3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа

 

Наиболее распространенным высокоэнергетическим общим промежуточным продуктом является нуклеотид аденозинтрифосфат (АТР), который может передавать свою концевую высокоэнергетическую фосфатную группу любой из многочисленных органических молекул–акцепторов (в том числе сахарам, аминокислотам, нуклеотидам). Фосфорилирование повышает свободную энергию акцепторной молекулы, которая приобретает способность участвовать в катализируемых ферментами биохимических реакциях.

Молекула АТР состоит из аденилатной группы (которая в свою очередь образована пиримидиновым основанием аденином и пятиуглеродным сахарным остатком рибозой) и трифосфатной группы (рис. 3–7).

 

Рис. 3.7. Структурная формула АТР. Волнистыми линиями обозначены высокоэнергетические связи концевой и второй от конца фосфатных групп. (Baker, Allen, 1965.)

 

Значительная часть свободной энергии этой молекулы обусловлена взаимным электростатическим отталкиванием трех фосфатных остатков, содержащих положительно заряженные атомы фосфора и отрицательно заряженные атомы кислорода. Взаимное отталкивание этих фосфатных остатков аналогично взаимному отталкиванию прямых магнитов (рис. 3–8), у которых одноименные полюса находятся друг против друга и которые удерживаются вместе липкой мазью (например, лыжной). Если мазь, которая выполняет в данном случае роль пирофосфатных связей в АТР, размягчить нагреванием, магниты оттолкнутся друг от друга, при этом высвободится энергия, аккумулированная благодаря сближению взаимно отталкивающихся магнитов.

 

Рис. 3.8. Магнитный аналог пирофосфатной высокоэнергетической связи. Энергия аккумулируется за счет сближения магнитов и удерживания их вместе при помощи липкой мази. Когда мазь расплавляется, магниты разлетаются в разные стороны, при этом высвобождается аккумулированная энергия. В этой модели роль источника энергии активации играет пламя.

 

 Аналогичным образом разрыв связей между фосфатными остатками в АТР сопровождается высвобождением энергии. После гидролиза концевой фосфатной группы (рис. 3–9) из–за взаимного отталкивания образовавшихся продуктов, аденозиндифосфата (ADP) и неорганического фосфата (P_i), вероятность их рекомбинации очень мала. Другими словами, их рекомбинация представляет собой сильно выраженный эндоэргический процесс. Согласно табл. 3–2, увеличение стандартной свободной энергии в случае гидролиза АТР в стандартных условиях составляет —7,3 ккал/моль.

 

Рис. 3.9. При гидролизе АТР до ADP и Рi высвобождается энергия, равная энергии электростатического отталкивания между концевой и второй от конца фосфатными группами; при этом происходит уменьшение свободной энергии на величину около 7,3 ккал на моль АТР. За этой реакцией удобно следить, измеряя концентрацию неорганического фосфата.

 

 

Роль АТР как «привода» исходно эндоэргических реакций с помощью сопряженных реакций можно проиллюстрировать на примере реакции конденсации двух компонентов X и Y:

 

X + АТР  X — Фосфат + ADP,

ΔG° = —3,0 ккал/моль,

X—Фосфат + Y XY + P_I,

ΔG° = — 2,3 ккал/моль.

 

Т а б л и ц а 3–2. Стандартная сводная энергия гидролиза некоторых фосфорилированных соединений

	ΔG°, ккал	Потенциал(Определяемый как  – ΔG°·10 –3  , ΔG° – стандартная свободная энергия при pH  =7. (Lehninger,1975)) по отношению к переносу фосфатных  групп
Фосфоенолпируват 3–Фосфоглицерофосфат Фосфокреатин Ацетилфосфат Фосфоаргинин АТР Глюкозо–1–фосфат Фруктозо–6–фосфат Глюкозо–6–фосфат Глицерол–1–фосфат	–14,8 –11,8 –10,3 –10,1 –7,7 –7,3 –5,0 –3,8 –3,3 –2,2	14,8 11,8 10,3 10,1 7,7 7,3 5,0 3,8 3,3 2,2

 

 

Суммарное уменьшение свободной энергии в этих двух реакциях ( — 5,3 ккал/моль) будет равно сумме приростов свободной энергии в двух результирующих реакциях:

АТР + НОН  ADP + Рi

X+Y   XY ,

ΔG° = –7,3 ккал/моль

ΔG° = +2,0 ккал/моль

— 5,3 ккал/моль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, хотя ΔG° реакции конденсации X и Y положительная величина ( + 2,0 ккал), но, поскольку ΔG° для реакции гидролиза АТР имеет противоположный знак и больше по абсолютной величине ( — 7,3 ккал), суммарная величина ΔG° для обеих сопряженных реакций отрицательна, т. е. в целом процесс экзоэргический, что и позволяет реакции осуществиться.

АТР и другие нуклеозидтрифосфаты, например GTP, ответственны за перенос энергии во многих сопряженных реакциях, однако следует подчеркнуть, что механизм с участием общего промежуточного продукта широко распространен в биохимических системах.

В ходе последовательных реакций через общие промежуточные продукты передаются от одной молекулы к другой фрагменты молекул и даже атомы (например, атомы водорода). Особенность высокоэнергетических нуклеотидов состоит только в том, что они выступают в качестве универсального источника энергии для большого числа энергозависимых реакций. С этой точки зрения ADP представляет собой энергетически «незаряженную» форму, а АТР – «заряженную» (рис. 3–9). Как мы вскоре увидим, в биохимической фабрике клетки есть различные механизмы, с помощью которых химическая энергия направляется на ресинтез АТР. Система ADP/ATP используется для «перекачивания» химической энергии из тех органических фосфатов, которые при гидролизе высвобождают больше энергии, чем АТР (см. табл. 3–2).

Аргининфосфат и креатинфосфат выполняют роль своеобразных аккумуляторов химической энергии, которые используются для быстрого фосфорилирования ADP при ресинтезе АТР во время энергичного мышечного сокращения. Их называют еще фосфагенами. В мышцах позвоночных и в организме некоторых беспозвоночных осуществляется следующая реакция трансфосфорилирования:

 

	Фермент  трансфосфорилаза
Креатинфосфат + ADP	→	Креатин + АТР,
	ΔG° = 3,0 ккал/моль.

 

У позвоночных обнаружен только креатинфосфат, а аргининфосфат широко распространен в мышечных тканях беспозвоночных (табл. 3–3).

 

Т а б л и ц а 3–3. Распределение двух главных фосфагенов среди животных и одноклеточных организмов (Baldwin, 1964)

	Аргининифосфат	Креатинфосфат
Ресничные инфузории Плоские черви Кольчатые черви Членистоногии Моллюски Двустворчатые Головоногие Иглокожие Морские лилии Морские звезды Голотурии Морские ежи Офиуры Низшие формы хордовых Оболочники Кишечнодышащие Головохордовые Позвоночные (все классы)	+ + – +   + +   + + + + –   – + – –	– – + –   – –   – – – + +   + + + +