химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

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

связывания гидроксилов) могут извлекаться только из внутреннего пространства митохондрий. Следовательно, градиент ионов Н+ есть богатое энергией состояние, сохраняющее энергию переноса электронов, и представляет собой движущую силу процесса фосфорилирования [3, 8, 14].

Фосфорилирование можно представить как реакцию дегидратации

АДФ + Фи -<—*• АТФ + НОН

стандартная свободная энергия которой равна '4-30,5 кДж/моль (4-7,3 ккал/моль). Согласно данной гипотезе, фермент, катализирующий эту реакцию (АТФ-аза), отщепляет воду в виде ионов Н+ и НО-, затем ион Н+ попадает во внутреннее пространство митохондрии, где связывается с избыточным количеством имеющихся там ионов НО- с образованием воды, а ионы НО-, выходящие в наружное пространство, связываются с избыточным количеством ионов Н+ во внешней среде, также давая воду. Таким образом, ионы Н+, «выбрасываемые» наружу за счет энергии переноса электронов, создают трансмембранный потенциал, энергия которого расходуется на фосфорилирование, повышенная же снаружи концентрация ионов Н+ способствует смещению реакции фосфорилирования вправо [3, 8, 14]. При этом система находится в стационарном состоянии (см. стр. 407), при котором скорость возникновения градиента уравновешивается скоростью его разрушения при образовании АТФ. В настоящее время считают, что данная гипотеза может быть принята как теория, объясняющая принцип окислительного фосфорилирования.

425

Многочисленными экспериментами показано также, что генерировать мембранный потенциал может не только цепь переноса электронов, но и АТФ-аза — фермент, катализирующий гидролиз АТФ. Следовательно, мембранный потенциал, являясь общим продуктом двух источников энергии — энергии переноса электронов и энергии фосфатных связей АТФ, может рассматриваться как универсальный продукт систем энергетического сопряжения [14].

Пентозофосфатный путь

В живых системах имеет место последовательность реакций, осуществляющих окисление глюкозы до С02 и Н20, минуя процесс гликолиза и цикл Кребса. Этот широко распространенный в природе процесс катализируется определенными ферментами и известен также как фосфоглю-конатный, или гексозомонофосфатный путь, или пентозный цикл, так как является поставщиком пентоз в биосинтезе нуклеиновых кислот (см. кн. I, стр. 435) [3, 4, 7, 22—24]. С точки зрения биоэнергетических превращений он интересен тем, что осуществляет регенерацию в цитоплазму клеток восстановительных эквивалентов в форме НАДФ-Н+Н+, носителями энергии в которых являются электроны (см. стр. 70). Энергия в пентозном цикле освобождается в результате двух реакций: превращения глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюконат и последующего окислительного декарбоксилирования 6-фосфоглюконата в рибулозо-5-фосфат. Суммарное уравнение этого процесса можно представить следующим образом:

Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ+ -> 6С02 + !?НАДФ-Н + 12Н+ + Ф„

В конечном итоге весь глюкозо-6-фосфат может окисляться до СОг и Н20. Однако теоретические возможности пентозного цикла редко реализуются живой клеткой. Гораздо чаще, видимо, фосфоглюконатный путь на определенных этапах переходит в гликолитический.

Пентозофосфатный путь не является главным при окислении глюкозы, но он очень важен для клеток, в которых идет интенсивный восстановительный процесс, например синтез жирных кислот и стероидов из предшественников (клетки молочной железы, печени, жировой ткани коры надпочечников и др.).

