WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |

«1 Молекулярная биология клетки 2 Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray, Biology Julian Lewis, Martin Raff, of the Cell Keith Roberts, James D. Watson SECOND EDITION Garland Publishing, Inc. ...»

-- [ Страница 2 ] --

Эволюция высших животных, используя ту же основную стратегию развития, шла в направлении создания все возрастающего числа специализированных клеточных типов и все более утонченных методов координации их активности (рис. 1-43). Две системы клеток высших животных представляют каждая в своем роде вершину сложности многоклеточной организации. Одна - это иммунная система позвоночных, клетки которой способны производить миллионы различных антител. Другая - это нервная система. У низших животных большая часть нейронных связей жестко генетически детерминирована, и программа поведения эволюционирует лишь благодаря мутациям генетического материала. У высших животных работа и структура нервной системы становились все более подверженными модификациям (обучению) благодаря способности нервных клеток изменять свои связи в ответ на вызванную внешними стимулами электрическую активность.

Литература Общая Bendall D. S. ed. Evolution from Molecules to Men. Cambridge, UK. Cambridge University Press, 1983.

Curtis H. Biology, 4th ed. New York. Worth, 1983.

Darnell J. E., Lodish H. F., Baltimore D. Molecular Cell Biology, Chapter 25.

New York. W.H. Freeman, 1986. Darwin C. On the Origin of Species. London. Murray, 1859. Reprinted, New York, Penguin, 1984. Evolution.

Sci. Am. 239(3), 1978. (An entire issue devoted to the topic.) Keeton W. Т., Gould J. W., Gould C. G. Biological Science, 4th ed. New York, Norton, 1986.

Maynard Smith J. The Theory of Evolution, 3rd ed. New York, Penguin, 1975.

Watson J. D., Hopkins N. H., Roberts J. W., Steitz J. A., Weiner A. M. Molecular Biology of the Gene, 4th ed. Chapter 28. Menlo Park CA.

Benjamin-Cummings, 1987.

Wilson E. B. The Cell in Development and Heredity, 3rd ed. New York: Macmillan, 1925. (Reprinted, New York: Garland, 1987.) Цитируемая 1. Ferris J.P., Usher D.A. Origins of life. In: Biochemistry, 2nd ed. (G. Zubay ed.), pp. 1120-1151. New York: Macmillan, 1988.

Miller S. M., Orgel L. E. The Origins of Life on the Earth. Englewood Clifis, NJ. Prentice-Hall. 1974.

Schopf J. W., Hayes J. M., Walter M. R. Evolution of earth's earliest ecosystems: recent progress and unsolved problems. In: Earth's Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution (J. W. Schopf ed.), pp. 361-384. Princeton, NJ. Princeton University Press, 1983.

2. Eigen M., Gardiner W., Schuster P., Winkler-Oswatitsch R. The origin of genetic information. Sci. Am., 244(4), 88-118, 1981.

3. Cech T.R. RNA as an enzyme. Sci. Am. 255(5), 64-75, 1986.

4. Alberts В. М. The function of the hereditary materials: biological catalyses reflect the cell's evolutionary history. Am. Zool. 26, 781 - 796, 1986.

Darnell J. E., Doolittle W. F. Speculations on the early course of evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 1271 - 1275, 1986.

Orgel L.E. RNA catalysis and the origin of life. J. Theor. Biol. 123, 127-149, 1986.

5. Rogers M. et al. Construction of the mycoplasma evolutionary tree from 5S rRNA sequence data. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 1160-1164, 1985.

6. Vidal G. The oldest eukaryotic cells. Sci. Am., 250(2), 48-57, 1984.

7. Clarke P. H. Enzymes in bacterial populations. In: Biochemical Evolution (H. Gutfreund ed.), pp. 116-149. Cambridge UK. Cambridge University Press, 1981.

Doolittle W.F. Archaebacteria coming of age. Trends Genet., 1, 268-269, 1985.

Wоese C. R. Bacterial evolution. Microbiol. Rev., 5, 221-271, 1987.

8. Wilson A. The molecular basis of evolution. Sci. Am., 253(4), 164-173, 1985.

9. Dickerson R. E. Cytochrome с and the evolution of energy metabolism. Sci. Am., 242(3), 136-153, 1980.

10. Cavalier-Smith T. The origin of eukaryotic and archaebacterial cells. Ann.N.Y. Acad. Sci. 503, 17-54, 1987.

Margulis L. Symbiosis in Cell Evolution. New York, W. H. Freeman, 1981.

11. Vossbrinck C.R., Maddox J.V., Friedman S., Debrunner-Vossbrinck B. A., Woese C. R., Ribosomal RNA sequence suggest microsporidia are extremely ancient eukarvotes. Nature, 326, 411-414, 1987.

Yang D., Oyaizu Y., Oyaizu H., Olsen G. J., Woese C. R. Mitochondrial origins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 4443-4447. 1985.

12. Sleigh M. A. The Biology of Protozoa. London, Edward Arnold, 1973.

Sogin M. I., Elwood H. J., Gunderson J. H. Evolutionary diversity of eukaryotic small-subunit rRNA genes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 1383-1387, 1986.

13. Buchsbaum R. Animals Without Backbones, 2nd ed. Chicago. University of Chicago Press, 1976.

Field K. G. et al. Molecular phytogeny of the animal kingdom. Science, 239, 748-753, 1988.

Margulis L., Schwartz K. V. Five Kingdoms: An illustrated Guide to the Phyla of Life on Earth, 2nd ed. New York. W.H. Freeman, 1987.

Shapiro J. A. Bacteria as multicellular organisms. Sci. Am., 258(6), 82-89, 1988.

Valentine J. W. The evolution of multicellular plants and animals. Sci. Am., 239(3), 140-158, 1978.

14. Bode P. M., Bode H. R. Patterning in Hydra. In: Pattern Formation (G. M. Malacinski, S.V. Bryant eds.), pp. 213-244. New York, Macmillan, 1984.

15. Raff R. A., Kaufman T. C. Embryos, Genes, and Evolution. New York. Macmillan, 1983.

16. Maynard Smith J. The Evolution of Sex. Cambridge, UK. Cambridge University Press, 1978.

Michod R. E., Levin B. R. eds. The Evolution of Sex: An Examination of Current Ideas. Sunderland, MA. Sinauer, 1988.

17. Winfree A. T. The Timing of Biological Clocks. New York. W. H. Freeman, 1987.

18. Bullock Т. Н., Orkand R., Grinnell A. Introduction to Nervous Systems. San Francisco. Freeman, 1977.

2. Малые молекулы, энергия и биосинтез «Хочу сообщить, что я научился получать мочевину, не используя для этого изолированную почку или животное, будь то человек или собака». Эти слова, написанные 150 лет назад молодым немецким химиком Вёлером (Wohler), ознаменовали собой конец веры в особую жизненную силу (vital force), присущую живым организмам и обусловливающую характер их отличительных особенностей. Однако то, что было откровением во времена Вёлера, сегодня звучит вполне обыденно - живые существа состоят из химических соединений. В современном представлении о жизни нет места ни для витализма, ни для чего бы то ни было, выходящего за рамки законов химии и физики. Из этого отнюдь не следует, что в биологии не осталось тайн: как покажут следующие главы, в ней еще много «белых пятен». Тем не менее следует сразу же подчеркнуть, что объем накопленных знаний поистине колоссален.

Сейчас мы располагаем подробными сведениями о важнейших молекулах клетки, причем не о каком-то небольшом их числе, а почти обо всех. Во многих случаях нам точно известна их химическая структура, так же как и пути их образования и распада. В общих чертах мы представляем себе, как химическая энергия поддерживает процессы биосинтеза в клетке, как на основе законов термодинамики создается молекулярная упорядоченность и как регулируются и координируются мириады непрерывно протекающих внутри клетки химических превращений.

В этой и следующей главах мы познакомимся вкратце с химическими свойствами живой клетки. Здесь будут рассматриваться процессы, протекающие с участием малых молекул: механизмы, с помощью которых клетка синтезирует свои главные химические компоненты и получает необходимую энергию. В гл. 3 речь пойдет о гигантских молекулах (полимерах), чьи свойства определяют специфичность биологических процессов и передачу биологической информации.

2.1. Химические компоненты клетки 2.1.1. Основа клеточной химии - соединения углерода [1] Живая клетка состоит из ограниченного набора элементов, причем на долю шести из них (С, Н, N, О, Р, S) приходится более 99% ее общей массы. Такой состав, заметно отличающийся от состава земной коры, свидетельствует о химизме особого типа (рис. 2-1). В чем же своеобразие химии живого и как оно возникло в процессе эволюции?

Соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве, - это вода. Она составляет около 70% массы клетки, и большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде. Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия этой первобытной среды наложили неизгладимый отпечаток на химию живых существ. «Конструкция» всех живых организмов связана с уникальными свойствами Рис. 2-1. Относительное количество химических элементов, обнаруженных в земной коре (неживой мир), по сравнению с количеством тех же элементов в мягких тканях живых организмов. Относительное количество выражено в процентах к общему числу имеющихся атомов. Так, например, на долю водорода приходится около 50% от числа всех атомов, присутствующих в живых организмах.

воды, такими, как полярный характер ее молекул, способность к образованию полярных связей и большое поверхностное натяжение (схема 2-1).

Если не считать воды, можно сказать, что почти все молекулы клетки, за небольшим исключением, относятся к соединениям углерода, которые рассматриваются в курсе органической химии. Среди всех элементов Земли углерод занимает особое место по способности к образованию больших молекул;

до некоторой степени аналогичной способностью обладает кремний, однако он сильно уступает углероду в этом отношении. Благодаря малому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электронов атом углерода может образовать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами. Наиболее важное значение имеет способность атомов углерода соединяться друг с другом. образуя цепи и кольца и создавая в результате большие и сложные молекулы, на размеры которых не накладывается никаких видимых ограничений. Другие атомы, широко представленные в клетке (Н, N и О), имеют, как и углерод, небольшие размеры и способны образовать очень прочные ковалентные связи (схема 2-2).

В принципе простые правила образования ковалентной связи между углеродом и другими элементами допускают существование астрономически большого числа соединений. Количество различных углеродных соединений в клетке действительно очень велико, но это лишь крошечная часть теоретически возможного. В некоторых случаях мы можем довольно убедительно обосновать, почему то или иное соединение выполняет именно данную биологическую функцию;

однако чаще возникает ощущение, что выбор пал на один из многих приемлемых вариантов и свою роль здесь сыграл случай (рис. 2-2). Определенные типы реакций и химические мотивы, однажды установившись, сохранили (с некоторыми вариациями) свой характер в ходе эволюции. Появление новых классов соединений было, очевидно, необходимым или целесообразным лишь в редких случаях.

2.1.2. Клетки используют четыре основных типа молекул [2] Определенные простые комбинации атомов, такие, как метальные (—СН3), гидроксильные (—ОН), карбоксильные (—СООН) группы и аминогруппы (—NH2), неоднократно повторяются в биологических молекулах. Каждая такая группа обладает определенными химическими и физическими свойствами, которые оказывают влияние на поведение любых молекул, содержащих такие группы. Общие сведения об основных типах химических групп и их отдельных характерных свойствах приведены на схеме 2-2.

Так называемые малые органические молекулы клетки представляют собой соединения углерода с мол. массой от 100 до 1000, содержащие до 30 атомов углерода. Молекулы такого рода обычно находятся в свободном состоянии в цитоплазматическом растворе, образуя пул промежуточных продуктов, дающих начало крупным молекулам, называемым макромолекулами. Они служат также важнейшими промежуточными продуктами в химических реакциях, преобразующих извлеченную из пищи энергию в пригодную для использования форму (см. ниже).

На долю малых молекул приходится около одной десятой всего клеточного органического вещества, причем в клетке присутствует (по приближенным оценкам) около тысячи различных видов таких молекул. Расщепляясь, все биологические молекулы распадаются до тех простых соединений, из которых они и синтезируются, причем синтез и распад происходят в результате ограниченного количества химических превращений, которые подчиняются определенным правилам. Следовательно, все имеющиеся в клетке соединения можно разбить на небольшое число отдельных семейств. Крупные макромолекулы (они рассматриваются в гл. 3) строятся из малых молекул и относятся, таким образом, к тем же семействам.

Вообще говоря, содержащиеся в клетках малые органические молекулы образуют четыре семейства: простые сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. В состав каждого из этих семейств входит много различных соединений, имеющих общие химические свойства.

Хотя некоторые соединения клетки не попадают в эти категории, на упомянутые четыре семейства, включающие как малые молекулы, так и построенные из них макромолекулы, приходится удивительно большая часть клеточной массы (табл. 2-1).

