Volume1
.pdf
108 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.2.40.Фотосинтез.Дваэтапафотосинтеза.Носителиэнергии,созданныенапервомэтапе,представ- леныдвумямолекулами,которыммыуделимнекотороевнимание,—этоATPиNADPH.
химических связей в специализированных маленьких молекулах, которые выступают в качестве переносчиков энергии и реакционно-активных химических групп. (Такие молекулы «активированных носителей» мы обсудим позже.) Молекулярный кислород (газ O2), образующийся в результате разложения воды на свету, высвобождается как побочный продукт этой первой стадии фотосинтеза.
На второй стадии фотосинтеза молекулы, которые служат носителями энергии, используются для осуществления энергетической подпитки процесса усвоения углерода, в ходе которого из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) получаются сахара, тем самым пополняя доступный источник запасенной энергии химических связей и материалов как для самого растения, так и для животного, которое его съест. Изящные механизмы, лежащие в основе этих двух стадий фотосинтеза, мы опишем в главе 14.
Конечный результат всего процесса фотосинтеза, в той мере, в которой к участию в нем допущено зеленое растение, может быть подытожен в виде нехитрого уравнения:
световая энергия + CO2 + H2O → сахара + O2 + тепловая энергия.
Произведенные сахара в дальнейшем используются и как источник энергии химических связей, и как источник материалов, идущих на создание многих других малых и больших органических молекул, которые жизненно необходимы растительной клетке.
2.2.4. Клетки получают энергию путем окисления органических молекул
Все животные и растительные клетки снабжаются энергией, запасенной в химических связях органических молекул, будь то сахара, которые растение выработало путем фотосинтеза в качестве пищи для себя, или смесь больших и малых молекул, которую поглотило животное. Чтобы жить, расти и размножаться, организмы должны извлекать эту энергию в доступной форме. И у растений, и у животных энергия извлекается из молекул пищи в ходе процесса поэтапного окисления, или, можно сказать, управляемого сжигания.
Атмосфера Земли содержит большое количество кислорода, а в присутствии кислорода наиболее энергетически устойчивой формой углерода является CO2, а водорода – H2O. Клетка поэтому может получать энергию, запасенную в сахарах
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 109
или других органических молекулах, предоставляя возможность содержащимся в них атомам углерода и водорода взаимодействовать с кислородом и превращаться соответственно в CO2 и H2O, — этот процесс назван дыханием.
Фотосинтез и дыхание суть взаимно дополняющие друг друга процессы (рис. 2.41). Это означает, что далеко не все «сделки» между растениями и животными заключаются в одностороннем порядке. Растения, животные и микроорганизмы существовали на этой планете бок о бок так долго, что многие из них стали неотъемлемой частью среды обитания друг друга. Кислород, выделяемый
впроцессе фотосинтеза, потребляется почти всеми организмами и идет на сжигание органических молекул. А некоторые из молекул CO2, которые сегодня связаны
ворганические молекулы благодаря реакциям фотосинтеза, происходящим в зеленом листке, вчера выдохнуты в атмосферу каким-либо животным или выпущены
ватмосферу в процессе дыхания гриба или бактерией, разлагающей мертвое органическое вещество. Поэтому мы видим, что усвоение углерода образует гигантский круговорот, который охватывает всю биосферу (все живые организмы на Земле)
вцелом, выходя за рамки «деловых отношений» между отдельными организмами (рис. 2.42). Подобным же образом атомы азота, фосфора и серы перемещаются между живым и неживым мирами в круговоротах, в которых участвуют растения, животные, грибы и бактерии.
Рис.2.41.Фотосинтезидыханиекаквзаимнодополняющиедругдругапроцессыживогомира.При фотосинтезе энергия солнечного света используется для производства сахаров и других органических молекул. Эти молекулы, в свою очередь, служат пищей для других организмов, многие из которых осуществляют дыхание — процесс, в котором используется O2 и образуется CO2 из тех же атомов углерода,которыебылипоглощеныввидеCO2 ипревращенывсахарафотосинтезом.Входеэтогопроцесса организмы, которые дышат, получают необходимую им для жизни энергию химических связей. Первые клетки на Земле, как думают, не могли осуществлять ни фотосинтез, ни дыхание (что нам еще предстоит обсудить в главе 14). Однако на Земле фотосинтез, должно быть, предшествовал дыханию, таккакестьнеопровержимыедоказательства,чтопотребовалисьмиллиардылетфотосинтеза,прежде чем выделенного количества O2 оказалось достаточно для создания атмосферы, богатой этим газом. (ВнастоящеевремяатмосфераЗемлисодержит20 %O2.)
