Б. Характеристика высокоэнергетических фосфатов. Цикл АТФ-АДФ

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами

разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины. Соединения, расположенные в нижней части таблицы, составляют группу низкоэнергетических фосфатов. Центральное место среди этих соединений занимает АТФ' (рис. 6-2).

АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоаншдридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Р_i При этом изменение свободной энергии составляет -7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (рН 7,0, температура 37 °С), фактическое значение ΔG⁰' для процесса гидролиза составляет около -12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват

Рис. 6-2. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ две высокоэнергетические (макроэргические) связи β и γ, они обозначены на рисунке знаком ~ (тильда).

или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ - главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений (рис. 6-3). Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная "энергетическая валюта".

Билет 38

Ацетил-КоА, образующийся при окислении пирувата, жирных кислот и амино­кислот, включается в цикл Кребса.

1. На первой стадии происходит синтез лимонной кислоты, или цитрата, при участии фермента цитратсинтазы.

Углерод метилъной группы ацетила взаимодействует с атомом углерода оксалоацетата (помечен звездочкой). Промежуточным соединением является, как считают, цитрил-КоА, который гидролизуется с образованием свободного цитрата. Гидролиз богатой энергией тиоэфирной связи сдвигает равновесие реакции в сторону образования цитрата и делает реакцию практически необ­ратимой (Дб=— 37,5 кДж/моль) в физиологических условиях. Потери энер­гии в ходе гидролиза цитрил-КоА обеспечивают включение ацетильного фрагмента в цикл Кребса с образованием цитрата.

2. Второй фермент цикла Кребса — аконитатгидратаза — катализирует обратимые превращения трех трикарбоновых кислот — цитрата, цис-аконитата и изоцитрата:

Равновесие в системе устанавливается при соотношении трех субстратов, указанном в уравнении реакции. Аконитатгидратаза катализирует присоеди­нение протона и гидроксила воды в транс-положении по месту двойной связи цис-аконитата. При этом образуется либо цитрат, либо изоцитрат. Особен­ностью этого фермента является необходимость для реакции ионов Fe^a+, об­разующих металлосубстратный комплекс. Чтобы сместить равновесие аконитазной реакции в ту или другую сторону, надо расходовать изоцитрат или цитрат.

3. Ферментов, расщепляющих цитрат внутри митохондрий, нет, а превра­щение изоцитрата катализируется третьим ферментом цикла Кребса — изоцитратдегидрогеназой. Как всякая дегидрогеназа, этот фермент имеет кофермент — акцептор водорода, отщепляемый от субстрата. Истинная изоцитратдегидрогеназа цикла Кребса — НАД-зависимый фермент, который содержится только в матриксе митохондрий и катализирует дегидрирование изоцитрата по уравнению

Одновременно идет декарбоксилирование промежуточного продукта реакции (оксалосукцинат) на поверхности фррмента.

Другая, НАДФ-зависимая, изоцитратдегидрогеназа находится в основном в цитоплазме клетки (~80%), и лишь небольшие количества ее присутствуют в митохондриях. Эта дегидрогеназа участвует в реакциях синтеза.

Реакция, катализируемая изоцитратдегидрогеназой, требует присутствия ионов Мn²⁺ или Mg ⁺ н является практически необратимой (ДО = = —20,8 кДж/моль). Потери в энергии при декарбоксилировании обеспечи­вают непрерывность-утилизации изоцитрата, что в свою очередь способствует смещению равновесия аконитатгидратазной реакции в сторону образования изоцитрата из цис-акоНитата.

