Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Следовательно, обратная реакция — расщепление полимеров всех трех типов — происходит за счет катализируемого ферментом присоединения воды (гидрализа). Если реакции гидролиза энергетически благоприятны, то реакции биосинтеза требуют дополнительной энергии (рис. 2.64). НгО н,о конденсдция . "'"' гидролиз энергетически благоприятная реакция энергетически небпаюприятнея реакция Рис.2.бе.
Конденсация и гидролиэ кек обретные реакции. Макромолекулы клетки — полимеры, кото- рые образуются из субъединиц (или мономерое) посредством реакции конденсации и расщепляются е ходе гидролиза. Все реакции конденсации энергетически неблагоприятны. Все эти полимеры — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), белки и полисахари ды — производятся путем многократного присоединения мономера к одному концу наращиваемой цепи. Реакции синтеза макромолекул этих трех типов схематично представлены на рис. 2.65. Как показано в каждом случае, шаг конденсации зави сит от энергии, высвободившейся при гидролизе нуклеозидтрифосфата.
И все же, за исключением нуклеиновых кислот, в молекулах конечного продукта не остается ни одной фосфатной группы. Каким же образом реакции, которые высвобождают энергию гидролиза АТР, сопряжены с синтезом полимеров? Для макромолекулы каждого из указанных типов существует путь фермента тивного катализа, который напоминает ранее оггисанный путь синтеза аминокислоты глутамина (см.
Рис. 2.59). Принцип в точности тот же самый и состоит в том, что группа ОН, которая будет удалена в реакции конденсации, сначала активируется, будучи «втянутой» в макроэргическую связь со второй молекулой. Однако фак тические механизмы, обспечивающие неразрывную связь между гидролизом АТР и синтезом белков и полисахаридов, более сложные, чем используемые при синтезе глутамина, так как для получения конечной макроэргической связи, которая раз рывается во время этапа конденсации (рассматривается в главе 6 на примере синтеза белка), необходим ряд промежуточных высокоэнергетических продуктов. У каждого актнвированного носителя есть свои пределы возможностей в подпитке реакции биосинтеза.
Величина АО для гидролиза АТР до АОР и неоргани- 22. Катализ и использование энергии клетками 135 БЕЛКИ от пщропиза нухпеозидтрийзогх(затя Рис. з.бб. Синтез полисахаридов, белков и нунлеиновых кислот. Синтез биологического полимера любого вида сопряжен с потерей воды в ходе реакции конденсации. на схемах не показано образование высокоэнергетических нуклеозидтрифосфатов, которые необходимы для активации каждого мо номера перед его присоединением к цепи. Обратная реакция — расщепление всех трех типов полимеров, наоборот, происходит с присоединением воды (гидролиз). ческого фосфата (Р,) зависит от концентраций всех реагентов, но при обычных условиях в клетке она лежит в интервале между — 11 и — 13 ккалг'моль (между — 46 и — 54 кДж ~моль). В принципе, такая реакция гидролиза может стимулировать неблагоприятную реакцию с АС 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 гидролиза АТР может изменяться таким образом, что из него первоначально производится АМР и пирофосфат (РР,), который на следующем этапе гидролизуется (рис. 2.66). В результате этого процесса общее изменение свободной энергии составляет около — 26 ккалг'моль. Очень важная реакция биосинтеза, подпитываемая таким способом, — синтез нуклеиновых кислот (полинуклеотидов) из нуклеозидтрифосфатов, как показано в правой части рнс. 2.67. Обратите внимание, что многократно повторяюгциеся реакции конденсации, посредством которых создаются макромолекулы, могут быть ориентированы одним ПОЛ ИСАХАРИДЫ .6- Й--'г~-— сн,он сн,он сн,он но"'-:-'." о о о--- ОН н он гпикоген НУКПЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ ! снто Ф оно ер х о он О ОН О=-Р-О О=Р-ОО РНК сн,, О~ он нго о он $ о-р-он энергия, извлеченная О ! О=-Р-О О гдроп за сн, езт нукпвозидтрнфосфата ~ О.
Г Ф о Ф нукпвотид ~~ он он он он 136 Часть 1. Введение в мир клетки в) О О О 11 й О -Р— О-Р-Π— Р— О-СНг о вденозинтрифосфвт (АТР) Н,О О И О-Р— О— О О О 11 11 О Р О Р О + 1 О О пирофосфвт Н,О еденозинмонофосфвт (АМР) Н,О О 11 Π— Р— ОН 1 О О 11 + Π— Р— ОН 1 О фосфат фосфат Рис. 2.бб.
