Запасание клеточной энергии в процессе дыхания прокариот
Вся система переноса электронов от субстрата на О2 через длинную цепь переносчиков представлялась бы нерационально громоздкой, если бы единственной целью процесса было соединение электронов с молекулярным кислородом. Другое назначение этого механизма состоит в запасании освобождающейся в процессе электронного переноса энергии путем трансформирования ее в химическую энергию фосфатных связей.
Имеющиеся экспериментальные данные подтверждают выдвинутый в начале 60-х гг. XX в. английским биохимиком П.Митчеллом хемиосмотический механизм энергетического сопряжения электронного транспорта с фосфорилированием. П.Митчелл обратил внимание на судьбу протонов при электронном транспорте, которые переносятся в этом процессе через мембрану в одном направлении, создавая градиент концентрации Н+ по обе стороны мембраны ( рис. 25 ). Перенос электронов и протонов обеспечивается определенным сорасположением мембранных переносчиков, а также свойствами самой мембраны, в первую очередь ее непроницаемостью для протонов.
В митохондриях на 3 участках окислительной цепи происходит выделение протонов во внешнюю среду. Соответственно 3 реакции ведут к образованию дельта мю Н+ ( рис. 96 ). Первая локализована в начале дыхательной цепи и связана с функционированием НАД(Ф)*Н2 -дегидрогеназы. Второй генератор дельта мю Н+ определяется способностью убихинона переносить водород. Последний локализован в конце дыхательной цепи и связан с активностью цитохромоксидазы.
Поскольку синтез молекулы АТФ связан, как минимум, с переносом 2 протонов через АТФ-синтазу, а при окислении НАД(Ф)*Н2 молекулярным кислородом, т.е. поступлении 2 электронов на половину О2 выделяются 6Н+, максимальный выход АТФ в этом процессе составляет 3 молекулы. Для количественной оценки эффективности фосфорилирования при переносе электронов используют отношение Р/О , означающее количество потребленных молекул неорганического фосфата, приходящихся на 1 поглощенный атом кислорода. На препаратах изолированных митохондрий показано, что при переносе водорода от изолимонной или яблочной кислот на НАД+ , а затем на молекулярный кислород отношение Р/О равно 3. При окислении янтарной кислоты, водород которой переносится на сукцинатдегидрогеназу и далее на убихинон, возможны только 2 фосфорилирования, так как при этом выпадает участок дыхательной цепи, где локализован первый генератор дельта мю Н+ . Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число функционирующих протонных помп в дыхательной цепи.
Теперь можно подвести итог тому, каков энергетический выход при окислении молекулы глюкозы , осуществляемом в максимально отлаженной энергетической системе, функционирующей в эукариотных клетках:
гликолиз в ЦТК в дыхательную цепь митохондрий.
На первом этапе в процессе гликолитического разложения молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы пирувата , АТФ и НАД*Н2 . Конечными продуктами реакции окислительного декарбоксилирования 2 молекул пирувата, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, являются 2 молекулы ацетил-КоA и НАД*Н2 . Окисление 2 молекул ацетил-КоA в ЦТК приводит к образованию 6 молекул НАД*Н2 и по 2 молекулы ФАД*Н2 и АТФ . Перенос каждой пары электронов с НАД*Н2, если принять Р/О равным 3, приводит к синтезу 30 молекул АТФ (2 молекулы НАД*Н2 дает процесс гликолиза , 2 молекулы НАД*Н2 - окислительное декарбоксилирование пирувата , 6 молекул НАД*Н2 - ЦТК ). Перенос каждой пары электронов с ФАД*Н2 приводит к синтезу 2 молекул АТФ, т.е. при двух оборотах цикла это дает 4 молекулы АТФ. К этому следует прибавить 2 молекулы АТФ, образуемые в процессе гликолиза, и 2 молекулы АТФ, синтезируемые в ЦТК на этапе превращения сукцинил-КоA в янтарную кислоту . Итак, полное окисление - 1 молекулы глюкозы в максимальном варианте приводит к образованию 38 молекул АТФ.
Для аэробных эубактерий характерна меньшая степень сопряжения электронного транспорта в дыхательной цепи с фосфорилированием, проявляющаяся в низком значении коэффициента Р/О . В опытах, проводившихся с использованием препаратов бактериальных мембран, это отношение в большинстве случаев не превышало 1. Невысокое значение Р/О связано с тем, что в бактериальных дыхательных цепях локализовано меньше генераторов дельта мю Н+ , чем в митохондриальной дыхательной цепи. Нельзя также исключать и то обстоятельство, что в процессе получения препаратов бактериальных мембран нарушается их структурная целостность, а это приводит к резкому падению функциональной активности выделенных мембран. У Е. coli и Azotobacter vinelandii отношение Р/О равно 2, у Corynebacterium diphteriae - 1, а у Mycobacterium phlei - 3. Это позволяет сделать вывод о том, что дыхательные цепи бактерий весьма существенно отличаются от аналогичной системы, функционирующей в эукариотных клетках. Они менее стабильны по составу и значительно менее энергетически эффективны.
Все эубактерий, имеющие развитую систему электронного транспорта, сопряженного с генерированием энергии, можно разделить на две большие группы в зависимости от источника энергии, т.е. природы донора электронов. К первой группе относятся организмы, использующие в качестве источника энергии процессы окисления неорганических соединений. Вторую группу составляют организмы, у которых донорами электронов служат различные органические соединения.
Вместо О2 некоторые эубактерий могут в качестве конечного акцептора электронов использовать ряд окисленных органических или неорганических соединений ( табл. 29 ). Этот процесс получил название анаэробного дыхания . Освобождаемая энергия и состав переносчиков определяются окислительно-восстановительными потенциалами акцепторов электронов. Анаэробные дыхательные цепи содержат те же типы переносчиков, что и аэробные, но цитохромоксидазы заменены соответствующими редуктазами. Иные, нежели О2, акцепторы электронов могут использоваться в этом качестве только в отсутствие молекулярного кислорода в среде или же последний вообще не может служить акцептором электронов. В зависимости от этого эубактерий, осуществляющие анаэробное дыхание, относятся к факультативным или облигатным анаэробам. Донорами электронов у них могут служить органические или неорганические соединения.
