Основные реакции тканевого обмена - ЦЕЛОСТНЫЕ РЕАКЦИИ КЛЕТКИ - КЛЕТКА

В клетках постоянно осуществляется метаболизм (греч. metabole - перемена, превращение), или обмен веществ, который представляет собой совокупность процессов ассимиляции (реакций биосинтеза сложных биологических молекул из более простых) и диссимиляции (реакций расщепления). В результате диссимиляции освобождается энергия, заключенная в химических связях пищевых веществ. Эта энергия используется клеткой для осуществления различной работы, в том числе и ассимиляции. У всех известных на Земле живых организмов энергетические процессы весьма сходны. Все события, протекающие в живых организмах, подчиняются законам термодинамики. Живая система нуждается в постоянном притоке энергии извне. Энергия Вселенной поступает на Землю в виде солнечной энергии, доступной живым системам, несущим в себе закодированную информацию. Эти системы обладают механизмами связывания, превращения, запасания и использования энергии, благодаря чему возможна жизнедеятельность организмов, то есть их выживание, а также размножение. Наряду с этим существует группа прокариот, способных получать необходимую для синтеза органических веществ энергию в ходе химических реакций неорганических веществ (более подробно об этом рассказано в разделе, посвященном микроорганизмам).

Энергия солнечного света используется живыми организмами на Земле только благодаря фотосинтезу, в ходе которого происходит восприятие энергии электронами хлорофилла и последующее ее преобразование в энергию химических связей глюкозы и других органических соединений. При этом СО2 фиксируется и выделяется О2. Реакция выглядит следующим образом.

Все организмы, не способные к фотосинтезу, получают энергию за счет потребления зеленых растений (непосредственно или опосредованно). Работа любых механизмов, основанных на потреблении органических веществ, обеспечивается видоизмененной солнечной энергией. И даже в основе каждого нашего движения (будь то биение сердца или движение глаз) лежит луч света, который когда-то упал на зеленый лист и дал энергию электрону, видоизмененную впоследствии в химическую связь. Таким образом, возбужденный энергией солнечного света электрон хлорофилла является материальной основой всех энергетических процессов, происходящих в живых системах, поскольку любой из этих процессов осуществляется благодаря энергии, которую возбужденный электрон отдает, возвращаясь на свой исходный стационарный уровень. Ниже мы подробно рассмотрим возможные направления движения такого электрона.

В природе происходит постоянный круговорот углерода, азота и кислорода, который связывает между собой различные живые организмы. В процессе катаболизма поступающие в организм пищевые вещества расщепляются до аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и глицерина.

Совокупность биохимических реакций, результатом которых является утилизация энергии химических связей органических веществ, называется дыханием. Если этот процесс идет без участия молекулярного кислорода, то это анаэробное дыхание, если с участием - аэробное дыхание. Анаэробное дыхание гораздо менее эффективно, чем аэробное, - при расщеплении молекулы глюкозы в процессе анаэробного дыхания выделяется 27 ккал, тогда как при аэробном дыхании - 674 ккал.

В результате окисления биологических молекул клетка получает энергию, необходимую для ее жизнедеятельности. Это окисление осуществляется в последовательной цепи катализируемых ферментами реакций, сопряженных с образованием макроэргического соединения - аденозинтрифосфата (АТР). Ковалентные связи, при гидролизе которых выделяется более 30 КДж/моль энергии, называются макроэргическими. АТР - нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. АТР является универсальным переносчиком и основным аккумулятором энергии в клетке, которая заключена в высокоэнергетических связях между тремя остатками фосфорной кислоты. При отщеплении от АТР одной фосфатной группы образуется ADP (аденозиндифосфорная кислота) и фосфат и выделяется свободная энергия, которая используется клеткой для осуществления работы - биосинтез, активный транспорт веществ через биологические мембраны, движение и передача генетической информации. Отщепляющийся неорганический фосфат (Pi) используется для фосфорилирования сахаров, жирных кислот, аминокислот и других продуктов.

АТР является анионом с высоким зарядом (химически высокостабильным), его энергия не рассеивается в виде тепла; благодаря малым размерам молекула АТР легко диффундирует в различные клеточные компартменты; средняя продолжительность «жизни» молекулы АТР около 1/3 с. Все эти свойства делают его универсальной формой запасания химической энергии в клетке. Наряду с АТР клетка запасает гуанозинтрифосфат (GTP), который участвует в процессах биосинтеза белка и РНК; уридинтрифосфат (UTP), участвующий в синтезе пептидогликана клеточной стенки и полисахаридов, различных видов РНК; цитидинтрифосфат (СТР), участвующий в синтезе липидов и РНК.

