2.5. Стандартные свободные энергии гидролиза

макроэргических соединений

Макроэргические соединения	DG°΄, кДж × моль-1
Аденозинтрифосфат (при переносе фосфата)	–30,6
Аденозинтрифосфат (при переносе пирофосфата)	–42
1,3-Дифосфоглицериновая кислота	–49
Ацетилфосфат	–42
Фосфоенолпировиноградная кислота	–62
Ацетилкофермент А	–37
Аргининфосфат	–32
Ацетилимидазол	–50

Рассмотрим конкретный пример сопряжённого синтеза веществ с участием макроэргического соединения. В процессе синтеза аминокислот довольно активно происходит образование амида глутаминовой кислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака под действием фермента глутаминсинтетазы. Это эндергоническая реакция, в ходе которой погло-щается свободная энергия в количестве DG°΄ = 14 кДж в расчете на 1 моль синтезируемого глутамина.

Для осуществления эндергонической реакции синтеза глутамина проходит сопряжённая экзергоническая реакция гидролиза АТФ с высвобождением свободной энергии –30,6 кДж в расчёте на 1 моль АТФ. Суммарное изменение свободной энергии в указанных сопряжённых реакциях при синтезе 1 моля глутамина равно:

DG°΄_сопр.= DG°΄_экз.+ DG°΄_энд.= –30,6 + 14 = –16,6 кДж.

Как следует из приведенных данных, общее количество свободной энергии при прохождении указанных реакций уменьшается, поэтому синтез глутамина за счёт энергии гидролиза АТФ происходит само-произвольно.

Сопряжённые реакции синтеза глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ можно записать в виде следующей схемы с учётом того, что в экзергонической реакции свободная энергия умень-шается, а в эндергонической – увеличивается:

С

O

//

СН₂ – СООН СН₂ – C – NH₂

| |

CH₂ + NH₃ + АТФ ¾® CH₂ + АДФ + Н₃РО₄

| |

CHNH₂ – COOH CHNH₂ – COOH

глутаминовая кислота глутамин

уммарное уравнение сопряжённого синтеза глутамина с участием АТФ под действием фермента глутаминсинтетазы можно записать следующим образом:

Среди всех макроэргических соединений центральное положение занимает аденозинтрифосфат (АТФ), или как часто его называют, адено-зинтрифосфорная кислота. Это макроэргическое соединение служит источником энергии для большинства реакций сопряжённого синтеза различных веществ, участвует в активации молекул путём их фосфори-лирования, трансмембранном транспорте катионов водорода и органичес-ких веществ, служит источником фосфатных групп для синтеза других макроэргических соединений. В виде АТФ аккумулируется энергия в процессах фотосинтеза и дыхания, а также осуществляется дальний транспорт энергии по флоэмной системе растений и кровеносной системе человека и животных, тогда как большинство других макроэргических соединений дальнему транспорту не подвергаются. АТФ содержится во всех живых клетках в количестве 0,5–20 ммоль/л жидкой физиологической среды, и его концентрация поддерживается на оптимальном уровне с помощью специальных регуляторных систем.

Остатки ортофосфорной кислоты в молекулах АТФ обладают сильно выраженной способностью к ионизации, превращаясь в анионы АТФ^4–, которые в физиологической среде активно взаимодействуют с катионами магния Mg²⁺, образуя устойчивые комплексы MgАТФ^2–. Именно в виде таких комплексов АТФ взаимодействует с ферментами в различных реакциях фосфорилирования и активации органических веществ.

В реакциях сопряжённого синтеза веществ молекулы АТФ могут гидролизоваться по одной из двух макроэргических связей с образованием АДФ или адениловой кислоты (АМФ). При гидролизе АТФ по первой макроэргической связи с образованием в качестве продуктов АДФ и неорганического фосфата высвобождается 30,6 кДж свободной энергии в расчёте на 1 моль АТФ (при стандартных условиях):

АТФ + Н₂О ¾® АДФ + Н₃РО₄, DG°΄ = –30,6 кДж × моль^–1.

Гидролиз АТФ по такому механизму проходит в реакциях сопряжённого синтеза аспарагина, глутамина, малонилкофермента А, щавелевоуксусной кислоты и других соединений.

В сопряжённых реакциях, где требуются большие энергетические затраты на осуществление эндергонического синтеза, происходит гидролиз АТФ по второй (внутренней) макроэргической связи с образованием пирофосфата, который приводит к высвобождению в стандартных условиях 42 кДж свободной энергии в расчёте на 1 моль гидролизуемой АТФ:

АТФ + Н₂О ¾® АМФ + Н₄ Р₂О₇; DG°΄ = –42 кДж × моль^–1.

