Henning VS., Fox C. F., Cell Shape and Surface Architecture, Alan R. Liss, Inc., New York, 1977.

Soifer D., ed., The Biology of Cytoplasmic Microtubules, Ann. N. Y. Acad. Sci., 253, 5—802, 1975.

Robison G. ?., Butcher R. W., Sutherland E. W., Cyclic AMP, Academic Press, Inc., New York, 1971.

llmbreit W. W., Burns R. H., Stauffer J. F., Manometric Techniques and Related Methods for Ihe Study of Tissue Metabolism, 4th ed., Burgess Publishing Company, Minneapolis, 1964. WallacliF. H., Fischer H., eds., The Dynamic Structure of Cell Membranes, Springer-Verlag, Inc., New York, 1972.

Обзорные статьи

DeDuve С., The Separation and Characterization of Subcellular Particles, Harvey Lect., 59, 49—87, 1963—1964.

DePierre I. W., Ernster L., Enzyme Topology of Intracellular Membranes, Ann. Rev. Biochem., 46, 201—262, 1977.

DePierre J. W., Karnovsky M. L., Plasma Membranes of Mammalian Cells: A Review of Methods for Their Isolation and Characterization, J. Cell. Biol., 56, 275—· 303, 1973.

Eagle H., Metabolic Studies with Normal and Malignant Cells in Culture, Harvey

Lect., 54, 156—175, 1958—1959. Glynn I. M.. Karlish S. J. D., The Sodium Pump, Annu. Rev. Physiol., 37, 13—55-,

1975.

Goldberg N. D., Haddox ?. Cyclic GMP Metabolism and Involvement in Biological Regulation, Annu. Rev. Biochem., 46, 823—896, 1977.

Guidotti G., Membrane Proteins, Annu. Rev. Biochem., 41, 731—752, 1972.

Henderson P. J. F., Ion Transport by Energy-conserving Biological Membranes, Annu. Rev. Microbiol., 25, 393—428, 1971.

Krebs E. G., Proteins Kinases, Current Top. Cell Regul., 5, 99—133, 1972.

Masters C. J., Metabolic Control and the Microenvironment, Curr. Top. Cell Regul., 12, 39—74, 1977.

Nicolson G. L, Trans-membrane Control of the Receptors on Normal and Tumor Cells, Biochim. Biophys. Acta, 457, 57—108, 1976; 458, 1—72, 1976.

Oxender D. L„ Membrane Transport, Annu. Rev. Biochem., 41, 777—814, 1972.

Pastan I. H., Johnson G. S., Anderson W. В., Role of Cyclic Nucleotides in Growth Control, Annu. Rev., Biochem., 44, 491—522, 1975.

Puck Т. Т., Quantitative Growth of Mammalian Cells, Harvey Lect., 55, 1—12. 1959—1960.

Rasmussen H.. Goodman D. B. P., Relationships between Calcium and Cyclic Nucleotides in Cell Activation, Physiol. Rev., 57, 422—509, 1977.

Resen О. M., Rangel-Aldao R., Ehrlichman J., Soluble Cyclic AMP-Dependent Protein Kinases: Review of the Enzyme Isolated from Bovine Cardiac Muscle, Curr Top. Cell Regul., 12, 39—74, 1977.

Siekevitz P., Biological Membranes: The Dynamics of their Organization Annu Rev. Physiol., 34, 117—140, 1972.

Singer J. ?., Mcintosh J. R., Biochemistry and Physiology of Microtubules Annu Rev. Biochem., 45, 699—720. 1976.

Whittam R., Wheeler K. P., Transport across Cell Membranes, Annu. Rev. PhvsioL 32, 21—60, 1970.

Глава 12

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

Цикл лимонной кислоты. Митохондрия. Перенос электронов. Окислительное фосфорилирование

Энергетические потребности животных клеток, растительных клеток, живущих в отсутствие света, и многих прокариотных микроорганизмов удовлетворяются за счет энергии, освобождающейся при окислении различных органических соединений с участием молекулярного кислорода. В клетках эукариот эти окислительные процессы происходят в митохондриях, получающих из цитоплазмы смесь веществ, которые образовались в ходе предшествующего неполного превращения углеводов, липидов и аминокислот. В митохондриях большая доля свободной энергии, освобождающейся в процессе окисления, запасается в процессе сопряженного синтеза АТР.

Как было показано ранее, метаболизм глюкозы (см. уравнение, разд. 10.1) включает восстановление шести молекул 02 на молекулу глюкозы, т. е. от каждой молекулы глюкозы отнимается 12 пар электронов или 12 атомов водорода. В цитозоле каждая молекула гексозы расщепляется на две идентичные триозы, каждая из которых затем в реакционной последовательности превращается в пируват в результате удаления лишь одной пары атомов водорода:

глюкоза -*¦ 2 триоза -2 пируват -f- 2(2Н)

Атомы водорода на соответствующем переносчике, а также пируват поступают затем в митохондрию, где на каждую молекулу пирувата образуются три молекулы С02 и пять пар атомов водорода, которые передаются электронным переносчикам:

пируват ->- ЗС02 + 5(2Н)

Каждая нз 12 пар электронов, происходящих от начальной молекулы глюкозы, продвигается затем вдоль по организованному ряду электронных переносчиков от переносчика с самым низким потенциалом к переносчику с самым высоким потенциалом и, наконец, к кислороду. В процессе продвижения каждой пары элект-

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. 1

395

ронов обеспечиваются возможности для синтеза трех молекул АТР (по единому механизму):

Таким образом, в целом в ходе этих окислительно-восстановительных процессов образуется 36 молекул АТР на одну молекулу глюкозы.