В процессах анаболизма происходит биосинтез молекул, который обеспечивается энергией за счет гидролиза АТР, иными словами, анаболизм и катаболизм сопряжены. Биологическое окисление лежит в основе освобождения энергии, заключенной в пищевых веществах.

Схематично катаболизм пищевых веществ можно представить следующим образом (рис. 25). В первой стадии происходит их расщепление до мономеров. У многоклеточных организмов это осуществляется в пищеварительном тракте под воздействием соответствующих ферментов, после чего полученные мономеры всасываются в кровь (моносахариды и аминокислоты) и в лимфу (жирные кислоты). Расщепление экзогенных органических веществ у простейших происходит в пищеварительных вакуолях, с которыми сливаются первичные лизосомы.

Во второй стадии, независимо от природы пищевого продукта, образуется ацетилкоэнзим А (ацетил-СоА). Это соединение, а также другие ферменты, включающие в себя КоА, являются ключевыми звеньями множества разнообразных биохимических реакций (рис. 26). В III стадии происходит полное окисление ацетильной группы ацетил-СоА до Н2О и СО2, при этом большое количество электронов и протонов запасается на молекулах NADH. В дальнейшем энергия электронов используется для образования протонного градиента, что обеспечивает последующий синтез АТР.

Рассмотрим более детально энергетический обмен на примере расщепления глюкозы (рис. 27).

Сначала она транспортируется через плазматическую мембрану в цитоплазму клетки. В матриксе цитоплазмы происходит ее бескислородное расщепление, или гликолиз, - многоступенчатый ферментативный процесс, в результате которого из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты - ПВК) и четыре молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТР). Однако полезный выход АТР при гликолизе одной молекулы глюкозы составляет всего две молекулы, поскольку две молекулы АТР использовались на ранних стадиях процесса (рис. 28). ПВК является универсальной молекулой, которая используется различными путями в зависимости от организма или условий метаболизма.

Последовательность реакций гликолиза была открыта в тридцатые годы XX в. несколькими учеными (Г. Эмбден, Я.О. Парнас, О. Мейергоф, Л.А. Иванов, С.П. Костычев и А.Н. Лебедев). Процесс начинается с фосфорилирования глюкозы за счет АТР - первая реакция. Это первая пусковая реакция гликолиза. Ее результатом является глюкозо-6-фосфат, имеющий отрицательный заряд. Следует отметить, что в гликолиз может вовлекаться не только глюкоза, но и другие гексозы (например, фруктоза), однако в результате фосфорилирования и активации все равно образуется глюкозо-6-фосфат.

Во второй реакции происходит изомеризация (внутримолекулярные перестройки) глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат. В третьей реакции происходит фосфорилирование (присоединение остатка ортофосфорной кислоты) фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. При этом затрачивается еще одна молекула АТР (уже вторая) - это вторая пусковая реакция гликолиза.

Она идет в присутствии Mg2+ и является необратимой, поскольку сопровождается масштабным уменьшением свободной энергии. В четвертой реакции происходит расщепление фруктозо-1,6-дифос- фата на две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. В пятой реакции происходит изомеризация полученных триозофосфатов. На этом заканчивается первая стадия гликолиза - подготовительная (напомним, что эта стадия включает в себя реакции с первой по пятую).

Во второй стадии (она включает в себя реакции с шестой по десятую) гликолиза происходят окислительно-восстановительные реакции, а также реакции фосфорилирования. В шестой реакции происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной. Выделившийся Н+ акцептируется NAD, который восстанавливается до NADH. Освобождающаяся энергия затрачивается для образования высокоэнергетической связи 1,3-бифосфоглицерата (1,3- бифосфоглицериновая кислота). В седьмой реакции фосфорильная группа 1,3-бифосфоглицерата переносится на ADP, в результате чего образуется АТР (напоминаем, что следует иметь в виду две параллельные цепи реакций, с участием двух молекул триоз, образовавшихся из одной молекулы гексозы, следовательно, синтезируется не одна, а две молекулы АТР). В восьмой реакции происходит перенос фосфатной группы с третьего атома углерода на второй. В результате образуется 2-фосфоглицерат (2-фосфоглицериновая кислота). Девятая реакция сопровождается внутримолекулярными окислительно-восстановительными процессами, в результате которых образуется фосфоенолпируват (фосфоенолпировиноградная кислота) с высокоэнергетической связью во втором атоме углерода и отщепляется молекула воды. В ходе десятой реакции фосфорильная группа переносится на ADP. При этом синтезируется АТР и пируват (пировиноградная кислота). Эта реакция также необратима, поскольку высокоэкзергонична.

