Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

переноса фосфата при непременном участии Mg2+. Выяснены и более тонкие детали этого процесса, в частности переход субъединицы из открытой конформации в момент сорбции субстратов в закрытую в процессе осуществления реакции (рис. 110).

Рассмотрим еще несколько примеров действия киназ. Так, фруктокиназа ускоряет реакцию образования фруктозо-6-фосфата:

но

HOCHj/Ov он

он

О^Р^-О—СН

^н НоЬ

H^wc>Hj0H

он н

+ АТФ

Фруктокиназа ^

(АТФ-- D-фруктоза-6-фосфотрансфераза)

АДФ

p-D-Фруктоза Фруктозо-6-фосфат

Аналогично протекает взаимодействие между рибозой и АТФ:

носн2

НО^ /ОН

он он

^-D-Рибоза

АТФ

Рибокиназа

(АТФ:0-рибоЗа 5-фосфотрансфераза)

+ АДФ

НО ОН /?-0-Рибозо-5-фосфат

Следовательно, практически любой моносахарид может быть переведен в фосфорный эфир. Именно в виде фосфорных эфиров и осуществляется дальнейший обмен моносахаридов.

Важнейшей особенностью фосфорных эфиров моносахаридов является их Способность к изомеризации. Последняя может осуществляться как за счет стереоизомеризации (т. е. изменения пространственного расположения атомов и атомных групп в молекуле), так и в результате внутримолекулярного переноса атомов Н. Одним из примеров подобного рода превращений служит переход глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат, интенсивно осуществляемый в мышечной ткани и приводящий к установлению равновесия между этими двумя эфирами в отношении 2:1:

Н Глюжоэофосфат-явомерава,

сн,он

Гл ю козо -6 -фосфат (a-D-Глюкопиранозо-6-фосфат)

Фруктозо-6-фосфат (/J-D-фруктофуранозо-6-фосфат)

Приведем еще некоторые характерные в этом смысле реакции. Так, рибозо-5-фосфат может превращаться в рибулозо-5-фосфат, а последний, в свою очередь,—в ксилулозо-5-фосфат:

338

/>

< :-н сн,он 1 СН.ОН

н-< .-он с=о с=о

H-i ^ ой Ркбозофосфат-' юомераза н- -с—он Рнбулозофосфжт-З-эпимераза но-с-н

H-i :-он он * н- с-он он н-с-он

СН,-0-Р=0 СН,-0-Р=0 СН,-0-Р=0

ОН ОН ОН

D-Рвбоао-б-фосфат D-Рнбулоао-Б-фосфат 0-Ксвлулоао-5-фосфат

В первом случае происходит внутримолекулярный перенос водорода, во втором—изменение расположения в пространстве атома Н и ОН-группы при 3-м углеродном атоме. И тот и другой процессы ускоряются ферментами, принадлежащими к классу изомераз.

Особенно легко процесс перестройки одного моносахарида в другой протекает, если фосфорный эфир моносахарида соединен с уридин-5'-фос-фатом. Примером может служить превращение галактозы в глюкозу и обратно:

УрЯПиипафосфатглюкоза(УДФ-глюкоэа) Уридинднфосфатгалактоэа(УДФ-гал ктоза)

Если учесть, что в организме не только фосфорные эфиры моносахаридов, но и свободные моносахариды могут превращаться друг в друга, то появляется возможность перехода от любой гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. Это имеет огромное значение. В природе и синтез и распад моносахаридов, как и весь процесс обмена углеводов, протекает через некоторые их формы, занимающие в данном процессе ключевые позиции. Это, в первую очередь, фосфорные эфиры двух моносахаридов: глюкозо-6-фосфат и рибулозо-5-фосфат.

