Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

поступление одних веществ в систему и выведение других из нее, обмен веществ является важнейшим элементом жизни.

Та часть общего процесса обмена веществ, которая выражается в поглоще­

нии, накоплении, усвоении организмом веществ окружающей среды и созда­ нии, синтезе за их счет структурных единиц своего тела, называется анаболиз­

мом или ассимиляцией. Та часть общего процесса обмена веществ, которая

состоит в разрушении веществ, составляющих организм, в распаде элементов

живого тела и выведении продуктов этого распада из организма, называется

катаболизмом или диссимиляцией. Следовательно, обмен веществ есть диалек­

тическое единство противоположных процессов питания н выделения, усвоении н разрушения, синтеза н распада, нными словамн- диалектическое единство

процессов ассимиляции н дисснмиляции.

Обмен веществ представляет собой сочетание многих разнообразных

ипротивоположных процессов. Одни из них представляют процессы физиоло­

гические (питание, выделение и т. п.), другие-физические (сорбция, перенос

ит. п.), третьи-химические (распад, синтез и т. п.). Та часть процессов обмена веществ в организме, которая заключается в осуществлении хими­ ческих реакций, ведущих к преобразованию индивидуальных химических со­

единений при их распаде и синтезе в процессе жизнедеятельности организма, называется промежуточным обменом веществ или метаболизмом. Именно про­

межуточный обмен веществ изучает динамическая биохимия.

Масштабы обмена веществ в живой природе колоссальны. Биомасса Земли,

составляющая, по подсчетам ученых, от 1,8 '1012 до 2,4 '1012 т (в пересчете на

сухое вещество), непрерывно обновляет свой состав, поглощая и выделяя огромные количества химических веществ. По подсчетам А. А. Ничипорови­

ча, растения Земли за год усваивают из атмосферы около 650 млрд. т С02 И выделяют в атмосферу около 350 млрд. т 02' За этот же срок растения

извлекают из почвы около 5 млрд. Т N, около 1 млрд. Т Р И 10-15 млрд. т

других минеральных элементов, образуя около 380 млрд. т биомассы (в расчете на сухое вещество). Только свободно живущие в почве азотфиксиру­

ющие микроорганизмы и клубеньковые бактерии ежегодно связывают около 1ОО млн. т молекулярного N из воздуха. За 2000 лет весь 02 атмосферы Земли

проходит через живое вещество. Выделение кислорода в результате фотосин­

теза, протекающего в растениях, водорослях и фотосинтезирующих бактери­ ях, составляет от 2 тыс. до 5 тыс. Т В одну секунду. Ежедневно на Земле

разрушается дО С02 и Н2О около 1 млрд. т органических соединений. По данным В. А. Ковды, полное обновление биомассы суши происходит в тече­ ние 200 лет. По мнению В. и. Вернадского, все вещество биосферы в течение

краткого в геологических масштабах периода может пройти через живые ор­

ганизмы. Таким образом, «...жизнь- живое вещество - поистине является

одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты, а вызыва­

емая ею биогенная миграция атомов представляет форму организованности

первостепенного значения в строении биосферы» 1.

Если перейти от рассмотрения обмена веществ в масштабе живого вещест­

ва всей планетыI к оценке его роли в мельчайшей единице живого-клетке, то здесь еще более ярко выступает значение обменных процессов в явлениях жизни. Клетка, имеющая согласно современным представлениям (см. рис. 3)

сложнейшую внутреннюю организацию, является средоточением нескольких

тысяч различных веществ. В простейшей бактериальной клетке (см. табл. 1)

находится около 300 млн. молекул органических соединений примерно

I Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1987.

180

::5000 наименований и громадное число молекул воды и неорганических солей.

ОНИ не только закономерно расположены в клеточном объеме, но и находятся "в постоянном физическом и химическом движении. Первое осуществляется благодаря наличиfO в клетке болыпгоo количества протоков, соединЯfOUЦИХ различные ее части друг с другом. Второе состоит в непрерывном преоб­

разовании химических веществ посредством многочисленных реакций распада и синтеза белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и т. п. Все эти реакции УСКОРЯfOтся сотнями ферментов и осуществЛЯfOТСЯ согласованно во

времени и пространстве, а самое главное-они совершаfOТСЯ с огромными

скоростями и саморегулирYfOТСЯ.

