Фотосинтез 4 страница

У кишечной палочки есть три белка, ответственных за переработку дисахарида лактозы. Один из них транспортирует его в клетку, другой (трансацетилаза) присоединяет к нему ацетильную группу, третий расщепляет дисахарид на глюкозу и галактозу. Они кодируются определенными отрезками ДНК, идущими друг за другом. Все три участка транскрибируются и транслируются в виде единой мРНК, так что все три соответствующих белка появляются в клетке вместе. Следовательно, на все три участка имеется один общий промотор (напомним, что это участок ДНК, характеризующийся особой последовательностью нуклеотидов, с которого начинается транскрипция). Между промотором и первым геном имеется короткий участок ДНК – оператор, который, как и промотор, не кодирует никаких аминокислот, но зато опознается определенным белком- репрессором. В отсутствие лактозы – субстрата белков, кодируемых всеми тремя генами, репрессор связывается с оператором и преграждает продвижение РНК-полимеразы от промотора к генам. В результате гены не транскрибируются и белки не синтезируются. Однако у репрессора есть центр связывания лактозы. При появлении в клетке лактозы она связывается этим центром и меняет конформацию репрессора таким образом, что тот теряет способность связываться с оператором и отходит от него. Ничто более не сдерживает продвижение РНК-полимеразы, мРНК транскрибируется и транслируется. Таким образом, появление в среде субстрата – лактозы – индуцирует синтез ферментов, которые могут ее утилизировать.

В этом примере все три белка кодируются генами, которые расположены вместе и регулируются, транскрибируются и транслируются также вместе. Такая система, включающая промотор, оператор (или несколько операторов) и обслуживаемые ими гены белков, называется опероном. Оперонная организация генов обеспечивает, во-первых, слаженность синтеза функционально связанных белков, во-вторых, общую регуляцию их синтеза в зависимости от наличия / отсутствия субстрата.

В различных оперонах применяется четыре способа регуляции. Рассмотренный нами способ – это негативная индукция. Негативная – потому что имеется белок-репрессор, выключающий работу гена; индукция – потому что некое вещество, в данном случае субстрат, включает работу гена. Кроме индукции бывает репрессия – когда появление внешнего вещества, наоборот, выключает ген. Допустим, это продукт реакции, при избытке которого нужно ее остановить. И кроме негативных индукции и репрессии бывает и позитивная индукция и репрессия – когда регуляторный белок является не репрессором, а активатором. Активатор также связывается со специфичной регуляторной последовательностью ДНК, но это не препятствует, а, наоборот, способствует транскрипции гена – к примеру, помогает РНК-полимеразе связаться с ДНК. Интересно, что в рассмотренном случае кроме негативной индукции присутствует и позитивная репрессия. Перед промотором есть еще и активатор, который в присутствии глюкозы – более эффективного пищевого ресурса – не работает, а в ее отсутствие – способствует связыванию РНК-полимеразы с промотором.

Ген, кодирующий белок-репрессор, находится непосредственно перед lac-опероном. Но это не всегда и не обязательно так – ген регуляторного белка может находиться где угодно, а сам белок все равно свяжется с тем местом на ДНК, к которому у него есть сродство. Такие регуляторные вещества, поступающие из других мест, называются транс - факторами. А вот участок ДНК, с которым он связывается, принципиально должен находится по соседству с регулируемыми генами, такие регуляторные элементы называются цис-факторами.

В клетке кишечной палочки найдено и предсказано 2 584 различных оперона, в которых применяются разные принципы регуляции.

А вот у эукариот оперонов практически нет. У многоклеточных организмов регуляция жизнедеятельности больше идет на уровне физиологии целого организма. При этом с внешней средой взаимодействуют одни клетки (допустим, кожа, пищеварительный тракт, органы чувств), а реакция должна состояться в другом месте – в мышцах, железах. Зачастую белок формируется в одном месте, а используется совсем в другом.

