Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

128

FAD (FMN)

FADH

(FMNH

)

+ 2 [H]

- 2[H]

Рис 7.5. Окисление—восстановление флавиновых кофакторов

Реакционноспособной частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая

система, содержащая двойные сопряженные связи. Структура изоаллоксази-

новой системы изменяется при восстановлении (рис. 7.5). Следует отметить,

что дегидрирование с участием флавиновых кофакторов также сопровождает-

ся отщеплением от субстрата двух атомов водорода, но в отличие от никоти-

намидных коферментов, акцептирующих гидрид-ион, флавиновые кофакторы

акцептируют оба атома водорода (рис. 7.5). Поэтому восстановленные формы

флавинадениндинуклеотида и флавинмононуклеотида обозначаются как

FADН

и FMNН

, соответственно.

Флавиновые кофакторы являются более сильными окислителями, чем ни-

котинамидные, а восстановленные формы никотинамидных коферментов

служат более сильными восстановителями, чем восстановленные флавины.

В качестве других переносчиков восстановительных эквивалентов извест-

ны цитохромы, хиноны, липоевая и аскорбиновая кислота, глутатион.

7.2. Переносчики фосфатных групп. Преобразование

энергии в клетке

Кофакторы — переносчики фосфатных групп являются обязательными

компонентами не менее 225 ферментов. Подавляющее большинство этих

ферментов специфично к аденозиндифосфату (ADP), и их называют киназа-

ми. Типичную киназную реакцию можно представить схематически:

x-P

+ ADP ® x + ATP, (7.1)

где x-P

— фосфорилированный субстрат, выполняющий роль донора неорга-

нического фосфата (P

); ADP — акцептор фосфатной группы; х —

дефосфорилированный донор; АТР — аденозинтрифосфат.

После этой реакции может осуществиться другая киназная (уравнение 7.2)

либо синтетазная (уравнение 7.3) реакция:

y + ATP ® y-P

+ ADP (7.2)

y + z + ATP ® y-z + ADP + P

(7.3)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

129

Нетрудно заметить, что в реакциях типа 7.2 и 7.3 высвобождается ADP,

который снова может принимать участие в реакции типа 7.1, что и дает осно-

вание отнести аденозиндифосфат к кофакторам.

В реакции типа 7.1 формируется АТР — богатое энергией вещество, ос-

новной поставщик энергии в клеточных процессах. В реакции типа 7.2 АТР

выполняет роль донора фосфатной группы, а в реакции типа 7.3 —донора

энергии для взаимодействия вещества «y» с веществом «z». Но по сути АТР

служит сопрягающим агентом, позволяющим осуществиться реакциям 7.2 и

7.3 за счет распада вещества x-P

(реакция 7.1).

Особенности структуры молекулы АТР. Аденозинтрифосфат имеет

своеобразное строение (рис. 7.6): при значениях рН, близких к 7, трифосфат-

ный компонент несет около четырех отрицательных зарядов, которые нахо-

дятся в непосредственной близости друг к другу и сильно взаимоотталкива-

ются. Электростатическое отталкивание между заряженными группами ос-

лабляется при гидролизе АТР. Кроме того, АТР характеризуется меньшей

резонансной стабилизацией, чем продукт его гидролиза — ADP и P

. Таким

образом, АТР является термодинамически неустойчивой молекулой и гидро-

лизуется с образованием ADP или АМР. При этом расщепляются макроэр-

гические связи (обозначаются знаком ~) и выделяется большое количество

энергии.

При гидролизе макроэргических связей АТР при рН 7 в стандартных ус-

ловиях изменение свободной энергии составляет от –30 до –35 кДж/моль,

независимо от того, какая из ангидридных связей АТР при этом расщепляет-

ся. Эта энергия может быть расходована для запуска реакций, требующих

притока энергии, или для активации молекул (некоторые вещества способны

подвергаться превращениям только в активированном виде). При этом тер-

модинамически невыгодная реакция может быть превращена в термодинами-

чески выгодную путем сопряжения с гидролизом АТР.

Действующей формой АТР является комплекс с ионом Mg

, кординаци-

онно связанным с a- и b-фосфатом.

OH HO

O P O

При гидролизе этой

связи образуются:

АМР и РР

(пирофосфат)

При гидролизе этой

связи образуются:

ADP и P

Рис. 7.6. Структура молекулы АТР

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

130

Строго говоря, АТР является непосредственно используемым донором

свободной энергии, а не формой ее запасания: обычно молекула АТР расхо-

дуется в течение 1 мин после образования. Известно, что человек в покое

расходует до 40 кг АТР за 24 ч, а во время интенсивной работы скорость ис-

пользования АТР может достигать 0,5 кг/мин. Такие жизненно важные про-

цессы, как движение, активный транспорт веществ через мембраны, биосин-

тез, поддержание температуры организма, осморегуляция, генерация и про-

ведение нервных импульсов, свечение, мышечные сокращения, требуют не-

прерывной регенерации АТР. Как же образуется АТР?

Образование АТР. Аденозинтрифосфат — «основная энергетическая ва-

люта клетки» — может образовываться в ходе нескольких процессов, сопро-

вождающихся следующими механизмами.

1. Окислительное фосфорилирование, которое осуществляется в про-

цессе дыхания (аэробного либо анаэробного) и требует обязательного участия

мембран. Движущей силой синтеза АТР служит энергия протонного градиен-

та на мембране.

2. Фотофосфорилирование — механизм трансформирования световой

энергии в энергию макроэргических связей АТР, реализующийся при фото-

синтезе. Также требует участия биомембран, поскольку и в этом случае дви-

жущей силой синтеза АТР выступает энергия протонного градиента на мем-

бране.

3. Субстратное фосфорилирование. Здесь АТР синтезируется при рас-

щеплении макроэргических связей некоторых метаболитов. Процесс не тре-

бует участия мембран и реализуется в катаболитных путях и в ходе некото-

рых типов брожения.

Во всех перечисленных процессах АТР образуется из АDP и неорганиче-

ского фосфата. В свою очередь, АDP может образовываться из АТР и АМР,

чему способствуют взаимопревращения, катализируемые ферментом адени-

латкиназой согласно следующему уравнению реакции:

АТР + АМР « АDP + АDP (7.4)

Важно отметить, что по потенциалу переноса фосфатной группы АТР за-

нимает промежуточное положение в ряду биологически важных фосфорили-

рованных молекул, выполняя функцию и доноров, и акцепторов энергии в

обмене веществ. Это означает, что должны существовать соединения, харак-

теризующиеся более высоким потенциалом переноса неорганического фосфа-

та, чем АТР. Данные соединения (ацетилфосфат, креатинфосфат, фосфоенол-

пируват, 1,3-дифисфоглицерат, карбамоилфосфат и некоторые другие) также

содержат макроэргические связи и называются макроэргическими соедине-

ниями.

Основным признаком макроэргической связи является то, что при ее рас-

щеплении или новообразовании изменение уровня свободной энергии состав-

ляет гораздо большую величину (в среднем 25—50 кДж/моль), чем при пре-

образовании нормальной связи (порядка 12,5 кДж/моль). Макроэргические

связи представлены в основном сложноэфирными связями, в том числе тио-

эфирными, ангидридными (как в молекуле АТР) и фосфоамидными. Практи-

чески все известные макроэргические соединения содержат по месту локали-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

131

зации данных связей атомы серы и фосфора. Аденозиндифосфат, как кофак-

тор киназ, представляет собой подвижный переносчик фосфатной группы и

может быть отнесен к коферментам.

Некоторые ферменты используют в качестве переносчиков фосфатных

групп другие нуклеозиддифосфаты — GDP, UDP или CDP, однако такие ре-

акции встречаются нечасто.

7.3. Переносчики карбоксильных групп

Реакции карбоксилирования—декарбоксилирования и транскарбоксили-

рования осуществляются с участием ферментов, многие из которых нуждают-

ся в посредстве биотина. Биотин (витамин Н) служит простетической груп-

пой ферментов и связывается с их белковой частью ковалентно через e-

аминогруппу лизина (рис. 7.7). Гетероциклическая часть молекулы биотина

состоит из имидазольного (И) и тиофенового (Т) циклов, а боковая цепь

представлена остатком валериановой кислоты. Активной формой биотина-

кофактора служит N

-карбоксибиотин («актив-ный карбоксил»).

Биотинсодержащие ферменты принимают участие в процессах фиксации

углекислоты, биосинтеза липидов, аминокислот, углеводов, нуклеиновых ки-

слот и других веществ. При этом роль биотина состоит в осуществлении со-

пряжения расщепления АТР с карбоксилированием: на первой стадии проис-

ходит присоединение бикарбоната (НСО

) или СО

к биотину с образованием

карбоксибиотина, для чего и необходим гидролиз АТР. На второй стадии

карбоксибиотин передает карбоксильную группу субстрату, выполняя роль

своеобразной «подвижной руки» в составе ферментного комплекса.

Известен только один биотинсодержащий фермент, который для катализа

не требует участия АТР — карбокситрансфераза пропионовокислых бакте-

рий. Но и в этом случае роль переносчика карбоксильной группы играет био-

тин.

HC CH

Остаток валериановой

кислоты

Биотин

(CH

)

HC CH

...лизин

фермент

Активный карбоксил

Рис. 7.7. Структура биотина и «активного карбоксила»

7.3. Переносчики ацильных групп

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

132

Незаменимым кофактором переноса ацильных остатков в клетках являет-

ся коэнзим А (СоА), который еще называют коферментом А. Это соедине-

ние служит коферментом не менее 80 известных ацилпереносящих фермен-

тов, принимающих участие в цикле трикарбоновых кислот, b-окислении

жирных кислот, брожении некоторых типов, обмене углеводов и во множест-

ве других жизненно важных процессов.

В составе молекулы коэнзима А присутствует витамин В

(пантотеновая

кислота) (рис. 7.8), составными частями которого являются пантоевая кисло-

та и b-аланин. Реакционноспособной группой коэнзима А служит сульфгид-

рильная (SH-) группа, расположенная на конце длинной, относительно гибкой

цепи. По этой группе с помощью тиоэфирной связи и осуществляется присое-

динение ацильных остатков. Образующиеся в результате производные носят

название ацил-СоА.

Простейшим ацильным производным является ацетил-СоА (рис. 7.8). Это

соединение характеризуется высоким потенциалом переноса ацетильной

группы, что подтверждается большой отрицательной величиной изменения

свободной энергии (DG

) для реакции гидролиза ацетил-СоА:

HS CH

NH CO CH

CHCONH C

O (OH)

Остаток тиоламина

Остаток аланина

Остаток пантоевой

кислоты

Остаток пантотеновой кислоты

(витамин В

)

Остаток 3'-фосфо-

аденозин-5'-дифосфата

Коэнзим А (3'-фосфо- ADP-пантоил-b-аланил-цистеамин

)

R C

S CoA

Ацил-СоА

CoAS

C C

Ацетил-СоА

Рис. 7.8. Структура коэнзима А и его производных. В пунктирном контуре за-

ключена активная сульфгидрильная группа

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

133

Ацетил-СоА + Н

О « Ацетат + СоА + Н

= -31,4 кДж/моль

Коэнзим А является подвижным кофактором и в процессе переноса

ацильных остатков взаимодействует с разными ферментами. Кроме него, в

клетках присутствует другой распространенный кофактор, переносящий

ацильные остатки — фосфопантетеин (рис. 7.9). Фосфопантетеин ковалентно

(через остаток серина) связан с ацилпереносящим белком, принимающим

участие в биосинтезе жирных кислот. Таким образом, данный кофактор явля-

ется простетической группой белков. Его функции аналогичны функциям

СоА.

Связанный фосфопантетеин обнаружен также в цитрат-расщепляющем

ферменте и в ферментах, участвующих в синтезе пептидных антибиотиков.

CNH CO CHCH

CONHCH

HS CH

Фосфопантетеин

С помощью этой связи

фосфопантетеин присо-

единяется к ферменту

Рис. 7.9. Структура фосфопантетеина

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

137

Глава 9. КАТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

Процессы расщепления сложных питательных веществ происходят в

клетках через ряд последовательных ферментативных реакций, которые

можно объединить в три стадии. На первой стадии полимерные молекулы

расщепляются до мономеров (глава 8). Мономеры (гексозы, пентозы, амино-

кислоты, жирные кислоты, глицерол) на второй стадии катаболизма превра-

щаются в еще более простые и меньшие по размеру молекулы, среди которых

преобладают: пируват, ацетил-СоА, a-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинат,

фумарат. Наконец, на третьей стадии эти строительные блоки могут в аэроб-

ных клетках вступать в цикл трикарбоновых кислот, где происходит их окон-

чательное окисление до СО

и Н

О. На второй и третьей стадиях выделяется

свободная энергия, и формируются восстановительные эквиваленты. Послед-

ние могут поступать в дыхательную цепь, где на уровне окислительного фос-

форилирования запасается большое количество энергии в форме макроэрги-

ческих связей АТР.

В анаэробных условиях строительные блоки, сформировавшиеся на 2-й

стадии, могут подвергаться брожению различного типа. При этом образуются

продукты брожения (в основном органические кислоты, спирты, СО

), кото-

рые выводятся из клетки. Только в некоторых химических реакциях в ходе

брожения запасается энергия (используется механизм субстратного фосфори-

лирования).

