Макроэргические соединения. Их роль в клетке

Любой организм постоянно совершает работу: синтез молекул, входящих в состав его клеток, поглощение извне необходимых ему веществ и выброс различных шлаков; многие организмы способны также к перемещению в пространстве, активному восприятию внешнего мира и воздействию на него. Для совершения любой работы требуется энергия. Способ получения энергии связан с типом питания, по которому группы организмов делят на автотрофов и гетеротрофов. При всех типах энергетического обмена энергия запасается в живой клетке в виде макроэргических соединений. В клетке постоянно происходит метаболизм. Метаболизмом называется вся совокупность химических реакций в клетке. Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих мультиферментных систем.

Макроэргические соединения – органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией, или макроэргические связи. Эти соединения образуются в результате фото- и хемосинтеза и биологического окисления. К ним относятся, например, вещества, при гидролизе которых высвобождается энергии в 2—4 раза больше, чем при гидролизе других веществ. К макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), а также пирофосфат (H4P2O7), полифосфаты (полимеры метафосфорной кислоты — (НРО₃)ⁿ * Н₂О) и ряд других соединений. Самое важное макроэргическое соединение — АТФ. Используя энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, при действии ферментов, переносящих фосфатные группы, можно получить другие макроэргические соединения, например, ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ФЕП (фосфоенолпировиноградная кислота) и др. Образуется АТФ в процессах биологического окисления и при фотосинтезе.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, образованный аденозином и тремя остатками фосфорной кислоты. Во всех живых организмах выполняет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии. Под действием специальных ферментов концевые фосфатные группы отщепляются с освобождением энергии, которая идет на синтетические и другие процессы жизнедеятельности.

Аденозиндифосфат (АДФ) – нуклеотид, образованный аденозоном и двумя остатками фосфорной кислоты. Участвует в энергетическом обмене живых организмов. АДФ получает энергию путем дефосфорилирование фосфоэнолпировиноградной кислоты под действием фермента трансфосфорилазы, которая переносит макроэргическую связь с кислоты на АДФ.

Уридиндифосфорная кислота (УДФ) и ее производные принимают участие во взаимопревращении углеводов.
При биосинтезе гликозидной связи используется уридиндифосфатглюкоза (УДФГ), образующаяся из глюкозы‑1‑фосфата и уридинтрифосфата (УИФ). Если УДФГ передает глюкозу фруктозе, то образуется сахароза, а если цепочке декстрина – полисахарид. Аналогично образуются гликозиды, гликопротеиды и др.

Взаимопревращение моносахаридов проходит через фосфорные эфиры сахаров или их уридиндифосфатпроизводные (УДФ-производные). УДФ-производные сахаров представляют собой тот или иной сахар, соединенный через два остатка фосфорной кислоты с уридином.

Сахарофосфаты являются источником фосфорного питания растений. Могут быть соли орто-, мета- и пирофосфорной кислоты и органические фосфаты. Лучшие из них – водорастворимые калиевые, натриевые, аммониевые, кальциевые и магниевые соли фосфорной кислоты.

Энергия макроэргических связей используется для совершения любой работы: активации соединений (например, глюкозы, чтобы могла начаться цепь ее окислительных превращений), синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), избирательного поглощения веществ из окружающей клетку среды и выброса из клетки ненужных продуктов, мышечного сокращения и восстановления активного состояния организма и т. д. Запас этих соединений позволяет организму быстро реагировать на изменение внешних условий и совершать физическую работу. При спортивной тренировке содержание макроэргических соединений в мышцах и скорость их образования возрастают. Есть и другие формы запасания энергии. Во-первых, это разность электрических потенциалов на биологических мембранах, которая может быть использована для синтеза макроэргических соединений и на поддержание которой клетке приходится расходовать энергию. Во-вторых, поскольку любой организм способен окислять углеводы и жиры с образованием макроэргических соединений, то можно считать, что жировые капли, зерна крахмала, частицы гликогена — это не только запасы пластического («строительного») материала, но и запасы энергии, только в более инертной и менее доступной для быстрого использования форме, чем макроэргические соединения. Энергетический обмен в организме изучает раздел биохимии — биоэнергетика.

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".

Унификация энергетических субстратов в клеткеОсновными субстратами биоокисления являются углеводы, жиры и белки, весьма различные по своему составу. Филогенетически в организме животных выработалась система постепенной унификации (или стандартизации) энергетических субстратов, повышающая эффективность окисления. Условно можно выделить два этапа унификации энергетического "топлива" в клетках.• На I этапе (переваривание в желудочно-кишечном тракте или распад в клетках) биополимеры расщепляются на свои структурные компоненты — мономеры, теряя при этом исходную специфичность строения.• На II этапе (тканевой обмен) мономеры в основном превращаются в пи-ровиноградную кислоту и/или далее в активную форму уксусной кислоты - ацетил-КоА, который и является универсальным энергетическим субстратом.Затем в цикле трикарбоновых кислот Кребса происходит окисление (дегидрирование) ацетил-КоА с образованием восстановленных кофермен-тов НАД-Н и ФАД-Н2. В мембранах митохондрий они включаются в дыхательную цепь, где в ходе окислительного фосфорилирования в присутствии кислорода происходит синтез АТФ из АДФ и фосфата.На I и II этапах унификации субстратов окисления выделяется до 40 %, в дальнейшем - около 60 % энергии. В связи с этим именно цикл трикарбоновых кислот считается основным "энергетическим котлом" клетки. При полном окислении до СОг и НгО одного грамма углеводов и белков образуется около 4,1 ккал, жира - 9,3 ккал энергии.

АТФ- молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоаншдридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Рi Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват. 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. 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. Основным способом получения АТФв клетке является окислительное фосфорилирование, протекающее в структурах внутренней мембраны митохондрий. При этом энергия атомов водорода молекул НАДН и ФАДН2, образованных в гликолизе, ЦТК, окислении жирных кислот, преобразуется в энергию связей АТФ. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ– субстратное фосфорилирование, поскольку он является частью метаболического пути («субстратной цепи»).Их особенностью является катализирование растворимыми ферментами. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3-дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил-SКоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал/моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.Отличия: разные источники энергии, для окислительного необходимы движение электронов в дых цепи, для субстратного необ-ма энергия макроэргической связи.

Существует три основных способа использованияАТФ: 1. биосинтез веществ, 2. транспорт веществ через мембраны,

3. изменение формы клетки и ее движение. Эти процессы вкупе с процессом образования АТФ получили название АТФ-цикл:

Использование АТФ как источника Е возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт Е окисления орг-их соединений. Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах.

Свободное окисление. Одна из задач свободного (несопряженного) окисления – превращения природных или неприродных субстратов, называемых в этом случае ксенобиотиками (ксено – несовместимый, биос – жизнь). Они осуществляются ферментами диоксигеназами и монооксигеназами. Окисление протекает при участии специализированных цитохромов, локализованных чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот процесс называют микросомальным окислением. В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восстановленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р-450 (иногда цитохром b5). Окисление субстрата протекает по следующей схеме: SH + O2–> SOH. Ферменты свободного окисления: оксидазы, оксигеназы, некоторые дегидрогеназы.Механизм действия оксигеназ включает изменение валентности входящих в их состав ионов двухвалентных металлов. Диоксигеназы присоединяют к субстрату молекулярный кислород, активируя его за счет электрона атома железа в активном центре. Монооксигеназы требуют участия в реакции НАДФН, атомы Н2 которого взаимодействуют с одним из атомов О2, поскольку только один электрон связывается с субстратом. В процессе свободного окисления вследствие особенностей используемых цепей передачи электронов не происходит образования АТФ; биологическая роль этих процессов заключается в метаболизме ряда природных и ксенобиотических субстратов. В последнем случае свободное окисление выполняет важную функцию модификации чужеродных соединений. К последним относятся лекарственные средства, гербициды, продукты загрязнения окружающей среды, в возрастающем количестве попадающие в организм с водой, пищей и атмосферным воздухом. Как правило, они имеют гидрофобные св-ва. Многие из них являются канцерогенными. Их гидроксилирование в ходе свободного окисления облегчает последующую деструкцию и выведение из организма. При свободном окислении высвобождающаяся при сопряженном с окислением распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается. По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием Н202, многие реакции, катализируемые оксидазами. Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов. Они идут также в ядерном аппарате клетки.

Тканевые и возрастные особенностиокислительных процессов.Анаэробные ткани могут получать энергию без кислорода. Такими тканями являются: скелетные мышцы, эритроциты, периферические нервы, мозговое вещество почек, кость, хрящ, соединительная ткань. Аэробные ткани получают энергию с использованием кислорода и полностью зависят от кровотока. К таким тканям относятся: головной мозг, сетчатка глаза, сердце, кора почек, печень, слизистая тонкого кишечника. Потребление кислорода, а значит, и интенсивность окислительных процессов с возрастом падают.

Согласно современной теории БО:

· Окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

· В аэробных организмах существует несколько путей использования О₂.

· Реакции БО необходимы в первую очередь для получения энергии в форме АТФ, а также для синтеза новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.

· БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.

Окислительно-восстановительные реакции(ОВР)– реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения/отщепления: 1) 1 е^-; 2) 2е^- и 2Н⁺; 3) атомов кислорода.

Биологическое окисление (БО) совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают во всех живых клетках.

Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (Любые вещества, способные вступать в реакции окисления).

Тканевое дыхание – окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О₂ и выделением воды.

Субстрат тканевого дыхания – это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования. (Например, НАДН₂, ФАДН₂).

Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О₂ принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо.

Свободная энергия.Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ∆G. У катаболических реакций ∆G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анаболических реакций ∆G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции).

Редокс-потенциалы.В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е_о'), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Е_о' выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот.

Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону +0,82В у О₂. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и +0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания.

5. Биологическое окисление -совокупность окислительных реакций, происходящих в организме и обеспечивающих его энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности. Функции биологического окисления:

I. Энергетическое обеспечение: поддержание температуры тела, химических синтезов, осмотических явлений, электрических процессов, механической работы.

II. Синтез важнейших метаболитов.

III. Регуляция обмена веществ.

IV. Обезвреживание ксенобиотиков (чужеродных веществ).

V. Устранение вредных для клетки продуктов обмена.