Обмен глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат образуется в организме разными путями. Во-первых, он может синтезироваться путем фосфорилирования глюкозы за счет ее взаимодействия с АТФ. Во-вторых, он образуется в результате реакции изомеризации фосфорных эфиров других изомерных ему гексозофосфорных эфиров. В-третьих, он получается из глю-козо-1-фосфата, который представляет собой продукт фосфоролиза олиго-и полисахаридов. Две первые реакции рассмотрены в предыдущем разделе. Что касается преобразования глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат, то эта реакция протекает в два этапа при участии фермента фосфоглюкомутазы. Молекулярная масса фермента из мышц кролика равна 62000; молекула фосфоглюкомутазы состоит из двух субъединиц с М = 31 ООО каждая. Активный центр ее включает в свой состав остаток фосфосерина, с которого

339

остаток фосфорной кислоты передается на глюкозо-1-фосфат с образованием глюкозо-1,б-дифосфата и дефосфорилированного фермента. Последний, взаимодействуя с глюкозо-1,б-дифосфатом, снова превращается в фосфопроте-ин, однако получает остаток фосфорной кислоты, присоединённой к 1-му углеродному атому глюкозы с высвобождением соответственно глюкозо-б-фосфата:

В цепь—СО В цепь—NH

НО—СН2

ОН

^СН—СН2—О—Р=0 +

ОН н<

В цепь—СО

В цепь—NH

Фосфоглюкомутаза дефосфорилированная

Н НО

Глюкозо-1,6-дифосфат

НО

он но

В цепь—СОч

ХСН—СН2—О—Р=0 +

В цепь—NH'' он

Фосфоглюкомутаза

0=Р—О—CHj

НО^вввшвГОН

_ Н Or Глюкозо-б-фосфат

Равновесие рассмотренной реакции сильно сдвинуто в сторону образования глюкозо-б-фосфата. Поэтому в тканях содержание глюкозо-1-фосфа-та не превышает 3—4% от общего количества гексозомонофосфатов в организме.

Глюкозо-б-фосфат подвергается в организме разнообразным превращениям. Некоторая доля erq распадается в конечном счете до С02 и Н20. При этом многократно повторяются реакции окисления (дегидрогенизации) как самого глюкозо-б-фосфата, так и продуктов его дальнейшего распада. Сопряженно с передачей атомов водорода, снятых с глюкозо-6-фосфата и возникших из него субстратов, на кислород (с образованием молекул воды) осуществляется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е. запасается, аккумулируется энергия в составе макроэргических связей молекул АТФ. Кроме того, некоторое количество молекул АТФ синтезируется здесь же иным путем. Следовательно, распад глюкозо-б-фосфата служит энергетическим целям: является источником энергии для организма.

Вместе с тем значительная часть промежуточных продуктов, возникающих в процессе обмена глюкозо-б-фосфата, используется для синтеза аминокислот (белков), нуклеотидов (нуклеиновых кислот), глицерина и высших жирных кислот (триглицеридов, фосфатидов), стеролов (стеридов) и т. п. В частности, как описано выше, для синтеза аланина используется пировино-градная кислота (см. с. 276), являющаяся непременным промежуточным продуктом при распаде глюкозо-6-фосфата по дихотомическому пути (см. следующий раздел). Другие промежуточные продукты распада глюкозо-

340

6-фОсфата: 3-фосфоглицериновая кислота и фосфоенолпировиноградная кислота (см. ниже) идут на синтез фенилаланина, тирозина, триптофана и сери-на! Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот (см. рис. 117), пировиноградная кислота, превращаясь в щавелевоуксусную и ос-кетоглута-ровую, дает начало аспарагиновой и глутаминовои кислотам, а из них— ряду других аминокислот. Рибозо-5-фосфат, образующийся при апотомиче-ском распаде глюкозо-б-фосфата (см. схему б), служит для синтеза гистидина и, в еще большей степени, для синтеза пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов (см. гл. VI).

Таким образом, глюкозо-6-фосфат обеспечивает организм и энергией и строительным материалом для синтеза новых органических соединений, используемых в процессе жизнедеятельности.

Распад глюкозо-б-фосфата осуществляется преимущественно двумя путями. В одном случае на определенной стадии происходит распад шестиуглерод-ной молекулы на две трехуглеродные, т. е. пополам. Этот путь получил название дихотомического распада. Второй путь состоит в потере глюкозо-6-фосфатом 1-го углеродного (головного) атома и именуется апотомическим распадом. Есть еще третий путь, содержащий элементы первого и второго. Рассмотрим каждый из них.