В данной главе будут рассмотрены основные катаболические процессы,

приводящие к высвобождению большого количества свободной энергии: b-

окисление жирных кислот и катаболизм гексоз. Именно названные субстраты

обеспечивают клеткам наиболее высокий уровень метаболизма, являясь уни-

версальными источниками энергии и углерода. Кроме этого, многие клетки

способны осуществлять окислительное расщепление аминокислот (данный

процесс будет рассмотрен в главе «Метаболизм азотсодержащих соедине-

ний»), а также использовать в качестве субстратов менее распространенные и

даже уникальные химические соединения.

9.1. Окисление жирных кислот

Биологическое окисление жирных кислот можно сопоставить со сгорани-

ем углеводородов: как в одном, так и в другом случае наблюдается наиболь-

ший выход свободной энергии. При биологическом b-окислении углеводо-

родной части жирных кислот образуются двууглеродные активированные

компоненты, доокисляющиеся в ЦТК, и большое количество восстановитель-

ных эквивалентов, которые приводят к синтезу АТР в дыхательной цепи.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

138

Большинство аэробных клеток способно к полному окислению жирных ки-

слот до углекислого газа и воды.

Источником жирных кислот служат экзогенные или эндогенные липиды.

Последние чаще всего представлены триацилглицеридами, которые отклады-

ваются в клетках в качестве резервного источника энергии и углерода. Кроме

этого, клетки используют и полярные липиды мембран, метаболическое об-

новление которых происходит постоянно. Липиды расщепляются с помощью

специфических ферментов (липазы) до глицерола и свободных жирных ки-

слот.

b-окисление жирных кислот. Этот основной процесс окисления жирных

кислот осуществляется у эукариот в митохондриях. Переносу жирных кислот

через мембраны митохондрий способствует карнитин (g-триметиламино-b-

оксибутират), который связывает молекулу жирной кислоты особым образом,

в результате чего положительный (на атоме азота) и отрицательный (на атоме

кислорода карбоксильной группы) заряды оказываются сближенными и ней-

трализуют друг друга.

После транспорта в матрикс митохондрий жирные кислоты подвергаются

активации с помощью СоА в АТР-зависимой реакции, которую катализирует

ацетат-тиокиназа (рис. 9.1). Затем ацил-СоА-производное окисляется с уча-

стием ацил-дегидрогеназы. В клетке существует несколько разных ацил-

дегидрогеназ, специфичных к СоА-производным жирных кислот с разной

длиной углеводородной цепи. Все эти ферменты используют FAD в качестве

простетической группы. Образующийся в реакции FADH

в составе ацил-

дегидрогеназы окисляется другим флавопротеидом, переносящим электроны

к дыхательной цепи в составе митохондриальной мембраны.

Продукт окисления — еноил-СоА гидратируется под действием еноил-

гидратазы с образованием b-гидроксиацил-СоА (рис. 9.1). Существуют ено-

ил-СоА-гидратазы, специфичные к цис- и транс-формам еноил-СоА-

производных жирных кислот. При этом транс-еноил-СоА гидратируется сте-

реоспецифически в L-b-гидроксиацил-СоА, а цис-изомеры — в D-

стереоизомеры -b-гидроксиацил-СоА-эфиров.

Последний этап реакций b-окисления жирных кислот представляет собой

дегидрирование L-b-гидроксиацил-СоА (рис. 9.1). Окислению подвергается

b-углеродный атом молекулы, поэтому и весь процесс носит название b-

окисления. Катализирует реакцию b-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназа, спе-

цифичная только к L-формам b-гидроксиацил-СоА. Этот фермент использует

в качестве кофермента NAD. Дегидрирование D-изомеров b-гидроксиацил-

СоА осуществляется после дополнительной стадии изомеризации их в L-b-

гидроксиацил-СоА (фермент b-гид-роксиацил-СоА-эпимераза). Продукт дан-

ного этапа реакций представляет собой b-кетоацил-СоА, легко расщепляю-

щийся тиолазой на 2 производных: ацил-СоА, который короче исходного ак-

тивированного субстрата на 2 углеродных атома, и ацетил-СоА —

двууглеродный компонент, отщепленный от жирнокислотной цепи (рис. 9.1).

