1.2. Энергетическое сопряжений биохимических реакций

Химические реакции, протекающие в клетках, могут иметь различные значения DGo: положительные или отрицательные. Большинство катаболических реакций имеет отрицательные значения DGо, т.е. являются экзэргоническими и могут идти самопроизвольно. В то же время реакции клеточного анаболизма часто являются эндэргоническими и самопроизвольно идти не могут для их осуществления необходима энергия, поступающая извне. Откуда же клетке взять эту энергию? Ответ очевиден нужно использовать свободную энергию, выделяющуюся в экзэргонических реакциях катаболизма. Это использование свободной энергии экзэргонических реакция для осуществления эндэргонических реакций есть энергетическое сопряжение реакций.

а).

б).

Единственным условием эффективности энергетического сопряжения является: ( DGа ) + ( + DGб ) < 0 , т.е. суммарное изменение DG в двух сопряженных реакциях должно быть отрицательным.

1.3. Механизм энергетического сопряжения

Сразу же возникает вопрос а каков же механизм энергетического сопряжения. Известно, что клетка не способна использовать теплоту для обеспечения своих эндэргонических процессов. Это обусловлено тем, что в клетках нет градиента температуры. В то же время живые объекты эффективно используют энергию, заключенную в химических связях тех или иных соединений. Именно в виде химической энергии и передается энергия в системе сопряженных химических реакций.

Соединения, выступающие в качестве переносчиков энергии в сопряженных реакциях, содержат в одной из своих связей большой запас химической энергии, которая высвобождается при их разрыве. Эти соединения обычно называют «макроэргическими соединениями» или просто «макроэргами», а химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество свободной энергии, получили название «макроэргических связей»; они обычно обозначаются знаком «~» Химическая связь в том или ином соединении считается макроэргической, если при её разрыве выделяется не менее 5 ккал ( 20 кДж ) в расчете на 1 моль связи. Естественно, что для образования такой связи требуется эквивалентное количество свободной энергии.

Тогда механизм энергетического сопряжения реакций, протекающих в клетках может быть изображен в виде следующей принципиальной схемы:

Из приведенной схемы следует, что свободная энергия, выделяющаяся в ходе катаболической экзэргонической реакции первоначально накапливается ( аккумулируется ) в виде энергии макроэргической связи соединения переносчика энергии, а затем эта аккумулированная энергия высвобождается при разрыве макроэргической связи и используется в ходе анаболической эндэргонической реакции.

1.4. Общая характеристика макроэргических соединений

К настоящему времени известно несколько десятков разнообразных по своей химической природе соединений, имеющих в своей структуре макроэргические связи, такие как ацетилфосфат, сукцинилКоА, креатинфосфат, аминоациладенилаты или аминоацилтРНК. Наиболее часто мы будем встречаться с макроэргами, относящимися к 4 классам:

1. Полифосфаты нуклеотидов ( АТФ, ЦТФ, УТФ и др.) Макроэргическими связями в их составе являются фосфоангидридные пирофосфатные связи:

2. Ацилфосфата или карбонилфосфаты ( ацетилфосфат, 1,3ди фосфоглицерат ). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислотного остатка и остатком фосфорной кислоты:

3. Тиоэфиры ( ацетилКоА, сукцинилКоА ). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислоты и HSгруппой тиоспирта, входящего в состав КоА ):

4. Гуанидинфосфаты ( креатинфосфат, аргининфосфат). Макроэргической связью является ангидридная связь между гуанидиновой группой и остатком фосфорной кислоты: NH » Энергия разрыва связи R NH C N ~ PO3H2 составляет 10,3 ккал/моль

Несмотря на высокие значения DGo для процессов разрыва макроэргических связей богатые энергией соединения представляют собой достаточно стабильные в условиях живых систем вещества. Кроме того, это низкомолекулярные соединения, поэтому они могут сравнительно легко перемещаться в клетке. Совокупность их свойств: способность аккумулировать энергию и способность диффундировать в клетке и позволяет им выполнять функцию переносчиков энергии.

Важно также, что макроэрги позволяют разобщить во времени процессы экзэргонические и эндэргонические. Так, накопление АТФ в клетке может происходить в митохондриях, когда клетка находится в состоянии покоя, тогда как использование АТФ будет идти в цитозоле спустя некоторое время, когда клетке потребуется энергия, например. для биосинтетических процессов.

Центральное место в системе клеточных макроэргов принадлежит аденозинтрифосфорной кислоте ( АТФ ), поскольку она, вопервых, выступает первичным аккумулятором большей части энергии, выделяющейся при распаде питательных веществ; вовторых, АТФ выступает в качестве источника свободной энергии для большинства внутриклеточных эндэргонических реакций и процессов, тогда как остальные макроэрги принимают участие в узком круге реакций; в третьих, большинство других макроэргов или сами образуются за счет энергии АТФ ( креатинфосфат, ЦТФ и др.) или сами служат промежуточными продуктами при синтезе АТФ ( 1,3ДФГК или ФЭП ).