Гликолиз и его особенности в растительной клетке: этапы, реакции, ферменты
Физиология растений наравне с ботаникой является основополагающей наукой при изучении растительного мира. Сравнительная физиология растений выполняет связующую роль между царством растений и животных. Структурной единицей, позволяющей производить сравнение функций различающихся живых систем, является клетка с ее внутренней организацией, особенностями хранения и передачи наследственной информации.
Физиология растений изучает общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов и является частью биологической науки. Цель дисциплины «Физиология растений» – раскрыть сущность этих процессов, показать пути их регуляции и управления
Исследователю в области физиологии растений приходится решать задачи количественного определения показателей роста и развития растений, энергетического и пластического обмена (фотосинтеза и дыхания), водного и минерального обмена и др. на разных уровнях организации живой материи. В арсенал современных методов входят методы культивирования растений, спектрофотометрические методы, оптико-акустические, хроматографические, электрохимические, методы основные световой и электронной спектроскопии и мн. др.
Реакции гликолиза идут в цитозоле и в хлоропластах. Существует три этапа гликолиза: 1 – подготовительный (фосфорилирование гексозы и образование двух фосфотриоз); 2 – первое окислительное субстратное фосфорилирование; 3 – второе внутримолекулярное окислительное субстратное фосфорилирование. Сахара подвергаются метаболическим превращениям в виде сложных эфиров фосфорной кислоты. Глюкоза предварительно активируется путем фосфорилирования. В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат.После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат последний вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа, катализирующая эту стадию, является важным ключевым ферментом гликолиза. Таким образом, на активацию одной молекулы глюкозы расходуются две молекулы АТФ. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется альдолазой на два фосфорилированных С3-фрагмента. Эти фрагменты – глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат – превращаются один в другой триозофосфатизомеразой. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой с образованием НАДН + Н+. В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат с образованием 1,3-дифосфоглицерата. Такое промежуточное соединение содержит смешанную ангидридную связь, расщепление которой является высокоэкзоэргическим процессом. На следующей стадии, катализируемой фосфоглицераткиназой, гидролиз этого соединения сопряжен с образованием АТФ. Следующий промежуточный продукт, гидролиз которого может быть сопряжен с синтезом АТФ, образуется в реакции изомеризации 3-фосфоглицерата, полученного в результате реакции окисления 3ФГА, в 2-фосфоглицерат (фермент фосфоглицератмутаза) и последующего отщепления воды (фермент энолаза). Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и энольной формы пирувата и потому называется фосфоэнолпируватом (ФЭП). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой, образуются пируват и АТФ. Наряду со стадией окисления ФГА и тиокиназной реакцией в цитратном цикле это третья реакция, позволяющая клеткам синтезировать АТФ, независимо от дыхательной цепи. Несмотря на образование АТФ, она высоко-экзоэргична и потому необратима. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты и 4 молекулы АТФ. Поскольку макроэргическая связь формируется прямо на окисляемом субстрате, такой процесс образования АТФ получил название субстратного фосфорилирования. Две молекулы АТФ покрывают расход на первоначальное активирование субстрата за счет фосфорилирования. Следовательно, накапливаются 2 молекулы АТФ. Кроме того, в ходе гликолиза 2 молекулы НАД восстанавливаются до НАДН. В процессе гликолиза молекула глюкозы деградирует до двух молекул пирувата. Кроме того, образуется по две молекулы АТФ и НАДН + H+ (аэробный гликолиз).
Источник
Аэробный распад углеводов. Гликолиз. Особенности гликолиза у растений.
Анаэробный путь распада углеводов может начинаться как с распада глюкозы — гликолиз, так и с распада гликогена — гликогенолиз.
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 при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (пирувата), гликолиз в анаэробных условиях ведёт к образованию молочной кислоты (лактата). 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). Реакции первого 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.
Энергетический баланс гликолиза:
Если гидролиз сложных углеводов: +2+(3*2)=+8АТР.
Если фосфоролиз сложных углеводов: +3+(3*2)=+9АТР.
1р. Глюкоза в глюкозо-6-фосфат —— затрачивается 1 мол АТР.
3р. Фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бисфосфат ——затрачивается 1 мол АТР.
7р. 1,3-ФГК в 3-ФГК——выделяется 2 мол АТР.
10р. ФЕП в ПВК——выделяется 2 мол АТР.
3р. Фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бисфосфат ——затрачивается 1 мол АТР.
7р. 1,3-ФГК в 3-ФГК——выделяется 2 мол АТР.
10р. ФЕП в ПВК——выделяется 2 мол АТР.
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).
Биологическая роль гликолиза:
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.
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.
У растений обнаружены ферменты, при участии которых возможен «обход» некоторых реакций гликолиза. Так, в клетках растений есть НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, катализирующая 6-ую реакцию (превращение 3-ФГА в 1,3-ФГК.
В вакуолях некоторых растений обнаружена ФЕП-фосфатаза, катализирующая 10-ую реакцию (образование ПВК). Оба альтернативных фермента активируются при фосфорном голодании.
Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН используются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах.
Пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.
При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений, гликолиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. Обычно сначала при участии лактатдегидрогеназы образуется молочная кислота:
Пируват + НАДН + Н Лактат + НАД
При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при рН > 7,0 находится в неактивной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:
Пируват Ацетальдегид + СО2;
Ацетальдегид + НАДН + Н+ Этанол + НАД+
Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в межклеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выживают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы и табака спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с дыханием.
Источник