Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

190

расходуются восстановительные эквиваленты и ATP, а фиксированный в

цикле Кальвина углерод бесполезно теряется в виде СО

. Показано, что фото-

дыхание может приводить к реокислению и выделению до 50% углерода,

фиксированного в цикле Кальвина. До сих пор не разгадана целесообразность

этого столь неэкономного и ограничивающего эффективность роста растений

процесса.

Последовательность событий фотодыхания изображена на рис. 13.7.

Можно видеть, что отдельные стадии этого процесса осуществляются в раз-

ных органеллах. Итогом фотодыхания является образование одной

Рибулозодифосфат + О

Фосфогликолат + 3-Фосфоглицерат

Гликолат

+ О

COOH

Глиоксилат

+ NH

Глицин

Глицин + Глицин

1/2 O

ADP

ATP

Серин + NH

Серин

COOH

Гидроксипируват

NADH

NAD

Глицерат

ATP

ADP

Цикл

Кальвина

Хлоро-

пласт

Перокси-

сома

Мито-

хондрия

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

191

Рис. 13.7. Фотодыхание

молекулы фосфоглицерата (3 атома «С») из двух молекул гликолата (4 атома

«С»), а участие кислорода приводит к окислению четвертого атома углерода в

углекислоту. По-видимому, назначение сложной последовательности превра-

щений в фотодыхании состоит в том, чтобы вернуть в цикл хотя бы часть углеро-

да из гликолата, который накапливается в избытке.

При фотодыхании происходит потеря одного атома углерода из каждых

четырех, причем следует учитывать, что на фиксацию этого атома углерода

уже затрачена энергия в цикле Кальвина. Кроме этого, при окислении глици-

на и дезаминировании серина выделяется аммиак, на включение которого в

состав аминокислот снова придется затрачивать энергию. В результате фото-

дыхание снижает потенциальную урожайность С

-растений на 30—40%.

13.2. Зрительное восприятие

Органы зрения представляют собой высокоразвитые рецепторы, в основе

функционирования которых лежат фотохимические реакции светочувстви-

тельных пигментов (фоторецепторов). Для улавливания наибольшего количе-

ства света фоторецепторами светочувствительные клетки глаза (палочки и

колбочки сетчатки) устроены особым образом: их внешние сегменты бук-

вально «напичканы» специализированными мембранами, в которых и нахо-

дятся рецепторные молекулы (рис. 13.8). Каждая такая клетка соединяется с

помощью посредника с аксонами зрительного нерва, в мембранах которых в

результате каскадных реакций в ответ на фотохимические превращения фо-

торецепторов возбуждаются нервные импульсы. Таким образом, свет различ-

ной длины волны, отражаемый объектами, расположенными на различном

расстоянии, воспринимается глазом и преобразуется в нервные импульсы. По

аксонам зрительного нерва эти импульсы поступают в особый отдел головно-

го мозга (зрительную кору) и интерпретируются там, порождая изображение.

В палочках (высокочувствительные клетки сетчатки, отвечающие за

«черно-белое» зрение), в их внешнем, обращенном к окружающей среде сег-

менте, располагается порядка 500 параллельно уложенных дисков диаметром

~ 2 мкм (рис. 13.8). Каждый диск образован парой мембран, разделенных

узким пространством. Мембраны на 60% состоят из белка, основная часть

которого приходится на родопсин — светочувст-вительный хромопротеин.

Хромофором родопсина служит 11-цис-ретиналь, он через e-аминогруппу

остатка лизина связан с белковой частью — опсином (рис. 13.8). Родопсин

присутствует в мембранах дисков в виде трансмембранного белка.

При поглощении молекулой родопсина кванта света происходит изомери-

зация 11-цис-ретиналя в полностью транс-ретиналь (рис. 13.8). В результате

этой фотохимической реакции родопсин переходит в активную форму и сти-

мулирует G-белок, циркулирующий в цитоплазме палочек. В свою очередь,

G-белок запускает каскад передачи сигнала, который и приводит к генериро-

ванию нервного импульса в мембранах нервных клеток.