Обмен веществ осуществляется при условии и в результате постоянного взаимодействия живой и неживой материи, органнзма и среды. Естественно поэтому, что ход обмена веществ в организме, а часто и сам характер этого обмена находятся в тесной зависимости, в единстве с условиями внеIПней среды. Присyuцие организмам молекулярные механизмы видоизменения, пре­

образования, воспроизводства и раЗРYIПения специфических органических со­ единений (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы и др.) действYfOТ

ЛИIПь в определенных, ограниченных интервалах температуры, давления, ра­

диации. Они осуществляfOТСЯ ЛИIПь при условии постоянного притока веществ,

пригодных для преобразования, и оттока веществ, которые уже не могут

служить исходным материалом ДЛЯ построения тела данного организма.

Более того, поддержание на извесшом уровне специфической активности молекулярных механизмов, преобразYfOUЦИХ вещества клетки, зависит от не­

прерывного воспр<)Изведения составных частей самих этих механизмов в еди­

ном процессе обмена веществ. В этом смысле moбой органнзм представляет нензбежно самонастранвающуюся, саморегулнрующуюся систему, закономерно (и адекватно) измениющуюся при изменении условий среды, с которыми ор­

ганизм взаимодействует. Таким образом, тип обмена веществ складывается

в процессе жизнедеятельности организма как единство внутренних (консер­

вативных) и внеIПНИХ (изменчивых) факторов. В этом и состоит диалектиче-

ское единство организма и среды. .

Закономерности обмена энергии. Обмен веществ невозможен без сопутству­ fOщего ему обмена энергии. Каждое органическое соединение, входящее в со­ став живой материи, обладает определенным запасом потеlЩИальной энергии, за

счет которой может быть совеРIПена работа. ~TY энергиfO принято называть

свободной энергией. Уровни свободной энергии индивидуальных исходных

веществ и продуктов реакции, как правило, различны, вследствие чего в про­

цессе преобразования веществ происходит перераспределение свободной энер­

гии между компонентами реакционной смеси, т. е. протекает обмен энергией

между веществами.

Понятие о макроэргических соединениях. Главными материаль­ ными носителями свободной энергии в органических веществах ЯВЛЯfOТСЯ

химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических

связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется. Если изменение уровня свободной энергии соединения при возникновении или распаде химической связи составляет около 12,5 кДж/моль преобразуемого

веществ.а, то такая связь по CBO~МY энергетическому УРОВНfO считается нор­

мальной. Именно TaKYfO размерность имеет изменение уровня свободной энергии при преобразовании большинства связей в органических соединениях.

Однако при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических соединений изменяется в гораздо

Болыпйй степени и составляет 25-50 кДж/моль и более. Такие соединения

называfOТСЯ макроэргическими соединениямн, а связи, при преобразовании

181

:которых наступают столь. крупные изменения в энергетическом балансе Веще~

ства,-макроэргическими связями. Последние в отличие от обычных связей

обозначают значком --. Ниже приведены некоторые органические вещества

первого (с нормальными связями) и второго (с макроэргичесICИМИ СВ$lЗЯМИ)

типов. В каждом случае в скобках указаны величины уменьшения свободной

энергии (отмечено знаком минус перед цифрами в скобках) в исходных вещест~ вах по сравнению с таковыми в продуктах их гидролиза (при рН 7, 1=25° С;

кДж/моль):

182

I

ОН

l,З-дифОСфОТПИЦlCрииоваа кислота (-49,1)

183

I

с=о

I

СООН

Нетрудно видеть, что макроэргические связи представлены преимущест­ венно CJlожноэфирнымн, в том числе и тиоэфирнымн, ангидридными и фосфо­

амндиыми связями. Однако наиболее интересно, что почти все известные соединения с макроэргическими Связями содержат атомы Р и S, по месту которых в молекуле эти связи локализованы. Особая роль атомов S и Р в об­

разовanии макроэрmческих связей объясняется следующими причинами: 1) химические связи, свойственные элементам 111 периода, слабее, чем связи, характерные для элементов 11 периода; 2) S и Р образуют более четырех ковалентных связей; 3) только S и Р в 111 периоде ~охраняют способность к замыканию кратных связей.

Именно та энергия, которая высвобождается при разрыве макроэргических

связей, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем свободной энергии, ч~м исходные. В то же время запасы макроэр­

гических веществ в организм~ постоянно пополняются путем аккумулирова­

ния энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распада­

ющихся соединений.

Таким образом, макроэргические вещества выполняют функцию и доно­

ров, и акцепторов энергии в обмене веществ; они служат как аккумуляторами,

так и проводниками энергии в биохимических процессах. Кроме того, им

свойственна роль трансформаторов энерmи, так как они способны преоб­

разовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т. е.

в энерmю возбужденного состояния молекулы.

Последний вид энерmи и служит непосредственным источником реакцион­

ной способности молекул; преобразуясь снова в стационарную форму энерmи

химической связи, он энергетически обеспечивает видоизменение веществ, их преобразование, т. е. их обмен в организме.

Все сказанное еще· раз подчеркивает тесную взаимозависимость обмена

веществ и обмена энергии.

Природа макроэргических связей. Какие же закономерности

встроении молекул макроэргических соединений обеспечивают их особую

роль в обмене веществ и энерmи? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим

структуру молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ)-наиболее важ­

ного макроэргического соединения в организме. Впервые внимание на ее роль

вэнергетическом обеспечении химических процессов обратил Ф. Липманн

(1939-1941), а механизм распада под действием миозина и переход энерmи

макроэрmческой связи в механическую энергию сокращения мышцы исследо­

вали В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова (1939).

184

Энергия химической связи между двумя концевыми фосфатными остатка­ ми в молекуле макроэргического соединения (АТФ) и энергия связи между

остатком фосфорной кислоты и глюкозы в молекуле немакроэргического соединения (глюкозо-6-фосфата) примерно одинакова. Работу, выражающу­

юся одной и той же величиной, в обоих случаях необходимо затратить для отрыва фосфорного остатка и от того, и от другого соединения. Однако при изучении реакций гидролиза АТФ и глюкозо-6-фосфата выявлена существен­

ная разница в энергетическом балансе этих одноименных реакций: в случае

АТФ изменение свободной энергии составляет 32,5-34,7 кДж/моль, в случае

глюкозо-6-фосфата-всего 13,1 кДж/моль.

Отсюда следует, что понятия «энергия связи» и «макроэргическая связы>

совершенно различны. Первое сводится к характеристике энергетического

уровня химической связи с точки зрения физической химии, т. е. как величины

энергии, необходимой для разрыва связи между атомами. Второе состоит в учете энергетического эффекта в результате преобразования связи посред­ ством химической реакции.

Здесь-то и выявляется характерная разница между обычной и макроэргиче­ ской связью; последнюю нельзя рассматривать как химическую связь, об­

ладающую повышенным по сравнению с обычной запасом энергии, или как

связь непрочную, которая только и «ждет» случая, чтобы разрушиться взры­

воподобно, с выделением энергии. Ее основная характеристика состоит в том,

что при гидролизе или преобразовании иным путем такой связи выделяет­

ся гораздо больше энергии, чем при гидролизе или преобразовании обычной

связи.

Исследование структуры той части молекулы АТФ, где. сосредоточены макроэргические связи, показало, что строение ее своеобразно. В частности, распределение зарядов у атомов Р и О в 'трифосфатной группировке АТФ

таково:

III

нн

Как видно из приведенной выше формулы аденозинтрифосфорной кисло­

ты, кислородно-фосфорный остов трифосфатной грymrnровки составлен поло­

жительно заряженными атомами О и Р. Электростатическое отталкивание

положительных зарядов в остове трифосфатной части АТФ имеет, видимо,

существенное значение ДЛЯ выделения повыш~нного количества энергии при

гидролитическом отрыве фосфатных групп. Аналогично, с точки зрения кван­

тово-механических представлений, построены и остальные макроэргические

соединения: для них характерно накопление положительных зарядов у атомов,

непосредственно связанных макроэргической связью, и отрицательных-у

окружающих эти связи атомов:

185

o-O.4DO

нзс-О·052 ~ +~211S+0.168 R

ТноJфIlРW

Существенно также, что 1t-электроны атомов О, N и S, связывающих

группировки атомов в макроэргических соединениях, не в состоянии удовле­

творить потребность в электронах этих группировок.

В качестве иллюстрации приведем структуру ацетилфосфата:

Как следствие этого, неустойчивая система сопряжения электронов в мак­

роэргических соединениях при гидролизе и других преобразованиях легко и необратимо нарушается.

