Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 9. Биогенные молекулы энергетических процессов

доноров фосфата относятся 2-фосфоенолпируват и 1,3-дифосфоглицерат, а к низкоэнергетическим акцепторам фосфата — глюкозо-1-фосфат, фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат, глицерол-1-фосфат, фруктозо- 1-фосфат и др.

Как видно из табл. 9.1, промежуточное положение среди фосфорорганических биогенных соединений занимает АТФ (аденозин-5′-трифосфат), который выполняет роль посредника, участвуя в переносе фосфатных групп от высокоэнергетических соединений к акцепторным молекулам.

Высокоэнергетические соединения способны выполнять в клетке роль накопителей и переносчиков энергии в различные участки клетки и организма в целом. В растениях высокоэнергетические фосфаты способны проявлять регуляторное действие, участвуя в пусковых механизмах регуляторной системы (АТФ, ГТФ, цАМФ). Кроме того, они способны инициировать протекание и определять направленность некоторых метаболических процессов в клетке. Также они определяют протекание индивидуальных химических реакций, делая их практически необратимыми, вследствие высоких энергетических затрат, что характерно для реакций, катализируемых гексокиназой, фосфофруктокиназой, пируваткиназой и других, одним из субстратов которых служит АТФ. Реакции, протекающие в биогенных системах последовательно, называются сопряженными.

138

9.1. Нуклеозидфосфаты

E1 E2 E3 E4

A → B → C → D → E.

Здесь A, B, C, D — субстраты ферментов; E — продукт конечной ферментативной реакции; E1, E2, E3, E4 — ферменты.

При этом их суммарное изменение свободной энергии обеспечивает возможность образования конечного продукта. Направленность реакций определяется величиной свободной энергии. Так, если за реакцией, для которой величина Go положительна, следует реакция, для которой величина Go отрицательна, то вторая экзергоническая реакция может обеспечить протекание заданной последовательности реакций. Сопряженные реакции

реализуются в гликолизе, цикле трикарбоновых кислот и др. Высокоэнергетические соединения способны накапливать и перено-

сить энергию в форме макроэргических связей, обеспечивая энергетический потенциал двигательной активности живых организмов.

9.1. НУКЛЕОЗИДФОСФАТЫ

К высокоэнергетическим фосфатсодержащим соединениям относятся нуклеозидмоно-, нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты. В их состав входят азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил), остаток рибозы и один, два или три остатка фосфорной кислоты (см. также гл. 4). Поэтому основными энергетическими соединениями считаются: АТФ (аденозин-5′-трифосфат), ГТФ (гуанозин-5′-трифосфат), УТФ (уридин- 5′-трифосфат), ЦТФ (цитидин-5′-трифосфат), АДФ (аденозин-5′-дифос- фат), ГДФ (гуанозин-5′-дифосфат), УДФ (уридин-5′-дифосфат) и др.

Нуклеозидтрифосфаты относятся к соединениям, способным запасать, переносить и отдавать энергию макроэргических связей, участвуя в различных химических реакциях. Причем основными переносчиками химической энергии в клетке служат АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ, которые присутствуют в каждой клетке живого организма в значительных количествах. При этом АТФ-зависимые реакции определяют направленность как процессов синтеза, так и распада в клетках живых организмов. Все нуклеозидтрифосфаты хорошо растворимы в полярных растворителях.

Аденозинтрифосфат (АТФ) — сложное соединение, образованное из азотистого основания аденина, рибозы и последовательно соединенных трех остатков фосфорной кислоты. Основным местом синтеза АТФ служат митохондрии, где в результате реакций окислительного фосфорилирования образуется высокоэнергетическая молекула. Для протекания этих реакций необходимы НАДН и ФАДН2. Кроме того, АТФ синтезируется в реакциях гликолиза.

139

Глава 9. Биогенные молекулы энергетических процессов

АТФ содержит макроэргические связи, гидролиз которых обеспечивает энергетические потребности, необходимые для протекания метаболических процессов в живых организмах. Продуктами расщепления АТФ в каталитических реакциях являются аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинмонофосфат (АМФ).

Полярность молекулы АТФ обеспечивается за счет четырех ОН-групп, способных к ионизации. Три из них имеют значение рК ≈ 2…3 и при физиологических рН 7,4 находятся полностью в диссоциированном состоянии.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

АДФ содержит три ОН-группы, способные к ионизации, две из которых полностью диссоциированы при рН 7,0. В клетках АТФ и АДФ присутствуют в виде комплексов с ионами Mg2+. (Кроме ионов магния с АТФ могут образовывать комплекс и ионы Mn2+.)

АТФ2– + Mg2+ → АТФ2–−Mg2+

Величины стандартной свободной энергии гидролиза двух высокоэнергетических связей АТФ равны –34,5 кДж · моль–1.

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4

В ходе гидролиза АТФ фосфорилированная группа переносится на гид- роксид-ион. Гидролиз концевой фосфорильной группы АДФ практически имеет такую же величину, тогда как энергия фосфоэфирной связи у нуклеозидмонофосфата примерно в 4 раза меньше и поэтому она практически не используется в химических реакциях биогенных систем.

140

9.2. Циклические нуклеозидмонофосфаты

Другие нуклеозидтрифосфаты (УТФ, ГТФ и ЦТФ) выполняют в клетках узкоспециализированные функции, обеспечивая энергией только определенные химические реакции. Так, например, УТФ служит поставщиком энергии при синтезе крахмала, ЦТФ — при синтезе липидов, ГТФ ускоряет образование пептидной связи при биосинтезе белков.

В клетках живых организмов синтез АТФ может осуществляться в результате окисления органического субстрата метаболического процесса (гликолиз), в реакциях субстратного фосфорилирования. При этом происходит перенос остатка фосфорной кислоты с продукта окисления на АДФ. Такие реакции катализируют фосфоглицераткиназа (1) и пируваткиназа (2).

Кроме того, образование АТФ может протекать при участии ферментов, расположенных на внутренней мембране митохондрий, осуществляющих процесс окислительного фосфорилирования.

9.2. ЦИКЛИЧЕСКИЕ НУКЛЕОЗИДМОНОФОСФАТЫ

Важнейшими высокоэнергетическими соединениями клеток являются циклический 3′,5′-аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический 3′,5′-гуанозинмонофосфат (цГМФ). Оба соединения найдены в растениях. Синтезируются циклические монофосфаты из соответствующих нуклеозидтрифосфатов (АТФ и ГТФ). Реакции катализируют ферменты плазматических мембран — аденилатциклаза и гуанилатциклаза. Продуктом реакции является пирофосфат.

По-видимому, как и в организме животных, циклические нуклеотиды выполняют в растительном организме роль регулятора метаболических процессов.

141

Глава 9. Биогенные молекулы энергетических процессов

OO

+HOPO P OH

OH OH

Пирофосфат

9.3.БИОГЕННЫЕ МОЛЕКУЛЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) — сложное биологически активное соединение, функциональной активной частью которого является никотинамид — амидированное производное витамина РР. НАД+ выполняет роль акцептора протонов и электронов в реакциях, катализируемых окислительно-восстановительными ферментами, восстанавливаясь до НАДН. В митохондриях при окислении одной молекулы НАДН, синтезируются три молекулы АТФ.

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+) — фосфорилированная форма НАД+; участвует в катализируемых окислительно-восста- новительными ферментами реакциях в качестве кофермента. Восстановленная форма НАДФН генерируется преимущественно ферментами пентозофосфатного цикла и используется в процессе синтеза жирных кислот — липогенезе, а также синтезе холестерина.

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) — сложное биологическое соединение, предшественником которого является витамин В2 (рибофлавин).

ФАД выполняет роль донора и акцептора электронов и протонов в окислительно-восстановительных реакциях, катализируемых специфичными дегидрогеназами. Восстановленной формой ФАД является ФАДН2, которая в основном генерируется в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса) и в процессе липогенеза.

142