книги из ГПНТБ / Кретович В.Л. Введение в энзимологию

у пятого углеродного атома рибозы, то образуется адепозин-5 '- моиофосфат, формула которого такова:

Аденозинмоиофосфат может присоединять еще одну молекулу фосфорной кислоты, но не к гидроксилу рибозы, а к самому ос­ татку фосфорной кислоты. При этом мы получим производное нуклеотида, а именно адеиозиндифосфат (сокращенно АДФ). Если же присоединить еще третий остаток фосфорной кислоты, то получится аденозинтрифосфат, или, как его сокращенно называют, АТФ. Формула АТФ следующая:

Аденозинтрифосфат

Это соединение содержит так называемые макроэргическиѳ связи, т. е. связи, обладающие большим запасом энергии. Аденозиимонофосфат не содержит макроэргических связей, у пятого атома углерода рибозы связь простая, она содержит запас энергии, равный примерно 2—3 тыс. малых калорий. Вторая связь в моле­ куле АТФ, с помощью которой присоединен второй остаток фосфор­ ной кислоты, является макроэргической. Ее запас энергии равен 8 тыс. калорий, т. е. в 3—4 раза больше, чем запас энергии в про­ стой сложиоэфирной связи. Макроэргическая связь обозначается знаком —. Третья связь в молекуле аденозинтрифосфата также

79

является макроэргической. Обычно остаток ортофосфорной кисло­ ты — Н2 Р 0 3 обозначают буквой Р в кружке. Расположение макроэргических связей в молекуле АТФ будет таково:

NH,

«I мII я

Итак, аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат — это так на­ зываемые макроэргические соединения. Они играют исключитель­ ную роль в обмене веществ. Эти соединения являются топливом живой клетки — источником энергии, запасенной в макроэргических связях и потребляемой в процессе жизнедеятельности на различ­ ные нужды клетки.

Аденозинтрифосфат под действием особого фермента — аденилатциклазы образует циклический адепозинмонофосфат, который играет важнейшую роль в регуляции ферментативных процессов и в синтезе белков в организме. Это превращение происходит сле­ дующим образом:

он

ох

АТФ

Циклический АМФ

Следующий нуклеотид — гуанозин-5'-монофосфат или гуаниловая кислота (обозначается ГМФ) не содержит макроэргической связи.

В результате присоединения к гуанозинмонофосфату еще одного остатка ортофосфориой кислоты образуется гуаиозинди-

80

Здесь буквой А обозначен нуклеозид аденозин. Знак (—) около атомов кислорода в остатках фосфорной кислоты обозна­ чает, что в этих гидроксилах водороды диссоциированы и у ато­ мов кислорода имеется отрицательный заряд.

Еще более упрощенно строение молекулы АТФ выглядит так:

А—

Ферменты, содержащие в качестве кофермептов адеиозиитрифосфат, катализируют самые разнообразные реакции, указанные в общем виде на схеме 1 2 .

Схема 12. Участие АТФ в различных ферментативных реакциях

82

В центре схемы изображена в упрощенном виде формула аде-

Во-первых, это реакции, катализируемые различными кина­ зами, например ферментом гексокиназой, который переносит пос­ ледний остаток фосфорной кислоты от молекулы АТФ на гексозы.

Остаток фосфорной кислоты присоединяется к гидроксилу гексозы. При этом образуются фосфорилироваииая гексоза и аденозиндифосфат:

Второй тип реакции — перенос пирофосфатного остатка. К мо­ лекуле сахара присоединяется пирофосфатный остаток, образуется соединение

R— О—( р ) ~ ( р )

и молекула аденозинмонофосфата

© - А

Следовательно, в результате такого переноса пирофосфатного остатка весь запас энергии, который имеется в макроэргической связи пирофосфата, переносится на молекулу сахара.

Третий тип реакций, катализируемых ферментами, содержа­ щими в качестве кофермента адепозинтрифосфат,— перенос аденозинмонофосфатного остатка на какую-то кислоту. В частности, особенно важное значение имеет перенос аденозинмонофосфатного остатка на аминокислоту. Именно в этом заключается процесс активирования аминокислот при биосинтезе белка. Остаток ами­ нокислоты активируется за счет переноса аденозинмонофосфата, в результате получается аминоациладенилат:

83

В этом соединении содержится макроэргическая связь; другая макроэргическая связь выделяется в виде пирофосфата

Аминокислота, соединенная с аденозинмонофосфатным остатком, является активированной и легко вступает в дальнейшие превра­ щения, происходящие в процессе синтеза белка.

