Volume1

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 129

Рис.2.59.Примерэнергетическинеблагоприятнойреакциибиосинтеза,происходящейподдействием гидролиза ATP. а) Схематичное представление образования соединения A–B в реакции конденсации, описаннойвтексте.б)Биосинтезаминокислотыглутамина.Глутаминоваякислотасначалапреобразуется

ввысокоэнергетическийфосфорилированныйпромежуточныйпродукт(соответствующийописанному

втексте соединению B–O–PO3), который затем реагирует с аммиаком (соответствует A–H на схеме а) с образованием глутамина. В этом примере оба этапа происходят на поверхности одного и того же ферментаглутаминсинтетазы.Высокоэнергетическиесвязиокрашеныкрасным.

130 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 2.60. NADPH — важнейший переносчик электронов. а) NADPH образуется в ходе реакций обще-

го типа, показанных слева, в которых два атома водорода удаляются с субстрата. Окисленная форма молекулы-носителя, NADP+, приобретает один водородный атом плюс электрон (гидрид-ион); протон (H+) другого атома H высвобождается в раствор. Поскольку NADPH удерживает свой гидрид-ион высокоэнергетической связью, постольку присоединенный гидрид-ион может легко быть передан другим молекулам, как показано справа. б) Структуры NADP+ и NADPH. Часть молекулы NADP+, известная как никотинамидное кольцо, принимает два электрона вместе с протоном (эквивалент гидрид-иона H–), образуяNADPH.СтруктурамолекулNAD+ иNADHсоответственноидентичнаNADP+ иNADPH,заисключениемлишьтого,чтовсоставепервыхуказаннаянарисункефосфатнаягруппанечислится.

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 131

Рис.2.61.Заключительныйэтапбиосинтезахо-

лестерина.Какивомногихдругихбиосинтетическихреакциях,восстановлениесвязиC=Cдо- стигаетсяпереносомгидрид-ионаотмолекулы носителяNADPHипротона(H+)израствора.

NADPH служит эффективным донором

своего гидрид-иона другим молекулам по той же причине, по которой ATP легко передает фосфат: в обоих случаях передача сопровождается большим отрицательным изменением свободной энергии. Один из вариантов использо-

вания NADPH в биосинтезе представ-

лен на рис. 2.61.

Дополнительная фосфатная груп-

па в составе молекулы NADPH не оказывает никакого влияния на связанные с переносом электронов свойства

NADPH по сравнению с NADH, так как расположена далеко от области, за-

действованной в переносе электронов (см. рис. 2.60, б). Однако она придает молекуле NADPH форму, немного

отличную от таковой для NADH, что позволяет NADPH и NADH связы-

ваться в качестве субстратов с совершенно разными группами ферментов. Таким образом, носители этих двух типов используются для переноса электронов (или гидрид-ионов) между молекулами из двух разных наборов.

Почему необходимо такое разделение труда? Ответ кроется в потребности независимо регулировать два набора реакций с переносом электронов. NADPH работает в основном с ферментами, которые катализируют анаболические реакции, поставляя высокоэнергетические электроны, необходимые для синтеза богатых энергией биологических молекул. NADH, напротив, играет специальную роль посредника в катаболической системе реакций, которые производят ATP путем окисления молекул пищи, что мы вскоре обсудим. Образование NADH из NAD+ и NADPH из NADP+ происходит различными путями и регулируется независимо, так что клетка может регулировать поставку электронов для выполнения этих двух различных задач. Внутри клетки отношение NAD+ к NADH поддерживается высоким, тогда как отношение NADP+ к NADPH поддерживается низким. В силу этого имеется масса NAD+, служащего окислителем, и множество NADPH, выступающего восстановителем, что и требуется для выполнения их специальных задач соответственно в катаболизме и анаболизме.

2.2.16.  В клетках существует множество других активированных молекул-переносчиков

Другие активированные носители также принимают и переносят химическую группу с помощью легко передаваемой макроэргической связи. Например, кофермент

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 133

из этого, предшествующего нашему, мира РНК, в котором нуклеотидные звенья, возможно, были нужны для связывания с РНК-ферментами.

На рис. 2.58 и 2.61 представлены примеры определенного типа реакций переноса, энергетически обеспечиваемых активированными молекулами-переносчиками ATP (перенос фосфата) и NADPH (перенос электронов и водорода). Реакции других активированных молекул-носителей связаны с переносом метильной, карбоксильной группы или остатка глюкозы исключительно для биосинтеза (таблица 2.5). Такие активированные носители образуются в ходе реакций, которые сопряжены с гидролизом ATP, как в примере на рис. 2.63. Поэтому энергия, которая позволяет использовать их группы для биосинтеза, в конечном счете вырабатывается

Таблица2.5.Некоторыеизактивированныхмолекул-переносчиков,широкоиспользуемыхвметабо- лизме

Рис. 2.63. Реакция переноса карбоксильной группы с использованием молекулы активированного носителя.Карбоксилированныйбиотиниспользуетсяферментомпируваткарбоксилазойдляпереноса карбоксильнойгруппывпроцессесинтезаоксалоацетата—молекулы,необходимойвциклелимонной кислоты. В этой реакции акцепторная молекула переносимой группы — пируват. Другие ферменты используют биотин для переноса карбоксильных групп на другие акцепторные молекулы. Обратите внимание, что для синтеза карбоксилированного биотина требуется энергия, которая извлекается изATP, –этообщаячертамногихактивированныхносителей.

