1.1.Общие принципы биоэнергетики

Развитие жизни на Земле пошло по пути использования в качестве главного экзоэргонического процесса, обеспечивающего энергетические потребности живых организмов, практически универсального для всей живой природы химического превращения — гидролиза одной из пирофосфатных связей аденозин-5-трифосфата или, реже, гуанозин-5-трифосфата (Рис. 8 .1).

Рис. 8.1. Строение аденозин-5-трифосфата и гуанозин-5-трифосфата

Уже на примерах, приведенных в предыдущих разделах курса, видно, сколь многопланово используется гидролиз АТР и GТР для обеспечения энергетических потребностей процессов жизнедеятельности. Это прежде всего синтез различных соединений, в том числе биополимеров. Гидролиз АТР до АМР и пирофосфата, сопряженный с аминоацилированием транспортных РНК, покрывает минимальные энергетические затраты при биосинтезе белков. Фосфорилирование нуклеозид-5'-фосфатов до соответствующих ди- и трифосфатов, которое происходит с участием двух молекул АТР в качестве доноров фосфата, сопровождается исчезновением двух пирофосфатных связей в молекулах АТР в расчете на каждую молекулу исходного нуклеотида, но при этом обеспечивает энергетику биосинтеза нуклеиновых кислот. Гидролиз АТP до АDP и ортофосфата способствует направленному перемещению ДНК-геликаз в вилке репликации и направленной перестановке нитей ДНК при создании отрицательных супервитков в ходе функционирования топоизомеразы II. Гидролиз GТP до GDP и ортофосфата является необходимым условием эффективной транслокации мРНК и пептидил-тРНК в синтезе пептидов на рибосомах. Гидролиз АТР Na⁺, K⁺-зависимой АТРазой обеспечивает создание градиента концентраций ионов натрия и калия между содержимым клетки и окружающей средой, необходимого для возникновения потенциала покоя и, в случае передачи возбуждения, в синапсе — для возникновения потенциала действия и его перемещения вдоль нервного волокна. В высокоорганизованной системе, каковой является мышечное волокно, тот же гидролиз АТР до АDP и ортофосфата является источником энергии для синхронного перемещения нитей белка актина, находящегося в комплексе с другим мышечным белком, миозином, что приводит к мышечному сокращению и совершению механической работы. Много других примеров, особенно касающихся энергетического обеспечения многочисленных эндэргонических биохимических процессов, будет приведено в последующих главах курса.

В связи с этим глобальной задачей биоэнергетики живых организмов является регенерация АТР из АDP и АМP. В живой природе эта регенерация происходит как фосфорилирование АDP, а АМP предварительно превращается в АDP по реакции

катализируемой ферментом аденилаткиназой. Фосфорилирование АDP является, естественно, эндэргоническим процессом и требует привлечения специальных источников энергии. Среди них в живой природе резко доминируют два. Один из них — это солнечная энергия, усваиваемая зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами в процессе фотосинтеза. В ходе фотосинтеза энергия поглощенных квантов света используется для осуществления высокоэндоэргонического процесса переноса электронов от молекул воды на NADP⁺ по суммарному уравнению

Частично эта энергия расходуется на фосфорилирование ADP. Отдельные стадии этого сложного процесса называют световыми стадиями фотосинтеза. Накопление в хлоропластах NADPH и АТР создает необходимые предпосылки для восстановления СО₂, которое происходит уже без участия световой энергии и приводит к накоплению углеводов по брутто-уравнению.

Стадии этого процесса называют темновыми стадиями фотосинтеза.

Второй источник, используемый большинством микроорганизмов и всеми животными, — энергия окисления («сжигания») органических соединений, поступающих к ним в качестве пищи.

Органические соединения, окисление которых служит источником энергии, т.е. приводит в конечном итоге к фосфорилированию АDP, весьма многообразны. Однако доминирующее место среди них занимает окисление углеводов, в первую очередь глюкозы. Окислительную деструкцию глюкозы можно разделить на две группы реакций. В первой группе реакций глюкоза превращается в пируват и далее в связанный с коферментом А ацетильный остаток (ацетилкофермент А). Этот процесс называют гликолизом. К сходному результату приводит и окисление жирных кислот. Следующим, общим для окисления как углеводов, так и жирных кислот является окисление связанного с коферментом А ацетильного остатка до CО₂ и воды. Это окисление происходит в так называемом цикле трикарбоновых кислот. В основном (хотя не исключительно) окислителем в этих процессах является NAD⁺, который при этом превращается в NADH. Именно накопление восстановленной формы этого никотинамидного кофермента приводит далее к основному биоэнергетическому итогу окислительного фосфорилирования ^— превращению трех молекул АDP в три молекулы АТP при переносе каждой пары электронов от NADH к О₂ по брутто-уравнению

Этот процесс происходит в сложно организованной системе, называемой цепью переноса электронов.