Четвертый и последний тип реакций, катализируемых фермен­ тами, содержащими в качестве кофермента аденозиытрифосфат, это перенос аденозильного остатка. Под влиянием особого фер­ мента соединение R —S—СН3, т. е. соединение типа метионина, присоединяет остаток аденозина. При этом образуется соединение такого типа:

(-)■ И—S—А,

СИз

выделяются свободная ортофосфорная кислота и пирофосфат. Этот тип реакций играет важную роль в обмене веществ при акти­ вировании и переносе метальных групп. Как известно, метио­ нин является в обмене веществ важнейшим источником металь­ ных групп, но для того чтобы метальные группы могли быть пере­ несены на то или иное соединение, они должны быть активирова­ ны. Активация происходит указанным выше путем, а именно при участии фермептов, содержащих в качестве кофермента адонозпнтрифосфат. При этом аденозильный остаток присоединяется к соединению, подобному метионину. В результате траты энергии одной из макроэргических связей метальный остаток активиру­ ется, становится более подвижным и может быть перенесен на другое соединение, которое должно подвергнуться метилиро­ ванию.

Таким образом, роль ферментов, содержащих аденозинтрифосфат в качестве кофермента, заключается в активировании различных соединений за счет энергии макроэргических связей.

Очень большое значение в обмене веществ имеют уридиимонофосфат, уридиидифосфат, а также различные их производные. Роль уридиновых ферментов заключается в том, что они катали­ зируют различные реакции переноса и превращения остатков са­ харов и остатков производных сахаров. Наиболее важный и из­ вестный тип переноса — перенос глюкозильных остатков (ос­ татков глюкозы).

Если написать схему реакции, катализируемой ферментом, содержащим в качестве кофермента УТФ, то она будет выглядеть следующим образом:

84

Вданном случае молекула УТФ, входящая в состав фермента

исодержащая две макроэргические связи, реагирует с фосфорилироваиной глюкозой — глюкозо-1-фосфатом. Как видно из при­ веденного уравнения, в результате этой реакции выделяется

пирофосфат и образуется соединение, которое называется у р и - д и н д и ф о с ф а т г л ю к о з о й, или сокращенно УДФГ.

УДФГ является коферментом многих ферментов, катализи­ рующих различные синтезы углеводов, сопровождающиеся пере­ носом остатка глюкозы.

Какие же реакции катализируют ферменты, содержащие УДФГ в качестве кофермента?

Во-первых, это изомеризация галактозы в глюкозу, происхо­ дящая в соответствии с уравнением

УДФгалактоза =^=УДФглюкоза.

Эту реакцию катализирует фермент УДФглюкозо — эпимераза, особенно активный у так называемых кефирных дрожжей Saccharomyces fragilis. Как известно, обычные дрожжи не сбра­ живают галактозу, в то время как кефирные дрожжи способны ее сбраживать, что объясняется наличием у них УДФглюкозо — эпимеразы.

Нужно отметить, что для проявления каталитического дей­ ствия УДФглюкозо — эпимеразы необходимо присутствие НАД+.

85

УДФглюкоза является также коэнзимом фермента гексозо-1- фосфат — уридшшлтрансферазьт, катализирующей превращение галактозо-І-фосфата в глюкозо-1 -фосфат согласно уравнению

УДФглюкоза + a-D-галактозо-І-фосфат ^УДФгалактоза -f-

+ a-D-глюкозо-І-фосфат.

Вторая группа ферментативных реакций, в которых участвует УДФГ,— это синтез сахарозы.

Ранее предполагали, что синтез сахарозы в живой клетке про­ исходит благодаря обратимому действию инвертазы, т. е. этот фермент и расщепляет, и синтезирует сахарозу.

Оказалось, одиако, что гидролиз сахарозы происходит при участии ß-фруктофуранозидазы (инвертазы), а синтез идет путем переноса глюкозилыюго остатка с уридішдифосфатглюкозы на соответствующий акцептор. Известны два типа этих акцепторов.

1. В качестве акцептора выступает фруктозо-6 -фосфат. Реак­ цию можно изобразить следующим образом:

УДФГ -j- фруктозо-6-фосфат =^=УДФ + сахарозо-6-фосфат.

2. Реакция протекает следующим образом:

УДФГ -р фруктоза УДФ + сахароза.

Особенно важную роль в синтезе сахарозы играет первая реак­ ция.

Ферменты, содержащие УДФГ, катализируют также синтез трегалозы, который происходит таким путем:

УДФГ + глюкозо-6-фосфат =^=УДФ -р трогалозо-6-фосфат.

Следующий тип реакций, катализируемых ферментами, содер­ жащими УДФГ,— синтез различных гликозидов.

Еще в начале этого столетия французский биохимик Эмиль Буркло сумел осуществить синтезы различных гликозидов под действием гликозидаз, катализирующих гидролиз гликозидов иа сахар и агликон. Он работал с ß-глюкозидазой в среде метилового спирта, содержащего в растворе глюкозу. Оказалось, что этот фермент не теряет своей активности в почти концентрированном метиловом спирте и в данных условиях катализирует синтез ß-ме- тилглюкозида.

