Том 1 (1129743), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Например, коферментА несет ацетильную группу, которая может быть легко передана другой молекуле,164Часть 1. Введение в мир клеткии в такой активированной форме известен как acetylCoA (ацетилкофермент A).AcetylCoA (рис. 2.62) обычно добавляет два углеродных звена в процессе биосинтеза макромолекул.В acetylCoA, как и в других молекулах-носителях, передаваемая группа составляет лишь малую часть молекулы. Остальное – это большой органическийхвост молекулы, служащий своего рода удобным «держателем», облегчающим опознавание молекулы-носителя специфичными к ней ферментами.
Как и в acetylCoA,эта вспомогательная часть очень часто содержит нуклеотид (обычно аденозин) —любопытный факт, который может быть «пережитком» ранних этапов эволюции.В настоящее время думают, что главными катализаторами для первых форм жизни— до ДНК или белков — были молекулы РНК (или близкие им соединения), какописывается в главе 6. Возникает соблазн поразмышлять о заманчивом предположении, согласно которому многие из встречаемых нами сегодня молекул-носителейбыли родом из этого предшествующего нашему мира РНК, в котором нуклеотидныезвенья, возможно, были нужны для связывания с РНК-ферментами.Рис. 2.62. Структура молекулы важного активированного носителя ацетилкофермента A.
Объемнаямодель представлена над структурой вверху. Атом серы (желтый) образует тиоэфирную связь с ацетатом.Поскольку это высокоэнергетическая связь, гидролиз которой сопровождается высвобождением большого количества свободной энергии, ацетильная группа может быть легко передана другим молекулам.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 165На рис. 2.58 и 2.61 представлены примеры определенного типа реакций переноса, энергетически обеспечиваемых активированными молекулами-переносчикамиATP (перенос фосфата) и NADPH (перенос электронов и водорода). Реакции другихактивированных молекул-носителей связаны с переносом метильной, карбоксильной группы или остатка глюкозы исключительно для биосинтеза (таблица 2.5).Такие активированные носители образуются в ходе реакций, которые сопряженыс гидролизом ATP, как в примере на рис.
2.63. Поэтому энергия, которая позволяет использовать их группы для биосинтеза, в конечном счете вырабатываетсяв ходе катаболических реакций, в результате которых образуется ATP. Подобныепроцессы происходят при синтезе очень больших молекул клетки: нуклеиновыхкислот, белков и полисахаридов, что мы обсудим далее.Таблица 2.5. Некоторые из активированных молекул-переносчиков, широко используемых в метаболизмеАКТИВИРОВАННЫЙ ПЕРЕНОСЧИКATPNADH, NADPH, FADH2AcetylCoAКарбоксилированный биотин5-аденозилметионинУридиндифосфатглюкозаПРИСОЕДИНЯЕМАЯ МАКРОЭРГИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮГРУППАфосфатэлектроны и водородацетильная группакарбоксильная группаметильная группаглюкоза2.2.17. Синтез биологических полимеров происходит благодарягидролизу ATPКак обсуждалось ранее, макромолекулы клетки составляют бóльшую часть еесухой массы, то есть массы без учета воды (см.
рис. 2.29). Эти молекулы образуютсяиз субъединиц (или мономеров), которые соединяются друг с другом посредством реакции конденсации, в ходе которой у каждой пары реагентов «изымается по частям»молекула воды (ОН плюс H). Следовательно, обратная реакция — расщеплениеполимеров всех трех типов — происходит за счет катализируемого ферментом присоединения воды (гидролиза). Если реакции гидролиза энергетически благоприятны,то реакции биосинтеза требуют дополнительной энергии (рис. 2.64).Все эти полимеры — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), белки и полисахариды — производятся путем многократного присоединения мономера к одному концунаращиваемой цепи. Реакции синтеза макромолекул этих трех типов схематичнопредставлены на рис. 2.65.
Как показано в каждом случае, шаг конденсации зависит от энергии, высвободившейся при гидролизе нуклеозидтрифосфата. И все же,за исключением нуклеиновых кислот, в молекулах конечного продукта не остаетсяни одной фосфатной группы. Каким же образом реакции, которые высвобождаютэнергию гидролиза ATP, сопряжены с синтезом полимеров?Для макромолекулы каждого из указанных типов существует путь ферментативного катализа, который напоминает ранее описанный путь синтеза аминокислотыглутамина (см. рис. 2.59).
Принцип в точности тот же самый и состоит в том, чтогруппа ОН, которая будет удалена в реакции конденсации, сначала активируется,будучи «втянутой» в макроэргическую связь со второй молекулой. Однако фак-166Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.63. Реакция переноса карбоксильной группы с использованием молекулы активированногоносителя. Карбоксилированный биотин используется ферментом пируваткарбоксилазой для переносакарбоксильной группы в процессе синтеза оксалоацетата — молекулы, необходимой в цикле лимоннойкислоты.