4. 2-Оксоглутарат превращается полиферментным 2-оксоглутаратдегидрогенаэным комплексом, который по действию сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Сходство в их механизме действия не случайно, так как оба ферментных комплекса катализируют окисление а-кетокислот, 2-Оксоглутаратдегидрогеназный комплекс (четвертый фермент цикла Кребса) окисляет 2-оксоглутарат по уравнению:

Акцептором фосфорила в этой реакции является ГДФ, поэтому энергия сначала аккумулируется в фосфатных связях ГТФ. Затем с помощью фермен­та нуклеозиддифосфаткиназы, связанного с внутренней мембраной мито­хондрий, происходит перенос фосфорила с ГТФ на АДф с образованием АТФ:

6. Сукцинат подвергается превращению с участием сукцинатдегидро­геназы. Особенностью этого фермента является то, что акцепторами электро­нов и протонов, отщепляемых от сукцината, служат ФАД и железосеропро-теид, содержащий негеминовое железо (FeS). Железосеропротеиды связаны с субъединицами сукцинатдегидрогеназы. Кроме того, это единственный фер­мент цикла Кребса, прочно связанный с внутренней мембраной митохондрий. Он как бы «утоплен» своей гидрофобной частью в липидную часть мембраны, а активный центр фермента обращен в матрикс, где в растворенном виде находится сукцинат. При дегидрировании сукцнната электроны переходят через негеминовое железо железосеропротенда к ФАДу, который является конечным акцептором электронов и протонов в этой реакции:

Сукцниатдегидрогеназа катализирует отщепление от сукцината атомов водо­рода, находящихся в транс-положении. Поэтому образуется транс-форма дикарбоновой кислоты — фумарат, а не цис-форма — малеат. Сукцинат-дегидрогеназная реакция обратима.

7. На следующем этапе происходит стереоспецифнческое присоединение протона и гидроксила воды к фумарату, катализируемое фумаратгидратазой, по уравнению

Следовательно, этот фермент цикла Кребса обладает стереохимнческой субстратной специфичностью.

8. Завершающей стадией цикла Кребса является регенерация оксало-ацетата. Это происходит путем окисления палата, катализируемого малат-дегидрогеназой.

Малатдегидрогеназа цикла Кребса- НАД зависимый фермент и имеет несколько изоферментов.

Реакция, катализируемая этим ферментом, обратима и описывается уравнением:

Существует и НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа, но она сосредоточена преимущественно вне "митохондрий (в цитозоле). Этот фермент одновременно с дегидрированием катализирует и декарбоксилирование субстрата:

Сравнив эти два фермента, можно видеть, что НАДФ-зависимый фермент не имеет отношения к циклу Кребса, так как под действием этого фермента нe происходит регенерации оксалоацетата, необходимого для замыкания цикла. НАДФ-малатдегидрогеназа необходима как генератор НАДФ-Н₂ для синтетических процессов или как фермент, способствующий восполнению малата, расходующегося в других реакциях.

Общая последовательность реакций цикла Кребса представлена на рис. 34. Хотя цикл Кребса изображают в виде замкнутого ферментативного процесса, следует обратить внимание на одну его особенность: обратимость ферментативных реакций на участке от сукцнната до оксалоацетата. Поэтому в митохондриях эта ветвь может работать в обратном направлении, т. е. оксалоацетат может превращаться в метаболиты цикла Кребса вплоть до сукцнната. Такая возможность представляется, когда нарабатывается оксало­ацетат из других субстратов с помощью вспомогательных реакций.

Дополнительное образование: молекул оксалоацетата необходимо в ситуациях, при которых в ходе распада веществ образуется много ацетил-КоА (например, при интенсивном окислении жирных кислот, пируваТа, неко­торых аминокислот). Если количество оксалоацетата недостаточно для синте­за из него и ацетил-КоА цитрата, то цикл Кребса не успевает перерабаты­вать ацетильные остатки, и они используются в других ферментативных процессах.

Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА ферментами цикла Креб­са имеет вид

Круговорот веществ а цикле Кребса организован столь целесообразно, что ферменты цикла по ходу его используют молекулы воды, имеющейся в изобилии, для производства водорода. Источником избыточных пяти атомов водорода являются две молекулы воды, присоединяющиеся к субстратам на стадиях превращения цитрнл-КоА в цитрат и фумарата в малат, а также не­органический фосфат, участвующий в реакции субстратного фосфор ил и-ровання — образовании сукцнната из сукцинил-КоА. Поскольку молекулы воды служат источником водорода, можно сказать, что вода выполняет энер­гетическую роль в животных клетках.