2.1.3. Сахара как пища для клеток [3] Сахара простейшего типа - моносахариды - представляют собой соединения с общей формулой (СН2О)n, где n - любое целое число от трех до семи. Глюкоза, например, имеет формулу С6Н12О6 (рис. 2-3). Как показано на рис. 2-3, сахара могут существовать либо в форме кольца, либо в виде открытой цепи. Сахара, имеющие структуру открытой цепи, содержат гидроксильные группы и, кроме того, либо альдегидную группу, либо кетогруппу. Альдегидная группа и кетогруппа играют особую роль. Во-первых, они могут вступить в реакцию с гидроксильной группой той же молекулы, что приводит к переходу последней в форму кольца. Углеродный атом исходной альдегидной или кетогруппы можно узнать по тому признаку, что это единственный в молекуле атом углерода, связанный с двумя атомами кислорода. Во-вторых, после образования кольца к этому углеродному атому может присоединиться один из атомов углерода гидроксильной группы молекулы другого сахара, в результате чего образуется дисахарид (схема 2-3). Присоеди- Схема 2-1. Химические свойства воды и их влияние на поведение биологических молекул.

Схема 2-2. Ковалентные связи и группы, встречающиеся в биологических молекулах.

Рис. 2-2. Живые организмы синтезируют лишь небольшую часть органических молекул из всех тех, которые они в принципе могли бы образовать.

Из шести изображенных на рисунке аминокислот в клетках синтезируется только самая верхняя - триптофан.

Таблица 2-1. Примерный химический состав бактериальной клетки Доля от общей массы клетки, Число типов молекул % Вода 70 Неорганические ионы 1 Сахара и их предшественники 1 Аминокислоты и их предшественники 0,4 Нуклеотиды и их предшественники 0,4 Жирные кислоты и их предшественники 1 Другие малые молекулы 0,2 ~ Макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды) 26 ~ нение аналогичным путем большего числа моносахаридов приводит к образованию олигосахаридов все возрастающей длины (трисахаридов, тетрасахаридов и т. д.) вплоть до очень больших молекул полисахаридов, содержащих тысячи моносахаридных остатков. Поскольку у каждого моносахарида имеется несколько свободных гидроксильных групп, способных образовать связь с другим моносахаридом или каким-либо иным соединением, число возможных структур полисахаридов исключительно велико. Даже простой дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы, может существовать в 11 разновидностях (рис. 2-4), а три различные гексозы (С6Н12О6), соединяясь между собой, способны образовать несколько тысяч различных трисахаридов. Поэтому определение структуры любого конкретного полисахарида - дело исключительно сложное;

определение имеющимися методами расположения полудюжины связанных Сахаров (например, в гликопротеине) занимает больше времени, чем выяснение нуклеотидной последовательности молекулы ДНК, состоящей из многих тысяч нуклеотидов.

Глюкоза служит главным источником энергии во многих клетках. В результате последовательного ряда реакций окисления (разд. 2.3.2) эта гексоза превращается в различные производные Сахаров с меньшей длиной цепи и в конечном итоге распадается до СО2 и Н2О. Суммарное Рис. 2-3. Строение моносахарида глюкозы, простого сахара - гексозы. А. Форма открытой цепи находится в равновесии (в растворе) с более стабильной циклической структурой, представленной ниже (Б). В. Пространственная модель циклической структуры (p-D-глюкоза). Еще один из возможных вариантов изображения циклической структуры-конфигурация кресла (Г);

широкое использование такого представления обусловлено тем, что оно наиболее точно отражает структуру сахара. На всех четырех изображениях цветной буквой О обозначен атом кислорода альдегидной группы. Структура и химизм Сахаров представлены на схеме 2-3.

Рис. 2-4. Одиннадцать дисахаридов, построенных из двух остатков D-глюкозы. Хотя разница между ними состоит лишь в тине связи между двумя остатками глюкозы, в химическом отношении они различны. Олигосахариды, связанные с белками и липидами, могут включать в себя шесть и более разных видов Сахаров, которые имеют как линейное, так и разветвленное строение благодаря связям, подобным тем, которые показаны на этом рисунке. Следовательно, число возможных различных типов олигосахаридов необычайно велико.

Рис. 2-5. Пальмитиновая кислота. Карбоксильная группа (выделена цветом) изображена в ионизированной форме. Справа показана пространственная модель молекулы.

уравнение реакции можно записать Следующим образом: С6Н12О6 + СО2 + 6СО2 + 6Н2О + Энергия.

В ходе распада глюкозы высвобождается энергия и генерируется восстановительная способность, без чего невозможно протекание биосинтетических реакций. Высвобождающаяся энергия и генерируемая восстановительная сила запасаются в форме двух важнейших соединений - АТР и NADH (см. разд. 2.3.1).

Простые полисахариды, построенные из повторяющихся остатков глюкозы (в животных клетках это главным образом гликоген, а в растительных - крахмал), используются для запасания энергии впрок. Однако нельзя считать, что сахара служат исключительно для получения и запасания энергии. Так, из простых полисахаридов состоит важный внеклеточный структурный материал (например, целлюлоза), а цепочки неповторяющихся молекул Сахаров часто бывают ковалентно связаны с белками в гликопротеинах и с липидами в гликолипидах.

2.1.4. Жирные кислоты - компоненты клеточных мембран В молекуле жирной кислоты, например в пальмитиновой кислоте (рис. 2-5), имеются две различные части: длинная углеводородная цепь, которая имеет гидрофобный характер (водонерастворима) и химически мало активна, и карбоксильная группа, ионизирующаяся в растворе, крайне гидрофильная (водорастворимая) и легко образующая эфиры и амиды. Действительно, почти во всех случаях молекулы жирных Схема 2-4. Некоторые типы жирных кислот, часто встречающихся в клетках, и образованные ими структуры.

кислот клетки ковалентно связаны с другими молекулами именно своими карбоксильными группами. Многие жирные кислоты, обнаруживаемые в клетках, отличаются друг от друга такими химическими свойствами, как длина углеводородной цепи, число и положение имеющихся в них двойных связей углерод—углерод (схема 2-4).

Жирные кислоты являются ценным источником энергии, поскольку их расщепление сопровождается образованием такого количества АТР, которое в два раза превышает образование АТР при расщеплении такого же количества (по массе) глюкозы. Жирные кислоты запасаются в цитоплазме многих клеток в виде капелек триацилглицеролов (триглицеридов). Молекулы триацилглицеролов состоят из трех цепей жирных кислот, каждая из которых присоединена к молекуле глицерола (схема 2-4);

именно так устроены животные жиры, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. При необходимости цепи жирных кислот могут высвобождаться из триацилглицеролов и распадаться до двухуглеродных единиц. Такие двухуглеродные единицы, выходящие в виде ацетогруппы в водорастворимую молекулу, называемую ацетил-СоА, подвергаются дальнейшему расщеплению в различных экзергонических реакциях, которые рассматриваются в последующих разделах.

Но самая важная функция жирных кислот - участие в построении клеточных мембран. Эти тонкие плотные пленки, которыми одеты все клетки и внутриклеточные органеллы, состоят главным образом из фосфолипидов -- небольших молекул, сходных с триацилглицеролами наличием таких компонентов, как жирные кислоты, связанные с глицеролом. Однако в фосфолипидах глицерол чаще связан не с тремя, а лишь с двумя цепями жирных кислот. Оставшееся свободное место в молекуле Рис. 2-6. Аминокислота аланин в ионизированной глицерола обычно занимает фосфатная группа, которая в свою очередь соединена с форме, в которой она находится при рН 7. При другими небольшими гидрофильными группами - этаноламином, холином или включении аланина в полипептидную цепь заряды серином.

амино- и карбоксильной групп, имеющиеся у У каждой фосфолипидной молекулы имеется гидрофобный хвост, свободной аминокислоты, исчезают. В нижней части состоящий из цепей двух жирных кислот, и гидрофильная полярная голова, в которой рисунка представлена пространственная модель.

располагается фосфатная группа. Такие фосфолипидные молекулы, в сущности, представляют собой детергенты, о чем свидетельствуют их свойства. Небольшое количество фосфолипидов будет распределяться по водной поверхности с образованием фосфолипидного монослоя. В таком тонком слое очень тесно сближенные хвосты обращены в сторону воздуха, а головы погружены в воду (схема 2-4). Два подобных слоя могут соединяться «хвост к хвосту», образуя в результате фосфолипидный «сандвич», или липидный бислой, служащий структурной основой всех клеточных мембран.

2.1.5. Аминокислоты - субъединицы белков Аминокислоты, содержащиеся в биологических тканях, различаются по химическому составу. Однако все они имеют ту общую особенность, что содержат карбоксильную группу и аминогруппу, связанные с одним и тем же углеродным атомом (рис. 2-6). Аминокислоты служат строительными блоками при синтезе белков - длинных линейных полимеров аминокислот, соединенных «хвост к голове» при помощи пептидной связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой (рис. 2-7). В белках встречается обычно 20 аминокислот с разными боковыми цепями, связанными с -углеродным атомом (схема 2-5). Одни и те же 20 аминокислот неоднократно повторяются во всех белках, в том числе в белках бактериального, животного и растительного происхождения. Возможно, тот факт, что именно эти 20 аминокислот были отобраны в ходе эволюции, - один из примеров роли случая, но их химическое разнообразие имеет жизненно важное значение.

Рис. 2-7. Небольшая часть белковой молекулы. Четыре показанные на рисунке аминокислоты связаны друг с другом ковалентными связями, называемыми пептидными связями. Поэтому белок можно называть полипептидом. Боковые цепи аминокислот выделены цветом.

Схема 2-5. 20 аминокислот, участвующих в синтезе белка.

Рис. 2-8. Заряд боковых цепей аминокислот зависит от значения рН. Карбоновые кислоты в водном растворе легко теряют Н+, образуя отрицательно заряженный ион, обозначаемый с помощью суффикса «ат», например аспартат или глутамат. Сравнимая ситуация имеет место в случае аминов, которые, захватывая в водном растворе ион Н +, превращаются в положительно заряженный ион (он не имеет специального названия). Эти реакции легко обратимы, и количество двух форм (заряженной и незаряженной) зависит от рН раствора. При высоких значениях рН карбоновые кислоты имеют тенденцию к приобретению заряда, а у аминов заряд отсутствует. При низких значениях рН наблюдается обратная ситуация: карбоновые кислоты не несут заряда, а амины заряжены. рН, при котором ровно половина остатков карбоновых кислот или аминов заряжена, называют рК аминокислоты. В клетке рН близко к 7 и почти все карбоновые кислоты и амины находятся в заряженном состоянии.

Например, у 5 из 20 аминокислот боковые цепи могут нести заряд (рис. 2-8), тогда как боковые цепи других аминокислот электронейтральны, но обладают способностью вступать в реакции посредством образования специфических связей (схема 2-5). Как мы увидим, особенности боковых цепей всех аминокислот, входящих в состав данного белка, определяют его свойства и лежат в основе всех сложных и разнообразных функций белковых молекул.

2.1.6. Нуклеотиды субъединицы ДНК и РНК [5] В нуклеотидах одно из нескольких азотсодержащих циклических соединений (называемых часто основаниями, поскольку они способны присоединять в кислой среде ион Н + ) связано с пятиуглеродным сахаром (рибозой или дезоксирибозой), который несет еще и фосфатную группу.

Между азотсодержащими кольцами, встречающимися в нуклеотидах, имеется близкая родственная связь. Цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U) называются пиримидиновыми основаниями, так как они представляют собой простые производные шестичленного пиримидинового кольца;

гуанин (G) и аденин (А) - пуриновые основания, второе пятичленное кольцо которых сконденсировано с шестичленным циклом. Каждому нуклеотиду присвоено название, соответствующее названию входящего в его состав уникального основания (схема 2-6).

Схема 2-6. Основные типы нуклеотидов и их производные, встречающиеся в клетках.

Рис. 2-9. Химическое строение аденозинтрифосфата (АТР). Показаны пространственная модель (А) и структурная формула (Б) молекулы.

Рис. 2-10. Короткий отрезок дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК. ДНК и близкородственная ей РНК - нуклеиновые кислоты клетки.

Показанный на рисунке отрезок цепи ДНК содержит нуклеотидную последовательность G-A-T-C.

Нуклеотиды могут выступать в качестве переносчиков энергии. При этом трифосфатный эфир аденина АТР (рис. 2-9) гораздо чаще, чем другие нуклеотиды, участвует в переносе энергии между сотнями индивидуальных внутриклеточных реакций. Концевой фосфат АТР образует ковалентную связь в процессе окисления питательных веществ;

энергия, высвобождаемая при гидролизе этой фосфатной группы, может использоваться в любом другом месте для осуществления биосинтетических процессов, протекающих с затратой энергии. Другие производные нуклеотидов служат переносчиками отдельных химических групп, таких, как атомы водорода или остатки Сахаров, с одной молекулы на другую.

Кроме того, циклическое фосфорилированное производное аденинациклический AMP (cAMP) -служит универсальным внутриклеточным сигналом и регулирует скорость множества различных внутриклеточных реакций.