Возможность использования АТР как универсального «аккумулятора» энергии связана с тем, что гидролиз любой из двух пирофосфатных связей АТР характеризуется значительным по абсолютной величине уменьшением стандартной свободной энергии (–7.4 ккал/моль при превращении АТР в ADP и –7.6 ккал/моль при превращении в АМР). Так как реальные концентрации АТР в условиях живого организма существенно ниже стандартной, а гидролиз сопровождается увеличением числа молекул (образование воды на величину G практически не влияет, так как в величину П в Уравнении ( 8 .0) входит ее активность, близкая к 1), то G для гидролиза АТР по абсолютной величине будет существенно выше приведенных значений G°.

Процессы гидролиза, типичные для живой природы, кик правило, характеризуются значениями G°' < 0. Это касается гидролиза сложных эфиров карбоновых и фосфорной кислот, амидов карбоновых кислот, тиоэфиров, смешанных и симметричных ангидридов карбоновых кислот, фосфорилгуанидиновых производных. Типичные значения для гидролиза представителей этих групп соединений приведены в

Табл. 8.1. Свободная энергия гидролиза некоторых соединений

Соединение	G°, ккал/моль	Соединение	G°, ккал/моль
Фосфоенолпруват	–14.83
Карбамоилфосфат	–12.31	Ацетил-СоА	–7.51
Ацетилфосфат	–10.31	АТФ (до АДФ)	–7.42
Креатинфосфат	–9.01	Диэфиры фосфорной кислоты	–6.00
Сукцинил-СоА	–8.01	Глюкозо-6-фосфат	–3.30

Некоторые из этих процессов характеризуются значениями G°, существенно более низкими по абсолютной величине, чем G° для гидролиза АТР. К ним относится гидролиз моно- и диэфиров фосфорной кислоты. По этой причине моноэфиры фосфорной кислоты не могут служить донорами фосфата в реакции фосфорилирования ADP. Процессы фосфорилирования спиртовых групп с участием АТР, например, реакция фосфорилирования глюкозы, с точки зрения ее биохимической значимости является необратимой и для регенерации АТР из ADP живыми организмами не используется. В то же время, как видно из, имеется группа соединений, для которых G° гидролиза имеет тот же порядок, что и для АТР, а в некоторых случаях превосходит эту величину. К этой группе соединений относятся ангидриды, тиоэфиры, фосфоенолпируват и креатинфосфат. Эти соединения, наоборот, нередко принимают участие в регенерации АТР и GТP из соответствующих дифосфатов. Примерами могут служить реакции

Химические связи, гидролиз которых характеризуется значениями G° порядка –7 ккал/моль и выше (по абсолютному значению), в биохимии часто называют макроэргическими связями. Естественно, что к их числу относят и пирофосфатные группы в нуклеозидтрифосфатах, и том числе и АТР. Сами соединения, обладающие такими связями, называют макроэргами.

Поскольку, как сказано выше, многие биоэнергетические процессы являются окислительно-восстановительными, в Табл. 8 .2 для некоторых из них приведены значения окислительно-восстановительных потенциалов Е°.

Табл. 8.2. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы некоторых сопряженных пар окислитель/восстановитель

Сопряженная пара окислтель/ восстановитель	Е°, В	Сопряженная пара окислитель/ восстановитель	Е°, В
0.5 О2/Н2О	0.82	СН3СНО/СН3СН2ОН	–.20
Цитохром с (+3)/цитохром с(+2)	0.22	2Н+/Н2	–0.42
CoQ/CoQH2	0.10	СН3СОСОО–/ СН3СНОНСОО–	–0.19
NAD+/NADH	–0.32	СН3СНО + СО2/ СН3СОСОО–	–0.70
FAD/FADH2	–0.12	–ООССН2СН2СОО– + СО2/ –ООССН2СН2СОСОО–	–0.67
–ООССН2СН2СОО–/ –ООССН=СНСОО–	0.03
Кротонил-СоА/Бутирил-СоА	0.19	СН3СОО–/СН3СНО	–0.60