Какие продукты реакции образуются при аэробном дыхании
Преимущества аэробного метаболизма перед анаэробным
Все организмы можно разделить на аэробные (способные жить при высоких концентрациях кислорода) и анаэробные (живут в бескислородных условиях, для них кислород является ядом). Для облигатных анаэробов кислород смертелен даже в очень низких концентрациях, а факультативные анаэробы способны жить как в присутствии, так и в отсутствие кислорода, переключаясь между двумя разными типами метаболизма.
Молекулярный кислород — очень активный окислитель, способный повреждать практически все биомолекулы — ДНК, РНК, белки, липиды мембран и т.д. Поэтому клетки аэробов и факультативных анаэробов имеют специальные системы защиты от токсического действия кислорода (особые ферменты, а также вещества-антиоксиданты, «принимающие на себя удар» кислородного окисления). Клетки облигатных анаэробов таких систем лишены.
Почему же, несмотря на токсическое действие кислорода, аэробный метаболизм выгоден и дает эволюционные преимущества?
В процессах анаэробного метаболизма полное окисление органики до СО2 и Н2О невозможно, так как для этого нет достаточно хорошего окислителя. Поэтому в результате анаэробных процессов катаболизма — брожений — всегда получаются какие-то недоокисленные органические продукты (молочная кислота, масляная кислота, этиловый спирт и т.д.). Наличие же в окружающей среде кислорода позволяет разорвать все С-С-связи в органическом субстрате, окислить его до СО2 и Н2О и получить максимальное количество энергии.
В присутствии кислорода НАД∙Н не отдаёт атомы водорода на продукты гликолиза, как это происходит при брожении. Вместо этого имеет место дальнейшее окисление пировиноградной кислоты до СО2 и Н2О (полное окисление органики). При этом выделяется гораздо больше энергии, чем в процессе анаэробного (бескислородного) окисления. Так происходит потому, что молекулярный кислород является хорошим окислителем, поэтому в реакциях кислородного окисления выделяется много энергии. Это известно вам из бытового опыта — реакцией кислородного окисления органики является и реакция горения. При этом выделяется энергия в виде тепла и света.
Суммарная реакция кислородного дыхания и горения одинакова.
Пример реакции окисления глюкозы при горении и дыхании:
$C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} Rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + Q$
Разница между дыханием и горением в том, что окисление органики в клетках осуществляется постадийно и выделение энергии происходит порциями, для того чтобы можно было запасти существенную часть ее в виде АТФ. Тепло также выделяется, но живые организмы не могут использовать тепло для совершения полезной работы и процессов анаболизма (синтеза), поэтому тепло рассеивается, а основной полезной формой запасания выделившейся энергии является АТФ.
В эукариотических клетках процесс аэробного (кислородного) окисления происходит в митохондриях. У аэробных прокариот это происходит на мембране клетки.
1. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА
На первом этапе в матриксе митохондрий от пировиноградной кислоты (С3) отщепляется молекула $CO_2$, при этом образуется остаток уксусной кислоты (ацетил), который присоединяется к специальной молекуле-переносчику — коферменту А (КоА). Образуется ацетил-КоА. Он несет два атома С в виде ацетильного остатка, так как один из атомов С3-соединения — пирувата — уже ушёл в виде $CO_2$. В ацетил-КоА превращаются при окислении в митохондриях и жирные кислоты, и ряд аминокислот. Это окислительный процесс, при этом образуется 1 молекула восстановленного НАДН.
$С_{3}Н_{4}О_{3} + КоА + НАД^{+} Rightarrow СО_{2} + Ацетил-КоА + НАД*Н + Н^{+}$
2. ЦИКЛ КРЕБСА
Дальнейший путь окисления является общим практически для всех энергетических субстратов, а не только для углеводов. Он носит название цикл ди- и трикарбоновых кислот или, по имени его открывателя, цикл Кребса.