Если после гликолиза следует аэробное расщепление, пируват мигрирует в матрикс митохондрий, где, взаимодействуя с коэнзимом-А, участвует в образовании ацетил-СоА. В анаэробных условиях пируват при участии NADH восстанавливается до лактата (молочной кислоты), который при этом является конечным продуктом гликолиза. Затем в аэробных условиях лактат может обратно превратиться в пируват и окислиться в митохондриях. Однако большая его часть (около 80%) ресинтезируется в гликоген.

Гликолиз является наиболее быстрым способом получения АТР, однако энергетическая эффективность его невелика. Выход энергии при этом составляет.

Так как полезный выход АТР при гликолизе одной молекулы глюкозы составляет две молекулы, то КПД этого процесса.

- составляет ≈ 35%. Несмотря на относительно низкую эффективность, гликолиз имеет большое значение для живых организмов. У анаэробных организмов бескислородное расщепление субстрата является единственным источником АТР. Причем среди таких организмов присутствуют не только прокариоты, но и ряд многоклеточных (например, многие гельминты).

Чрезвычайно важен гликолиз и для аэробных организмов, поскольку позволяет быстро получить АТР в условиях дефицита кислорода. Например, резкое повышение работы скелетных мышц приводит к пропорциональному увеличению метаболизма (эффект Фенна). Соответственно возрастает уровень потребления АТР миоцитами более чем в 100 раз по сравнению с покоем. Именно гликолиз обеспечивает значительную часть необходимого при этом АТР, поскольку в ходе его АТР синтезируется в 2 - 3 раза быстрее, чем при аэробном дыхании. Поэтому в саркоплазме миоцитов запасаются гранулы гликогена, при их гидролизе образуется глюкоза. Однако возможности гликолиза не безграничны. Из-за недостатка кислорода в интенсивно работающих мышцах синтезируется большое количество молочной кислоты, поэтому развивается метаболический ацидоз, ограничивающий работоспособность мышц (бегун-спринтер не может бежать с максимальной скоростью более 30 секунд). Накопившаяся в мышцах молочная кислота требует окисления, что приводит к резкому усилению вентиляции легких (кому не знакомо тяжелое и частое дыхание после быстрого бега или иной нагрузки?) и последующей мышечной боли, если организм малотренирован. Регулярные физические упражнения позволяют улучшить кровоснабжение мышц и ускорить распад молочной кислоты.

Существует несколько других путей бескислородного расщепления субстрата, более подробно о них рассказано в разделе, посвященном микроорганизмам.

Дальнейшие этапы окисления происходят в митохондриях.

В результате гликолиза освобождается лишь около 5% энергии, заключенной в химических связях молекулы глюкозы, остальная же освобождается в митохондриях в процессе аэробного окисления и тоже запасается в АТР. В митохондриях ADP, соединяясь с остатком фосфорной кислоты, превращается в АТР: АТР → ADP + Pi (Pi - органический фосфат). В расчете на один моль глюкозы образуется 36 моль АТР.

Химическим итогом второй стадии катаболизма является образование ацетил-СоА. При гликолизе это соединение образуется в результате взаимодействия пирувата с коэнзимом-А. При этом от трехуглеродного пирувата остается двухуглеродная ацетильная группа, которая и присоединяется к СоА, образуя ацетил-СоА. Оставшийся от пирувата атом углерода выделяется в виде молекулы СО2. Наиболее важным источником энергии в клетке являются жиры, их энергетическая ценность выше, чем ценность гликогена, более чем в 6 раз, а запасы жира в организме человека примерно в 30 раз больше, чем запасы гликогена. Расщепление жиров идет иначе. Поскольку жиры представляют собой сложные эфиры, при первичном расщеплении образуются жирные кислоты и трехатомный спирт глицерин. Затем жирные кислоты (так же как и пируват) поступают в матрикс митохондрий (мембраны митохондрий проницаемы для этих соединений), где вступают в сложный цикл химических реакций. В результате этих реакций после каждого цикла от молекулы жирной кислоты отделяются два атома углерода, которые и идут на образование ацетил-СоА. При расщеплении жирных кислот используются все атомы углерода, тогда как при гликолизе третья часть углерода теряется в виде СО2 (в результате окислительного декарбоксилирования пирувата).

