Volume1
.pdf
138 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 2.68. Ориентация активных промежуточных продуктов в повторяющихся циклах реакций конденсации,входекоторыхобразуютсябиологическиеполимеры.Наращиваниеполимеров«сголовы» всравнениисегоальтернативой—наращиванием«схвоста».Какпоказано,этидвамеханизмаисполь- зуютсядляпостроениябиологическихмакромолекулразличноготипа.
гидролизом ATP. При биосинтезе макромолекул это достигается путем переноса фосфатных групп с образованием химически активных фосфорилированных промежуточных продуктов. Поскольку энергетически неблагоприятная реакция теперь становится энергетически благоприятной, гидролиз ATP, можно сказать, «продвигает» реакцию. Полимерные молекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, собираются из маленьких активированных молекулпредшественников в ходе повторяющихся реакций конденсации, движущей силой которых тоже является гидролиз ATP. Другие химически активные молекулы, называемые либо активированными носителями, либо коферментами, в процессе биосинтеза переносят другие химические группы: например, NADPH переносит водород в виде протона с парой электронов (гидрид-ион), тогда как acetylCoA переносит ацетильную группу.
2.3. Каким образом клетки добывают энергию из пищи?
Неиссякаемый поток энергии, необходимый клеткам для созидания и поддержания биологического порядка, благодаря которому они остаются живыми, зарождается в богатых энергией связях молекул пищи, которые, таким образом, служат для клеток своего рода горючим.
Белки, липиды и полисахариды, которые составляют бóльшую часть нашей пищи, должны быть расщеплены до небольших молекул, прежде чем наши клетки смогут использовать их — или как источник энергии, или как кирпичики для построения других молекул. В ходе ферментативного переваривания большие полимерные молекулы, поступившие из пищи, распадаются на мономерные субъединицы: белки — на аминокислоты, полисахариды — на сахара, жиры — на жирные кислоты и глицерин. После переваривания маленькие органические молекулы, полученные из пищи, поступают в цитозоль клеток, где начинается их последовательное окисление.
Сахара — особенно важные молекулы горючего, они окисляются поэтапно, небольшими управляемыми шажками, до углекислого газа (CO2) и воды (рис. 2.69). В этом параграфе мы прослеживаем главные этапы расщепления, или катаболизма, сахаров и показываем, как на этих этапах образуются ATP, NADH и другие активированные молекулы-носители в животных клетках. Весьма схожий путь протекания этих процессов наблюдается также у растений, грибов и многих бактерий.
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 139
Рис.2.69.Схематичноепредставлениеуправляемогопоэтапногоокислениясахаравклеткевсравне-
нии с обычным сжиганием. а) В клетке ферменты катализируют окисление через несколько следующих друг за другом этапов, на каждом из которых свободная энергия сообщается (в соответствующем количестве) молекулам-носителям — чаще всего ATP и NADH. На каждом этапе реакцией управляет фермент, снижая барьер энергии активации, который должен быть преодолен, прежде чем данная реакциясможетпроизойти.Полнаясвободнаяэнергия,высвобождаемаяввариантахаиб,вточности одна и та же. Но если бы сахар был окислен до CO2 и H2O за один прием, как в случае б, то при этом количество высвободившейся энергии превышало бы то, которое может быть поглощено с «пользой длядела»(какполезнаяэнергия).
Как мы покажем, окисление жирных кислот столь же важно для клеток. Другие молекулы, такие как белки, тоже могут служить источниками энергии, будучи направлены по соответствующим ферментативным путям.
2.3.1. Основной способ производства ATP — гликолиз
Основной процесс окисления сахаров представлен цепочкой реакций и известен под названием гликолиз — от греческих слов glukus, «конфета»9, и lusis, «разрыв». Благодаря гликолизу ATP производится без участия молекулярного кислорода (газа O2). Гликолиз идет в цитозоле большинства клеток, в том числе и во многих анаэробных микроорганизмах (тех, что могут жить, не потребляя молекулярный кислород). Вероятно, гликолиз появился в ходе эволюции с первыми проблесками зари, осветившей жизнь на нашей планете, задолго до того, как фотосинтезирующие организмы вдохнули кислород в ее атмосферу. В процессе гликолиза, молекула глюкозы с шестью атомами углерода превращается в две молекулы пирувата,
9 Безусловно, что «конфеты» древних греков отличались от услаждающих наш вкус произведений современной кондитерской промышленности. Прототипом сих лакомств могли служить всякие вареные сласти в форме небольших кусочков или плиточек из различных плодов и пряностей, сваренных с сахаром и другими сладкими веществами. — Прим. пер.