Как уже упоминалось в гл. 1, особенно велика роль нуклеотидов в хранении биологической информации. Нуклеотиды служат строительными блоками для синтеза нуклеиновых кислот - длинных полимеров, в которых нуклеотидные субъединицы соединяются между собой ковалентной связью, образуя фосфорный эфир между 3'-гидроксильной группой остатка сахара одного нуклеотида и 5'-фосфатной группой следующего (рис. 2-10). Существуют два основных типа нуклеиновых кислот, различающихся видом сахара, который входит в состав их полимерного остова. Нуклеиновые кислоты, сахар которых представлен рибозой, называются рибонуклеиновыми кислотами или РНК;

они содержат основания A, U, G и С. Те нуклеиновые кислоты, в состав которых входит дезоксирибоза (в ней гидроксильная группа при С-2 рибозы замещена на атом водорода), называются дезоксирибонуклеиновыми кислотами или ДНК;

они содержат основания А, Т, G и С. В последовательности оснований в полимерных молекулах ДНК и РНК заключена генетическая информация живой клетки. Способность азотистых оснований молекул различных нуклеиновых кислот «узнавать» друг друга путем нековалентного взаимодействия (называемого спариванием оснований) - G с С и А с Т или U - лежит в основе механизмов наследственности и эволюции. Этот вопрос рассматривается в следующей главе.

Заключение Живые организмы - это автономные самовоспроизводящиеся химические системы. Они построены из специфического и вместе с тем ограниченного набора углеродсодержащих малых молекул, как правило, одних и тех же для всех видов живых существ. Основные группы этих молекул представлены сахарами, жирными кислотами, аминокислотами и нуклеотидами. Сахара служат важнейшим источником энергии для клеток и запасают ее, образуя резервные полисахариды. Жирные кислоты, как и сахара, имеют важное значение для запасания энергии, но самая главная их функция - образование клеточных мембран. Полимеры, построенные из аминокислот, представлены удивительно разнообразными и многофункциональными молекулами белков. Нуклеотиды участвуют во внутриклеточной передаче сигналов и играют центральную роль в переносе энергии, однако их уникальное значение состоит в том, что они являются субъединицами информационных молекул РНК и ДНК.

2.2. Упорядоченность биологических систем и энергия [6] Клетки должны подчиняться законам физики и химии. Принципы механики и закон сохранения и превращения энергии можно применить к клетке точно так же, как и к паровой машине. Однако нельзя не признать, что клеткам присущ ряд особенностей, которые приводят нас в замешательство и на первый взгляд, казалось бы, ставят клетки в особое положение. Как показывает повседневная практика, все, что предоставлено самому себе, в конце концов приходит в неупорядоченное состояние: здания разрушаются, мертвые организмы подвергаются гниению и т.д. Эта общая тенденция выражена во втором законе термодинамики, который гласит, что в любой изолированной системе степень неупорядоченности может только возрастать.

Озадачивает то обстоятельство, что живые системы на всех уровнях организации в высшей степени упорядочены. Порядок с удивительной ясностью виден и в больших структурах, таких, как крыло бабочки или глаз осьминога, и в субклеточных образованиях, например в митохондриях или жгутике, и в форме и расположении составляющих их молекул. Множество атомов собрано в исключительно точные структуры, а ведь в конечном счете все они были извлечены из окружающей среды, где находились в крайне неорганизованном состоянии. Даже неделящимся клеткам для выживания требуется поддержание постоянного порядка. Поскольку все организованные структуры клетки подвержены нарушениям, необходимы системы, исправляющие их. Каким же образом это укладывается в рамки термодинамики? Далее мы увидим, что ответ на этот вопрос заключается в следующем: клетка постоянно выделяет теплоту в окружающую среду и, следовательно, с точки зрения законов термодинамики не является изолированной системой.

2.2.1. Упорядоченность биологических систем обусловлена выделением клеткой тепловой энергии [7] Некоторые принципы термодинамики легче усвоить, если клетку и ее ближайшее окружение рассматривать как закрытый ящик, который находится в однородном море вещества, представляющего собой остальную часть Вселенной (рис. 2-11). Для того, чтобы расти и обеспечивать свое существование, клетка должна постоянно поддерживать порядок внутри ящика. Однако, как уже было сказано, второй закон Рис. 2-11. Для простого термодинамического анализа живой клетки можно использовать следующий подход: считается, что клетка и ее ближайшее окружение находятся в запаянном ящике, в котором они могут обмениваться с остальной частью Вселенной теплотой, но при этом не могут обмениваться молекулами. На верхнем рисунке молекулы клетки и остальной части Вселенной изображены в относительно неупорядоченном состоянии. На нижнем рисунке из клетки выделилось тепло в результате реакции, которая привела к упорядочению содержащихся в клетке молекул. Возрастание беспорядочного движения (в том числе деформаций связей) молекул остальной части Вселенной создает неупорядоченность, которая с избытком компенсирует увеличение упорядоченности в клетке, что находится в соответствии с законами термодинамики для спонтанных процессов. Таким образом, выделение клеткой тепла в окружающее пространство позволяет ей создавать более высокую степень внутренней упорядоченности. В то же время Вселенная в целом становится более неупорядоченной.

термодинамики гласит, что упорядоченность замкнутой системы должна всегда уменьшаться. Из этого следует, что возрастание упорядоченности внутри ящика всегда должно с избытком компенсироваться даже более интенсивным повышением неупорядоченности остальной части Вселенной.

Хотя никакого обмена молекулами между ящиком и окружающей средой не происходит, они могут обмениваться теплотой - в этом количественно проявляется взаимосвязь между теплотой и порядком. Тепло представляет собой энергию хаотического движения молекул, т.е. энергию в наиболее неупорядоченной ее форме. Клетка, выделяя теплоту в пространство, увеличивает интенсивность движения молекул, вследствие чего возрастает хаотичность, или неупорядоченность, этого движения.

Существование количественного соотношения между теплотой и упорядоченностью, открытое в конце XIX столетия, в принципе дает нам возможность рассчитать, какое количество теплоты должна выделить клетка, чтобы компенсировать определенную степень упорядоченности внутри нее (такой, как сборка белков из аминокислот), причем суммарный процесс должен увеличивать степень неупорядоченности всей Вселенной. Такое соотношение можно получить, рассмотрев характер изменения движения молекул в результате перехода определенного количества тепловой энергии от горячего тела к холодному. Здесь нет необходимости представлять детальный расчет подобного процесса, отметим только, что химические реакции, которые протекают с выделением тепла, должны быть тесно связаны на молекулярном уровне именно с процессами, приводящими к упорядочению. Такие связанные между собой реакции, называются сопряженными;

мы их рассмотрим позднее.

Неразрывная связь между образованием тепла и повышением степени упорядоченности и отличает метаболизм клетки от расточительного процесса сгорания топлива.

На рис. 2-11 очень схематично показано, каким образом указанные сопряженные реакции выделяют тепловую энергию, приводящую к разупорядочению внеклеточной среды, вследствие чего компенсируется возрастание упорядоченности внутри клетки, происшедшее в результате этих реакций. Повышение степени неупорядоченности Вселенной - это именно тот процесс, благодаря которому протекание сопряженных реакций приводит к повышению упорядоченности внутри клетки.

Энергия не может возникать или исчезать в ходе химических реакций, поэтому постоянные потери тепла клеткой, приводящие к биологическому упорядочению, требуют непрерывного ввода энергии в клетку. Энергия должна существовать в форме, отличной от тепловой. Для растений первичным источником энергии служит электромагнитное излучение Солнца, животные же используют энергию ковалентных связей органических молекул, поступающих в организм с пищей. Однако, поскольку эти органические питательные вещества сами производятся фотосинтезирующими организмами, например зелеными растениями, первичным источником излучения для организмов обоих типов служит Солнце.

2.2.2. Фотосинтезирующие организмы используют солнечный свет для синтеза органических соединений [8] Утилизация солнечной энергии живой природой (биосферой) происходит в результате фотосинтеза, осуществляемого фотосинтезирующими организмами - растениями и бактериями. В процессе фотосинтеза электромагнитная энергия преобразуется в энергию химических связей. Но в то же время часть энергии солнечного света переходит в тепло, и как раз выделение этого тепла в окружающее пространство увеличивает не- Рис. 2-12. Две стадии фотосинтеза у зеленых растений.

упорядоченность Вселенной, что и является движущей силой процесса фотосинтеза.

Реакции фотосинтеза подробно описываются в гл. 7;

вообще говоря, они осуществляются в ходе двух различных фаз. В первой фазе (световые реакции) под действием квантов света электрон в молекуле пигмента переходит в возбужденное состояние;

затем при возвращении к более низкому энергетическому уровню освобождается энергия, необходимая для синтеза таких молекул, как АТР и NADPH. Во второй фазе (темповые реакции) АТР и NADPH используются для поддержания ряда реакций фиксации углерода, в которых из углекислого газа воздуха образуются молекулы Сахаров (рис. 2-12).

Суммарный результат фотосинтеза (если речь идет о зеленых растениях) может быть записан в виде уравнения Энергия + СО2 + Н2О + Сахар + О2, т. е. обратного уравнению окислительного распада сахара. За этим простым выражением скрывается сложная природа темновых реакций, включающих множество взаимосвязанных парциальных реакций. Более того, тогда как первоначальная фиксация СО2 приводит к образованию Сахаров, последующие метаболические реакции быстро преобразуют эти сахара в другие малые или большие молекулы, необходимые растительной клетке.

2.2.3. Химическая энергия переходит от растений к животным Животные и другие нефотосинтезирующие организмы не способны непосредственно утилизировать энергию солнечного света, поэтому они вынуждены существовать за счет энергии, получаемой «из вторых рук», т.е. поедая растения, или даже «из третьих рук» - поедая других животных. Органические молекулы, синтезируемые растительными клетками, обеспечивают питающиеся этими растениями организмы как строительными белками, так и запасом «топлива». Подобным целям могут служить растительные молекулы всех типов - сахара, белки, полисахариды, липиды и многие другие.

Не все взаимодействия между растениями и животными столь однонаправлены. Растения, животные и микроорганизмы так долго Рис. 2-13. Круговорот углерода. Отдельные атомы углерода включаются в органические молекулы живой природы в результате фотосинтетической активности растений, бактерий и морских водорослей. Эти атомы поступают в клетки животных и микроорганизмов, а также в органические соединения почвы и океанов по циклическим путям. Когда органические молекулы окисляются клетками или сжигаются людьми в качестве природного топлива, СО2 возвращается в атмосферу.

сосуществовали на нашей планете, что многие стали для других организмов необходимым элементом окружающей среды. Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, потребляется почти всеми организмами для окисления органических молекул;

часть молекул СО2, которая сегодня фиксируется с образованием более крупных органических молекул в процессе фотосинтеза, осуществляемого в зеленых листьях, еще вчера была выделена в атмосферу при дыхании животного. Таким образом, утилизация углерода - циклический процесс, который охватывает всю биосферу и устанавливает связи между отдельными организмами (рис. 2-13). Подобно этому, атомы азота, фосфора и серы могут переходить от одной биологической молекулы к другой в серии аналогичных циклов.

2.2.4. Клетки получают энергию в результате окисления биологических молекул [9] Атомы углерода и водорода в клетке находятся далеко не в самом стабильном состоянии. Поскольку земная атмосфера содержит огромное количество кислорода, энергетически наиболее стабильной формой существования углерода является СО2, а кислорода - Н2О.

Следовательно, клетка может получать энергию из молекул белков или глюкозы, создавая подходящие условия для того, чтобы атомы углерода и водорода этих молекул соединялись с кислородом, образуя соответственно СО2 и Н2О. Однако окисление молекул в клетке осуществляется не в одну стадию, как, например, при горении. Молекулам приходится пройти через большое число реакций, из которых лишь очень немногие включают в себя непосредственное присоединение кислорода. Для того чтобы мы могли рассмотреть все эти реакции и понять, какие движущие силы за ними скрываются, нам необходимо создать себе ясное представление о процессе окисления.

Окисление в вышеописанном значении этого слова не ограничивается лишь присоединением атома кислорода;

этот термин носит скорее более общий характер и применим к любой реакции, в которой электроны переходят от одного атома к другому. В таком смысле окислением можно назвать удаление электронов, а восстановлением (процессом, обратным окислению) - присоединение электронов. Так, Fe2+ окисляется, если теряет электрон, и превращается в Fe3+, а атом хлора восстанавливается, если он получает электрон и переходит в С1-. Та же терминология используется, когда речь идет лишь о частичном смещении электронов в случае атомов, связанных ковалентной связью. Например, когда атом углерода ковалентно связывает такой электроотрицательный атом, как кислород, хлор или сера, он как бы в определенной степени уступает им свой электрон, приобретая частичный положительный заряд, и может считаться окисленным. И наоборот, в связи С—Н электроны в большей степени смещены к атому углерода, поэтому можно считать, что он восстановлен (рис. 2-14).

