Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

сфата (рис. 116, стадия 1).

Далее оксиэтильный радикал окисляется в ацетильный радикал, который переносится сначала на липоевую кислоту, а затем на коэнзим А. Оба эти процесса (окисление и перенос ацетильного радикала) ускоряются вторым компонентом пируватдегидрогеназного комплекса: липоат-ацетилтрансфера-зой (М = 70000). Она сосредоточена в центральной части комплекса в виде 24 молекул (см. Ег на рис. 46, Г), упакованных, согласно современным данным, в виде куба, по 12 граням которого располагаются 12 димерных молекул пируватдекарбоксилазы, а по 6 плоскостям—6 димерных молекул (М = 112 ООО) дигидролипоилдегидрогеназы (см. Е3 на рис. 46, Г). Общая молекулярная масса ПДГК кишечной палочки 4,6 млн. Да, а у высших организмов 7—8 млн. Да.

CH3-CO-COOH+HAfl++HSKoA Пируватдегидрогеиа;"шй

комплекс

-> С02+СН3 - СО ~ SKoА + НАДН + Н+

352

СН3—С—SCcA Ацетил-КоА

Рис. 116. Механизм действия шфуватдегидрогеназного комплекса (пояснения в тексте)

Каждая молекула липоат-ацетилтрансферазы в качестве простетической группы содержит молекулу липоевой кислоты, соединенную с апоферментом через е-аминогруппу радикала лизина. Такое присоединение липоевой кислоты обеспечивает ее подвижность в составе пируватдегидрогеназного комплекса (длина «ножки»—1,5 нм) и беспрепятственньш контакт как с пируватдекар-боксилазой, так и с дигидролипоилдегидрогеназой при условии использования не менее двух остатков липоевой кислоты (рис. 116, стадии 2, 3 и 4);

12—3502

353

X ° ° NCHHCHa)4COOH

н3с/ ^5HL;________--^Z^""

Оксиэтилтиамиипнрофосфат

Липоевая кислота

HSKoA

ch,

hs' j * hs'i

-*- ch2-- *- CHj

x ch,co~Sv J HS4l ,

\ 3 \;н-<сн2)4соон ? nch-(ch2)4cooh

Тиаминпиро- Ацетиллипоевая ch3co~SKoA Дигидролипоевая

Ф°сф" кнслота кислота

Окислительное декарбоксилирование ПВК завершается следующими (рис. 116, стадии 5 и 6) двумя реакциями. При посредстве третьего компонента мультиэнзимного комплекса, т. е. с помощью дигидролипоилдегидрогеназы (6 димерных молекул, содержащих по 2 молекулы ФАД в качестве кофермента), дигидролипоевая кислота переходит в липоевую:

Hc/S^ Дигчдролипоил- -/P**

113 I . дегидрогенаэа |

hs Т* + НАД+--- 1 CHj + НАДН + н*

чсн-<сн,)4-соон ^сн-(сн.)4-С00Н

Поскольку коферментом дигидролипоилдегидрогеназы является ФАД, то конечно, именно он снимает непосредственно два атома Н с дигидролипоевой кислоты и передает их на НАД+. Поэтому в приведенном выше суммарном уравнении окислительного декарбоксилирования ПВК в качестве акцептора атомов Н выступает НАД+ (рис. 116). Пируватдегидрогеназный комплекс активен в дефосфорилированном состоянии: цАМФ-независимая протеинкиназа фосфорилирует Ех и инактивирует его.

Ацетил-коэнзим А далее конденсируется со щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), которая всегда есть в клеточном содержимом. Образуется лимонная кислота и освобождается коэнзим А. Каталитическую функцию в этой реакции выполняет конденсирующий фермент. Предполагают, что реакция идет в несколько стадий, которые могут быть выражены следующими уравнениями:

СООН соон

i i

с=о с-он

i . , ii

сн2 *•- сн

i i

соон соон

Кетоформа Енольная форма щавелево- щавелевоуксусной уксусной кислоты кнслоти

354

i

НО—С-СООН + CHj

ijjj ___— " Ацетил -

J коэнэим А

СООН

Енольиая форма ЩУК

Цитрат- синтеза v q (питрат-ковденсирую-

C~SKoA I

СН, I

¦HO—с—соон

I

соон

Цитрил-КоА

C~SKoA

COOl

HO—С—соон + нго

соон

сн2

¦НО—С—i

Цитрил-КоА

соон

соон

Лимонная кислота

HSKoA Кояиэим А

Образованием лимонной кислоты открывается специфический цикл химических реакций, приводящих к постепенному ее окислению до ЩУК, которая снова конденсируется с ацетил-коэнзимом А, так что образуется вновь лимонная кислота. По существу, следовательно, идет окисление ацетильных остатков до С02 и Н20. Этот цикл реакций получил название цикла трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот, так как именно эти кислоты являются главными его компонентами (рис. 117). Его называют также циклом Кребса—по имени первооткрывателя, удостоенного за это Нобелевской премии в 1959 г. Таким образом, в конечном счете, ПВК окисляется до С02 и Н20.

Ферменты цикла трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот (ЦТДК), ускоряющие единый метаболический многоступенчатый процесс окисления ацетильных групп, возможно собраны в специфически построенный комплекс (метаболой), локализованный между расположенными друг против друга поверхностями внутренней мембраны митохондрий (рис. 118). В метаболоне, как полагают, осуществляется эстафетная передача промежуточных продуктов цикла от одного фермента к другому без их высвобождения в матрикс митохондрии. Поэтому процесс идет с большой скоростью. Рядом с метаболоном ЦТДК располагаются пируватдегидрогеназный комплекс и, вероятно, метаболой (3-окисления высших жирных кислот, поставляющие ему CH3CO~SKoA.

Общая схема распада углеводов. Все сказанное выше о путях распада углеводов и о механизме реакций, осуществляющихся в процессе их деструкции, можно представить в виде следующей общей схемы (см. с. 357).

Из схемы видно, что глюкозо-6-фосфат занимает в этих процессах центральное место, а из промежуточных продуктов дальнейшего его распада узловые позиции принадлежат ПВК и рибулозо-5-фосфату.

Какая же роль в общем обмене углеводов организма отводится рассмотренным здесь путям распада углеводов: брожению, гликолизу и дыханию, апотомическому и дихотомическому, анаэробному и аэробному?

Зависимости между ними сложны и определяются как видовыми особенностями, так и условиями жизнедеятельности организмов. Например, объем гликолиза в тканях находится в прямой зависимости от поступления

355

соон

HS-KoA 'HO-C-COOH

н,о

HO-C-COOH

\н2 HjO

соон

Цитрил-КоА

Лимонная ^Ооп?

H-C-COOH

и

с-соон

i

сн

н,о

щ

цис'

Аконитовая кислота

Y"2 '.'2"

Соон I

СН} CO~SKoA

СН

СООН

Щавелевоуксусиая кислота (енольная форма)

/^V^ Аконит

4

СООН

сн-роон) сн, *"''

над^н+н +

М алпдегндрогеноза

(М-72000; 2X37000)

,(гоон (т.

СНОН

гдф+н-ро,

„ СООН

Иэолимоиная кислота НАДФ(НАД)—w Иэоцитратдегидрогеназа\«^^ ^*^2 декарбоксилирующая |\i + (М-165000,2X80000) *1?ЛДФ-Н(НАДННН СООН

со

CHj

CHj

СООН

ог-кетоглутарвт- . а-Кетоглутаровая

-ШЬпЪЖМои») I (2-°™™овая)

HS-KoA'TiJ , НАЦ+jjl

'4 C'~SK0? VjCOj \ СН, ^НАД'

>НАДН+Н+

Сукцинил-КоА

HS-KoA

Фумаровая кислота

ГТФ(ГТФ+А ДФ ггГДФ+АТФ)

Рис. 117. Цикл трикарбоновых и дикарбоновьгх кислот (пояснения в тексте)

а б

356

Рис. 118. Гипотетическая структура комплекса ферментов (метаболона) цикла трикарбоновых и дикарбоновьгх кислот (молекулярная масса метаболона ЦТДК ~ 8 млн Да; высота—20 нм, диаметр—50 нм):

а—вид прямо; б—вид сбоку; в—вид сверху; 1—цитратсин-таза, 2—аконйтаза; 3—иэоцитратдегидрогеназа; 4а, 46, 4в— а-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (о-кетоглутаратде-гидрогеназа, транссукцинилаза и липоамиддегидрогеназа соответственно); 5—сукцинаттиокиназа; 7—фумараза, 8—малат-дегидрогеназа; 9—аспартатаминотрансфераза; 10—иуклео-зиддифосфаткиназа; О—заякорнвающие метаболой белки, включающие су цинатдегидрогеназу

Полисахариды К_

Гидролиз

3

I

>-

Моносахариды

Олигосахариды

Фосфорит-V роуание ?