140 Часть 1. Введение в мир клетки
каждая из которых содержит по три атома углерода. На каждую молекулу глюкозы гидролизуются две молекулы ATP, что обеспечивает энергией ранние этапы гликолиза, но зато на более поздних его этапах производятся четыре молекулы ATP. Следовательно, в конце гликолиза имеется чистый выигрыш в виде двух молекул ATP на каждую расщепленную молекулу глюкозы.
Поэтапный процесс гликолиза схематично представлен на рис. 2.70, а более подробно показан в приложении 2.8 (стр. 186–187). Гликолиз включает последовательность из 10 самостоятельных реакций, в каждой из которых образуется «свой» промежуточный продукт и каждую из которых катализирует «cвой» фермент. Как и у большинства их собратьев, названия последних оканчиваются «азой» — так, например, изомераза и дегидрогеназа, — причем такое окончание указывает на тип катализируемой ими реакции.
Хотя при гликолизе вообще не используется молекулярный кислород, окисление происходит и проявляется это в том, что NAD+ снимает электроны (образуя при этом NADH) с некоторых атомов углерода исходной молекулы глюкозы.
Всилу ступенчатого характера этого процесса энергия окисления высвобождается малыми порциями, так что большая часть ее запасается в активированных молекулах-носителях, а не выделяется целиком в виде теплоты (см. рис. 2.69). Таким образом, часть энергии, высвобождаемой при окислении, идет на прямой
синтез молекул ATP из ADP и Pi, а некоторая доля остается вместе с электронами в носителе высокоэнергетических электронов — NADH.
На одну молекулу глюкозы в ходе гликолиза образуются две молекулы NADH.
Ваэробных организмах (тех, которым жизненно необходим молекулярный кислород) эти молекулы NADH поставляют свои электроны в цепь переноса электронов, описанную в главе 14, и NAD+, образующийся из NADH, вновь используется в реакциях процесса гликолиза (см. 6-й этап в приложении 2.8, стр. 186–187).
2.3.2. В процессе брожения ATP образуется в отсутствие кислорода
Для большинства животных и растительных клеток гликолиз служит лишь прелюдией к заключительному действию расщепления молекул пищи. В этих клетках пируват, образующийся в процессе гликолиза, быстро переносится в митохондрии, где превращается в CO2 и acetylCoA, который затем полностью окисляется до CO2
и H2OВ.противоположность упомянутым аэробам, для многих анаэробных организмов — тех, что не используют молекулярный кислород и могут расти и делиться без него, — гликолиз является основным источником ATP в клетках. Это верно также и для некоторых животных тканей, образующих, например, мышцы скелета, которые способны продолжать свою работу при ограниченном содержании молекулярного кислорода. В таких анаэробных условиях пируват и электроны NADH остаются в цитозоле. Пируват превращается в продукты, выделяемые из клетки, например, в этанол и CO2 у дрожжей, что используется в пивоварении и хлебопечении, или в лактат в мышцах. В этом процессе NADH расстается со своими электронами и превращается обратно в NAD+. Эта регенерация NAD+ необходима для поддержания реакций гликолиза (рис. 2.71).
