БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 11 МЕТАБОЛИЗМ: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

11.7. Гидролиз АТР сдвигает равновесие сопряженных реакций в 10⁸ раз

Чтобы лучше понять роль АТР в сопряжении энергии, следует проанализировать химическую реакцию, которая термодинамически невозможна без притока свободной

энергии. Предположим, что стандартная свободная энергия превращения А в В равна + 4 ккал/моль:

А ⇄ В ∆G⁰' = +4 ккал/моль.

В соответствии с уравнением (13) (разд. 11.2) константа равновесия К_eq этой реакции при 25°С выражается отношением

Таким образом, А не может спонтанно превратиться в В, если молярное отношение В к А равно или больше 1,15 • 10^-3. Однако превращение А в В возможно и в том случае, если отношение [В]/[А] превышает 1,15 • 10^-3 при условии, что реакция сопряжена с гидролизом АТР. Суммарное уравнение этой новой реакции будет иметь следующий вид:

А + АТР + Н₂O ⇄ В + ADP + Рi + Н⁺

∆G^0' = — 3,3 ккал/моль.

Указанное изменение стандартной свободной энергии (- 3,3 ккал/моль) представляет собою сумму ∆G0' для превращения А в В (+ 4 ккал/моль) и для гидролиза АТР (- 7,3 ккал/моль). Константа равновесия этой сопряженной реакции выражается отношением:

В состоянии равновесия отношение [В] к [А] дается уравнением

Система генерирования АТР в клетках поддерживает отношение [ATP]/[ADP] • [Pi] на высоком уровне, обычно порядка 500. Для такого отношения

Это означает, что гидролиз АТР обеспечивает возможность превращения А в В до тех пор, пока отношение [В]/[А] не достигнет значения 1,34 • 10⁵. Указанное равновесное отношение резко отличается от значения 1,15 • 10-³ для реакции А ⇄ В в отсутствие гидролиза АТР. Другими словами, сопряженный гидролиз АТР изменил равновесное отношение В к А примерно в 10⁸ раз.

Мы видим, таким образом, что термодинамическая сущность роли АТР-это функционирование в качестве энергосопрягающего агента. Клетки поддерживают содержание АТР на высоком уровне, используя свет и окисляемые субстраты в качестве источников свободной энергии. Гидролиз одной молекулы АТР резко сдвигает равновесное отношение концентрации продуктов к концентрации реагирующих веществ в сопряженной реакции-примерно в 10 раз. В более общем выражении гидролиз п молекул АТР изменяет равновесное отношение сопряженной реакции (или последовательности реакций) в 10⁸ⁿ раз. Например, гидролиз трех молекул АТР в сопряженной реакции изменяет равновесное отношение в 10²⁴ раз. Таким образом, термодинамически невыгодная последовательность реакций может быть превращена в термодинамически выгодную путем сопряжения с гидролизом достаточно большого количества молекул АТР. Надо также подчеркнуть, что А и В в предыдущем уравнении сопряженной реакции имеют очень общее значение. Например, А и В могут представлять различные конформации белка (например, при мышечном сокращении). В других случаях символы А и В могут относиться к концентрациям ионов или молекул вне и внутри клетки, как при активном транспорте пищевых веществ. Кроме того, А и В могут обозначать различные химические категории, в частности при биосинтезе сложных молекул из простых предшественников. В последующих главах мы рассмотрим многие важные механизмы сопряжения энергии в биологических процессах.

11.8. NADH и FADH₂- основные переносчики электронов при окислении топливных молекул

Хемотрофы получают свободную энергию в результате окисления молекул, выполняющих роль топлива, таких, как глюкоза и жирные кислоты. У аэробных организмов единственным акцептором электронов является O₂. Однако электроны не переносятся прямо на O₂ от топливных молекул и продуктов их распада. Эти соединения

переносят электроны к специальным переносчикам-либо пиридиннуклеотидам, либо флавинам. Восстановленные формы переносчиков доставляют затем свои обладающие высоким энергетическим потенциалом электроны к O₂ по цепи переноса электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электронов по цепи сопровождается образованием АТР из ADP и Pi. Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием (гл. 14), служит основным источником АТР у аэробных организмов. Кроме того, электроны с высоким энергетическим потенциалом, возникающие при окислении топливных молекул, могут быть использованы в процессах биосинтеза, для осуществления которых помимо АТР требуются восстановительные эквиваленты.