Изменения в транскрипции генов в ответ на воздействия внешней среды на многоклеточный организм происходят с участием внутренних посредников – гормонов, а у животных также и нервных импульсов, (которые в конечном счете тоже сводятся к воздействию на клетки определенных веществ-посредников) – медиаторов. Кроме того, для многоклеточных очень важно, чтобы сам этот сложный организм правильно формировался по определенной, очень сложной программе. Ее разворачивание предполагает каскад специфических сигналов (транс-факторов), представляющих собой белковые продукты регуляторных генов. Эти сигналы очень узко направлены – их адресатами является небольшое число генов, многие из которых также представляют собой регуляторные гены. Таким образом, транс-факторы эукариот можно грубо разбить на два типа – продукты регуляторных генов и рецепторы, связавшиеся с гормонами или медиаторами.

Как следствие всех этих обстоятельств каждый ген у эукариот регулируется независимо и в начале каждого (а иногда внутри и вокруг него) имеется протяженная регуляторная область цис-факторов, с которой связываются многочисленные транс-факторы – активаторы и репрессоры.

И наконец, транкрипция эукариотических генов зависит от характера укладки ДНК в хромосомах и того, с какими структурными белками хроматина и как именно она связана. Об этом будет сказано в дальнейшем.

Кстати, у эукариот есть еще одно отличие от прокариот. Матричная РНК, образовавшаяся после транскрипции, прежде чем послужить матрицей для синтеза белка, под действием специальных ферментов претерпевает определенные изменения под общим названием процессинг. А именно:

– к ее 5’-концу пришивается гуанинтрифосфат в обратной ориентации – это нужно для правильной фиксации ее начала на рибосоме;

– к 3’-концу в определенном месте, как правило, присоединяется последовательность РНК, состоящая из одних аденинов – это помогает мРНК некоторое время не расщепляться РНКазами;

– с той же целью защиты от РНКаз, будучи подобным образом модифицированы, оба конца мРНК соединяются друг с другом, так что мРНК оказывается свернутой в кольцо;

– из середины большинства мРНК вырезаются куски, которые не кодируют аминокислот – интроны. Все это выглядит нелепой тратой вещества и энергии – зачем производить мРНК длиннее, чем это нужно. Однако вырезание интронов из одной и той же мРНК может происходить по нескольким разным схемам, что позволяет порождать дополнительное разнообразие синтезируемых белков. Кроме того, вырезанные интроны иногда приспосабливаются для выполнения каких-то функций, в основном регуляторных.

В первой лекции мы уподобили живые организмы компьютерам, так как и те и другие суть системы, существующие за счет преобразования информации. Сегодня мы ознакомились с некоторыми принципами строения биологического компьютера, в частности увидели, где у него находится и как устроен носитель долговременной памяти и как информация с него считывается. Обратим внимание на одно важное обстоятельство. Из области бытовой техники вы знаете, что существует два способа записи и воспроизведения сигнала – аналоговый и цифровой. Аналоговый способ реализован, к примеру, при записи звука на пластинку. Колебания воздуха преобразуются в колебания электрического поля, а те – в извилистую бороздку на пластмассе, конфигурация которой повторяет профиль исходной звуковой волны. Звуковая волна записана в этой бороздке посредством прямого преобразования одних сил, способных меняться плавно и на произвольную величину, в другие. При воспроизведении происходит обратный процесс.

Вы знаете, что есть другой принцип записи звука – цифровой. При этом профиль звуковой волны закодирован в виде ее числовых параметров и эти параметры записаны на магнитном или оптическом компьютерном носителе в виде чередования нулей и единиц, т. е. в дискретном виде. При преобразовании аналогового сигнала (звуковая волна) и цифрового (магнитный носитель) и обратно используются процессы, идущие по закону «все или ничего» (ток идет – тока нет), причем процессы, меняющиеся плавно (давление воздуха, напряжение электрического поля в мирофоне), постепенно расщепляются на каскад дискретных процессов в компьютере и обратно.