Первоначально двухуглеродный (С2) ацетильный остаток из ацетил-КоА переносится на щавелевоуксусную кислоту (С4) с образованием 6-углеродной (С6) лимонной кислоты. Она окисляется в ряде последовательных реакций путём переноса её водородов на молекулы $НАД^+$ или других переносчиков и отщепления окисленных атомов углерода в виде 2 молекул СО2. В ходе этого процесса синтезируется ещё 1 молекула АТФ или ГТФ. В конце этого процесса образуется молекула щавелевоуксусной кислоты, которая снова вступает в цикл.
Таким образом, продуктами цикла Кребса являются:
2 молекулы углекислого газа,
3 молекулы НАД∙Н и
1 молекула восстановленного переносчика, называемого ФАД∙Н2.
Кроме того, по одной молекуле НАД∙Н образовалось при окислении в гликолизе и при окислении пировиноградной кислоты в ацетил-КоА. Так как при окислении 1 молекулы глюкозы образовалось две молекулы пирувата, это количество надо умножить на два.
Таким образом, полное аэробное окисление 1 молекулы глюкозы приводит к образованию:10 молекул НАД∙Н,
2 молекул ФАД∙Н2 и
4 молекул АТФ.
Результатом цикла Кребса является полное окисление углеродного скелета пищевого субстрата до $CO_2$ и $H_{2}O$. Катаболизм органических соединений на этом завершён. Однако остается задача окисления переносчиков водорода (НАДН), накопивших водород, и получения энергии в виде АТФ.
ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ И СИНТЕЗ АТФ
1. ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНАЯ (ДЫХАТЕЛЬНАЯ) ЦЕПЬ
На внутренней мембране митохондрии атомы водорода, накопившиеся в процессе биологического окисления на молекулах переносчиков, отдают свои электроны, превращаясь в протоны. Электроны через цепь специальных белков переносятся на молекулярный кислород, в результате чего образуется вода.
Система белков-переносчиков электронов называется электронтранспортной цепью, а сами такие белки — цитохромами. Присоединяя электроны из электронтранспортной цепи и ионы водорода из среды, молекулярный кислород превращается в воду.
Перенос электронов по электронтранспортной цепи сопровождается переносом ионов водорода через внутреннюю мембрану митохондрии из матрикса в межмембранное пространство. Окисление одной молекулы НАД∙Н приводит к переносу 10 ионов водорода.
В результате на внутренней мембране митохондрий формируется разность потенциалов (протоны скопились в межмембранном пространстве). Таким образом энергия восстановленных переносчиков превращается в электрическую энергию — энергию мембранного потенциала. Это важнейшая форма существования энергии в клетке, наряду с энергией химических связей и тепловой энергией.
2. СИНТЕЗ АТФ
Превращение энергии мембранного потенциала в энергию АТФ осуществляет сложный белковый комплекс, называемый АТФ-синтазой. На электронных микрофотографиях высокого разрешения АТФ-синтаза видна на кристах митохондрий в виде грибовидных тел. 
В этом комплексе есть канал, по которому ионы водорода по электрическому потенциалу проходят внутрь (в матрикс) митохондрии из межмембранного пространства, а энергия их потока используется для обеспечения реакции присоединения фосфата к АДФ с образованием АТФ (фосфорилирование АТФ). Это происходит подобно тому, как на гидроэлектростанциях энергия пассивно падающей с высоты плотины воды, которая движет лопасти турбин, превращается в электрическую энергию.
Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо перенести три протона, поэтому окисление 1 молекулы НАД∙Н даёт три молекулы АТФ, одной молекулы ФАД∙Н2 – 2 молекулы АТФ. Суммарно окисление одной молекулы глюкозы может дать 38 молекул АТФ. Часть высвобожденной энергии выделяется в виде тепла.
Анаэробное дыхание — биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Осуществляется прокариотами (в редких случаях — и эукариотами) в анаэробных условиях. При этом факультативные анаэробы используют акцепторы электронов с высоким окислительно-восстановительным потенциалом (NO3−, NO2−, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид и т. д.), у них это дыхание конкурирует с энергетически более выгодным аэробным и подавляется кислородом. Акцепторы с низким окислительно-восстановительным потенциалом (сера, SO42−, CO2) применяются только строгими анаэробами, гибнущими при появлении в среде кислорода.