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

192

Свет

Наружный

сегмент

Мемб-

ранные

диски

Синапс

Отростки

нервных

клеток

Палочка сетчатки глаза

ядро

11-цис-ретиналь

Полностью транс-ретиналь

опсин

Связанная с белком

форма цис-ретиналя

Рис. 13.8. Схематическое строение палочки. Родопсин. Изомеризация ретина-

ля из цис-формы в транс-форму

Транс-ретиналь характеризуется низким сродством к опсину, и спустя ко-

роткое время активированный родопсин диссоциирует на опсин и полностью

транс-ретиналь. Специальная ретиналь-изомераза катализирует превращение

транс-ретиналя в его цис-форму, после чего происходит самопроизвольная

ассоциация цис-ретиналя с опсином, обусловленная высоким сродством этих

структурных частей друг к другу, и снова образуется родопсин. Все перечис-

ленные события циклически повторяются и известны под названием зри-

тельный цикл (рис. 13.9).

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

193

Для понимания механизма генерирования нервного импульса в ходе кас-

кадных событий, вызванных изомеризацией ретиналя под действием

Родопсин

( )

Родопсин*

(транс ретиналь)

Транс ретиналь опсин

Стимуляция G белка

Ретиналь

изомераза

Активация GMP

фосфодиэстеразы

Падение уровня cGMP

Закрывание катионных

каналов

Гиперполяризация

мембраны палочки

Остановка выброса

нейромедиатора

Генерация нервного

импульса в мембранах

нейронов

11-цис-ретиналь

Рис. 13.9. Зрительный цикл и связанные со световой активацией родопсина

каскадные реакции, приводящие к генерации нервного импульса в мембранах

нейронов (родопсин* — активированная форма родопсина;

cGMP- циклический гуанозинмонофосфат)

света, следует учитывать некоторые особенности функционирования свето-

чувствительных клеток. В мембране палочки находятся катионные насосы,

которые постоянно выкачивают ионы Na

и Ca

из клетки, создавая на ней

ионный градиент. В темноте внутрь палочек постоянно течет поток ионов

натрия и кальция, которые пользуются cGMP-зависимыми каналами для воз-

вращения в клетку согласно закономерностям облегченной диффузии. Эти

каналы остаются открытыми при связывании с ними циклического гуанозин-

монофосфата (cGMP).

При освещении происходят следующие события. Активный родопсин, в

составе которого цис-ретиналь подвергнулся фотохимическому превращению

в полностью транс-ретиналь, связывается с G-белком. При этом в составе G-

белка GDP обменивается на GTP и белок диссоциирует на субъединицы, одна

из которых представляет собой активную GTP-a-субъединицу. Эта структура

активирует фермент сGMP-фосфодиэстеразу, которая катализирует гидролиз

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

194

циклического гуанозинмонофосфата. Уровень сGMP быстро понижается, что

приводит к перекрыванию катионных каналов. В результате концентрация

ионов Na

и Ca

на внутренней поверхности мембраны палочки резко падает,

поскольку продолжают работать катионные насосы: происходит гиперполя-

ризация клетки. Гиперполяризация замедляет высвобождение из палочек воз-

буждающего нейромедиатора (глутамата), и в ответ на это опосредованным

образом в аксонах зрительного нерва возникает потенциал действия (гла-

ва 4).

Активная GTP-a-субъединица G-белка существует очень непродолжи-

тельное время и инактивируется за счет гидролиза GTP. Образуется свобод-

ная a-субъединица, ассоциирующая с остальными субъединицами с образо-

ванием G-белка, способного снова перейти в активную форму за счет связы-

вания с активным родопсином.

Бактериородопсин. Белок, похожий по структуре на родопсин глаза

(бактериородопсин), обнаружен в клетках некоторых архебактерий, где он

тоже используется для фоторецепции. Высокоспециализированная в физиоло-

гическом отношении группа галобактерий (Halobacterium, Halococcus, Natro-

coccus, Natrobacterium) содержит необычные пурпурные мембраны, окра-

шенные в ярко оранжевые — ярко красные тона за счет содержания в них

бактериородопсина. Эти бактерии уникальны тем, что способны за счет по-

глощения энергии света генерировать на мембране протонный градиент, ко-

торый используется в качестве движущей силы при синтезе АТР. Другой от-

личительной особенностью галобактерий является способность развиваться в

концентрированных растворах солей (галофилия).

Бактериородопсин представляет собой интегральный белок пурпурной

мембраны, в которой он формирует полый цилиндр. Хромофором бактерио-

родопсина служит ретиналь. В темноте ретиналь находится в полностью

транс-форме и его альдиминная группа (= N

H -) протонирована (рис. 13.8).

При освещении ретиналь перегруппировывается в 13-цис-форму, а альди-

минная группа отдает протон, который через канал выводится на наружную

поверхность мембраны. Так на мембране создается протонный градиент. За-

кономерности синтеза АТР за счет энергии протонного градиента такие же,

как при окислительном фосфорилировании. Таким образом, бактериородоп-

син в пурпурных мембранах выполняет роль протонного насоса, приводимого

в действие светом.

Энергия, запасенная в ходе такого необычного способа «фотосинтеза»,

дополняет энергию, которую галобактерии запасают в ходе дыхания.

13.3. Биолюминесценция

Под биолюминесценцией понимают способность живых организмов ис-

пускать видимый свет. В основе данного явления лежит ферментативное

аэробное окисление веществ особого семейства, называемых люциферина-

ми. Катализирующие этот процесс ферменты называют люциферазами.

Энергия, выделяющаяся в процессе окисления люциферинов, превращается в

энергию электронного возбуждения молекул, способных испускать ее в виде

фотонов. Свечение может иметь самые разные тона: от голубого до красного.

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

195

К биолюминесценции способны многие организмы: бактерии, грибы, про-

стейшие, моллюски, насекомые (светляки), кишечнополостные животные,

ракообразные, рыбы и др. Люциферины этих организмов сильно различаются

по структуре и свойствам. Большинство из них испускают свет при окисле-

нии, взаимодействуя с О

. Однако некоторые люциферины, например такие,

как фотобелок медуз, активируются ионами кальция.

У светящихся бактерий роль люциферина выполняет FMNH

. При его

окислении в присутствии альдегида с длинной цепью (не менее 8 атомов уг-

лерода) происходит одновременное окисление альдегида в карбоновую ки-

слоту и люциферина в FMN:

FMNH

+ O

+ R—CHO + люцифераза ®

® FMN + H

O + R—COOH + фотон

Эта реакция протекает, видимо, через стадию образования пероксида фла-

винмононуклеотида, а свечение характеризуется длиной волны ~490 нм.

Светящиеся организмы могут использовать явление биолюминесценции

для опознавания особей своего вида, приманки добычи, в качестве брачных

сигналов, отпугивания хищников и отвлечения их внимания, для «высвечи-

вания» жертвы и т. д. Менее понятна роль биолюминесценции для низкоор-

ганизованных организмов, например бактерий.

Существует точка зрения, согласно которой биолюминесценция возникла

на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным как защитная

реакция по отношению к мощному окислителю — молеку-лярному кислоро-

ду.

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

196

Часть четвертая. МЕТАБОЛИЗМ.

ПРОЦЕССЫ, ТРЕБУЮЩИЕ ПРИТОКА ЭНЕРГИИ

Глава 14. ОСОБЕННОСТИ БИОСИНТЕЗА.

БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ

Биосинтез клеточных веществ составляет одну из основных «затратных

статей» метаболизма: на эти нужды расходуется самая большая доля энергии,

запасенной в составе АТР, восстановительных эквивалентов и строительных

блоков. Биосинтетические реакции относят к анаболизму, особенности кото-

рого и взаимосвязь с другими гранями метаболизма описана в главе 8. К этой

информации стоит добавить еще несколько важных закономерностей биосин-

тетических процессов: 1) пути биосинтеза сложных клеточных соединений

часто осуществляются параллельно соответствующим путям катаболизма, в

которых формируются строительные блоки — предшественники биосинтеза.

Однако последовательности реакций в этих взаимообращенных путях нико-

гда полностью не совпадают, так же как не совпадают наборы ферментов,

принимающих участие в этих процессах; 2) регуляция путей биосинтеза и

катаболитных процессов осуществляется независимо, на уровне разных фер-

ментов; 3) вступление веществ в пути биосинтеза требует их активации, что

чаще всего осуществляется в ходе фосфорилирования при участии АТР;

4) процессы биосинтеза родственных по структуре и функциям соединений

часто представляют собой «разветвленные» пути, в которых продукт одной

серии реакций становится субстратом для синтеза других продуктов; 5) роль

предшественников в биосинтезе большинства клеточных веществ выполняет

ограниченное количество субстратов, которые образуются в ходе основных

катаболических и анаболических процессов и принадлежат к ключевым

промежуточным соединениям клетки.

Большинство перечисленных закономерностей биосинтеза можно обна-

ружить, например, при сравнении процессов гликолиза и глюконеогенеза.

Последний будет рассмотрен в данной главе.

14.1. Закономерности обмена и биосинтеза моносахаридов

Ключевым промежуточным соединением в обмене углеводов можно на-

звать глюкозо-6-фосфат. Это вещество может образовываться из экзогенной

глюкозы при ее фосфорилировании в процессе транспорта через мембраны

или сразу после этого. Кроме того, глюкозо-6-фосфат образуется в клетках

автотрофных организмов, способных к фиксации СО

, в процессе глюконео-

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

197

генеза из глицеральдегид-3-фосфата (рис. 13.5). Другими источниками глю-

козо-6-фосфата являются: пируват (образуется в результате большинства ка-

таболитных путей расщепления углеводов), некоторые промежуточные про-

дукты ЦТК, углеродные скелеты гликогенных аминокислот, лактат (продукт

молочнокислого брожения), глицерол (образуется при расщеплении липидов).

Все эти вещества могут вовлекаться в процесс глюконеогенеза — синтеза

глюкозы из неуглеводных предшественников. Кроме этого, в клетках расте-

ний и многих микроорганизмов глюкоза может образовываться из ацетил-

СоА — продук-та расщепления жирных кислот. В этом случае используются

два специфических фермента глиоксилатного цикла, отсутствующие в клет-

ках высших животных. Эти ферменты (изоцитрат-лиаза и малат-синтаза)

участвуют в превращении ацетил-СоА в сукцинат, который затем преобразу-

ется в оксалоацетат (рис. 11.7) и вступает в процесс глюконеогенеза. Нако-

нец, еще одним источником глюкозы, а значит, и глюкозо-6-фосфата являют-

ся резервные полисахариды.

Расходуется глюкозо-6-фосфат в клетках следующим образом. Во-первых,

он является субстратом разнообразных катаболических путей, в которых за-

пасается энергия, образуются восстановительные эквиваленты и строитель-

ные блоки (глава 9). Во-вторых, глюкозо-6-фосфат способен изомеризоваться

в глюкозо-1-фосфат и служить субстратом для биосинтеза гликогена либо

иных запасных и структурных полисахаридов. Глюкозо-6-фосфат может де-

фосфорилироваться с образованием глюкозы, которая способна трансформи-

роваться в клетках в другие моносахариды, например галактозу, маннозу,

фруктозу, глюкуроновую кислоту. Названные соединения принимают участие

в процессах образования сложных полисахаридов клеточных стенок или дру-

гих структур.

Большинство перечисленных выше способов образования и расходования

моносахаридов уже охарактеризовано в предыдущих разделах. Здесь внима-

ние будет уделено одному из центральных путей образования ключевого про-

дукта углеводного обмена (глюкозо-6-фосфата) —глюконеогенезу.

Глюконеогенез. Этот процесс характерен для представителей всех царств

живых организмов, но наиболее важное значение имеет для клеток высших

животных. Дело в том, что эмбриональные ткани, мозг, семенники, эритро-

циты в качестве источника углерода способны использовать только D-

глюкозу. Если в рационе недостает углеводов, в печени индуцируется распад

гликогена, но и этого источника может оказаться недостаточно (мозг челове-

ка в сутки потребляет более 120 г глюкозы). В таком случае глюкоза синтези-

руется в организме из неуглеводных предшественников в ходе глюконеогене-

за. Наиболее активно глюконеогенез осуществляется у животных в клетках

печени и почек.

Реакции глюконеогенеза в большой степени тождественны обратным ре-

акциям гликолиза, и многие из них катализируются теми же ферментами,

которые задействованы в гликолизе (риc. 14.1).