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺) - главный акцептор электронов при окислении топливных молекул (рис. 11.8). Реакционноспособная часть NAD⁺-ero никотинамидное кольцо. При окислении субстрата никотинамидное кольцо NAD⁺ присоединяет ион водорода и два электрона, которые являются эквивалентами гидрид- иона. Восстановленная форма этого переносчика-NADH.

Рис. 11.8. Строение окисленной формы никотинамидадениндину- клеотида (NAD⁺) и никотин- амидадениндинуклеотид фосфата (NADР⁺). В NAD⁺ R = Н; в NADP⁺ = РО²₃^-

NAD⁺-акцептор электронов во многих реакциях типа

В ходе этого дегидрирования один атом водорода субстрата прямо переносится на NAD⁺, тогда как второй переходит в растворитель. Оба электрона, теряемые субстратом, переносятся на никотинамидное кольцо.

Второй основной переносчик электронов при окислении топливных молекул -флавинадениндинуклеотид (рис. 11.9). Сокращения, используемые для обозначения окисленной и восстановленной форм этого переносчика, соответственно FAD и FADH₂. FAD является акцептором электронов в реакциях типа

Рис. 11.9. Строение окисленной формы флавинадениндинуклеотида (FAD)

Реакционноспособная часть FAD-это его изоаллоксазиновое кольцо (рис. 11.10). FAD, подобно NAD⁺, присоединяет два электрона. Однако PAD в отличие от NAD ⁺ присоединяет оба теряемых субстратом атома водорода. Потенциалы переноса групп у NADH и FADH₂ и термодинамика окислительно-восстановительных реакций рассматриваются в гл. 14.

Рис. 11.10. Строение реакционноспособных частей FAD⁺ иFADH₂

11.9. NADPH-главный донор электронов в восстановительном биосинтезе

Соединения, играющие в биосинтетических путях роль предшественников, бывают, как правило, окислены сильнее, чем продукты реакции. Поэтому для осуществления процессов биосинтеза кроме АТР необходимо наличие восстановительною эквивалента. Например, при биосинтезе жирных кислот оксогруппа добавленного С₂-предшественника восстанавливается в несколько стадий в метиленовую группу. Эта последовательность реакций требует присоединения четырех электронов

Роль донора электронов в большинстве процессов восстановительного биосинтеза выполняет восстановленная форма никотин- амидадениндинуклеогидфосфата (NADPH; рис. 11.8). NADPH отличается от NADH наличием фосфата, связанного эфирной связью с 2'-гидроксильной группой аденозина. Окисленная форма NADPH обозначается как NADP⁺. NADPH переносит электроны таким же образом, как NADH.

Однако NADPH используется почти исключительно в процессах восстановительного биосинтеза, тогда как NADH используется преимущественно для генерирования АТР.Дополнительная фосфатная группа NADPH, это участок, ответственный за осуществление целевого предназначения молекулы, состоящего в распознавании ферментами. Биологическое значение разграничения функций между NADPH и NADH рассматривается в гл. 15 (стр. 95).

Важно отметить, что NADH, NADPH и FADH₂ в отсутствие катализаторов реагируют с O₂ очень медленно. Гидролиз АТР в отсутствие катализатора также идет с низкой скоростью. Данные молекулы кинетически совершенно стабильны, хотя существует большая термодинамическая движущая сила для реакции указанных переносчиков электронов с O₂ и для реакции АТР с водой. Стабильность этих молекул в отсутствие специфических катализаторов имеет существенное значение для их биологической функции_t поскольку она обеспечивает возможность ферментативной регуляции тока свободной энергии и восстановительных эквивалентов.