химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

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

триозофосфат превращается в него по обратимой реакции [AG°'=+7,65 кДж/моль ( + 1,38ккал/моль)] [7, 9].

Вторая стадия гликолиза объединяет окислительно-восстановительные реакции и сопряженные с ними реакции фосфорилирования, обеспечивающие синтез АТФ. Первая реакция этой стадии состоит в освобождении энергии при окислении альдегидной группы альдотриозофосфата до 3-фосфоглицериновой кислоты. Выделяющаяся энергия расходуется на образование высокоэнергетического продукта окисления— 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, представляющей собой смешанный ангидрид фосфорной (неорганический фосфат) и 3-фосфоглицериновой кислот и имеющей еще более отрицательное значение стандартной свободной энергии гидролиза, чем АТФ. Окислителем в этой реакции выступает НАД+, который, присоединяя электроны, отданные альдотриозофосфа-том, превращается в восстановленную форму. Суммарная реакция имеет небольшое положительное значение AG0', равное +6,27 кДж/моль ( + 1,5 ккал/моль), и поэтому является обратимой. Чтобы проанализировать энергетические изменения, происходящие при образовании 1,3-ди-фосфоглицерата, представим эту реакцию в виде двух процессов: окисление альдотриозофосфата (RCHO) до 3-фосфоглицерата (RCOO-)

rcho + Н20 + НАД+ -»- rcoo- + НАД-Н + Н+

ас0' = —43,0 кДж/моль (—10,3 ккал/моль)

и фосфорилирование 3-фосфоглицерата (RCOO-) до 1,3-дифосфоглице-рата (RCOOPO^):

rcoo-+h —>¦ rcoopoi-+h2o

ag0' = +49,3 кДж/моль (+11,8 ккал/моль)

Суммарная реакция:

' rcho + Ф„ + НАД+ rcoopo|- + НАД-Н + Н+

до0' = AGP' + ag0' = —43,0 + 49,3 = +6,3 кДж/моль (+1,5 ккал/моль)

Окисление — процесс экзергонический и в обычных условиях протекает в сторону завершения. Фосфорилирование — эндергоническая реакция— и в таких условиях практически идти не может. В суммарной же ферментативной реакции эндергонический процесс сопряжен с экзергонический, и энергия, выделяемая при окислении, запасается 1,3-дифос-фоглицератом в форме химической энергии. Далее происходит перенос фосфатной группы с 1,3-дифосфоглицерата на АДФ:

1,3-Дифосфоглицерат +АДФ ч > З-Фосфоглицерат + АТФ ag0' = —18,85 кДж/моль (—4,5 ккал/моль)

Эта экзергоническая реакция и дает возможность предыдущей реакции идти в сторону завершения.

420

Суммарное уравнение двух реакций, обеспечивающих окисление аль-дотриозофосфата до 3-фосфоглицерата с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ, можно представить следующим образом:

Альдотриозофосфат + Фн + АДФ + НАД+ ч > З-Фосфоглицерат + АТФ + НАД-Н + Н+ AG0' = —12,55 кДж/моль (—3,0 ккал/моль)

т. е. энергия окисления выше, чем необходимо для фосфорилирования АДФ.

Далее происходит перенос фосфатной группы внутри молекулы 3-фосфоглицерата с образованием 2-фосфоглицерата (AG°' = = +4,44 кДж/моль), протекающий обратимо, а затем — реакция, в процессе которой образуется высокоэнергетическая связь, — превращение 2-фосфоглицерата в фосфоенолпировиноградную кислоту. Эту реакцию можно рассматривать как внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс, так как после отщепления воды от молекулы 2-фосфоглицерата степень окисления второго углеродного атома увеличивается, а третьего уменьшается. Значение AG0' [ + 1,84 кДж/моль (+0,44 ккал/моль)] невелико, однако отщепление фосфатной группы от исходного и конечного соединений этой реакции сопровождается изменениями стандартной свободной энергии, равными соответственно —17,6 кДж/моль (—4,2 ккал/моль) и —62,0 кДж/моль (—14,8 ккал/моль), что, по-видимому, можно объяснить внутримолекулярным перераспределением энергии. Перенос фосфатной группы с фос-фоенолпировиноградной кислоты на АДФ с образованием АТФ — сильно экзергоническая реакция, практически необратимая, AG°'= =—37,0 кДж/моль (—7,5 ккал/моль). Заканчивается гликолиз восстановлением пировиноградной кислоты до молочной кислоты за счет присоединения электронов, которые были отданы альдотриозофосфатом при его окислении:

Пировиноградная кислота + НАД-Н + Н+ ч » Молочная кислота + НАДЕЛО0'=—25,1 кДж/моль (—6,0 ккал/моль)

Эта реакция сильно смещена вправо и завершает окислительно-восстановительный цикл гликолиза.