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 135

Рис.2.65.Синтезполисахаридов,белковинуклеиновыхкислот.Синтезбиологическогополимералю-

боговидасопряженспотерейводывходереакцииконденсации.Насхемахнепоказанообразование высокоэнергетическихнуклеозидтрифосфатов,которыенеобходимыдляактивациикаждогомономера перед его присоединением к цепи. Обратная реакция — расщепление всех трех типов полимеров, наоборот,происходитсприсоединениемводы(гидролиз).

ческого фосфата (Pi) зависит от концентраций всех реагентов, но при обычных условиях в клетке она лежит в интервале между –11 и –13 ккал/моль (между –46 и –54 кДж/моль). В принципе, такая реакция гидролиза может стимулировать неблагоприятную реакцию с G приблизительно +10 ккал/моль при наличии условий, подходящих для протекания реакции. Для некоторых реакций биосинтеза, однако, даже –13 ккал/моль может оказаться недостаточно. В таких случаях путь гидролиза ATP может изменяться таким образом, что из него первоначально производится АМP и пирофосфат (PPi), который на следующем этапе гидролизуется (рис. 2.66). В результате этого процесса общее изменение свободной энергии составляет около –26 ккал/моль. Очень важная реакция биосинтеза, подпитываемая таким способом, — синтез нуклеиновых кислот (полинуклеотидов) из нуклеозидтрифосфатов, как показано в правой части рис. 2.67.

Обратите внимание, что многократно повторяющиеся реакции конденсации, посредством которых создаются макромолекулы, могут быть ориентированы одним

136 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 2.66. Альтернативный путь гидролиза ATP: сначала образуется пирофосфат, который затем гидролизуется. На этом биохимическом пути высвобождается вдвое больше свободной энергии, чем входереакции,показаннойранеенарис.2.57,ивместоADPобразуетсяАМP.а)Вдвухпоследовательных реакциях гидролиза атомы кислорода участвующих молекул воды удерживаются в продуктах, как показано,тогдакакатомыводородадиссоциируютсобразованиемсвободныхводородныхионов(H+, непоказаны).б)Общаясхемареакциивцелом.

из двух способов, в связи с чем полимеризация мономеров может происходить «с головы» или «с хвоста». В так называемой полимеризации с головы химически активная связь, по которой и идет реакция конденсации, находится на конце наращиваемого полимера, и поэтому она должна восполняться при каждом добавлении мономера к цепи. В данном случае каждый мономер приносит с собой реакционноспособную связь, которая будет использована при добавлении следующего очередного мономера. При полимеризации с хвоста активная связь каждого мономера используется непосредственно для его же присоединения к цепи (рис. 2.68).

В последующих главах мы увидим, что в клетках востребована полимеризация обоих типов. Например, синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисахаридов происходит путем полимеризации с хвоста, тогда как синтез белков основан на реакции полимеризации с головы.

Заключение

Живые клетки – это высокоупорядоченные системы, которые, чтобы жить

и расти, должны создавать и поддерживать порядок внутри себя. Согласно за-

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 137

Рис.2.67.Синтезполинуклеотида,будьэтоРНКилиДНК,представляетсобоймногоэтапныйпроцесс,

движимыйзасчетгидролизаATP.НапервомэтапенуклеозидмонофосфатактивируетсяпоследовательнымпереносомконцевыхфосфатныхгруппотдвухмолекулATP.Образованныйвысокоэнергетический промежуточный продукт — нуклеозидтрифосфат — существует в растворе в свободной форме, пока невступитвреакциюсрастущимконцомцепиРНКилиДНК,котораясопровождаетсявысвобождением пирофосфата.Гидролизпоследнегодонеорганическогофосфата—энергетическиоченьблагоприятный процесс,способствующийпрохождениюреакциивцеломвнаправлениисинтезаполинуклеотида.Подробностиданногопроцессабудутраскрытывглаве5.

конам термодинамики, это возможно только при бесперебойном притоке энергии, часть которой должна выделяться из клеток в окружающую среду в виде те- плоты. В конечном счете вся необходимая для жизни энергия поступает в виде электромагнитного излучения Солнца и идет на образование органических моле-

кул в фотосинтезирующих организмах, таких как зеленые растения. Животные получают свою долю энергии, поедая эти органические молекулы и окисляя их в ходе реакций ферментативного катализа, которые сопряжены с образованием ATP — единого энергетического актива, ликвидного во всех клетках.

Непрерывное наведение порядка в клетках возможно лишь благодаря сопря- жению энергетически неблагоприятных реакций с энергетически благоприятным