Том 1 (1129743), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Точно так же как энергия, запасеннаяв поднятом ведре воды, изображенном на рис. 2.56, б, может приводить в действиемассу разнообразных гидравлических машин, ATP служит удобным и универсальным накопителем, или «оборотным активом», энергии, употребляемой на подпиткумножества различных химических реакций, происходящих в клетках. ATP синтезируется в результате энергетически неблагоприятной реакции фосфорилирования,в ходе которой фосфатная группа присоединяется к аденозиндифосфату (adenosinediphosphate, ÀDP).
В случае необходимости ATP отдает свой энергетический заряд —путем энергетически благоприятного гидролиза до ADP и неорганического фосфата(рис. 2.57). После этого восстановленный ADP готов к использованию в следующемцикле реакции фосфорилирования – в результате чего вновь образуется ATP.Энергетически благоприятная реакция гидролиза ATP сопряжена со множеством как таковых неблагоприятных реакций, связанных с синтезом других молекул. С несколькими из таких реакций мы встретимся далее в этой главе. Многиеиз них предполагают перенос концевого фосфата с ATP на другую молекулу, какпоказано на примере реакции фосфорилирования на рис.
2.58.Рис. 2.57. Гидролиз ATP до ADP и неорганического фосфата. Два наиболее удаленных фосфата в ATPсвязаны с остальной частью молекулы высокоэнергетическими фосфоангидридными связями и легкопереносятся на другие молекулы. Как показано на рисунке, присоединение к ATP молекулы воды приводит к образованию ADP и неорганического фосфата (Pi). Такой гидролиз концевого фосфата ATP даетот 11 до 13 ккал/моль полезной энергии в зависимости от условий внутри клетки. Большое отрицательное значение ΔG для этой реакции обусловлено несколькими факторами. Высвобождение концевойфосфатной группы устраняет неблагоприятное отталкивание между соседними отрицательными зарядами; кроме того, высвобожденный ион неорганического фосфата (Pi) стабилизируется резонансоми образованием энергетически благоприятных водородных связей с молекулами воды.160Часть 1. Введение в мир клеткиРис.
2.58. Пример реакции переноса фосфата. Поскольку высокоэнергетическая фосфоангидриднаясвязь в ATP превращается в фосфоэфирную связь, эта реакция энергетически благоприятна, так какзначение ΔG << 0. Реакции такого типа задействованы в синтезе фосфолипидов и на первых этапахкатаболизма сахаров.ATP — самый распространенный активированный носитель в клетках. Для примера скажем, что он снабжает энергией многие из тех насосов, которые переносятвещества в клетку и из клетки (обсудим их в главе 11). Кроме того, он питаетэнергией молекулярные двигатели, которые позволяют мышечным клеткам сокращаться, а нервным клеткам — транспортировать вещества от одного конца ихдлинных аксонов до другого (отложим их обсуждение до главы 16).2.2.14. Запасенная в ATP энергия часто используется в реакцииконденсацииМы уже рассматривали один из способов, которыми энергетически благоприятная реакция может быть сопряжена с энергетически неблагоприятной реакциейX → Y, чтобы та осуществлялась.
По той схеме второй фермент катализируетэнергетически благоприятную реакцию Y → Z, втягивая тем самым все молекулыX в реакцию с образованием Y (см. рис. 2.54). Но когда требуется продукт Y,а не Z, этот механизм уже неприемлем.В ходе обычной реакции биосинтеза две молекулы, А и B, соединяются вместес образованием соединения A–B путем энергетически неблагоприятной реакцииконденсацииA–H + B–OH → A–B + H2О.Существует окольный путь, который позволяет образовывать из молекул A–Hи B–OH соединение A–B: протекание данной реакции становится возможнымГлава 2. Химия клетки и биосинтез 161благодаря сопряжению с гидролизом ATP. Здесь энергия от гидролиза ATP сначала используется для превращения B–ОH в промежуточное соединение с болеевысокой энергией, которое затем непосредственно реагирует с A–H с образованиемA–B.
Простейший из возможных механизмов основан на переносе фосфата от ATPк B–ОH с образованием B–OPO3, и тогда реакция проходит лишь в две стадии:1. B–ОH + ATP → B–O–PO3 + ADP;2. A–H + B–O–PO3 → A–B + Pi.Результат: В–ОН + ATP + A–H → A–B + ADP + Pi.Реакция конденсации, которая сама по себе энергетически неблагоприятна,происходит, будучи непосредственно сопряжена с гидролизом ATP в ферментативнокатализируемом процессе (рис. 2.59, а).Так, аминокислота глутамин синтезируется в ходе такой реакции биосинтеза(рис. 2.59, б). Мы вскоре увидим, что подобные (но более сложные) механизмыиспользуются и при создании почти всех больших молекул клетки.2.2.15. NADH и NADPH — важные переносчики электроновДругие важные активированные молекулы-носители участвуют в окислительновосстановительных реакциях и выступают неотъемлемым компонентом сопряженных реакций в клетках.