Указанная реакция гидролиза АТФ инициируется при активации жирных кислот и аминокислот. Так, например, процессу b-окисления жир-ных кислот в митохондриях предшествует их связывание с коферментом А, на которое затрачивается энергия гидролиза АТФ с образованием пирофосфата:

R–C–OH + HS–КоА + АТФ ¾® R–C~S–КоА + АМФ + Н₄Р₂О₇

|| ||

O O

Жирная кислота Ацил-КоА

На биосинтетические процессы в организмах затрачивается большое количество энергии, высвобождающейся при гидролизе молекул АТФ, понижение концентрации которых восполняется за счёт постоянного их синтеза. В растениях и других организмах выработаны специальные механизмы образования АТФ, находящиеся, как мы увидим далее, под контролем регуляторных систем. В ходе синтеза АТФ под действием ферментов инициируется образование макроэргических связей и присоединение к ним неорганического фосфата, а затем осуществляется перенос остатков ортофосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ. В качестве продуктов в таких реакциях синтезируются молекулы АТФ.

Образование макроэргических связей – эндергонический процесс, на который затрачивается энергия, высвобождающаяся в сопряжённой экзергонической реакции или в результате направленного переноса протонов через хлоропластные и митохондриальные мембраны под действием трансмембранного электрохимического потенциала, индуциру-емого переносом электронов по электронтраспортной системе этих клеточных органелл. Согласно первому закону термодинамики на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата затрачивается такое же количество энергии, которое высвобождается при гидролизе АТФ, однако изменение свободной энергии в ходе реакции будет уже с противопо-ложным знаком:

АДФ + Н₃РО₄ ¾® АТФ + Н₂О, DG°΄ = +30,6 кДж × моль^–1

У большинства организмов происходит интенсивное образование

АТФ за счёт энергии окисления органических веществ в анаэробной стадии дыхания и реакциях цикла Кребса. Эти реакции получили название субстратного фосфорилирования, так как в них окисление дыхательных продуктов и образование макроэргических связей сопряжено с фосфорили-рованием субстратов дыхания путём включения в состав органических веществ неорганического фосфата. Схематически процесс субстратного фосфорилирования можно представить в виде следующих превращений:

С + Ф ¾® С ~ Ф

органический фермент фермент-субстратный

субстрат комплекс

С ~ Ф + Н₃РО₄ ¾® С ~ Ⓟ + Ф

макроэргический

фосфат

Вначале фермент реагирует с органическим субстратом и инициирует образование макроэргической связи в фермент-субстратном комплексе. Затем ферментная группировка замещается остатком ортофосфорной кислоты неорганического фосфата, в результате чего осуществляется синтез макроэргического фосфата, который далее становится донором остатка ортофосфорной кислоты с макроэргической связью для переноса на АДФ. В этой реакции синтез АТФ катализирует специальный фермент – киназа, относящийся к классу трансфераз:

киназа

С ~ Ⓟ + АДФ ¾¾® С + АТФ

макроэргический изменённый

фосфат субстрат

В анаэробной стадии дыхания субстратное фосфорилирование происходит на этапе окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту, в цикле Кребса – при фосфоролизе сукци-нилкофермента А (см. раздел 3.1.2).

В процессе анаэробного окисления углеводов макроэргические связи возникают также при дегидратации 2-фосфоглицериновой кислоты (см. раздел 3.1.2), которая сопровождается синтезом макроэргического фосфата – фосфоенолпировиноградной кислоты, способной передавать остаток ортофосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ и таким образом инициировать синтез АТФ.

У высших организмов важнейшим источником образования АТФ является процесс окислительного фосфорилирования, локализованный в митохондриях. Во внутренней физиологической среде митохондрий актив-но протекают реакции цикла Кребса, в которых энергия окисления ацетил-кофермента А и других промежуточных продуктов дыхания используется для синтеза восстановленных динуклеотидов НАД × Н и ФАД × Н₂. Эти соединения становятся донорами электронов для системы переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Конечными акцеп-торами электронов служат молекулы кислорода, которые, присоединяя электроны и протоны, образуют молекулы воды.

Процесс переноса электронов по системе переносчиков индуцирует сопряжённый процесс переноса протонов через мембрану митохондрий. Накапливаясь на её внешней поверхности, протоны создают трансмем-бранный электрохимический потенциал. Под действием АТФ-синтетазного ферментного комплекса, входящего в структуру митохондриальной мембраны, энергия трансмембранного электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

У фотосинтезирующих организмов большое количество АТФ синте-зируется в процессе фотосинтетического фосфорилирования, локализован-ного в хлоропластах (см. раздел 3.1.1). Первичным источником энергии для этого процесса служат кванты света, которые поглощаются фотохими-ческими системами и трансформируются в энергию восстановленных орга-нических соединений, служащих донорами электронов для системы пере-носчиков, находящихся в составе хлоропластных мембран. В свою оче-редь, транспорт электронов по цепи переносчиков инициирует перенос протонов через мембрану хлоропластов, создавая трансмембранный элек-трохимический потенциал. Энергия этого потенциала используется АТФ-синтетазным комплексом для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Механизм фотосинтетического фосфорилирования во многом сходен с механизмом окислительного фосфорилирования. Исключение составляют первичные источники энергии: для окислительного фосфори-лирования используется энергия органически веществ, окисляемых в про-цессе дыхательных реакций, для фотосинтетического фосфорилирования – кванты света.