2.4. Энергозависимые реакции сопряжены с реакцией гидролиза атф

Молекула АТФ имеет сложную структуру, основой которой являются нуклеотид аденин, остаток рибозы и три остатка фосфорной кислоты (рис. 2.1). Между фосфатными группами имеются две высокоэнергетические, или макроэргические связи, при разрыве которых освобождается много энергии. В ре­зультате гидролиза молекула АТФ теряет одну концевую фосфатную группи­ровку, которая переносится на гидроксил воды, в результате чего образуется аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. Последний представляет собой стабильный ион (НРО ) и обозначается как Ф_н (Р_i).

АТФ + Н₂О → АДФ + Ф_н.

∆G°' = -30,6 кДж∙моль^-1 (-7,3 ккал∙моль^-1).

¹ На плазматической мембране клеток животных, а также некоторых морских бактерий, в качестве конвертируемой формы энергии используется трансмембранный градиент ионов натрия

В молекулах АТФ и АДФ фосфатные группы способны к ионизации, сте­пень которой зависит от рН среды. При рН 7,0 АТФ и АДФ представлены анионами с высоким зарядом: АТФ^4- и АДФ^3-. В ионизированной форме АТФ и АДФ образуют комплексы с ионом магния, который, как правило, необходим для протекания реакций с участием АТФ.

Величина ∆G' реакции гидролиза АТФ может быть рассчитана по урав­нению

∆G' = ∆G⁰' + 2,ЗRTlg[АДФ][Ф_Н]/[АТФ]).

Концентрация воды как стандартного раство­рителя принята за 1 М. В реальных условиях зна­чение ∆G' зависит от температуры, содержа­ния ионов магния, концентрации реагирующих веществ и составляет

-11 ...-13 ккал ∙ моль^-1. Для синтеза АТФ — это та же величина, взятая с обратным знаком.

В некоторых реакциях гидролиз АТФ идет с отщеплением сразу двух фосфатных групп с образованием аденозинмонофосфата (АМФ) и пирофосфата (ФФ_Н), который подвергается даль­нейшему гидролизу с образованием энергии:

АТФ представляет собой универсальное макроэргическое соединение, ре­акция гидролиза которого сопряжена со множеством энергозависимых про­цессов. Сопряжение осуществляется через образование общего для двух реак­ций промежуточного продукта: отщепляемый от АТФ фосфат временно пере­носится на молекулу одного из реагирующих веществ. В результате такого фосфорилирования энергия молекулы повышается, и это дает возможность прой­ти энергетически невыгодной реакции. Помимо АТФ в клетке есть и другие соединения с макроэргической связью и высокими значениями свободной энер­гии гидролиза (см. гл. 4), однако именно АТФ является наиболее общим и прямым источником энергии в клетке. В то же время следует заметить, что роль АТФ в метаболизме гораздо шире — это универсальный донор фосфатных групп в реакциях фосфорилирования, катализируемых ферментами киназами. Такие реакции важны не только для синтеза новых соединений, но и для регуляции ферментативной активности, а также играют важную роль в процессах, свя­занных с клеточной сигнализацией (см. гл. 7).

2.5. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

НА СОПРЯГАЮЩИХ МЕМБРАНАХ СВЯЗАНО

С ОБРАЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО

ПРОТОННОГО ГРАДИЕНТА (Δ )

Расход АТФ на обеспечение энергозависимых реакций должен восполнять­ся ее синтезом, который требует адекватных энергетических затрат. Каким же образом происходит синтез АТФ в клетке и каким образом используется для этого энергия внешних ресурсов?

Небольшая часть АТФ может быть образована при анаэробном разложе­нии глюкозы в биохимических реакциях гликолиза (см. гл. 4). Основная же часть АТФ в клетках растений, животных и многих бактерий образуется в процессах фотосинтеза или дыхания. В основе трансформации энергии (будь то энергия света или субстратов дыхания) в энергию молекулы АТФ лежит общий и единый механизм, который получил название хемиосмотического со­пряжения. Впервые хемиосмотическая теория была постулирована в 1960 г. анг­лийским биохимиком Питером Митчеллом. Однако идеи Митчелла были столь необычны, что стали общепризнанными лишь спустя некоторое время, когда получили неопровержимые экспериментальные подтверждения. Впоследствии П.Митчелл получил за свое открытие Нобелевскую премию (1978). Рассмот­рим в общих чертах, в чем смысл хемиосмотического сопряжения и какие события лежат на пути преобразования энергии в клетке.

В системах трансформации энергии ключевая роль принадлежит замкнутой, сопрягающей мембране, непроницаемой для ионов. К сопрягающим относятся тилакоидная мембрана хлоропластов, внутренняя мембрана митохондрий и плазматические мембраны бактериальных клеток. Как правило, сопрягающая мембрана обогащена белком и биохимически отличается от других мембран клетки, так как содержит уникальный фосфолипид — кардиолипин, который делает мембрану более жидкой и более непроницаемой для ионов.

Энергопреобразующие мембраны содержат электрон-транспортные цепи (ЭТЦ). В процессах фотосинтеза и дыхания реализация энергии света или окисляемых субстратов в тилакоидной или митохондриальной мембране свя­зана с возникновением электронного транспорта в ЭТЦ. Перенос электрона в фотосинтетической или дыхательной цепи неразрывно связан с векторной транслокацией иона Н⁺ через мембрану против сил электрического поля и в направлении большей концентрации. В фотосинтезе действие ЭТЦ сопряже­но с накоплением протонов внутри тилакоидного пространства. Дыхательная цепь перекачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. Процесс транслокации протона сопровождается энергизацией мем­браны, т. е. возникновением на ней трансмембранной разности, или градиен­та электрохимического потенциала ионов водорода (Δ ), или протондвижущей силы ∆ρ. Генерируемый на мембране Δ представляет собой форму энергии, запасенную на мембране. Он используется для синтеза АТФ в про­цессах фотофосфорилирования (см. гл. 3) и окислительного фосфорилирования (см. гл. 4). Синтез АТФ катализируется ферментом АТФ-синтазой, также ло­кализованным в сопрягающих мембранах хлоропластов, митохондрий или бак­терий.

Таким образом, система трансформации энергии включает следующие ос­новные компоненты:

• замкнутая сопрягающая мембрана;

• локализованная в мембране ЭТЦ;

• трансмембранный электрохимический протонный градиент Δ , генери­руемый работой цепи;

• АТФ-синтаза, катализирующая синтез АТФ из АДФ и Ф_н за счет энергии Δ

Так выглядит общая схема преобразования энергии на мембране. Рас­смотрим теперь более подробно, что представляет собой энергия Δ и ка­ким образом она превращается в энергию макроэргической связи в молекуле АТФ.