При «сгорании» питательных веществ в клетке атомы С и Н органических молекул (находящихся в сравнительно богатом электронами, или восстановленном, состоянии) превращаются в СО2 и Н2О, в которых они отдают свои электроны кислороду и поэтому сильно окислены.

Перенос электронов от углерода и водорода к кислороду позволяет всем этим атомам достичь наиболее стабильного состояния и является поэтому энергетически выгодным.

Рис. 2-14. Атом углерода метана включается в диоксид углерода путем последовательного удаления атомов водорода. На каждом этапе электроны все дальше смещаются от атома углерода, по мере того как он переходит в более стабильное энергетическое состояние (иначе говоря, становится все более окисленным).

2.2.5. Распад органических молекул осуществляется в результате последовательных ферментативных реакций [10] Хотя энергетически наиболее выгодной формой существования углерода является СО2, а водорода - Н2О, живой организм не обращается в дым по той же причине, по которой книга в вашей руке не вспыхивает пламенем: и организм, и книга суть метастабильное энергетическое состояние вещества (рис. 2-15), которое нуждается в энергии активации для перехода в более стабильную форму. В случае с книгой энергия активации может быть получена от зажженной спички. Для живой клетки тот же конечный результат может достигаться не столь радикальным и разрушительным способом. Высокоспецифичные белковые катализаторы, или ферменты, соединяются с биологическими молекулами таким образом, что снижают энергию активации тех конкретных реакций, в которые могут вступить данные молекулы. Избирательно понижая энергию активации той или иной последовательности реакций (метаболического пути), ферменты определяют, какая из нескольких альтернативных возможностей будет реализована (рис. 2-16). Именно таким путем различные молекулы клетки направляются по специфическим последовательностям реакций, что в конечном счете и определяет химизм клетки.

Процветание различных форм жизни в значительной степени можно приписать способности клеток к образованию большого числа специфических ферментов. Каждый фермент представляет собой белок с уникальной трехмерной структурой (конформацией), формирующей активный центр, в котором определенный набор молекул (субстратов) связывается с поверхностью фермента. Связывание субстрата с ферментом приводит к тому, что скорость одной из многих химических реакций, которым может подвергнуться субстрат, зачастую возрастает в 1014 раз.

Подобно всем другим катализаторам, молекулы ферментов не претерпевают никаких изменений после завершения процесса катализа и могут поэтому вновь и вновь выполнять свои функции.

Рис. 2-15. Схема, поясняющая принцип действия энергии активации. Соединение X может достигнуть более низкого энергетически выгодного состояния путем превращения в соединение Y. Однако такого перехода не произойдет до тех пор, пока X не получит энергии активации, достаточной для того, чтобы это соединение могло вступить в реакцию.

Рис. 2-16. «Модель качающегося ящика», иллюстрирующая, каким образом ферменты направляют молекулы в нужные метаболические пути. В этой модели раскрашенный мяч (соединение X) представляет собой возможный субстрат ферментативной реакции;

мяч скачет вверх и вниз благодаря непрерывной бомбардировке сталкивающимися молекулами воды. Четыре стенки ящика изображают энергию активации (энергетический барьер) для четырех различных энергетически выгодных химических реакций. В ящике слева ни одна из этих реакций не осуществляется, так как энергии, получаемой мячом при столкновениях, недостаточно для преодоления какого-либо из энергетических барьеров. В правом ящике ферментативный катализ понижает энергию активации лишь для реакции 1, поэтому осуществление данной реакции (превращение соединения X в соединение Y) возможно при имеющемся количестве энергии.

2.2.6. Часть энергии, выделенной в реакциях окисления, расходуется на образование АТР [11] Клетки получают необходимую энергию в результате «сгорания» глюкозы только потому, что они «сжигают» ее в очень сложных и тонко контролируемых процессах. Синтетические, или анаболические, химические реакции, обусловливающие упорядоченность биологических систем, тесно связаны с реакциями распада (катаболическими реакциями), Рис. 2-17. Механическая модель, иллюстрирующая принцип сопряженных химических реакций. А. Спонтанная реакция может служить аналогией непосредственного окисления глюкозы до СО2 и Н2О, сопровождающегося образованием только тепла. Б. Та же реакция сопряжена со второй реакцией;

эта вторая реакция может служить аналогией синтеза АТР. Большое многообразие форм энергии, получаемой в случае Б, можно использовать для инициирования других клеточных процессов, аналогично тому, как это показано на рис. В. АТР представляет собой наиболее универсальную форму хранения энергии клетки.

поставляющими энергию. Принципиальное различие между сопряженной и несопряженной катаболическими реакциями хорошо иллюстрируется механической аналогией. На рис. 2-17 энергетически выгодная химическая реакция показана на примере падения булыжников с утеса.

Кинетическая энергия падающих булыжников, как правило, целиком преобразуется в тепло при ударе их о землю (рис. 2-17, А). Однако при продуманном подходе часть кинетической энергии можно использовать для приведения в движение лопастного колеса, поднимающего ведро с водой (рис. 2-17, Б). Как видно из этого рисунка, булыжники достигают земли, лишь проворачивая колесо. Следовательно, самопроизвольная реакция - падение булыжника - непосредственно связана с несамопроизвольной реакцией - подъемом ведра с водой. Поскольку часть энергии теперь расходуется на выполнение работы (Б), булыжники достигают земли с меньшей скоростью, чем в случае А, и, следовательно, меньшая часть энергии теряется в виде тепла.

Ферменты в клетке играют ту же роль, что и лопастное колесо в нашем примере, и связывают самопроизвольное окисление питательных веществ с реакциями, в которых образуется нуклеотидтрифосфат АТР. Энергию, запасенную в поднятом на некоторую высоту ведре с водой (рис.

2-17), можно небольшими порциями расходовать на приведение в движение самых разнообразных гидравлических машин (рис. 2-17, В);

точно так же и энергия, аккумулированная в АТР - этой универсальной энергетической валюте, - может использоваться для обеспечения множества различных химических реакций, необходимых клетке.

2.2.7. Гидролиз АТР обеспечивает упорядоченность в клетке [12] Каким образом АТР выполняет роль переносчика химической энергии? В условиях, существующих в норме в цитоплазме, гидролиз АТР с освобождением неорганического фосфата (Рi) осуществляется очень легко и сопровождается выделением большого количества биологически полезной энергии (разд. 2.4.1). Химическая группа, соединенная с молекулой АТР такой реакционноспособной связью, легко переходит на другую молекулу, поэтому можно считать, что концевой фосфат АТР находится в активированном состоянии. Связи, подвергающиеся разрыву в подобных реакциях гидролиза, иногда называют высокоэнергетическими связями. Существенно важно, что при гидролизе в водных растворах образуются две молекулы, обладающие значительно меньшими энергиями (ADP и PI);

сами же ковалентные связи никакими специфическими особенностями не обладают.

Прочие химические реакции могут протекать за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТР, при условии, что они так или иначе сопряжены с этим процессом. Среди многих сотен реакций, запускаемых гидролизом АТР, следует отметить реакции синтеза биологических молекул, активный транспорт через клеточные мембраны, а также реакции, обусловливающие генерирование механических сил клеток и способность к движению. Процессы этих трех типов играют решающую роль в упорядоченности биологических систем. Макромолекулы, образующиеся в биосинтетических реакциях, переносят информацию, катализируют специфические реакции и организуются в исключительно упорядоченные структуры как в клетке, так и во внеклеточном пространстве. Связанные с мембраной насосы поддерживают специфический состав внутриклеточной среды и способствуют передаче внутриклеточных и межклеточных сигналов. Наконец, наличие механических сил и способности к движению делает возможным самоорганизацию цитоплазматического содержимого клетки, а также позволяет самим клеткам перемещаться и группироваться с образованием специализированных тканей.

Заключение Живые клетки в высшей степени упорядочены, причем поддержание упорядоченности необходимо им для роста и выживания. С термодинамической точки зрения это возможно лишь благодаря постоянному вводу энергии, часть которой выделяется клетками в окружающую среду в виде тепла. Вообще говоря, первичным источником энергии является электромагнитное излучение Солнца;

в фотосинтезирующих организмах, таких, как зеленые растения, под его воздействием образуются органические молекулы. Животные получают энергию, захватывая эти органические молекулы и окисляя их в ряде ферментативных реакций, сопряженных с образованием А ТР. А ТР представляет собой универсальную энергетическую валюту для всех клеток, и гидролиз этого соединения, сопряженный с другими реакциями, запускает множество энергетически невыгодных процессов, обеспечивая таким образом создание упорядоченности.

2.3. Питательные вещества и источники энергии клетки [6, 13] 2.3.1. Молекулы питательных веществ, расщепляясь в три этапа, образуют АТР Белки, липиды и полисахариды, составляющие большую часть нашей пищи, должны расщепиться на меньшие по размеру молекулы, для того чтобы клетки могли их использовать. Ферментативный распад, или катаболизм, этих молекул можно подразделить на три стадии (рис. 2-18).

Сначала мы в общих чертах охарактеризуем все эти стадии, а затем обсудим две из них более подробно.

На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестерол. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы Рис. 2-18. Упрощенная схема трех стадий катаболизма, ведущих от молекул пищевых Веществ к продуктам распада. В этой серии реакций образуется АТР, использующийся затем в биосинтетических реакциях и других энергозависимых процессах.

поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов Сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА) (рис. 2-19). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО2 и Н20. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТР.

В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, Рис. 2-19. Строение ключевого промежуточного продукта метаболизма - кофермента А (ацетил-СоА). Ацетильные группы, образующиеся на стадии 2 катаболизма (см. рис. 2-18), ковалентно связаны с коферментом А (СоА).

которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н2О и СО2, используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Рi + ADP -> АТР. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТР является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

Благодаря образованию АТР энергия, первоначально извлеченная путем окисления из углеводов и жиров, преобразуется в более удобную концентрированную форму химической энергии. В растворе, находящемся во внутриклеточном пространстве типичной клетки, имеется примерно млрд. молекул АТР, гидролиз которых до ADP и фосфата обеспечивает необходимой энергией множество энергетически невыгодных реакций.

2.3.2. АТР в процессе гликолиза может образовываться даже в отсутствие кислорода Самым важным этапом стадии 2 катаболизма является гликолиз последовательность реакций, приводящих к расщеплению глюкозы. При гликолизе молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, превращается в две молекулы пирувата, содержащие по три атома углерода каждая. Для такого превращения требуется девять последовательных ферментативных реакций, в которых происходит образование Рис. 2-20. Промежуточные продукты гликолиза. Каждая из пронумерованных реакций катализируется особым ферментом. На этапе шестиуглеродный сахар расщепляется, давая два трехуглеродных сахара, так что после этой реакции число молекул на каждом этапе удваивается.

Реакции 5 и 6 ответственны за суммарный синтез АТР и NADH (см. рис. 2-21).

ряда промежуточных фосфатсодержащих соединений (рис. 2-20). Логически рассуждая, последовательность реакций гликолиза можно разделить на три этапа: 1) в реакциях 1-4 глюкоза превращается в трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения нужны две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гидролизе АТР);

2) в реакциях 5 и 6 альдегидная группа каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата окисляется до карбоксильной, и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез АТР из ADP и неорганического фосфата;

3) в реакциях 7, 8 и 9 те две молекулы фосфата, которые присоединились к сахару на первой стадии, переносятся обратно на ADP, в результате чего образуется АТР и компенсируются затраты АТР на этапе 1.

Суммарный выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух молекул АТР (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5 и 6. Таким образом, данные реакции имеют решающее значение для гликолиза. Эти две реакции - единственные во всем процессе, в которых из неорганического фосфата формируется высокоэнергетическая фосфатная связь, - иллюстрируют, каким образом может осуществляться взаимосвязь внутриклеточных реакций для реализации Рис. 2-21. Этапы 5 и 6 гликолиза: окисление альдегида до карбоновой кислоты сопряжено с образованием АТР и NADH (см. также рис. 2-20). Этап 5 начинается с образования ковалентной связи между ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой и углеродом альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата. Затем углерод (в виде гидрид-иона: протона плюс двух электронов) отщепляется от связанной с ферментом альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата и переносится к молекуле-переносчику NAD+ (см. рис. 2-22). В результате этой окислительной стадии образуется карбонильная группа сахара, соединенная с ферментом высокоэнергетической связью. Затем фосфат-ион из раствора разрывает эту связь, образуя вместо нее высокоэнергетическую сахарофосфатную связь. В двух этих последних реакциях фермент обеспечивает сопряжение энергетически выгодного процесса окисления альдегида с энергетически невыгодным процессом образования высокоэнергетической связи.