В корневых системах многих растений при гипоксии и аноксии, вызванных затоплением посевов в результате длительных дождей или весенних паводков, развивается анаэробное дыхание с использованием в качестве акцепторов электронов альтернативных кислороду соединений, например нитратов. Установлено, что растения, произрастающие на полях, удобренных нитратными соединениями, переносят переувлажнение почвы и сопутствующую ему гипоксию лучше, нежели такие же растения без нитратной подкормки.
Механизмы окисления органических субстратов при анаэробном дыхании, как правило, аналогичны механизмам окисления при аэробном дыхании. Исключением является использование в качестве исходного субстрата ароматических соединений. Обычные пути их катаболизма требуют молекулярного кислорода уже на первых стадиях, в анаэробных условиях осуществляются иные процессы, например, восстановительная деароматизация бензоил-КоА у Thauera aromatica с затратой энергии АТФ. Некоторые субстраты (например, лигнин) при анаэробном дыхании не могут использоваться.
Нитратное и нитритное дыхание[править | править код]
Прокариоты обладают возможностью использовать в качестве акцептора электрона в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) вместо кислорода различные окисленные соединения азота. Ферментом, катализирующим финальную стадию транспорта электрона — его перенос на нитрат-анион — является нитратредуктаза. При использовании нитритов ферментов и путей его восстановления два:
- NO-образующая нитритредуктаза восстанавливает нитрит до оксида азота (II). Это одна из стадий денитрификации.
- NH3-образующая нитритредуктаза восстанавливает нитрит до иона аммония, что является заключительной стадией диссимиляционного восстановления нитратов в аммоний или, как его называют в иностранной литературе, диссимиляционной или дыхательной аммонификации (в отечественной литературой аммонификацией называется процесс высвобождения аммиака из состава органических соединений, например, белков). Надо отметить, что ассимиляционное восстановление нитратов в аммоний (ассимиляционная нитратредукция или просто ассимиляция) — процесс включения нитратов после восстановления до аммония в состав органических веществ, широко распространённый у прокариот и некоторых групп эукариот (грибы, растения) — не сопряжён с получением энергии.
НАД·H, образовавшийся при гликолизе, в ЦТК или по иным механизмам и поступающий в дыхательную ЭТЦ, окисляется обычно НАД·H:убихинон-оксидоредуктазой, являющейся протонной помпой. Терминальные оксидоредуктазы, переносящие электрон на конечный акцептор, в отличие от цитохромоксидазы аэробной ЭТЦ, обычно не являются протонной помпой. Однако при переносе нитратредуктазой электрона с убихинона (или у ряда видов менахинона) на нитрат-анион происходит выделение двух протонов в периплазму (с убихинона) и связываение двух протонов в воду в цитоплазме. Таким образом создаётся дополнительный протонный градиент.
Аналогичным образом, связывая протоны в цитоплазме, создаёт градиент электрохимического потенциала нитритредуктаза. В то же время NO-редуктаза связывает протоны из периплазмы и её работа не сопряжена с образованием градиента потенциала[1].
Больше путей переноса протонов через мембрану анаэробная ЭТЦ не содержит (в аэробной же их 3), в связи с чем нитратное дыхание по эффективности в расчёте на 1 моль глюкозы составляет лишь 70 % от аэробного. При поступлении в среду молекулярного кислорода бактерии переключаются на обычное дыхание.
Нитратное дыхание встречается, хотя и редко, и среди эукариот. Так, нитратное дыхание, сопровождающееся денитрификацией и выделением молекулярного азота, недавно открыто у фораминифер[2]. До этого нитратное дыхание с образованием N2O было описано у грибов Fusarium и Cylindrocarpon (см.[3]).
Сульфатное дыхание[править | править код]
В настоящее время известен ряд бактерий, способных окислять органические соединения или молекулярный водород в анаэробных условиях, используя в качестве акцепторов электронов в дыхательной цепи сульфаты, неорганические тиосульфаты, сульфиты, молекулярную серу. Этот процесс получил название диссимиляционной сульфатредукции, а бактерии, осуществляющие этот процесс — сульфатвосстанавливающих или сульфатредуцирующих.