Фотофосфорилирование

Фотосинтетическое фосфорилирование в процессе фотосинтеза представляет собой один из путей накопления энергии в клетках зеленых растений, обладающих фототрофным типом энергетического обмена. Будучи первичным механизмом накопления энергии в живых системах, фотосинтез имеет более короткий путь от внешнего энергетического ресурса, которым является солнечный свет, до АТФ, чем другие типы биоэнергетики. Кроме того, реакции фототрофного типа накопления энергии четко обособлены от других обменных процессов в отличие от органотрофного типа, реакции которого в значительной степени пересекаются с путями промежуточного обмена веществ [3, 7,12,16,23,25,26]. Фотосинтез протекает в тилакоидах — пузырьках, расположенных внутри хлоропластов и уложенных в виде гран. Почти у всех фотосинтезирующих организмов в роли донора электронов выступает вода, кислород которой выделяется

426

в окружающую среду. Суммарное уравнение фотосинтеза для этой группы организмов (высшие растения) можно представить так

тС02 + тН20 + n(Av) ->¦ (CH20)m +- т02

где т принимают равным 6, что соответствует образованию глюкозы CeHioOe.

У фотосинтезирующих бактерий донорами электронов являются H2S, Н2 или органические соединения [3]. Главным акцептором электронов у большинства фотосинтезирующих организмов служит С02, но могут также использоваться азот, нитрат, ионы водорода [3].

Фотосинтезирующие клетки содержат три типа поглощающих свет пигментов (хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины), которые функционируют в виде ансамблей или фотосистем. В клетках, выделяющих кислород, имеются две фотосистемы [3, 9]. Фотосистема I содержит хлорофилл а и В-каротин, а также пигмент, поглощающий свет при 700 нм и названный пигментом Это специализированная форма молекул хлорофилла, составляющая У400 общего количества хлорофилла в клетке [8, 35, 45]. Фотосистема II содержит другой набор пигментов (хлорофиллы а, Ъ, с или й и др.), активируется светом с меньшей длиной волны (Рева) и связана с реакциями, выделяющими кислород (организмы, не выделяющие кислород, например бактерии, не имеют фотосистемы II).

Энергия, поглощенная системой II, используется для синтеза АТФ. Система I расходует энергию солнечного света для обеспечения окислительно-восстановительных синтезов. При взаимодействии этих двух фотохимических систем при фотосинтезе протекают следующие процессы: синтез АТФ и синтез глюкозы из С02 и Н20 с выделением кислорода [7, 9, 12, 16, 25, 26] (рис. 29). Фотосистемы I и II объединены в агрегат. Предполагают, что полный набор пигментов и переносчиков электронов систем I и II и связанные с ними липиды объединены в структурно-функциональный комплекс, названный квантосомой [3]. Такого рода комплексы обнаружены в мембранах хлоропластов.

Возбуждение фотосистемы I повышает потенциал электрона, попадающего к акцептору Z, до значения, достаточного для восстановления НАДФ+. При этом электрон проходит через цепь переносчиков: ферред-оксин и ферредоксин-НАДФ+-оксиредуктазу [3, 26, 27]. Место «выбитого» электрона фотосистемы I под действием экситонов — квантов энергии возбуждения — заполняется электронами, поступающими от возбуждения фотосистемы II светом с более короткой длиной волны. При этом электрон реакционного фотоцентра переходит в состояние с повышенным .потенциалом и попадает к акцептору Q. Затем электрон через центральную цепь переноса, в которую входят пластохинон, цитохром Ь6, цитохром f и пластоцианин, попадает в фотосистему I. Электроны, необходимые для заполнения фотосистемы II, поступают от молекулы воды (фотолиз), которая отдает водород в виде ионов Н+ в результате функционирования неизвестных механизмов. При этом атомы кислорода соединяются в молекулу 02.

