Volume1
.pdf
148 Часть 1. Введение в мир клетки
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 149
2.3.5. Между приемами пищи бóльшая часть животных клеток извлекает необходимую им энергию из жирных кислот
После роскошной трапезы бóльшая часть энергии, необходимой животному, извлекается из сахаров, усвоенных, в свою очередь, из пищи. Излишек сахаров, при его наличии, используется для пополнения исчерпанных запасов гликогена или для синтеза жиров в качестве запаса продовольствия. Но в скором времени жир, запасенный в жировой ткани, пускается в оборот, и к утру, после ночного воздержания, бóльшая часть необходимой нам ATP производится уже в результате окисления жирных кислот.
При низких уровнях глюкозы в крови запускается процесс расщепления жиров для производства энергии. Как показано на рис. 2.78, триацилглицерины, запасенные в жировых капельках адипоцитов, подвергаются гидролизу с образованием жирных кислот и глицерина, а высвобождаемые жирные кислоты переносятся к клеткам тела через кровоток. Хотя животные легко преобразуют сахара в жиры, они не способны переводить жирные кислоты в сахара. Вместо этого, жирные кислоты окисляются напрямую.
2.3.6. И сахара, и жиры расщепляются в митохондриях до acetylCoА
При аэробном метаболизме пируват, образующийся в процессе проходящего в цитозоле гликолиза из сахаров, переносится в митохондрии ядерных клеток. Там гигантский комплекс из трех ферментов, названный комплексом пируватде- гидрогеназы, быстро его декарбоксилирует. В результате декарбоксилирования пирувата получаются молекула CO2 (побочный продукт), молекула NADH и мо-
лекула acetylCoА (рис. 2.79).
Жирные кислоты, импортированные из кровотока, перемещаются в митохондрии, где и происходит процесс их окисления (рис. 2.80). Каждая молекула жирной кислоты (в виде активированной молекулы acylCoA жирной кислоты) полностью расщепляется в круговерти реакций, где на каждом витке цикла единовременно теряется сразу два атома углерода с карбоксильного конца и образуется одна молекула acetylCoА. Продуктами данного процесса будут также молекула NADH и молекула FADH2 (рис. 2.81).
Сахара и жиры — главные источники энергии для большинства нефотосинтезирующих организмов, в том числе и людей. Однако основная доля полезной энергии, которая может быть извлечена из окисления пищевых продуктов обоих типов, непреложно запасается в молекулах acetylCoА, которые образуются в ходе двух только что описанных реакций. Поэтому цикл реакций, названный циклом лимонной кислоты, или циклом Кребса, в котором ацетильная группа acetylCoА окисляется до CO2 и H2O, играет определяющую роль в процессах энергетического метаболиз-
Рис.2.75.Хранениесахаровижироввживотнойирастительнойклетках.а)Cтруктурыкрахмалаигли-
когена—формыхранениясахаровурастенийиживотныхсоответственно.Обавеществапредставляют собойполимерыглюкозыиотличаютсятолькочастотойточекветвления(желтаяобластьпоказананиже
вувеличенноммасштабе).Разветвленностьцепигликогенагораздовыше,чемкрахмала.б)Наэлектронноймикрофотографиивидныгранулыгликогенавцитоплазмеклеткипечени.в)Тонкийсрезхлоропласта клеткирастения–видныгранулыкрахмалаилипида(капелькижира),которыенакопилисьврезультате биосинтетическихреакций.г)Жировыекапельки(окрашеныкрасным)наначальномэтапенакопления
вразвивающихсяжировыхклеткахживотного.(Снимокб—любезностьRobertFletterickиDanielS. Friend;
в—любезностьK. Plaskitt;г—любезностьRonaldM. EvansиPeterTotonoz.)
150 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.2.76.СхемаобразованияATP,необходимогодляметаболизмавбольшинстверастительныхклеток.
В растениях хлоропласты и митохондрии сотрудничают в деле снабжения клеток метаболитами и ATP. (Подробностисмотритевглаве14.)
Рис.2.77.Семенанекоторыхрастений,которыеслужатважнымипищевымипродуктамидлялюдей.
Кукуруза, орехи и горох содержат богатые запасы крахмала и жира, которые обеспечивают молодой зародышрастениявсемениэнергиейистандартнымстроительнымматериалом,необходимымдлябиосинтеза.(СлюбезногоразрешенияJohnInnes.)
ма аэробных организмов. У эукариот все эти реакции происходят в митохондриях. Поэтому не вызывает удивления тот факт, что в животных клетках митохондрия служит местом, где производится основная доля ATP. В противоположность эукариотам, аэробные бактерии предоставляют для всех происходящих в них реакций единую среду — цитозоль, — и именно там идет весь цикл лимонной кислоты.
2.3.7. В цикле лимонной кислоты NADH образуется при окислении ацетильных групп до CO2
В XIX столетии биологи подметили, что при отсутствии воздуха (анаэробные условия) клетки производят молочную кислоту (например, в мышцах) или этанол (например, у дрожжей), тогда как при его наличии (аэробные условия) они потребляют O2 и производят CO2 и H2O. Попытки определить пути аэробного метаболизма в конечном счете сосредоточились на окислении пирувата и привели в 1937 г.