В этой главе рассмотрена природа переносчиков электронов, а затем обсуждены превращения пирувата в ацетил-СоА, который является промежуточным продуктом метаболизма углеводов, жирных кислот и некоторых аминокислот; цикл лимонной кислоты, в котором ацетил-СоА окисляется до С02; структура митохондрий; электронпереносящая система, которая проводит электроны от субстрата к кислороду; механизм образования АТР (окислительное фосфорилирование) и регуляция этих процессов.

12.1. Окислительные ферменты и коферменты

Реакции биологического окисления катализируются ферментами, каждый из которых функционирует, будучи связанным с коферментом или переносчиком электронов. Свойства этих веществ обсуждаются более подробно в следующей главе. Здесь даются лишь общие положения.

Белковый компонент окислительного фермента придает ему субстратную специфичность, активирует как субстрат, так и про-стетическую группу и часто изменяет окислительно-восстановительный потенциал этой группы. Хотя существует множество окислительных ферментов, известно лишь несколько коферментов; каждый фермент специфичен не только к своему субстрату, но и к своему коферменту. Встречаются реакции, в которых метаболит (МН2) реагирует непосредственно с 02:

Однако при таких реакциях невозможно запасание энергии для синтеза АТР. Обычно дегидрогеназа катализирует перенос электрона от субстрата к коферменту:

рЩ-К/.О.+ ЗАОР + Р,

Н20 + 3???

МН2 + v2o2

? + Н20

MHS + кофермент

? -J- кофермент -H2

а окисление восстановленного кофермента катализируется другим" ферментом в ходе независимого процесса.

396

III. МЕТАБОЛИЗМ

12.1.1. Коферменты дегидрогеназ

Как акцептор электронов субстрата чаще всего используется кофермент никотинамидадениндинуклеотид (NAD+)

NH,

но—р—о—

о

CONHo

он он

никоглинамиАаЭенинЭинуклеотиа (NAD*)

При участии дегидрогеназного белка совершается перенос гидрид-иона от субстрата к никотинамидной части молекулы кофермента, и при этом в среду переходит протон:

Л1Н2 + NAD+ -* ? + NADH + Н+

Подробности этого процесса описаны в гл. 13. Таким же образом функционирует никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADP+) (разд. 13.1). Восстановленные формы этих коферментов обозначаются соответственно NADH и NADPH. Восстановленный кофермент более уже не взаимодействует с дегидрогеназой. Как окисленный субстрат, так и восстановленный пиридиннуклеотид отделяются от дегидрогеназы; восстановленный кофермент затем вновь окисляется путем переноса электронов к акцептору, связанному со вторым ферментом.

Несмотря на то что NAD и NADP имеют почти одинаковые потенциалы средней точки Е'о, они по-разному используются в метаболизме. В общем случае NAD функционирует в качестве кофермента в большинстве тех реакций, при которых свободная энергия окисления субстрата сохраняется для последующего синтеза АТР. Так, NAD участвует в пяти из шести стадий процесса окисления глюкозы. С участием NADP как восстановителя протекают процес-

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

397

сы синтеза какого-либо клеточного компонента или запасания энергии. В растениях NADP действует в последовательности •реакций, завершающей восстановительный синтез глюкозы из С02 с использованием световой энергии. Как у растений, так и у животных NADH используется в последовательностях реакций синтеза жирных кислот, стероидов и аминокислот.

? О

Н+ + NADH +

НзС-С^^С

N I

? ?—с-

isi

?—? I

?

?—с—С ? I

?—с—он

i

«—с—он о

I

?—С—??

?

-?—о—?—?-? I он он

¦ флавннадениннуклеотид ((FAD)

ОН он

н,с—с I

н,с—с

?

?

? о

I II

.?, ?.

С ?—?

II I + ???+·

? ? It,

? ? ??-осгпаптак мо-

R

FADH,

леку лы, привезенной выше)

Ко второй группе окислительных ферментов относятся ферменты, требующие в качестве кофактора одно из двух производных витамина рибофлавина (гл. 50); флавинмононуклеотид (FMN) или •флавинадениндинуклеотид (FAD). В противоположность легко отщепляющимся от ферментного белка пиридиннуклеотидам оба флавиновых нуклеотида всегда прочно связаны с белком, в некоторых случаях ковалентно; это соединение называется флавопро-•теидом. Флавопротеиды переносят электроны, как правило, в составе атомов водорода, от органического субстрата к рибофлави-новому компоненту кофермента. С точки зрения значимости катализируемых реакций особенно интересны два флавопротеида; сукцинатокисляющий (сукцинатдегидрогеназа) и катализирующий восстановление своего флавинового кофермента восстановленным гшридиннуклеотидом (NAD?-дегидрогеназа). Превращения, которые претерпевает восстановленный флавопротеид, рассмотрены далее в этой главе.

398

III. МЕТАБОЛИЗМ

12.2. Цикл лимонной кислоты

Главная последовательность реакций, которая обеспечивает электронами систему переноса электронов, где совершается восстановление кислорода с сопряженным образованием АТР, известна под названием цикла лимонной кислоты, цикла трикарбоновых кислот или цикла Кребса.

На рис. 12.1 показаны основные промежуточные продукты цикла лимонной кислоты. Последовательность реакций начинается конденсацией ацетил-СоА с щавелевоуксусной кислотой (реакция I) с образованием шестиуглеродной трикарбоновой (лимонной) кислоты. При каждом обо