В этой реакции акцепторная молекула переносимой группы — пируват. Другие ферментыиспользуют биотин для переноса карбоксильных групп на другие акцепторные молекулы. Обратитевнимание, что для синтеза карбоксилированного биотина требуется энергия, которая извлекаетсяиз ATP, – это общая черта многих активированных носителей.тические механизмы, обспечивающие неразрывную связь между гидролизом ATPи синтезом белков и полисахаридов, более сложные, чем используемые при синтезеглутамина, так как для получения конечной макроэргической связи, которая разрывается во время этапа конденсации (рассматривается в главе 6 на примере синтезабелка), необходим ряд промежуточных высокоэнергетических продуктов.У каждого активированного носителя есть свои пределы возможностей в подпитке реакции биосинтеза.
Величина ΔG для гидролиза ATP до ADP и неорганического фосфата (Pi) зависит от концентраций всех реагентов, но при обычныхРис. 2.64. Конденсация и гидролиз как обратные реакции. Макромолекулы клетки — полимеры, которые образуются из субъединиц (или мономеров) посредством реакции конденсации и расщепляютсяв ходе гидролиза. Все реакции конденсации энергетически неблагоприятны.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 167Рис.
2.65. Синтез полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот. Синтез биологического полимера любого вида сопряжен с потерей воды в ходе реакции конденсации. На схемах не показано образованиевысокоэнергетических нуклеозидтрифосфатов, которые необходимы для активации каждого мономераперед его присоединением к цепи.
Обратная реакция — расщепление всех трех типов полимеров,наоборот, происходит с присоединением воды (гидролиз).условиях в клетке она лежит в интервале между –11 и –13 ккал/моль (между –46и –54 кДж/моль). В принципе, такая реакция гидролиза может стимулировать неблагоприятную реакцию с ΔG приблизительно +10 ккал/моль при наличии условий,подходящих для протекания реакции. Для некоторых реакций биосинтеза, однако,даже –13 ккал/моль может оказаться недостаточно. В таких случаях путь гидролизаATP может изменяться таким образом, что из него первоначально производитсяАМP и пирофосфат (PPi), который на следующем этапе гидролизуется (рис. 2.66).В результате этого процесса общее изменение свободной энергии составляет около–26 ккал/моль.
Очень важная реакция биосинтеза, подпитываемая таким способом, — синтез нуклеиновых кислот (полинуклеотидов) из нуклеозидтрифосфатов,как показано в правой части рис. 2.67.Обратите внимание, что многократно повторяющиеся реакции конденсации,посредством которых создаются макромолекулы, могут быть ориентированы однимиз двух способов, в связи с чем полимеризация мономеров может происходить168Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.66. Альтернативный путь гидролиза ATP: сначала образуется пирофосфат, который затемгидролизуется. На этом биохимическом пути высвобождается вдвое больше свободной энергии, чемв ходе реакции, показанной ранее на рис.
2.57, и вместо ADP образуется АМP. а) В двух последовательных реакциях гидролиза атомы кислорода участвующих молекул воды удерживаются в продуктах, какпоказано, тогда как атомы водорода диссоциируют с образованием свободных водородных ионов (H+,не показаны). б) Общая схема реакции в целом.«с головы» или «с хвоста». В так называемой полимеризации с головы химическиактивная связь, по которой и идет реакция конденсации, находится на конце наращиваемого полимера, и поэтому она должна восполняться при каждом добавлениимономера к цепи. В данном случае каждый мономер приносит с собой реакционноспособную связь, которая будет использована при добавлении следующего очередного мономера.
При полимеризации с хвоста активная связь каждого мономераиспользуется непосредственно для его же присоединения к цепи (рис. 2.68).В последующих главах мы увидим, что в клетках востребована полимеризацияобоих типов. Например, синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисахаридов происходит путем полимеризации с хвоста, тогда как синтез белков основанна реакции полимеризации с головы.ЗаключениеЖивые клетки – это высокоупорядоченные системы, которые, чтобыжить и расти, должны создавать и поддерживать порядок внутри себя.
Со-Глава 2. Химия клетки и биосинтез 169Рис. 2.67. Синтез полинуклеотида, будь это РНК или ДНК, представляет собой многоэтапный процесс,движимый за счет гидролиза ATP. На первом этапе нуклеозидмонофосфат активируется последовательным переносом концевых фосфатных групп от двух молекул ATP. Образованный высокоэнергетическийпромежуточный продукт — нуклеозидтрифосфат — существует в растворе в свободной форме, пока невступит в реакцию с растущим концом цепи РНК или ДНК, которая сопровождается высвобождениемпирофосфата. Гидролиз последнего до неорганического фосфата — энергетически очень благоприятныйпроцесс, способствующий прохождению реакции в целом в направлении синтеза полинуклеотида.
Подробности данного процесса будут раскрыты в главе 5.гласно законам термодинамики, это возможно только при бесперебойном притоке энергии, часть которой должна выделяться из клеток в окружающуюсреду в виде теплоты. В конечном счете вся необходимая для жизни энергияпоступает в виде электромагнитного излучения Солнца и идет на образованиеорганических молекул в фотосинтезирующих организмах, таких как зеленыерастения. Животные получают свою долю энергии, поедая эти органическиемолекулы и окисляя их в ходе реакций ферментативного катализа, которыесопряжены с образованием ATP — единого энергетического актива, ликвидногово всех клетках.170Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.68. Ориентация активных промежуточных продуктов в повторяющихся циклах реакций конденсации, в ходе которых образуются биологические полимеры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