110 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.2.42.Углеродныйцикл.Отдельныеатомыуглеродавключаютсяворганическиемолекулыживого мираблагодаряфотосинтезирующейдеятельностибактерийирастений(втомчислеводорослей).Они переходят к животным, микроорганизмам и в органическое вещество почв и океанов замкнутыми циклическимипутями.CO2 возвращаетсяватмосферу,когдаорганическиемолекулыокисляютсяклетками илииспользуютсялюдьмивкачестветоплива.
2.2.5. Процессы окисления и восстановления основаны на переносе электронов
Клетка не окисляет органические молекулы за один этап, как это происходит при сгорании органического материала в огне. Благодаря ферментативным катализаторам молекулы претерпевают цепь метаболических превращений, в ходе которых лишь изредка происходят реакции прямого присоединения кислорода. Прежде чем мы рассмотрим некоторые из таких реакций и их назначение, мы поговорим о том, что понимается под процессом окисления.
Окисление не означает лишь присоединение атомов кислорода; это понятие трактуется гораздо шире — распространяется на любую реакцию, в которой электроны переносятся с одного атома на другой. Окисление в этом смысле означает отдачу электронов, а восстановление — обратное окислению действие приобретения электронов. Таким образом, ион Fe2+ окисляется, если теряет электрон и превращается в ион Fe3+, а атом хлора восстанавливается, если приобретает электрон и становится ионом Cl–. Поскольку в химической реакции число электронов остается неизменным (не убывает и не возрастает), постольку окисление и восстановление всегда происходят одновременно: то есть если одна молекула получает электрон в ходе реакции (восстановление), то другая молекула теряет этот электрон (окисление). Когда молекула сахара окисляется до CO2 и H2O, то, например, молекулы O2, участвующие в образовании H2O, приобретают электроны и таким образом, как говорят, восстанавливаются.
Термины «окисление» и «восстановление» применимы даже тогда, когда имеет место лишь частичное смещение электронов между атомами, связанными ковалентной связью (рис. 2.43).
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 111
Рис. 2.43. Окисление и восстановление. а) Когда два атома образуют полярную ковалентную связь (см. стр. 77), то атом, получивший бóльшую долю электронов, как говорят, восстанавливается, тогда какдругойатом,оказавшийсясменьшейдолейэлектронов,какговорят,окисляется.Восстановленный атомприобретаетчастичныйотрицательныйзаряд(δ–),посколькуположительныйзаряднаядреатома теперьнижесуммарногозарядаэлектронов,окружающихего;инаоборот,окисленныйатомприобретает частичныйположительныйзаряд(δ+).б)Единственныйатомуглеродавметанеможетбытьпревращен в атом двуокиси углерода последовательной заменой ковалентно связанных с ним атомов водорода атомами кислорода. С каждым шагом электроны смещаются дальше от углерода (как обозначено синей областью) и атом углерода постепенно становится все более окисленным. Каждый из этих шагов энергетическивыгоденвусловияхвнутриклетки.
Когда атом углерода вступает во взаимодействие с некоторым атомом, обладающим сильным сродством к электронам, — таким, например, как кислород, хлор или сера, — он уступает электроны в большей степени, чем это было бы при
112 Часть 1. Введение в мир клетки
равноправном дележе, и образует полярную ковалентную связь: положительный заряд ядра атома углерода теперь несколько больше, чем отрицательный заряд его электронов, атом поэтому приобретает частичный положительный заряд и, как говорят, окисляется. Наоборот, атом углерода в связке C–H заимствует немного больше своей доли электронов и таким образом, как говорят, восстанавливается
(см. рис. 2.43).
Когда молекула (А) в клетке улавливает электрон (e–), она зачастую прихватывает вместе с ним и протон (H+) (протонов в воде неограниченное количество). В данном случае конечным результатом будет присоединение атома водорода к молекуле:
A + e–+ H+ → АН.
Даже при том, что в данной реакции участвует протон и электрон (а не только один электрон), такие реакции гидрогенизации суть реакции восстановления, а обратные реакции дегидрогенизации — окисления. В случае органических молекул особенно легко определить, окисляется она или восстанавливается: если число связей C–H возрастает, то имеет место восстановление, тогда как окисление сопровождается сокращением числа связей C–H (см. рис. 2.43, б).
Клетки используют ферменты для того, чтобы катализировать окисление органических молекул «маленькими шажками», пропуская их через цепочку реакций, что позволяет пожинать порции полезной энергии с химических пажитей. Теперь, думаем, нужно объяснить принцип работы ферментов и сказать о некоторых факторах, под действием которых они исполняют свои «должностные обязанности».