Получив электрон от фотосистемы I и ион Н+ от фотолиза воды, НАДФ+ превращается в НАДФ-Н, вступающий затем как восстановитель в процесс ассимиляции С02 в синтезе глюкозы (см. стр. 64). Необходимо отметить, что синтез глюкозы из С02 и Н20 непосредственно не требует света для своего осуществления и представляет собой серию темновых реакций (темновая реакция фотосинтеза). Однако необходимые для этих реакций соединения — АТФ и НАДФ-Н — синтезируются

427

только в присутствии света. Суммарное уравнение, описывающее темно-вой процесс восстановления С02, приведено ниже:

СОа + 2НАДФ-Н + 2Н+ + ЗАТФ + 2НгО

СН20 + 2НАДФ + ЗАТФ 4- ЗФИ

Вызванный действием света поток электронов от Н20 или другого донора через хлорофилл к НАДФ+ или другому акцептору, восстановленная форма которого накапливается, называется нециклическим потоком. Существует также циклический поток электронов. Он также индуцирован световым квантом, но в его процессе накопление восстановленных веществ не наблюдается, а происходит только фосфорилирование АДФ до АТФ.

\

v Возможные пути

электронов

Рис. 29. Процесс фотосинтеза:

Z н Q — акцепторы фотосистем I и II соответственно; В — ловушка экситонов.

Таким образом, процесс фосфорилирования АДФ сопряжен с одной или несколькими цепями переноса электронов [3, 12, 25, 26]. Фотофос-форилирование, вероятно, имеет много общего с окислительным фосфо-рилированием. Был даже выделен фактор сопряжения фотофосфорили-рования, обладающий АТФ-азной активностью, индуцируемой ионами Са2+ [3]. Найдено также, что во время переноса электронов граны хлоропластов подвергаются характерным конформационным изменениям [3]. Для объяснения механизма фотофосфорилирования предлагаются три основные гипотезы (см. стр. 409) [3].

Ряд неясностей в процессе фотосинтеза вызвал среди биохимиков много споров относительно вопроса о максимальной термодинамической эффективности, или квантовой эффективности процесса фотосинтеза [8, 17]. Одна из главных проблем — определение числа световых квантов n(hv), удовлетворяющих суммарному уравнению фотосинтеза (см. стр. 427). Изменение стандартной свободной энергии для реакции синтеза гексозы AG0' = 4-2870 кДж/моль (4-686 ккал/моль). На восстановление одной молекулы СОг до СН20 необходимо 4-2870/6= = 4-47,8 кДж/моль (4-П4 ккал/моль).

428

Энергия световых квантов при 700 нм составляет примерно 176 кДж/моль (42 ккал/моль). Теоретически значение п для уравнения фотосинтеза при длине волны 700 нм должно быть не менее 478/176=2,7. Из экспериментально найденных значений наиболее вероятно я=8.

Согласно уравнению на стр. 428, для восстановления одной молекулы СОг необходимы 3 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФ-Н. Для образования двух молекул НАДФ-Н (см. рис. 29) фотосистема I должна поднять на более высокий энергетический уровень четыре электрона, столько же электронов должна дать фотосистема II для получения одной молекулы 02. Так как для отщепления одного электрона необходим один световой квант, то для образования двух молекул НАДФ-Н и одной молекулы 02 необходимы 8 квантов. Если считать, что на каждую пару электронов в течение всего процесса приходится одно фотофосфорилиро-вание, то при переходе двух пар электронов от фотосистемы II к фотосистеме I должно образоваться две молекулы АТФ. Однако для восстановления С02 необходимы три молекулы АТФ. Если перенос пары электронов сопряжен с фотофосфорилированием в двух местах, как предполагают многие исследователи, то возникают четыре молекулы АТФ. Возможно, что при определенных условиях вступает в действие циклический поток электронов, который вырабатывает только АТФ. Эффективность фотосинтеза в природе намного ниже величин, вычисленных, исходя из молекулярных процессов. Например, сахарный тростник запасает в виде органических соединений до 8% поглощенной световой энергии. Кроме того, суммарная эффективность фотосинтеза понижается за счет процессов фотодыхания, протекающего в митохондриях фотосинтезирующих клеток. Фотодыхание рассматривают как короткозамкнутую цепь фотосинтеза, при котором восстановительная способность электронов расходуется не на восстановление С02, а на восстановление молекулярного кислорода. Оно не сопровождается окислительным фосфорилированием АДФ.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БИОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

