Глиоксилатный цикл дыхания растений

Особенности глиоксилатного цикла: аэробная фаза дыхания, окисление пирувата в цикл трикарбоновых кислот

Если рассмотреть естественные для растительных тканей аэробные условия, можно увидеть следующее. Образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота диффундирует в митохондрии и окисляется там до углекислого газа. В процессе такого окисления происходит образование множества молекул АТФ.

Аэробная фаза дыхания осуществляется в митохондриях, которые уступают хлоропластам в размерах, но отличаются от последних разнообразием форм и размеров. Митохондрии окружают две мембраны. Образованные внутренней мембраной складки получили название крист. Между кристами есть пространство, которое заполняет жидкий матрикс. В этом жидком матриксе присутствуют ферменты, фосфаты, вода и прочие участвующие в процессе дыхания молекулы.

Митохондрии, как и пластиды — это полуавтономные органеллы. Они содержат необходимые для синтеза собственных белков компоненты. Среди них:

Для почти всех молекул внешняя мембрана митохондрий является проницаемой. Внутренняя же мембрана проницаема только для отдельных молекул: к примеру, для АТФ и пировиноградной кислоты.

В матриксе митохондрий есть ферменты цикла Кребса, а в мембране крист — ферменты и прочие компоненты електронотранспортной цепи.

Окисление пирувата и цикл трикарбоновых кислот

Есть две стадии, описывающие процесс окисления пирувата:

1. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты в ацетил-КоА.
2. Окисление остатка ацетил-КоА в цикле Кребса.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты представляет собой последовательность из 5 отдельных ферментативных реакций, за осуществление которых отвечает пируватдегидрогеназный комплекс.

В таком комплексе находятся многочисленные копии 3-х различных ферментов. Используют 5 коферментов:

• тиаминпирофосфат (ТПФ);
• липоевую кислоту;
• кофермент А (КоА-SH);
• ФАД;
• НАД+.

Каждый из этих коферментов осуществляет катализацию определенной стадии процесса. Связываются они друг с другом при помощи липоевой кислоты. Это своего рода «рука», возвращающаяся от одного фермента к другому.

Цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса — это вторая стадия аэробного дыхания. В ходе циклического процесса этой стадии происходит завершение полного расщепления ацетил-КоА до воды и углекислого газа как конечных продуктов.

Образование ацетил-КоА происходит в результате катаболизма жиров, углеводов и отдельных аминокислот. Цикл получил название по фамилии английского ученого Г. Кребса. Именно он в 1937 году предложил схему циклического преобразования органических кислот в процессе дыхания. Единство происхождения всего живого подтверждает тот факт, что реакции цикла протекают в матриксе митохондрий как растений, так и животных.

В общей системе обмена веществ цикл трикарбоновых кислот играет главную роль. Все потому, что реакции цикла и вещества, образующиеся в нем, крайне важны в биосинтезе многих соединений: органических кислот, аминокислот, жирных кислот, пуринов, пирамидинов и др.

Например, ацетил КоА — незаменимый компонент для осуществления синтеза жирных кислот, а также полиизопрена.

Образованные в ЦТК кетокислоты являются предшественниками аминокислот. Возьмем ɑ-кетоглутаровую кислоту: она может превращаться в глутаминовую кислоту в ходе восстановительного аминирования при участии фермента глутаматдегидрогеназы.

Глиоксилатный цикл

Глиоксилатный цикл представляет собой видоизмененный цикл трикарбоновых кислот, в процессе которого активная формула уксусной кислоты (ацетил-КоА) последовательно превращается через стадию образования глиоксилевой кислоты (глиоксилату).

Происходит этот цикл в специализированных микротельцах, которые называются глиоксисомами. В этом цикле есть два фермента, которых нет в цикле трикарбоновых кислот: изоцитратлиаза и малатсинтаза. Однако благодаря этим ферментам обеспечивается специфичность работы глиоксилатного цикла.

Также стоит отметить, что в этом цикле отсутствуют два этапа карбоксилирования, которые свойственны ЦТК. При этом, начальные стадии глиоксилатного цикла отличаются сходством.

