5.5.2. Ферментативное окисление

Рис. 5–7. НАД – никотинамидадениндинуклеотид (кофермент ниацин)

Не окисленное, более высокоэнергетическое, состояние всегда отделено от устойчивого, окисленного, состояния потенциальным барьером (рис. 5–2). Поэтому переход в стабильное состояние нуждается в энергии активации. В биологических реакциях преодолению энергетического барьера (равного энергии активации) путем его снижения способствуют ферменты. Каждый фермент, как указывалось выше, представляет собой белок с активным центром, связывающим субстрат реакции. Активный центр формируется с помощью коферментов и простетических групп (органических соединений небелковой природы).

Коферменты, взаимодействующие с ферментами, служат промежуточными переносчиками различных групп атомов с одного субстрата на другой, в данном случае (при окислении) – для переноса восстановительных эквивалентов. В отличие от ферментов, которые обычно высокоспецифичны к своим субстратам, коферменты взаимодействуют со многими ферментами, обладающими раз-личной субстратной специфичностью. Растворимый кофермент присоединяется к ферменту во время реакции, химически изменяется, затем снова освобождается, а свою первоначальную форму приобретает во второй независимой реакции.

Рассмотрим действие растворимого кофермента ниацина НАД (никотинамидадениндинуклеотид, NAD) в окислительно-восстанови-тельных реакциях (рис. 5–7), который содержится в клетках в свободном состоянии. НАД относится к динуклеотидным коферментам. Он содержит два мононуклеотида: аденозин-5´-фосфат (верхняя часть формулы, рис. 5–7) и никотинамиднуклеотид (нижняя часть формулы). Два мононуклеотида связаны между собой ангидридной связью. При этом их фосфатные группы образуют 5´,5´-пирофосфатный мостик.

Никотинамид – это амид никотиновой кислоты (химическая формула на вставке рис. 5–8). Никотиновая кислота относится к группе витаминов.

НАД служит акцептором водорода (АсН₂). Общая схема гидридного (Н^–) переноса в окислительно-восстановительном процессе с образованием НАДН показана на рис. 5–8. В окислительно-восстановительных реакциях участвует только никотинамидное кольцо кофермента НАД (рис. 5–8, левая верхняя часть). В окисленной форме кольцо имеет ароматический характер, несет положительный заряд и обозначается НАД⁺. При окислении от восстановленного субстрата АН₂ отделяются два атома водорода. На НАД⁺ переносится гидрид-ион Н^–, содержащий два электрона и один протон.

Рис. 5–8. Перенос гидрид-иона в окислительно-восстановительном процессе (5.7)

Акцептором гидрид-иона является атом углерода. При этом образуется алифатическая ациклическая СН₂–группа, перестраиваются двойные связи кольца, и исчезает положительный заряд. Второй протон высвобождается в среду, и полная реакция восстановления кофермента НАД (с окислением субстрата АН₂→А) записывается в виде:

НАД⁺ + АН₂ → НАД∙Н + Н⁺+А. (5.7)

§5.6. Энергетическое сопряжение в реакциях фосфорилирования

Фосфорилирование – это замещение любого атома (или группы атомов) на остаток фосфорной кислоты, которое, практически всегда, требует затрат энергии.

Если отщепление фосфата и высвобождение энергии АТФ (гидролиз) идет без сопряжения с эндоэргическим процессом, то это приводит лишь к выделению тепла. В клетке гидролиз идет с сопряжением, то есть одновременно с реакцией фосфорилирования биологических молекул, когда в ходе энергетически сопряженных реакций за счет отщепления фосфатной группы от АТФ или АДФ образуется промежуточный продукт. При этом биологическая молекула переходит в активное состояние и может вступать во вторую часть сопряженной реакции. Рассмотрим, например, реакцию образования глутамина из глутамата (рис. 5–9).

Рис. 5–9. Энергетическое сопряжение на примере реакции с участием глутамат-NH₃-лигазы – глутаминсинтетазы (изомеразы, катализирующей превращения (образования связей С–N) в пределах одной молекулы)

В первой части сопряженной реакции (I) концевая фосфатная группа (в штриховом круге) переносится с АТФ на глутамат с образованием промежуточного продукта – смешанного ангидрида (γ-глутамилфосфата). На втором этапе сопряженной реакции (II) фосфатная группа промежуточного продукта вытесняется аммиаком NH₃ (в штриховом треугольнике) с образованием глутамина и свободного фосфата. Изменения свободной энергии на обоих этапах сопряженного процесса (ΔG₁, ΔG₂) и суммарное изменение энергии (ΔG_соп) схематически изображены на вставке. Энергия ΔG₁, выделяющаяся при реакции гидролиза АТФ→АДФ расходуется на фосфорилирование ΔG₂ промежуточного продукта и частично ΔG_соп превращается в тепло. Поскольку

,

то в целом сопряженный процесс является экзоэргическим.

Обратный процесс (синтез АТФ из АДФ) – процесс рефосфорилирования (АДФ→АТФ или АМФ→АДФ→АТФ) требует затрат энергии и происходит в результате окислительных процессов. У человека скорость обмена АТФ составляет около 50 кг в сутки.