Такие анаэробные пути реакций, сопровождающихся выделением энергии, называют брожением. Исследование важных для пищевой промышленности путей брожения, вызываемого дрожжами, во многом подстегнули развитие биохимии в начале ее становления. Работа в этом направлении в XIX столетии привела в 1896 г. к по-
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 141
Рис.2.70.Общаясхемагликолиза.Каждыйиз10-типоказанныхэтаповкатализируетсясвоимфермен- том. Обратите внимание, что на 4-м этапе молекула шестиуглеродного сахара расщепляется на два трехуглеродных глицеральдегида, так что число молекул на каждом этапе после этого удваивается. Обратите внимание, что с 6-го этапа начинается генерирующая энергию стадия гликолиза. Поскольку две молекулы ATP гидролизуются на ранней — энергопотребляющей — стадии, на выходе получаем, что в результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ATP и 2 молекулы NADH (см.такжеприложение2.8).
142 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 2.71. Два пути анаэробного расщепления пирувата. а) При недостатке кислорода — например,
в мышечной клетке, испытывающей энергичное сокращение, — пируват, произведенный в ходе гликолиза,превращаетсявлактат,какпоказанонарисунке.ВэтойреакциирегенерируетсяNAD+,исполь- зованныйна6-мэтапегликолиза,новцеломврезультатетакогопутивыходэнергиинамногоменьше, чем при полном окислении. б) В некоторых организмах, которые могут расти анаэробно (таких как дрожжи),пируватпревращаетсячерезацетальдегидвуглекислыйгазиэтанол.Опятьжеэтотпутьприводит к образованию NAD+ из NADH, что необходимо для продолжения гликолиза. На рисунках, как а, такиб,представленыпримерыпроцессаброжения.
разительному для того времени открытию, что эти процессы можно изучать вне живых организмов – в клеточных экстрактах. Это совершившее переворот в науке открытие в конечном счете позволило вычленять и изучать каждую самостоятельную реакцию
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 143
процесса брожения. В 1930-е годы собранный по кусочкам полный путь гликолиза стал главным триумфом биохимии, после чего вскоре последовало признание центральной роли ATP в жизненных процессах клетки. Таким образом, почти все основополагающие концепции, рассмотренные в этой главе, утверждались в течение многих лет.
2.3.3. Гликолиз как наглядная иллюстрация метаболического пути, на котором окисление сопряжено с запасанием энергии
Возвращаясь к аналогии с лопастным колесом, к которой мы прибегали для представления сопряженных реакций (см. рис. 2.56), теперь мы можем сравнить ферменты с колесом с лопастями. Ферменты служат для того, чтобы собирать полезную энергию, извлеченную при окислении органических молекул, путем сопряжения энергетически неблагоприятной реакции с благоприятной. Чтобы продемонстрировать такое сопряжение, мы рассмотрим этап гликолиза, дабы представлять механизм таких реакций.
В ходе двух основных реакций гликолиза (этапы 6 и 7) промежуточный продукт – трехуглеродный глицеральдегид-3-фосфат (альдегид) превращается
в3-фосфоглицерат (остаток карбоновой кислоты; см. приложение 2.8, стр. 186–187). Так что в ходе двухступенчатой реакции происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной. В результате высвобождается количество свободной энергии, достаточное для превращения молекулы ADP в ATP и переноса двух электронов от альдегида к NAD+ с образованием NADH, при этом в окружающую среду выделяется достаточно теплоты, благодаря чему вся реакция в целом остается энергетически благоприятной ( G° суммарной реакции составляет –3,0 ккал/моль).
На рис. 2.72 приведен образец искусного ремесла – аккумуляции энергии. Представленные химические реакции с большой точностью осуществляют два фермента, с которыми прочно связаны промежуточные продукты гликолиза. Фактически, как подробно показано на рис. 2.72, первый фермент (глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназа) через активную группу –SH образует короткоживущую ковалентную связь с альдегидом и в этом присоединенном состоянии катализирует его окисление при участии NAD+. Затем реакционно-способная связь фермент–субстрат разрушается под действием иона неорганического фосфата с образованием промежуточного продукта — высокоэнергетического фосфата, который высвобождается из фермента. Этот промежуточный продукт связывается со вторым ферментом (фосфоглицераткиназой), который катализирует энергетически благоприятный перенос только что образовавшегося высокоэнергетического фосфата на ADP,
врезультате чего образуется ATP и завершается процесс окисления альдегида до карбоновой кислоты.
