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:

	R-C-O ~(P) || O

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).

	СН2О(Р) СН3 СООН | | | CHOH C=O CH2 | \ | C=O O~ (P) CH2 \ ацетилфосфат | O~ (P) C=O 1,3-дифосфоглицериновая \ кислота O~(P) сукцинилфосфат

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:

	НООС-СН-СН2-СН2 –СН2-NH-C - N~(P) | || | NH2 NH H

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.

	СН3-С~S-КоА СН3-СН2-С~S-КоА || || O O ацетилкофермент А 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:

	НС = CH | >N~C-CH3 N = CH || O

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:

АТФ + Н₂О глутамин + Н₂О   DG°΄_экз..= -30,6 кДж/моль DG°΄энд. = +14 кДж/моль   АДФ + Н₃РО₄ глутаминовая кислота + NH₃

O // СН₂-СООН СН₂-C-NH₂ | | CH₂ + NH₃ + АТФ ¾® CH₂ +АДФ + Н₃РО₄ | | CHNH₂-COOH CHNH₂-COOH глутаминовая кислота глутамин |  

Суммарное уравнение сопряжённого синтеза глутамина с участием АТФ под действием фермента глутаминсинтетазы можно записать следующим образом:

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 АТФ^4–, которые в физиологической среде активно взаимодействуют с катионами магния Mg²⁺, образуя устойчивые комплексы MgАТФ^2–.

	Mg²⁺   O^- O^- O^- | | | O^--P~O- P~O- P-O-аденозин || || || O O O

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.

Дата добавления: 2014-01-11