В том, с чем мы сегодня однакомились, можно усмотреть оба типа сигналов – аналоговый и цифровой. Передача и кодировка дискретных (т. е. по сути – цифровых) сигналов имеет место в явлениях матричного биосинтеза. Это точная репликация ДНК, перевод с языка ДНК на язык РНК при транскрипции, с языка РНК на язык аминокислот при трансляции. И сами эти языки, состоящие в последовательности 4 или 20 букв – дискретных мономеров – нуклеотидов и аминокислот, соответственно ничем (только количеством букв) принципиально не отличаются от двоичного, т. е. двухбуквенного (0 и 1) внутреннего, языка компьютера. Однако управление всеми этими процессами с помощью регуляторных белков основано на изменениях концентраций тех или иных веществ – как самих регуляторных белков, так и низкомолекулярных индукторов или репрессоров. Информация от внешнего мира поступает в клетку в виде концентраций тех или иных веществ – питательных, таких как глюкоза, или специальных сигнальных – таких как гормоны. Концентрации могут меняться плавно, и в соответствии с ними интенсивность транскрипции тоже менятся плавно. Это типичный случай аналогового преобразования сигнала.

Если способ записи в ДНК информации о структуре белков довольно выразителен и весь основан на принципе комплементарного спаривания нуклеотидов – в двойной цепи ДНК, при синтезе ДНК и РНК, при спаривании антикодона тРНК с кодоном матричной РНК, то способ записи в ДНК информации по управлению синтезом белков менее нагляден. Здесь также все основано на существовании в ДНК строго определенных последовательностей нуклеотидов. Но в данном случае эти последовательности распознаются соответствующими специальными белками без комплементации и даже без расплетания двойной цепочки ДНК. Эти белки буквально нащупывают столь слабые зацепки, как определенная конфигурация атомов следующих друг за другом пар спаренных нуклеотидов внутри бороздок двойной цепочки ДНК. Эту конфигурацию и то, как она опознается белками, не покажешь на простых моделях. Однако именно на таких взаимодействиях (белок – ДНК) основана вся регуляция функционирования генетической информации и тем самым существование любого живого организма, простого или сложного.

В этой лекции мы ознакомились с достаточно сложными веществами и процессами, на которых основана вся наша форма жизни. Надеемся, что вам удалось почувствовать одновременно и их сложность, и их красоту, а также общность всей этой уникальной сложной организации у всего живого.

Лекция 5. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛЮКОЗЫ

Это довольно сложный предмет. Проблемы начинаются с самого названия – как ни назови, все равно будет ассоциироваться с «биоэнергией», которая сейчас в большой моде. Никто не знает, что это такое, но большинство убеждено, что это могучая сила, влияющая фактически на все, нечто вроде нечистой силы или божественного провидения, кому как больше нравится. Между тем, как мы уже уяснили, живые организмы получают, преобразуют и используют самую обычную энергию. Предмет этот по-своему красивый, но речь пойдет об очень сложных процессах, ясное понимание которых требует определенного образования – это самая что ни есть биохимия, причем достаточно сложная. И поскольку дело касается энергии, для ее понимания необходимы знания по физхимии. Тем не менее, необходимо ознакомить вас с наиболее важными процессами хотя бы поверхностно, с тем чтобы вы представляли в общих чертах, как это происходит, и в то же время почувствовали объем предмета. Для усиления вашего собственного интереса к нему попробуйте прочувствовать тот факт, что то, с чем мы сейчас познакомимся, равно как и все, с чем мы познакомились до сих пор, происходит не в какой-то пробирке в некоей лаборатории (хотя именно там выяснялось, как именно оно происходит), но непосредственно внутри нас, в каждой клетке нашего тела, в том числе и в клетках мозга, при помощи которого мы пытаемся что-то понять, в любую минуту и с огромной скоростью.

Мы начали наше знакомство с биологией с химии, затем перейдем к клетке, а потом – к организму. По мере того как мы будем переходить ко все более крупным структурам, т. е. по мере удаления от молекул и приближения к объектам, наполняющим нашу обыденную жизнь, понимание станет даваться все легче и легче. И это неудивительно, так как наши мозги создавались эволюцией для того, чтобы руководить нами в макромире. Процессы же на микроуровне протекают автоматически и самопроизвольно, без нашего на то соизволения. Но и они точно так же создавались в ходе эволюции, только это происходило на гораздо более ранних ее этапах.

