Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Высокоэнергетические соединения. АТФ — универсальная форма химической энергии в клетке
У прокариот существует несколько типов богатых энергией химических соединений. Самую большую группу составляют соединения с высокоэнергетической фосфатной связью: это ацилфосфаты (ацетил-фосфат, бутирилфосфат, пропионилфосфат, карбамилфосфат), фосфорные эфиры енолов (фосфоенолпируват), нуклеозидди- и трифосфаты, аденозинфосфосульфат. Другая распространенная группа — соединения с высокоэнергетической тиоэфирной связью — ацилтиоэфиры (КОА-производные жирных кислот — уксусной, пропионовой, масляной, янтарной).
Эти соединения характеризуются тем, что по крайней мере одна из входящих в состав молекулы групп имеет высокий энергетический потенциал. При переносе этой группы происходит разрыв связи, соединяющий ее с молекулой, что приводит к резкому уменьшению свободной энергии, заключенной в молекуле химического соединения. Такие связи называются высокоэнергетическими, или макро-эргическими. Присоединение группы с высоким энергетическим потенциалом к молекуле-акцептору повышает уровень ее свободной энергии, переводя, таким образом, молекулу в активированную форму, в которой это соединение может участвовать в биосинтетических реакциях.
Для ГТФ показано участие в процессе биосинтеза белков. На одном из этапов синтеза пептидогликана клеточной стенки прокариот используется УТФ. Активирование кислотных остатков, необходимое для биосинтеза длинноцепочечных жирных кислот, происходит путем образования ацил-КоА с высокоэнергетической тиоэфирной связью. Однако эти соединения с макроэргическими связями участвуют в ограниченном числе клеточных биосинтезов.
Центральное место в процессах переноса химической энергии принадлежит системе АТФ. АТФ образуется в реакциях субстратного и мембранного фосфорилирования. При субстратном фосфорилировании источником образования АТФ служат реакции двух типов:
84
I. субстрат~Ф s +АДФ=^субстрат +АТФ; 11. субстрат ~ X+АДФ + Фн^субстр ат+X+АТФ.
В реакциях первого типа осуществляется перенос высокоэнергетической фосфатной группы с молекулы-донора на АДФ, катализируемый соответствующими киназами. Широко распространенными реакциями такого типа являются реакции субстратного фосфорилирования на пути анаэробного превращения Сахаров. У прокариот, имеющих ЦТ К, реакция превращения сукцинйл-КоА в янтарную кислоту сопровождается запасанием энергии в фосфатной связи ГТФ, который затем отдает фосфатную группу АДФ. Эту реакцию можно рассматривать как реакцию субстратного фосфорилирования II типа.
АТФ образуется также за счет энергии Ajih+b процессе мембранного фосфорилирования. В общих чертах механизм мембранного фосфорилирования изложен в следующем разделе.
При pH 7,0 АТФ представляет собой анион с высоким зарядом, так как в его молекуле имеется четыре ОН-группы, способные к ионизации. В интактной клетке лишь небольшая часть молекул АТФ находится в виде свободных анионов; основная масса АТФ образует комплексы с ионами магния и марганца (МдАТФ2- МпАТФ2-). Молекула АТФ содержит две макроэргические фосфатные связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество свободной энергии:
АТФ + Н20->АДФ + Фи; A Go'=—31,8 кДж/моль; АДФ + Н2О^АМФ + Фн; Ao0'= —31,8 кДж/моль. Отщепление последней фосфатной группы от молекулы АМФ приводит к значительно меньшему высвобождению свободной энергии: АМФ + HaO-*-аденозин+Фн; AG07 =—14,3 кДж/моль.
Молекула АТФ обладает определенными свойствами, которые и привели к тому, что в процессе эволюции ей была отведена столь важная роль в энергетическом метаболизме клеток. Термодинамически молекула АТФ нестабильна, что вытекает из большой отрицательной величины AG ее гидролиза. В то же время скорость неферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, т. е. химически молекула АТФ высокостабильна. Последнее свойство обеспечивает эффективное сохранение энергии в молекуле АТФ, поскольку химическая стабильность молекулы препятствует тому, чтобы запасенная в ней энергия бесполезно рассеивалась в виде тепла. Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической, механической работы.
И наконец, еще одно свойство молекулы АТФ, обеспечившее ей центральное место в энергетическом метаболизме клетки. Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ составляет —31,8 кДж/моль. Если сравнить эту величину с аналогичными величинами для ряда других фосфорилированных соединений, то мы получим определенную шкалу. На одном из ее полюсов будут расположены фосфорилирован-ные соединения, гидролиз которых приводит к высвобождению значительного количества свободной энергии (высокие отрицательные значения AG). Это так называемые «высокоэнергетические соединения. На другом полюсе будут располагаться фосфорилированиые соединения, AG гидролиза которых имеет невысокое отрицательное зна-
8 Символ «--'», введенный американским биохимиком Ф. Липманом (F. Lip-mann), служит для обозначения макроэргической связи.