Уравнение полного баланса гликолиза:

Глюквза + 2ФН + 2АДФ ->¦ 2Молочная кислота + 2АТФ + 2HsO

Таким образом в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы возникают две молекулы молочной кислоты, а две молекулы АДФ превращаются в две молекулы АТФ. Кроме того, происходит перенос четырех электронов от альдотриозофосфата к пировиноградной кислоте в форме 2НАД-Н+2Н+. Необходимо отметить, что моносахариды гликогена и крахмала также вовлекаются в процесс гликолиза по описанному механизму [3].

Окислительное фосфорилирование при дыхании

Дыхание — это также процесс окисления, при котором электроны переносятся от органических молекул, выполняющих роль «топлива», на молекулярный кислород. Сравнение значений изменения стандартной свободной энергии при анаэробном превращении глюкозы в молочную кислоту (AG°'=—196,9 кДж/моль) и при полном окислении ее до СОг и Н20 в аэробных условиях (процесс дыхания) (AG°'=—2890 кДж/моль)

28-2394

ясно показывает намного больший выход энергии при дыхании, чем при гликолизе. Этот факт можно объяснить тем, что молочная кислота (продукт гликолиза) представляет собой еще достаточно сложное соединение и имеет практически почти ту же степень окисления, что и глюкоза, в то время как продукт дыхания — двуокись углерода — соединение простое, имеющее только один, полностью окисленный атом углерода. Кроме того, количество энергии, получаемое при переносе электронов к акцептору, сильно зависит от его природы. Если акцептором служит кислород, как при дыхании, то количество освобождающейся энергии намного превосходит энергию, получаемую при гликолизе, где акцептором служит пировиноградная кислота [3].

Процесс дыхания включает три стадии [3, 7, 9]: 1) окислительное образование ацетил-КоА из пировиноградной кислоты, жирных кислот и аминокислот на второй стадии катаболизма углеводов, липидов, белков (см. стр. 392), 2) распад ацетильных групп в цикле трикарбоновых кислот с образованием С02 и атомов водорода (см. стр.399),3) перенос электронов (соответствующих этим атомам водорода) по дыхательной цепи к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду, сопровождающийся большим уменьшением свободной энергии, значительная часть которой запасается в форме АТФ за счет сопряженного с окислением фосфорилирования АДФ.

Главная функция цикла Кребса для энергетики клетки состоит в высвобождении четырех пар атомов водорода и соответствующих им электронов. Атомы водорода выделяются в результате следующих четырех реакций окисления.

1) Окисление изолимонной кислоты до а-кетоглутаровой, где в качестве акцептора электронов выступает НАД+. Эта реакция сопровождается значительным уменьшением свободной энергии.

2) Окисление а-кетоглутаровой кислоты в янтарную, протекающее в две стадии. На первой из них а-кетоглутарат претерпевает окислительное декарбоксилирование с образованием сукцинил-S-KoA и СОг:

а-Кетоглутарат + НАД+ + KoASH ^=з= Сукцинил-S-KoA + Ш2 + НАД-Н + Н+ АС0' = —33,5 кДж/моль (—8,0 ккал/моль)

На следующей стадии высокоэнергетическое соединение сукци-нил-S-KoA теряет свою КоА-группу, а освобожденная энергия идет на фосфорилирование ГДФ по реакции:

Сукцинил-S-KoA + Фн + ГДФ < > Янтарная кислота + ГТФ + KoASH АС0' = —2,93 кДж/моль (—0,7 ккал/моль)

Образовавшийся ГТФ отдает свою концевую фосфатную группу АДФ с образованием АТФ. Синтез АТФ, сопряженный с деацилированием сукцинил-S-KoA, называют фосфорилированием на уровне субстрата. Последняя реакция окисления в цикле Кребса превращает яблочную кислоту в щавелевоуксусную:

Яблочная кислота -f- НАД+ ч > Щавелевоуксусная кислота" + НАД-Н + Н+

AG0'= +29,7 кДж/моль ( + 7,1 ккал/моль)

Реакция имеет эндергонический эффект, но в клетке идет в прямом направлении, так как ее продукты (щавелевоуксусная кислота и НАД-Н) быстро уходят из сферы реакции. Щавелевоуксусная кислота, связываясь с ацетил-КоА, дает начало новому циклу.

