химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

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

. табл. 21).

Наиболее важной среди них выступает система АТФ—АДФ. В ходе катаболитических реакций, сопровождающихся выделением энергии, АДФ может присоединять фосфатную группу и образовывать АТФ, а в ходе сопряженных реакций, протекающих с потреблением энергии, АТФ отщепляет фосфатную группу и дает АДФ, т. е. система АТФ—АДФ действует как переносчик химической энергии в клетке. Очень небольшие количества АТФ и АДФ присутствуют в клетке в виде свободных анионов, а в основном эти соединения представлены в виде комплексов с магнием, содержащихся в клетке в эквимольных соотношениях [3]. Причиной, определяющей роль АТФ как источника энергии, является наличие пирофосфатной связи, энергия которой благодаря высокой концентрации отрицательных зарядов значительно превышает энергию любой другой химической связи.

Большая величина свободной энергии гидролиза АТФ до АДФ определяется следующими причинами [4, 7, 18, 19].

1. Близким расположением отрицательных зарядов кислородных атомов, создающих в молекуле напряжение, которое снижается в результате гидролиза. Силы электростатического отталкивания также вносят свой вклад в энергию, высвобождающуюся при гидролизе.

2. При отщеплении ортофосфат-иона от молекулы АТФ увеличивается число возможных резонансных форм, т. е. продукты реакции гидролиза более стабильны, чем АТФ. Всякое увеличение резонанса в резонансной системе сопровождается выделением энергии, которая была затрачена при образовании «макроэргической» связи при синтезе молекулы АТФ. Источником энергии, запасенной в АТФ и выделяемой при ее гидролизе, является внутренняя энергия молекул АДФ и фосфорной кислоты, участвующих в образовании ангидрида (макроэргической связи). Условно считают, что эта энергия локализована в кислородном мостике.

При дальнейшем гидролитическом расщеплении АМФ до аденозина и неорганического фосфата изменение свободной энергии хотя и имеет отрицательное значение, но величина его не превышает —12,5 кДж/моль, что соответствует значению AG0' большого числа простых органических фосфорных эфиров.

Следовательно, перенос химической энергии от высокоэнергетических фосфатов к низкоэнергетическим осуществляется путем переноса фосфатных групп при участии посредника АТФ—АДФ-системы. В клетке не происходит прямого переноса фосфатных групп, неизвестны ферменты, которые бы могли катализировать эти реакции. Практически все реакции переноса фосфатных групп в клетке (синтез белков, липидов, полисахаридов, РНК и ДНК) протекают с участием системы АТФ—АДФ [3].

Возможны реакции, в которых АТФ выступает пирофосфорилирую-щим агентом. При этом образуется аденозинмонофосфат, а пирофосфат-ная группировка переносится к акцептору. В этой роли АТФ участвует очень редко. В качестве примера можно привести образование фосфори-бозилпирофосфата при взаимодействии АТФ с рибозо-5-фосфатом в биосинтезе нуклеиновых кислот, ферментативное активирование жирных кислот до КоА-производных в биосинтезе ацилглицеринов и фосфоглице-ридов [3, 15].

Кроме системы АТФ—АДФ, необходимого участника всех главных энергетических превращений клетки, в процессах, связанных с переносом фосфатных групп, участвуют также ди- и трифосфаты других рибо- и

415

2-дезоксирибонуклеозидов. Так, УТФ (уридинтрифосфат) служит непосредственным донором фосфата, а следовательно, и энергии в синтезе полисахаридов в тканях животных (см. стр. 66). ЦТФ (цитидинтрифос-фат) выполняет роль донора энергии на определенных этапах биосинтеза липидов (см. стр. 357). Но все эти нуклеотиды связаны с АТФ через фермент нуклеозиддифосфаткиназу, катализирующий обратимые реакции между нуклеотидами.