Биохимические процессы в организме представляют собой сложнейшие пути превращений веществ одни в другие и их транспорта из одних мест в другие. Эти пути можно изобразить схематически, получаются схемы чудовищной сложности, иногда изображаемые на весьма поучительных плакатах. Для того чтобы ознакомиться с этими путями, нужно выбрать ниточку, с которой начать путешествие по этому лабиринту, и тот пункт, к которому нам следует прийти. Начнем с конца.

Для чего организму нужна энергия? Почти все процессы в нем осуществляются путем ферментативных реакций, многие из которых идут с затратами энергии. Как мы помним, подавляющее большинство ферментативных реакций, протекающих с затратой энергии, требует для своего протекания молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), являющуюся универсальным энергоносителем внутри клетки (см. рис. 4.3). Энергия накоплена в связях между тремя последовательно соединенными остатками фосфорной кислоты (их называют макроэргическими связями). В ходе «затратных» ферментативных реакций молекула АТФ дефосфорилируется и преобразуется в АДФ (аденозиндифосфат – почти та же самая молекула, что и один из мономеров РНК). Нужно пояснить, что на самом деле разрыв любой химической связи требует затраты какого-то количества энергии. Однако гидролиз макроэргической связи дает энергетический выигрыш, который составляет около 30 кДж / моль (а моль – это число Авогадро молекул, т. е. 6 ´ 10²³ штук). Кроме того, реакция расщепления макроэргической связи идет только в том случае, если концентрация АТФ значительно превышает концентрацию продуктов ее гидролиза, поэтому живые клетки вынуждены поддерживать ее на высоком уровне.

Мышечное сокращение – первое, что приходит нам как мощным механическим устройствам на ум в связи с вопросом о затратах энергии – также требует молекул АТФ. Хотя действие сократительных белков не является ферментативной реакцией, сущность его остается та же – определенное изменение конформации белка при гидролизе фосфодиэфирных связей в молекуле АТФ. Почему-то редко вспоминают об энергозатратах в связи с высшей нервной деятельностью (наверное, мы все же в большей степени атлеты и механизмы, чем мыслители). А они не маленькие – вспомните, как хочется есть в процессе учебы. И расходуется здесь та же самая АТФ.

Итак, нам сейчас нужно рассмотреть, каким путем организм синтезирует свою АТФ. Конечным пунктом нашего путешествия будет именно эта молекула.

С чего мы начнем? Давайте начнем с молекулы глюкозы. Это вещество является энергоносителем нашей крови. Именно оно образуется при переваривании углеводов пищи и расходовании запасов жиров под кожей и гликогена в печени. Опять-таки глюкоза – это то самое органическое вещество, которое образуется растениями в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. У растений глюкоза и фруктоза так же служат переносчиками вещества и энергии – они образуются в листьях и транспортируются к стеблям, корням, цветам, плодам. И наконец, та же глюкоза является питательным веществом для большинства бактерий.

Итак, мы намерены путешествовать по биохимическим путям от глюкозы к АТФ. Первая – это универсальный энергоноситель в многоклеточном организме, а второе – универсальный энергоноситель в клетке. Немного сменив аналогию, мы можем сказать, что собираемся рассмотреть механизм конвертации валют – с межнациональной на национальную (хотя у людей все национальные валюты разные, а у клеток – одна и та же).

При раскручивании биохимической цепочки следует иметь в виду, что все процессы получения энергии живыми организмами происходят в результате окислительно-восстановительных реакций, при которых происходит перенос электрона с одной молекулы (восстановитель, донор электронов) на другую (окислитель, акцептор электронов). При этом роль акцептора электронов играют либо органические молекулы, либо кислород. На нашем пути встретятся оба способа

Начнем с момента, когда глюкоза попадает в клетку и используется именно в качестве источника энергии (а не для построения полисахаридов, к примеру). Конечными химическими продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода. То же самое получилось бы, если бы мы просто сжигали глюкозу. Однако, в отличие от горения, энергетический выигрыш от такой перекомбинации атомов не уходит в окружающую среду в виде тепловой энергии, а аккумулируется в виде энергии определенных химических связей. Сам же процесс отличается большой сложностью и включает множество органических веществ определенной структуры. Среди всей этой сложности отрадно, что механизм этого процесса – один и тот же у большинства живых существ.