Реакции окисления, приводящие к освобождению энергии, осуществляются путем отнятия у окисляемой молекулы отрицательно заряженного электрона, который связан с атомом водорода (Н+). Акцепторами электронов служат молекулы никотинамидаденинди- нуклеотида (NAD+), флавинадениндинуклеотида (FAD). Они и присоединяют к себе этот ион водорода (реакция восстановления). Восстановленная молекула никотинамидадениндинуклеотида обозначается как NADH, флавинадениндинуклеотида - FADH2. Все эти процессы осуществляются в матриксе митохондрий при участии находящихся там ферментов в цикле лимонной кислотыы (его также называют циклом трикарбоновыьх кислот, или цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты - центральный процесс метаболизма. Открытие цикла Г. Кребсом является одним из наиболее выдающихся достижений современной биохимии, за которое в 1953 г. автор был удостоен Нобелевской премии. Цикл начинается со взаимодействия оксалоацетата (дикарбоновой щавелево-уксусной кислоты) с ацетил-СоА. После этого коэнзим А отделяется, а ацетильная группа (напоминаем, что она образовалась в результате предварительного расщепления углеводов, жиров и аминокислот) участвует в химических превращениях образовавшегося цитрата (трикарбоновой лимонной кислоты) в ходе последующих реакций. По мере осуществления этих реакций оба атома углерода ацетильной группы последовательно отделяются в виде молекул СО2. Источником кислорода для этого служит вода, а протоны и богатые энергией электроны акцептируются NAD+ и FAD. Кроме того, в ходе каждого цикла синтезируется по молекуле GTP. После освобождения всех атомов присоединенной в начале цикла к оксалоацетату ацетильной группы оксалоацетат восстанавливается, он вновь взаимодействует с ацетил-СоА и присоединяет к себе очередную ацетильную группу.

Рассмотрим этот процесс более подробно. Цикл Кребса происходит в аэробных условиях и включает восемь стадий (рис. 29).

1. Конденсация ацетил-СоА с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат, а кофермент А освобождается. Реакция катализируется цитрат-синтазой, которая является одним из регуляторных ферментов, лимитирующих скорость цикла Кребса.

2. Превращение цитрата в изоцитрат при участии аконитат-гидратазы (сложного фермента, содержащего Fe2+ и кислотолабильные атомы серы, образующие железо-серныецентры) через промежуточную стадию цисаконитата, связанного с ферментом.

3. Дегидрирование (так называется удаление из молекулы атомов водорода) цитрата с образованием a-кетоглутарата и СО2 при участии изоцитратдегидрогеназы, которая функционирует при наличии Mg2+ и Мn2+.

4. Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутарата до высокоэнергетического сукцинил-СоА. Реакция катализируется a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом (Mg2+), который похож на пируватдегидрогеназный комплекс.

5. Превращение сукцинил-СоА под влиянием сукцинил-СоА-синтетазы в сукцинат с отщеплением СоА. Эта реакция сопряжена с образованием гуанозинтрифосфата (GTP) из GDP и фосфата и также катализируется указанным ферментом.

6. Катализируемое сукцинатдегидрогеназой, содержащей ковалентно связанный FAD и два железо-серных центра, дегидрирование сукцината с образованием фумарата.

7. Обратимая гидратация фумарата с образованием L-малата, катализируемая фумарат-гидратазой или фумаразой.

8. Катализируемое NAD-зависимой L-малатдегидрогеназой дегидрирование L-малата с образованием оксалоацетата. Эта реакция замыкает цикл Кребса и поставляет оксалоацетат для нового цикла. Большинство реакций цикла Кребса обратимы.

Итак, в цикле Кребса не происходит, непосредственный синтез АТР. Однако образовавшийся GTP (реакция 5) может участвовать в синтезе АТР. В цикле лимонной кислоты идет окисление молекул, отделение четырех пар Н+, которым используются для восстановления NAD+ и FAD, перенос четырех пар вымокоэнергетических электронов в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), откуда они позже передаются на молекулярным кислород - конечным акцептор электронов, в результате чего образуется Н2О. Речь об этом пойдет ниже.