2.2.6. Ферменты снижают энергетические барьеры химических реакций
Рассмотрим реакцию
бумага + O2 → дым + пепел + теплота + CO2 + H2O.
Бумага горит легко, выделяя в атмосферу как энергию в виде теплоты, так
иводу и двуокись углерода в виде газов, но дым и пепел никогда самопроизвольно не извлекут обратно эти сущности из нагретой атмосферы и уже не станут бумагой. Когда бумага горит, содержащаяся в ней химическая энергия рассеивается в виде тепла — не теряется во Вселенной, так как энергия никогда не может появиться или исчезнуть, но безвозвратно распыляется в хаотических беспорядочных тепловых колебаниях молекул. В это время атомы и молекулы бумаги рассеиваются
и«забывают» о всяком порядке. Как говорят на языке термодинамики, происходит потеря свободной энергии, то есть энергии, которая может быть употреблена на совершение работы или осуществление химических реакций. Эта потеря отражает потерю упорядоченной организации энергии молекул, запасенных в бумаге. Вскоре мы поговорим о свободной энергии подробнее, но общий принцип достаточно ясен по наитию: химические реакции самопроизвольно протекают только в том направлении, которое ведет к потере свободной энергии; другими словами, направление самопроизвольного протекания всякой реакции — направление, которое идет «на спуск». Реакция «на спуск» в этом смысле, как часто говорят, является
энергетически благоприятной (энергетически выгодной).
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 113
Хотя наиболее энергетически выгодная форма углерода при нормальных условиях — это CO2, а для водорода — H2O, живой организм не исчезает в клубах дыма, а эта книга в ваших руках не вспыхивает ярким пламенем. Это связано
стем, что как в любом живом организме, так и в нашей книге молекулы находятся в относительно устойчивом состоянии и не могут быть переведены в состояние
сболее низкой энергией без сообщения необходимой энергии извне: другими словами, молекуле необходима энергия активации — толчок через энергетический
барьер, — прежде чем она сможет вступить в химическую реакцию, результатом которой будет более устойчивое состояние (рис. 2.44). В случае полыхающей книги энергия активации привносится с теплотой зажженной спички. Что до молекул в водном растворе внутри клетки, толчок сообщается особенно энергичным случайным столкновением с окружающими молекулами — такие столкновения становятся все более сильными по мере повышения температуры.
Рис. 2.44. Физический смысл энергии активации. а) Соединение Y (реагент) находится в относительно устойчивомсостоянии,и,чтобыпревратитьеговсоединениеX(продукт),хотяXнаходитсянаболеенизком энергетическомуровне,необходимадополнительнаяэнергия.Поэтомутакоепревращениебудетневозможно,еслисоединениеYнеполучитдостаточноэнергииактивации(энергияaминусэнергияb)извнешнейсредыдляреакциипревращениявсоединениеX.Этаэнергияможетбытьсообщенапринеобычайно энергичномстолкновениисдругимимолекулами.Дляобратнойреакции,X→Y,энергияактивациибудет намного больше (энергия a минус энергия c); поэтому такая реакция будет происходить намного реже. Энергииактивациивсегдаположительны;обратитевнимание,однако,чтоизменениеполнойэнергиидля энергетически благоприятной реакции Y → X равно энергии c минус энергия b, то есть отрицательному числу.б)Энергетическиебарьерыдляопределенныхреакциймогутбытьсниженыкатализаторами,что показанолинией,обозначеннойd.Ферментыявляютсобойособенноэффективныекатализаторы,потому чтоонизначительноуменьшаютэнергиюактивациикатализируемыхимиреакций.
В живой клетке роль толчка через энергетический барьер в большинстве случаев берут на себя белки специализированного класса — ферменты. Каждый фермент прочно связывается с одной или несколькими молекулами, называемыми субстра- тами, и удерживает их в таком состоянии, в котором значительно уменьшается энергия активации специфической химической реакции, в которую эти субстраты могут вступить. Вещество, которое может понизить энергию активации реакции, получило название катализатор; катализаторы увеличивают скорость химических
114 Часть 1. Введение в мир клетки
реакций благодаря тому, что повышают долю случайных межмолекулярных столкновений, приводящих к химической реакции, как бы перетаскивая субстраты через энергетический барьер, как показано на рис. 2.45. Ферменты стоят в числе самых эффективных из известных катализаторов и способны ускорять реакции в 1014 раз и более. Таким образом, благодаря ферментам реакции, которые в ином случае вообще не могли бы произойти, идут с высокой скоростью при обычной температуре.