В отличие от способов получения пути использования энергии организмом значительно многообразнее. Энергия, аккумулированная в АТФ, а также в НАДФ-Н и других восстановительных коферментах, расходуется для совершения следующих внутриклеточных процессов: биосинтез, в процессе которого совершается химическая работа; сокращение и движение, представляющие собой разновидности механической работы; активный перенос, являющийся результатом осмотической работы [3, 7, 12, 23, 27]. Наиболее сложным и важным среди них является процесс биосинтеза компонентов клетки из их низкомолекулярных предшественников. Именно этот процесс участвует в создании и поддержании строго упорядоченной структуры живой клетки за счет ресурсов внешней среды.

Биохимия анаболизма углеводов, липидов, мононуклеотидов и других соединений рассмотрена в соответствующих разделах книги. Здесь будут отмечены лишь главные общие черты процессов анаболизма.

Анаболизм и катаболизм не являются просто обращенными процессами. Биосинтетические процессы имеют свои, независимые от катаболизма пути и всегда сопряжены с распадом АТФ, причем общее количество энергии, высвобождающееся из АТФ, значительно больше, чем необходимо для осуществления биосинтеза. Биосинтетическая реакция, сопряженная с распадом АТФ, всегда имеет отрицательное значение

429

стандартной свободной энергии, что способствует ее протеканию в сторону синтеза. Соответственно, все биосинтетические реакции имеют свой самостоятельный ферментативный контроль. Кроме того, процессы катаболизма и анаболизма локализованы в различных участках клетки. И вместе с тем, эти процессы взаимосвязаны: скорость расходования АТФ определяет скорость фосфорилирования АДФ за счет энергетических ресурсов внешней среды [3, 9, 12].

Проблемы, связанные с молекулярными основами превращений химической энергии АТФ в механическую энергию процессов сокращения и движения, чрезвычайно сложны [3, 15]. Это объясняется тем, что вне живого организма отсутствуют примеры непосредственного превращения химической энергии в механическую. Механическая работа может быть представлена сокращением мышц, а также движениями ресничек и жгутиков у простейших. Большинство клеток содержат сократительные нити (фибриллы), которые осуществляют организацию содержимого клетки, движение и перенос клеточных веществ, процессы клеточного деления и т. д. В качестве примера преобразования энергии АТФ в механическую работу можно привести процессы мышечного сокращения, связанные с использованием энергии АТФ [3, 15, 18], при этом важную функцию выполняют белковые компоненты мышечных клеток — комплекс миозина и актина, названный актомиозином. Актомиозин и его компонент миозин обладают АТФ-азной активностью, т. е. способны гидро-лизовать концевую фосфатную группу АТФ. Однако АТФ-азную активность актомиозина стимулируют ионы Mg2+, а миозина — ионы Са2+. Сигналом для сокращения мышц является электрический импульс, приходящий из двигательного нерва через нервномышечное соединение. До получения импульса по обе стороны мембраны (сарколемма) мышечной клетки поддерживается разность потенциалов (с наружной стороны имеется избыточный положительный заряд). При распространении импульса по мембране разность потенциалов сразу исчезает. Считают, что это является результатом резкого повышения проницаемости мембраны для ионов К+, Na+ и Са2+; при этом направление потоков ионов вызывает разряд трансмембранного потенциала. После этого мембрана вновь возвращается в поляризованное состояние, а ионы Са2+ входят внутрь саркоплазматической сети мышечной клетки. Подобный перенос ионов Са2+ осуществляется за счет свободной энергии гидролиза АТФ (АТФ-азный «

страница 63
< 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
смесь для теплого пола цена
установка термоголовки данфосс ra 2945
http://www.prokatmedia.ru/proektor.html
8 июля стадион откртие арена

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
(27.06.2017)