Эти активированные носители специализируютсяна переносе энергии и атомов водорода. Наиболее важными из таких носителейэлектронов являются NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид) и близкородственнаяему молекула NADP+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Позже мы разберем некоторые из реакций, в которых они участвуют. И NAD+, и NADP+ берутпо «порции энергии», соответствующей двум высокоэнергетическим электронам,и протон (H+), превращаясь при этом соответственно в NADH (восстановленныйникотинамид-адениндинуклеотид) и NADPH (восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Так что эти молекулы можно считать и носителямигидридных ионов (H+ плюс два электрона, или H–).Подобно ATP, NADPH — активированный носитель, участвующий во многихважных реакциях биосинтеза, которые в ином случае будут энергетически неблагоприятными. NADPH синтезируется в клетке согласно общей схеме, представленнойна рис.
2.60, а. В ходе ряда специфических энерговыделяющих катаболическихреакций атом водорода, наряду с двумя электронами, забирается у молекулы субстрата и присоединяется к никотинамидному кольцу NADP+ с образованием NADPHи выделением протона (H+) в раствор.
Это типичная окислительно-восстановительнаяреакция; субстрат окисляется, а NADP+ восстанавливается. Структуры NADP+и NADPH представлены на рис. 2.60, б.NADPH легко расстается с носимым им гидрид-ионом в последующейокислительно-восстановительной реакции, потому что без него никотинамидноекольцо может достигать более устойчивого расположения электронов. В этойреакции, в которой регенерируется NADP+, теперь уже сам NADPH окисляется,а субстрат восстанавливается. NADPH служит эффективным донором своегогидрид-иона другим молекулам по той же причине, по которой ATP легко передает фосфат: в обоих случаях передача сопровождается большим отрицательнымизменением свободной энергии.
Один из вариантов использования NADPH в биосинтезе представлен на рис. 2.61.162Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.60. NADPH — важнейший переносчик электронов. а) NADPH образуется в ходе реакций общего типа, показанных слева, в которых два атома водорода удаляются с субстрата. Окисленная формамолекулы-носителя, NADP+, приобретает один водородный атом плюс электрон (гидрид-ион); протон(H+) другого атома H высвобождается в раствор. Поскольку NADPH удерживает свой гидрид-ион высокоэнергетической связью, постольку присоединенный гидрид-ион может легко быть передан другиммолекулам, как показано справа.
б) Структуры NADP+ и NADPH. Часть молекулы NADP+, известная какникотинамидное кольцо, принимает два электрона вместе с протоном (эквивалент гидрид-иона H–),образуя NADPH. Структура молекул NAD+ и NADH соответственно идентична NADP+ и NADPH, за исключением лишь того, что в составе первых указанная на рисунке фосфатная группа не числится.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 163Рис.
2.61. Заключительный этап биосинтеза холестерина. Как и во многих другихбиосинтетических реакциях, восстановление связи C=C достигается переносомгидрид-иона от молекулы носителя NADPHи протона (H+) из раствора.Дополнительная фосфатная группа в составе молекулыNADPH не оказывает никакоговлияния на связанные с переносом электронов свойства NADPHпо сравнению с NADH, так какрасположена далеко от области,задействованной в переносе электронов (см. рис.
2.60, б). Однакоона придает молекуле NADPHформу, немного отличную от таковой для NADH, что позволяетNADPH и NADH связыватьсяв качестве субстратов с совершенноразными группами ферментов. Таким образом, носители этих двухтипов используются для переноса электронов (или гидрид-ионов)между молекулами из двух разныхнаборов.Почему необходимо такое разделение труда? Ответ кроется в потребностинезависимо регулировать два набора реакций с переносом электронов.
NADPHработает в основном с ферментами, которые катализируют анаболические реакции,поставляя высокоэнергетические электроны, необходимые для синтеза богатыхэнергией биологических молекул. NADH, напротив, играет специальную рольпосредника в катаболической системе реакций, которые производят ATP путемокисления молекул пищи, что мы вскоре обсудим. Образование NADH из NAD+и NADPH из NADP+ происходит различными путями и регулируется независимо,так что клетка может регулировать поставку электронов для выполнения этих двухразличных задач. Внутри клетки отношение NAD+ к NADH поддерживается высоким, тогда как отношение NADP+ к NADPH поддерживается низким. В силуэтого имеется масса NAD+, служащего окислителем, и множество NADPH, выступающего восстановителем, что и требуется для выполнения их специальных задачсоответственно в катаболизме и анаболизме.2.2.16. В клетках существует множество других активированныхмолекул-переносчиковДругие активированные носители также принимают и переносят химическуюгруппу с помощью легко передаваемой макроэргической связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