Рис. 2.45. Снижение энергии активации значительно увеличивает вероятность реакции. В любой данный момент времени распределение энергетических уровней в популяции идентичных молекул субстрата будет иметь вид кривой, показанной на графике. Различие энергий обусловлено столкновениями с окружающими молекулами, которые заставляют молекулы субстрата совершать поступательные, колебательные и вращательные движения. Для того чтобы молекула вступила в химическую реакцию, энергия этой молекулы должна превысить барьер энергии активации для данной реакции; что же до биологических реакций, то большинство из них никогда не произойдет, если не будет ферментативного катализа. Даже при ферментативном катализе молекулы субстрата должны претерпеть особенноэнергичноестолкновение,чтобыпрореагировать(краснаязакрашеннаяобласть).Повышение температурытакжеможетувеличитьчисломолекулсэнергией,достаточнойдляпреодоленияэнергии активации, необходимой для реакции; но, в отличие от ферментативного катализа, этот эффект не избирателениускоряетвсевозможныереакции.
Кроме того, ферменты отличаются крайней избирательностью. Каждый фермент обычно катализирует только одну специфическую реакцию: иными словами, он избирательно понижает энергию активации только одной из нескольких возможных химических реакций, которым связанные им молекулы субстрата могли бы подвергнуться. Таким вот образом ферменты направляют каждую из множества различных молекул в клетке на свой совершенно определенный путь (рис. 2.46).
Успех живых организмов предопределен способностью клетки производить ферменты многих типов, каждый — с точно предписанными свойствами. Любой фермент имеет уникальную форму, содержащую активный участок (сайт): карман или бороздку, куда могут войти лишь специфические субстраты (рис. 2.47). Подобно всем другим катализаторам, молекулы фермента сами остаются неизменными
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 115
Рис.2.46.Плавающийшариккаканалогферментативногокатализа.а)Заградительнаядамбаснижена, чтобынагляднопроиллюстрироватьферментативныйкатализ.Зеленыйшарпредставляетсобойпотенциальныйреагент(соединениеY),которыйвпределахвозможногоэнергетическогоуровня(воднаягладь) прыгает вверх и вниз из-за постоянных столкновений с волнами (аналогия тепловой бомбардировки молекулы реагента окружающими молекулами воды). Когда барьер (энергия активации) значительно понижается, это позволяет совершить энергетически благоприятное движение шара (реагента) вниз по склону. б) Четыре стенки ящика представляют барьеры энергии активации для четырех разных химическихреакций,каждаяизкоторыхэнергетическивыгоднавтомсмысле,чтоуровниэнергиипро- дуктовэтихреакцийгораздониже,чемдляреагирующихвеществ—реагентов.Влевомящикениодна из этих реакций не протекает, потому что энергии даже самых высоких волн не достаточно для того, чтобы преодолеть какой-либо из энергетических барьеров. В правом ящике ферментативный катализ понижаетэнергиюактивациитолькодляреакции№1;теперьударыволнпозволяютмолекулереагента пройти через этот энергетический барьер, вызывая таким образом реакцию № 1. в) Распадающаяся на множество рукавов река с набором преграждающих плотин (желтые прямоугольники) помогает понять, как цепь катализируемых ферментами реакций определяет точный путь следования каждой молекулы,находящейсявклетке.
после участия в реакции и поэтому могут выполнять свои функции снова и снова. В главе 3 мы продолжим рассказ о принципах работы ферментов.
2.2.7. Каким образом ферменты находят свои субстраты: огромная скорость движения молекул
Зачастую тот или иной фермент катализирует реакцию, через которую каждую секунду проходят тысячи молекул субстрата. Это означает, что фермент должен
116 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 2.47. Принцип работы ферментов. Каждый фермент имеет активный участок, с которым связывается одна или более молекул субстрата, образуя ферментно-субстратный комплекс. В активном участке фермента происходит реакция и образуется комплекс фермент–продукт. Наконец, продукт высвобождается,чтопозволяетферментусвязатьследующуюмолекулусубстрата.
успевать связывать новую молекулу субстрата за долю миллисекунды. Но как ферменты, так и их субстраты присутствуют в клетке в относительно малых количествах. Как же они находят друг друга столь быстро? Быстрое связывание возможно потому, что движение на молекулярном уровне происходит чрезвычайно быстро. Происходящие на молекулярном уровне движения можно подразделить на следующие три вида: 1) движение молекулы с одного места на другое (посту- пательное движение), 2) быстрое движение взад-вперед ковалентно связанных атомов относительно друг друга (колебания) и 3) вращение. Все виды движения приводят к сближению поверхностей взаимодействующих молекул.
