Сопряжённый синтез веществ.
В клетках организмов для поддержания их жизнедеятельности постоянно происходят эндергонические реакции синтеза сложных веществ из простых, в ходе которых свободная энергия системы возрастает. Источником свободной энергии для их осуществления служат экзергонические реакции, в которых энергия выделяется, или окружающая среда, как, например, свет в реакциях фотосинтеза. Если эндергоническая реакция осуществляется за счёт энергии, выделяющейся в сопряжённой с ней экзергонической реакции, такие две реакции называют сопряжёнными реакциями синтеза того или иного вещества, а происходящий в этих реакциях биохимический процесс получил название сопряжённого синтеза веществ. Обе реакции катализирует, как правило, один фермент, который объединяет их в одну термодинамическую систему. Существует целый класс таких ферментов, называемых лигазами, или синтетазами, с участием которых осуществляется сопряжённый синтез веществ.
Для того чтобы реакции сопряжённого синтеза веществ могли проходить самопроизвольно, согласно второму закону термодинамики в экзергонической реакции должно выделяться энергии больше, чем потребляется в эндергонической реакции, так как коэффициент использования энергии в биохимических системах составляет 40-60 %. А основное термодинамическое условие самопроизвольного осуществления любых реакций в биохимической системе заключается в том, что общее количество в ней свободной энергии в ходе реакции уменьшается. Поэтому суммарное изменение свободной энергии при сопряжённом синтезе будет оставаться величиной отрицательной, то есть можно записать:
DGсопр.= DGэкз. + DGэнд.< 0.
Таким образом, оценивая процесс сопряжённого синтеза веществ количественно, мы видим, что в экзергонической реакции должно высвобождаться свободной энергии почти в два раза больше, чем её требуется для прохождения эндергонической реакции. Однако в большинстве экзергонических и эндергонических реакций, осуществляемых в организмах, изменение свободной энергии характеризуется сопоставимыми величинами и оно обычно не превышает 20 кДж/моль. Поэтому большинство биохимических реакций не способны высвобождать необходимое количество свободной энергии для сопряжённого синтеза веществ. Для осуществления такого синтеза в организмах используются специальные реакции, в ходе которых происходит большое изменение свободной энергии, при стандартных условиях оно составляет – 30 - 60 кДж/моль. В этих реакциях превращению подвергаются специализированные формы органических веществ, называемые макроэргическими соединениями.
В составе макроэргического соединения имеется определённая группировка, которая присоединяется сильно поляризованной связью. Эту связь принято называть макроэргической и её обозначают короткой волнистой линией ~. При взаимодействии макроэргического соединения с определённым акцептором группировка, присоединённая макроэргической связью, легко переносится ферментом на молекулу акцептора, при этом в ходе реакции высвобождается большое количество энергии. Схематически ход такой реакции можно записать следующим образом:
М ~ х + А ¾® М + А –х, DG°΄ = –30 - 60кДж×моль-1
В связи с тем, что в ходе превращений макроэргических соединений происходит перенос группировки и высвобождается большое количество свободной энергии, их также называют соединениями с высоким потенциалом переноса групп.
Макроэргические соединения подразделяют на три класса: фосфаты, тиоэфиры и имидазолы. Все они содержат в молекулах сильно поляризованные макроэргические связи, которые соединяют разные группировки атомов.
Фосфаты имеют остатки фосфорной кислоты, присоединённые макроэргической связью к нуклеотидной, ацильной, енольной или аминной группировкам, в результате образуются четыре группы макроэргических фосфатов: нуклеозидполифосфаты, ацилфосфаты, енолфосфаты, амидинфосфаты. В молекулах макроэргичесих фосфатов остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью очень часто записывают сокращённо ~(Р) .
Нуклеозидполифосфаты (пирофосфаты) представляют собой производные нуклеотидов, к фосфатным группировкам которых макроэргическими связями присоединяются ещё один или два остатка фосфорной кислоты с образованием соответствующих нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов (см. гл. «Нуклеотиды»). Наиболее важное биохимическое значение как макроэргические соединения имеют следующие нуклиозидполифосфаты: аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ), цитидинтрифосфат (ЦТФ), инозинтрифосфат (ИТФ). Все они содержат пирофосфатную группировку с макроэргическими связями, присоединённую к рибонуклеотидному остатку. Схематически строение указанных рибонуклеозидтрифосфатов можно показать в виде следующей формулы:
O O O
|| || ||
рибонуклеозид-О- Р-О~Р-О~Р-ОН
| | |
OH OH OH
В молекулах дезоксирибонуклеозидтрифосфатов также содержатся пирофосфатные группировки с макроэргическими связями, поэтому они являются макроэргическими соединениями. Однако их биологическая роль заключается лишь в том, что они участвуют в синтезе молекул ДНК, но не могут служить источником энергии для сопряжённого синтеза других веществ. Рибонуклеозидтрифосфаты, кроме участия в сопряжённом синтезе веществ, служат источниками фосфатных групп для различных реакций фосфорилирования, источниками энергии для биохимических процессов поглощения и транспорта веществ, также являются исходными соединениями в синтезе молекул РНК и коферментных группировок (НАД, НАДФ, ФАД, КоА).