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 151
Рис. 2.78. Схема мобилизации запасенных жиров на случай необходимости выработки энергии у животных. При низких уровнях глюкозы в крови запускается гидролиз молекул триацилглицерина в жировыхкапельках,стемчтобывысвободитьжирныекислотыиглицерин,какпоказанонасхеме.Эти жирныекислотыпоступаютвкровоток,гдесвязываютсясимеющимсявизобилиибелкомкрови—сы- вороточнымальбумином.Затемспециальныепереносчикижирныхкислотвплазматическоймембране клеток,окисляющихжирныекислоты—такихкакмышечныеклетки,—переносятэтижирныекислоты
вцитозоль,изкоторогоониперемещаютсявмитохондриидлявыработкиэнергии(см.рис.2.80).
коткрытию цикла лимонной кислоты, также известного как цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса. Через цикл лимонной кислоты происходит две трети всего окисления соединений углерода в большинстве клеток, и его главные конеч-
ные продукты — CO2 и высокоэнергетические электроны в форме NADH. Газ CO2 выделяется как побочный продукт, тогда как высокоэнергетические электроны от NADH поступают в связанную с мембранами цепь переноса электронов (отложим
до главы 14) и в конечном счете объединяются с O2, в итоге чего образуется H2O. Хотя в самом цикле лимонной кислоты кислород O2 не используется, для его осуществления все же необходим O2, потому что не существует какого-либо иного эффективного способа лишения NADH его электронов и образования тем самым NAD+, необходимого для работы цикла.
Вклетках эукариот цикл лимонной кислоты осуществляется внутри митохондрий. Результатом цикла лимонной кислоты является полное окисление атомов
углерода ацетильных групп acetylCoA до CO2. Но ацетильная группа не окисляется напрямую. Вместо этого, она переносится с acetylCoA на более крупную молекулу с четырьмя атомами углерода — оксалоацетат — с образованием содержащей шесть атомов углерода трикарбоновой кислоты, а именно лимонной кислоты, по наименованию которой и назван этот последовательный цикл реакций. Итак, по прошествии вышеизложенных событий молекула лимонной кислоты ступенчато
152 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис.2.79.ОкислениепируватадоacetylCoAиCO2.а)Структуракомплексапируватдегидрогеназы,которыйсодержит60полипептидныхцепей.Этопримербольшогомультиферментногокомплекса,вкотором промежуточныепродуктыреакциинепосредственнопереходятотодногоферментакдругому.Вядерных клеткахонрасположенвмитохондрии.б)Реакции,осуществляемыекомплексомпируватдегидрогеназы. Комплекс преобразует пируват в acetylCoА в митохондриальном матриксе; в этой реакции также производитсяNADH.БуквамиA,BиCобозначенысоответственнотрифермента:пируватдекарбоксилаза,
липоамидредуктаза-трансацетилаза и дигидролипоилдегидрогеназа. Эти ферменты представлены навидеа;ихдействиявзаимосвязаны,какэтопоказанонасхемеб.
Рис. 2.80. Пути образования acetylCoА из сахаров и жиров. Митохондрия в ядерных клетках — это то место, где из двух основных классов молекул питательных веществ образуется acetylCoA. Поэтому митохондрияестьтоместо,гдепроисходитбольшинствоокислительныхреакцийклеткиигдеобразуется бóльшаячастьееATP.Структураифункциимитохондрийподробнообсуждаютсявглаве14.
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 153
Рис. 2.81. Окисление жирных кислот до acetylCoА. а) Электронномикроскопическая фотография липидной капельки в цитоплазме (сверху слева) и структура жиров (сверху справа). Жиры представляют собойтриацилглицерины.Глицериноваячасть,ккоторойпосредствомэфирныхсвязейприкрепленытри жирныекислоты,показанасиним.Жирынерастворимывводеиобразуюткрупныелипидныекапельки вспециализированныхжировыхклетках(называемыхадипоцитами),вкоторыхонизапасаются.б)Цикл окисления жирных кислот. Этот цикл катализируется в митохондрии группой из четырех ферментов. Скаждымоборотомциклацепьжирнойкислотыукорачиваетсянадвауглеродныхатома(показанных красным) и образуется одна молекула acetylCoА и по одной молекуле NADH и FADH2. Структура FADH2 представленанарис.2.83,б.(Снимока—любезностьDanielS.Friend.)
154 Часть 1. Введение в мир клетки
окисляется, что позволяет использовать энергию этого окисления для производства богатых энергией молекул активированных носителей. Цепь из восьми реакций замыкается в цикл, потому что в конце ее оксалоацетат образуется вновь и вступает в новый виток цикла, что схематично показано на рис. 2.82.
Рис. 2.82. Упрощенная общая схема цикла лимонной кислоты. Цикл начинается с реакции между acetylCoAиоксалоацетатомсобразованиемцитрата(лимоннойкислоты).Вкаждомциклевыделяется две молекулы CO2 в качестве отходов плюс три молекулы NADH, одна молекула GTP и одна молекула FADH2 . Число атомов углерода в каждом промежуточном продукте показано в желтых квадратиках. Подробностиможнонайтивприложении2.9(стр.188–189).