А первая его стадия, которая может проходить в отсутствие кислорода, – одинакова у всех. Она называется гликолиз. По сути гликолиз представляет собой окисление глюкозы, так что общее количество связей углерода с кислородом увеличивается, причем роль окислителя играет не кислород, а особое органическое вещество, тогда как дополнительные атомы кислорода поступают от фосфорной кислоты. Общая последовательность гликолиза такова. К молекуле глюкозы присоединяются два остатка фосфорной кислоты. Связь фосфор–кислород в фосфорной кислоте энергетически насыщена, что дестабилизирует молекулу и облегчает ее расщепление на два фосфорилированных трисахарида. Дефосфорилирование трисахаридов сопровождается сопряженным фосфорилированием аденозина с образованием АТФ. Хитрость заключается в том, что двойное фосфорилирование одной молекулы глюкозы требует затраты двух молекул АТФ, которые дефосфорилируются до АДФ. Однако дальнейшее преобразование каждого из трисахаридов приводит к образованию двух молекул АТФ, а так как глюкоза распадается на два трисахарида, то в сумме образуется четыре молекулы АТФ. Это означает выигрыш в две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Мы наблюдаем прямо таки молекулярный бизнес, где капитал в две АТФ приносит 100 %-ю прибыль. Но если клетка жива, у нее всегда найдутся свободные оборотные средства. (Еще раз напомним, что АТФ может служить источником энергии только при высоких концентрациях.)

В процессе гликолиза есть еще один энергетический выигрыш. Есть такое вещество – никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Он является коферментом многих ферментов. Это действительно динуклеотид, одна из его составляющих – хорошо знакомый нам аденин. Другой же нуклеотид содержит новое для нас азотистое основание – никотиновую кислоту (это не совсем то же, что никотин, но очень близко по строению). Как и большинство коферментов и их составляющих, никотиновая кислота является одним из витаминов – РР. НАД существует в двух формах – восстановленной (НАД-H, в здесь в русской записи приходится комбинировать русскую аббревиатуру и латинский символ для атома водорода) и окисленной (НАД+), последняя образуется путем отнятия от НАД-Н атома водорода и дополнительного электрона и представляет собой положительно заряженный ион (рис. 5.1). Именно НАД+ является тем окислителем, за счет которого осуществляется окисление глюкозы в процессе гликолиза. В то же время это окисление дает нам дополнительный энергетический выигрыш при гликолизе, поскольку восстановленная форма НАД-Н является энергонасыщенным состоянием и восстановление НАД+ до НАД-Н требует затраты энергии.

Восстановленная форма HАД-Н является сильным восстановителем, то есть донором электронов. При этом она же является донором атомов водорода. Далее мы увидим, что НАД-H играет важную роль в синтезе АТФ, т. е. в процессах получения энергии. Но участием в качестве посредника в процессах расщепления органики в целях получения энергии его функция не ограничивается. Как мы убедимся на следующей лекции, та же молекула в немного модифицированной форме является важнейшим ресурсом при синтезе органики, в качестве донора водорода, электронов и энергии.

Процесс гликолиза включает восстановление молекулы НАД+ до НАД-H. В анаэробном варианте гликолиза, который идет в отсутствие кислорода, эта молекула в дальнейшем снова окисляется.

Гликолиз – это достаточно сложная последовательность ферментативных реакций, как видно из рис. 5.2. Гликолиз распадается на несколько этапов, каждый из которых катализируется определенными ферментами:

1) Присоединение остатка фосфорной кислоты с превращеним глюкозы в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкокиназы – этот процесс идет с затратой одной молекулы АТФ.

