Макроэргические соединения

В живом организме нет прямого перехода энергии от источника (энергогенерирующего процесса) к потребителю (биологическому преобразователю энергии). Непосредственное использование потенциальной химической энергии, содержащейся в молекулах пищевых веществ, невозможно потому, что при разрыве внутримолекулярных связей выделяется такое огромное количество энергии, что она не может быть аккумулирована внутриклеточными ферментными системами и способна вызвать повреждение этих систем. Для процессов, совершающихся в живом организме, характерно ступенчатое освобождение свободной энергии с одновременным преобразованием ее в химическую энергию макроэргических соединений или электрохимический потенциал на клеточных мембранах.

Макроэргические соединения это соединения, содержащие макроэргическую связь. Макроэргическими называются химические связи, свободная энергия гидролиза которых составляет не менее 21 кДж/моль. Эти связи обозначают знаком ~ (тильда). Говоря об энергии макроэргических связей, в биохимии имеют в виду не действительную энергию ковалентной связи между атомами, как это принято в физической химии, а лишь разность между значениями свободной энергии (∆G) исходных реагентов и продуктов реакций гидролиза макроэргических соединений. «Энергия связи» в этом смысле, строго говоря, не локализована в данной связи, а характеризует реакцию в целом. Поэтому правильнее говорить не о возникновении макроэргической связи, а об образовании в процессе химического сопряжения нового макроэргического соединения.

Универсальной формой запасания свободной энергии для всего живого мира является энергия макроэргических связей АТФ: все преобразования энергии в процессах жизнедеятельности осуществляются через аккумуляцию энергии в этих связях и её использование при их разрыве. Значение ∆G для этих реакций представляет собой как бы «биологический квант» энергии, т.к. все преобразования энергии в организмах происходят порциями, примерно равными ∆G. При ферментативном гидролизе АТФ в клетке отщепляющаяся фосфатная группа переносится на субстрат, запас энергии в котором оказывается в результате больше, чем в исходном соединении.

Величина изменения свободной энергии в реакциях переноса зависит как от природы переносимой группы, так и от природы молекулы акцептора. При сравнении потенциала переноса групп различных соединений необходимо пользоваться единым стандартным акцептором. В качестве такого акцептора обычно принимают молекулу воды и выражают потенциал переноса в виде свободной энергии реакции гидролиза данного соединения.

Потенциал переноса измеряется в кДж на 1 моль групп донора, переносимых на стандартный акцептор при стандартных (одномолярных) концентрациях. В таблице 1 представлены величины ∆G⁰ (при рН=7, Т=25⁰С) основных макроэргических соединений и органических соединений с нормальными связями.

Таблица 1. Свободная энергия гидролиза некоторых соединений.

Соединение	∆G^0, кДж/моль
Фосфоенолпируват	-61,9
1,3-дифосфоглицерат	-49,4
Карбамоилфосфат	-51,5
Ацетилфосфат	-43,15
Креатинфосфат	-37,7
Сукцинил-КоА	-33,5
Ацетил-КоА	-31,4
АТФ (до АМФ)	-31,8
АТФ (до АДФ)	-31,0
АДФ (до АМФ)	-28,3
Глюкозо-1-фосфат	-20,7
Фруктозо-6-фосфат	-15,8
Глюкозо-6-фосфат	-13,8
Глицерофосфат	10,0

Сопоставляя величины потенциалов переноса, можно выяснить, является ли определенная комбинация реакций термодинамически вероятной. В условиях стандартных концентраций происходит самопроизвольный перенос групп от соединений, у которых потенциал переноса высок, к соединениям, у которых он ниже. Так, АТФ, находящаяся в середине шкал значений потенциала переноса групп, способна акцептировать фосфорную группу от тех соединений, которые в реакциях энергетического метаболизма выполняют роль первичных макроэргов и имеют более высокий потенциал переноса. Вместе с тем АТФ может переносить фосфорные группы на молекулы соединений, относящихся к «низкоэнергетическим» фосфатам, у которых потенциал переноса групп ниже, чем у АТФ.

Большинство макроэргических соединений представляют собой ангидриды фосфорной кислоты и какой-либо другой кислоты, или фосфорные эфиры енолов. Первично возникающие в ходе реакций химического сопряжения макроэргические соединения отличаются высокой нестабильностью в водной среде. Они легко подвержены гидролизу, что ведет к рассеиванию энергии окисления в виде тепла. Поэтому для того, чтобы сохранить энергию и использовать ее в процессах, идущих с потреблением энергии, первично возникшая макроэргическая связь должна быть перенесена на молекулу соединения, обладающего достаточно высокой устойчивостью в водной среде. В большинстве случаев макроэргические фосфорные соединения при участии фосфотрансфераз переносят фосфатную группу на молекулу АДФ, выполняющую в клетке роль универсального акцептора высокоэнергетического фосфата. Образующаяся в итоге подобных реакций переноса АТФ выступает затем как специфический донор фосфатных групп в других ферментативных реакциях.

Дата добавления: 2015-05-08