Дихотомический путь распада глюкозо-6-фосфата. Вступая на дихотомический путь распада, глюкозо-б-фосфат прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-б-фосфат, который далее фосфорилируется по 1-му углеродному атому, образуя фруктозо-1,6-дифосфат:

АТФ

ч

н н

н он

с-?>-Плюкопиранозо- p-D-Фруктофуранозо 6-фосфат 6-фосфат

Фосфофрукто СНаОН ииваза

АДФ

Фруктозо-1,6-дифосфат

Фосфофруктокиназа, представляющая собой белок с М = 140000 у бактерий и от 360000—400000 (во всех случаях—тетрамер) до 800000 (гек-самер или октамер) у эукариот, является самым «медленным» из всех ферментов, обслуживающих дихотомический распад углеводов. Эта практически необратимая реакция лимитирует весь процесс. В то же время активность глюкозофосфатизомеразы, например, в дрожжах, в 500 раз превышает активность фосфофруктокиназы и на 1—2 порядка выше, чем у других ферментов дихотомического распада, т. е. это один из самых «быстрых» ферментов обмена глюкозо-6-фосфата. Строение и механизм действия фосфофруктокиназы из термофильной бактерии детально изучены (рис. 111).

341

Рис. 111. Строение половины молекулы фосфофруктокиназы из термофильной бактерии (3-я и 4-я субъединицы не показаны)

Молекулярная масса субъединицы, составленной из 316 аминокислотных остатков, равна 33900; третичная структура характеризуется наличием Р-слоев (обозначены А—К) и а-спиралей (обозначены 1—13), а также существованием двух доменов (I и II); на границе доменов располагается активный центр, связывающий фруктозо-6-фосфат, АТФ и Mg2+, вблизи С-концевой аминокислоты II домена находится аллостерический центр (АДФ—активатор, фосфо-енолпировиноградная кислота—иигибнтор) обеспечивающий регуляцию активности фосфофруктокиназы при посредстве ряда эффекторов, что является важнейшей особенностью этого фермента. В эпимолекуле между субъединицами есть полость диаметром 0,7 нм, т. е. тетрамерный фермент имеет трубчатую структуру. Ф6Р—фруктозо-6-

фосфат

Концентрация фруктозо-1,6-дифосфата поддерживается на строго определенном уровне при посредстве сложного комплекса регуляторных процессов: снижается под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы (М = 140000, 4 х 35 000) и возрастает под влиянием фосфофруктокиназы. Однако активность первой тормозится, а второй—побуждается в присутствии фруктозо-2,6-дифосфата, который, в свою очередь, синтезируется в печени при посредстве 6-фосфофрукто-2-фосфокиназы. Более того, последняя реакция цАМФ-зависима, а сам этот фермент в печени бифункционален: один его домен ускоряет синтез, а другой—распад фруктозо-2,б-дифосфата (рис. 112). В дрожжах б-фосфофрукто-2-фосфокиназа и фруктозо-2,б-дифос-фатаза не образуют бифункционального фермента и являются самостоятельными энзимами.

Последнее соединение (фруктозо-1,6-дифосфат) и подвергается далее дихотомическому распаду на две фосфотриозы, превращающиеся друг в друга:

342

он

i

н,—О—Р=0

он

i

Н,—О—Р=0

Альдолаза (фруктозо-1,6-дифосфат-триозофосфат-лиаза)

С=0 i

сн2он

Триозофосфат-изомераза

он

i

н,—О—Р=0

он

т

снон с

он

Диоксиацетон- Глицеральдегид-фосфат (95%) 3-фосфат (5%)

Оба фермента, ускоряющие приведенные выше реакции, получены в кристаллическом состоянии. Альдолаза из мышц кролика характеризуется М = 160 ООО (4 х 40 ООО), а триозофосфат-изомераза—53 ООО (2 х 26 500). Выяснена первичная структура последней и параметры ее вторичной структуры

ФбР

АДФ

Ф1,6Р2

Рис. 112. Регуляция содержания ключевого метаболита дихотомического распада углеводов—фруктозо-1,б-дифосфата (Ф1,бР2):

6РФ-1-киназа—фруктозо-6-фосфат-1 -киназа; 6РФ-2-кинаэа—фруктозо-б-фосфат-2-киназа; ФбР—фруктозо-б-фосфат; Ф2,6Р2—фруктозо-2,6-дифосфат' Ф1,6Р2-фосфатаза—фруктозо-1,6-дифосфатаза (Остальные пояснения в тексте)

343

(52% а-спиралей и 24% Р-слоев). Хотя при дихотомическом расщеплении фруктозо-1,6-дифосфата (видимо, расщепляется его открытая форма) получается равное количество обеих фосфотриоз, в состоянии равновесия между ними преобладает фосфодиоксиацетон.