На этом отдельно взятом процессе окисления мы остановились достаточно подробно, потому как он служит наглядным примером опосредствуемого ферментами способа накопления энергии в ходе сопряженных реакций (рис. 2.73). Этапы 6 и 7 суть единственные реакции в процессе гликолиза, в ходе которых прямо из неорганического фосфата образуется богатая энергией фосфатная связь. Это-то и обеспечивает «чистую выручку» в виде двух молекул ATP и двух молекул NADH на одну молекулу глюкозы (см. приложение 2.8, стр. 186–187).
Как только что было показано, ATP может быть легко образована из ADP, когда образующийся в ходе реакции промежуточный продукт несет фосфатную связь, энергия которой выше, чем у фосфатной связи в ATP. Фосфатные связи можно выстроить в ряд по энергии, сравнивая стандартное изменение свободной
144 Часть 1. Введение в мир клетки
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 145
энергии ( G°) разрыва каждой такой связи в реакции гидролиза. На рис. 2.74 приведено сравнение высокоэнергетических фосфоангидридных связей в ATP с энергией некоторых других фосфатных связей, некоторые из которых возникают в процессе гликолиза.
2.3.4. Организмы запасают молекулы питательных веществ в специальных хранилищах
Все организмы для сохранения биологического порядка в своих клетках должны поддерживать высокое значение соотношения ATP/ADP. И это при том, что живот- ные имеют лишь периодический доступ к пище, а растениям приходится проводить целую ночь без солнечного света, так что в этот период они не могут производить сахар путем фотосинтеза. По этой причине и растения, и животные переводят сахара и жиры в специальную, пригодную для хранения форму (рис. 2.75).
Дабы скрасить свои порой затяжные периоды постов, животные запасают жирные кислоты в виде капелек жира, состоящих из нерастворимых в воде триа- цилглицеринов, преимущественно в цитоплазме специализированных жировых клеток, названных адипоцитами. На более короткие сроки сахар запасается в виде глюкозных звеньев большого разветвленного полисахарида гликогена, который присутствует в форме маленьких гранул в цитоплазме многих клеток, в том числе печени и мышц. Синтез и расщепление гликогена хорошо регулируются – согласно потребности. Когда клетки нуждаются в большем количестве ATP, чем они могут получить из молекул питательных веществ, поступающих с кровотоком, происходит расщепление гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата, который быстро пре- вращается в глюкозо-6-фосфат для последующего гликолиза.
Вколичественном отношении жир для животных намного ценнее гликогена
вкачестве накопителя энергии — обеспечивает более эффективную аккумуляцию. Окисление одного грамма жира дает примерно вдвое больше энергии, чем окисление грамма гликогена. Более того, гликоген отличается от жира наличием большого количества связанной с ним воды, в результате чего для акуумуляции одного и того
Рис.2.72.Аккумуляцияэнергиина6-ми7-мэтапахгликолиза.Наэтихэтапахокислениеальдегидадокар-
боновойкислотысопряженособразованиемATPиNADH.а)Этап6начинаетсясобразованияковалентной связимеждусубстратом(глицеральдегид-3-фосфатом)игруппой–SH,экспонированнойнаповерхности фермента(глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы).Послеэтогоферменткатализируетпереносводоро- да(ввидегидрид-иона—протонасдвумяэлектронами)отсвязанногоглицеральдегид-3-фосфатанамо- лекулуNAD+.Частьэнергии,высвобождаемойприэтом,идетнаобразованиемолекулыNADH,ачасть используетсядляпревращенияпервоначальнообразовавшейсясвязимеждуферментомиегосубстратом ввысокоэнергетическуютиоэфирнуюсвязь(выделенакрасным).Затеммолекуланеорганическогофосфатазамещаетэтувысокоэнергетическуюсвязьсубстратасферментом,создаваявместонеевысокоэнергетическуюфосфатнуюсвязь(красная).ВэтотмоментферментнетолькозапасаетэнергиювформеNADH, ноисводитвоединоэнергетическиблагоприятноеокислениеальдегидаиэнергетическинеблагоприятноеобразованиевысокоэнергетическойфосфатнойсвязи.Втораяреакцияосуществляетсязасчетпервой, напоминаясопряженноес«лопастнымколесом»устройствонарис.2.56.