Ацил-СоА-производное подвергается следующему циклу реакций b-

окисления, а ацетил-СоА может вступать в цикл трикарбоновых кислот для

дальнейшего окисления.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

139

Жирная кислота

C SCCH

R CH

CoA

CH CoAR CH C S

FAD

FADH

CoAR CH CH

C S

SCCH

R C

CoA

NAD

NADH

Гидратация

Дегидрирование

CoAR C S

SCH

C CoA

+ ATP; + CoA

+ AMP + PP

+ H

Ацил-СоА

Еноил-СоА

b-Гидроксиацил-СоА

Кетоацил-СоА

Ацил-СоА

Ацетил-СоА

Последова-

тельность

реакций

окисления

+ СоА

Ацетат-

тиокиназа

Ацил-СоА-

дегидрогеназа

Еноил-

гидратаза

Гидроксиацил-

дегидрогеназа

Кето-

тиолаза

Рис. 9.1. Процесс b-окисления жирных кислот. R-углеводородная часть моле-

кулы жирной кислоты

Таким образом, каждый цикл b-окисления жирных кислот сопровождает-

ся отщеплением от субстрата двууглеродного фрагмента (ацетил-СоА) и двух

пар атомов водорода, восстанавливающих 1 молекулу NAD

и одну молекулу

FAD. Процесс продолжается до полного расщепления жирнокислотной цепи.

Если жирная кислота состояла из нечетного числа атомов углерода, то b-

окисление завершается образованием пропионил-СоА, который в ходе не-

скольких реакций превращается в сукцинил-СоА и в таком виде может всту-

пать в ЦТК.

Большинство жирных кислот, входящих в состав клеток животных, рас-

тений и микроорганизмов, содержит неразветвленные углеводородные цепи.

В то же время в липидах некоторых микроорганизмов и в восках растений

присутствуют жирные кислоты, чьи углеводородные радикалы имеют точки

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

140

ветвления (обычно в виде метильных групп). Если ветвлений немного, и все

они приходятся на четные положения (у углеродных атомов 2, 4 и т. д.), то

процесс b-окисления происходит по обычной схеме с образованием ацетил- и

пропионил-СоА. Если же метильные группы расположены у нечетных атомов

углерода, процесс b-окисления блокируется на стадии гидратирования. Это

следует учитывать при производстве синтетических детергентов: чтобы обес-

печить их быструю и полную биодеградацию в окружающей среде, надо к

массовому потреблению допускать лишь варианты с неразветвленными угле-

водородными цепями.

Окисление ненасыщенных жирных кислот. Этот процесс осуществля-

ется с соблюдением всех закономерностей b-окисления. Однако большинство

природных ненасыщенных жирных кислот имеет двойные связи в таких мес-

тах углеводородной цепи, что последовательное удаление двууглеродных

фрагментов с карбоксильного конца дает ацил-СоА-производное, у которого

двойная связь находится в положении 3—4. К тому же двойные связи при-

родных жирных кислот имеют цис-конфигурацию. Чтобы смогла осущест-

виться стадия дегидрирования с участием b-гидроксиацил-СоА-

дегидрогеназы, специфичной к L-формам b-гидроксиацил-СоА, необходима

дополнительная стадия ферментативной изомеризации, в ходе которой двой-

ная связь в молекуле СоА-производного жирной кислоты перемещается из

положения 3—4 в положение 2—3 и изменяется конфигурация двойной связи

из цис- в транс-. Такой метаболит служит субстратом еноил-гидратазы, пре-

вращающей транс-еноил-СоА в L-b-гидроксиацил-СоА.

В тех случаях, когда перенос и изомеризация двойной связи оказываются

невозможными, такая связь восстанавливается при участии NADPH. После-

дующая деградация жирной кислоты происходит по обычному механизму b-

окисления.

Второстепенные пути окисления жирных кислот. b-Окисление пред-

ставляет собой основной, но не единственный путь катаболизма жирных ки-

слот. Так, в клетках растений обнаружен процесс a-окисления жирных ки-

слот, содержащих в составе 15—18 атомов углерода. Этот путь включает

первичную атаку жирной кислоты пероксидазой в присутствии перекиси во-

дорода, в результате чего карбоксильный углерод отщепляется в виде СО

, а

атом углерода в a-положении окисляется до альдегидной группы. Затем аль-

дегид окисляется при участии дегидрогеназы в высшую жирную кислоту, и

процесс повторяется снова (рис. 9.2). Однако этот путь не может обеспечить

полного окисления. Он используется лишь для укорочения цепей жирных ки-

слот, а также в качестве обходного пути, когда b-окисление оказывается за-

блокированным из-за присутствия боковых метильных групп. Процесс не

требует участия СоА и не сопровождается образованием АТР.

Некоторые жирные кислоты могут также подвергаться окислению по w-

углеродному атому (w-окисление). В этом случае СН

- группа подвергается

гидроксилированию под действием монооксигеназы, в ходе которого возни-

кает w-оксикислота, которая затем окисляется до дикарбоновой кислоты. Ди-

карбоновая кислота может укорачиваться с любого конца посредством реак-

ций b-окисления.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)