Наконец, на этапе 6 гликолиза новообразованная реактивная фосфатная группа переносится на ADP, вследствие чего образуется АТР, а на окисленном сахаре остается свободная карбоксильная группа.

выделяющейся при окислении энергии (рис. 2-21). Суммарным результатом этих двух реакций является окисление сахарного альдегида в фосфоглицероловую кислоту, перенос неорганического фосфата на ADP с образованием высокоэнергетической связи АТР и восстановление NAD + до NADH (рис. 2-22). Возможно, что в процессе эволюции эта изящная пара сопряженных реакций возникла на самых ранних этапах метаболизма.

Кроме того, имея первостепенное значение для метаболизма глюкозы, эти реакции в процессе фотосинтеза протекают в противоположном направлении за счет NADPH и АТР, образующихся в реакциях, активируемых светом. В связи с этим они играют центральную роль в фотосинтетическом процессе фиксации углерода на стадии образования глицеральдегид-3-фосфата (см. разд. 7.3.4).

Для большинства клеток животных гликолиз служит лишь прелюдией к стадии 3 катаболизма, так как образующаяся при гликолизе молочная кислота быстро поступает в митохондрии, где полностью окисляется до СО2 и Н2О. Тем не менее у анаэробных организмов (т. е. таких, которые не используют молекулярного кислорода) и тканей (например, скелетных мышц), способных работать в анаэробных условиях, гликолиз может стать основным источником клеточного АТР. В этих случаях вместо того, чтобы подвергнуться расщеплению в митохондриях, молекулы пирувата остаются в цитозоле и в зависимости от вида организма могут превращаться либо в этанол плюс СО2 (в дрожжах), либо в лактат (в мышцах), которые затем выводятся из клеток. Дальнейшее превращение пирувата в этих энергодающих реакциях, называемых брожением, требуется для того, чтобы полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реакции 5 гликолиза, и таким путем регенерировать NAD +, необходимый для дальнейшего осуществления гликолиза (см. разд. 7.4.1).

2.3.3. Окислительный катаболизм поставляет значительно большее количество биологически полезной энергии [14] Анаэробное образование АТР из глюкозы в реакциях гликолиза относительно неэффективно. Конечные продукты анаэробного гликолиза все еще несут в себе очень большое количество химической энергии, которая может выделиться при последующем окислении. Развитие окислительного катаболизма (клеточное дыхание) стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза, осуществляемого цианобактериями, в атмосфере Земли было накоплено достаточное коли- Рис. 2-22. NADH и NAD+ - наиболее важные переносчики водорода в катаболических реакциях. А. Строение молекул NADH и NAD +. NAD это сокращенное обозначение никотинамидадениндинуклеотида;

в самом названии отражена структура молекулы, правая часть (на рисунке) которой представлена аденозинмонофосфатом (AMP). Часть молекулы NAD +, называемая никотинамидным кольцом (в цветном прямоугольнике), может присоединять атом водорода с лишним электроном (гидрид-ион, Н~), восстанавливаясь до NADH. В такой восстановленной форме никотинамидное кольцо менее стабильно, поскольку в этом случае отсутствует стабилизирующее влияние резонанса. В результате присоединившийся гидрид-ион переносится на другие молекулы. Б. Пример реакции с участием NAD+ и NADH. При биологическом окислении молекулы субстрата, например спирта, субстрат теряет два атома водорода. Один из них в виде гидрид-иона присоединяется к NAD +, образуя NADH, тогда как другой выделяется в раствор в виде протона Н+ (см. рис. 7-18).

чество молекулярного кислорода. До тех пор, пока это не произошло, доминирующей формой поддержания жизни были, по-видимому, анаэробные катаболические процессы. Добавление к катаболическому процессу стадии, требующей присутствия кислорода (стадия 3 на рис. 2-18), обеспечивает клетки значительно более мощным и эффективным методом извлечения энергии из молекул питательных веществ. Эта стадия (стадия 3) начинается с цикла лимонной кислоты (его называют также циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса) и завершается окислительным фосфорилированием: оба процесса имеют место в аэробных бактериях и митохондриях эукариотических клеток.

2.3.4. Центральным процессом метаболизма является цикл лимонной кислоты [15] Главная функция цикла лимонной кислоты - окисление ацетогруппы, включающейся в этот цикл в форме молекул ацетил-СоА. Процесс этот носит циклический характер, поскольку ацетогруппа окисляется не сразу, а лишь после того, как она ковалентно присоединится к более крупной молекуле - оксалоаиетату, которая регенерируется после каждого оборота цикла. Как показано на рис. 2-23, цикл начинается с реакции ацетил-СоА с оксалоацетатом, приводящей к образованию молекулы трикарбоновой кислоты, называемой лимонной кислотой (или цитратом).

Затем следует серия реакций, в которых два из шести атомов углерода Рис. 2-23. Цикл лимонной кислоты. В митохондриях и клетках аэробных бактерий ацетогруппы, образованные из пирувата, подвергаются дальнейшему окислению. Атом углерода ацетильной группы превращается в СО2, водородные же атомы переносятся к молекулам-переносчикам NAD+ и FAD. Дополнительные атомы кислорода и водорода включаются в цикл в виде молекул воды на стадиях, отмеченных звездочками (*).

Более детально цикл лимонной кислоты показан на рис. 7-14.

цитрата окисляются до СО2, образуя молекулу оксалоацетата - исходного продукта для нового цикла. (Поскольку два новых атома углерода, присоединяемых в каждом цикле, входят не в ту часть молекулы цитрата, которая окисляется в данном цикле до СО2, должно пройти несколько циклов, прежде чем подойдет их очередь окислиться.) Молекулы СО2, образующиеся в подобных реакциях, затем диффундируют из митохондрий (или из бактерий) и покидают клетку.

Энергия, высвобождающаяся при окислении связей С—Н и С—С цитрата, потребляется несколькими различными способами в цикле лимонной кислоты. В одной из реакций цикла (сукцинил-СоА сукцинат) высокоэнергетическая фосфатная связь образуется под действием механизма, сходного с тем, который мы уже рассмотрели в случае гликолиза. (Хотя в реакции цикла образуется не АТР, a GTP, все нуклеозидтрифосфаты равноценны в энергетическом отношении благодаря реакциям обмена типа ADP + GTR АТР + GDP.) Оставшаяся часть энергии, полученной при окислении, расходуется на перевод молекул-переносчиков водорода (или гидрид-ионов) в восстановленную форму;

в каждом обороте цикла три молекулы NAD+ превращаются в NADH, а одна молекула флавинадениндинуклеотида (FAD) - в FADH2. Энергия, переносимая на таких молекулах переносчиках активированными атомами водорода, используется в реакциях окислительного фосфорилирования;

для осуществления последних (они будут подробно рассмотрены ниже) необходим молекулярный кислород атмосферы.

Дополнительные атомы кислорода, необходимые для образования СО2 из включающейся в цикл лимонной кислоты ацетильной группы, поставляются не молекулярным кислородом, а молекулой воды. В каж- Рис. 2-24. Возникновение трансмембранного протонного градиента в результате реакций переноса электронов. Высокоэнергетический электрон (полученный, например, при окислении метаболита) последовательно переводится переносчиками А, Б и В в более низкое энергетическое состояние. На данной схеме переносчик Б располагается в мембране таким образом, что при прохождении электрона он захватывает ион Н+ с одной стороны от мембраны и высвобождает его с другой. Возникающий в результате градиент Н+ представляет собой форму запасания энергии;

эта энергия используется другими белками митохондриальной мембраны для инициирования синтеза АТР (см. рис. 7-35).

дом цикле расщепляются три молекулы воды, атомы кислорода которых используются для образования СО2. Некоторые из атомов водорода молекул воды связываются с молекулами субстрата, переходя в более высокое энергетическое состояние, и затем переносятся (вместе с атомами водорода ацетогруппы) к таким молекулам-переносчикам, как NADH.

В эукариотических клетках митохондрия - это центр, к которому ведут все катаболические пути независимо от того, что служит для них первоначальным субстратом-сахара, жиры или белки. Объясняется это тем, что не только пируват, но и жирные кислоты, равно как и некоторые аминокислоты, тоже поступают из цитозоля в митохондрии, где они превращаются в ацетил-СоА или в один из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты. Митохондрия служит также отправной точкой биосинтетических реакций, поскольку в ней образуются такие жизненно важные углеродсодержащие промежуточные продукты, как оксалоацетат и 2-оксоглутарат. Эти соединения переносятся из митохондрии обратно в цитозоль, где они используются в качестве предшественников таких важнейших молекул клетки, как, например, аминокислоты.

2.3.5. При окислительном фосфорилировании перенос электронов к кислороду приводит к образованию АТР [9, 16] Окислительное фосфорилирование является последней стадией катаболизма;

в ходе этого процесса высвобождается большая часть метаболической энергии. При окислительном фосфорилировании молекулы NADH и FADH2 переносят электроны, полученные ими от кислорода молекул питательных веществ, к молекулярному кислороду О2. В этой реакции, которая формально равноценна сгоранию водорода в воздухе с образованием воды, высвобождается значительное количество химической энергии. Часть этой энергии используется для образования АТР;

остальная энергия выделяется в виде тепла.

Хотя при окислении NADH и FADH2 в конечном счете происходит перенос водорода к кислороду, водород транспортируется не в атомарном состоянии. Объектом переноса в данном случае служат электроны атома водорода. Это связано с тем, что атом водорода может легко диссоциировать на свои составные части - электрон и протон (Н + ). Затем электрон может отдельно переноситься к молекуле, акцептирующей лишь электроны, а протоны при этом остаются в водном растворе. По той же причине в случае, когда к молекуле с сильным сродством к водороду присоединяется лишь электрон, автоматически образуется атом водорода, так как из раствора сразу же акцептируется протон. В ходе окислительного фосфорилирования электроны от NADH и FADH2 переносятся по цепи молекул-переносчиков, но при этом форма, в которой они транспортируются (молекула водорода или электрон), зависит от природы переносчика.

В эукариотической клетке эта последовательность реакций переноса электронов по электрон-транспортной цепи локализована на внутренней митохондриальной мембране, в которую встроены все молекулы-переносчики. Перенос электронов сопровождается уменьшением их энергии на каждой ступени вплоть до конечной точки процесса, где электроны переносятся на молекулы кислорода. Поскольку молекулы кислорода обладают наибольшим сродством к электронам, связываясь с кислородом, электроны оказываются на самом нижнем энергетическом уровне. Энергия, выделяющаяся при переходе электронов на более низкие энергетические уровни, используется для перекачивания протонов из внутреннего пространства митохондрии наружу, причем механизм этого процесса до конца еще не выяснен (рис. 2-24). В результате во внутренней митохондриальной мембране создается трансмембранный электрохимический градиент протонов. Этот градиент в свою очередь обусловливает обратное перемещение протонов через ферментный комплекс в мембране;

особый фермент этого комплекса (АТР-синтетаза) катализирует присоединение фосфатной группы к ADP с образованием в митохондрии АТР. Вновь синтезированный АТР переносится из митохондрии в другие части клетки, где он используется для осуществления множества метаболических реакций.

Природа электрон-транспортной цепи и механизм синтеза АТР подробно рассматриваются в гл. 7.

2.3.6. Аминокислоты и нуклеотиды принимают участие в круговороте азота В метаболических процессах, рассмотренных в предыдущих разделах, участвовали главным образом углеводороды. До сих пор мы не обсуждали метаболизма азота или серы. Эти два элемента являются важными компонентами белков и нуклеиновых кислот - двух самых необходимых макромолекул клетки, на долю которых приходится 2/3 ее сухой массы. Претерпевая различные превращения в ряде обратимых циклических процессов, атомы азота и серы переходят из одного соединения в другое и из тканей различных организмов во внешнюю среду.

Молекулярный азот в изобилии содержится в земной атмосфере, однако химически он неактивен. Лишь небольшое число видов живых существ способно непосредственно включать азот в органические молекулы с помощью процесса, называемого азотфиксацией. Фиксация азота осуществляется особыми микроорганизмами. Кроме того, она происходит и при некоторых геофизических процессах, таких, как вспышка молнии.

Фиксация азота имеет критическое значение для биосферы, так как без этого процесса жизнь на нашей планете была бы невозможна. Тем не менее у современных организмов лишь небольшая часть азотистых соединений образуется в результате непосредственной фиксации азота. Основная масса органического азота циркулирует в течение некоторого времени, переходя от одного организма к другому. Таким образом, можно сказать, что азотфиксирующие реакции обеспечивают пополнение общих запасов азота.

Позвоночные получают практически весь азот из содержащихся в их рационе белков и нуклеиновых кислот. В организме эти макромолекулы расщепляются до аминокислот или нуклеотидов, из которых потом образуются новые белки и нуклеиновые кислоты или другие молекулы. Около половины из 20 аминокислот, входящих в состав белков, представляют собой незаменимые аминокислоты (рис. 2-25): они не могут синтезироваться в организме и должны обязательно поступать с пищей. Остальные аминокислоты могут синтезироваться с использованием разнообразных исходных веществ, в число которых входят и промежуточные продукты цикла лимонной кислоты. Незаменимые аминокислоты образуются в организмах других живых существ - обычно в ходе длительных и энергоемких процессов;

метаболические пути этих процессов были утеряны позвоночными в ходе эволюции.