На 7-м этапе гликолиза только что произведенный высокоэнергетический промежуточный продукт 1,3-дифосфоглицерат связывается со вторым ферментом — фосфоглицераткиназой. Химически активный фосфат переносится на ADP, образуя молекулу ATP и высвобождая тем самым карбоксильнуюгруппунаокисленномпродукте.
б)Итогвсеххимическихпревращений,произошедшихнаэтапах6и7гликолиза.
146 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 2.73. Схематичное представление сопряженных реакций, в ходе которых образуются NADH
иATPна6-ми7-мэтапахгликолиза.ЭнергияокислениясвязиC–HобеспечиваетобразованиеиNADH,
ивысокоэнергетическойсвязисфосфатом.Разрыввысокоэнергетическойсвязивпоследствииприводит
кобразованиюATP.
же количества энергии гликогена, по фактической массе, требуется в шесть раз больше, чем жира. Среднестатистический взрослый человек сохраняет количество гликогена, достаточное приблизительно лишь на один день обычной жизни, и количество жира, достаточное для поддержания жизни в течение почти месяца. Если бы наш главный топливный бак пришлось заполнить гликогеном вместо жира, то масса нашего тела возросла бы в среднем приблизительно на 60 фунтов10.
Хотя растения производят NADPH и ATP путем фотосинтеза, сей важный процесс происходит в специализированной органелле, названной хлоропластом, которая отделена от остальной части растительной клетки мембраной, не проницаемой для молекул активированных носителей обоих типов. Более того, растение содержит много других клеток — например, находящихся в корнях, — которые не имеют хлоропластов и поэтому не могут производить свои собственные сахара. Поэтому в плане производства ATP растение во многом полагается на экспорт своих сахаров из хлоропластов в митохондрии, которыми располагают все клетки растения. Львиная доля ATP, необходимого растению, синтезируется в митохондриях и экспортируется из них в остальные части растительной клетки, при этом используются точно такие же пути окислительного расщепления сахаров, как
иу нефотосинтезирующих организмов (рис. 2.76).
Вдневное время, в периоды избыточной фотосинтетической деятельности, хлоропласты превращают часть вырабатываемых сахаров в жиры и крахмал — по-
10 Мы стали бы тяжелее на 27,2 кг. — Прим. пер.
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 147
Рис. 2.74. Фосфатные связи с различной энергоемкостью. В молекулах, изображенных слева, показа-
ны фосфатные связи различных типов с их сайтами гидролиза. Те, которые начинаются с серого атома углерода, представлены только частью молекулы. Справа даны примеры молекул, содержащих такие связи,приэтомизменениесвободнойэнергиипригидролизевыраженовкилокалориях(килоджоули вкруглыхскобках).Переносфосфатнойгруппыотодноймолекулыкдругойэнергетическиблагоприятен, еслистандартноеизменениесвободнойэнергии(ΔG°)пригидролизефосфатнойсвязипервоймолекулы более отрицательно, чем таковое при гидролизе фосфатной связи второй молекулы. Таким образом, фосфатная группа легко переносится с 1,3-дифосфоглицерата на ADP с образованием ATP. Реакцию гидролизаможнорассматриватькакпереносфосфатнойгруппынаводу.
лимер глюкозы, аналогичный гликогену животных. Жиры в растениях представлены триацилглицеринами, точно так же, как и жиры у животных, и отличаются только типом преобладающих жирных кислот. И жир, и крахмал запасаются в хлоропласте в форме резервуаров, которым предстоит быть пущенными в оборот в качестве источника энергии в ночное время (см. рис. 2.75, в).
Зародыши в семенах растений должны жить на запасенных источниках энергии в течение длительного периода – пока не проклюнутся и не распустятся листья, которыми молодое растение сможет вбирать энергию солнечного света. По этой причине семена растений часто содержат особо внушительные количества жиров и крахмала, благодаря чему служат главным источником пищи для животных, а также и для нас с вами (рис. 2.77).