рактически во всех клетках,— это циклические нуклеотиды, а именно циклический З'.б'-аденозинмонофосфат (сАМР) и циклический 3',5'-гуанозинмонофосфат (cGMP). Каждый из них синтезируется нз соответствующего рибонуклеозидтрифосфата (АТР или GTP) в реакции, катализируемой ферментами, связанными с плазматической мембраной, — аденилатциклазой и гуанилатциклазой.

атр

циклический аденозин-3^5- циклический гцаноэии-3'р5-

монофосфат (сДМР) монофосфат (cGMP)

Вероятно, высокая свободная энергия гидролиза циклических нуклеотидов (AG° = —11 900 кал/моль) отражает напряженность их ангидридной структуры. Быстрое удаление PPi присутствующей повсюду неорганической пирофосфатазой (см. ниже) предотвращает обратимость гидролитической реакции и делает возможным образование сАМР и cGMP. Важность этих соединений состоит,

III. МЕТАБОЛИЗМ

однако, не в их высокоэнергетическом характере, а в той регуля-торной роли, которую сАМР и cGMP играют в метаболизме, что» будет неоднократно обосновываться в последующих главах.

В живых системах обнаружены и другие высокоэнергетические соединения, гидролиз которых сопровождается изменением свободной энергии в интервале от —6000 до —11 ООО кал/моль. Особенно-примечательны ацилтиоэфиры R—СО—S—Р/, к которым относятся-СоА-производные жирных кислот (разд. 17.5). Богатство энергией этих соединений в основном объясняется запретами резонанса, вызванными слабым взаимодействием между ?-электронами S—S-мостика и карбонильной группой. Это явление усиливается в аце-тоацетилтиоэфирах, так как они имеют электрофильную терминальную ацильную группу. Другие высокоэнергетическне классы соединений включают аминоацильные эфиры рнбозной единицы нуклеиновых кислот (гл. 25), а также сульфониевые соединения с общей структурой +

R—S—R' I

R"

S-Аденозилметионин (гл. 22) —одно из таких соединений. Другая группа высокоэнергетических соединений включает ацильные эфиры карнитина (разд. 17.4.5), которые играют важную роль в транспорте жирных кислот через митохондриальные мембраны. В этом случае высокая свободная энергия гидролиза ацилэфирной связи, вероятно, объясняется близостью положительно заряженного четвертичного атома азота.

В табл. 10.2 приведены изменения свободной энергии, обусловленные гидролизом различных соединений, представляющих биологический интерес.

Причина уникального биологического достоинства фосфатных эфиров заключается в том, что фосфат придает кинетическую стабильность термодинамически лабильным молекулам, а также в том, что превращения этих молекул могут происходить только при участии специфических ферментов. Так, несмотря на то что AG" гидролиза уксусного ангидрида, ацетилфосфата и неорганического пирофосфата близки, эти соединения стабильны в воде несколько секунд, несколько часов или несколько лет соответственно. Стабильность АТР в воде позволяет клетке использовать энергию окисления для проведения эндергонических реакций, поскольку гидролиз АТР был бы расточительным и бесцельным с точки зрения экономии энергии.

Следует отметить, что изменения свободной энергии, приведенные выше, представляют собой AG°, т. е. относятся к условиям стандартного состояния каждого реагента. Действительное изменение свободной энергии для реагентов в биологической системе, если их состояние поддерживается близким к стационарному

10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

34S-

Таблица 10.2

Свободная энергия гидролиза некоторых соединений, представляющих биологический интерес

—дсо —AGO

Соединение (при рН 7), кал/моль Соединение (при рН 7), кал/моль

Ацетиладенилат 13 300 Пальмитилкарннтин 7 700·

(ацетил-АМР) Уридиндифосфатглюкоза 7 600'

Фосфоенолпнруват 13000 Сахароза 6600-

Циклический AMP И 900 Фосфодиэфиры 6 000

Ацетил фосфат 10Е00 Глюкозо-1-фосфат 5 000;

Ацетоацетил-СоА 10 500 Этилацетат 4 900

S -Аденозилметионин 10 000 Аланилглицин 4 000

Фосфокреатии 9 000 Глутамин 3 400

Этилглицинат 8 500 Глицерол-З-фосфат зооо-

АТР, внутренняя 8 500 Лактоза 3 000;

связь, (В) 50&.

АТР, терминальная связь (А) 8-! 00 Пептидная связь (внутренняя, только в боль- шом полипептиде)

Ацетил-СоА 7 700

(М'[d] [a]-[b]) описывается уравнением

fc] [d]

AG = AG0 -f RT In -[^ПБ]

Тогда истинное значение AG может существенно отличаться от-AG° (быть ниже или выше).

Как описано ниже (разд. 14.4), явление переноса фосфата и; участия фосфата в метаболических процессах было обнаружено, при исследовании брожения дрожжевых экстрактов. Многочисленные опыты по изучению метаболизма в сокращающейся мышце показали, что в анаэробных условиях энергия для сокращения каким-то образом поставляется гликолизом— процессом, при котором гликоген превращается в молочную кислоту (гл. 14). Однако сокращение происходит и в мышцах, отравленных иодацетатом — ингибитором, предотвращающим гликолиз. Далее, эти мышцы продолжают сокращаться до тех пор, пока содержащийся в них креатии-фосфат не превращается полностью в креатин и ?,·. Затем было-' показано, что ферментная система, катализирующая эту реакцию в.: мышцах, действует только в присутствии адениинуклеотидов; процесс в целом был описан следующим образом:

креатин~фосфат + ADP -»- креатин-j-АТР AG° = —1Е00 кал/моль

АТР -*¦ ADP + фосфат AG° = —7.с00 кал/моль

креатив—фосфат -»- креатин -f- фосфат ??° = —9000 кал/.моль

350

III МЕТАБОЛИЗМ

Таким образом, оказалось, что реакция, в которой «гидролизуется» АТР, служит непосредственным источником энергии для процесса мышечного сокращения. Это представление в дальнейшем было расширено, и в настоящее время АТР рассматривается как прямой источник энергии для большинства эндергонических биологичес-. ких систем.