Роль макроэprических соединemrй в 'J]J8Нсформации энергии. Рассмотрим теперь,

как можно представить механизм превращения стабильной энергии химической

связи в подвижную энергию возбуждения молекулы и обратного процесса­

преобразования мобильной энергии возбуждения в стационарную энергию химической связи. Именно в этом заключается одна из наиболее существенных функций макроэргических соединений. Молекула АТФ осуществляет указанную трансформацию энергии, будучи связана со специфическим белком. Закрепление АТФ на белковой молекуле сопровождается сближением трифосфатной части молекулы с пуриновой ее частью. Выделяющаяся при распаде макроэргической

связи меЖдУ остатками фосфорной кислоты энергия передается на пуриновую часть молекулы. Она трансформируется при этом в мобильную энергию возбуждения электронов системы сопряженныхдвойных связей пуринового цикла, откуда поступает далее к месту химической реакции, переводя в возбужденное

состояние электроны преобразуемого органического соединения. Это обеспечива­ ет последнему повышенную реакционную способность, создавая, в частности,

потенциальную возможность для обратного преобразования подвижной энергии

возбуждения в стационарную энергию новых химических связей (рис. 63). Энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений и за

счет которой может быть совершена та или иная работа, используется не только для химического синтеза. Она может служить в организме для тепло­

образования, свечения, накопления электричества, выполнения механической

работы и т. п. При этом химическая энергия преобразуется в тепловую, лучистую, электрическую, механическую и пр. Принципиально важно то, что преобразование химической энергии в другие ее виды протекает в организме при обязательном участии соединений с макроэргическими связями, в част­

ности АТФ. В молекуле АТФ, как было показано выше, происходит трансфор­

мация стабильной энергии макроэргических межфосфатных химических связей

186

втексте)

вподвижную энергию возбуждения электронов пуриновой части молекулы;

это и есть, вероятно, первый этап преобразования энергии в организме.

Именно поэтому АТФ занимает центральное место в энергетическом обмене

живой материи.

Рассмотрение механизма трансформации и передачи энергии при распаде

АТФ и аналогичных ей макроэргических соединений позволяет понять одно из

элементарных фундаментальных свойств живой материи. Оно состоит в том,

что в системах, обладающих свойствами живого, энергия, необходимая для осуществления химической реакции, будучи высвобождена в одной точке, может быть передана в другую точку, где она непосредственно используется.

Это значит, что в живой природе нет необходимости внепосредственном

контакте путем соударения (что является характерным свойством реакций

внеживой природе) "Молекулы, поставляющей энергию, с молекулой, нужда­ ющейся в энергии. Это принципиально отличает ход химического процесса

вживых объектах от такового внеживых.

Вживой природе идет непрерывный процесс запасания энергии в виде химической энергии связей органических веществ. Он состоит главным об­

разом в npeобразовании лучистой энергии в химическую (фотосинтез зеленых

растений) и в небольшой мере- в переходе химической энергии из неор­ ганических соединений в органические (хемосинтез микроорганизмов).

Как видно из рис. 64, АТФ играет выдающуюся роль как при запасании,

. так и при расходовании энергии, т. е. является ключевым веществом в энер­

гетическом обмене организма. Известно много реакций, при посредстве ко­

торых АТФ возникает из других макроэргических соединений, и наоборот,

есть много nроцессов, приводящих к синтезу макроэргических соединений

при участии АТФ. Такие, например, макроэргические соединения, как кре­ атинфосфат, фосФоенолпировиноградная кислота и 1,З-дифосфоглицериновая кислота, при взаимодействии с АДФ образуют АТФ с выделением креатина,

187

Рис. 64. Превращения энергии в живой природе (пояснение в тексте)

IШровиноградной кислоты и 3-фосфоглицериновой кислоты. Эти и подобные им соединения принято обозначать как АТФ-генерирующие вещества. Пере­

численные реакции обратимы, и при известных условиях равновесие может быть смещено в сторону распада АТФ.

Общие закономерности трансформации энергии в живых сис т ем а х. Обмен энергии в процессе жизнедеятельности не исчерпывается

превращением химической энергии в другие виды ее и наоборот (рис. 64); он

носит более широкий характер. Так, в палочках и колбочках сетчатки глаза

световая энергия превращается в электрическую; в специфическ~х структурах

внутреннего уха звуковая и гидродинамическая энерmя переходит в электри­

ческую и т. п.

Трансформация одного вида энергии в другой осуществляется в организ­

мах в морфологически разнообразных элементах-хлоропластах, мьппцах (российские кардиологи недавно впервые выявили новые пути передачи энер­ mи от места ее образования в митохондриях к точке потребления в миофиб­

риллах сердечной мьппцы), рецепторных аппаратах тканей и органов, сетчатке

глаза, люминесцентных органах и т. п.

