1.Макроэргические соединения
Макроэргические соединения – это особая группа активированных биомолекул, которые участвуют в накоплении и трансформации энергии в биосистемах.
Биохимические превращения молекул происходят в полном соответствии с химическим законами. Принципиальная возможность протекания биохимических реакций, их направление и полнота осуществления зависят от количества энергии получаемой биохимической системой. Законы термодинамики вполне применимы к биологическим системам и на основе расчетных количественных параметров позволяют предсказать направление биохимических реакций, возможность использования определенной реакции для совершения полезной работы или определить количество внешней энергии, которая необходима для протекания биохимической реакции. Основные положения термодинамики формулируются с помощью термодинамических функций, к числу которых относится свободная энергия G и ее изменение в результате биохимической реакции (ΔG). Величина ΔG любой реакции может быть рассчитана и выражается в джоулях или калориях на моль. При стремлении биохимической системы к равновесию изменение свободной энергии характеризует энергию, которая при определенных условиях может стать доступной для совершения полезной работы. Следовательно, неравновесные системы самопроизвольно изменяются при условии уменьшения свободной энергии, т.е. если величина ΔG отрицательная. В состоянии равновесия самопроизвольное изменение свободной энергии не происходит. При условии доступности свободной энергии биохимическую систему можно вывести из равновесного состояния. Таким образом, если величина ΔG отрицательна, биохимическая реакция может происходить самопроизвольно (экзергоническая реакция), а если величина ΔG положительна, реакция может происходить только при условии поступления извне доступной свободной энергии (эндергоническая реакция). На этих термодинамических принципах по существу основана вся биохимия.
Среди биохимических реакций к числу экзергонических относятся реакции окисления. Например, ΔG полного аэробного окисления глюкозы по схеме С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О составляет около 2000000 кал/моль. У всех живых организмов эта энергия преобразуется путем сопряжения процесса окисления с синтезом 38 молекул универсального макроэргического соединения АТФ по реакции АДФ + Фн АТФ (ΔG~35000 Дж/моль). Запасенная энергия АТФ в свою очередь может трансформироваться в другие макроэргические соединения клетки и может утилизироваться в эндергонических биосинтетических реакциях (большинство природных соединений самопроизвольно не реагируют друг с другом и требуют активации), в транспорте ионов и молекул, в мышечном сокращении и др. Следовательно, с точки зрения термодинамики генерируемая в процессах биологического окисления энергия служит для поддержания живого организма в неравновесном состоянии.
Макроэргические соединения содержат особые высокоэнергетические связи (макроэргические связи) с ΔG гидролиза > 20000 Дж/моль, которые обозначают знаком ~. Макроэргические соединения живых организмов весьма разнообразны по химической структуре и классифицируются следующим образом:
Важнейшие макроэргические соединения перечислены в таблице. Среди них особая роль принадлежит высокоэнергетическим фосфатам (О ~ Р). В молекуле АТФ только две последние фосфоангидридные связи являются макроэргическими. Величина гидролиза макроэргических связей АТФ занимает промежуточное положение среди макроэргических соединений. Именно в этом заключается уникальность и универсальность АТФ, как макроэрга. Другие макроэргические нуклеотиды выполняют специализированные функции – ГТФ в биосинтезе белков, ЦТФ в синтезе липидов (в виде цитидиндифосфатхолина), УТФ - в биосинтезе олиго- и полисахаридов (в виде например, уридиндифосфатглюкозы). Четыре дНТФ (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ) используются в биосинтезе ДНК, а АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ – в биосинтезе РНК. Фосфоенолпируват и 1,3-дифосфоглицерат являются метаболитами гликолиза и участвуют в субстратном фосфорилировании АДФ до АТФ. Креатинфосфат используется как источник для мышечного сокращения при недостатке кислорода. У насекомых эту функцию выполняет L-аргининфосфат. Ацилкарнитин служит для переноса жирных кислот через мембрану митохондрий. S-Аденозилметионин выполняет роль донора метильных групп в биосинтетических реакциях. Донором остатков серной кислоты является 3’-фосфоаденозин-5’-фосфосульфат. В биосинтезе нуклеотидов используется активированная форма рибозы - 5-фосфорибозил-1-пирофосфат. Ацетил-КоА – это активированный двууглеродный продукт окисления моносахаридов и жирных кислот, подвергающийся полному окислению в цикле Кребса. Ацетилфосфат используется у микроорганизмов для фосфорилирования моносахаридов. Аминоацил-тРНК - это активированные формы аминокислот, вступающих в биосинтез белков. Карбамоилфосфат - это активированная форма аммиака для синтеза аргинина и мочевины, а также участник биосинтеза пиримидинов. Все эти макроэргические соединения образуются при прямом или опосредованном участии АТФ.