422

Итак, в результате одного цикла Кребса образовалось четыре пары атомов водорода; три пары атомов водорода восстановили НАД+, а четвертая— ФАД сукцинатдегидрогеназы, но в конечном итоге все атомы водорода превращаются в ионы Н+, а соответствующее им число электронов переносится по дыхательной цепи к кислороду, отдавая по пути свою энергию на фосфорилирование АДФ (см. стр. 404).

Чтобы проанализировать энергетические возможности окислительного фосфорилирования, рассмотрим окислительно-восстановительные реакции дыхательной цепи, каждая из которых содержит окислительно-восстановительную пару — донор и акцептор электронов—-и может быть охарактеризована стандартным восстановительным потенциалом, показывающим способность восстановителя отдавать электрон окислителю [8].

Стандартный восстановительный потенциал можно определить как меру электронного давления, возникающего в определенных условиях в восстановительно-окислительной паре в состоянии равновесия. За стандарт принят восстановительный потенциал пары Н2—2Н+ в реакции

Н2 2Н+ + 2е-

который при давлении газообразного Н2 1,0 кгс/см2, концентрациях ионов Н+ 1,0 М (что соответствует рН 0) и температуре 25 °С условно считают равным нулю. В пересчете для рН 7,0 ('[Н+] = 1 • Ю-7 М), т. е. для значения рН, выбранного за стандарт в биохимических расчетах, стандартный восстановительный потенциал системы Н2—2Н+ равен —0,42 В. Системы с более отрицательным значением стандартного восстановительного потенциала, чем у пары Н2—2Н+, обладают большей, чем у водорода, способностью отдавать электроны. Таким образом, стандартные восстановительные потенциалы биологических систем позволяют предвидеть направление потока электронов от одной окислительно-восстановительной пары к другой при стандартных условиях, а также рассчитать изменения свободной энергии, сопровождающие перенос электронов. В результате окислительно-восстановительных реакций происходит выделение энергии, а стандартное изменение свободной энергии, сопровождающее каждую химическую реакцию (AG0'), выражается уравнением (см. стр. 411):

&ti°' = — RT 1п Кр

Когда реагируют две окислительно-восстановительные пары с известными стандартными восстановительными потенциалами, это уравнение можно представить в другом виде

ДС0' = —nF&E'Q

где п — число перенесенных электронов, F — число Фа радея (96,4 кДж/моль) и Д?о — разность стандартных восстановительных потенциалов акцептора и донора электронов (при 1,0 М концентрации реагирующих компонентов, 25 °С, рН 7,0). Для случая, когда пара электронных эквивалентов переносится от НАД-Н (Е'0=—0,32 В) к молекулярному кислороду (?" = +0,82 В), пользуясь приведенным уравнением, рассчитывают изменение стандартной свободной энергии:

AG°'=—2-96,4 [0,82 —(—0,32)] = —221,0 кДж/моль (—52,7 ккал/моль)

Следовательно, перенос электронов через всю дыхательную цепь сопровождается значительным уменьшением свободной энергии, за счет

8*

423

которой при наличии сопряжения в дыхательной цепи может быть синтезировано несколько молекул АТФ из АДФ и фосфата.

С помощью таких же расчетов, предполагающих наличие термодинамического равновесия на каждой стадии и присутствия всех компонентов в стандартных концентрациях (1,0 М), можно найти значения AG0' для каждой стадии переноса электронов в дыхательной цепи. Три участка этой цепи, а именно участки между НАД и KoQ, цитохромами Ь и с и между цитохромами а и кислородом, имеют достаточно большое уменьшение свободной энергии, равное соответственно AG?'= =—51 кДж/моль, AG°' =—41,4 кДж/моль, AG0,' =—99,6 кДж/моль, которое может обеспечить сопряженное фосфорилирование АДФ до АТФ.