К высокоэнергетическим фосфорилирующим соединениям относят и амидинфосфаты (фосфогены). Важные представители фосфогенов — креатинфосфат (у большинства позвоночных) и аргининфосфат (у многих беспозвоночных) — являются производными гуанидина. В их молекулах атомы фосфора непосредственно связаны с азотом. Большое значение стандартной свободной энергии их гидролиза обусловлено трудностями стабилизации гуанидиновой и фосфатной групп в молекулах. В результате гидролиза отщепляется фосфатная группа, а продукты реакции стабилизируются. Фосфогены выполняют роль аккумуляторов энергии и возникают при фосфорилировании креатина и аргинина с помощью АТФ. В случае необходимости они могут освобождать энергию и ресинтезировать АТФ из АДФ. Эта обратимая реакция (реакция Ломана) катализируется фосфокиназами [12, 15, 20, 21]:

Креатинфосфат + АДФ < > Креатин -f- АТФ AG0' = —12,5 кДж/моль

Значение этой реакции для энергетических процессов клетки велико.

Накопление больших количеств АТФ при медленном его использовании приводит к фосфорилированию креатина. Во время интенсивного функционирования в условиях недостатка энергии фосфогены фосфори-лируют АДФ до АТФ. Таким образом клетка поддерживает на соответствующем уровне необходимое количество энергии в виде молекул АТФ не только за счет внешних источников энергии, но и с помощью особых внутриклеточных систем, выполняющих функции дополнительных аккумуляторов энергии. Наиболее универсальным фосфогеном является система креатинфосфат — креатин. Особенно богаты креатинфосфатом клетки скелетных мышц, потребление энергии которыми колеблется в широких пределах.

У некоторых Видов бактерий и грибов роль фосфогена выполняют неорганические полифосфаты [9, 17].

Ацилфосфаты и енолфосфаты составляют второй класс высокоэнергетических фосфатов. Ацилфосфаты представлены 1,3-дифосфоглицериновой кислотой и ацетилфосфатом. 1,3-Дифосфоглицериновая кислота образуется при гликолизе (см. стр. 68); она не подвергается гидролизу, а ее фосфатная группа переносится на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Для расчета стандартной свободной энергии этой реакции ее необходимо представить в виде двух последовательных реакций, значения AG0' которых можно вычислить:

1,3-Дифосфоглицерат + АДФ < > З-Фосфоглицерат -f- АТФ

AG?' = —18,8 кДж/моль АТФ + НОН <—*- АДФ + Фн AG0/ = —30,5 к Дж/моль

Используя принцип аддитивности, получаем значение изменения стандартной свободной энергии гидролиза 1-фосфатной группы 1,3-ди-фосфоглицерата:

AGO' = —30,5 + (—18,8) = —49,3 кДж/моль

416

Большое отрицательное значение этой величины для ацилфосфата — смешанного ангидрида фосфорной и карбоновой кислот — объясняется сильно выраженным эффектом стабилизации продуктов гидролиза за счет делокализации электронов.

Ацетилфосфат, будучи активной формой ацетата, используется клеткой и в ряде метаболических процессов как предшественник ацетил-КоА.

2-Фосфоенолпировиноградная кислота образуется при гликолизе (см. стр. 68) и передает свою фосфатную группу молекуле АДФ. Эта реакция также характеризуется большим отрицательным значением АС0', равным —62,0 кДж/моль, так как это соединение является ангидридом двух кислот (фосфорной и енолпировиноградной). В процессе гидролиза первоначально образовавшаяся ионизованная енольная форма пировиноградной кислоты переходит в более устойчивую при рН 7 кетоформу

СНа=С—СОСГ-»- СНз—С—СОО"

что способствует смещению общего равновесия реакции гидролиза в сторону завершения.

К высокоэнергетическим" соединениям относят и другие вещества, запасающие энергию в форме химической связи не фосфатных, а других функциональных групп, например тиоэфиры. Важным представителем этой группы является ацетил-КоА («активный ацетат»). Стандартная свободная энергия гидролиза тиоэфиров

Ацетил-S-KoA + НОН -Ацетат + KoASH

составляет около —31,5 кДж/моль. «Макроэргичность» этих соединений в значительной степени связана с тем, что связь С—S, подвергающаяся гидролизу, образована двумя положительно заряженными атомами [15]:

О

+0.168 ||

КоА—S—с—СН3

+0.217

Более высокую энергию гидролиза тиоэфиров по сравнению с кислородсодержащими эфирами объясняют также уменьшением взаимодействия между электронами атома серы и карбонильного кислорода в тио-эфирах.