Скорость движения молекул может быть измерена с помощью разнообразных спектроскопических методов. Крупный глобулярный белок постоянно кувыркается, вращаясь вокруг своей оси, – приблизительно миллион раз в секунду. Молекулы находятся также в постоянном поступательном движении, которое побуждает их очень эффективно осваивать внутреннее пространство клетки, блуждая в нем тудасюда, — этот процесс называется диффузией. Таким образом, каждая молекула в клетке ежесекундно сталкивается с огромным числом других молекул. Когда
молекулы в жидкости сталкиваются и отскакивают друг от друга, отдельно взятая молекула перемещается сначала по одному пути, затем по другому, ее путь представляет собой
случайное блуждание (рис. 2.48). При таком блуждании среднее результирующее расстояние, которое каждая молекула проходит (как летает ворона) от своей отправной точки, про-
Рис. 2.48. Случайное блуждание. Молекулы в растворе движутся случайным образом — в результате непрерывныхударов,полученныхпристолкновениисдругими молекулами.Такоедвижениепозволяетмаленькиммолекуламбыстродиффундироватьизоднойчастиклетки вдругую,какописановтексте.
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 117
порционально квадратному корню затраченного времени: то есть, если молекуле требуется в среднем 1 секунда, чтобы пройти 1 мкм, то потребуется 4 секунды, чтобы пройти 2 мкм, 100 секунд, чтобы пройти 10 мкм, и так далее.
Внутреннее пространство клетки очень насыщенно (рис. 2.49). Тем не менее эксперименты, в которых в клетки вводились флуоресцентные красители или иные меченые молекулы, показывают, что маленькие органические молекулы диффундируют через водный гель цитозоля почти так же быстро, как через воду. Например, маленькой органической молекуле требуется в среднем лишь около одной пятой доли секунды, чтобы продиффундировать на расстояние 10 мкм. Поэтому для маленьких молекул диффузия служит эффективным способом перемещения на ограниченные расстояния в клетке (диаметр типичной клетки животных 15 мкм).
Так как в клетках ферменты передвигаются гораздо медленнее субстратов, мы можем представить их сидящими на месте увальнями. Частота столкновений молекулы фермента с ее субстратом будет зависеть от концентрации молекул субстрата. Например, некоторые субстраты, которыми изобилует клетка, присутствуют в концентрации 0,5 мМ (ммоль/литр). Поскольку чистая вода имеет концентрацию 55,5 М (моль/литр), на каждые 105 молекул воды в клетке приходится лишь около одной такой молекулы субстрата. Тем не менее активный участок молекулы фермента, который связывает этот субстрат, будет отбомбардирован примерно 500 000 случаев столкновений с молекулой субстрата в секунду. (При снижении концентрации субстрата в десять раз число столкновений уменьшается до 50 000 в секунду и так далее.) Случайное столкновение между поверхностью фермента и соответствующей поверхностью молекулы его субстрата часто незамедлительно ведет к образованию комплекса фермент–субстрат, готового вступить в реакцию. Теперь реакция, в ходе которой разрывается или образуется ковалентная связь, может произойти чрезвычайно быстро. Если прикинуть, сколь быстро молекулы движутся и вступают в реакции, то наблюдаемые скорости ферментативного катализа не покажутся столь удивительными.
Как только фермент и субстрат столкнулись и «прижались друг к другу» должным образом в активном участке, между ними формируются многочисленные слабые связи, которые сохраняются до тех пор, пока беспорядочное тепловое движение не вынуждает молекулы вновь разойтись. Вообще, чем прочнее связь фермента с субстратом, тем медленнее скорость их диссоциации. Однако, когда две сталкивающиеся молекулы имеют плохо подходящие друг другу поверхности, число образующихся между ними нековалентных связей невелико и их общая энергия незначительна по сравнению с энергией теплового движения. В этом случае две молекулы отделяются друг от друга столь же быстро,
Рис.2.49.Структурацитоплазмы.Рисунокпредставленвпри-
ближенноммасштабеиакцентируетвниманиена«загруженность» цитоплазмы. Показаны только макромолекулы: РНК показаны синим, рибосомы — зеленым, а белки — красным. Ферментыидругиемакромолекулыдиффундируютвцитоплазме относительно медленно, отчасти потому, что они взаимодействуютсомногимидругимимакромолекулами;маленькие молекулы,напротив,диффундируютпочтитакжебыстро,как вводе.(ПереработаноизD. S. Goodsell,TrendsBiochem.Sci.16:
203–206,1991.СразрешенияиздательстваElsevier.)