Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Ферменты не могут изменить точку равновесия реакций. Ферменты, подобно всем катализаторам, в равной степени увеличивают скорость прямой и обратной реакций. Поэтому на к для каталиэируемой, так и для некаталиэируемой реакций, показанных на рисунке, число моленул, п ретерпе вающих переход Х вЂ” ь у, равно числу молекул, участвующих в переходе у -+ Х, когда отношение числа молекул у к числу молекул Х составляет 3,5 к 1. Другими словами, зти две реакции достигают равновесия в одной и той же точке. 22. Катализ и использование энергии клетками 123 шагов.
Рассмотрим, например, две последовательные реакции: Х -+ г' и г' -+ Х, а) зг Е точка равновесия дпя независимой реакции Х вЂ” у. точка равновесия, для независимой реакции у -~ 2 в) тачка равновесия дпя последовательных реакций Х вЂ” У вЂ” 2 Рис. 2.$4. Энергетически неблагоприятная реакция мсжет осуществляться за счет второй, сопутствующей, реакции. о) В состоянии равновесия в системе находится вдвое больше молекул Х, чем молекул У, потому что соединение Х имеет более низкую энергию, чем соединение у.
6) в состоянии равновесия в системе имеется в зб рзз больше молекул Г, чем молекул У, потому что 2 имеет намного более низкую энергию, чем у. е) Если реакции о и б сопряжены, то почти все молекулы Х будут превращены в молекулы 7, кзк показано нз рисунке. значения ЬСг' которых равны соответственно +5 и — 13 ккалг'моль. (Вспомним, что один моль любого вещества содержит 8.10зз молекул этого вещества.) Если обе эти реакции происходят последовательно, то ЛО' сопряженной реакции будет составлять — 8 ккалГ'моль.
Таким образом, неблагоприятная реакция Х вЂ” э г', которая не произошла бы самопроизвольно, может протекать за счет благоприятной реакции У вЂ” + Х при условии, что эта вторая реакция сопровождает первую. Поэтому в клетке энергетически неблагоприятное превращение Х вЂ” + г' может произойти, если фермент, катализирующий реакцию Х -+ У, дополняется вторым ферментом, который катализирует энергетически бжиоприятную реакцию г' — ь Х. По сути, реакция г' -+ Х будет в данном случае действовать как «сифон», чтобы обеспечить превращение всех молекул Х в молекулы з' и далее — в молекулы Х (рис. 2.54).
Например, некоторые реакции на длинном пути превращения сахаров в СОз и Н О были бы энергетически неблагоприятны, будь они взяты сами по себе. Йо тем не менее этот путь претворяется в жизнь, потому что значение общего ЬО' для цепочки последовательных реакций имеет большую отрицательную величину. 124 Часть 1. Введение в мир клетки 2.2.11. Для биосинтеза нужны активированные молекулы-носители Энергия, высвобождаемая в ходе окисления молекул пищи, должна быть временно запасена, прежде чем будет направлена на строительство множества других молекул, необходимых клетке. В большинстве случаев энергия запасается в форме энергии химических связей в ограниченном наборе активированных «молекул- носителей», содержащих одну или более богатых энергией ковалентных связей. Эти молекулы быстро распространяются по всей клетке и таким образом переносят запасенную в них энергию связей из мест ее выработки к участкам, где зта энергия потребляется для биосинтеза и других процессов, протекающих в клетке (ргэс.
2.55). Активнрованные носители запасают энергию в легко изменяемой форме — или в виде легко переносимой химической группы, или в виде электронов высокой энергии — и могут выполнять двоякую роль в реакциях биосинтеза: источника и энергии, и химических групп.
По традиции зти молекулы иногда называют также коферментами. Важнейшие из активированных молекул-носителей — это АТР и еще две молекулы, состоящие в близком родстве друг с другом: МАРН и ХАРРН, о которых мы вскоре поговорим подробнее. Мы увидим, что клетки используют активированные молекулы-носители словно деньги для оплаты реакций, которые в ином случае были бы невозможны. ЗЧЕШ Ег №ГЕС бйагопрнятн реакция молекула активированного мопвкулаь. носителя имвющвлса в И3е ЙЙ3 окисленная молекула пищи кдтдбопизм дндбопизм Рис. 2.5З.
Перенос энергии и роль активированных переносчиков в метаболизме. Служа маршрутными перевозчиками энергии, молекулы активированных переносчиков выполняют функцию посредников между происходящим с высвобождением энергии расщеплением молекул пищи (коглоболиэмом) и энергопотребляющим биосинтезом маленьких и больших органических молекул (оноболиэмам), Но формирование последовательного пути целесообразно далеко не во всех случаях. Зачастую желательный путь — просто Х -ь 'г', без дальнейшего преобразования т' в какой-либо другой продукт.
К счастью, существуют иные, более общие способы использования ферментов для сопряжения реакций в едином процессе. На чем они основаны — тема, которую мы обсуждаем далее. 2.2. Катализ и использование знеогни клетками 125 12б Часть 1. Вввдвиив эмир клетки Подобные процессы происходят в клетках, где ферменты играют роль лопастного колеса из нашего примера-аналогии.