Суммарный процесс фосфорилирования, сопряженного с окислением, можно выразить так:

НАД-Н + Н+ + ЗАДФ + ЗФН + 7аОа-> НАД+ + 4Н20 + ЗАТФ

Для анализа этого процесса с точки зрения энергетических возможностей целесообразно разделить его на две стадии: экзергоническую

НАД-Н + Н+ + VjO,-»- НАД+ + HsO

AG0' - —221,0 кДж/моль (—52,7 ккал/моль)

и эндергоническую:

ЗАДФ + ЗФН-»- ЗАТФ + ЗНаО

AG0' - —91,7 кДж/моль (—21,9 ккал/моль)

Эти данные ясно показывают, что при сопряженном фосфорилировании запасается около 40% [(91,7/221,0) • 100] всей освобождающейся в процессе переноса электронов энергии.

Общий баланс энергии дыхательной цепи можно подсчитать следующим образом [3, 7].

Два из десяти электронов, входящих в цепь переноса через янтарную кислоту, обеспечивают синтез двух молекул АТФ. Остальные восемь электронов, доставляемые в цепь с помощью НАД-Н, участвуют в синтезе двенадцати молекул АТФ. Кроме этого, одна молекула АТФ синтезируется не в цепи переноса электронов, а в наружной митохондри-альной мембране по механизму фосфорилирования на уровне субстрата. В итоге цикл трикарбоновых кислот дает пятнадцать молекул АТФ. Суммарное уравнение окисления пировиноградной кислоты (цикл трикарбоновых кислот) можно представить следующим образом:

Пировиноградная кислота + 2,502 + 15Ф„ + 15АДФ ->¦ ЗС02 + 15АТФ + 17НгО

Экзергонический компонент:

Пировиноградная кислота + 2,50а -*¦ 3C02-f-2H20

ДО8' = —1173,0 кДж/моль (—280 ккал/моль)

Эндергонический компонент:

15ФИ+ 15АДФ-»- 15АТФ+ 15Н20

AG8' = +461,0 кДж/моль (+110 ккал/моль)

т. е. в форме АТФ запасается около 39% [(461,0/1173,0) -100] свободной энергии окисления пировиноградной кислоты.

424

Среди большого числа неясных вопросов [3, 8, 14], касающихся процесса дыхания, особенно много споров вызывал механизм окислительного фосфорилирования. Первоначально для объяснения феномена сопряжения (см. стр. 409) была выдвинута так называемая химическая гипотеза.

Эта гипотеза согласуется с рядом экспериментальных данных, но исходя из нее трудно объяснить, каким образом мембраны митохондрий участвуют в фосфорилировании (нарушение их структуры разобщает сопряжение) [8, 15, 33]; кроме того, не удалось выделить постулируемых высокоэнергетических соединений [3, 7].

Предположения некоторых исследователей [3, 7] о том, что энергия, освобождающаяся в процессе переноса электронов, используется первоначально для переведения внутренней мембраны митохондрий в новое, богатое энергией состояние (конформационные изменения) и что такое состояние мембраны является движущей силой окислительного фосфорилирования АДФ до АТФ, вызвали к жизни гипотезу так называемого механохимического или конформационного сопряжения (см. стр. 409).

В настоящее время наиболее экспериментально обоснованной считают хемиосмотическую гипотезу! предложенную П. Митчеллом. Предполагают, что в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, сосредоточенной в митохондриальной мембране, возникает градиент концентрации ионов Н+ (или Лц-н+ — разность электрохимических потенциалов ионов водорода) в направлении, перпендикулярном митохондриальной мембране. Этот градиент возникает в результате удаления ионов Н+ из внутримитохондриального пространства в окружающую среду и поддерживается за счет уменьшения свободной энергии, сопровождающего перенос электронов. Предполагают, что ионы Н+, образующиеся при переносе электронов, удаляются в цитоплазму, а потребляемые ионы Н+ (для

страница 62
< 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
шинглас фокстрот миндаль
обязательно ли таксисту ставить систему гланасу федеральный закон 69
такси москва безналичный расчет
купить петлю для встроенного холодильника

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
(30.05.2017)