Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Кофакторы
Переносчики фосфатных групп. Преобразование энергии в клетке

Кофакторы — переносчики фосфатных групп являются обязательными компонентами не менее 225 ферментов. Подавляющее большинство этих ферментов специфично к аденозиндифосфату (ADP), и их называют киназа­ми. Типичную киназную реакцию можно представить схематически:

x-P_i + ADP → x + ATP,      (7.1)

где x-P_i — фосфорилированный субстрат, выполняющий роль донора неорга­нического фосфата (P_i); ADP — акцептор фосфатной группы; х — дефосфорилированный донор; АТР — аденозинтрифосфат.

После этой реакции может осуществиться другая киназная (уравнение 7.2) либо синтетазная (уравнение 7.3) реакция:

y + ATP → y-P_i + ADP      (7.2)

y + z + ATP → y-z + ADP + P_i      (7.3)

Нетрудно заметить, что в реакциях типа 7.2 и 7.3 высвобождается ADP, который снова может принимать участие в реакции типа 7.1, что и дает осно­вание отнести аденозиндифосфат к кофакторам.

В реакции типа 7.1 формируется АТР — богатое энергией вещество, ос­новной поставщик энергии в клеточных процессах. В реакции типа 7.2 АТР выполняет роль донора фосфатной группы, а в реакции типа 7.3 —донора энергии для взаимодействия вещества «y» с веществом «z». Но по сути АТР служит сопрягающим агентом, позволяющим осуществиться реакциям 7.2 и 7.3 за счет распада вещества x-P_i (реакция 7.1).

Особенности структуры молекулы АТР. Аденозинтрифосфат имеет своеобразное строение (рис. 7.6): при значениях рН, близких к 7, трифосфатный компонент несет около четырех отрицательных зарядов, которые нахо­дятся в непосредственной близости друг к другу и сильно взаимоотталкива­ются. Электростатическое отталкивание между заряженными группами ос­лабляется при гидролизе АТР. Кроме того, АТР характеризуется меньшей резонансной стабилизацией, чем продукт его гидролиза — ADP и P_i. Таким образом, АТР является термодинамически неустойчивой молекулой и гидро­лизуется с образованием ADP или АМР. При этом расщепляются макроэргические связи (обозначаются знаком ~) и выделяется большое количество энергии.

При гидролизе макроэргических связей АТР при рН 7 в стандартных ус­ловиях изменение свободной энергии составляет от -30 до -35 кДж/моль, независимо от того, какая из ангидридных связей АТР при этом расщепляет­ся. Эта энергия может быть расходована для запуска реакций, требующих притока энергии, или для активации молекул (некоторые вещества способны подвергаться превращениям только в активированном виде). При этом тер­модинамически невыгодная реакция может быть превращена в термодинами­чески выгодную путем сопряжения с гидролизом АТР.

Действующей формой АТР является комплекс с ионом Mg²⁺, кординационно связанным с а- и ß-фосфатом.

Рис. 7.6. Структура молекулы АТР

Строго говоря, АТР является непосредственно используемым донором свободной энергии, а не формой ее запасания: обычно молекула АТР расхо­дуется в течение 1 мин после образования. Известно, что человек в покое расходует до 40 кг АТР за 24 ч, а во время интенсивной работы скорость ис­пользования АТР может достигать 0,5 кг/мин. Такие жизненно важные про­цессы, как движение, активный транспорт веществ через мембраны, биосин­тез, поддержание температуры организма, осморегуляция, генерация и проведение нервных импульсов, свечение, мышечные сокращения, требуют не­прерывной регенерации АТР. Как же образуется АТР?

Образование АТР. Аденозинтрифосфат — «основная энергетическая ва­люта клетки» — может образовываться в ходе нескольких процессов, сопро­вождающихся следующими механизмами.

1. Окислительное фосфорилирование, которое осуществляется в про­цессе дыхания (аэробного либо анаэробного) и требует обязательного участия мембран. Движущей силой синтеза АТР служит энергия протонного градиен­та на мембране.

2. Фотофосфорилирование — механизм трансформирования световой энергии в энергию макроэргических связей АТР, реализующийся при фото­синтезе. Также требует участия биомембран, поскольку и в этом случае дви­жущей силой синтеза АТР выступает энергия протонного градиента на мем­бране.

3. Субстратное фосфорилирование. Здесь АТР синтезируется при рас­щеплении макроэргических связей некоторых метаболитов. Процесс не тре­бует участия мембран и реализуется в катаболитных путях и в ходе некото­рых типов брожения.

Во всех перечисленных процессах АТР образуется из ADP и неорганиче­ского фосфата. В свою очередь, АDP может образовываться из АТР и АМР, чему способствуют взаимопревращения, катализируемые ферментом аденилаткиназой согласно следующему уравнению реакции:

АТР + АМР ↔ АDP + АDP      (7.4)

Важно отметить, что по потенциалу переноса фосфатной группы АТР за­нимает промежуточное положение в ряду биологически важных фосфорилированных молекул, выполняя функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ. Это означает, что должны существовать соединения, харак­теризующиеся более высоким потенциалом переноса неорганического фосфа­та, чем АТР. Данные соединения (ацетилфосфат, креатинфосфат, фосфоенолпируват, 1,3-дифисфоглицерат, карбамоилфосфат и некоторые другие) также содержат макроэргические связи и называются макроэргическими соедине­ниями.

Основным признаком макроэргической связи является то, что при ее рас­щеплении или новообразовании изменение уровня свободной энергии состав­ляет гораздо большую величину (в среднем 25—50 кДж/моль), чем при пре­образовании нормальной связи (порядка 12,5 кДж/моль). Макроэргические связи представлены в основном сложноэфирными связями, в том числе тиоэфирными, ангидридными (как в молекуле АТР) и фосфоамидными. Практи­чески все известные макроэргические соединения содержат по месту локализации данных связей атомы серы и фосфора. Аденозиндифосфат, как кофак­тор киназ, представляет собой подвижный переносчик фосфатной группы и может быть отнесен к коферментам.

Некоторые ферменты используют в качестве переносчиков фосфатных групп другие нуклеозиддифосфаты — GDP, UDP или CDP, однако такие ре­акции встречаются нечасто.