Нуклеотиды, необходимые для образования ДНК и РНК, могут синтезироваться в ходе специализированных биосинтетических процессов: не существует «незаменимых нуклеотидов», которые должны непременно поступать в организм в составе пищи. Все атомы азота, входящие в состав пуриновых и пиримидиновых оснований (как и некоторые углеродные атомы), попадают в них из богатых азотом Рис. 2-25. Девять незаменимых аминокислот, которые не синтезируются в клетках человека и поэтому должны поступать в организм с пищей.

аминокислот - глутамина, аспарагиновой кислоты и глицина, а рибоза и дезоксирибоза являются производными глюкозы.

Аминокислоты, не используемые для биосинтеза, могут окисляться, выделяя метаболическую энергию. Большинство входящих в них атомов углерода и водорода образуют в итоге СО2 и Н2О. Атомы же азота, многократно переходя из одной формы в другую, в конце концов выводятся из организма в виде мочевины. Пути превращений различных аминокислот не одинаковы, и метаболизм этих соединений включает множество разнообразных ферментативных реакций.

Заключение Считается, что клетки животных извлекают энергию из пищи в три этапа. На первом этапе белки, полисахариды и жиры расщепляются в результате внеклеточных реакций на малые молекулы. На втором этапе эти малые молекулы расщепляются в клетках с образованием ацетил-СоА, а также небольшого количества АТР и NADH. Такие реакции - единственные, в которых энергия может выделяться и в отсутствие кислорода. На третьей стадии молекулы ацетил-СоА расщепляются в митохондриях, образуя СО2 и атомы водорода, которые связываются с молекулами таких переносчиков, как NADH. Электроны от атомов водорода переходят по сложной цепи переносчиков, что в конечном счете приводит к восстановлению молекулярного кислорода и образованию воды. Под действием энергии, высвобождающийся на разных стадиях переноса электронов, ионы водорода (Н+ ) транспортируются из внутреннего пространства митохондрии наружу. Возникающий в результате трансмембранный электрохимический градиент протонов во внутренней митохондриальной мембране поставляет энергию для синтеза основного количества молекул АТР клетки.

2.4. Биосинтез и создание упорядоченности [17] В каждый момент времени в клетке протекают тысячи различных химических реакций. Реакции эти связаны между собой и образуют последовательности, в которых продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Большинство внутриклеточных реакций можно, вообще говоря, отнести к двум типам: катаболические и биосинтетические. Катаболические реакции мы уже рассмотрели в предыдущем разделе, теперь речь пойдет о реакциях биосинтеза. Такие реакции начинаются от промежуточных продуктов гликолиза и цикла лимонной кислоты (и родственных им соединений) и приводят в результате к образованию более крупных и сложных молекул клетки.

2.4.1. Возможность протекания реакции определяется величиной изменения свободной энергии [18] Хотя ферменты ускоряют энергетически выгодные реакции, они никак не могут индуцировать энергетически невыгодные реакции.

Используя аналогию с водой, можно сказать, что сами по себе ферменты не способны заставить воду течь вверх. Но чтобы клетка могла расти и делиться, в ней должны происходить именно такие процессы: клетки обязаны строить большие и сложные молекулы из малых и простых. Мы уже видели, что это происходит главным образом благодаря ферментам, под действием которых энергетически выгодные реакции, использующие солнечную энергию и производящие тепло, сопрягаются с энергетически невыгодными реакциями, увеличивающими степень биологической не- упорядоченности. Рассмотрим более подробно, как достигается такое связывание.

Прежде всего следует более внимательно отнестись к выражению «энергетически выгодная» реакция, которым до сих пор мы пользовались слишком свободно. Как уже указывалось выше, спонтанно могут протекать только те реакции, в результате которых неупорядоченность во Вселенной увеличивается. Неупорядоченность возрастает в том случае, когда энергия выделяется в виде тепла;

критерием увеличения неупорядоченности может служить величина, называемая свободной энергией G. Эта величина определяется таким образом, что ее изменение, обозначаемое G, устанавливает меру неупорядоченности, возникающей во Вселенной в результате реакции (схема 2-7). По определению «энергетически выгодными» являются те реакции, при протекании которых высвобождается большое количество свободной энергии;

иначе говоря, такие реакции отличаются большой отрицательной величиной G и создают большую степень неупорядоченности. Такие реакции обладают ярко выраженной тенденцией к спонтанному протеканию, хотя скорость этих реакций будет зависеть и от других факторов, в частности от наличия специфических ферментов (см. ниже). И наоборот, реакции, в которых G имеет положительное значение (например, реакция образования пептидной связи между двумя аминокислотами), повышают упорядоченность Вселенной и не могут протекать самопроизвольно. Такие энергетически невыгодные реакции происходят лишь в тех случаях, когда они связаны с другими реакциями, обладающими столь большими отрицательными значениями G, что и G всего процесса становится отрицательным.

Ход большинства реакций может быть количественно предсказан. Известно много термодинамических параметров, исходя из которых можно рассчитать изменения свободной энергии G для большинства важных метаболических реакций клетки. Общее изменение свободной энергии при функционировании того или иного метаболического пути будет при этом выражаться как сумма изменений энергии на каждом из этапов этого пути. Рассмотрим две реакции:

А В и В Г, значения G которых равны соответственно +1 и — 13 ккал/моль. (Напомним, что один моль вещества содержит 6 х 1023 молекул.) В случае когда эти реакции сопряжены друг с другом, G сопряженной реакции будет равно — 12 ккал/моль. Из этого следует, что энергетически невыгодная реакция А Б, которая не может протекать спонтанно, может быть обусловлена энергетически выгодной реакцией В Г при условии, что существует механизм, обеспечивающий сопряжение этих двух реакций.

2.4.2. Реакции биосинтеза зачастую непосредственно сопряжены с гидролизом АТР Представим себе типичный биосинтетический процесс, при котором два мономера - А и Б - должны соединиться друг с другом в реакции дегидратации (называемой также конденсацией), сопровождающейся выделением воды:

А-Н + Б-ОН А-Б + Н2О.

Обратная реакция (называемая гидролизом), в которой молекула воды разрушает ковалентно связанное соединение А-Б, почти всегда будет энергетически выгодной. Это имеет место, например, при гидро- ВАЖНОСТЬ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ КЛЕТОК Жизнь существует благодаря наличию сложной сети взаимосвязанных химических реакций, протекающих в клетке. Рассматривая реакционные пути, входящие в состав такой метаболической сети, читатель может подумать, что у клетки имеется возможность осуществить любую необходимую ей реакцию, "задействовав" определенный фермент. Однако это не так. Хотя ферменты и являются мощными катализаторами, они могут ускорять лишь реакции, разрешенные с точки зрения термодинамики, другие реакции могут протекать в клетке только тогда, когда они сопряжены с энергетически выгодными реакциями. Будет ли реакция протекать самопроизвольно или для ее осуществления необходимо сопряжение с другими реакциями? Это основной вопрос биологии клетки.

Ответ на него можно получить, выяснив значение величины, называемой свободной энергией: суммарное изменение свободной энергии в результате серии реакций определяет возможность протекания этой последовательности реакций. На данной схеме будут объяснены основные принципы (они рассматриваются в специальном разделе физики и химии, называемом термодинамикой), необходимые для того, чтобы понять, что же такое свободная энергия и почему она столь важна для клеток.

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЮЩАЯСЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ, ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ТЕПЛО Замкнутую систему можно определить как совокупность молекул, которые не обмениваются веществом с остальной частью Вселенной (например, рассмотренная раньше (рис. 2-11} и представленная на рисунке вверху "клетка в ящике"). Любая подобная система содержит молекулы, полная энергия которых равна Е. Эта энергия может существовать в различных формах: часть ее представлена энергией поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, другая, большая часть, приходится на энергию связей между отдельными атомами, входящими в состав молекул. Первый закон термодинамики накладывает ограничение на типы реакций, которые могут протекать в системе: согласно этому закону, "при любом процессе общее количество энергии Вселенной остается постоянным".

Представим себе, что в замкнутой системе протекает реакция А — В, сопровождающаяся выдалением большого количества энергии (речь идет об энергии химических связей). Сначала за счет этой энергии увеличится интенсивность движения молекул системы (поступательного, вращательного и колебательного), что равнозначно повышению ее температуры. Однако затем эта энергия будет отводиться из системы вследствие молекулярных столкновений, что приведет к нагреванию сначала стенок ящика, а затем и внешнего окружения (в нашем примере это океан). В конце концов, когда вся энергия химических связей, выделившаяся в ящике, превратится в тепловую энергию и перейдет из ящика в океан, температура системы вернется к исходному значению. Согласно первому закону термодинамики, изменение энергии внутри ящика (мы будем обозначать егo Е) должно быть равно по величине и противоположно по знаку количеству отведенной тепловой энергии (которую мы обозначим h), иначе говоря Е = - h. Таким образом, энергия внутри ящика уменьшается, когда система отдает теплоту.

В процессе реакции Е может также измениться вследствие того, что над внешним окружением производится работа. Предположим, например, что в течение реакции объем ящика немного увеличивается (на величину V. Поскольку для увеличения объема ящика его стенки должны раздвигаться при постоянном внешнем давлении (Р), такой процесс сопровождается совершением работы над внешней средой и требует затрат энергии. Эта энергия равна Р( \/), и в соответствии с первым законом термодинамики, энергия внутри ящика (5) должна уменьшиться на ту же величину. В большинстве реакций энергия химических связей переходит как в работу, так и в тепло. Энтальпия (H) - это сложная функция, зависящая от обеих этих величин (Н = Е + PV). Строго говоря, для замкнутой системы именно изменение энтальпии ( Н), а не энергии, равно количеству теплоты, отданному во внешнее окружение в процессе реакции. При реакциях, сопровождающихся уменьшением Н, тепло отдается во внешнюю среду, и такие реакции называются "экзотермическими", те реакции, при которых Н возрастает (и тепло поглощается извне), называются "эндотермическими". Таким образом, - h = Н. Однако, поскольку изменением объема в большинстве биологических реакций можно пренебречь, вполне хорошим приближением будет следующее равенство:

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Рассмотрим ящик, в котором имеется 1000 монет, причем все они лежат "орлом" вверх. Если энергично встряхнуть ящик, монеты приходят в беспорядочное движение, сходное с движением молекул под действием непрерывных столкновений друг с другом. В конце концов около половины всех монет окажутся лежащими "решкой" вверх. Причина подобной переориентации состоит в следующем: существует лишь единственная возможность для того, чтобы монеты вернулись в исходное состояние (т. е. "орлом" вверх), в то время как состояние, при котором примерно равные количества монет обращены вверх "орлом" и "решкой", может быть достигнуто множеством различных способов (порядка 10298). На самом деле состояние, при котором соотношение "орлов" и "решек" равно 50:50, достигается наибольшим числом способов по сравнению с любым другим состоянием, Для каждого состояния имеется вероятность его реализации, пропорциональная числу способов, которыми это состояние может быть достигнуто. Второй закон термодинамики гласит, что "самопроизвольно система переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Поскольку менее вероятные состояния являются более "упорядоченными", чем состояния более вероятные, второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: "непрерывные изменения во Вселенной переводят ее в более неупорядоченное состояние".

Схема 2-7. Свободная энергия и биологические реакции.

ЭНТРОПИЯ, S Второй закон термодинамики позволяет предсказывать направление протекания конкретной реакции (однако этого нельзя сказать о первом законе). Но, чтобы закон можно было применять с указанной целью, необходимо иметь подходящую меру вероятности состояния, или, другими словами, показатель степени его неупорядоченности. Такой мерой служит энтропия (S). Она представляет собой логарифмическую функцию вероятности и определяется следующим образом: изменение энтропии ( S) в результате реакции В, в ходе которой один моль вещества А превращается в один моль вещества В, равно где рА и рВ — вероятности состояний А и В;

R — газовая постоянная (R =2 кал • град-1 • моль-1), a S измеряется в энтропийных единицах (э. ед.).

В нашем примере с монетами вероятность состояния А (все монеты "орлом" вверх) относительно вероятности состояния В (половина монет вверх "орлом", половина — вверх "решкой") равно отношению чисел различных способов, которыми может быть реализовано каждое из этих двух состояний. Из расчетов следует, что рА = 1, а рв = 1000! (500! х 500!) = 10298. Таким образом, при энергичном встряхивании ящика, в результате которого монеты располагаются так, что вверх обращено равное количество "орлов" и "решек", изменение энтропии составляет R • ln(10289), или примерно 1370 э. ед. на моль таких монеток (6 • 1023 монет). Теперь мы видим, что поскольку для перехода из состояния А в состояние В найденное выше значение энтропии положительно (рВ/рА > 1), реакции, характеризующиеся большим увеличением S (т. е. те, для которых S > 0), являются благоприятными и будут протекать спонтанно.

