Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Протекание реакции вне какой-либо связи с определенными клеточными структурами говорит о ее примитивности, поскольку эволюция шла по пути от бесструктурных систем к зависимости от структур. Таким образом, место субстратного фосфорилирования — в самом начале формирования клеткой механизмов запасания энергии в форме макроэргических фосфатных связей АТФ. Первое субстратное фосфо-рилировапие носит еще название фосфорилирования на уровне 3-ФГА.
После образования 3-ФГК фосфатная группа из третьего положения переносится во второе. Реакция сопровождается очень незначительным изменением свободной стандартной энергии, поэтому она легко обратима. Далее происходит отщепление молекулы воды от второго и третьего атомов углерода 2-ФГК, катализируемое ферментом енолазой, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. В результате происшедшей дегидратации молекулы 2-ФГК степень окисления ее второго углеродного атома увеличивается, а третьего — уменьшается. Таким образом, данная реакция по существу представляет собой внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс. Дегидратация молекулы 2-ФГК, приводящая к образованию ФЕП, сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, в результате чего фосфатная связь у второго углеродного атома из низкоэнергетической в молекуле 2-ФГК превращается в высокоэнергетическую в молекуле ФЕП. v
Молекула ФЕП становится донором богатой энергией фосфатной группы, которая переносится на АДФ с помощью фермента пируват
184
киназы. Реакция сопровождается значительным уменьшением стандартной свободной энергии и практически необратима. Таким образом, в процессе превращения 2-ФГК в пировиноградную кислоту имеет место высвобождение энергии и запасание ее в молекуле АТФ. Это второе субстратное фосфорилирование. По ряду черт оно отличается от первого субстратного фосфорилирования: 1) если в первом случае образование макроэргической фосфатной связи протекало одновременно с присоединением к субстрату фосфатной группы, то во втором — фосфатная группа была присоединена к молекуле субстрата задолго до этого события;' 2) первое субстратное фосфорилирование связано с реакцией окисления, приводящей к тому, что от молекулы 3-ФГА отрываются два электрона и переходят на НАД+, т. е. молекула 3-ФГА служит донором электронов, но вопрос о конечном акцепторе их на этом этапе не решен. Напротив, при втором субстратном •фосфорилировании, связанном с реакцией дегидратации молекулы 2-ФГК, решается проблема и донора и акцептора. Здесь в результате 'внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса одна молекула и донирует и акцептирует электроны.
В процессе второго субстратного фосфорилирования образуется еще молекула АТФ; в итоге общий энергетический выигрыш процесса составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Такова энергетическая сторона процесса гомоферментативного молочнокислого брожения.
Однако осталась еще проблема восстановленного переносчика — НАД•H2, образованного в реакции окисления 3-ФГА. Чтобы процесс продолжался, в метаболический поток необходимо вернуть этот метаболит в окисленном виде (НАД+), т. е. решить проблему конечного акцептора. Как же она решается в данном случае? Результатом рассмотренного выше процесса, помимо его энергетического итога, является образование 2 молекул пировиноградной кислоты и 2 молекул НАД - H2 на 1 молекулу сброженной гексозы. Молекула пировиноградной кислоты по своему химическому строению — достаточно окисленное соединение и может служить акцептором электронов. На первом этапе эволюции донор-акцепторная проблема была решена самым простым способом: 2 электрона переносились с НАД•H2 на молекулу пировиноградной кислоты, что приводило к образованию молочной кислоты. Суммарно процесс можно выразить в виде следующего уравнения:
глюкоза + 2Фн + 2АДФ-»-2 молочная кислота + 2ATФ + 2H2O.
Гомоферментативное молочнокислое брожение представляет собой энергетическую сторону образа жизни определенной группы прокариот — гомоферментативных молочнокислых бактерий. Черты эволюционной древности этой группы видны не только в процессе добывания ее представителями энергии, но и в других сторонах их метаболизма, о чем будет сказано в разделе, посвященном краткой характеристике этих бактерий. Сейчас же остается подвести некоторые итоги рассмотренного процесса и оценить его «эволюционную судьбу». В процессе, .гомоферментативного молочнокислого брожения имеют место 3 типа химических превращений:
— перестройка углеродного скелета исходного субстрата;
— окислительно-восстановительные превращения;
— образование АТФ.
Термодинамический анализ реакций, составляющих процесс гомоферментативного молочнокислого брожения, показывает, что все они,
185
за исключением трех (фосфорилирование глюкозы, фосфорилирование фруктозо-6-фосфата и превращение ФЕП в пировиноградную кислоту), легко обратимы. Энергетический выход процесса таков: образование 2 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы3. Энергетическая эффективность процесса, т. е. эффективность запасания выделяемой свободной энергии в молекулах АТФ, составляет примерно 40%. Энергия запасается только в реакциях субстратного фосфорилирования. Как можно видеть из суммирования энергетических характеристик процесса, низкий энергетический выход сочетается в нем с высокой энергетической эффективностью, а в основе всего лежат простые механизмы получения энергии. Окислительно-восстановительные превращения имеют место на двух этапах процесса, именно они приводят к получению клеткой энергии. Если оценить общий окислительно-восстановительный баланс процесса (C6Hi2O6-^C3H6O3), то можно видеть, что суммарного изменения степени окисленности при этом не происходит (если сравнить степень окисленности отдельных углеродных атомов глюкозы и молочной кислоты, получается другая картина). Это результат того, что процесс «замкнут на себя», т. е. субстрат является и источником веществ — доноров электронов и источником веществ — их акцепторов. «Замкнутость» процесса приводит к ограничению его окислительных и, следовательно, энергетических возможностей (но в данном конкретном случае еще не исчерпывает их). Все это, вместе взятое, определило «эволюционную судьбу» гомоферментативного молочнокислого брожения.
