Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Стехиометрия и энергетика метаболических превращений
Взаимосвязанность метаболических реакций; АТР и NAD
Окисление и восстановление; сочетание с превращением NAD

Мы только что рассмотрели роль АТР как переносчика фосфатных групп, связывание и отщепление которых сопровождается поглощением или выделением довольно значительного количества энергии. В этом разделе мы вкратце проанализируем, как в живой клетке происходят процессы окисления и восстановления и как они связаны с метаболизмом АТР.

Прежде всего вспомним, что окисление какого-либо соединения означает, что его молекулы теряют электроны, а присоединение электронов есть не что иное, как восстановление. При биохимическом окислении органическое вещество обычно теряет электроны в виде атомов водорода; следовательно, термины окисление и дегидрирование здесь являются синонимами. Точно так же восстановление или присоединение электронов обычно осуществляется путем гидрирования. Примером могут служить реакции восстановления пировиноградной кислоты и окисления молочной кислоты:

(Пировиноградная кислота представляет собой по сути дела то же, что пируват на рис. 5.1. Пируватом называют ионизированную форму кислоты СН₃СОСОО^-, преобладающую при биологических pH.)

Роль переносчиков пар атомов водорода, высвобождающихся в процессах окисления и расходующихся в реакциях восстановления, выполняют производные нуклеотидов, в первую очередь никотинамидадениндинуклеотид (NAD) (см. рис. 2.9) и его фосфорилированное производное NADP. Ранее эти соединения относили к коферментам, поскольку их присутствие обычно обязательно в процессах ферментативного окисления или восстановления. Если, например, необходимы атомы водорода, то никотинамидная группировка восстановленной формы NAD может отдать их в процессе окисления:

Процесс окисления легкообратим, поэтому NAD может и присоединять электроны (атомы Н), если последние высвобождаются в процессах окисления других соединений. Окисленную и восстановленную формы NAD мы будем обозначать далее так, как и на приведенной выше схеме, символами NAD⁺ и и NADH соответственно.

Как переносчик электронов NAD выполняет две основные функции, первая из которых аналогична функции АТР и заключается в переносе восстанавливающих эквивалентов (электронов или атомов Н), высвобождающихся в ходе распада питательных веществ, к биосинтетическим реакциям. Необходимость в восстановлении часто обусловливается тем обстоятельством, что степень окисления непосредственных продуктов биосинтеза не всегда соответствует степени окисления веществ, необходимых для построения структурных элементов клетки. Как мы уже отмечали, степень окисления углерода в клетке приблизительно соответствует углеводам (CH₂О)_n, поэтому аутотрофным организмам, использующим в качестве источника углерода СО₂, для успешной ассимиляции углерода необходимо обладать большой восстанавливающей способностью:

СО₂ + 4Н → (СН₂О) + Н₂О

Хотя восстанавливающие эквиваленты в наибольшей степени используются в процессах ассимиляции углерода, усвоение серы и азота также часто требует участия восстановительных реакций. Чтобы оценить эти потребности, можно принять, что клетка содержит азот в основном в степени окисления аммиака (NH₃), а серу — главным образом в форме, аналогичной сульфидному иону (S^2-). Тогда для утилизации, например, сульфата, в качестве источника серы клетке потребуется значительная восстанавливающая способность, о чем свидетельствует соответствующее уравнение реакции:

SO₄^2- + 8H → S^2- + 4H₂О

NAD и родственные пиридиновые нуклеотиды, также выполняющие функцию переносчика атомов водорода, участвуют и в образовании АТР в аэробном метаболизме. В разд. 5.3 мы подробнее изучим процесс соединения атомов водорода из NADH с кислородом в последовательности реакций, известной под названием дыхательной цепи. Выделяющейся в этой последовательности реакций окисления энергии достаточно для превращения трех молекул ADP в АТР.

Интересно, что во всех известных биологических системах, включая анаэробные, аэробные и фотосинтезирующие организмы, АТР является основным инструментом аккумулирования и хранения энергии окисления или света, необходимой для осуществления эндэргонических процессов в клетке. В последующих разделах этой главы мы проследим за ходом процессов утилизации АТР и переноса электронов во все более и более сложных путях метаболизма в анаэробных, аэробных и фотосинтезирующих системах. Анализ уравнений окислительновосстановительных реакций позволит нам найти стехиометрические ограничения, налагаемые составом питательной среды и клеток, путями метаболизма и природой конечных метаболитов. Поскольку свободная энергия окисления клеточного топлива в конечном счете хранится в АТР, то эффективность утилизации АТР в различных клеточных процессах может служить удобной мерой относительного количества энергии, потребляемой клеткой в этих процессах. Более того, изучение АТР позволяет логически увязать процессы построения углеродных скелетов и связанные с ними изменения свободной энергии. Наконец, сравнение энергетики различных биологических систем дает возможность понять основу высокой термодинамической эффективности их биосинтетического аппарата.