БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984
ТОМ 2
ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ГЛАВА 11 МЕТАБОЛИЗМ: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
Заключение
Клетки извлекают энергию из окружающей среды и превращают питательные вещества в клеточные компоненты при помощи высокоинтегрированной системы химических реакций, называемой обменом веществ, или метаболизмом. Наиболее ценная для понимания энергетики метаболизма термодинамическая концепция - это концепция свободной энергии, являющейся критерием способности системы выполнять полезную работу при постоянном давлении и постоянной температуре. Реакция может протекать спонтанно только при отрицательном значении изменения свободной энергии (∆G). ∆G не зависит от пути, по которому идет реакция, и зависит только от природы реагирующих веществ и их активности (которую можно иногда примерно определять по их концентрации). Изменение свободной энергии реакции в условиях, когда активность реагирующих веществ и образующихся продуктов равна единице, называется изменением стандартной свободной энергии (∆G0). Биохимики обычно используют символ ∆G0', обозначающий изменение стандартной свободной энергии при pH 7. АТР, универсальная энергетическая валюта в биологических системах, представляет собою богатую энергией молекулу, что обусловлено наличием в ней двух ангидридных связей. Электростатическое отталкивание между этими отрицательно заряженными группами уменьшается при гидролизе ATP. ADP и Pi стабилизируются под действием резонанса в большей степени, чем АТР. Гидролиз АТР сдвигает равновесие сопряженной реакции примерно в 108 раз.
Рис. 11.16. Модель аденозинтрифосфата (АТР)
Основная стратегия метаболизма состоит в образовании АТР, NADPH и предшественников макромолекул. АТР потребляется при мышечном сокращении и других видах двигательной активности клеток, в активном транспорте и в различных процессах биосинтеза. NADPH, являющийся носителем двух электронов с высоким потенциалом, обеспечивает восстановительные эквиваленты для биосинтеза клеточных компонентов из более окисленных предшественников. АТР и NADPH непрерывно образуются и потребляются. Извлечение энергии из питательных веществ у аэробных организмов происходит в три стадии. На первой стадии крупные молекулы распадаются на более мелкие, такие, как аминокислоты, сахара и жирные кислоты. На второй стадии эти небольшие молекулы расщепляются до нескольких простых компонентов, играющих повсеместную роль в метаболизме. Одним из таких компонентов является ацетильная часть ацетил-СоА, носителя активированных ацильных групп. Третья стадия метаболизма представлена циклом трикарбоновых кислот и окислительным фосфорилированием, в ходе которых молекулы, играющие роль топлива, полностью окисляются до СO2, что сопровождается образованием АТР при переносе электронов на O2, конечный их акцептор.
Регуляция метаболизма осуществляется различными путями. Количество некоторых лимитирующих ферментов контролируется скоростью синтеза и распада белка. Кроме того, каталитическая активность ряда ферментов регулируется аллостерическими взаимодействиями (как при ингибировании по принципу обратной связи) и ковалентными модификациями. Компартментация и разобщение путей биосинтеза и расщепления также вносят определенный вклад в регуляцию обмена веществ. Энергетический заряд, зависящий от относительных количеств АТР, ADP и АМР, также участвует в механизмах регуляции. Высокий энергетический заряд ингибирует процессы, связанные с генерированием АТР (катаболические пути), но стимулирует использование АТР (анаболические пути).