10. Стандартные свободные энергии гидролиза некоторых

макроэргических соединений

Макроэргические соединения	DG°΄ кДж×моль-1
Аденозинтрифосфат (при переносе фосфата)	-30,6
Аденозинтрифосфат (при переносе пирофосфата)	-42
1,3-Дифосфоглицериновая кислота	-49
Ацетилфосфат	-42
Фосфоенолпировиноградная кислота	-62
Ацетилкофермент А	-37
Аргининфосфат	-32
Ацетилимидазол	-50

глутаминсинтетазы. Это эндергоническая реакция, в ходе которой

поглощается свободная энергия в количестве DG°΄= 14 кДж на каждый моль синтезируемого глутамина. Для осуществления эндергонической реакции синтеза глутамина проходит сопряжённая экзергоническая реакция гидролиза АТФ с высвобождением свободной энергии –30,6 кДж в расчёте на каждый моль АТФ. Суммарное изменение свободной энергии в указанных сопряжённых реакциях при синтезе каждого моля глутамина равноDG°΄_сопр.=DG°΄_экз.+DG°΄_энд.= -30,6 +14= -16,6 кДж. Мы видим, что общее количество свободной энергии при прохождении указанных реакций уменьшается, поэтому синтез глутамина за счёт энергии гидролиза АТФ происходит самопроизвольно.

Сопряжённые реакции синтеза глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ можно записать в виде следующей схемы с учётом того, что в экзергонической реакции свободная энергия уменьшается, а в эндергонической увеличивается:

АТФ + Н₂О глутамин + Н₂О

DG°΄_экз..= -30,6 кДж/мольDG°΄энд. = +14 кДж/моль

АДФ + Н₃РО₄ глутаминовая кислота +NH₃

O

//

СН₂-СООН СН₂-C-NH₂

| |

CH₂+NH₃+ АТФ¾®CH₂+АДФ + Н₃РО₄

| |

CHNH₂-COOH CHNH₂-COOH

глутаминовая кислота глутамин |

Суммарное уравнение сопряжённого синтеза глутамина с участием АТФ под действием фермента глутаминсинтетазы можно записать следующим образом:

Среди всех макроэргических соединений центральное положение занимает аденозинтрифосфат (АТФ) или как часто его называют аденозинтрифосфорная кислота. Это макроэргическое соединение служит источником энергии для большинства реакций сопряжённого синтеза различных веществ, участвует в активации молекул путём их фосфорилирования, трансмембранном транспорте катионов водорода и органических веществ, является источником фосфатных групп для синтеза других макроэргических соединений. В виде АТФ аккумулируется энергия в процессах фотосинтеза и дыхания, а также осуществляется дальний транспорт энергии по флоэмной системе растений и кровеносной системе человека и животных, тогда как большинство других макроэргических соединений дальнему транспорту не подвергаются. АТФ содержится во всех живых клетках в количестве 0,5-20 ммоль/л жидкой физиологической среды и его концентрация поддерживается на оптимальном уровне с помощью специальных регуляторных систем.

Остатки фосфорной кислоты в молекулах АТФ обладают сильно выраженной способностью к ионизации, превращаясь в анионы АТФ^4–, которые в физиологической среде активно взаимодействуют с катионами магнияMg²⁺, образуя устойчивые комплексыMgАТФ^2–.

Mg²⁺

O^- O^- O^-

| | |

O^--P~O- P~O- P-O-аденозин

|| || ||

O O O

Именно в виде таких комплексов АТФ взаимодействует с ферментами в различных реакциях фосфорилирования и активации органических веществ.

В реакциях сопряжённого синтеза веществ молекулы АТФ могут гидролизоваться по одной из двух макроэргических связей с образованием АДФ или адениловой кислоты (АМФ). При гидролизе АТФ по первой макроэргической связи с образованием в качестве продуктов АДФ и неорганического фосфата высвобождается 30,6 кДж свободной энергии в расчёте на каждый моль АТФ (при стандартных условиях):

АТФ + Н₂О¾®АДФ + Н₃РО₄,DG°΄= -30,6 кДж/моль.

Гидролиз АТФ по такому механизму происходит в реакциях сопряжённого синтеза аспарагина, глутамина, малонилкофермента А, щавелевоуксусной кислоты и других соединений.

В сопряжённых реакциях, где требуются большие энергетические затраты, осуществляется гидролиз АТФ по второй (внутренней) макроэргической связи с образованием пирофосфата, который приводит к высвобождению в стандартных условиях 42 кДж свободной энергии в расчёте на каждый моль гидролизуемой АТФ:

АТФ + Н₂О¾®АМФ + Н₄Р₂О₇,DG°΄= -42 кДж/моль.