В основном тексте говорилось о том, что тепловая энергия увеличивает хаотичность движения и расположения молекул. Переход тепла из замкнутой системы во внешнюю среду приводит к возрастанию числа различных состояний, в которых могут находиться молекулы, следовательно, повышается и энтропия внешней среды. Можно показать, что эффект возрастания неупорядоченности вследствие выделения определенного количества тепловой энергии значительнее при низких температурах, чем при высоких, и что, кроме того, определенное выше значение AS внешней среды ( SоK ) в точности равно отношению количества теплоты, перешедшей из системы в океан (h), к абсолютной температуре (Т) :

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГИББСА, G При рассмотрении замкнутой биологической системы хотелось бы иметь возможность легко предугадать, будет ли данная реакция протекать самопроизвольно. Мы уже видели, что критическим моментом в этом отношении является ответ на следующий вопрос: положительно или отрицательно изменение энтропии Вселенной при осуществлении реакции? В нашей идеальной системе (клетка в ящике) имеется два отдельных вклада в изменение энтропии Вселенной — изменение энтропии системы, заключенной в ящик, и изменение энтропии окружающего ящик океана, — и прежде, чем делать какие-либо прогнозы, следует учесть оба эти вклада. Например, в процессе реакции может поглощаться тепло, что уменьшает энтропию океана ( SOK< 01, но в то же время вызванное реакцией возрастание степени неупорядоченности внутри ящика может быть столь велико Sящика>0), что суммарная величина SВселенной ( SВселенной = Sокеана + Sящика), будет больше 0. В этом случае реакция будет протекать самопроизвольно, несмотря на то что в ходе реакции теплота поглощается ящиком из моря. Примером подобной реакции может служить растворение хлористого натрия в мензурке с водой ("ящик"), которая представляет собой спонтанный процесс, хотя температура воды понижается при переходе соли в раствор.

Химики ввели ряд новых, по их мнению, полезных "сложных функций" (функций от функций), с помощью которых можно описать совокупность физических свойств системы. К характеристикам, использующимся для комплексной оценки системы, относятся температура (Т), давление (Р), объем (V), энергия (Е) и энтропия (S). Энтальпия (Н) представляет собой одну из таких сложных функций. Но наиболее важной сложной функцией для биологов является свободная энергия Гиббса (G) С ее помощью можно сделать выводы об изменении энтропии вселенной в результате протекания химической реакции в ящике, не прибегая для этого к нахождению изменения энтропии океана. Для ящика объемом V, находящегося под давлением Р, G определяется из уравнения где Н — рассмотренная ранее энтальпия (Е + PV), Т — абсолютная температура, S — энтропия. Каждая из этих величин относится лишь к внутреннему пространству ящика. Изменение свободной энергии в результате химической реакции в ящике (G продуктов реакции минус G исходных соединений) обозначается G и, как мы сейчас покажем, представляет собой непосредственную меру неупорядоченности, возникающей во Вселенной при осуществлении реакции.

При постоянной температуре изменение свободной энергии ( G) в процессе реакции равно - Т S. Учитывая, что Н = = -h и теплота поглощаются из океана, имеем Но h/T равно изменению энтропии океана Sокеана), a S в верхнем уравнении представляет собой Sящика. Таким образом.

Это означает, что мы можем определить направление протекания реакции в соответствии со следующим условием: вызываемое реакцией изменение свободной энергии ( G) должно быть меньше нуля, поскольку в этом случае изменение энтропии Вселенной будет положительным. Таким образом, изменение свободной энергии является прямым показателем изменения энтропии Вселенной.

Для сложной совокупности сопряженных реакций, в которых участвует большое число различных молекул, полное изменение свободной энергии может быть рассчитано с помощью простого суммирования значений свободной энергии молекул различных видов после реакции и сравнения этой величины с суммарной свободной энергией перед реакцией;

таблицы значений свободной энергии для наиболее распространенных соединений приводятся в литературе. С помощью указанного способа можно предсказать направление протекания реакции и посредством этого опровергнуть какой-либо ошибочный гипотетический механизм. Так, например, по полученным значениям величины электрохимического протонного градиента во внутренней митохондриальной мембране и по значению G гидролиза АТР в митохондрии можно, убедиться в том, что для синтеза АТР, катализируемого ферментом АТР-синтетазой, необходимо, чтобы через мембрану проходило более одного протона на каждую молекулу АТР.

Значение G реакции является непосредственным показателем степени смещения равновесия реакции. Большая отрицательная величина G гидролиза АТР в клетке просто отражает тот факт, что гидролиз АТР в клетке поддерживается на таком уровне, что реакция смещена от равновесия на 10 порядков. Если достигнуто равновесное протекание реакции, G = О, реакция будет в равной степени проходить в прямом и обратном направлении. Для гидролиза АТР равновесие достигается тогда, когда подавляющая часть молекул АТР уже гидролизована;

такая ситуация имеет место в мертвой клетке.

литическом расщеплении белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов на субъединицы.

Общая стратегия, обеспечивающая образование клеткой А-Б из А-Н и Б-ОН, включает в себя многоступенчатую последовательность реакций, в результате которых происходит сопряжение энергетически невыгодного синтеза требуемых соединений со сбалансированной выгодной реакцией (рис. 2-17). Гидролизу АТР соответствует большая отрицательная величина G (рис. 2-26), поэтому гидролиз АТР часто играет роль энергетически благоприятной реакции, благодаря которой осуществляются внутриклеточные реакции биосинтеза. На пути от А-Н и Б-ОН к А-Б, сопряженном с гидролизом АТР, энергия гидролиза сначала переводит Б-ОН в промежуточное высокоэнергетическое соединение, которое затем непосредственно реагирует с А-Н, образуя А-Б. Простейший механизм данного процесса включает в себя перенос фосфата от АТР к Б-ОН с Р образованием Б-ОРО3 (или Б-О- ), причем в этом случае суммарная реакция осуществляется всего лишь в две стадии:

Р 1. Б-ОН + АТР Б-О- + ADP, Р 2. А-Н + Б-О- А-Б + Рi.

Р Поскольку образующееся промежуточное соединение Б-О- затем вновь разрушается, суммарные реакции можно описать с помощью следующих уравнений:

А-Н + Б-ОН А-Б и АТР ADP + Рi.

Первая, энергетически невыгодная реакция оказывается возможной благодаря тому, что она сопряжена со второй, энергетически выгодной реакцией (гидролиз АТР). Примером сопряженных биосинтетических реакций подобного типа служит синтез аминокислоты глутамина (рис. 2-27).

Величина G гидролиза АТР до ADP и неорганического фосфата зависит от концентрации всех реагирующих веществ и при обычных для клетки условиях лежит в пределах от —11 до —13 ккал/моль (см. разд. 7.1.10). Реакция гидролиза АТР в принципе может быть использо- Рис. 2-26. При гидролизе АТР может отщепляться концевой фосфат, при этом выделяется полезная энергия, количество которой составляет в зависимости от внутриклеточных условий от 11 до 13 ккал/моль. Большая отрицательная величина G данной реакции обусловлена рядом факторов. Вследствие отщепления концевого фосфата исчезает энергетически невыгодное электростатическое отталкивание между соседними отрицательными зарядами. Кроме того, высвобождающийся неорганический фосфат-ион стабилизируется благодаря резонансу и образованию энергетически выгодных водородных связей с водой.

Рис. 2-27. Пример биосинтетической реакции дегидратации, запускаемой гидролизом АТР. Глутаминовая кислота сначала превращается в высокоэнергетическое фосфорилированное промежуточное соединение (соответствует соединению Б-О-Р в тексте), которое затем реагирует с аммиаком с образованием глутамина. В данном примере обе реакции осуществляются на поверхности одного и того же фермента - глутаматсинтетазы. Отметим, что обе молекулы для простоты представлены в незаряженной форме.

Рис. 2-28. Другой путь гидролиза АТР: сначала образуется пирофосфат, который затем подвергается гидролизу. На этом пути выделяется почти вдвое больше энергии, чем в реакциях, рассматриваемых на рис. 2-26. Показано, что атомы Н, извлеченные из воды, после гидролиза присоединяются к фосфатным группам. Однако при значениях рН, характерных для цитоплазмы, большая часть этих атомов отделяется, образуя свободный ион водорода (Н+ ).

вана для осуществления термодинамически невыгодной реакции со значением G, равным, скажем, + 10 ккал/моль, при наличии, конечно, соответствующей последовательности реакций. Однако для многих реакций биосинтеза оказывается недостаточным даже G = —13 ккал/моль. В этих и других случаях путь гидролиза АТР изменяется таким образом, что сначала образуются AMP и PPj (пирофосфат) (рис. 2-28). На следующей стадии пирофосфат также подвергается гидролизу;

общее изменение свободной энергии всего процесса составляет примерно — 26 ккал/моль.

Каким образом энергия гидролиза пирофосфата используется в биосинтетических реакциях? Один путь можно продемонстрировать на приведенном выше примере синтеза соединения А-Б из А-Н и Б-ОН. С помощью соответствующего фермента Б-ОН может вступить в реакцию с Р Р АТР и превратиться в высокоэнергетическое соединение Б-О- -. Теперь реакция состоит из трех стадий:

Р Р 1. Б-ОН + АТР Б-О- - + AMP, Р Р 2. А-Н + Б-О- - А-Б + PPi, 3. PPi + Н2О 2Рi.

Суммарную реакцию можно представить в следующем виде: А-Н + Б-ОН А-Б и АТР + Н2О AMP + 2Рi.

Поскольку фермент всегда ускоряет катализируемую им реакцию как в прямом, так и в обратном направлении, соединение А-Б может распадаться, реагируя с пирофосфатом (реакция, обратная стадии 2). Однако энергетически выгодная реакция гидролиза пирофосфата (стадия Рис. 2-29. Синтез полинуклеотида (РНК или ДНК) представляет собой многоступенчатый процесс, протекающий благодаря гидролизу АТР. На первом этапе нуклеозидмонофосфат (например, СМР) переходит в активированное состояние путем последовательного присоединения концевых фосфатов с двух молекул АТР. Образующееся высокоэнергетическое промежуточное соединение - нуклеозидтрифосфат, например СТР, - находится в свободном состоянии в растворе до тех пор, пока он не вступит в реакцию с концевым участком растущей цепи РНК или ДНК;

в ходе реакции высвобождается пирофосфат. Энергетически крайне выгодный гидролиз последнего с образованием неорганического фосфата способствует тому, что весь процесс протекает в направлении синтеза полинуклеотида.

3) способствует поддержанию стабильности соединения А-Б за счет того, что концентрация пирофосфата остается очень низкой (это предотвращает протекание реакции, обратной реакции 2). Таким образом, энергия гидролиза пирофосфата обеспечивает протекание реакции в прямом направлении. Пример важной биосинтетической реакции указанного типа (синтез полинуклеотида) представлен на рис. 2-29.

2.4.3. Коферменты участвуют в переносе специфических химических групп Поскольку концевая фосфатная связь АТР легко расщепляется с выделением свободной энергии, это соединение служит эффективным источником фосфата для большого числа различных реакций фосфорилирования. Множество разнообразных, химически лабильных связей ведет себя подобным образом. Например, специфические молекулы-переносчики содержат ацетильные или метальные группы, связанные реактивными связями, что позволяет этим группам легко переходить на другие молекулы (табл. 2-2). Одна и та же молекула-переносчик нередко принимает участие во многих различных реакциях биосинтеза, для осуществления которых необходимо наличие ее специфической реакционноспособной группы.

Примером такой молекулы-переносчика может служить ацетил-кофермент А (ацетил-СоА), образующийся при расщеплении глюкозы.

Он переносит ацетильную группу, присоединенную к СоА лабильной Таблица 2-2. Некоторые коферменты, принимающие участие в реакциях переноса химических групп Кофермент 1) Переносимая группа АТР Фосфатная NADH, NADPH Водород + электрон (гидрид-ион) Кофермент А Ацетильная Биотин Карбоксильная S-Аденозилметионин Метильная 1) Коферментами являются малые молекулы, связанные с некоторыми ферментами и необходимые для проявления их активности.

Каждый из перечисленных коферментов представляет собой молекулу-переносчик для небольшой химической группы и участвует в различных реакциях, в которых эта группа переносится на другую молекулу. Некоторые коферменты присоединяются к ферментам с помощью ковалентных связей, другие связаны с ними менее прочно. Ковалентно связанные коферменты иногда называют простетическими группами ферментов.

