химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

Автор Н.А.Преображенский, Р.П.Евстигнеева

остатки цистеина, специфическим образом связанные с железом. В комплекс II также входят флавопротеид (сукци-натдегидрогеназа, ФП2) и белки, содержащие негемное железо. Дегидрогеназа восстановленного НАД и сукцинатдегидрогеназа по молекулярной структуре и механизму действия сходны между собой. Оба эти фермента относятся к высокомолекулярным белковым комплексам.

Комплексы I и II являются началом дыхательной цепи и направляют электроны на один и тот же ее участок. Роль переносчика водорода и электронов между комплексами I и II и цитохромной системой выполняет убихинон (кофермент Q). Предполагают, что убихинон принимает атомы водорода от комплексов I и II и передает их на комплекс III, т. е. является связующим звеном между этими комплексами. Однако вопрос о роли кофермента Q в процессе переноса водорода и электронов не ясен. Убихинон и родственные ему соединения обнаружены не только в митохондриях, но и в клеточных ядрах и микросомах.

В состав комплекса III входят цитохромы Ь и С\. Молекулярная масса цитохрома Ъ 28 ООО, простетической группой является гем, координационно связанный с белком. Молекулярная масса цитохрома С\ 40 000; группа гема соединена с белком двумя ковалентными тиоэфирными свя-

26*

403

зями. Комплекс III осуществляет перенос электронов с восстановленного убихинона на цитохром с.

Цитохром с отличается от всех цитохромов дыхательной цепи тем, что он легко экстрагируется из митохондрий. Молекулярная масса цитохрома с 12 000. Железопорфириновая простетическая группа соединена с белком ковалентно, так же, как в цитохроме ct. Предполагают, что цитохром с, как и кофермент Q, выступает в качестве связующего звена между комплексами III и IV.

Комплекс IV — концевой компонент дыхательной цепи — содержит цитохромоксидазу, представляющую собой комплекс, который состоит из цитохромов а и а3. Комплекс IV в восстановленной форме непосредственно реагирует с молекулярным кислородом. Цитохромы а и а3 прочно связаны с митохондриальной структурой. Цитохромоксидаза прочно связана также с кардиолипином, который удаляется при экстракции только в жестких условиях. Отщепление кардиолипина приводит к потере цито-хромоксидазной активности. Препараты цитохромоксидазы содержат и другие липиды. Предполагают, что фосфолипиды способствуют взаимодействию цитохрома с с цитохромоксидазой.

Структура цитохромоксидазы — сложного и важного в функциональном отношении концевого комплекса дыхательной цепи — окончательно не установлена. В очищенном препарате цитохромоксидазы обнаружены атомы меди. Показано, что при переносе электронов на кислород происходит окисление Си+ до Си2+. Предполагают, что в цитохромоксидазе атомы меди также участвуют в ферментативных процессах, связанных с переносом электронов на кислород.

Простетические группы цитохромов а и а3 (см. раздел «Хромопротеи-ды») близки по структуре, но значительно отличаются от протогема, входящего в цитохром Ь, и от производных протогема, обнаруженных в цитохромах Ci и с.

Дыхательную цепь схематично можно представить следующим образом:

Изолимонная кислота — а-Кетоглутаровая кислота — Яблочная кислота —

Янтарная кислота -*¦ ФП2

i

-*-НАД+ -»- ФПг -»- KoQ

Цитохром Ь ->- Цитохром сх -*¦ Цитохром с

-*¦ Цитохромы а и а3 -*¦ 02

Реакции дегидрирования в цикле Кребса катализируются ферментами оксидоредуктазами. Эти ферменты обладают высокой степенью специфичности, поэтому для каждого окисляемого субстрата (пировиноградная, изолимонная, а-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты) имеется соответствующая оксидоредуктаза. Все оксидоредуктазы за исключением сукцинатдегидрогеназы содержат в качестве кофермента НАД+.

Водород, отщепляясь от субстратов — карбоновых кислот, являющихся промежуточными соединениями в цикле Кребса, переносится на

404

НАД+ или НАДФ+ соответствующей оксидоредуктазы, НАД+ или НАДФ+ при этом восстанавливаются:

СООН СООН

Н-С-ОН ^,/CONH, ^.CONH2 ^

сн2 +и *=*и +н++и

| +NR NR I

СООН СООН

яблочная НАД+ НАД-Н щавелевоук-

кислота сусная кислота

Восстановленный никотинамидадениндинуклеотид и янтарная кислота доставляют водород комплексам I и II, при этом простетические группы дегидрогеназы восстановленного НАД и сукцинатдегидрогена-зы — флавинадениндинуклеотиды (ФАД) —восстанавливаются:

НАД-Н + Н+ + ЕГФАД ^=fc НАД+ + Е^ФАД-Н., • НООССН2СН2СООН + Е2-ФАД НООССН=СНСООН + Е2-ФАД-Н2

Оба восстановленных флавопротеида передают водороды белкам, содержащим негемное железо:

Е1-ФАД-Н2 + 2Е'-Ре3+ <—* ЕХ-ФАД + 2E'-Fe2++ 2Н+

Затем электроны и протоны поступают к общему акцептору KoQ, который представляет собой производное бензохинона с длинной изопрено-идной боковой цепью, способное легко окисляться и восстанавливаться:

О ОН ii I

о он

При окислении убихинона в дыхательной цепи происходит перенос электронов на цитохром Ь, а протоны поступают в клеточную среду. При этом в цитохроме Ь атом трехвалентного железа простетической группы гема восстанавливается до двухвалентного:

ОН О

ii

+ 2Fe3+ <—»- 2Fe2+ + |T^j^ + 2н+ , R „ R

ОН О

От цитохрома Ъ электрон переносится к цитохрому с\. При этом железо простетической группы цитохрома ci восстанавливается, а железо простетической группы цитохрома b переходит в окисленную форму.

Аналогично протекают последующие стадии переноса электрона с Цитохрома с4 на цитохром с, с цитохрома с на цитохром а и с цитохрома а на цитохром а5.

На последней стадии дыхательной цепи молекулярный кислород активируется, получая электроны от цитохрома аз, и взаимодействует с протонами, находящимися в клеточной среде, образуя молекулу воды; железо простетической группы цитохрома а3 при этом переходит в окис-' ленную форму:

2Fes+ + V202 -f 2Н+ 4=fc 2FeS+ -f H20

405-

В описанной схеме дыхательной цепи показаны основные этапы и основные участники процесса переноса водорода и электронов. Необходимо отметить, что кроме перечисленных промежуточных участников окислительно-восстановительных процессов в цепи клеточного дыхания определенную роль играют переносчики, содержащие негемное железо и медь.

Окислительное фосфорилирование. При протекании многостадийных окислительных реакций в дыхательной цепи происходит дробное выделение энергии окисляющегося субстрата. Различают два вида окисления— сопряженное фосфорилирующее и сопряженное нефосфорилирую-щее. При сопряженном фосфорилирующем окислении в клетке накапливается выделяющаяся при окислении энергия в виде АТФ. При сопряженном нефосфорилирующем окислении энергия, выделяющаяся в дыхательной цепи, используется клеткой для выполнения работы (перенос ионов через мембрану митохондрий, изменение конформации митохонд-риальной структуры и др.) [9].

Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата в дыхательной цепи за счет энергии окисления называется окислительным фосфорилированием.

Установлено, что при прохождении пары электронов от восстановленной формы НАД к кислороду синтезируются три молекулы АТФ, а при прохождении пары электронов от янтарной кислоты к кислороду — две молекулы АТФ.

Показано, что окисление сопряжено с фосфорилированием на определенных участках дыхательной цепи, а именно между НАД н флаво-протеидом, между цитохромом Ъ и цитохромом с и между цитохромом с и кислородом. Последовательность расположения этих участков дыхательной цепи согласуется также с известными значениями окислительно-восстановительных потенциалов пар переносчиков [10]:

Переносчик Ее, АЕо.

В В

2 К

Кислород.......... +0,82 /

Флавопротеид........ —0,05 Д q'q^

Цитохром а......... +0,29 q gg

Цитохром b......... +0,04 Д q' 22

Цитохром с......... +0,26 Д р'фд

A n' R.4

Механизм окислительного фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, окончательно не установлен. Для его объяснения предложен ряд гипотез (см. стр. 425).

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Среди примечательных свойств живых организмов к особо важным следует отнести их способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая необходима для построения и поддержания сложной структурной организации, свойственной всему живому.

Превращение энергии в живой клетке подчиняется тем же законам термодинамики, которые действуют в неживой природе. Согласно первому закону термодинамики, живые организмы не могут ни создать, ни уничтожить энергию, они могут лишь преобразовать одну форму энергии в другую. Клетка представляет собой термодинамически открытую си-, стему, обменивающуюся с внешней средой, которая служит для клетки

406

поставщиком энергии и строительного материала. Особенностью открытых систем является то, что они не находятся в равновесии с внешней средой. Живые организмы — это также неравновесные открытые системы, но для них характерно стационарное состояние, т. е. такое состояние, при котором скорость переноса веществ и энергии из среды в систему точно уравновешена скоростью переноса веществ и энергии из системы в среду.

Соответственно второму закону термодинамики, самопроизвольно протекающие процессы (физические, химические) стремятся идти в направлении, соответствующем возрастанию неупорядоченности системы и окружающей среды (меру разупорядоченности системы для данного момента времени называют энтропией) [3, 10—13].

Клетка на протяжении многовековой эволюции органического мира совершенствовала свои уникальные молекулярные механизмы преобразования энергии, которые эффективно действуют в мягких условиях: низкая и приблизительно одинаковая для всех частей клетки температура (живая клетка — изотермическая система) и давление, разбавленные среды, незначительные колебания рН среды и т. д. Затем организмы возвращают в окружающую среду эквивалентное количество энергии обычно в форме тепла и других бесполезных для клетки форм энергии, что значительно снижает степень упорядоченности внешней среды, повышая при этом ее энтропию [3].

Будучи изотермической системой, работающей при постоянном давлении, клетка не может использовать в качестве источника энергии тепло, ибо, согласно второму закону термодинамики, работа при постоянном давлении может совершаться только за счет перехода тепла из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой [3, 13]. Поэтому энергию, которую клетка поглощает из окружающей среды, она получает в форме химической энергии, заключенной в химических связях молекул питательных веществ (белки, углеводы, липиды), которые выполняют роль биологического топлива. Молекулы этих биополимеров в ходе распада претерпевают ряд превращений (см. стр. 392) прежде, чем произойдут основные процессы высвобождения энергии — реакции окисления, сопровождающиеся значительными изменениями энергии системы. Затем эта энергия преобразуется клеткой и используется для ее жизнедеятельности [7].

Совокупность механизмов получения энергии за счет внешних энергетических ресурсов и путей дальнейшего расходования ее клеткой при осуществлении многообразных жизненных функций составляет энергетический обмен клетки. В зависимости от источника энергии (или энергетического ресурса) различные клетки определенным образом организуют извлечение энергии, т. е. обладают вполне определенным, свойственным только этим клеткам типом энергетического обмена [3, 9—12].

Так, высокоорганизованные животные клетки являются органотрофа-ми и используют «топливо» с высоким энергетическим потенциалом (молекулы биполимеров). В свою очередь эти сложные соединения синтезируют из более простых клетки зеленых растений, используя энергию солнечного света. Этот тип энергетического обмена называют фототроф-Ным. Некоторые организмы, например бактерии, используют в качестве энергетического ресурса неорганические вещества и обладают неоргано-трофным (или хемосинтетическим, литотрофным) типом энергетики.

В зависимости от того, требует ли определенный тип энергетики наличия кислорода для расщепления энергетического субстрата, органо-

407

трофный и неорганотрофный типы обмена классифицируют как аэробный (дыхательный) тип энергетического обмена (в роли окислителя выступает кислород) и анаэробный (гликолитический) тип энергетического обмена (в роли окислителя выступают другие вещества) [1, 7, 9, 12].

К органотрофному типу относится энергетический обмен животной клетки, который представлен как аэробным, так и анаэробным его разновидностями, фототрофный и органотрофный (дыхательный и гликолитический) типы энергетики присущи зеленым растениям. Для микроорганизмов характерны все типы энергетического обмена или различные их сочетания.

Все живые организмы животного и растительного происхождения в конечном итоге получают энергию от солнца, однако растения получают ее непосредственно, а животные — косвенно.

Два класса живых клеток (фототрофы и органотрофы), получая энергию из внешней среды в различных формах в процессе окисления, накапливают и используют ее в одной форме — в виде аденозинтрифос-фата (АТФ), который служит главным носителем химической энергии в клетках всех живых организмов. Следовательно, процесс высвобождения энергии должен быть обязательно сопряжен с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата (процесс фосфорилирования). При переносе концевой фосфатной группы АТФ на определенные акцепторные молекулы происходит перераспределение химической энергии АТФ, за счет которой совершается полезная работа в клетке (например, анабо-литические реакции, требующие затраты энергии, — механическая работа, биосинтез и др.), и вновь образуется АДФ. Энергетический цикл АТФ—АДФ в клетке можно представить [8] следующим образом:

Внешние энергетические ресурсы

СО,

Оо

, Ф 11

Процевсы катаболизма

АДФ

\ ¦

АТФ н9о

ф,

Процессы анаболизма

Оба процесса трансформации энергии (окисление и фосфорилирование) протекают в так называемых сопрягающих мембранах (внутренние мембраны митохондрий и хлоропластов зеленых растений, хроматофоров фотосинтезирующих бактерий, клеточная мембрана аэробных бактерий с дыхательным типом энергетики), где сосредоточены окислительно-восстановительные ферменты и коферменты*, катализирующие эти процессы [8, 9, 14] (см. т. I, стр. 247).

Энергия, трансформированная в мембране, может быть использована для совершения нескольких видов полезной работы и образования тепла

* Переносчиком электронов — носителей энергии окисления, превращающейся затем в энергию связей АТФ, служат коферменты, наиболее важными из которых являются НАД и НАДФ.

408

[3, 14]. В настоящее время окончательно не доказан еще один путь энергетического превращения — использование освобождающейся в мембране энергии для совершения механической работы [8, 14].

Центральной проблемой в изучении процессов трансформации энергии в клетке является механизм образования первичного высокоэнергетического продукта (интермедиата X~Y) [14], синтез которого непосредственно сопряжен с трансформацией энергии, освобождающейся при окислении. Предложено несколько гипотез для объяснения энергетического сопряжения [3, 14].

Химическая гипотеза предусматривает прямое использование химической энергии, освобождающейся при окислении, в химическую энергию пред

страница 59
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Химия биологически активных природных соединений" (6.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
купить свежие гвоздики по цене 50 рублей
Рекомендуем компанию Ренесанс - чердачные лестницы с люком фото цена - доставка, монтаж.
кресло ch 993 low v
склад для хранения вещей москва

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(09.12.2016)