Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 3
Текст из файла (страница 3)
11.6, Структурная основа АТР, внределнющая высокий потенциал переноса групп Сравним стандартную свободную энергию гидролнза АТР со свободной энерчисй ги- АТР АОР Рнс. 114. Цикл АТР— АЕ)Р -основной мсханизм обмена энергии в био чогических сисгемах. дролиза такого фосфорного эфира, как глицерол-3-фосфат: АТР + НчО А13Р + Р, + Н Л6в' = — 7,3 акал!моль, Глицерол-3-фосфат + Н,Π— Глицерол + Р,.
Л6"' = — 2,2 ккал,'моль. Значение Л6" для гидролиза глицерол-3- фосфата значительно меньше, чем для гидролиза АТР. Это означает, что АТР имеет более сильно выраженную тенленцию к переносу концевой фосфорильной группы на молекулу воды, чем глицерол-3- фосфат. Иными словами, АТР обладает более высоким потгяциилом переноги фосфатных групп, чем глицсрол-3-фосфат. СН ОН Н вЂ” С вЂ” ОН О СН О вЂ” Р— О О Глнннрол а фоефвт Какова структурная основа присушего АТР высокого потенциала переноса фосфатной группы". Чтобы ответить на этот вопрос, следует проанализировать структуру АТР и продуктов сто гидролиза А)3Р и Рь потомУ что Л6в зависит от Раэиогпш своболной энергии продуктов реакции и вступающих в нее соединений.
Доказана важная роль твух факторов в этом аспекте: электростатического отталкивания и резонансной стабилизации. При рН 7 трифосфатный компонент АТР несеч около четырех отрицательных зарядов. Эти заряды сильно взаимоотталкиваются, поскольку они находятся в тесной близости друг к другу. Электростапшчгское отталкивание между указанными отрицительно заряженными группами оглибляется при гидролиэе АХР. Другой фиктор, 11. Метаболизм: основные положения и обозначения О )( НΠ— Р— О" НΠ— Р— О )) О О ) НΠ— Р=О ( О НО=Р— О ) О Рнс. 1!.5. Значимые резонансные формы ортофосфата. обус.1ов,шлаитщии высокий потенциал переноса групп, которым обладает АТР,— это большая резонансная стабилизация д.т А)ЗР н Рп чем для АТР. Например, ортофосфат имеет определенное число резонансных форм с одинаковой энергией (рис.
11.5). В противоположность ему концевой отрезок АТР имеет меньшее количество значимых резонансных форм в расчете на одну фосфагную группу. Резонансные формы такого типа, который показан на рис. !1.6, вряд ли сушествуют. поскольку в этом случае лва атома фосфора будут конкурировать за электронныс пары на кислороде. Кроме того, электростазически неблагоприятным является расположение положительного заряда на кислороле в близком соседстве с положительно зарюкенным атомом фосфора.
Различные другие соединения в биологических системах имеют высокий потенциал переноса фосфатной группы. Некоторые из них, такие, как фосфоенолпируват, ацезилфосфат и креатннфосфат (рис. (!.7), обладают более высоким потенциалом переноса фосфатной группы, чем АТР. Это означает, что фосфоенолпируват может переносить свою фосфорильную группу на ОНΠ†Р†О=Р ) О О Рнс. 11.б. Маловероятная резонансная форма концевой части АТР.
Часть И. Генерирование и хранение энергии 12 11.7. Гидролнз АТР сдвигает равновесно сопрюкенных реакций в 10а раз Чтобы лучше понять роль АТР в сопряже- нии энергии, слелует проанализировать хи- мическую реакцию, которая термодинами- чески невозможна без притока свободной таблица П.2. Оипболиаи лиепаи тилролита аеко~ормл фосфорилироииииых соелииеиии Обе х ккал,'моль Гоедилспис Фосфое~ юли пру лат " Карбамоилфосфат Ацстилфосфат Крсатиифосфат Пирофосфат АТР !до АОР! Глюкото-1-фосфат Глюкото.б-фосфат Гпицсрол-3-фосфат — 14.8 — 12,3 -10,3 — 1О,З вЂ” х,о — 7,3 — з,о — з,з — 2,2 " Обратите внимание, что среди перечисленных со- слииеиий фосфоеиолпируаа~ льнет самый высокий по- теициал переноса фосфатиой 1руппы. А(ЗР с образованием АТР.
Действительно, таков один нз путей синтеза АТР при расшеплении сахаров. Важное значение имеет тот факт, что по потенциалу переноса фосфапюй группы АТР занимает промежуточнос положение в рялу биологически важных фосфорилированных молекул (табл. 11.2]. В силу этого промежуточного положения АТР эффективно функционирует в качестве переносчика фосфорильных групп. АТР часто называют высокоэнергетическим фосфатным соединением и его фосфоангидридные связи относят к высокоэнергетическим связям.
Следует отметить, что зти связи сами по себе не облалают какими-либо особыми свойствами. Онн является иысокоэлергетннескиыи сияэя.ми в том смысле, что при нх гндролиэе иысипбоэкдается ( по причинам, указанным выше) большое количество слободкой энергии, Ввслснный Липманом ()лршапп) термин «высокоэнергетическая связь» и прелложенный им символ -Р для обозначения соединений с высоким потенциалом переноса фосфатиой группы являютси выразительными, лаконичными и улобными обозначениями.
