Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

езаряженный тетрагидрофолат. В других случаях регенерация может идти множеством путей. Например регенерация АДФ, необходимой на двух стадиях гликолиза — для превращения 1,3-дифосфоглицерата в 3-фосфоглицерат и для превращения фосфоенолнирувата в пируват, может происходить за счет самых разнообразных превращений, использующих АТФ как источник энергии или источник фосфата.

Уже на примере гликолиза видно, что последовательность реакций, составляющих ту или иную цепь или цикл, не обязательно является линейной. Наряду с необходимым для продолжения цепи глицеральдегнд-З-фосфатом при гликолизе из фруктозо-1,6-дифосфата образуется дпгндрокспацетопфосфат, который может вернуться в гликолитнческую цепь только после изомеризации. Еще более

* Речь идет именно о локально регенерируемых веществах. В рамках биосферы регенерации подлежат все соединения вплоть до COS, 0-2 и N2.

413

сложной является разветвленная система превращений триозофосфатов в цикл Кальвина (см. рис. 104).

Все представленные в двух последних главах схемы цепей и циклов изобрази ны без каких-либо побочных по отношению к ним превращении промежуточны соединений. Практически никогда ито не имеет места. Многие промежуточны соединения используются в биосинтезе нескольких совершенно различных пр дуктов, точно так же, как многие из них образуются не только в ходе рассматри ваемых цепи или цикла, но и другими путями. 13 предыдущих разделах можи найти большое число примеров такого рода. Например, дигидроксиацетонфосфа наряду с превращением его в глнцеральдегпд-З-фосфат для продолжения гликолиза является источником глицерипфосфата для биосинтеза жиров и липидов. З-Фосфоглицерат частично окисляется до З-фосфогндрокспппрувата, который является источником серина, глицина и одноуглеродных фрагментов. Оксало-ацетат образуется не только па замыкающей реакции цикла трикарбоновых кислот при окислении малата, по и в результате переаминироваппя аспартата.

В системах, представляющих собой цепи, увод промежуточных соединений по побочным по отношению к данной цепи направлениям приводит лишь к уменьшению выхода целевого продукта цепи. Если же система представляет собой цикл, то побочные превращения его компонентов постепенно приведут к снижению эффективности работы всего цикла. Поэтому, как уже отмечалось, при рассмотрении цикла трикарбоновых кислот (см. 5 НА) и цикла мочевины (см. § 9.4) необходимым дополнением к любому циклу должен служить процесс (или процессы) пополнения какого-либо из его компонентов из доступного сырьевого источника. Примеры таких процессов уже приводились. По отношению к циклу трикарбоновых кислот таковой является реакция карбоксилировапия пирувата, переводящая молекулы биологического топлива в компонент цикла оксало-ацетат. По отношению к циклу мочевины таким процессом является биосинтез орнитина из глутамата, сырьем для углеродного скелета которого также является пируват.

Практически большинство цепей и циклов ферментативных реакций в живых организмах осложнены участием их компонентов н других системах биохимических процессов и являются в связи с этим элементами единой разветвленной сети биохимических превращений. Даже в сегодняшнем далеко не полном виде эта сеть имеет чрезвычайно сложный вид. Для иллюстрации па рис. 124 и 125 представлены соответственно все выходы и все входы гликолптической цепи и цикла трикарбоновых кислот, связанные соответственно с биосинтезом и деструкцией аминокислот.

Важное значение для функционирования живых организмов имеет термодинамическая организация систем биохимических процессов, в особенности тех, которые протекают в большом масштабе. Отдельные стадии не должны сопровождаться слишком большим уменьшением энергии Гиббса. Это важно для того, чтобы избежать неконтролируемого выделения значительного количества теплоты. На тех стадиях, где уменьшение энергии Гиббса достаточно велико, часть ее должна запасаться в легко утилизируемой форме, т.е. в виде соответствующих макроэргических связей, в первую очередь в виде пирофосфатных связей в АТФ и ГТФ. Примеры такой организации описаны при рассмотрении гликолиза, цикла трикарбоновых кислот, окислительной деструкции жирных кислот. Это видно и на примере других присутствующих в значительных количествах метаболитов. 414

Gly

¦ о^оеНдСнпиеоо- Glu „ ,|г_r»Cys.

I эритрозо-4-фосфат ' ~ *>Тгр

¦ ? ? CH,-qopoy icocc—i-+ rTi Glu »Ph«,T

Ala ? CH.COCOO^ [«] -^Leu

Mel

Asp— г —1 — г—? -t> H I III) IIVI Thr .--i i_ j

"ooc

Glu

? I 4 Pro 1 Arg

Gin

ЦИТРАТ

/

ИЗОЦИТРАТ

*-Lyi ? ~0*ЭССН=СНСОО" OOCCH,CH,COO~

Рис. 124. Гликолитическая цепь (начиная с 3-фосфоглицерата) и цикл трикарбоновых кислот как источники предшественников для биосинтеза аминокислот (кроме гистидина):

/, S - япьтернативные пути биосинтеза лизина и аспартата; I - хоризмат; II - о-кетоизобутират; 111-гомосерин; IV - о-кетобутират

В качестве иллюстрации можно рассмотреть биоэнергетику окислительной деструкции лейцина. Как следует из реакций (IX.70) и (IX.71) и схемы, приведенной на рис. 117, в ходе деструкции образуется одна молекула NAD-11 при окислительном декарбоксилировании кетоленцина, одна молекула CoQH2 при дегидрировании изовалерилкофермента А и три ацетильных остатка в виде СоА SC0CII3-Последние при сгорании в цикле трикарбоновых кислот и последующих процессах, происходящих в цепи переноса электронов, обеспечивают фосфорилирование 36 молекул АДФ. Еще пять молекул АТФ накапливается за счет окисления NAD-11 и СочН2, образовавшихся на первых стадиях деструкции. Принимая во внимание, что в ходе деструкции расходуется две молекулы АТФ — одна на стадии карбоксилировапия З-метилкротоиилкофермспта А и одна при образовании ацетоаце-тилкофермента А из ацстоацетата и СоА—SII, общее число молекул АТФ, образовавшихся из АДФ и ортофосфата в результате окисления одной молекулы лейцина, составляет 39. Такое же число молекул АТФ па то же число углеродных атомов (шесть) образуется при сгорании глюкозы, хотя последний процесс на самом деле биоэнергетически несколько более эффективен, поскольку суммарная

Рис. 125. Образование пирувата, ацетилкофермента А и компонентов цикли трикарбоновых кислот из аминокислот:

/ - ацетоацетилкофермент А; 2 - З-окси-Ч-метилглутарилкофермент А; ? - З-окси-Ь-кинуренин; 4 ~ о-кетоадипат; .5 - фумарилацетоацетат; 6- пропионилкофермент А; 7- о-кетобутират; Я - 3-кетоизо-валерилкофермент А

степень окисления углеродных атомов в глюкозе па три единицы выше, чем у кетолейцина (соответственно 7 и 4).

В то же время если речь идет об окислительной деструкции более дефицитных компонентов, для которых к тому же нельзя ограничиться использованием механизмов, реализуемых при окислении углеводов и жирных кислот, то отдельные экзэргонические стадии не сопровождаются запасанием энергии. Так, при деструкции ароматических аминокислот, особенно при разрушении ароматических колец или гетероциклов, используются реакции окснтопазного типа и даже в отдельных случаях монооксигепазные реакции, в которых и качестве субстрата участвует дополнительный восстановитель (см. § 4.1). В качестве примера можно обратиться к деструкции фепн.чнлапппа (см. рис. 119). <11олезпые> с биоэнергетической точки зрения соединения образуются из фенилаланина лишь после разрушения бензольного кольца при распаде 4-фумарплацетоацетата на фумарат 416

и ацетоацетат. Фумарат может служить источником пирувата, причем па промежуточном этапе при окислении малата в оксалоацетат образуется одна молекула NAD-?. Вместе с 15 молекулами АТФ, которые могут образоваться из АДФ в результате сгорания пирувата, это дает 18 молекул АТФ. За счет сгорания аце-тоацетата через его превращение в две молекулы ацетилкофермента ? может образоваться еще 23 молекулы АТФ. За вычетом трех .молекул АТФ, которые недополучаются в результате использования одной молекулы NAD-II для регенерации тетрагидробиоптерина, общий итог составляет 38 молекул АТФ на 9 атомов С фенилаланина.

В связи с тенденцией использовать процессы с незначительным уменьшением энергии Гиббса для систем биохимических процессов характерно наличие в их составе значительного числа обратимых стадий. Это позволяет в зависимости от конкретной ситуации использовать одни и те же типы реакций, а часто и один и те же ферменты для проведения суммарного процесса как в прямом, так и в обратном направлениях. Например, образование пролина из глутамата и его превращение в глутамат катализируется одним и тем же набором ферментов. В отсутствие существенного расхода или образования этих аминокислот они по отношению друг к другу находятся в равновесных концентрациях. В условиях интенсивного биосинтеза белков, содержащих пролин, в результате расходования последнего система ферментов будет работать в направлении синтеза пролина. В условиях интенсивной деструкции белков, содержащих пролин, та же система ферментов будет способствовать превращению пролина в глутамат. Такая организация системы биохимических превращений весьма экономична, поскольку позволяет обходиться минимальным количеством белков. А ведь каждый дополнительный белок — это и затрата значительной энергии па его биосинтез и наличие дополнительного фрагмента ДНК, несущего информацию об этом белке.

В тех случаях, когда резко преимущественным для живого организма является определенное направление системы биохимических превращении, последняя организована таким образом, чтобы суммарное значение л С было существенно отрицательным. Однако, как это особенно наглядно видно на примере гликолиза, это достигается путем введения наряду со значительным числом обратимых стадий нескольких необратимых, как бы запирающих процесс от протекания его в обратном направлении. При гликолизе, как уже отмечалось в )j 9.1, такими стадиями являются образование фруктозо-1,6-дифосфата и превращение фосфоеиол-пирувата в пируват. Все остальные стадии могут в равной мере протекать в обоих направлениях и используются как при гликолизе, так и при глюконсогепезе и в темновой фазе фотосинтеза.

В качестве еще одного примера можно пр

страница 98
< 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 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2017)