Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
Биосинтез; как образуются новые молекулы
Биосинтез мономеров
Роль карбонильных групп в образовании и в разрыве цепей
Рассмотрим общую проблему биосинтеза мономеров, из которых построены биополимеры.
За исключением некоторых реакций, протекающих в присутствии витамина В12, углерод-углеродные связи редко рвутся без участия карбонильных групп, откуда следует, что карбонильные группы играют центральную роль в механизмах биосинтеза. ß-Конденсация, которая имеет место в процессах биосинтеза, становится возможной в результате активации атомов водорода, находящихся в ß-положении относительно карбонильных групп. Конденсация карбонилсодержащих соединений с тиаминднфосфатом обусловливает возможность реакций ß-конденсации. Альдольные конденсации требуют участия двух карбонильных соединений.
Важная роль карбонильных групп в механизмах реакций конденсации указывает на то, что формирование как линейных, так и разветвленных углеродных цепей (происходит при взаимодействиях соединений, средняя степень окисленности атомов углерода в которых аналогична степени их окисленности в углеводах (или в формальдегиде Н2СО). Разнообразие химических реакций, в которых могут принимать участие соединения, находящиеся в этом состоянии окисления, максимально, и это обстоятельство позволяет понять, почему углеводы и близкие к ним соединения составляют большинство биосинтетических предшественников и почему средняя степень окисленности углерода в большинстве соединений, входящих в состав живых организмов, близка к степени окисленности атомов углерода вуглеводах [14]
На рис. 11-3 некоторые биологически активные соединения расположены по мере возрастания степени окисленности углерода. Видно, что большинство биологически важных промежуточных соединений отличается по степени окисленности от углеводов всего лишь на ±2 электрона, причем по мере удлинения цепи это различие имеет даже тенденцию к уменьшению. Исключительно трудно перемещаться при помощи ферментативных процессов между соединениями, содержащими 2, 3 и 4 атома углерода (т. е. в вертикальном направлении на рис. 11-3), если только они не находятся на уровне окисленности углеводов или соединений, расположенных правее, на несколько более высоком уровне окисленности. В то же время часто бывает возможно перемещаться по горизонтали, с лепкостью используя окислительно-восстановительные реакции. Например, жирные кислоты «собираются» из ацетатных единиц, которые расположены на том же окислительном уровне, что и углеводы, и после «сборки» восстанавливаются.
На рис. 11-3 видно также, что среди соединений, для которых характерна одна и та же суммарная степень окисленности, например для уксусной кислоты и сахаров, степень окисленности отдельных атомов углерода может очень сильно различаться. В сахаре, например, каждый атом углерода можно рассматривать как происшедший непосредственно из формальдегида, однако в уксусной кислоте один конец окислен до карбонильной группы, а другой восстановлен до метильной группы. Такие внутренние окислительно-восстановительные реакции (гл. 7, разд. И, 6) играют важную роль в химических манипуляциях, необходимых для «сборки» углеродных скелетов, в которых нуждается клетка. Студентам целесообразно расположить другие соединения таким же образом, как это сделано на рис. 11-3, и посмотреть, как меняется суммарная степень окисленности соединения по мере продвижения вдоль метаболического пути.
Как указывалось выше, потеря карбоксильных групп в виде СО2 (декарбоксилирование) характерна для многих биосинтетических реакций. Обращаясь опять к рис. 11-3, с интересом можно отметить, что для многих промежуточных продуктов биосинтеза, таких, как пируват, кетоглутарат или оксалоацетат, характерна более высокая степень окисленности, чем для углеводов. Однако продукты их декарбоксилирования, которые включаются в синтезируемые продукты, по степени окисленности расположены уже ближе к углеводам.
1) Этот факт находится в соответствии с предположением, согласно которому формальдегид входил в качестве основного компонента в состав первичной земной атмосферы, а также со способностью формальдегида образовывать углеводы в результате спонтанной конденсации.
РИС. 11-3. Различные биологически активные соединения, расположенные в порядке изменения средней степени окисленности содержащихся в них атомов углерода.
В следующих разделах мы рассмотрим специфические пути биосинтеза 3-фоефоглицерата — трехуглеродного соединения, из которого могут быть синтезированы все остальные вещества, участвующие в метаболизме.