К классу богатых энергией соединений принадлежат и ониевые соединения (см. табл. 21). К ним относятся сульфониевые, четвертичные аммониевые и гетероциклические ониевые соединения. Из сульфониевых соединений известен, например, S-аденозилметионин (активный метионин), который выполняет роль донора метальной группы в процессах биологического метилирования, протекающих с участием метальной группы метионина.

Среди алифатических четвертичных аммониевых соединений следует отметить холин — важный компонент фосфолипидов, а также его эфиры, например ацетилхолин, участвующий в процессах нервной деятельности.

К гетероциклическим ониевым соединениям относятся производные тиазолия, например тиамин, являющийся важным коферментом, а также соединения пиридина. Среди них следует отметить пиридиндинуклеотиды (НАД, НАДФ), выполняющие роль коферментов в окислительно-восстановительных процессах. Восстановленные пиридиннуклеотиды (НАД-Н+ Н+, НАДФ-Н+ Н+) аналогично АТФ являются общими для

27—2394

417

всех клеток первичными переносчиками химической энергии. НАДФ-Н+ + Н+ возникает в пентозном цикле (см. стр. 70). Так как НАД-Н + Н+ и НАДФ-Н+ Н+ находятся в равновесии друг с другом (в клетках имеются ферменты, катализирующие перенос водорода от восстановленной формы одного нуклеотида на окисленную форму другого), то образование НАДФ-Н+ Н+ эквивалентно образованию НАД-Н+ Н+ [3, 7].

Общим свойством для всех ониевых соединений, дающим основание отнести их к веществам, богатым энергией, является наличие суммарного положительного заряда на обоих концах разрывающейся связи.

Сравнительно недавно к соединениям, богатым энергией, стали относить и ацетилимидазол

Л"! N—СОСНв

значение свободной энергии гидролиза которого составляет около —54,5 кДж/моль. Ацетилимидазол и другие ацилимидазолы служат переносчиками богатых энергией связей в ферментативных реакциях [15].

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЖИВОЙ КЛЕТКИ

Под энергетическими механизмами клетки следует понимать процессы клеточного обмена, с помощью которых энергия внешних энергетических ресурсов превращается в химическую энергию фосфатных связей АТФ [3, 7, 21].

Наиболее примитивным способом извлечения энергии из внешних энергетических ресурсов, в частности из глюкозы, является брожение. Брожение — это окислительно-восстановительный процесс, в котором суммарная степень окисления продуктов реакций не отличается от степени окисления исходных веществ. Роль окислителя (аккумулятора электронов) играет какая-либо органическая молекула, образующаяся в ходе брожения. Существуют два типа брожения — гликолиз и спиртовое брожение. Процесс гликолиза выражается суммарным уравнением:

Глюкоза + 2АДФ + Ф„ ->- 2СН3ШОНСООН + 2АТФ + 2Н20

полочная кислота

а спиртовое брожение уравнением:

Глюкоза + 2АДФ + Фн ¦-»- 2СН3СН2ОН + 2С02 + 2АТФ + 2Н20

этанол

Для обоих процессов характерны одни и те же механизмы превращения энергии; различие имеется только на заключительных стадиях. В уравнениях этих процессов кислород отсутствует, однако оба они включают окислительно-восстановительные реакции.

Рассматривая конечные продукты спиртового брожения, видно, что этанол можно представить как относительно восстановленное соединение (молекула содержит водород), а С02 — как относительно окисленное вещество (водород отсутствует). Окислительно-восстановительный процесс в гликолизе проявляется в еще менее отчетливой форме. Тем не менее в молекуле молочной кислоты один конец (метильная группа) находится в более восстановленной форме, чем другой конец (карбоксильная группа). Вместе с тем в исходной молекуле глюкозы атомы водорода распределены более равномерно.

Учитывая тот факт, что реакции, обеспечивающие выделение энергии, сохраняемой в форме АТФ, при гликолизе и спиртовом брожении идентичны, рассмотрим лишь гликолиз, свойственный более высокоорганизованным клеткам.

418

Субстратное фосфорилирование при гликолизе

Чтобы исследовать энергетические возможности гликолиза, его необходимо расчленить на два процесса: превращение глюкозы в молочную кислоту (экзергонический процесс)

Глюкоза -э- 2СН3СНОНСООН

AG0' = —196,9 кДж/моль (—47,0 ккал/моль)

и образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата (эндергониче-ский процесс):

2ФН + 2АДФ ->- 2АТФ + 2НаО AGJ' = 2-30,5 = 61,0 кДж/моль

Суммарная реакция:

Глюкоза + 2АДФ + 2ФН -> 2СН3СНОНСООН + 2АТФ + 2Н20

AG0' = AG0' + AG0' = -196,9 + 61,0 = = —135,9 кДж/моль (—32,4 ккал/моль)

Необходимо отметить, что расчеты относятся к 1,0 М концентрациям веществ. В этом процессе количество выделяющейся энергии значительно больше, чем необходимо для фосфорилирования АДФ до АТФ.

- Гликолиз представляет собой необратимый процесс, равновесие которого полностью смещено в сторону образования молочной кислоты, что можно объяснить значительным уменьшением свободной энергии (ДС°'=—135,9 кДж/моль). В то же время большая часть этапов этого процесса имеет небольшие значения изменений свободной энергии.

Первая стадия гликолиза (см. стр. 70) начинается с фосфорилирования моносахаридов и образования глюкозо-6-фосфата [1, 3, 7, 9, 12, 15, 16, 22, 23]. Реакции фосфорилирования сопровождаются уменьшением свободной энергии [AG°' =—16,7 кДж/моль (—4,0 ккал/моль)], что указывает на их необратимость. В клетках печени идет процесс дефосфо-рилирования глюкозо-6-фосфата [AG°'=—13,8 кДж/моль (—3,3 ккал/моль)], который очень важен для организма, так как при этом регенерируется глюкоза и обеспечивается поступление ее в кровь. Однако он катализируется другой ферментной системой. Изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат [AG°'= + 1,67 кДж/моль ( + 0,4 ккал/моль)] является обратимой реакцией.

Важным этапом серии гликолитическнх реакций является превращение фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат. В этой реакции, определяющей скорость всего процесса гликолиза (см. стр. 70), используется еще одна молекула АТФ (роль донора фосфата могут выполнять также УТФ и ИТФ) [3]. Эта реакция в клетке практически необратима [AG°' =—14,2 кДж/моль (—3,4 ккал/моль)]. Обратное превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат идет в клетке, но оно протекает по другой реакции (гидролиз под действием фермента фосфата-зы, AG°' =—16,7 кДж/моль).

Образованием альдотриозофосфата при расщеплении фруктозо-1,6-дифосфата (AG°'=+24,0 кДж/моль)

?>-Фруктозо-1,6-дифосфат < > Альдотриозофосфат + Кетотриозофосфат

заканчивается первая (пусковая) стадия гликолиза. Большое положительное значение изменения стандартной свободной энергии этой реакции делает протекание ее в прямом направлении мало возможным, тем

27*

419

не менее в клетке эта реакция имеет место, так как концентрация фруктозе- 1,6-дифосфата в ней намного ниже, чем стандартная концентрация (1,0 М), применяемая в расчетах ДС70'. Как известно, в реакциях, где молекула исходного вещества расщепляется с образованием двух других молекул, на положение равновесия сильно влияет концентрация исходного вещества. Так, чем ниже концентрация фруктозо-1,6-дифосфата, тем большая доля его должна расщепиться, чтобы состояние достигло равновесия [3]. Из двух триозофосфатов в дальнейших реакциях используется только альдотриозофосфат, а кето

страница 61
< 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
медсправка для автошколы
диагностика холодильных машин
элджей 5 ноября купить билеты
форум родителей детей с ревматоидным артритом

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
(22.10.2017)