К настоящему времени мы рассматривали только один из трех типов активированных молекул-носителей, которые производятся в цикле лимонной кислоты: пару NAD+–NADH (см. рис. 2.60). Кроме трех молекул NADH в каждом обороте цикла образуется также одна молекула FADH2 (флавинадениндинуклеотид восстановленный) из FAD и одна молекула рибонуклеотида гуанозинтрифосфата
(guanosine thriphosphate; GTP) из гуанозиндифосфата (guanosine diphosphate;
GDP). Структуры молекул этих двух активированных носителей представлены на рис. 2.83. GTP — соединение, близкородственное ATP, и перенос его концевой фосфатной группы на ADP дает одну молекулу ATP в каждом цикле. Подобно NADH, молекула FADH2 является носителем высокоэнергетических электронов
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 155
Рис. 2.83. Структуры GTP и FADH2. а) GTP и GDP — близкие родственники ATP и ADP соответственно. б)FADH2 —носительатомовводородаивысокоэнергетическихэлектроновнаподобиеNADHиNADPH.Сле- ваприведенаегоокисленнаяформа(FAD),гдеприсоединяющиеводородатомывыделеныжелтым.
и водорода. Как будет сказано вскоре, энергия, запасаемая в легко переносимых высокоэнергетических электронах в составе NADH и FADH2, идет на образование ATP в процессе окислительного фосфорилирования, представляющего собой единственный этап окислительного катаболизма пищевых продуктов, на котором непосредственно необходим газообразный кислород (O2) из атмосферы.
156 Часть 1. Введение в мир клетки
Рис. 2.84. Гликолиз и цикл лимонной кислоты поставляют предшественников, необходимых для синтезамногихважныхбиологическихмолекул.Аминокислоты,нуклеотиды,липиды,сахараидругие молекулы, представленные здесь в качестве продуктов, в свою очередь, служат предшественниками длямногихмакромолекулклетки.Каждаячернаястрелканаэтойсхемеобозначаетреакцию,катализируемуюоднимферментом;красныестрелки,какправило,представляютмногоэтапныепути,которые необходимопройтидляполученияуказанныхпродуктов.
В приложении 2.9 (стр. 188–189) представлен полный цикл лимонной кислоты. Вода, а не молекулярный кислород, поставляет дополнительные атомы кислорода, требующиеся для получения CO2 из ацетильных групп, вступающих в цикл лимонной кислоты. Как показано в приложении, в каждом цикле расщепляется три молекулы воды, и атомы кислорода некоторых из них в конечном счете идут на образование CO2.
Наряду с пируватом и жирными кислотами, некоторые аминокислоты переходят из цитозоля в митохондрии, где они также превращаются в acetylCoaА или
Глава 2. Химия клетки и биосинтез 157
же в другой промежуточный продукт цикла лимонной кислоты. Таким образом, в ядерной клетке митохондрия представляет собой центр, к которому неминуемо стекаются все энерговырабатывающие процессы, начинаются ли они с сахаров, жиров или белков.
Как цикл лимонной кислоты, так и гликолиз служат также и отправными точками для важных реакций биосинтеза, производя жизненно необходимые углеродосодержащие промежуточные продукты, такие как оксалоацетат и α-кетоглутарат. Некоторые из таких веществ, произведенных в ходе катаболизма, переходят обратно из митохондрии в цитозоль, где служат в анаболических реакциях предшественниками для синтеза многих жизненно важных молекул, таких как аминокислоты (рис. 2.84).
2.3.8. В большинстве клеток синтез большей части ATP происходит за счет переноса электронов
Основная масса химической энергии высвобождается на последнем этапе распада молекул питательных веществ. На этом заключительном процессе носители электронов NADH и FADH2 передают электроны, которые они получили при окислении других молекул, в цепь переноса электронов, которая проходит по внутренней мембране митохондрии (см. рис. 14.10). По мере того как электроны проходят по этой длинной цепи, состоящей из специализированных молекул — акцепторов
идоноров электронов, — они последовательно переходят в состояния все более
иболее низкой энергии. Энер-
гия, высвобождаемая электронами в этом процессе, идет на «перекачку» ионов H+ (протонов) через мембрану — из внутренней полости митохондрии наружу, — создавая градиент ионов H+ (рис. 2.85). Этот градиент служит источником энергии, будучи подключаем,
Рис.2.85.Реакцииспереносомэлектронов создают градиент концентраций ионов H+ в поперечном сечении мем-
браны.Высокоэнергетическийэлектрон (полученный,например,входеокисления некоего метаболита) переводится последовательно носителями А, В и C в более низкое энергетическое состояние. На этой схеме носитель B организован в мембране таким образом, что принимает H+ с одной стороны, а выделяет — после прохождения вместе с электроном – с другой. В результате устанавливаетсяградиентH+.Каксказановглаве14,такойградиентпредставляетсобойважнуюформуэнергии,которая используется другими мембранными белкамидляподпиткисинтезаATP.