С помощью механизмов, которые мы обсудим позже в этой главе, они сопрягают энергетически благоприятную реакцию, такую как окисление пищевых продуктов, с энергетически неблагоприятной реакцией, такой как синтез молекулы активированного носителя. В результате количество теплоты, высвобожденной в реакции окисления, сокращается точно на то количество энергии, которая запасается в богатых энергией ковалентных связях активированной молекулы-носителя.
Активированная молекула-носитель, в свою очередь, вбирает такую порцию энергии, которой будет достаточно для обеспечения химической реакции в каком-либо участке клетки. 2.2.13. АТР— наиболее распространенная активированная молекула-носитель Наиболее важный и универсальный (многоцелевой) активированный носитель в клетках — зто АТР (аденозинтрифосфат). Точно так же как энергия, запасенная в поднятом ведре воды, изображенном на рис. 2.56, б, может приводить в действие массу разнообразных гидравлических машин, АТР служит удобным и универсальным накопителем, или «оборотным активом», энергии, употребляемой на подпитку множества различных химических реакций, происходящих в клетках.
АТР синтезируется в результате энергетически неблагоприятной реакции фосфорилирования, в ходе которой фосфатная группа присоединяется к аденозиндифосфату (аг(епоз1пе ЙРЬозрпа(е, АОР). В случае необходимости АТР отдает свой энергетический заряд— путем энергетически благоприятного гидролиза до Аг)Р и неорганического фосфата (рис. 2.57). После этого восстановленный Л()Р готов к использованию в следующем цикле реакции фосфорилирования — в результате чего вновь образуется АТР. Энергетически благоприятная реакция гидролиза АТР сопряжена со множе ством как таковых неблагоприятных реакций, связанных с синтезом других моле кул. С несколькими из таких реакций мы встретимся далее в этой главе.
Многие из них предполагают перенос концевого фосфата с АТР на другую молекулу, как показано на примере реакции фосфорилирования на рнс. 2.58. АТР— самый распространенный активированный носитель в клетках. Для при мера скажем, что он снабжает энергией многие из тех насосов, которые переносят вещества в клетку и из клетки (обсудим их в главе 11). Кроме того, он питает энергией молекулярные двигатели, которые позволяют мышечным клеткам со крашаться, а нервным клеткам — транспортировать вещества от одного конца их длинных аксонов до другого (отложим их обсуждение до главы 16).
2.2.14. Запасенная в АТР энергия часто используется в реакции конденсации Мы уже рассматривали один из способов, которыми энергетически благоприятная реакция может быть сопряжена с энергетически неблагоприятной реакцией Х -+ г', чтобы та осуществлялась. По той схеме второй фермент катализирует энергетически благоприятную реакцию У -+ 2, втягивая тем самым все молекулы Х в реакцию с образованием У (см.
Рис. 2.54). Но когда требуется продукт г', а не 2, этот механизм уже неприемлем. В ходе обычной реакции биосинтеза две молекулы, А и В, соединяются вместе с образованием соединения А — В путем энергетически неблагоприятной реакции фосфоангидридные связи О О О ! ,.' АДЕНИН',' Р— О-! -О-! (! (! б О О О Нт::: О" Н + Π— Р-ОН (! О О О + О-1-О-~-О-СН, й )! неорганический Фосфат (Р,) Рис. 2.57. Гидролиз АТР до АОР и неорганического фосфата. Два наиболее удаленных фосфата в АТР связаны с остальной частью молекулы высокоэнергетическими фосфоангидридными связями и легко переносятся на другие молекулы. Как показано на рисунке, присоединение к АТР молекулы воды приводит к образованию АОР и неорганического фосфата (Р ).
Такой гидролиз концевого фосфата АТР дает от 11 до 13 икал/моль полезной энергии в зависимости от условий внутри клетки. Большое отрицательное значение медляя этой реакции обусловлено несколькими факторами. Высвобождение концевой фосфатной группы устраняет неблагоприятное отталкивание между соседними отрицательными зарядами; кроме того, высвобожден ны й ион неорганического фосфата (Р ) ста6 ил яр(груется резонансом и образованием энергетически благоприятных водородных связей с молекулами.'вгщы, "д " '" НО-С-С(- ( ) группа ! спирта ПЕРЕНОС ФОСФАТА Рис.2.58.
Пример реакции переноса фосфата. Поскольку высокоэнергетическая фосфоангидридная связь в АТР превращается в фосфоэфирную связь, зта реакция энергетически благоприятна, так как значение аб «О. Реакции такого типа задействованы в синтезе фосфолипидов и на первых этапах катабализма сахаров, О ( ! Π— Р-О-С вЂ” С— фосфоафи рная связь 2.2. Катааизи исподьзоаание энергии Клетками 127 О" О ! ,; Аз)Е)чк(к('.: + О-Р-О-Р-О.СНг у~ .9ф4ЗА конденсации А — Н +  — ОН -» А — В + НзО. Существует окольный путь, который позволяет образовывать из молекул А — Н и  — ОН соединение А — В: протекание данной реакции становится возможным благодаря сопряжению с гидролизом АТР.
Здесь энергия от гидролиза АТР сначала используется для превращения  — ОН в промежуточное соединение с более высокой энергией, которое затем непосредственно реагирует с А — Н с образованием А — В. Простейший из возможных механизмов основан на переносе фосфата от АТР к  — ОН с образованием  — ОРОз, и тогда реакция проходит лишь в две стадии: 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
