Макроэргические соединения

Макроэргическими связями в живых системах называются такие ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением значительной энергии - 30 кДж/моль и более (свободная энергия гидролиза). Термин макроэргические связи используется исключительно для связей, энергия которых используется в метаболизме, и не указывает на истинную величину энергии связей. Как известно, энергия связей всегда положительна, другими словами, разрыв любой связи (в том числе и макроэргической) требует всегда затраты энергии. Термин «высокоэнергетическая связь» противоречит принятым в химии представлениям, согласно которым он означает связь, расщепление которой требует больших затрат энергии. В биологии термин макроэргическая связь подразумевает присутствие в молекуле высокоэнергетической фосфорильной группы, которая придает высокую энергетичность этой молекуле в целом. Другими словами, высокоэнергетическую фосфорильную группу можно рассматривать как энергетическую валюту, которую можно использовать для производства различных видов работ: химической, электрической, осмотической, механической и др.

В чем же особенности высокоэнергетических фосфатов. Фосфорная кислота является гидросипроизводным фосфора, содержащим 3 протона.

При физиологических значениях рН эта кислота в растворе представлена одно и двухзарядными анионами, равновесную смесь которых в биохимии обозначают как P_{i /.} Смеси этих анионов соответствует самый низкий уровень свободной энергии фосфата, который условно принят за нулевой. Неорганический фосфат, этерифицированный органическим спиртом называют фосфоэфиром. При гидролизе фосфоэфира величина dG⁰ составляет около - 12,5 кДж/ моль, т.е равновесие сдвинуто в сторону образования прлуктов гидролиза. Из двух молекул фосфата можно получить производное фосфорного ангидрида, которое называют пирофосфатом и обазначают РP_i.

Изменение свободной энергии при гидролизе этого соединения составляет около - 33,5 кДж/моль. Пирофосфаты, хотя и главные, но не единственные биологические макроэргические производные фосфорной кислоты. Известны еще три типа таких соединений: ангидриды фосфорной и карбоновых кислот (креатинфосфат); гуанидиносфаты (ГМФ, ГДФ, ГТФ); енолфосфаты (фосфоенолпируват) (табл. 2).

Таблица 2

Химические с оединения с макроэргической связью в составе клеток

№	Вещества	dG ^0, Дж/моль; 25°С, рН 7,0
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.	Креатинфосфат Аргининфосфат Фосфоенолпируват Ацетилфосфат ATP —> ADP + Р АТР —> AMP + Р~Р Р~Р —> Р + Р Ацетил-СоА	42,70 29,30 54,05 43,90 32,23 36,00 33,40 34,30

Однако, высокоэнергетическая фосфорильная группа в клетке должна транспортироваться к месту потребления энергии. Ясно, что эта группа существует не сама по себе, а в составе молекулы и перемещается вместе с этой молекулой. Главными переносчиками фосфорильной группы в живых системах является аденозинмонофосфат – АМР (1 группа), АDP (2 фосфорильные группы), AТP (3 фосфорильные группы). В молекуле AТФ две концевые группы связаны между собой фосфоангидридной связью, как в пирофосфате. (Рис.5). Это соединение гидролизуется с выделением энергии (dG ~ - 31 кДж/моль). В каждый момент любая клетка содержит небольшое количество АТФ, которой ей хватает лишь на короткое время. Все три типа молекул (АТФ,АДФ, АМФ) спонтанно не способны транспортироваться через биомембраны. Поэтому каждая клетка вынуждена сама вырабатывать АТФ, поддерживая ее быстрый круговорот, включающий гидролиз АТФ до АДФ и фосфата и последующий ресинтез АТФ из этих соединений. Прекращение одного из этих процессов привод к гибели клетки. Так, действие некоторых ядов, например цианидов, заключается в подавлении внутриклеточного ресинтеза АТФ, и смерть организма наступает почти мгновенно из-за того, что все энергозависимые реакции останавливаются, как только запас АТФ будет исчерпан.

Рис.5. Структурная формула молекулы АТФ содержащая две макроэргические связи.

Энергия высвобаждающаяся при гидролизе АТФ обеспечивает все энергозависимые процессы, протекающие в клетках и в организме в целом. В первую очередь, это обеспечение реакций синтеза молекул, вт.ч. и макромолекул. Энергия АТФ используется также и для движения, например мышечное сокращение, для активного транспорта ионов и молекул (Na⁺ K⁺ - насос), генрация электрических сигналов (потенциал действия) и др.

Как уже отмечалось, основными макромолекулами, синтезируемыми клетками, являются полинуклеотиды (ДНК и РНК), полисахариды и белки. Эти макромолекулы необычайно разнообразны по структуре и представляют собой наиболее сложные из известных молекул. Несмотря на это, они синтезируются из относительно небольшого числа малых молекул (называемых мономерами или субъединицами) с помощью ограниченного набора

химических реакций. Присоединение мономеров к белкам, полинуклеотидам и полисахаридам крайне упрощенно показано на рис. 6. Хотя в реакциях синтеза каждого полимера участвуют ковалентные связи разных типов, а также различные ферменты и кофакторы, тем не менее все эти реакции обнаруживают сильное сходство. Присоединение мономеров в каждом случае происходит путем реакции дегидратации - удаления молекулы воды

из состава реагирующих соединений. Для образования указанных полимеров требуется химическая энергия, обеспечиваемая в конечном счете обычным путем сопряжения реакциибиосинтеза с энергетически выгодной реакцией гидролиза АТФ. Для всех трех типов макромолекул по крайней мере один из вовлеченных в процесс нуклеозидтрифосфатов расщепляется с образованием пирофосфата, который в дальнейшем в свою очередь гидролизуется, поставляя дополнительное количество необходимой для реакции энергии Активированные промежуточные продукты реакций полимеризации могут быть ориентированы двояко, обусловливая полимеризацию либо «с хвоста», либо «с головы». При полимеризации «с головы» активированная связь находится на конце растущего полимера и, следовательно, должна регенерировать при каждом присоединении мономера В этом случае каждый мономер приносит с собой активированную группу, которая будет использована в реакции со следующим мономером данной последовательности (рис. 2-34). При полимеризации «с хвоста» активированная связь, которую несет с собой каждый новый мономер, будет использована для присоединения этого мономера. Для синтеза биополимеров

используются оба типа полимеризации. В то время как синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисахаридов происходит путем полимеризации «с хвоста», синтез белков осуществляется посредством полимеризации «с головы». В синтетических процессах участвуют и другие реакционноспособные молекулы-переносчики, называемые коферментами, которые переносят в ходе биосинтеза иные химические группы; например, NADPH переносит водород - в виде протона и двух электронов (гидрид-ион), а ацетил-СоА переносит ацетильные группы.

Рис.6. Схематическое изображение реакций полимеризации, приводящих к синтезу биологических полимеров трех типов. В каждом случае при синтезе происходит потеря молекулы воды (дегидратация). На рисунке не отражен тот факт, что перед присоединением каждого из мономеров последние должны быть активированы высокоэнергетическими нуклеозидтрифосфатами. Обратная реакция - распад полимеров всех трех типов

осуществляется путем простого присоединения молекул воды (гидролиз).

Рис. 7. Схематичное изображение ряда последовательных реакций метаболизма (метаболических путей), протекающих в клетке.

А. Около 500 общих метаболических реакций расходятся в разных направлениях от гликолитического пути и цикла лимонной кислоты (выделено коричневым цветом). Каждая химическая реакция представлена в виде сплошного кружка. Типичная клетка млекопитающего синтезирует более 10000 белков, большая часть которых - ферменты.

Б. Путь синтеза холестерола из ацетил-СоА (выделено розовым цветом). Справа и внизу показана последовательность реакций синтеза холестерина.

Дата добавления: 2014-01-11