Роль высокоэнергетических фосфатов в биоэнергетике

Биологическая роль АТР. Свободная энергия

Гидролиза АТФ и других органических фосфатов

Для описания состояния химической системы используют понятие свободной энергии Гиббса, которое ввели Гиббс и Гельмгольц, объединив 1-й и 2-й законы термодинамики: ΔG = ΔЕ – TΔS. Определение «свободная» означает свободу использовать энергию для совершения полезной работы. Свободная энергия ΔG количественно характеризует потенциальную способность вещества претерпевать химические и физические превращения. Химическая реакция протекает лишь в том случае, если ∆G<0, т.е. в условиях, когда свободная энергия продуктов реакции меньше, чем свободная энергия исходных веществ. В химических процессах ΔG зависит не только от характера реакции, но и от тех условий, в которых она протекает.

Все содержащиеся в клетке фосфорилированные соединения разделяют на две группы: высокоэнергетические и низкоэнергетические (в зависимости от величины ΔG⁰ʹ их гидролиза). Высокоэнергетические фосфаты выполняют в клетке функцию аккумулирования биологической энергии и ее последующего использования для выполнения клеточных функций. К таким фосфатам относятся креатинфосфат (ΔG⁰ʹ= -14,80 ккал), фосфоенолпируват (ΔG⁰ʹ= -11,80 ккал), карбамоилфосфат. Изменение стандартной свободной энергии гидролиза АТР при t=37°С и рН 7,0 в присутствии избытка Mg²⁺ составляет -7,3 ккал/моль.

АТР в термодинамической шкале занимает промежуточное положение. Этим объясняется уникальность молекулы АТР и ее биологическая роль посредника при переносе фосфатных групп от высокоэнергетических фосфорилированных соединений к акцепторным молекулам. Запас АТР в клетке может обеспечить энергией работу клетки лишь на несколько секунд. Цикл АТР-ADP работает постоянно и производит такое количество АТР, которое было израсходовано клеткой. За сутки в организме человека образуется и распадается около 60 кг АТР. Энергия химических связей АТР используется в организме для совершения полезной работы. На всех этапах превращения энергии, в том числе и при гидролизе АТР, часть энергии выделяется в виде тепла.

Высвобождение большого количества энергии при гидролизе АТР объясняется структурными особенностями этой молекулы: 1) молекулы АТР при рН=7,0 имеют в среднем около 3,8 отрицательных заряда. Эти заряды располагаются близко друг от друга и потому между ними – сильное отталкивание. При гидролитическом отщеплении концевой фосфатной группы сила отталкивания уменьшается. Образовавшиеся продукты (анионы НРО₄^2- и ADP^3-) не стремятся к объединению, потому что их сближению препятствует отталкивание одноименных зарядов. 2) продукты гидролиза, НРО₄^2- и ADP^3- стабилизируются за счет сопряжения. Электроны, окружающие атомы фосфора и кислорода концевой фосфатной связи АТР, конкурируют за энергетически выгодные орбитали. Наличие такой конкуренции не позволяет всем электронам концевой пирофосфатной связи занять столь низкие энергетические уровни, какие они способны занять в отдаленных друг от друга ионах НРО₄^2- и ADP^3-.

 

Биологическое окисление. Ферменты, участвующие

В биологическом окислении

Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых – энергетическое обеспечение метаболизма. Другими словами, биологическое окисление – процесс, в котором субстраты теряют протоны и электроны, а промежуточные переносчики – акцепторы и доноры протонов и электронов (NAD⁺, NADH, FAD, FADH₂, FMN, FMNH₂, цитохромы, убихинон и т.п.) – переносят их (при аэробном окислении) на кислород. При анаэробном окислении в качестве акцепторов выступают другие соединения. Таким образом, процесс окисления – это химические реакции переноса электронов от окисляемого вещества (донора) к восстанавливаемому (акцептору). В ходе реакций биологического окисления высокоэнергетические электроны, находящиеся в молекулах углеводов и других биомолекул, скатываются на уровень с наименьшей энергией и связываются с кислородом. Энергия, отдаваемая ими при этом, используется для образования макроэргических фосфатных связей. Поток электронов, движущихся по ступеням процесса биологического окисления, – слабый электрический ток.

В реакциях окисления перенос электронов происходит в соответствии с их «электронным сродством». Способность молекулы принимать электроны оценивается по величине окислительно-восстановительного потенциала (Е). Отрицательная величина Е означает низкое сродство, положительная – высокое сродство. В процессе окисления перенос электронов происходит по направлению от более отрицательного к более положительному потенциалу. При отрицательном значении Е электроны являются «высокоэнергетическими». При переходе к системе с более высоким значением Е они теряют часть своей энергии и способны произвести работу. Энергия, освобождающаяся при переносе электронов между двумя системами, прямо связана с разностью окислительно-восстановительных потенциалов между ними:

 

- ΔG = ΔE^′₀ n F,

где ΔG – изменения свободной энергии реакции окисления (кДж/мин), ΔE^′₀ – разность потенциалов между окислительно-восстановительными системами (в), n ‒ масса перенесенных электронов (моль), F – число Фарадея (96463 Дж/в).

Основной путь использования энергии, освобождающейся при биологическом окислении, ‒ накопление её в молекулах АТР и других макроэргических соединений. Химическая энергия, аккумулированная в макроэргических фосфатных связях при окислении питательных веществ, используется организмом для осуществления различных биологических функций.

Существует два типа окисления

Свободное окисление не сопряжено с фосфорилированием ADP и не сопровождается трансформацией энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей. При свободном окислении энергия, высвобождающаяся при сопряженном с окислением распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается. По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием H₂O₂, а также многие реакции, катализируемые оксидазами. Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, мембранах эндоплазматического ретикулума, лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов. Они идут также в ядерном аппарате клетки.

Окисление, сопряженное с фосфорилированием ADP, – тип биологического окисления, которое может осуществляться двумя способами. Если макроэргическая связь возникает в момент непосредственного окисления субстрата, а затем передается на фосфатный остаток, который, в свою очередь, используется для фосфорилирования ADP, такой вид биологического окисления называют окислением, сопряженным с фосфорилированием ADP на уровне субстрата (субстратным фосфорилированием). Если атомы водорода с коферментов дегидрогеназ, принимающих участие в окислении субстратов, передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряженно с переносом протонов и электронов на молекулярный кислород происходит активирование неорганического фосфата и при его посредстве фосфорилирование ADP с образованием АТР, то такое сопряжение окисления с синтезом АТР называется сопряжением на уровне электронтранспортной цепи (окислительным фосфорилированием). В этом случае сам окисляемый субстрат непосредственного участия в активировании неорганического фосфата не принимает.

Сопряжение окисления с фосфорилированием идет на внутренних мембранах митохондрий. Здесь осуществляется сопряжение окисления с фосфорилированием на уровне электронтранспортной цепи.

Реакции биологического окисления в клетках катализируют класс оксидоредуктаз – окислительно-восстановительных ферментов.

При биологическом окислении может осуществляться прямое взаимодействие молекулы биоорганического субстрата с кислородом:

 

Оксидаза

SH₂ + ½ O₂ → S + H₂O

 

Ферменты, катализирующие этот тип окислительных реакций, называются оксидазами. На первом этапе биологического окисления образуются пероксиды. Молекула кислорода при этом переводится в активированное состояние за счет разрыва двойной связи в ней при посредстве «внутренней колебательной энергии» самого окисляемого вещества, обладающего кратной связью, и при участии ферментов – оксидаз. Возникшие пероксиды органических соединений, как и пероксид водорода, могут окислять другие вещества при каталитическом воздействии пероксидазы:

 

Пероксидаза

RH₂ + H₂ → R + 2H₂O

Субстрат (или пероксид Субстрат (или Н₂О+оксид

восстановленный органического окисленный органического

соединения) соединения)

Пероксид водорода может распадаться и иным путем, т.е. при участии фермента каталазы:

 

Каталаза

2 H₂O₂ → 2H₂O + O₂

Реакции, связанные с отщеплением водорода от молекулы биоорганического субстрата (дегидрогенирование):

 

Дегидрогеназа

SH₂ + А → S + АH₂

 

В ходе реакций, которые катализируются дегидрогеназами, водород, отщепляемый от субстрата, переходит на молекулу акцептора, переводя ее в восстановленное состояние. В последующем, через ряд промежуточных превращений, водород может передаваться на конечный акцептор – кислород. В зависимости от строения коферментов дегидрогеназы делятся на две группы, т.е. NAD-зависимые и FAD-зависимые:

а) в NAD-зависимых дегидрогеназах NAD непрочно связан с апоферметом, в восстановленной форме (NADH) он отделяется от апофермента и служит донором водорода для следующего акцептора;

б) в FAD-зависимых дегидрогеназах FAD ковалентно связан с апоферментом.

Диоксигеназы – ферменты, ускоряющие включение двух атомов молекулярного кислорода в окисляемый субстрат. Одной из наиболее важных диоксигеназных реакций является превращение β-каротина в витамин А.

Монооксигеназы – ферменты, ускоряющие включение одного атома молекулярного кислорода в окисляемый субстрат. Монооксигеназы принимают участие в окислении аминокислот (лизин-, аргинин-, триптофанмонооксигеназы, фенилаланин-, тирозингидроксилаза), оксикислот (салицилатгидроксилаза), полиизопреноидных соединений (сквален-эпоксидаза).

Решающую роль в функционировании монооксигеназ и диоксигеназ играют металлы, входящие в состав фермента.