Альтернативный путь гидролизв АТР: сначала образуется пирофосфвт, который затем гидролизуется. Нз этом биохимическом пути высвобождается вдвое больше свободной энергии, чем в ходе реакции, показанной ранее нз рис. 2 57, и вместо АОР образуется АМР о) В двух последовательных реакциях гидролизз атомы кислорода участвующих молекул воды удерживаются в продуктах, кзк показано, тогда кзк атомы водорода диссоциируют с образованием свободных водородных ионов (Н', не показаны). б) Общая схема реакции в целом. Заключение Живые клетки — зто высокоупорядоченные системы, которые, чтобы жить и расти, должны создавать и поддерживать порядок внутри себя.
Согласно за- из двух способов, в связи с чем полимеризация мономеров может происходить «с головы» или «с хвоста». В так называемой полимеризаг(ии с головы химически активная связь, по которой и идет реакция конденсации, находится на конце наращиваемого полимера, и поэтому она должна восполняться при каждом добавлении мономера к цепи. В данном случае каждый мономер приносит с собой реакционно- способную связь, которая будет использована при добавлении следующего очеред ного мономера.
При полимеризации с хвоста активная связь каждого мономера используется непосредственно для его же присоединения к цепи (рис. 2.68). В последующих главах мы увидим, что в клетках востребована полимеризация обоих типов. Например, синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисаха ридов происходит путем полимеризации с хвоста, тогда как синтез белков основан на реакции полимеризации с головы.
2.2. Кетелиз и использование энергии клетками 137 .Я ра~ь у .Я рапунт "~":!-О 1 .":. ОН попинукпеотидная цепь из двух нукпеатидаа продукты гидролиза АТР ОН нукпеозидыонофасфат ~~=-О 01Юф згтзц попинукпеатидная цепь из трек нукпеатидоа '~~У ОН Рис. 2.67. Синтез полинуклеатида, будь это РНК или ДНК, предстааляет собой многоэтапный процесс, движимый эа счет гидралиэа АТР. На первом этапе нунлеазидманофосфат а ктиеируется последовательным переносом конце еых фосфзтных групп от двух молекул АТР Образованный высокоэнергетический промежуточный продукт — нуклеозидтрифосфат — существует е растворе е свободной форме, пана не вступит е реакцию с растущим концом цепи РНК или ДНК, которая сопровождается высвобождением пирофосфата.
Гидролиз последнего до неорганического фосфата — энергетически очень благоприятный процесс, спосабстаующий прохождению реакции е целом е напраелении синтеза полинунлеотидз. Подробности данного процесса будут раскрыты е главе 5. конам термодинамики, зто возможно только при бесперебойном притоке энергии, часть которой должна выделяться из клеток в окружающую среду в виде теплоты.
В конечном счете вся необходичая для жшни энергия поступает в виде электромагнитного шлучения Солнца и идет на образование органических молекул в фотосинтезирующих организмах, таких как зеленые растения. Животные получают свою долю энергии, поедая эти органические молекулы и окисляя их в ходе реакций ферментативного каталша, которые сопряжены с образованием АТР— единого энергетического актива, ликвидного во всех клетках. Непрерывное наведение порядка в клетках возможно лишь благодаря сопря жению энергетически неблагоприятных реакций с энергетически благоприятным 138 Часть 1.
Введение в мир клетки ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ (например, БЕЛКИ, ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ (например, ДНК, РНК, С ГОЛОВЫ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ) С ХВОСТА ПОЛИСАХАРИДЫ) + (г.'"ч,ф$ г' с квждый мономер несет высокоэнергетическую :. г) связь для своего же присоединения а..~ ч .Ж ° Я~® Г каждый мономер несет высокоэнергетическую связь. Гб) которая будет использована для присоединения следующего мономврв х.гг) + а(йч.(з'.
Рис. Гьба. Ориентация вктивньи промежуточнык продуктов в повторяющихся циклах реакций кон- денсации, входе которьгк образуются биологические полимеры. Наращивание полимеров «с головы» в сравнении с его альтернативой — наращиванием «с хвоста». К э к показано, зтн двэ механизма исполь- зукггся для построения биологических мэкромолекул различного типа. гидролизом АТР.
При биосинтезе макромолекул это достигается путем переноса фосфатных групп с образованием химически активных фосфорилированных промежуточных продуктов. Поскольку энергетически неблагоприятная реакция теперь становится энергетически благоприятнои гидролиз АТР, можно сказать, «продвигает» реакцию. Полимерные молекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, собираются из маленьких активированных молекул предшеопвенников в ходе повторяюи(ихся реакций конденсации, движуи(ей силой которых тоже является гидролиз АТР. Другие химически активные молекулы, называемые либо активированными носителями, либо коферментами, в процессе биосинтеза переносят другие химические группы: например, )чАТ)РИ переносит водород в виде протона с парой электронов (гидрид ион), тогда как асегу)СоА переносит ацетильную группу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
