46. Эндэргонические и экзэргоническиг реакции в живой клетке. Макроэргические соединения.

С позиций термодинамики, метаболизм представляет собой совокупность процессов, в которой реакции, потребляющие энергию из внешней среды (эндэргонические), сопрягаются с энергодающими (экзэргоническими) реакциями, что позволяет живым существам оказывать постоянное сопротивление нарастанию энтропии. Экзергонические реакции – химические реакции с высокой константой равновесия и отрицательной величиной G, эндергонические – с низкой константой равновесия и положительной величиной G (они обычно не протекают спонтанно). Для начала и завершения этих реакция необходим приток энергии извне. В живых системах экзергонические процессы обычно сопряжены с эндергоническими реакциями, обеспечивая последние необходимым количеством энергии. -  экзэргонические   реакции , которые сопровождаются выделением энергии; энергия аккумулируется в виде макроэргических соединений;

-  эндэргонические   реакции , для протекания которых необходимы затраты энергии (реакции синтеза  и  восстановления) Макроэргические соединения – это вещества, содержащие богатые энергией связиПонятие макроэргическая

связь довольно условно и применяется для обозначения тех связей, которые гидролизуются в

водной среде с выделением значительной энергии. Так, гидролиз концевой фосфоангидрид-

ной связи АТФ (АТФ + Н2О → АДФ + Фн), ведет к освобождению 34,5 кДж/моль энергии).

Однако, если реакция протекает в неводной среде (например, в липидном слое мембран), то

образование и разрушение АТФ протекает без больших затрат энергии.

Вещества гидролиз которых, приводит к высвобождению более 21 кДж/моль энергии от-

носят к высокоэнергетическим (макроэргам), а вещества освобождающие меньшие количе-

ства энергии - к низкоэнергетическим. К макроэргам относят: АТФ, другие трифосфаты нук-

леозидов (ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ), аргининфосфат, креатинфосфат, ацетилфосфат, 1,3-

дифосфоглицерат, фосфоенолпируват и др. К низкоэнергетическим - глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат, глицерофосфат и другие. Уникальная роль АТФ состоит в том, что она

имеет промежуточное значение энергии гидролиза и выполняет роль связующего звена (раз-

менной монеты) между высоко- и низкоэнергетическими соединениями.

Для протекания эндэргонических реакций необходим внешний источник энергии. Реакции, характеризующиеся высокой константой равновесия К и отрицательной величиной стандартного изменения свободной энергии ΔG, называются экзергоническими. Реакция с очень низкой константой равновесия и, следовательно, с положительной величиной стандартного изменения свободной энергии не протекает спонтанно и не завершается при стандартных условиях без притока энергии извне. Такие процессы называются эндергоническими. В биологических системах эндергонические процессы должны быть сопряжены с экзергоническими таким образом, чтобы эндергонические процессы получали необходимую для своего течения энергию от экзергонических процессов. В подобного рода сопряженных системах эндергонический процесс может осуществляться только при условии, что уменьшение свободной энергии сопряженного с ним экзергонического процесса превышает прирост свободной энергии данного эндергонического процесса.

48.НАД-зависимые и флавиновые дегидрогеназы

Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD⁺ или NADP⁺ (см. раздел 2). NAD⁺ и NADP⁺ - производные витамина PP. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид (рис. 6-5). Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD⁺. Они катализируют реакции типа: R-CHOH-R₁ + NAD⁺↔ R-CO-R₁ + NADH + Н⁺.

Таким образом, NAD⁺, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В₂ (см. раздел 2). Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система (рис. 6-6).

FAD служит акцептором электронов от многих субстратов в реакциях типа: R-CH₂-CH₂-R₁ + Е (FAD) ↔ R-CH=CH-R₁ + Е (FADH₂), где Е - белковая часть фермента.

Большинство FAD-зависимых дегидрогеназ - растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Исключение составляет сукцинат-дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. К FMN-содержащим ферментам принадлежит NADH-дегидрогеназа, которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она окисляет NADH, образующийся в митохондриальном матриксе.

49.НАДНдегидрогеназа,убихинондегидрогеназа

Перенос электронов от NADH к О₂ включает ряд переносчиков, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий. За исключением убихинона и цитохрома С, это сложные белковые комплексы. NADH-дегидрогеназа (NADH-Q-редуктаза, комплекс I) состоит из нескольких полипептидных цепей. Роль простетической группы играет FMN. Единственный субстрат фермента - NADH, с которого 2 электрона и протон переносятся на FMN с образованием FMNH₂. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению: NADH + Н⁺ + Е (FMN) → NAD⁺ + Е (FMNH₂)

С FMNH₂ электроны переносятся затем на ряд железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы. Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в несколько групп, так называемых железо-серных центров. FeS-центры входят в состав многих белков (флавопротеинов, цитохромов), участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Известны 3 типа FeS-центров (FeS, Fe₂S₂, Fe₄S₄), в которых атом железа связан с атомом серы остатков цистеина или неорганической серы. Строение железо-серных центров показано на рис. 6-7. NADH-дегидрогеназа содержит несколько центров типа Fe₂S₂ и Fe₄S₄ Атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны поочерёдно, переходя в ферро- (Fe₂₊) и ферри- (Fe₃₊) состояния. От железо-серных центров электроны переносятся на кофермент Q (убихинон)

Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q₁₀. В процессе переноса электронов с NADH-дегидрогеназы через FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы. Убихинон участвует в реакциях типа:

Е (FMNH₂) + Q → Е (FMN) + QH₂.

Рис. 6-6. Структурные формулы рабочей части коферментов FAD и FMN. В ходе реакции FAD и FMN присоединяют 2 электрона и, в отличие от NAD⁺, оба теряемых субстратом протона.

Рис. 6-8. Структура убихинона (кофермента Q). n - число изопреноидных звеньев. Убихинон может принимать один электрон и превращаться в семихинон или 2 электрона и полностью восстанавливаться в гидрохинон (убихинол).