Этапы глиоксилатного цикла:

1. Пусковая реакция цикла предполагает конденсацию ацетил КоА со щавелеуксусной кислотой, в ходе которой образуется лимонная кислота. После этого лимонная кислота превращается в цис-аконитовую, а далее — в изолимонную кислоту.
2. Далее происходит специфичная для глиоксилатного цикла реакция. В ходе нее фермент изоцитратлиаза расщепляет изолимонную кислоту в янтарную и глиоксилевую кислоты.
3. Далее происходит катализация реакции конденсации глиоксилевой кислоты со второй молекулой ацетил-Аа4 при помощи специфического для цикла фермента малатсинтазы. Происходит образование яблочной кислоты.
4. При помощи малатдигидрогеназы яблочная кислота окисляется. В этом случае есть необходимость в наличии НАД+. Результат этой реакции — регенерация щавелеуксусной кислоты и замыкание цикла. Происходит отделение пары атомов водорода от яблочной кислоты и возобновление ими НАД Н2. Дальше эта пара передается в ЭТЛ, что приводит к синтезированию трех молекул АТФ.

Каждый оборот цикла приводит к тому, что в него включаются две молекулы ацетил-КоА, которые поставляются запасными жирами. В каждом обороте цикла также образуются янтарная и яблочная кислоты. Они могут пополнять ЦТК или применяться в качестве строительных блоков в некоторых биосинтезах. К примеру, в ходе построения полисахаридов клеточной стенки и прочих углеводов, которые нужны для роста проростка.

Глиоксилатный цикл крайне важен для семян масличных растений. Прорастание этих семян происходит за счет жира, который поддерживает рост проростка до тех пор, пока он не сможет осуществлять фотосинтез. При помощи глиоксилатного цикла запасной жир превращается в углеводы.

Один оборот цикла — это восстановление одной молекулы НАД+, энергия которой может пойти на синтез АТФ или на другие процессы. В прорастающих семенах глиоксилатный цикл осуществляется в глиоксисомах. В них свободные жирные кислоты — продукты распада жиров — превращаются в ацетил-КоА и вступают в глиоксилатный цикл.

Глиоксисомы можно найти в богатом жиром алейроновом слое зерен отдельных злаков: ячменя, пшеницы.

В результате глиоксилатного цикла из двух молекул ацетил-КоА происходит образование молекулы янтарной кислоты (сукцината). Это дополнительное свободное С4-соединение, которая может быть использована, в том числе, вне цикла (при этом разрыв цикла не происходит).

Образованный сукцинат поступает в митохондрии из глиоксисом. Здесь он включается в аэробный дыхательный цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты) и образует яблочную кислоту.

Яблочная кислота может продолжить окисляться в дыхательном цикле и дальше или покинуть митохондрии и перейти в цитоплазму, поучаствовать в синтезе гексозофосфатов.

Процесс синтеза гексозофосфатов в цитоплазме соответствует обратному ходу процесса гликолиза — он получил название глюконеогенез.

Результатом глюконеогенеза является сахароза, транспортируемая в ткани проростка.

Источник

46. Глиоксилатный цикл и его роль. Локализация глиоксилатного цикла. Другие пути восполнения компонентов цикла ди- и трикарбоновых кислот

Глиоксилатный цикл, или глиоксилатный шунт — анаболический путь, имеющийся у растений, бактерий, протистов и грибов, представляет собой видоизменённый цикл трикарбоновых кислот. Глиоксилатный цикл служит для превращения ацетил-СоА в сукцинат, который далее используется для синтеза углеводов. У микроорганизмов он обеспечивает утилизацию простых углеродных соединений в качестве источника углерода, когда более сложные источники, например, глюкоза, недоступны, а также может считаться одной из анаплеротических реакцийцикла трикарбоновых кислот, восполняющей количества сукцината и малата. Считается, что у животных глиоксилатный цикл отсутствует (подтверждённое исключение составляют нематоды на ранних стадиях своего эмбриогенеза), однако в последние годы в некоторых тканях животных были обнаружены ключевые ферменты цикла — малатсинтаза[и изоцитратлиаза.