При этом происходит следующая реакция:

СНзОН + глюкоза ß-метіглглюкозид -)- НзО.

Реакция обратима, но в среде метилового спирта она направ­ лена в^сторону синтеза метилглюкозида, а в водной среде —

86

в сторону гидролиза глюкозида. Пользуясь этим методом, Буркло получал гликозиды буквально килограммами. Работы Буркло по ферментативному синтезу гликозидов имели большое принципи­ альное значение, так как послужили прекрасным доказательством обратимости действия ферментов. После работ Буркло возникло представление о том, что в живой клетке синтез гликозидов про­ исходит именно таким путем. Предполагали, что в клетке имеются особые «сухие» места, где и осуществляется этот синтез. Однако недавно было показано, что синтез гликозида может идти в ре­ зультате переноса глюкозильного остатка па какой-то спирт при участии фермента, содержащего УДФГ. Так, например, уста­ новлено, что может иметь место такая реакция:

УДФГ + гидрохинон =^=арбутин -f- УДФ.

Хотя подобные реакции синтеза гликозидов прекрасно идут, однако до сих пор неясно, в каких случаях они осуществляются по принципу обратимости действия ферментов и когда происходит синтез глюкозидов при участии УДФГ.

Следующий, пятый тип реакций, катализируемых УДФГфермеитом,— это синтез клетчатки у бактерий. Проблема биосин­ теза клетчатки, давно привлекает к себе внимание биохимиков. Уже сравнительно давно был выделен фермент целлюлаза, гидро­ лизующий клетчатку, но попытки синтезировать клетчатку под действием этого фермента оказались безрезультатными. Исходя из того, что УДФГ представляет собой источник активной глю­ козы, удалось осуществить ферментативный синтез клетчатки в бесклеточных экстрактах из уксуснокислых бактерий Acetobacler xylinum. Эти бактерии, развиваясь в вине, образуют плотную слизистую массу, которая состоит из чистой бактериальной клет­ чатки.

Было показано, что ферментативный синтез клетчатки проис­ ходит следующим образом:

УДФГ + (глюкозаД =?ьУДФ -j- (глюкоза)п+1.

Таким образом, для этой реакции нужна затравка в виде мо­ лекул так называемых целлодекстринов, представляющих собой продукты гидролиза целлюлозы. В соответствии с этой реакцией к затравке присоединяется одна молекула глюкозы за другой и синтезируется цепочка клетчатки.

Итак, реакции, катализируемые ферментами, содержащими УДФГ, очень разнообразны, но все они связаны с активированием и переносом глюкозильного остатка.

Синтез хитина также идет под действием ферментов, содер­ жащих производное УДФ.

Известно, что хитин — это биополимер, который содержится в кутикуле насекомых, в шляпочных и плесневых грибах, в дрож-

87

Жах и в одноклеточных зеленых водорослях. Хитин представлябі' собой полимор N-ацетилглюкозаміша;

затравку с образованием хитина, аналогично тому, как при син­ тезе целлюлозы на целлодекстрип переносится остаток активи­ рованной глюкозы.

Последний тип реакций, катализируемых ферментами,содер­ жащими в качестве кофермента урпдиндифосфат, это перенос ос­ татка глюкуроновой кислоты. Как известно, глюкуроповая кисло­ та — производное глюкозы, у которой 6 -й углеродный атом окис­ лен до группы СООН. УДФглюкуроновая кислота представляет собой активированную форму глюкуроновой кислоты, готовую к тому, чтобы при участии фермента быть перенесенной иа какоето вещество.

Именно так синтезируются полиуроииды, т. е. соединения, состоящие из остатков уроновых кислот. Аналогичным образом галактуроиовая кислота, являющаяся продуктом окисления га­ лактозы, в виде уриднидифосфатгалактуроковой кислоты служит источником остатка галактуроновой кислоты, которая также ис­ пользуется на синтез полиуронидов.

Полиуроииды представляют собой высокомолекулярные соеди­ нения, состоящие из остатков глюкуроновой или галактуроновой кислот. Оыи очень распространены в природе и входят в со­ став целого ряда веществ, которые накапливаются в клеточных стенках растений и образуют так называемую срединную пла­

стинку.

Кроме УДФглюкозы и УДФгалактозы в качестве коферментов выступают также гуанозипдифосфатсахара, например гуанозиндифосфатыанноза и гуанозиндифосфатглюкоза. Строение гуанозиндифосфатманнозы таково:

Гуанозин— О—(р) ~ ( р) — манноза

Как видно из формулы, это соединение содержит макроэргическую связь. Оно входит в состав некоторых ферментов, содержа­

88