Указанная реакция гидролиза АТФ инициируется при активации жирных кислот и аминокислот. Так, например, процессу b-окисления жирных кислот в митохондриях предшествует их связывание с коферментом А, на которое затрачивается энергия гидролиза АТФ с образованием пирофосфата:

R-C-OH+HS-КоА + АТФ¾®R-C~S-КоА + АМФ + Н₄Р₂О₇

|| ||

OO

жирная кислота ацил-КоА

На биосинтетические процессы в организмах затрачивается большое количество АТФ, которое восполняется за счёт его постоянного синтеза. В растениях и других организмах выработаны специальные механизмы образования АТФ, находящиеся, как мы увидим далее, под контролем регуляторных систем. В ходе синтеза АТФ под действием ферментов инициируется образование макроэргической связи и присоединение к ней неорганического фосфата, а затем осуществляется перенос остатка фосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ. В качестве продуктов в таких реакциях синтезируются молекулы АТФ.

Образование макроэргической связи – эндергонический процесс, на который затрачивается энергия, высвобождающаяся в сопряжённой экзергонической реакции или в результате направленного переноса протонов через хлоропластные и митоходриальные мембраны под действием трансмембранного электрохимического потенциала, индуцируемого переносом электронов по электронтраспортной системе этих клеточных органелл. Согласно первому закону термодинамики на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата затрачивается такое же количество энергии, которое высвобождается при гидролизе АТФ, однако изменение свободной энергии в ходе реакции будет уже с противоположным знаком:

АДФ + Н₃РО₄¾®АТФ + Н₂О,DG°΄= +30,6 кДж/моль.

У большинства организмов происходит интенсивное образование АТФ за счёт энергии окисления органических веществ в анаэробной стадии дыхания и реакциях цикла Кребса. Эти реакции получили название субстратного фосфорилирования, так как в них окисление дыхательных продуктов и образование макроэргических связей сопряжено с фосфорилированием субстратов дыхания путём включения в состав органических веществ неорганического фосфата. Схематически процесс субстратного фосфорилирования можно представить в виде следующих превращений:

С + Ф ¾®С~Ф

органический фермент фермент-субстратный

субстрат комплекс

С ~Ф + Н₃РО₄¾®С~(Р) + Ф

макроэргический

фосфат

Вначале фермент реагирует с органическим субстратом и инициирует образование макроэргической связи в фермент–субстратном комплексе. Затем ферментная группировка замещается остатком фосфорной кислоты неорганического фосфата, в результате чего осуществляется синтез макроэргического фосфата, который далее становится донором остатка фосфорной кислоты с макроэргической связью для переноса на АДФ. В этой реакции синтез АТФ катализирует специальный фермент – киназа, относящийся к классу трансфераз: киназа

С ~(Р) + АДФ¾¾®С + АТФ

макроэргический изменённый

фосфат субстрат

В анаэробной стадии дыхания субстратное фосфорилирование происходит на этапе окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту, в цикле Кребса – при фосфоролизе сукци-нил-кофермента А.

В процессе анаэробного окисления углеводов макроэргическая связь возникает также при дегидратации 2-фосфоглицериновой кислоты, которая сопровождается синтезом макроэргического фосфата – фосфоенол-пировиноградной кислоты, способной передавать остаток фосфорной кислоты с макроэргической связью на АДФ и таким образом инициировать синтез АТФ.

У высших организмов важнейшим источником образования АТФ является процесс окислительного фосфорилирования, локализованный в митохондриях. Во внутренней физиологической среде митохондрий активно протекают реакции цикла Кребса, в которых энергияя окисления ацетилкофермента А и других промежуточных продуктов дыхания используется для синтеза восстановленных динуклеотидов НАД×Н и ФАД×Н₂. А эти соединения становятся донорами электронов для системы переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Конечными акцепторами электронов служат молекулы кислорода, которые, присоединяя электроны и протоны, образуют молекулы воды.

Процесс переноса электронов по системе переносчиков индуцирует сопряжённый процесс переноса протонов через мембрану митохондрий, которые, накапливаясь на её внешней поверхности, создают трансмембранный электрохимический потенциал. Под действием АТФ-синтетазного ферментного комплекса, входящего в структуру митохондриальной мембраны, энергия трансмембранного электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

В процессе окислительного фосфорилирования происходит следующая цепочка энергетических и химических превращений. Вначале энергия окисления органических веществ в реакциях цикла Кребса затрачивается на синтез восстановленных динуклеотидов, затем энергия окисления восстановленных динуклеотидов инициирует создание электрохимического трансмембранного потенциала, который уже служит источником энергии для синтеза АТФ.

У фотосинтезирующих организмов большое количество АТФ синтезируется в процессе фотосинтетического фосфорилирования, локализованного в хлоропластах. Первичным источником энергии для этого процесса служат кванты света, которые поглощаются фотохимическими системами и трансформируются в энергию восстановленных органических соединений. А они уже служат донорами электронов для системы переносчиков, находящихся в составе хлоропластных мембран. В свою очередь перенос электронов по цепи переносчиков индуцирует перенос протонов через мембрану хлоропластов, создавая на ней электрохимический трансмембранный потенциал. И энергия этого потенциала используется АТФ-синтетазным комплексом для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Во многом механизм фотосинтетического фосфорилирования сходен с механизмом окислительного фосфорилирования, за исключением первичных источников энергии: для окислительного фосфорилирования - это энергия окисления органических веществ в процессе дыхательных реакций, для фотосинтетического фосфорилирования – энергия квантов света.