В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере расходования убыль этого соединения восполняется за счет фосфодиок-сиацетона, который практически нацело в него превращается. Следовательно, из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата фактически возникает две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, претерпевающего далее распад в соответствии со следующей схемой:

он chj-o-p=o I он

choh+hs-фермент (глицеральдегид-3- z I ^г. J I фосфатдегидрогеназа)

Глицеральдегид-3-фосфат

-р=0

он

снон Фосфс-1

АДФ

CHj-0-P=0

он

-Р=С

он

но

снон

CHj-0-P=o

н3ро4| h^/J)

АТФ

снон надн+н+

З-Фосфоглнцерн-воваа кнслота

I^o он HS-фер- L=° "\v~P=0 "ент "^S-фермент он

1,3-Днфосфо-глнцернновая кнслота

u ch-oh

о ¦ *

,1" ?н

\ НС-О-Р=0

| Ан

"Njh

Еаоаааа (2-фосфогаа перат-гвлро-аивва)

Г

с-о

АДФ

он ЧЧ

он

Паруват-кимаав

АТФ

¦и V—1

г.—nri-T"*- С=0

он

чон

2-Фосфоглнце-ривовая кислота

2-Фосфоенол-пироввноград-вая кнслотв

Еноллнро- Пнровнио-внноградвая градная кнслота кислота (пируват)

Схема 5. Обмен 3-фосфоглицеринового альдегида

Все реакции, происходящие при обмене 3-фосфоглицеринового альдегида, осуществляются ферментативным путем. Характерная их особенность состоит в том, что на каждую молекулу распадающегося 3-фосфоглицеринового альдегида синтезируются две молекулы АТФ из АДФ и остатков фосфорной кислоты, поступающих сначала от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем от 2-фосфоенолпировиноградной кислоты (схема 5). Таким образом, уже здесь запасается энергия, вьщеляющаяся в процессе постепенного окисления фосфо-

344

Рис. ИЗ. Структура субъединицы глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы:

а-спиралн обозначены цилиндрами; фрагменты полипептидной цепи в (3-слоях—стрелками; в верхней части рисунка нумерация их числовая (а,, а2 и т д, рЧ. р2 и т. д), а в нижней, в области нуклеотидсвязывающего домена и активного центра—буквенная (оА, Ов и т. д.; [Зд, рв и т. д.); здесь же толстыми линиями показан кофермент—никотинамидаде-ниндинуклеотид (НАД), причем его восстанавливаемая никотинамидная часть сближена с uuclA9l к которому присоединяется субстрат, что создает необходимые условия для окисления последнего

глицеринового альдегида. Конечным продуктом распада глюкозо-б-фосфата является пировиноградная кислота (ПВК). В зависимости от объекта и условий, в которых идет обмен углеводов, дальнейшая ее судьба различна (см. ниже).

Наиболее сложной из всех приведенных выше реакций на пути от 3-фосфоглицеринового альдегида до ПВК является реакция окисления фосфо-глицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту. Остановимся на ней

345

Рис. 114. Механизм пируваткиназной реакции при сопряжении окисления с фосфорилированием на уровне субстрата

Ион металла участвует в образовании тройного мостикового комплекса (фосфо-енолпируват—металл—АДФ), обеспечивающего фосфорилирование АДФ; в активном центре фермента координирующей функции иона металла способствует радикал гис, а превращению енолпировиноградной кислоты в пировиноградную— донор протонов ХН ион металла закрепляется в активном центре также радикалом У и гидратируется Препараты пируваткиназы, выделенные из разных источников, существенно не отличаются по молекулярной массе (она близка к 200000); молекула фермента в подавляющем большинстве случаев тетрамерна Третичная структура субъединицы мышечной пируваткиназы характеризуется наличием трех доменов, на границе двух из них расположен активный центр

несколько подробнее. Реакция ускоряется глицеральдегвд-З-фосфатдегвдроге-назой, полученной в кристаллическом состоянии из дрожжей, термофильных бактерий и мышц кролика, омара и свиньи. Молекулярная масса фермента в

страница 56
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(13.12.2017)