'ексозощфаты (1енто~вф%1

Взаимопревращение

%ЯСфат,'^Ш^^^^-

распад

ПироВиногра дная кислота

Рибулозо-5-фосфат

Брожение Гликолиз Дыхание

v-^—-'V-

Анаэробно

Дыхание

v

Аэробно

Схема 7. Пути распада углеводов (пояснение в тексте)

кислорода: последний подавляет процесс образования молочной кислоты (пастеровский эффект). Даже в различных тканях и органах одного и того же организма соотношения путей распада углеводов могут быть различными. Тем не менее можно установить и некоторые общие закономерности. Так, у подавляющего большинства организмов аэробный путь распада углеводов в общем превалирует над анаэробным, а дыхание подавляет гликолиз и брожение. Дихотомическому распаду углеводов принадлежит в целом более видное место, чем апотомическому. В значительной мере эти соотношения путей деструкции углеводов зависят от их энергетического эффекта. Последнее вполне естественно, так как одной из функций углеводов, в ряде случаев главной, является обеспечение организма энергией, выделяющейся при их анаэробном и аэробном распаде.

Синтез углеводов. Синтез простых углеводов. Простые углеводы возникают главным образом при первичном биосинтезе органического вещества на Земле. Этот процесс осуществляется автотрофными организмами— растениями, а также фотосинтезирующими и хемосинтезирующими бактериями. Первичный синтез органического вещества в природе идет путем восстановления С02 атмосферы с одновременным формированием органических молекул, содержащих цепи углеродных атомов. В связях между атомами углерода и других элементов образующихся органических соединений заключена энергия, поэтому их новообразование сопровождается ее поглощением. В общем виде процесс первичного новообразования органического вещества принято изображать в виде следующей схемы (см. с. 358).

Гетеротрофные организмы, использующие для построения составных частей своего тела уже готовые органические вещества, не обладают способностью к первичному биосинтезу органических молекул, но могут образовывать их за счет перестройки органических соединений пищи. Естественно, что в числе новообразуемых гетеротрофами соединений находятся и простые углеводы; однако как исходные материалы для их построения, так и первичные источники энергии здесь принципиально отличаются от таковых у автотрофов.

357

Восстановитель

Энергия {^)

Оксид углерода(1У) '(С02)

Элементы минераль иого питания (N^P^ и т. п.) \

Энергия (~)

Мономеры

(моносахариды, аминокислоты, иуклеотиды, органические кислоты, фосфорные эфиры оргвнических соединений и т.п.)

- Энергия (~)

Полимеры

(полисахариды, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и др.)

Схема 8. Возможные этапы первичного биосинтеза органического вещества

Рассмотрим механизм первичного биосинтеза простых углеводов у автотроф-ных1 организмов. В простейшем случае у хемосинтезирующих бактерий источником энергии, которая трансформируется в стабильную энергию химических связей между атомами углерода, служат реакции окисления неорганических соединений, проходящие с выделением того или иного количества энергии (табл. 24).

Таблица 24

Энергетический эффект окислительных реакций у хемосинтезирующих бактерий

Уравнение реакции Количество энергии, выделившейся на 1 г/моль окисленного вещества, кДзк Бактерии

Na2S2Os+2l/202+h2 - Na2S04+h2S04 882 Серобактерии

S+172o2+н2о - h2so4 493 »

nh3 +1V202 -* HN02+H20 276 Нитрифицирующие

бактерии

h2+V2o2-h2o 234 Водородные бактерии

H2S+V202-H20+S 171 Серобактерии

2FeC03 + 3HzO+ V2Oj -* 2Fe(oh)3+2COz 167 Железобактерии

HNOj + '/zOz-HNOj 71 Нитрифицирующие бак-

терии

Фотосинтезирующие бактерии и зеленые растения используют для первичного синтеза органических веществ энергию световых лучей, которая, например, для 6 х 10 квантов красного света (в основном поглощаемого зелеными органами) равна примерно 167 кДж.

Хемосинтез, т. е. ассимиляция С02 микроорганизмами за счет энергий, выделяемой при окислении неорганических соединений, впервые открыт в конце прошлого столетия С. Н. Виноградским.