Все сульфатвосстанавливающие бактерии — облигатные анаэробы.
Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию в процессе сульфатного дыхания при переносе электронов в электронтранспортной цепи. Перенос электронов от окисляемого субстрата по электронтранспортной цепи сопровождается возникновением электрохимического градиента ионов водорода с последующим синтезом АТФ.
Подавляющее большинство бактерий этой группы хемоорганогетеротрофы. Источником углерода и донором электронов для них являются простые органические вещества — пируват, лактат, сукцинат, малат, а также некоторые спирты. У некоторых сульфатвосстанавливающих бактерий обнаружена способность к хемолитоавтотрофии, когда окисляемым субстратом является молекулярный водород.
Сульфатвосстанавливающие эубактерии широко распространены в анаэробных зонах водоёмов разного типа, в иле, в почвах, в пищеварительном тракте животных. Наиболее интенсивно восстановление сульфатов происходит в солёных озерах и морских лиманах, где почти нет циркуляции воды, и содержится много сульфатов. Сульфатвосстанавливающим эубактериям принадлежит ведущая роль в образовании сероводорода в природе и в отложении сульфидных минералов. Накопление в среде H2S часто приводит к отрицательным последствиям — в водоёмах к гибели рыбы, в почвах к угнетению растений. С активностью сульфатвосстанавливающих эубактерий связана также коррозия в анаэробных условиях различного металлического оборудования, например, металлических труб.
Фумаратное дыхание[править | править код]
В качестве акцептора электронов может использоваться фумарат. Фумаратредуктаза сходна с нитритредуктазой: лишь вместо молибдоптерин содержащей субъединицы в её состав входит ФАД и гистидин содержащая субъединица. Трансмембранный протонный потенциал образуется аналогичным образом: перенос протонов не происходит, однако фумаратредуктаза связывает протоны в цитоплазме, а дегидрогеназы в начале ЭТЦ выделяют протоны в периплазму. Перенос электронов с дегидрогеназ на фумаратредуктазу происходит обычно через мембранный пул менохинонов.
Фумарат, как правило, отсутствует в природных местообитаниях и образуется самими микроорганизмами из аспартата, аспарагина, сахаров, малата и цитрата. В виду этого большинство бактерий, способных к фумаратному дыханию, содержат фумаразу, аспартат: аммиак-лиазу и аспарагиназу, синтез которого контролирует чувствительный к молекулярному кислороду белок Fnr.
Фумаратное дыхание достаточно широко распространено среди эукариот, в частности у животных (среди животных, у которых оно описано — пескожил, мидии, аскарида, печёночная двуустка и др[3].)
Железистое дыхание[править | править код]
Ион железа (Fe3+) широко распространённый конечный акцептор электронов при анаэробном дыхании, используемый и автотрофными и гетеротрофными организмами. Поток электронов в таких организмах похож на транспорт электронов в дыхательной цепи с использованием кислорода или нитрата, за исключением того, что конечным ферментом является железо редуктаза. Модельными организмами служат Shewanella putrefaciens и Geobacter metallireducens. Поскольку некоторые железо-восстанавливающие бактерии (например, G. metallireducens) могут использовать токсичные углеводороды, такие как толуол, в качестве источника углерода, то они представляют значительный интерес для их использования для биоремедиации загрязнённых водных систем с высоким содержанием ионов железа.
Дыхание ацетогенных бактерий[править | править код]
Строго анаэробные ацетогенные бактерии родов Acetobacterium, Clostridium, Peptostreptococcus и др. способны получать энергию, окисляя водород углекислым газом в процессе ацетогенеза. При этом две молекулы CO2 образуют ацетат. Энергия при этом запасается в виде трансмембранного градиента протонов (Clostridium sp.) или ионов натрия (Acetobacterium woodi). Для перевода его в энергию связей АТФ используется обычная H-транспортирующая АТФ-синтаза или Na-зависимая АТФ-синтаза соответственно.
