5. Роль высокоэнергетических соединений в клеточном метаболизме

5.1 Специализированное применение двух универсальных форм энергии

АТФ участвует в реакциях, протекающих в цитоплазме, то есть в форме АТФ энергией обеспечиваются все процессы, протекающие в водной среде. К числу последних относится большинство биосинтетических реакций. Помимо этого АТФ служит источником энергии для протекания ряда мембранзависимых процессов.

Энергия протонного градиента связана исключительно с мембранами, которые являются необходимым компонентом для его образования. Поэтому энергией в форме протонного градиента (∆μ_н⁺) могут обеспечиваться только процессы, локализованные на мембране. Таким образом, у протонного градиента (∆μ_н⁺) более узкая область приложения. В то же время использование клеткой энергии в форме протонного градиента (∆μ_н⁺) имеет определенные преимущества: протонный градиент (∆μ_н⁺) в форме его электрической составляющей — более удобная форма энергии для внутри- и межклеточной транспортировки. Скорость переноса энергии посредством диффузии АТФ в цитоплазме значительно медленнее, чем скорость передачи протонного градиента (∆μ_н⁺) по мембранам.

Энергия в форме протонного градиента (∆μ_н⁺) не содержится в виде определенных порций, как это имеет место в молекуле АТФ. При гидролизе макроэргической фосфатной связи АТФ освобождается определенное количество энергии (∆G₀ = -31,8 кДж/моль). Если для сопряженного эндергонического процесса требуется меньшее количество энергии, остальная часть рассеивается в виде тепла. При использовании энергии в форме трансмембранного потенциала потерь, обусловленных запасанием энергии в виде порций, не происходит. С этим связано и еще одно преимущество при использовании клеткой энергии в форме протонного градиента (∆μ_н⁺), а именно-не существует нижнего порога для его образования.

5.2 Роль других соединений с богатыми энергией связями

И з выше изложенного понятна первостепенная роль АТФ в «улавливании» части свободной энергии, которая становится доступной при катаболических реакциях, и роль АТФ в поддержании биосинтетических реакций путем фосфорилирования и, следовательно, активации некоторых промежуточных метаболитов биосинтеза. Часть этих промежуточных метаболитов биосинтеза также содержит богатые энергией связи. АТФ непосредственно участвует в большинстве таких реакций активации, вместе с тем на определенных этапах метаболизма в них участвуют и другие химически активные специфические метаболиты, содержащие богатые энергией связи. Все богатые энергией соединения могут образоваться за счет затраты одной или двух богатых энергией связей АТФ, но иногда они образуются непосредственно в катаболических реакциях.

Слайд №33 Эти соединения перечислены, в таблице 3 вместе с примерами реакции активации, в которых они участвуют.

5.3 Роль пиридиновых нуклеотидов в метаболизме

Как и все остальные реакции окисления, биологическое окисление органических метаболитов представляет собой удаление электронов. В большинстве случаев на каждой стадии окисления метаболита происходит удаление двух электронов и одновременно потеря двух протонов. Этот процесс эквивалентен отнятию двух атомов водорода и называется дегидрированием. Наоборот, восстановление какого-либо метаболита представляет собой присоединение двух электронов и двух протонов и, следовательно, его можно рассматривать как гидрирование .

Посредниками в реакциях биологического окисления и восстановления чаще всего являются два пиридиновых нуклеотида: никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАД Ф).

Оба эти пиридиновых нуклеотида легко могут претерпевать обратимое окисление и восстановление никотинамидной группы. Окисленная форма пиридиновых нуклеотидов содержит на один атом водорода меньше, чем восстановленная форма; кроме того, она имеет положительный заряд, позволяющий ей акцептировать при восстановлении второй электрон. Обратимые реакции окисления — восстановления НАД и НАДФ можно записать следующим образом:

Слайд№34

НАД⁺ + 2Н ↔ НАД Н + Н⁺

(окислен форма) (восстановл. форма)

НАДФ⁺ + 2Н ↔ НАДФ Н + Н⁺.

Функция пиридиновых нуклеотидов в метаболизме состоит в переносе восстановительного потенциала или в его образовании.

Каждая форма клеточной энергии может быть использована для осуществления химической, механической и осмотической работы, между ними существует определенное "разделение труда". Например, большинство биосинтезов обеспечивается энергией АТФ, активный транспорт — энергией протонного градиента (∆μ_н⁺). Из этого следует, что клетке необходимо всегда иметь определенное количество энергии в той и другой легко мобилизуемой форме. Это может быть одной из причин существования в клетке двух взаимосвязанных энергетических пулов (резервуаров), между которыми при необходимости легко может осуществляться перекачка энергии (см. рисунок 3).

Емкость обоих энергетических пулов невелика. Например, величина протонного градиента (∆μ_н⁺) поддерживается на уровне 200-250мВ. Внутриклеточная концентрация АТФ составляет около 2мМ. Это также указывает на каталитическую роль АТФ в клетке. Подсчитано, что для удвоения клеточной массы молекула АТФ должна около 10000 раз участвовать в реакциях гидролиза и синтеза.