Бескислородное окисление глюкозы у бактерий егэ

в условии
в решении
в тексте к заданию
в атрибутах

Категория:

Атрибут:

Всего: 77    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–77

Добавить в вариант

Всего: 77    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–77

Поскольку
большинство микроорганизмов в качестве
источника энергии использует углеводы,
и в первую очередь глюкозу, рассмотрим
основные пути ее расщепления или
катаболизма.

У
бактерий возможны три пути катаболизма
глюкозы:

1)
гликолиз, или фруктозодифосфатный путь,
или путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса;

2)
окислительный пентозофосфатный путь,
или гексозомонофосфатный путь, или путь
Варбурга – Диккенса – Хореккера;

3)
2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатный путь
(КДФГ-путь), или путь Энтнера – Дудорова.

Следует
отметить, что все перечисленные пути
катаболизма глюкозы у микроорганизмов
могут протекать при разных типах
энергетического метаболизма (аэробное
дыхание, анаэробное дыхание, брожение).
Все пути катаболизма начинаются с того,
что глюкоза, поступившая в клетку,
сначала фосфорилируется при участии
фермента гексокиназы и АТФ как донора
фосфата. Образуется глюкозо-6-фосфат,
который представляет метаболически
активную форму глюкозы в клетке и служит
исходным соединением для любого из трех
путей катаболизма углеводов. Пути
расщепления глюкозы состоят из многих
биохимических реакций, каждая из которых
катализируется специфическим ферментом.

Наиболее
распространенным путем катаболизма
глюкозы у многих микроорганизмов
является гликолиз
(рис.1).
При этом глюкозо-6-фосфат изомеризуется
с помощью глюкозофосфатизомеразы и
фосфорилируется далее в фруктозо-1,6-дифосфат,
который затем расщепляется на
3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и
фосфодиоксиацетон. Последний под
действием фермента триозофосфатизомеразы
превращается в 3-ФГА. Таким образом, из
одной молекулы глюкозы образуются две
молекулы 3-ФГА. На эти реакции превращения
глюкозы в 3-ФГА затрачивается энергия
двух молекул АТФ. Далее происходит
окисление каждой молекулы 3-ФГА до
1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК).
1,3-ФГК – высокоэнергетическое соединение,
содержащее макроэргическую фосфатную
связь; оно реагирует с АДФ (фермент
фосфоглицераткиназа), отдавая
высокоэнергетическую фосфатную группу,
в результате чего синтезируется молекула
АТФ. Таким образом, энергия, освободившаяся
при окислении 3-ФГА, путем субстратного
фосфорилирования оказывается
аккумулированной в молекуле АТФ.
Образуется 3-фосфоглицериновая кислота
(3-ФГК):

Далее
3-ФГК под действием фермента
фосфоглицеромутазы превращается в
2-ФГК, из которой в результате отщепления
воды образуется фосфоенолпировиноградная
кислота (ФЕП). Это также высокоэнергетический
фосфат, с которого богатая энергией
фосфатная группа переносится пируваткиназой
на АДФ, образуется молекула АТФ и
пировиноградная кислота (ПВК). Это второе
фосфорилирование на уровне субстрата:

Таким
образом, при распаде одной молекулы
глюкозы образуется четыре молекулы
АТФ, в которых аккумулируется освободившаяся
энергия. Поскольку в начале процесса
на активирование глюкозы были затрачены
две молекулы АТФ, чистый выход АТФ на
одну молекулу глюкозы составляет две
молекулы. Суммарное уравнение гликолиза
можно записать следующим образом:

С₆Н₁₂О₆
+ 2АДФ + 2Ф_н
+ 2НАД →
2С₃Н₄О₃
+ 2АТФ + 2НАД ·
Н₂

Пентозофосфатный
путь расщепления
углеводов характерен для некоторых
представителей семейства Enterobacteriaceae,
а также для гетероферментативных
молочнокислых бактерий и некоторых
маслянокислых бактерий. В этом цикле
глюкозо-6-фосфат, образующийся путем
активирования глюкозы молекулой АТФ,
превращается через ряд промежуточных
реакций в 6-фосфоглюконовую кислоту,
которая подвергается окислению и
декарбоксилированию с образованием
рибулозо-5-фосфата, СО2
и
НАДФ · Н2
.
Рибулозо-5-фосфат включается в сложный
цикл, приводящий к образованию из трех
его молекул двух молекул глюкозо-6-фосфата
и одной молекулы 3-фосфоглицеринового
альдегида. Глюкозо-6-фосфат может снова
включаться в цикл, а 3-ФГА может быть
превращен в пировиноградную кислоту.

С
энергетической точки зрения этот путь
катаболизма углеводов в 2 раза менее
эффективен, чем гликолитический, так
как при окислении одной молекулы глюкозы
образуется только одна молекула АТФ.
Однако большое значение этого пути в
том, что он обеспечивает клетки бактерий
пентозами (рибулозо-5-фосфатом), которые
являются предшественниками нуклеотидов
и нуклеиновых кислот. Кроме того, в этом
цикле образуются две молекулы НАДФ ·
Н2,
которые необходимы клетке для
восстановительных реакций биосинтеза.

Путь
Энтнера – Дудорова встречается
у прокариот реже других. Он характерен
в основном для псевдомонад и уксуснокислых
бактерий. От пентозофосфатного пути он
отличается тем, что 6-фосфоглюконовая
кислота превращается в пировиноградную
кислоту и 3-ФГА. Последний может
превращаться в пировиноградную кислоту.
Из одной молекулы глюкозы при
функционировании этого пути синтезируется
одна молекула АТФ, по одной молекуле
НАДФ · Н2
и
НАД · Н2.
Следует подчеркнуть, что путь Энтнера
– Дудорова является самым кратчайшим
механизмом расщепления углеводов до
пировиноградной кислоты.

Сравнительная
характеристика различных путей
катаболизма глюкозы представлена на
рис. 1. Рассмотрев пути катаболизма
глюкозы, мы можем заключить, что важнейшим
продуктом, образующимся в них, является
пировиноградная кислота, которая
подвергается дальнейшим превращениям.
Пируват занимает центральное положение
в метаболизме клеток и может служить
предшественником многих продуктов.

Рис. 1. Схема
путей катаболизма глюкозы в клетках
прокариот: А – гликолиз; Б – путь
Энтнера-Дудорова; В – пентозофосфатный
путь

Соседние файлы в папке CУРС

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты (лактата), поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением. Лактат далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это окислить его обратно в пируват.

Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы способны выполнять мощную, быструю, интенсивную работу, как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Вне физических нагрузок бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях, при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.

Гликолиз

Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из 11 ферментативных реакций.

Первый этап гликолиза

Первый этап гликолиза – подготовительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.

Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционно-способное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.

Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент глюкозофосфат-изомераза). В результате образуется фруктозо-6-фосфат.

Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата. Эта реакция является главной в регуляции скорости гликолиза.

В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазой с образованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и кетозы диоксиацетона (ДАФ).

Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдвинуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:

• при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза,
• при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в диоксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез глицеррол-3-фосфата для образования фосфатидной кислоты и далее тривцилглицеролов.

 Второй этап гликолиза

Второй этап гликолиза – это освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.

Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) – окисление глицеральдегидфосфата до кислоты и присоединение к ней фосфорной кислоты приводит к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.

В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, заключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила дополнительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (от субстрата реакции) в отличие от окислительного фосфорилирования (использование энергии электрохимического градиента ионов водорода на мембране митохондрий).

Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под влиянием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.

Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфоглицериновой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фосфоенолпирувата.

Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования – заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ с образованием пировиноградной кислоты и АТФ.

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы. Важно то, что эта реакция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях.