2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Свободная энергия, используемая клеткой на работу, меньше полной энергии на величину энтропии, т.е. энергия расходуется на усиление беспорядочного движения молекул в системе.

Рассмотрим реакцию:

А→В ∆G = GВ Ã GА

1) GВ > GА ∆G (+)

Свободная энергия в ходе реакции возрастает, реакция протекает с поглощением энергии. Следовательно, требуется дополнительный источник энергии – эндергоническая реакция.

2) GВ < GА ∆G (-)

Эта реакция может протекать спонтанно с выделением энергии – экзергоническая реакция. Знак (-) показывает, что в систему не нужно

добавлять энергию.

3) GВ = GА ∆G=0

Это равновесная реакция.

Главное назначение энергии, генерируемой в биологических системах, заключается в поддержании организма в состоянии, удаленном от равновесия. Например, клетки содержат большие количества полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот при относительно малой концентрации их составных частей – т.е. глюкозы, аминокислот и т.д.

2. Сопряжение экзергонических и эндергонических реакций (аккумуляторы энергии)

Катаболические превращения (распад и окисление молекул) обычно являются экзергоническими реакциями. Анаболические реакции (реакции синтеза) – эндергонические. В организме эндергонические реакции протекают сопряжено с экзергоническими. Механизм сопряжения состоит в синтезе соединения с высоким энергетическим потенциалом в ходе экзергонической реакции и последующем включении этого нового соединения в эндергоническую реакцию. Следовательно, должен быть этап аккумуляции, т.е. накопления энергии.

В живых клетках главным аккумулятором энергии служит АТФ. Реакции сопряжения могут быть подразделены на 2 группы:

1.Происходящие в немембранных отделах клетки.

2.Локализованные в мембранах.

102

2.1.Немембранные процессы сопряжения

Внемембранных процессах сопряжения основными аккумуляторами энергии служат макроэргические соединения.

Соединения, при гидролизе связей которых выделяется более 30,5 кДж/моль энергии, называют макроэргические.

Они содержат макроэргическую связь, обозначаемою знаком ~ (предложил Липман). Символ ~ (тильда) означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на акцептор сопровождается выделением большого количества свободной энергии. (Неточно говорить «гидролиз связи» - т.к. расщепление связи само требует

энергии). Величина 30,5 кДж/моль выбрана не случайно: именно столько энергии при стандартных условиях освобождается при гидролизе АТФ или столько же энергии нужно для синтеза АТФ из АДФ и Рн.

Все макроэргические соединения можно разделить на 3 группы: 1. Богатые энергией фосфаты.

NH2

O

O

N

-O

O

O-

N

P

P

O-

N

-O

O

N

P

O

H

O

H

O

H

H

OH

OH

АТФ

2.Богатые энергией тиоловые эфиры, образуемые коферментом А (ацетил-КоА), ацилпереносящий белок, S-аденозилметионин и др.

3.НАДФН2 – аккумулятор энергии электронов в цитозоле, обес-

печивает электронами и протонами процессы восстановительного биосинтеза.

В процессах метаболизма исключительно важную роль играют высокоэнергетические фосфаты, к которым относится АТФ. По величине энергии гидролиза они образуют непрерывный ряд Ã термодинамическую шкалу.

103

Термодинамическая шкала химических соединений

Соединение	G кДж/моль
Фосфоэнолпируват	61,9
1,3-бисфосфоглицерат	51,4
Креатинфосфат	43,1
АТФ → АДФ + Рн	30,5
Глюкозо-1-фосфат	20,9
Глюкозо-6-фосфат	13,8

Вывод: АТФ занимает в шкале среднее положение.

Среднее положение АТФ в термодинамической шкале позволяет ей служить донором высокоэнергетического фосфата для тех соединений, которые в шкале стоят ниже АТФ и забирать его от соединений, стоящих выше.

Цикл АТФ/АДФ

Эндергоническая реакция:

гексокиназа

Глюкоза глюкозо-6-фосфат

Экзергоническая реакция: Е

АТФ→ АДФ + Рн

Экзергоническая реакция:

фосфоглицерокиназа

1,3-бисфосфоглицерат 3-фосфоглицерат

Эндергоническая реакция: Е

АДФ + Рн → АТФ

Таким образом, цикл АТФ/АДФ связывает процессы, генерирую-

щие макроэргические фосфаты, с процессами, их потребляющими.

В клетке синтез АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ, т.е. АДФ + Рн → АТФ. В зависимости от того, что служит источником энергии для этой эндергонической реакции, фосфорилирование бывает 3-х типов:

1.Окислительное – свободная энергия генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях.

2.Субстратное – синтез АТФ идет за счет использования энергии макроэргических соединений, стоящих в термодинамической шкале выше АТФ.

3.Фотосинтетическое – с использованием энергии Солнца в процессе фотосинтеза.

Вывод: АТФ – универсальный аккумулятор энергии.

АТФ – универсальный источник энергии. Ее энергия исполь-

зуется в следующих процессах:

104

1.Для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера.

2.Для выполнения мышечной (механической) работы.

3.Для переноса веществ через мембраны против градиента их концентрации (первичный активный транспорт).

4.Для обеспечения точной передачи информации.

Существуют 2 пути гидролиза АТФ:

1.АТФ + Н2О → АДФ + Рн.

2.АТФ + Н2О →АМФ + пирофосфат Н4Р2О7.

Первый путь гидролиза происходит в следующих случаях:

–для сопряженных эндергонических реакций нужно 30,5 или меньше кДж/моль энергии;

–для обеспечения процессов, требующих намного больше энергии, чем 30,5 кДж/моль. При этом используется энергия многих молекул АТФ.

В реакциях, когда потребность в энергии лишь несколько больше 30,5 кДж/моль, гидролиз АТФ происходит по второму пути.

В большинстве клеток имеется фермент аденилаткиназа. Она катализирует обратимую реакцию.

АТФ + АМФ 2 АДФ

Эта реакция выполняет 3 функции:

1.Позволяет синтезировать АТФ из АДФ.

2.Позволяет превратить АМФ, образующийся в ходе ряда реакций активации, в АДФ.

3.В условиях снижения концентрации АТФ (накапливается АДФ), происходит повышение концентрации АМФ, который служит аллостерическим активатором ряда катаболических реакций. В результате увеличивается генерация АТФ.

Существуют еще другие макроэргические соединения, построенные по типу АТФ, они обеспечивают энергией ряд биосинтезов:

–УТФ – синтез углеводов.

–ГТФ – синтез белков.

–ЦТФ – синтез липидов.

2.2. Сопрягающие мембраны

Преобразование энергии в биомембранах описывается схемой:

энергетические ресурсы → ∆μI → работа,

105

где ∆μI – трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I.

Схема означает, что энергетические ресурсы, потребляемые мембраной, сначала используются для транспорта иона через мембрану против сил электрического поля и против градиента концентрации иона. Этот процесс называется энергизацией мембраны. Затем энергия, накопленная в электрической и осмотической формах (∆μI), используется для совершения работы.

Ион I называют сопрягающим ионом. Во внутренней мембране митохондрий таким сопрягающим ионом служит Н+. В плазматической мембране сопрягающим ионом служит Νа+.

Каждая сопрягающая мембрана содержит белковые ансамбли двух типов. Один из них – АТФ – синтаза, т.к. он катализирует энергозависимый синтез АТФ из АДФ и Рн. Второй белковый ансамбль во внутренней мембране митохондрий представлен дыхательной цепью ферментов.

Энергия ∆μН+ может использоваться в следующих процессах:

1.Обратимо превращаться в энергию АТФ (химическая работа);

2.Для вторичного активного транспорта через мембрану веществ против градиента их концентрации (осмотическая работа);

3.Образование теплоты при понижении температуры окружающей среды (теплопродукция);

4.У бактерий за счет энергии ∆μН+ вращается жгутик (механиче-

ская работа).

3. Биологическое окисление и пути использования О2

Реакции, включающие перенос электронов, называют окислительно-восстановительными.

Потеря электрона – это окисление, принятие электрона – восстановление.

Окисление органических соединений во многих случаях означает отнятие водорода (дегидрирование).

При окислении протоны и электроны могут независимо отделяться от окисляемой молекулы. В других случаях механизм окисления может включать перенос протона вместе со связанным с ним электроном, т.е. в виде водорода, или протона со связанной парой электронов, т.е. гидрид-иона.

Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется величиной редокс-потенциала. Чем меньше редокс-

потенциал, тем легче вещество теряет электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал, тем сильнее

106

способность принимать электроны, т.е. сильнее выражены окислительные свойства. Молекула может отдавать свои электроны только молекулам с более высоким редокс-потенциалом. Т.е. если будет цепь окислительно-восстановительных реакций, ее участники будут располагаться в порядке возрастания редокс-потенциала.

Окислить соединение можно и присоединением к нему О2. Биологическое окисление Ã это совокупность всех окисли-

тельных процессов, протекающих в организме с участием О2.

Способы окисления субстрата:

I. Путем дегидрирования (О2 – акцептор Н2):

1. Отщепляемые от субстрата Н2 переносятся на атом О2 через ряд переносчиков, образуется Н2О, АТФ.

SН2 + ½О2 → S + Н2О + АТФ (тканевое дыхание).

2. Отщепляемые от субстрата водороды сразу переносятся на

молекулу О2, образуя перекись, энергия выделяется в виде тепла.

SН2 + О2 → S +Н2О2 + Q (пероксидазное окисление) II.Путем присоединения О2 (оксигеназное окисление):

1.К субстрату присоединяется атом О2, требуется дополнитель-

ный субстрат донор водорода.

S + ½О2 → SОН (гидроксилазное окисление)

2.К субстрату присоединяется молекула О2.

S + О2 → SО2 (диоксигеназное окисление)

3. Окисление с участием активных форм О2 (окислительная мо-

дификация молекул, свободнорадикальное окисление).

Назначение биологического окисления:

1)Извлечение энергии из различных соединений (тканевое дыха-

ние).

2)Разрушение или обезвреживание ксенобиотиков (пероксидазное, оксигеназное окисление).

3)Биосинтезы (гидроксилазное).

4)Изменение проницаемости мембран, окислительная модификация молекул.

4. Общая характеристика ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные ре-

акции, относятся к 1 классу – оксидоредуктазы. Их разделяют на 5 групп:

1. Оксидазы – катализируют удаление водорода из субстрата, используя в качестве акцептора водорода только О2. Содержат Сu, продуктом реакции является Н2О (искл. моноаминооксидаза – Н2О2), на-

107

пример, цитохромоксидаза.

2. Аэробные дегидрогеназы – в отличие от оксидаз могут использовать в качестве акцептора не только О2, но и искусственные ак-

цепторы – например, метиленовый синий, являются флавопротеинами, образуется Н2О2.

3.Анаэробные дегидрогеназы – не способны использовать О2 в качестве акцептора. Бывают НАД-зависимыми, ФАД и ФМН-

зависимыми, цитохромы.

4.Гидроксипероксидазы – в качестве субстрата используют Н2О2

или органические перекиси. К ним относят пероксидазы, каталазы.

5.Оксигеназы – катализируют прямое введение О2 в молекулу

субстрата.

5. Тканевое дыхание

Тканевое дыхание – это процесс улавливания клеткой энергии в виде АТФ при протекании контролируемого соединения кислорода с водородом с образованием воды.

Характерные черты тканевого дыхания

1.Это часть биологического окисления, где субстрат окисляется путем дегидрирования, акцептором водорода служит кислород, в результате образуется вода, проходит в митохондриях.

2.Водород в виде восстановительных эквивалентов переносится на кислород через дыхательную цепь.

3.Энергия окисления используется для синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.

Рассмотрим каждое положение подробно.

5.1. Митохондрии

Митохондрии – “энергетические станции” клеток. Здесь происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Освобождаемая при окислении энергия используется в митохондриях в форме восстановительных эквивалентов. Большинство восстановительных эквивалентов в форме НАДН и ФАДН2 поставляют ЦТК и β-окисление жирных кислот. Эти процессы локализованы в

матриксе митохондрий. Матрикс митохондрий, кроме ферментов ЦТК, β-окисления, содержит пируват-дегидрогеназную систему, другие

ферменты, а также АТФ, АДФ, АМФ, фосфат, НАД+, НАДФ, кофермент А, К+, Mg2+, Cа2+.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема почти для всех молекул и ионов небольшого размера. Внутренняя мембрана относится к сопрягающим мембранам. Здесь расположены ферменты

108

дыхательной цепи, АТФ-синтаза, различные мембранные транспортные

системы. Для большинства ионов небольшого размера, в том числе и Н+, она непроницаема.

5.2. Дыхательные цепи

Термин “дыхательная цепь” используют для определения последовательности реакций, ответственных за перенос атомов водорода или электронов в виде восстановительных эквивалентов от субстратов к молекулярному кислороду воздуха. В результате этого переноса образуется вода, т.е. происходит реакция:

2Н2+О2 → 2Н2О+Q

Эта экзергоническая реакция сопровождается в пробирке взрывом, т.е. выделяется большое количество энергии. В клетке этого не происходит, т.к. энергия выделяется не одномоментно, а по этапам – во время движения восстановительных эквивалентов по цепи. Термин “восстановительный эквивалент” – это обобщенное понятие для обозначения переноса электрона без уточнения, в какой форме он переносится. По дыхательной цепи перенос электрона совершается в различной форме: переносятся гидрид-ионы, водородные атомы и просто электроны.

Дыхательная цепь состоит из ряда белков-ферментов с прочно

присоединенными простетическими группами, обладающими способностью присоединять и отдавать электроны и расположена во внутренней мембране митохондрий.

Эти белки располагаются в определенной последовательности (по возрастанию редокс-потенциала). Каждый из них способен

присоединять электроны от предыдущего участника цепи и передавать их следующему участнику цепи. Электроны, поступающие в эту цепь переносчиков, богаты энергией, но по мере их продвижения по цепи они теряют свободную энергию. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ.

Различают полную и укороченную дыхательную цепи.

Схема дыхательных цепей:

Полная ПДЦ		цитохромы
SII,III → НАД+ → ФМН → кофермент		→ в→с1→с→а а3→О2
Неполная (укороченная) УДЦ
SI → ФАД

109

Участники полной дыхательной цепи:

1.НАД-зависимые дегидрогеназы.

2.ФМН-зависимые дегидрогеназы.

3.Убихинон (кофермент Q).

4.Цитохромы.

В укороченной дыхательной цепи нет НАД-зависимых

дегидрогеназ, т.е. она короче на один фермент.

Окисляемые субстраты служат источниками восстановительных эквивалентов. Различают 3 рода субстратов:

1.Углеводородные (сукцинат, ацил-КоА). Средняя энергия

окисления пары электронов этих субстратов 150 кДж/моль. Это

меньше, чем энергия окисления пары электронов в системе НАД+/НАДН (200 кДж/моль). Поэтому НАД-зависимые дегидроге-

назы не могут участвовать в окислении этих субстратов. Они окисляются ФАД-зависимыми дегидрогеназами, т.е. в укороченной ды-

хательной цепи.

2.Спиртовые (лактат). Средняя энергия отщепления пары электронов = 200 кДж/моль. Окисляются НАД-зависимыми дегид-

рогеназами, т.е. в полной дыхательной цепи.

3.Альдегидные (3-фосфоглицериновый альдегид), энергия

отщепления пары электронов 250 кДж/моль. Это больше, чем требуется для окисления НАД-зависимыми дегидрогеназами, поэтому

при их окислении образуется не только НАДН, но и часть энергии используется для синтеза высокоэнергетических соединений.

5.3. Механизм переноса восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи

Внутренняя мембрана митохондрий, где расположены дыхатель-

ные цепи, относится к сопрягающим мембранам.

Рассмотрим механизмы переноса протонов и электронов по полной дыхательной цепи.

1. Окисление субстратов 2 и 3 рода НАД-зависимыми дегидроге-

назами.

Субстраты 2 и 3 рода располагаются в матриксе митохондрий и цитозоле. Здесь же располагаются и ферменты, их окисляющие. Это по строению сложные ферменты: пиридин-зависимые или НАД-

зависимые дегидрогеназы, в качестве кофермента служит НАД или

НАДФ. Они могут называться и по субстрату – малатдегидрогеназа, лактатдегидро-геназа.

110

СТРОЕНИЕ НАД (Н-никотинамид, А-аденин, Д-динуклеотид)

O

O

OH

C

NH2

OH

C

NH 2

N +

N+

O

O

CH 2

P

O

P

O

CH

O

2

O

H

H

H H

O

H

H

O

H

H

NH2

OH OH

NH 2

OH OH

N

N

N

N

O

CH 2

N

O

P

N

O

P

O

N

O

CH

N

OH

H

H

2O

OH

H H

H

H

OH

OH

O

P

O

H

H

OH

OH

OH

НАД

НАДФ

Главную роль в механизме окисления играет никотинамид (витамин РР), который может существовать в двух резонансных формах. В первой форме избыточный (+) заряд у азота. В результате смещения электронной плотности к N+ у атома углерода в пара-положении появ-

ляется избыточный (+) заряд и свободная валентность. Такая частица называется карбкатион. К свободной валентности от окисляемого субстрата присоединяется атом водорода (протон и электрон), а к положительному заряду – электрон, т.е. молекула водорода в присутствии карбкатиона подвергается гетеролитическому разрыву на гидрид-ион (протон и 2 электрона) и протон. Гидрид-ион присоединяется к НАД, а про-

тон остается в матриксе митохондрий, подкисляя его.

Механизм окисления субстрата с участием НАД-зависимых дегидрогеназ

					Н+ и 2ēÃ
					гидрид-ион
				+	ē	Н
H			CONH 2			CONH
				CONH 2			2
S	+				S+
						+Н+
H +-		N	+	N	N
						пр
		R		R	R
		Карбкатион			НАДН-
					восстановленный

111