2.1.4. Сопряжённый синтез веществ

Для поддержания жизнедеятельности клеток организма в них посто-янно происходят эндергонические реакции синтеза сложных веществ из простых, в ходе которых свободная энергия системы возрастает. Источни-ком свободной энергии для их осуществления служат экзергонические ре-акции, в которых энергия высвобождается, или окружающая среда, как, например, свет в реакциях фотосинтеза. Если эндергоническая реакция осуществляется за счёт энергии, выделяющейся в сопряжённой с ней эк-зергонической реакции, то такие две реакции называют сопряжёнными реакциями синтеза того или иного вещества, а происходящий в этих реак-циях биохимический процесс получил название сопряжённого синтеза веществ. Обе реакции катализирует, как правило, один фермент, который объединяет их в одну термодинамическую систему. Существует целый класс ферментов, называемых лигазами или синтетазами, с участием кото-рых осуществляется сопряжённый синтез веществ.

Для того чтобы реакции сопряжённого синтеза веществ могли про-ходить самопроизвольно, согласно второму закону термодинамики в экзер-гонической реакции должно выделяться энергии больше, чем потреб-ляется в эндергонической реакции, так как коэффициент использования энергии в биохимических системах составляет 40–60 %. Основное термо-динамическое условие самопроизвольного осуществления любых реакций в биохимических системах заключается в том, что общее количество в них свободной энергии в ходе реакции уменьшается. Поэтому суммарное изме-нение свободной энергии при сопряжённом синтезе веществ будет оста-ваться величиной отрицательной, т. е. можно записать:

DGсопр. = DGэкз. + DGэнд. < 0.

Таким образом, оценивая процесс сопряжённого синтеза веществ ко-личественно, следует отметить, что в экзергонической реакции должно высвобождаться почти в два раза больше свободной энергии, чем её тре-буется для прохождения эндергонической реакции. Однако в большинстве экзергонических и эндергонических реакций, осуществляемых в организ-мах, изменение свободной энергии характеризуется сопоставимыми вели-чинами и обычно не превышает 20 кДж × моль^–1. Поэтому большинство биохимических реакций не способны высвобождать необходимое количес-тво свободной энергии для сопряжённого синтеза веществ.

Для осуществления такого синтеза в организмах используются спе-циальные реакции, в ходе которых происходит большое изменение сво-бодной энергии, при стандартных условиях оно составляет –30…–60 кДж × моль^–1. В этих реакциях превращению подвергаются специализированные формы органических веществ – макроэргические соединения.

В составе макроэргического соединения имеется группировка, кото-рая присоединяется сильно поляризованной связью. Эту связь принято называть макроэргической и обозначать короткой волнистой линией (~). При взаимодействии макроэргического соединения с определённым акцеп-тором группировка, присоединённая макроэргической связью, переносит-ся ферментом на молекулу акцептора, при этом в ходе реакции высвобож-дается большое количество свободной энергии. Схематически ход такой реакции можно записать следующим образом:

М ~ х + А ¾® М + А –х; DG°΄ = –30…–60 кДж × моль^-1.

Макроэргические соединения подразделяют на три класса: фосфа-ты, тиоэфиры и имидазолы. Все они содержат в молекулах сильно поля-ризованные макроэргические связи, которые соединяют разные группи-ровки атомов.

Фосфаты. Соединения этого класса включают остатки ортофосфор-ной кислоты, присоединённые макроэргической связью к нуклеотидной, ацильной, енольной или аминной группировке, в результате образуются четыре группы макроэргических фосфатов: нуклеозидполифосфаты, ацил-фосфаты, енолфосфаты, амидинфосфаты. В молекулах макроэргических фосфатов остаток ортофосфорной кислоты с макроэргической связью сокращенно записывают ~ Ⓟ.

Н у к л е о з и д п о л и ф о с ф а т ы (пирофосфаты) представляют собой производные нуклеотидов, к фосфатным группировкам которых макроэргическими связями присоединяются ещё один или два остатка ор-тофосфорной кислоты с образованием соответствующих нуклеозиддифос-фатов и нуклеозидтрифосфатов (см. раздел 1.4). Как макроэргические соединения наиболее важное биохимическое значение имеют следующие нуклиозидполифосфаты: аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ), цитидинтрифосфат (ЦТФ), инозинтри-фосфат (ИТФ). Все они содержат пирофосфатную группировку с макроэр-гическими связями, присоединённую к рибонуклеотидному остатку. Схе-матически строение указанных рибонуклеозидтрифосфатов можно пока-зать в виде следующей формулы:

O O O

|| || ||

Рибонуклеозид – О – Р – О ~ Р – О ~ Р – ОН

| | |

OH OH OH

В молекулах дезоксирибонуклеозидтрифосфатов также содержатся пирофосфатные группировки с макроэргическими связями, поэтому они являются макроэргическими соединениями. Однако их биологическая роль заключается в том, что они участвуют в синтезе молекул ДНК, но не могут служить источниками энергии для сопряжённого синтеза других веществ.

Кроме участия в сопряжённом синтезе веществ рибонуклеозид-трифосфаты служат источниками фосфатных групп для различных реак-ций фосфорилирования, источниками энергии для биохимических про-цессов поглощения и транспорта веществ, являются исходными соеди-нениями в синтезе молекул РНК и коферментных группировок (НАД, НАДФ, ФАД, КоА).

А ц и л ф о с ф а т ы являются макроэргическими фосфатами карбоновых кислот. У них остаток ортофосфорной кислоты соединяется макроэргической связью с кислородом карбоксильной группы кислоты. Строение ацилфосфатов выражается формулой:

R–C–O~Ⓟ

||

O

В

СН₂ОⓅ–CHOH–C=O

\ O~ Ⓟ

1,3-дифосфоглицериновая

кислота

ажнейший представитель ацилфосфатов – 1,3-дифосфоглицерино-вая кислота. Как будет указано в дальнейшем, 1,3-дифосфоглицериновая кислота образуется в качестве промежуточного продукта в реакциях цикла Кальвина и анаэробной стадии дыхания, где этот макроэргический фосфат участвует в синтезе АТФ.

Е н о л ф о с ф а т ы включают фосфоенолпировиноградную кислоту, которая является наиболее типичным представителем этой группы макро-эргических соединений:

Н₂С=С–O~Ⓟ

|

COOH

В молекуле фосфоенолпировиноградной кислоты остаток ортофос-форной кислоты соединён макроэргической связью с кислородом еноль-ного гидроксила. Это макроэргическое соединение образуется в анаэ-робной стадии дыхания, а также при декарбоксилировании щавелево-уксусной кислоты с участием ГТФ. Фосфоенолпировиноградная кислота может служить источником фосфатной группы в процессе синтеза АТФ и акцептором СО₂ в реакциях карбоксилирования.

А

НООС – СН – СН₂ – СН₂ – СН₂ – NH – C – N ~ Ⓟ

| || |

NH₂ NH H

м и д и н ф о с ф а т ы имеют макроэргическую >N ~ P-связь и играют важную роль в реакциях обмена азотистых веществ в качестве промежуточных соединений. Одним из таких соединений является арги-нинфосфат, образующийся как продукт фосфорилирования аминокислоты аргинина:

Тиоэфиры. У тиоэфиров макроэргическая связь возникает между уг-леродом карбоксильной группы и атомом серы тиоловой группировки (–SH). Среди них наиболее распространённые соединения – ацилтиоэ-фиры, которые представляют собой производные карбоновых кислот и кофермента А:

R – C ~ S – КоА.

||

О

Кофермент А включает остатки адениловой, пантотеновой и орто-фосфорной кислот, а также тиоэтаноламина, имеющего тиоловую группу (см. раздел 2.2.2). Сокращённо молекулу кофермента А записывают как HS–КоА. Важными представителями ацилтиоэфиров являются ацетилко-фермент А и пропионилкофермент А:

СН₃ – С ~ S–КоА СН₃ – СН₂ – С ~ S–КоА

|| ||

O O

ацетилкофермент А пропионилкофермент А

Ацетилкофермент А – промежуточный продукт реакций дыхания, служит исходным соединением для синтеза жирных кислот, фенольных и терпеноидных соединений, стероидных липидов. Пропионилкофермент А – важный промежуточный продукт в обмене веществ микроорганизмов.

Имидазолы. Наиболее известным из макроэргических производных имидазола является ацетилимидазол:

НС = CH

| >N ~ C – CH₃

N = CH ||

O

Для сравнения потенциалов переноса групп различных макроэр-гических соединений обычно определяют изменение свободной энергии в реакциях гидролиза макроэргических связей, в которых акцепторами для переноса групп служат молекулы воды. Сопоставление этих показателей проводят в стандартных условиях при рН 7. Стандартные свободные энер-гии гидролиза (DG°΄) важнейших макроэргических соединений приведены в таблице 2.5.