1 Автотрофный—сам себя питающий, т. е. развивающийся на среде, свободной от других организмов и продуктов их жизнедеятельности.

358

Первичный акт, посредством которого энергия, освободившаяся при окислении неорганических соединений хемосинтезирующими бактериями или воспринятая фотосинтезирующими организмами, превращается в доступную для использования в химическом синтезе форму, состоит в трансформации этой энергии в энергию макроэргической связи АТФ. Иначе говоря, энергетическое обеспечение синтеза простых углеводов начинается с синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Можно предполагать, что процесс хемосинтетиче-ского и фотосинтетического фосфорилирования идет, в общем, аналогично окислительному фосфорилированию (см. гл. X), т. е. перенос электронов при хемосинтезе и фотосинтезе вовлекает ряд энзиматических систем мембранного аппарата бактериальных и растительных клеток, результатом чего является возникновение мембранного потенциала—истинного двигателя реакции фосфорилирования аденозиндифосфорной кислоты: АДФ+НзР04-»АТФ+Н20.

Открытие в составе сопрягающих мембран (см. гл. X) разнообразных организмов присутствия сопрягающих факторов схожей структуры, обеспечивающих протекание этой реакции, является доказательством единства путей акцептирования энергии в живых системах.

Одновременно с синтезом АТФ идет и вторая важнейшая для первичного биосинтеза органических веществ реакция—высвобождение атомов водорода, необходимых для восстановления С02. Многие детали этого процесса неясны, однако установлено, что донором атомов Н в реакциях хемосинтетического и фотосинтетического восстановления С02 является в подавляющем большинстве случаев вода, а промежуточным акцептором их—НАДФ+, т. е. 2НАДФ + + 2Н20 -»2НАДФН+2Н + + 02.

Восстановление С02 непосредственно не идет. Оно осуществляется после связывания С02 в результате реакции карбоксилирования уже достаточно сложного органического соединения—рибулозо-1,5-дифосфата, который образуется путем фосфорилирования рибулозо-5-фосфата—продукта апотоми-ческого распада глюкозы, всегда присутствующего в клеточном содержимом или возникающего из рибозо-5-фосфата при посредстве рибозофосфатизоме-разы (М = 54000). Именно на этом этапе расходуется АТФ, необходимая для первичного биосинтеза углеводов:

СН2ОН I

с=о

ОН+АТФ Фосф°ри6уло-.

Рибулоэо-5-фосфат Рибулозо-1.5-дифосфат

Фосфорибулокиназа, ускоряющая эту первую реакцию на пути акцептирования СО2, открыта А. Вейсбахом с сотрудниками еще в 1954 г., но свойства ее изучены лишь в последнее десятилетие; фермент широко представлен у фото-и хемоавтотрофов, высоко специфичен, абсолютно зависим от присутствия

359

двухвалентных катионов, особенно Mg2+, обладает высокой молекулярной массой (240 ООО; тетрамер) и образует прочный комплекс с другими ферментами, участвующими в карбоксилировании рибулозо-1,5-дифосфата.

Механизм реакции карбоксилирования рибулозо-1,5-дифосфата достаточно ясен. Сначала это соединение, преобразуется в енольную форму:

он

сн,— / т=о iny-c—он

х- i

н—с—он сн,-

он

он

О-Р=0

СНа-О-

^—он Н—С—он

i

сн,—о-

он

и

I

он

он

-р=0

он

Кетоформа рибулозо-1,5-дифосфата

ОН

Енольная форма рибулоэо-1,5-дифосфата

Она присоединяет СОг, и возникший промежуточный продукт расщепляется на две молекулы фосфоглицериновой кислоты:

он

он

CHj-O-psO

с-он бн^: нЬс-с-он ОН >®-_ ^он

СНгО-Р=0

сн—о—р=о н—с-он он

1

+ с-ощ) II I ч'\

O.H—C-OHIOH

^-~Ч—' I

CHj-O-P=a0

он

Оксид углерода (IV)

Енольная форма рибулозо-1,5-днфосфата

С=0 JJpH}

Н-С-ОН ~0"н I I

сн-о-р=о 2 I он

Промежуточное соединение

["--ОН Н-С-ОН ОН

СНз—О—Р=0

он

З-Фосфоглицери-новая кислота (две молекулы)

Приведенные выше уравнения представляют, конечно, л

страница 58
< 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
(21.10.2019)