Итак, в гликолизе имеется три практически необратимые реакции, взамен

которых в глюконеогенезе существуют обходные пути. Первый обходной

путь представляет собой превращение пирувата в фосфоенол-

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

198

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-дифосфат

Глицеральдегид-

-3-фосфат

Дигидрокси-

ацетонфосфат

1,3-Дифосфоглицерат

3-Фосфоглицерат

2-Фосфоглицерат

Фосфоенолпируват

Пируват

Глюкозофос-

фатизомераза

Фруктозодифос-

фатальдолаза

Глицераль-

дегид-3-фос-

фатдегид-

рогеназа

Триозофосфат-

изомераза

Фосфоглице-

раткиназа

Фосфоглице-

ратмутаза

Енолаза

Обходной

путь

ADP

АТР

ADP

Обходной

путь

Обходной

путь

Рис. 14.1. Последовательность реакций гликолиза (пунктирные стрелки) и

глюконеогенеза (сплошные стрелки). Подписаны названия ферментов, общих

для двух путей. Стадии, по которым процессы различаются, обо-

значены в глюконеогенезе, как обходные пути

пируват. Для непосредственного перевода пирувата в фосфоенолпируват не-

достаточно энергии расщепления АТР, поэтому данная стадия осуществляет-

ся в ходе нескольких реакций. Вначале пируват, образующийся преимущест-

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

199

венно в цитоплазме (из лактата, аминокислот, в гликолизе), переводится в

митохондрии и там карбоксилируется в оксалоацетат (рис. 14.2). Катализиру-

ет реакцию пируваткарбоксилаза, использующая в качестве кофактора био-

тин. Эта анаплеротическая реакция и характеристика свойств фермента опи-

саны в разделе 11.2.

Оксалоацетат в митохондриях восстанавливается в малат (митохондри-

альная малатдегидрогеназа), который с помощью специфических переносчи-

ков транспортируется в цитоплазму. В цитоплазме малат вновь окисляется в

оксалоацетат (цитоплазматическая малатдегидрогеназа), который с помощью

GTP-зависимой фосфоенолпируваткарбоксилазы декарбоксилируется в фос-

фоенолпируват (РEP).

Второй обходной путь в глюконеогенезе представляет собой превращение

фруктозодифосфата во вруктозо-6-фосфат (рис. 14.2). В гликолизе фосфоф-

руктокиназная реакция, сопровождающаяся гидролизом АТР, является необ-

ратимой. В глюконеогенезе функционирует другой фермент —

фруктозодифосфатаза, которая катализирует практически необратимое от-

щепление фосфатной группы от первого атома углерода. Фруктозодифосфа-

таза, как и пируваткарбоксилаза, является аллостерическим ферментом. Его

активность ингибируется с помощью АМР и активируется при участии АТР.

Третий обходной путь — дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата, не

может произойти с помощью прямого обращения гексокиназной реакции. Эту

реакцию катализирует глюкозо-6-фосфатаза, которая локализована на внут-

ренней поверхности мембран гладкого эндоплазматического ретикулума

(ЭР). Поэтому для осуществления данной реакции глюкозо-6-фосфат транс-

портируется в ЭР, где дефосфорилируется в свободную глюкозу (рис. 14.2).

Следует отметить, что глюкозо-6-фосфатаза отсутствует в таких тканях, как

мышцы и мозг, поэтому они не могут поставлять в кровь свободную глюкозу.

Суммарное уравнение глюконеогенеза выглядит следующим образом:

2Пируват + 4АТР + 2GTP +2NADH + 2H

+ 4H

O ®

® Глюкоза + 2NAD

+ 4ADP + 2GDP + 6 P

Из приведенного баланса следует, что на образование одной молекулы

глюкозы в процессе глюконеогенеза расходуется шесть высокоэнергетиче-

ских фосфатных связей, а также две молекулы NADH. Важно отметить, что

регуляция скорости синтеза глюкозы в этом пути осуществляется с помощью

ферментов, не принимающих участие в гликолизе. При этом глюконеогенез

наиболее интенсивно протекает в условиях повышенного содержания в клетке

топливных молекул, в частности ацетил-СоА, и достаточного количества

АТР.

Глицерол включается в путь глюконеогенеза через дигидроксиацетонфос-

фат, в который он превращается после фосфорилирования (с участием АТР) и

дегидрирования.

Аминокислоты поступают в путь через такие метаболиты, как пируват и

оксалоацетат, образующиеся в ходе перестроек их углеродных скелетов. Лак-

тат перед вступлением в глюконеогенез должен окислиться до пирувата.

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