Основная часть АТР синтезируется в процессе окислительного фосфорилирования. Дыхательная цепь, или цепь переноса электронов, является главной системой превращения энергии. Синтез АТР катализируется ферментом АТР-синтетазой. В 1961 г. П. Митчелл предложил хемиосмотическую гипотезу окислительного фосфорилирования применительно к митохондриям. Согласно этой гипотезе при транспорте электронов по дыхательной цепи протоны «откачиваются» из матрикса на наружную поверхность внутренней мембраны митохондрий (межмембранное пространство), что вызывает возникновение электрохимического протонного градиента по обеим сторонам внутренней митохондриальной мембраны. При возникновении большого протонного градиента протоны начинают перемещаться через АТР-синтетазу в матрикс (кроме этих трансмембранных белков, внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для протонов), и энергия их обратного тока расходуется для синтеза АТР (рис. 30).

.

.

Однако при этом увеличивается концентрация свободных протонов в матриксе, что ингибирует активность ферментов цикла Кребса и тем самым блокирует процесс аэробного дыхания. Чтобы этого не происходило, необходимо постоянно связывать поступившие в матрикс свободные протоны. Именно это и происходит при взаимодействии протонов и утративших энергию электронов, которые, отдав свою энергию для переноса протонов в межмембранное пространство, стали энергетически ненужными, с молекулярным кислородом, что приводит к образованию воды (рис. 31). Таким образом, несмотря на название всего процесса - «кислородное дыхание», О2 не принимает непосредственного участия в процессах переноса энергии, а лишь выполняет роль своеобразного «мусорщика», связывая «ненужные» протоны и электроны. По существу, в дыхательной цепи происходит окисление водорода.

.

Однако этот процесс происходит многоступенчато, причем атомы водорода расщепляются на протоны, поступающие в водную среду, и высокоэнергетические электроны, которые транспортируются по дыхательной цепи; выделяемая ими порциями (квантами) энергия расходуется для синтеза АТР из ADP и Pi. Лишь на завершающем этапе в конце дыхательной цепи протоны соединяются с электронами.

В состав дыхательной цепи входят два флавопротеидных фермента (сукцинат-дегидрогеназа и NAD-дегидрогеназа), четыре цитохрома, негеминовое железо, медь и кофермент Q (убихинон). Согласно современным представлениям дыхательная цепь состоит из трех основных связанных с мембранами ферментных комплексов. Как и положено всем мембранным молекулам, эти белки обладают высокой латеральной подвижностью и, сталкиваясь между собой, они последовательно передают электроны друг другу. При каждом переходе на следующий переносчик электрон теряет часть своей энергии, но оказывается все ближе к межмембранному пространству, соответственно за ним перемещается и противоположно заряженный протон. В итоге вся избыточная энергия электрона затрачивается на «выталкивание» протона в межмембранное пространство. Транспорт электронов от NADH по цепи переносчиков выглядит следующим образом.

1. NADH-дегидрогеназный комплекс, который принимает электроны от NADH и через флавин передает их на переносчик электронов убихинон (в митохондриях и у грамотрицательных бактерий) либо на нафтохиноны (у грамположительных бактерий).

2. Убихинон переносит электроны на димерный комплекс железосодержащих белков - цитохромов. Этот сложный комплекс называется комплекс b-c1, он передает электроны на небольшой периферический белок цитохром с.

3. Цитохром с переносит электроны на цитохромоксидазный комплекс, который передает их конечному акцептору электронов - кислороду.

Таким образом, при переходе электронов от одного переносчика к другому их свободная энергия убывает, а освобождающаяся энергия последовательно используется для «откачивания» протонов на наружную сторону мембраны, в результате чего и создается электрохимический протонный градиент. Иными словами, энергия, освобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на мембране, в которую встроена дыьхательная цепь.

АТР-синтетаза представляет собой мембранный белковый комплекс, который имеется во всех мембранах, осуществляющих окислительное фосфорилирование. Согласно хемиосмотической гипотезе энергия перемещения протонов через АТР-синтетазу в обратном направлении (с наружной стороны мембраны на внутреннюю) используется для синтеза АТР. Эта гипотеза применима и к синтезу АТР в хлоропластах, с той лишь разницей, что если в митохондриях протоны перед синтезом АТР депонируются в межмембранном пространстве, то в хлоропластах это происходит в полости тилакоидов (более подробно об этом рассказано в разделе, посвященном фотосинтезу).

Однако АТР-синтетаза осуществляет не только синтез, но и гидролиз АТР. И тот и другой процесс сопряжен с передвижением протонов.