Обратимся теперь к механизму, при помощи которого экзергони-ческая реакция может заставлять идти эндергонический процесс. Рассмотрим синтез сложного эфира и гидролиз АТР до AMP и РР,:

RCOOH -f- НО—R' АТР + Н20 +

?—*· RCOOR' + H20 AMP 4- РР,-

AG3 = +4000 кал/моль (31) AG° = —8500 кал/моль (32)

RCOOH 4 НО—R'4 АТР -*¦

-*¦ RCOOR' 4- AMP 4 РРг AG3 = —4500 кал/моль

В обычных (лабораторных) условиях реакция (32) не могла бы ;влиять на реакцию (31), которая не протекает в отсутствие требуемых 4000 кал/моль. Энергия, освобождаемая в реакции (32), может использоваться для протекания реакции (31), если обе реакции сопряжены посредством общего промежуточного продукта, как в следующем гипотетическом случае:

RCOOH 4 АТР ^—fc RCOO—AMP 4 ??? AG° = 42500 кал/моль (33)

RCOO—AMP 4 HO—R' +=± RCOOR'4-AMP AG° = —6000 кал/моль (34) RCOOH 4 HO-R' 4 ATP

RCOOR' 4- AMP 4- PPj AG" = —3500 кал/моль

Промежуточный продукт — RCOO—AMP представляет собой сме-.шанный ангидрид карбоновой кислоты и фосфата адениловой кислоты.

NH, I

гЛА

HCvV

ОН ОН ацилаЭенилагп (RC00-AMP)

Существует множество примеров таких реакций в метаболизме '{см., например, разд. 12.2.1 и 17.5).

10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

35 i

Гидролиз двух ангидридных связей АТР протекает с фа ктически одинаковыми изменениями в свободной энергии. При образовании ациладенилата происходит разрыв связи между пирофосфатными и аденилатными единицами АТР. Таким образом, пирофосфат, а не ортофосфат оказывается конечным продуктом. Относительно малое изменение AG говорит о том, что синтез органического эфира по этому механизму возможен, но не является предпочтительным. Однако в пользу возможности этого синтеза свидетельствуют дополнительные соображения. Пирофосфат в основном гидролизуется до ортофосфата под действием неорганических пи-софосфатаз, присутствующих во всех клетках. AG° гидролиза пирофосфата составляет —7000 кал. Соответственно гидролиз пи-рофосфата, образующегося в ходе последовательных реакций, необходимых для синтеза сложного эфира, фактически делает эту реакцию необратимой. В качестве примера процессов, в которых гидролиз пирофосфата придает необратимый характер обратимому в иных условиях процессу, можно привести синтез нуклеотидов, полинуклеотидов, пептидных связей, S-аденозилметионина и активацию жирных кислот. Все эти процессы обсуждаются в других главах этой части книги. Однако некоторые микроорганизмы обнаруживают слабую пирофосфатазную активность или ее полное-отсутствие. Вместо этого они используют РР, в качестве фосфори-лирующего субстрата, заменяющего АТР. Например, Entamoeba histolytica содержит ферменты (киназы), которые используют РРг-для фосфорилирования фруктозо-6-фосфата, фосфоенолпирувата, ацетата и др. Степень распространения этих реакций у млекопитающих неясна.

Ферменты, катализирующие перенос фосфата от АТР к акцептору, называются киназами; их можно разделить на две категории. Киназы, катализирующие перенос между высокоэнергетическими фосфатными соединениями, могут легко действовать в обоих направлениях; именно так они и ведут себя в метаболизме, например

ADP + креатинфосфат «—АТР + креатин AG3 = —1Е00 кал, К = 10

Можно ожидать, что перенос фосфата с образованием относительно низкоэнергетических соединений протекает в основном только-в прямом направлении, например

АТР + глюкоза ->- ADP -f глюкозо-6-фосфат AG° = —4500 кал, К = 4000

На основе этих фактов строится основная концепция: для того чтобы обеспечить энергией эндергоническне биологические процессы, дыхательный процесс должен быть каким-то образом сопряжен-

-352

III. МЕТАБОЛИЗМ

«с синтезом АТР. Последний является «разменной монетой» в метаболических превращениях энергии. Уравнение, описывающее про-.цесс окисления глюкозы в целом, можно теперь представить как

CeHi„Oe + 602 + xPt + ????-*¦

-»¦ 6С02 + 6Н20 + лсАТР + энергия, недоступная для использования

Доля суммарной AG при окислении глюкозы или другого метаболического топлива, используемая для синтеза АТР, позволяет •судить об истинной эффективности процесса клеточного дыхания, целью которого является снабжение энергией эндергонических процессов. AG° синтеза АТР составляет около +8400 кал/моль. В физиологических условиях истинное значение АС превышает .+ 12 000 кал/моль. Так как для п