Однако всем этим разнообразным элементам свойственны некоторые об­

щие черты строения. Они отличаются наличием двухслойных мембран с высо­ ким содержанием липопротеинов в НИХ И присутствием структурного белка, связывающего в упорядоченные образования достаточно унифицированные элементарные частицы. Последние включают в свой состав молекулы опреде­ ленного строения, которые, собственно, и осуществляют процесс трансфор­

мации энерmи. При этом энергия одного вида поглощается молекулой-преоб­

разователем и превращается в энерmю другого вида. Простейшим примером

механизма внутримолекулярного превращения энергии молекулой-преобразо­ вателем служит переход стационарной энергии химических связей трифосфат­ ной ГРУПlШровки молекулы АТФ в подвижную энерmю возбуждения электро­

нов ее пуриновой части (см. рис. 63). Более сложным примером являются

конформационные изменения белковых молекул в процессе преобразования

одного вида энергии в другой (например, мышечное сокращение).

Обмен веществ и энергии представляет единый, неразрывный процесс, где

видоизменение вещества всегда сопровождается выделением или поглощением

свободной энергии и где выделившаяся или поглотившаяся в том или ином количестве энергия обеспечивает распад или синтез химических связей, т. е. по

существу видоизменение самих веществ. Таким образом, закономерности об­ мена веществ и энергии в живой природе являются частным случаем общего

закона сохранения материи и энергии.

ГЛАВА VI

НУКЛЕИНОВЬШ КИСЛОТЫ И их ОБМЕН

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Химия нуклеиновыIx кислот в последнее время развивается необычайно

быстрыми темпами, что связано с коренным пересмотром взглядов на биоло­

гическую роль этих соединений. Представление о нуклеиновых кислотах как об инертных структурных элементах ядра и цитоплазмы оставлено навсегда,

так как нуклеиновым кислотам принадлежит очень важная роль в обеспечении

специфического синтеза биополимеров в организме человека, животных, рас­ тений и микробов.

К нуклеиновым кислотам относят высокомолекулярные соединения, харак­

теризующиеся определенным элементарным составом и распадающиеся при

гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Особенно характерно для нуклеиновых кислот содержание Р (8- 10%) и N (15-16%). Нуклеиновые кислоты содержат также С, Н и о.

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены Ф. Мишером более столе­

тия тому назад (1869) из ядер клеток гноя в виде соединения с белком­

нуклеЩIа (от лат. nuс/еus-ядро), а сам термин предложен А. Косселем

в 1889 г. К концу прошлого века они были получены Р. Альтманом (1899) в свободном от белка состоянии из животных тканей и дрожжей, а в 1936 г. А. Н. Белозерским с сотр.-из растительного материала.

Выделение нуклеиновых кислот. Большая часть нуклеиновых кислот в расти­

тельных, животных и бактериальных клетках находится в соединении с белками.

Поэтому, кроме разрушения клеточных оболочек путем гомогенизации биологиче­

ского материала, для выделения нуклеиновых кислот необходимо разорвать связь

между нуклеиновой кислотой и белком. Это достигается обработкой материала

КреIIЮIМ раствором соли, например 10%-ным раствором NaCl. Одновременно

осуществляется извлечение нуклеиновых кислот. После удаления твердого остатка

нуклеиновые кислоты осаждают И;J охлажденного до 00 С раствора этанолом или

раствором трихлоруксусной кислоты. Осадок нуклеиновых кислот отделяют

центрифугированием, тщательно промывают и высушивают.

Кроме того, примепяют фенольный метод выделения нуклеиновых кислот,

при помощи которого можно получать их нативные препараты. Для этого

измельченную в I:'омогенизаторе при охлаждении ткань заливают водонасы­

щенным раствором фенола, энергично встряхивают смесь в течение 1 ч и цент­ рифугируют ее. При этом содержимое центрифужпой пробирки разделяется на

четыре четко отграниченных друг от друга разных по консистенции и цвету

слоя. В верхнем, водном, слое и подстилающем его вязком слое белого цвета

сосредоточена основная масса нуклеиновых кислот. В третьем, желеобразном,

прозрачном, желтоватом слое находится фенол с растворенными в нем белка­

ми. Четвертый, самый нижний, слой коричневого цвета содержит остатки

ткани, денатурированные белки и ничтожную примесь нуклеиновых кислот.

189