем при брожении.

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 196; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!