2) Изомеризация – превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат.

3) Дополнительное фосфорилирование фруктозо-6-фосфата – также идет с затратой молекулы АТФ.

4) Расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на два фосфорилированных трехатомных сахара (триозофосфата): дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидфосфат. Эти продукты способны переходить один в другой при помощи специального фермента – изомеразы. В последующие реакции гликолиза вступает глицеральдегидфосфат, который тем самым расходуется, а пополняется он, в том числе и за счет превращения в него дигидроксиацетонфосфата.

5) Глицеральдегид-3-фосфат еще раз фосфорилируется, причем для этого используется свободная фосфорная кислота из раствора. В отличие от всех предыдущих актов фосфорилирования, которые шли с затратой молекулы АТФ, эта реакция сопровождается энергетическим выигрышем, который идет на восстановление молекулы окисленной формы никатинамидадениндинуклеотида (НАД+) в его восстановленную форму (НАД-H). Непривычный для нас энергетический выигрыш вместо энергетической затраты при фосфорилировании можно объяснить тем, что если в предыдущих случаях фосфатная группа переносится с одной молекулы (АТФ) на другую (расщепляемый сахар), то в данном случае в ходе реакции происходит еще и взаимная нейтрализация аниона (один из кислородов остатка фосфорной кислоты из раствора) и катиона (НАД+), которая и дает необходимую энергию.

6) Только что присоединенный остаток фосфорной кислоты снова отщепляется, присоединяясь к аденозиндифосфату – с образованием вожделенной АТФ. Если до второго фосфорилирования мы имели глицеральдегид-3-фосфат, то теперь мы имеем глицерат-3-фосфат – альдегидная группа заменилась на кислотную, причем эта молекула – отрицательно заряженная. При этом к углероду присоединяется дополнительный атом кислорода, который происходит из остатка фосфорной кислоты, пришедшего из раствора.

7) Фосфатная и гидроксильная группа меняются местами.

8) От получившегося глицерат-2-фосфата отщепляется молекула воды с образованием двойной связи и енольной группы – формируется фосфоенолпируват.

9) Он дефосфорилируется с образованием пирувата (пировиноградной кислоты), при этом остаток фосфорной кислоты снова идет на образование молекулы АТФ – второй в ходе преобразования триоз.

Итак, результатом гликолиза являетяс пируват. Как видим, это очень окислнная молекуля, на три ее атома углерода приходится пять связей с кислородом.

Большая часть реакций гликолиза обратима, но несколько практически необратимы. Поэтому при необходимости, наоборот, синтеза глюкозы из пирувата организм использует другие пути.

Если мы рассматриваем анаэробный, т. е. протекающий в отсутствии кислорода, гликолиз, то пируват восстанавливается до лактата; в более привычных названиях, пировиноградная кислота – до молочной кислоты. При этом к молекуле присоединяется два атома водорода и кетонная группа превращается в гидроксильную. Как и в любой окислительно-восстановительной реакции, если что-то восстанавливается, что-то должно, наоборот, окисляться. В данном случае НАД-H окисляется до НАД+, таким образом восстанавливается статус-кво – в реакцию гликолиза входил окисленный НАД+ и его же мы и получили.

Именно гликолиз ответствен за хорошо нам знакомые процессы скисания (молока) и сквашивания (овощей, грибов, рыбы). В кисломолочных и соленых продуктах накапливается именно молочная кислота – лактат. У дрожжей пируват превращается не в лактат, а в этиловый спирт. Эта реакция идет не за один этап, а за два и также сопровождается окислением НАД-H. Некоторые бактерии восстанавливают пируват до янтарной или масляной кислот.

