Взаимосвязь дыхания и брожения.

В процессе изучения дыхания, многие исследователи замечали, что в отсутствие кислорода, растения продолжают выделять углекислый газ. Пастер обнаружил, что в бескислородной среде растения выделяют углекислый газ, а в их клетках накапливается спирт. Он сделал вывод, что в растительных тканях, как и у бактерий возможно спиртовое брожение.

В 1875 году Пфлюгер и Пфеффер предположили, что дыхание происходит с образованием спирта как промежуточного соединения по следующей схеме:

(1) С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

(2) 2С₂Н₅ОН + 6О₂ → 4СО₂ + 6Н₂О

_____________________________

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О

Т.е. на первом этапе происходит спиртовое брожение, а далее спирт доокисляется в присутствии кислорода воздуха.

В 1910 году Костычев доказал, что теория Пфеффера и Пфлюгера не соответствует действительности, так как спирт не может быть промежуточным продуктом дыхания в силу своей ядовитости для клетки. Кроме того этанол окисляется клеткой значительно хуже глюкозы.

Костычев предложил свою формулу связи аэробной и анаэробной части дыхания и различных видов брожения.

Опытами Костычева с 1912 по 1925 год было доказано, что если держать растительные ткани в бескислородной среде, а потом дать кислород – то интенсивность дыхания резко возрастает, т.е. в анаэробной фазе накапливаются промежуточные продукты которые быстро используются.

В дальнейшем благодаря работам Костычева и Нейберга было выяснено, что дыхание и все виды брожения связаны между собой через пировиноградную кислоту.

Таким образом теория Костычева о генетической связи дыхания и брожения была подтверждена.

Гликолиз

Гликолиз (от греч. glykos-сладкий и lysis - разложение, растворение, распад), анаэробное (без участия О₂) негидролитическое расщепление углеводов (гл. обр. глюкозы) в цитоплазме под действием ферментов, сопровождающееся синтезом АТФ и заканчивающееся образованием пировиноградной кислоты.

В общем виде уравнение гликолиза выглядит так:

C₆H₁₂O₆ + 2H₃PO₄ + 2АДФ → 2CH₃CH(OH)COOH + 2АТФ

Субстратами гликолиза кроме глюкозы м.б. другие моносахариды, а также полисахариды, например крахмал. Первые этапы гликолиза, спиртового и некоторых др. видов брожения сходны.

Стадии, в которых осуществляются необратимые реакции (II-IV), играют существенную роль в регуляции скорости гликолиза. Наиболее важный регуляторный фермент – фосфофруктокиназа, катализирующая реакцию III; ее активность ингибируется АТФ, НАДН, лимонной и жирными кислотами, стимулируется АДФ и АМФ. Реакции II и IV катализируются соответственно гексокиназой и пируваткиназой, активность которых регулируется адениловыми нуклеотидами, промежуточными продуктами гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Схема гликолиза

Сахара подвергаются метаболическим превращениям преимущественно в виде сложных эфиров фосфорной кислоты.В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой [1] глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат [2] последний вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа [3], катализирующая эту стадию, является важным ключевым ферментом гликолиза. До этого момента на одну молекулу глюкозы расходуются две молекулы АТФ. фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется далее альдолазой [4] на два фосфорилированных С₃-фрагмента. Эти фрагменты — глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат — превращаются один в другой триозофосфатизомеразой [5]. Глицеральдегид-3-фосфат затем окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой [6] с образованием НАДН + Н⁺. В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат («субстратное фосфорилирование») с образованием 1,3-дифосфоглицерата. На следующей стадии (катализируемой фосфоглицераткиназой [7]) 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 [7], в 2-фосфоглицерат (фермент: фосфоглицератмутаза [8]) и последующего отщепления воды (фермент: енолаза [9]). Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы пирувата и потому называется фосфоенолпируватом (ФЕП). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой [10], образуются пируват и АТФ.

При гликолизе на активацию одной молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом превращении каждого С₃- фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.