Анаэробное дыхание у растений[править | править код]
Анаэробное дыхание, в частности нитратное, активируется в корневых системах некоторых растений в условиях аноксии и гипоксии. Однако если у многих бактерий и некоторых протистов и животных оно может быть основным и достаточным для получения энергии процессом (часто наряду с гликолизом), то у растений функционирует почти исключительно в стрессовых условиях. Так или иначе, но на полях, где в качестве удобрений были внесены нитраты, растения лучше переносят гипоксию, вызванную переувлажнением почвы из-за продолжительных дождей[4][5]. Б. Б. Вартапетян показал, что митохондрии растений в гипоксических условиях сохраняют ультраструктуру в присутствии нитрата[6]. Впоследствии было установлено, что нитрат прямо не используется растительными митохондриями в качестве терминального акцептора электронов, но нитрит, образующийся из нитрата под действием нитратредуктазы, может анаэробно восстанавливаться митохондриями до оксида азота (NO), который далее превращается в цитоплазме в нитрат в реакции с участием фитоглобина[7]. Данный процесс, названный циклом фитоглобина и оксида азота[8], вносит вклад в биоэнергетику растительной клетки при недостатке кислорода.
Анаэробное дыхание у грибов, протистов и животных[править | править код]
Среди животных анаэробное фумаратное дыхание встречается у некоторых паразитических и свободноживущих червей, ракообразных, моллюсков; нитратное дыхание известно среди грибов (например, у Fusarium) [1][9] и свободноживущих протистов — например, фораминифер [2][10]. Способность к анаэробному дыханию присутствует и у черепах, однако непродолжительное время.
См. также[править | править код]
- Брожение
- Гликолиз
- Анаэробные организмы
Примечания[править | править код]
- ↑ U. Flock, J. Reimann and P.Adelroth Proton transfer in bacterial nitric oxide reductase // Biochemical Society Transactions (2006) Volume 34, part 1
- ↑ Элементы — новости науки: Если нет кислорода, можно дышать нитратами
- ↑ 1 2 Mitochondria as we don’t know them. [Trends Biochem Sci. 2002] — PubMed result
- ↑ Семихатова О. А., Т. В. Чиркова «Физиология дыхания растений», изд-во С.ПбГУ, 2001, 224 с.
- ↑ Т. В. Чиркова «Физиологические основы устойчивости растений», изд-во С.ПбГУ, 2002, 244 с.
- ↑ B. B. Vartapetian, L. I. Polyakova. Protective effect of exogenous nitrate on the mitochondrial ultrastructure of Oryza sativa coleoptiles under strict anoxia (англ.) // Protoplasma. — 1999. — Vol. 206, iss. 1—3. — P. 163–167. — ISSN 1615-6102 0033-183X, 1615-6102. — doi:10.1007/BF01279263.
- ↑ K. J. Gupta, A. U. Igamberdiev. The anoxic plant mitochondrion as a nitrite: NO reductase (англ.) // Mitochondrion. — 2011. — Vol. 11, iss. 4. — P. 537–543. — doi:10.1016/j.mito.2011.03.005.
- ↑ A. U. Igamberdiev, R. D. Hill. Plant mitochondrial function during anaerobiosis (англ.) // Annals of Botany. — 2009. — Vol. 103, iss. 2. — P. 259–268. — ISSN 0305-7364 1095-8290, 0305-7364. — doi:10.1093/aob/mcn100.
- ↑ Tielens A.G.M., Rotte C., van Hellemond J.J., Martin W. Mitochondria as we don’t know them (Trends in Biochem.Sci.,2002,27,11,564-572
- ↑ N. Risgaard-Petersen et al. Evidence for complete denitrification in a benthic foraminifer // Nature. 2006. V. 443. P. 93-96.
Литература[править | править код]
- Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Пер. с англ./Под ред. Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. ISBN 5-03-003706-3 ISBN 5-03-003707-1 (1 том) ISBN 5-03-003708-X (2 том)