Ацилфосфаты являются макроэргическими фосфатами карбоновых кислот. У них остаток фосфорной кислоты соединяется макроэргической связью с кислородом карбоксильной группы кислоты. Строение ацилфосфатов выражается формулой:
|
Важнейшие представители ацилфосфатов - 1.3-дифосфоглицерино-вая кислота, ацилфосфат, сукцинилфосфат и др. Как мы узнаем в дальнейшем, 1,3 дифосфоглицериновая кислота образуется в качестве промежуточного продукта в реакциях цикла Кальвина и анаэробной стадии дыхания, где этот макроэргический фосфат участвует в синтезе АТФ. Ацетилфосфат является промежуточным продуктом в синтезе ацетилкофермента А, принимающего участие во многих биосинтетических реакциях, а сукцинилфосфат – промежуточным метаболитом при фосфоролизе сукцинилкофермента А, который происходит в цикле Кребса и служит источником образования АТФ (у растений) или ГТФ (у человека и животных).
|
Енолфосфаты. Наиболее типичный представитель енолфосфатов –
фосфоенолпировиноградная кислота:
Н2С=С-O~(P)
|
COOH
В её молекуле остаток фосфорной кислоты соединён макроэргической связью с кислородом енольного гидроксила. Фосфоенолпировиноградная кислота образуется в анаэробной стадии дыхания, а также при декарбоксилировании щавелевоуксусной кислоты с участием ГТФ. Это макроэргическое соединение может служить источником фосфатной группы в процессе синтеза АТФ и акцептором СО2 в реакциях карбоксилирования.
Амидинфосфаты имеют макроэргическую >N~(P) связь и играют важную роль в реакциях обмена азотистых веществ в качестве промежуточных соединений. Одним из таких соединений является аргининфосфат, образующийся как продукт фосфорилирования аминокислоты аргинина:
|
Тиоэфиры. У тиоэфиров макроэргическая связь возникает между углеродом карбоксильной группы и атомом серы тиоловой группировки
(-SH). Среди них наиболее распространённые соединения – ацилтиоэфиры, которые представляют собой производные карбоновых кислот и кофермента А:
R-C~S-КоА.
||
О
Кофермент А включает остатки адениловой, пантотеновой и фосфорной кислот, а также тиоэтаноламина, имеющего тиоловую группу (стр. …). Сокращённо молекулу кофермента А записывают HS-КоА. Важными представителями ацилтиоэфиров являются ацетилкофермент А и пропионилкофермент А.
|
Ацетилкофермент А – промежуточный продукт реакций дыхания, служит исходным соединением для синтеза жирных кислот, фенольных и терпеноидных соединений, стероидных липидов. Пропионилкофермент А – важный промежуточный продукт в обмене веществ микроорганизмов.
Имидазолы – макроэргические производные имидазола, наиболее известным из которых является ацетилимидазол:
|
В зависимости от типа макроэргической связи и природы акцептора, на который переносится группировка макроэргического соединения, изменение свободной энергии в результате превращения макроэргического соединения может изменяться в значительном интервале. Для сравнения потенциалов переноса групп различных макроэргических соединений обычно определяют изменение свободной энергии в реакциях гидролиза макроэргических связей, в которых акцепторами для переноса групп служат молекулы воды. Сопоставление этих показателей проводится в стандартных условиях при рН=7,0. Величины стандартной свободной энергии гидролиза важнейших макроэргических соединений приведены в таблице 10.
Рассмотрим конкретный пример сопряжённого синтеза веществ с участием макроэргического соединения. В процессе синтеза аминокислот довольно активно происходит образование амида глутаминовой кислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака под действием фермента
10. Стандартные свободные энергии гидролиза некоторых
макроэргических соединений
| Макроэргические соединения | DG°΄ кДж×моль-1 |
| Аденозинтрифосфат (при переносе фосфата) | -30,6 |
| Аденозинтрифосфат (при переносе пирофосфата) | -42 |
| 1,3-Дифосфоглицериновая кислота | -49 |
| Ацетилфосфат | -42 |
| Фосфоенолпировиноградная кислота | -62 |
| Ацетилкофермент А | -37 |
| Аргининфосфат | -32 |
| Ацетилимидазол | -50 |
глутаминсинтетазы. Это эндергоническая реакция, в ходе которой
поглощается свободная энергия в количестве DG°΄= 14 кДж на каждый моль синтезируемого глутамина. Для осуществления эндергонической реакции синтеза глутамина проходит сопряжённая экзергоническая реакция гидролиза АТФ с высвобождением свободной энергии –30,6 кДж в расчёте на каждый моль АТФ. Суммарное изменение свободной энергии в указанных сопряжённых реакциях при синтезе каждого моля глутамина равно DG°΄сопр.= DG°΄экз.+ DG°΄энд.= -30,6 +14= -16,6 кДж. Мы видим, что общее количество свободной энергии при прохождении указанных реакций уменьшается, поэтому синтез глутамина за счёт энергии гидролиза АТФ происходит самопроизвольно.
Сопряжённые реакции синтеза глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ можно записать в виде следующей схемы с учётом того, что в экзергонической реакции свободная энергия уменьшается, а в эндергонической увеличивается:
|
|
Среди всех макроэргических соединений центральное положение занимает аденозинтрифосфат (АТФ) или как часто его называют аденозинтрифосфорная кислота. Это макроэргическое соединение служит источником энергии для большинства реакций сопряжённого синтеза различных веществ, участвует в активации молекул путём их фосфорилирования, трансмембранном транспорте катионов водорода и органических веществ, является источником фосфатных групп для синтеза других макроэргических соединений. В виде АТФ аккумулируется энергия в процессах фотосинтеза и дыхания, а также осуществляется дальний транспорт энергии по флоэмной системе растений и кровеносной системе человека и животных, тогда как большинство других макроэргических соединений дальнему транспорту не подвергаются. АТФ содержится во всех живых клетках в количестве 0,5-20 ммоль/л жидкой физиологической среды и его концентрация поддерживается на оптимальном уровне с помощью специальных регуляторных систем.
Остатки фосфорной кислоты в молекулах АТФ обладают сильно выраженной способностью к ионизации, превращаясь в анионы АТФ4–, которые в физиологической среде активно взаимодействуют с катионами магния Mg2+, образуя устойчивые комплексы MgАТФ2–.
|
Именно в виде таких комплексов АТФ взаимодействует с ферментами в различных реакциях фосфорилирования и активации органических веществ.
В реакциях сопряжённого синтеза веществ молекулы АТФ могут гидролизоваться по одной из двух макроэргических связей с образованием АДФ или адениловой кислоты (АМФ). При гидролизе АТФ по первой макроэргической связи с образованием в качестве продуктов АДФ и неорганического фосфата высвобождается 30,6 кДж свободной энергии в расчёте на каждый моль АТФ (при стандартных условиях):
АТФ + Н2О ¾® АДФ + Н3РО4, DG°΄ = -30,6 кДж/моль.
Гидролиз АТФ по такому механизму происходит в реакциях сопряжённого синтеза аспарагина, глутамина, малонилкофермента А, щавелевоуксусной кислоты и других соединений.
В сопряжённых реакциях, где требуются большие энергетические затраты, осуществляется гидролиз АТФ по второй (внутренней) макроэргической связи с образованием пирофосфата, который приводит к высвобождению в стандартных условиях 42 кДж свободной энергии в расчёте на каждый моль гидролизуемой АТФ:
АТФ + Н2О ¾® АМФ + Н4 Р2О7, DG°΄ = -42 кДж/моль.
Указанная реакция гидролиза АТФ инициируется при активации жирных кислот и аминокислот. Так, например, процессу b-окисления жирных кислот в митохондриях предшествует их связывание с коферментом А, на которое затрачивается энергия гидролиза АТФ с образованием пирофосфата:
R-C-OH + HS-КоА + АТФ ¾® R-C~S-КоА + АМФ + Н4Р2О7
|| ||
O O
жирная кислота ацил-КоА
На биосинтетические процессы в организмах затрачивается большое количество АТФ, которое восполняется за счёт его постоянного синтеза. В растениях и других организмах выработаны специальные механизмы образования АТФ, находящиеся, как мы увидим далее, под контролем регуляторных систем. В ходе синтеза АТФ под действием ферментов инициируется образование макроэргической связи и присоединение к ней неорганического фосфата, а затем осуществляется перенос остатка фосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ. В качестве продуктов в таких реакциях синтезируются молекулы АТФ.
Образование макроэргической связи – эндергонический процесс, на который затрачивается энергия, высвобождающаяся в сопряжённой экзергонической реакции или в результате направленного переноса протонов через хлоропластные и митоходриальные мембраны под действием трансмембранного электрохимического потенциала, индуцируемого переносом электронов по электронтраспортной системе этих клеточных органелл. Согласно первому закону термодинамики на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата затрачивается такое же количество энергии, которое высвобождается при гидролизе АТФ, однако изменение свободной энергии в ходе реакции будет уже с противоположным знаком:
АДФ + Н3РО4 ¾® АТФ + Н2О, DG°΄ = +30,6 кДж/моль.
У большинства организмов происходит интенсивное образование АТФ за счёт энергии окисления органических веществ в анаэробной стадии дыхания и реакциях цикла Кребса. Эти реакции получили название субстратного фосфорилирования, так как в них окисление дыхательных продуктов и образование макроэргических связей сопряжено с фосфорилированием субстратов дыхания путём включения в состав органических веществ неорганического фосфата. Схематически процесс субстратного фосфорилирования можно представить в виде следующих превращений:
С + Ф ¾® С ~ Ф
органический фермент фермент-субстратный
субстрат комплекс
С ~ Ф + Н3РО4 ¾® С ~ (Р) + Ф
макроэргический
фосфат
Вначале фермент реагирует с органическим субстратом и инициирует образование макроэргической связи в фермент–субстратном комплексе. Затем ферментная группировка замещается остатком фосфорной кислоты неорганического фосфата, в результате чего осуществляется синтез макроэргического фосфата, который далее становится донором остатка фосфорной кислоты с макроэргической связью для переноса на АДФ. В этой реакции синтез АТФ катализирует специальный фермент – киназа, относящийся к классу трансфераз: киназа
С ~ (Р) + АДФ ¾¾® С + АТФ
макроэргический изменённый
фосфат субстрат
В анаэробной стадии дыхания субстратное фосфорилирование происходит на этапе окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту, в цикле Кребса – при фосфоролизе сукци-нил-кофермента А.
В процессе анаэробного окисления углеводов макроэргическая связь возникает также при дегидратации 2-фосфоглицериновой кислоты, которая сопровождается синтезом макроэргического фосфата – фосфоенол-пировиноградной кислоты, способной передавать остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ и таким образом инициировать синтез АТФ.
У высших организмов важнейшим источником образования АТФ является процесс окислительного фосфорилирования, локализованный в митохондриях. Во внутренней физиологической среде митохондрий активно протекают реакции цикла Кребса, в которых энергияя окисления ацетилкофермента А и других промежуточных продуктов дыхания используется для синтеза восстановленных динуклеотидов НАД×Н и ФАД×Н2. А эти соединения становятся донорами электронов для системы переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Конечными акцепторами электронов служат молекулы кислорода, которые, присоединяя электроны и протоны, образуют молекулы воды.
Процесс переноса электронов по системе переносчиков индуцирует сопряжённый процесс переноса протонов через мембрану митохондрий, которые, накапливаясь на её внешней поверхности, создают трансмембранный электрохимический потенциал. Под действием АТФ-синтетазного ферментного комплекса, входящего в структуру митохондриальной мембраны, энергия трансмембранного электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.
В процессе окислительного фосфорилирования происходит следующая цепочка энергетических и химических превращений. Вначале энергия окисления органических веществ в реакциях цикла Кребса затрачивается на синтез восстановленных динуклеотидов, затем энергия окисления восстановленных динуклеотидов инициирует создание электрохимического трансмембранного потенциала, который уже служит источником энергии для синтеза АТФ.
У фотосинтезирующих организмов большое количество АТФ синтезируется в процессе фотосинтетического фосфорилирования, локализованного в хлоропластах. Первичным источником энергии для этого процесса служат кванты света, которые поглощаются фотохимическими системами и трансформируются в энергию восстановленных органических соединений. А они уже служат донорами электронов для системы переносчиков, находящихся в составе хлоропластных мембран. В свою очередь перенос электронов по цепи переносчиков индуцирует перенос протонов через мембрану хлоропластов, создавая на ней электрохимический трансмембранный потенциал. И энергия этого потенциала используется АТФ-синтетазным комплексом для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Во многом механизм фотосинтетического фосфорилирования сходен с механизмом окислительного фосфорилирования, за исключением первичных источников энергии: для окислительного фосфорилирования - это энергия окисления органических веществ в процессе дыхательных реакций, для фотосинтетического фосфорилирования – энергия квантов света.