тиоэфирной связью (рис. 2-19). Эта ацетильная группа легко переходит на другую молекулу, такую, например, как молекула жирной кислоты.

Другой заслуживающий внимания пример - это биотип, осуществляющий во многих реакциях биосинтеза перенос карбоксильной группы (рис. 2 30). Молекулы, подобные ацетил-СоА, биотину и АТР, называются коферментами, так как они тесно связаны с поверхностями различных ферментов и необходимы для проявления ферментативной активности. Многие коферменты не могут синтезироваться животными и должны поступать в организм с пищей (из растений и микроорганизмов). Витамины - важнейшие факторы питания, необходимые животным в следовых количествах - часто являются предшественниками требующихся коферментов.

Рис. 2-30. Перенос карбоксильной группы коферментом биотином. Биотин играет роль молекулы-переносчика карбоксильной группы (— СОО-). В показанной последовательности реакций биотин ковалентно связан с ферментом пируват-карбоксилазой. Активированная карбоксильная группа, происходящая из бикарбонат-иона (HCO3-), связывается с биотином в реакции, протекающей за счет энергии гидролиза АТР. Затем гидроксильная группа переносится к метильной группе пирувата с образованием оксалоацетата.

2.4.4. Для биосинтеза необходимы восстановительные эквиваленты Мы уже видели, что в клетке непрерывно протекают реакции окисления и восстановления. Химическая энергия, заключенная в молекулах питательных веществ, высвобождается в ходе окислительных процессов, тогда как для построения биологических молекул клетка нуждается, кроме всего прочего, в осуществлении ряда восстановительных реакций, протекающих с затратой химической энергии. Ранее рассмотренный нами принцип сопряженных реакций обеспечивает клеткам возможность непосредственного использования химической энергии катаболизма для синтеза NADH (см. рис. 2-21). Затем высокоэнергетическая связь между водородом и никотинамидным кольцом в молекуле NADH снабжает энергией другие термодинамически невыгодные ферментативные реакции, в которых водород (в виде гидрид-иона) переносится на другую молекулу. Поэтому NADH и легко образующийся из него NADPH называют носителями «восстановительной силы».

Чтобы понять, как это происходит на деле, рассмотрим лишь одну ступень биосинтеза - последнюю реакцию в синтезе липидной молекулы холестерола. В этой реакции два атома водорода присоединяются к полициклическому стероидному кольцу, восстанавливая двойную связь углерод—углерод (рис. 2-31). Как и в большинстве реакций биосинтеза, два атома водорода, необходимые для данной реакции, поставляются в виде гидрид-иона молекулы NADPH и протона (Н + ) из раствора (Н+ + Н- = 2Н). Как и в случае NADH, гидрид-ион, который должен переноситься от NADPH, входит в состав никотинамидного кольца и легко отщепляется от него, поскольку никотинамидное кольцо становится при этом ароматическим, достигая таким образом наиболее стабильного состояния (см. рис. 2-22). Следовательно, как в NADH, так и в NADPH гидрид-ион присоединен высокоэнергетической связью, при разрыве которой он может быть перенесен на другую молекулу при условии, что имеется подходящий фермент, способный катализировать этот переход.

В химическом отношении различие между NADH и NADPH незначительно: NADPH имеет дополнительную фосфатную группу в той части молекулы, которая удалена от ее активной области (рис. 2-32). В самой реакции эта фосфатная группа не участвует. Однако она служит как бы «рукояткой», с помощью которой NADPH в качестве кофермента связывается с соответствующими ферментами. NADH, как правило, работает с ферментами, катализирующими катаболические реакции, тогда как NADPH взаимодействует с ферментами биосинтеза. Следова- Рис. 2-31. Последний этап одного из путей биосинтеза холестерола. Восстановление связи С—С происходит в результате переноса на нее гидрид иона с молекулы-переносчика NADPH и протона (Н + ) из раствора.

Рис. 2-32. Строение NADPH, отличающегося от NADH (рис. 2-22) только наличием дополнительной фосфатной группы, благодаря которой определенные ферменты (обычно участвующие в процессах биосинтеза) избирательно узнают это соединение.

тельно, катаболические и биосинтетические пути могут регулироваться независимо друг от друга путем изменения количества NADH и NADPH соответственно.

2.4.5. Синтез биологических полимеров осуществляется путем повторения элементарных реакций дегидратации Основными макромолекулами, синтезируемыми клетками, являются полинуклеотиды (ДНК и РНК), полисахариды и белки. Эти макромолекулы необычайно разнообразны по структуре и представляют собой наиболее сложные из известных молекул. Несмотря на это, они синтезируются из относительно небольшого числа малых молекул (называемых мономерами или субъединицами) с помощью ограниченного набора химических реакций.

Присоединение мономеров к белкам, полинуклеотидам и полисахаридам крайне упрощенно показано на рис. 2-33. Хотя в реакциях синтеза каждого полимера участвуют ковалентные связи разных типов, а также различные ферменты и кофакторы, тем не менее все эти реакции обнаруживают сильное сходство. Присоединение мономеров в каждом случае происходит путем реакции дегидратации - удаления молекулы воды из состава реагирующих соединений.

Как в обсуждавшемся ранее более общем случае (см. разд. 2.4.2), для Рис. 2-33. Схематическое изображение реакций полимеризации, приводящих к синтезу биологических полимеров трех типов. В каждом случае при синтезе происходит потеря молекулы воды (дегидратация). На рисунке не отражен тот факт, что перед присоединением каждого из мономеров последние должны быть активированы высокоэнергетическими нуклеозидтрифосфатами. Обратная реакция - распад полимеров всех трех типов осуществляется путем простого присоединения молекул воды (гидролиз).

Рис. 2-34. Рост полимеров с головы и с хвоста.

образования указанных полимеров требуется химическая энергия, обеспечиваемая в конечном счете обычным путем сопряжения реакции биосинтеза с энергетически выгодной реакцией гидролиза нуклеозидтрифосфата. Для всех трех типов макромолекул по крайней мере один и:

вовлеченных в процесс нуклеозидтрифосфатов расщепляется с образованием пирофосфата, который в дальнейшем в свою очередь гидролизуется, поставляя дополнительное количество необходимой для реакции энергии (рис. 2-29).

Активированные промежуточные продукты реакций полимеризации могут быть ориентированы двояко, обусловливая полимеризацию либо «с хвоста», либо «с головы». При полимеризации «с головы» активированная связь находится на конце растущего полимера и, следовательно, должна регенерировать при каждом присоединении мономера В этом случае каждый мономер приносит с собой активированную группу, которая будет использована в реакции со следующим мономером данной последовательности (рис. 2-34). При полимеризации «с хвоста» активированная связь, которую несет с собой каждый новый мономер, будет использована для присоединения этого мономера. Для синтеза биополимеров используются оба типа полимеризации. В то время как синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисахаридов происходит путем полимеризации «с хвоста», синтез белков осуществляется посредством полимеризации «с головы».

Заключение Гидролиз АТР обычно сопряжен с энергетически невыгодными реакциями, такими, как биосинтез макромолекул, осуществляемый путем образования фосфорилированных промежуточных продуктов. Другие реакционноспособные молекулы-переносчики, называемые коферментами, переносят в ходе биосинтеза иные химические группы;

например, NADPH переносит водород - в виде протона и двух электронов (гидрид-ион), а ацетил-СоА переносит ацетильные группы. Молекулы полимеров, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, собираются из небольших активированных молекул-предшественников путем многократного повторения реакций дегидратации.

2.5. Координация катаболизма и биосинтеза [19] 2.5.1. Метаболизм - организуемый и регулируемый процесс Некоторое представление о том, насколько мудро сконструирована клетка, если рассматривать ее как химическую машину, можно получить из рис. 2-35, где приведена карта, содержащая лишь часть всех метабо- Рис. 2-35. Некоторые из химических реакций, протекающих в клетке. А. Около 500 общих метаболических реакций расходятся в разных направлениях от гликолитического пути и цикла лимонной кислоты (показаны более темной краской). Каждая химическая реакция представлена в виде сплошного кружка. Типичная клетка млекопитающего синтезирует более 10000 белков, большая часть которых - ферменты. На произвольно выбранном участке (выделен более светлой краской) этого сложного переплетения метаболических путей происходит синтез холестерола из ацетил-СоА. Справа и внизу от «лабиринта» этот участок показан более детально в увеличенном масштабе (Б).

лических путей. Все эти многочисленные реакции происходят в клетке диаметр которой не превышает 0,1 мм, причем для каждой реакции требуются различные ферменты, которые сами являются продуктам целого ряда реакций переноса информации и синтеза белка. Возьмем любую малую молекулу, например аминокислоту серин;

найдется с пол дюжины или более ферментов, способных химически видоизменять ее различными путями. Серин может связываться с AMP (аденилирование на стадии, предшествующей его включению в синтез белков, или расщепляться до глицина, или превращаться в пируват, прежде чем быть окисленным;

он может быть ацетилирован с помощью ацетил-СоА или перенесен на жирную кислоту с образованием фосфатидилсерина. Bсе эти различные пути конкурируют за одну и ту же молекулу серина причем в это же время идет аналогичная конкурентная борьба за тысячи других малых молекул. Можно подумать, что система в целом нуждается в столь тонкой балансировке, что любое незначительное нарушение, например временное изменение рациона, приведет ее к гибели.

На самом же деле клетке присуща поразительная стабильность. При любых внешних воздействиях реакция клетки направлена на восстановление ее исходного состояния. Она может приспосабливаться и продолжать координированно функционировать во время голода или болезни. Мутации многих типов могут привести к элиминированию отдельных последовательностей реакций, и тем не менее клетка выживает при условии, что удовлетворяются определенные минимальные требования. Это возможно благодаря наличию сложной системы механизмов, регулирующих и координирующих химические реакции в клетках. Некоторые из более высоких уровней контроля рассматриваются в следующих главах. Здесь мы касаемся лишь простейших механизмов, которые регулируют поток малых молекул в различных метаболических путях клетки.

2.5.2. Метаболические пути регулируются изменениями ферментативной активности [20] Концентрации различных малых молекул в клетке довольно устойчивы, что достигается регуляцией по принципу обратной связи.

Регуляторные молекулы такого типа корректируют поток метаболитов по определенному метаболическому пути посредством временного увеличения или уменьшения активности ключевых ферментов. Например, первый фермент в той или иной последовательности реакций обычно ингибируется конечным продуктом этого метаболического пути по принципу отрицательной обратной связи;

таким образом, если накапливается слишком много конечного продукта, дальнейшее поступление предшественников в данный метаболический путь автоматически ингибируется (рис.

2-36). В случае ветвления или пересечения метаболических путей, что происходит довольно часто, имеется, как правило, несколько точек, в которых осуществляется контроль различными конечными продуктами. Насколько важны такие процессы регуляции по принципу обратной связи, видно из рис. 2-37, где показана регуляция ферментативной активности в последовательностях реакций, ведущих к синтезу аминокислот.

Регуляция по принципу обратной связи может срабатывать почти мгновенно и является обратимой;

кроме того, определенный конечный продукт может ингибировать ферменты, катализирующие его синтез, и при этом быть активатором ферментов другого метаболического пути Молекулярная основа такого типа контроля в клетках хорошо изучена, однако здесь мы данного вопроса касаться не будем, поскольку для Рис. 2-36. Ингибирование по принципу обратной связи на одном биосинтетическом пути. Конечный продукт Z ингибирует первый фермент, необходимый для синтеза этого продукта, регулируя таким образом собственное содержание в клетке.

Рис. 2-37. Ингибирование по принципу обратной связи при синтезе аминокислот лизина, метионина, треонина и изолейцина у бактерий. Цветными стрелками показаны участки, в которых происходит ингибирование ферментов продуктами реакций. Отметим что начальную реакцию катализируют три различных фермента (называемые изофермептами), каждый из которых ингибируется своим конечным продуктом.

этого необходимо иметь представление о структуре белка. Поэтому мы отложим этот вопрос до гл. 3.

2.5.3. Катаболические реакции могут обращаться при поглощении энергии [21] Крупномасштабные изменения, влияющие на метаболизм всей клетки, могут быть достигнуты регуляцией ключевых ферментов.

Например, особая схема регуляции по принципу обратной связи позволяет клетке переключаться с расщепления глюкозы на ее биосинтез, или глюконеогенез. Потребность в таком обращении метаболического пути бывает особенно острой как в периоды напряженных тренировок, когда необходимая для мышечного сокращения глюкоза синтезируется в клетках печени, так и во время голодания, при котором глюкоза для выживания организма должна образовываться из жирных кислот и аминокислот. Обычный распад глюкозы до пирувата в процессе гликолиза катализируется несколькими различными последовательно действующими ферментами. Большинство реакций, катализируемых этими ферментами, легко обращается, однако три из них (стадии 1, 3 и 9 на рис. 2-20) фактически необратимы. На самом деле процесс расщепления глюкозы Рис. 2-38. