содержание .. 73 74 75 76 ..

Биологическая химия - часть 75

возникает разность концентраций протонов (ΔрН) и разность электрических потен-

циалов, в совокупности образующие протонный электрохимический потенциал,

обозначаемый ΔμН

(см. далее). За счет работы Н

-АТФазы создается кислая среда

в некоторых органеллах клетки (например, лизосомах, хромаффинных клетках

надпочечников). В митохондриальной мембране Н

-АТФаза работает в обратном

направлении, используя ΔμН

, создаваемый в дыхательной цепи, для образования

АТФ.

Наконец, в клетках широко представлен вторично-активный транспорт, в процессе

которого градиент одного вещества используется для транспорта другого. С по-

мощью вторично-активного транспорта клетки аккумулируют сахара, аминокисло-

ты и выводят некоторые продукты метаболизма, используя градиент Na

, созда-

ваемый в ходе работы Na

/К

-АТФазы (см. рис. 9.5).

БИОЭНЕРГЕТИКА

С позиций термодинамики (см. главу 4) метаболизм представляет собой

совокупность процессов, в которой реакции, потребляющие энергию из

внешней среды (эндэргонические), сопрягаются с энергодающими (экзэрго-

ническими) реакциями, что позволяет живым существам оказывать посто-

янное сопротивление нарастанию энтропии. Выяснение биохимических

механизмов, приводящих к генерации различных форм биологической

энергии, является предметом биоэнергетики. Источником энергии служат

реакции, в ходе которых соединения, содержащие атомы углерода в высо-

ковосстановленном состоянии, подвергаются окислению, а специальные

дыхательные переносчики присоединяют протоны и электроны (восстанав-

ливаются) и в таком виде транспортируют атомы водорода к дыхательной

цепи.

Биологические виды энергии. Энергетические превращения в живой клет-

ке подразделяют на две группы: локализованные в мембранах и протекаю-

щие в цитоплазме. В каждом случае для «оплаты» энергетических затрат

используется своя «валюта»: в мембране это ΔμН

или ΔμNa

, а в цито-

плазме – АТФ, креатинфосфат и другие макроэргические соединения. Не-

посредственным источником АТФ являются процессы субстратного и окис-

лительного фосфорилирования. Процессы субстратного фосфорилирования

наблюдаются при гликолизе и на одной из стадий цикла трикарбоновых

кислот (реакция сукцинил-КоА —> сукцинат; см. главу 10). Генерация ΔμН

и Δ μ N a , используемых для окислительного фосфорилирования, осуществ-

ляется в процессе транспорта электронов в дыхательной цепи энергосопря-

гающих мембран.

Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может

обратимо превращаться в энергию АТФ. Эти процессы катализируются

-АТФ-синтазой в мембранах, генерирующих протонный потенциал, или

-АТФ-синтазой (Na

-АТФазой) в «натриевых мембранах» алкалофиль-

ных бактерий, поддерживающих ΔμNa

[Скулачев В.П., 1989]. На рис. 9.6

представлена схема энергетики живых клеток, использующих ΔμН

в каче-

стве мембранной формы конвертируемой энергии. На схеме видно, что свет

или энергия субстратов дыхания утилизируется ферментами фотосинтети-

ческой или дыхательной редокс-цепи (у галобактерий – бактериородопси-

ном). Генерируемый потенциал используется для совершения полезной

работы, в частности для образования АТФ. Будучи макроэргическим

соединением, АТФ выполнняет функцию аккумулирования биологической

энергии и ее последующего использования для выполнения клеточных

функций. «Макроэргичность» АТФ объясняется рядом особенностей его

305

Рис. 9.6. Взаимозаменяемость различных видов биологической энергии при выпол-

нении клеточной работы [Скулачев В.П., 1989].

Красной стрелкой показана взаимозаменяемость в клетке двух клеточных видов энергии - АТФ

и ΔμН

, для которых имеются также специальные буферные системы: креатинфосфат для АТФ

(клетки животных) и градиент ионов Na (алкалофильные бактерии).

молекулы. Это прежде всего высокая плотность зарядов, сконцентрирован-

ная в «хвосте» молекулы, обеспечивающая легкость диссоциации терми-

нального фосфата при водном гидролизе. Продукты этого гидролиза

представляют собой АДФ и неорганический фосфат и далее – АМФ и неор-

ганический фосфат. Это обеспечивает высокую величину свободной энергии

гидролиза терминального фосфата АТФ в водной среде.

Тканевое дыхание и биологическое окисление. Распад органических соеди-

нений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного

кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образова-

нию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Ткане-

вое дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносаха-

ров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на

разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также

промежуточные продукты распада липидов (жирные кислоты), белков

(аминокислоты) и нуклеиновых оснований. Итоговая реакция тканевого

дыхания будет выглядеть следующим образом:

+ 6O

= 6СO

+ 6Н

O + 2780 кДж/моль.

(1)

Впервые сущность дыхания объяснил А.-Л. Лавуазье (1743-1794), обративший

внимание на сходство между горением органических веществ вне организма и дыха-

нием животных. Постепенно становились ясными принципиальные различия между

этими двумя процессами: в организме окисление протекает при относительно

низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом

веществ. В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность

реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энерге-

306

Свет

Дыхательные субстраты

Бактериородопсин

Редокс-цепи

Трансгидрогеназа

РР

Тепло

Механическая

работа

Электрическая

работа

Тепло

Механическая

работа

Na-градиент

Осмотическая

работа
Химическая

работа

Креатинфосфат

Осмотическая

работа

Субстратное

фосфорилирование

Гликолитические суб-

страты, кетокислоты

тическое обеспечение метаболизма. В развитие концепций биологического окисле-

ния в XX в. важнейший вклад внесли А.Н. Бах, О. Варбург, Г. Крепс, В.А. Энгель-

гардт, В.И. Палладин, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев.

Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций

тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характери-

зуются почки, мозг, печень, наименьшей – кожа, мышечная ткань (в покое).

Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процес-

са, приводящего к образованию молочной кислоты (см. главу 10) и проте-

кающего без участия кислорода:

= 2С

+ 65 кДж/моль.

(2)

Этот путь отражает, по-видимому, энергетическое обеспечение простей-

ших форм жизни, функционировавших в бескислородных условиях. Совре-

менные анаэробные микроорганизмы (осуществляющие молочнокислое,

спиртовое и уксуснокислое брожение) получают для жизнедеятельности

энергию, производимую в процессе гликолиза или его модификаций.

Использование клетками кислорода открывает возможности для более

полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескисло-

родного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот

(см. главу 10), в ходе которого образуются восстановленные дыхательные

переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Способность

НАД

и НАДФ

играть роль промежуточного переносчика водорода

связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. При

взаимодействии этих кофакторов с атомами водорода имеет место обрати-

мое гидрирование (присоединение атомов водорода):

307

Никотинамидадениндинуклеотид

(НАД

)

Нинотинамидадениндинуклеотид-

фосфат (НАДФ

)

При этом в молекулу НАД

(НАДФ

) включаются 2 электрона и один

протон, а второй протон остается в среде.

Во флавиновых коферментах (ФАД или ФМН), активной частью моле-

кул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстанов-

ления чаще всего наблюдается присоединение 2 протонов и 2 электронов

одновременно:

308

Флавинмононуклеотид

(ФМН)

Флавинадениндинуклеотид

(ФАД)

Субстрат–Н

+ НАД(Ф)

Субстрат + НАД(Ф)Н

+ Н

НАД

НАДН

2Н

–

содержание .. 73 74 75 76 ..