Не надо думать, что анаэробный гликолиз – это удел исключительно анаэробных бактерий типа возбудителя ботулизма. При интенсивных нагрузках кровеносная система не успевает снабжать кислородом работающие мышцы. При этом часть пирувата не расходуется, а преобразуется в лактат, как и у анаэробных бактерий, поскольку НАД-H должен быть окислен, если не кислородом (когда его не хватает), то пируватом, с восстановлением последнего до лактата. У большинства современных организмов, дышащих кислородом, пируват не превращается в лактат, а утилизируется дальше. Он поступает в каскад ферментативных реакций, в ходе которого расходуется кислород, образуется углекислота и синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме называются клеточным дыханием.

Обратим ваше внимание на то, что клеточное дыхание состоит из двух процессов. В ходе одного из них углерод окисляется до углекислого газа, но молекулярный кислород не расходуется – атомы кислорода берутся из органических веществ, фосфорной кислоты и воды, которая здесь не выделяется, а расходуется. При этом образуются излишки водорода, которые идут на восстановление коферментов. В ходе второго процесса коферменты окисляются и отдают водород (который сначала разделяется на протоны и электроны, имеющие разную судьбу), именно здесь он связывается с молекулярным кислородом с образованием воды. АТФ образуется преимущественно в ходе второго процесса. Первый процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса, второй – окислительным фосфорилированием.

Следует сделать оговорку относительно места происходящего. Вы помните, что всё живое состоит из клеток. У клеток всех многоклеточных организмов и части одноклеточных имеется клеточное ядро – эти организмы называются эукариоты. В ядре находится ДНК. Содержимое клетки вне ядра называется цитоплазма. В цитоплазме имеются различные органеллы – те или иные структуры. Среди органелл имеются так называемые митохондрии. Они выглядят как цилиндрические тельца, окруженные двойной мембраной – внешней и внутренней (рис. 5.3). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки внутрь митохондрии – кристы. Наверное, вы слышали и о существовании митохондрий и о том, что они являются энергетическими станциями клетки.

Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме. Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого продукт гликолиза – пируват – должен попасть внутрь митохондрий.

Итак, мы в митохондрии. Каскад реакций клеточного дыхания начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. Ацетил-coA – одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и используется при их синтезе. Во всех этих случаях он является реакционноспособным носителем ацетильной группы. В одних реакциях она используется для синтеза органических веществ, в других – для их «сжигания» в качестве топлива. Поэтому ацетил-coA является важнейшим посредником во множестве биохимических процессов, связанных с обменом вещества и энергии. Посмотрим на это замечательное вещество, представленное на рис. 5.4.

Мы снова видим знакомый нуклеотид аденозин, потом – довольно длинную углеводородную цепь, включающую атомы азота и заканчивающуюся атомом серы, к которой и присоединена ацетильная группа. (Молекула без ацетильной группы – это просто кофермент А.)

Ацетил-coA образуется с затратой молекулы пирувата в ходе сложной реакции, катализируемой целым комплексом из трех ферментов и пяти коферментов, прикрепленным к митохондриальной мембране – пируватдегидрогеназным комплексом. При этом от молекулы пирувата отщепляется молекула диоксида углерода, а оставшаяся от него ацетильная группа присоединяется к коферменту А, с образованием ацетил-соА. Реакция имеет энергетический выигрыш и предполагает образование лишнего атома водорода. И тот, и другой идут на восстановление одной молекулы НАД+ до НАД-H. В этой реакции мы впервые видим, как атом углерода переходит из органического вещества в углекислый газ. Еще раз заметим, что это происходит без участия молекулярного кислорода – кислород также поступает из органического вещества.

Впереди нас ждет еще два таких же события, так что в конечном счете в углекислый газ уйдут все три атома углерода, имевшихся в молекуле пирувата. Таким образом, весь углерод, поступивший из глюкозы, переходит сначала в пируват, а потом в углекислый газ. Заметим, что во всех случаях опять-таки будет использован кислород, имевшийся в составе органических веществ. Куда же уйдут лишние атомы водорода? Они пойдут на восстановление НАД+ до НАД-H и на восстановление еще одного кофермента. Вспомним, что после гликолиза у нас уже остается одна восстановленная молекула НАД-H (которая при наличии клеточного дыхания не тратится на превращение пирувата в лактат).

Дата добавления: 2014-11-16