Ферменты и реакции глиоксилатного цикла были открыты Хансом Корнбергом[en] и Хансом Адольфом Кребсом.

У растений, некоторых беспозвоночных и некоторых микроорганизмов (в том числе бактерии Escherichia coli и дрожжей) ацетат может служить как источником энергии, так и предшественником фосфоенолпирувата, который далее используется для синтеза углеводов. У этих организмов ферменты глиоксилатного цикла катализируют превращение ацетата в сукцинат:

2 Ацетил-СоА + NAD+ + 2H2O → сукцинат + 2СоА + NADH + H+.

В ходе глиоксилатного цикла ацетил-СоА соединяется с оксалоацетатом с образованием цитрата, а цитрат превращается в изоцитрат, как и в цикле трикарбоновых кислот. Однако следующим шагом является не отщепление от изоцитрата водорода ферментом изоцитратдегидрогеназой, а расщепление изоцитрата на сукцинат и глиоксилат под дейстствием изоцитратлиазы.

Глиоксилат после этого конденсируется со второй молекулой ацетил-СоА, образуя малат под действием малатсинтазы, а сукцинат покидает цикл. Малат далее окисляется в оксалоацетат, который может соединиться с новой молекулой ацетил-СоА и начать новый оборот цикла. В ходе каждого оборота глиоксилатного цикла используются две молекулы ацетил-СоА и образуется одна молекула сукцината, который в дальнейшем может использоваться в биосинтетических процессах. Сукцинат может быть преобразован через фумарат и малат в оксалоацетат, который далее может превратиться в фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы, а фосфоенолпируват в ходе глюконеогенеза даёт глюкозу.

У животных глиоксилатный цикл не происходит, и в связи с этим они неспособны получать глюкозу из липидов (ацетил-СоА образуется при β-окислении жирных кислот). Он является модификацией цикла Кребса и локализован не в митохондриях, а в глиоксисомах. В этих органеллах образуется изолимонная кислота, как и в цикле Кребса. Затем она под действием изоцитратлиазы распадается на глиоксиловую и янтарную кислоты. Глиоксиловая кислота реагирует со второй молекулой ацетилкоэнзима А с образованием яблочной кислоты, которая затем окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Янтарная кислота выходит из глиоксисомы и превращается в щавелевоуксусную кислоту.

В ходе глиоксилатного цикла утилизируются две молекулы ацетилкоэнзима А, образовавшегося при распаде запасных жиров, и образуется одна молекула НАДН.

Апотомический путь катаболизма гексоз (пентозофосфатный путь окисления глюкозы, гексозомонофосфатный цикл, пентозный шунт) происходит в цитоплазме и при отсутствии света в хлоропластах. Глюкоза фосфорилируется при участии гексокиназы до глюкозо-6-фосфата. Он окисляется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. При этом образуются восстановленный НАДФН и лактон фосфоглюконовой кислоты. Лактон произвольно или при участии глюконолактозы гидролизуется до 6-фосфоглюконовой кислоты. Она под действием фосфоглюконатдегидрогеназы с коферментом НАДФ декарбоксилируется с образованием восстановленного НАДФН и пятиуглеродного сахара рибулозо-5-фосфата. Отсюда и название апотомический путь (апотомия – усекновение). Последующие реакции представляют цикл регенерации исходного субстрата – глюкозо-6-фосфата. Для прохождения полного цикла необходимы три молекулы глюкозо-6-фосфата. Из 6 молекул глюкозо-6-фосфата образуются 6 молекул СО2 и 6 молекул рибулозо-5-фосфата, из которых восстанавливается 5 молекул глюкозо-6-фосфата. При этом также образуется 12 молекул НАДФН, которые при окислении в дыхательной электронтранспортной цепи могут дать 36 молекул АТФ, что не уступает энергетическому выходу гликолитического пути. Продукты апотомического пути также участвуют в обмене веществ.

Источник