Концепции Липмана сыграли большую роль в стимулировании интереса к биоэнергетике. 0 ~( -Π— Р— О0 н,с=с — с ( у о- о о (( НС вЂ” С вЂ” Π— Р— О 3 о- Феефоенененруает Фщетнефевфет 13 Рис. 11.7. Соединения, имеюзцие более высокий потенциал переноса фосфатной группы, чем АТР. энергии. Предположим, что стандартная свободная энергия превращения А в В равна + 4 акал)монти А В Лбв' = + 4 ккал)моль. В соответствии с уравнением (13) (раза. ! !.2) константа равновесия К,', этой реакции при 25'С выражается отношением *' =К' =!О "'"=1,15 !О ' [В], [А],„ Таким образом, А не может спонтанно превратиться в В, если молярное отношение В к А равно или больше 1,15 1О з.
Однако превращение А в В возможно и в том случае, если отношение [В]/[А] превышает 1,15 10 з при условии, что реакция сопряжена с гидролизом АТР. Суммарное уравнение этой новой реакции булет иметь следующий вид: А+ АТР+ НзО= В+ А)3Р+ Р + Н ЛОь' = — 3,3 ккалгмоль, Указанное изменение стандартной свободной энергии ( — 3,3 ккал/моль) представляет собою сумму ЛСзь' для превращения А в В (+ 4 акал)моль) и для гидролиза АТР ( — 7,3 ккал/моль).
Константа равновесия этой сопряженной реакции выражается отношением: [В] ч [АОР]чч [Р']чч 3 зн зь [А],„[АТР].ч =207 10 В состоянии равновесия отношение [В] к [А] дается уравнением [В], [АТР], [А], 'ч [А)3Р],ч [Р, ], о Снз О !( н ! 0 — Р— Н вЂ” С вЂ” Н вЂ” СНз — С о-о нн,+ яре етннфеефат Система генерирования АТР в клетках под- держивает отношение [АТРИДА(3Р] [Р,. ] на высоком уровне, обычно порядка 500. Для такого отношения [В],. — " = 2 67 10з 500= 134 10з [А]„ Это означает, что гидролиз АТР обеспечивает возможность превращения А в В до тех пор, пока отношение [В])[А] нс постигнет значения 1,34 10з. Указанное равновесное отношение резко отличается от значения 1,15.10 з для реакции А В в отсутствие гидролиза АТР. Другими словами, сопряженный гидролиз АТР изменил равновесное отношение В к А примерно в 10в раз.
Мы видим, таким образом, что термодинамическая сущность роли АТР— это функционирование в качестве энергосопрягающего агента. Клетки поддерживают содержание А ТР на высоком уровне, используя свет и окисляемые субстраты в качестве источников свободной энергии. Гидролиз одной зчолскулы А ТР резко сдвигает равновесное отношение концентрации продуктов к концентрации реагирующих веществ в сопряженной реакции — примерно в 1Ов раз. В более общем выражении гилролиз и молекул АТР изменяет равновесное отношение сопряженной реакции (или последовательности реакций) в 10'" раз. Например, гидролиз трех молекул АТР в сопряженной реакции изменяет равновесное отношение в 10'ч раз. Таким образом„термодинамически невыгодная последовательность реакций .может быть превращена в термодинамически выгодную путем сопряжения с гидролизо.и достаточно большого количества молекул АТР.
Надо также подчеркнуть, что А и В в прелыдущем уравнении сопряженной реакции имеют очень общее значение. Например, А и В могут представлять различные конформации белка (например, при мышеч- 11. Мез.аболнзм: основные положения н обозначения Активный участок О 1) с — мн 2 Н О О вЂ” Р— О— НО ОН О ЙН, Нтл нс .с М О вЂ” Р— О— О НО Строение окисленной формы никотинамидадениндинуклеотида ()чАР') и никотин- амидадениндинуклеотидфосфата ()ь)АРР').
В )ь)АР' В = Н. в )х)АРР+ В РОзт Рис. 11.8. 11.8. )ь)АРН и ГАРН,— основные переносчики электронов при окислении топливных молекул Хемотрофы получают свободную энергию в результате окисления молекул, выполняю- щих роль топлива, таких, как глюкоза и жирные кислоты. У аэробных организмов единственным акцептором элек гранов является Оы Однако электроны не перено- сятся прямо на О, от топливных молекул и продуктов их распада.
Эти соединения Часть П. Генерирование н хранение энергии 14 ном сокращении). В других случаях символы А и В могут относиться к концентрацияч ионов или,иотекул вне и внутри клетки, как при активном транспорте пищевых веществ. Кроме того, А и В могут обозначать различные химические категории, в частности при биосинтезе сложных молекул из простых предшественников. В последующих главах мы рассмотрим многие важныс механизмы сопряжения энергии в биологических процессах. переносят электроны к специальным переносчикам-либо ниридиннуклеотидам, либо флавинам.
Восстановленные формы переносчиков доставляют затем свои обладающие высоким энергетическим потенциалом электроны к От по цепи переноса электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электронов по цепи сопровождается образованием АТР из АРР и Ры Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием (гл. 14), служит основным источником АТР у аэробных организмов, Кроме того, электроны с высоким энергетическим потенциалом, возникающие при окислении топливных молекул, могут бьсть использованы в процессах биосинтеза, для осуществления которых помимо АТР требуются воссгановительные эквиваленты.
Никотинамидадениндинуклеотид()ь)АР')- главный акцептор электронов при окислении топливных молекул (рис. 11.8). Реакционноспособная часть )ь)АР~ -его никотинамидное кольцо. При окислении субстрата никотинамиднае кольцо )т'АО+ присоединяет ион водорода и два электрона, которые являются эквивалентами гидридиона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
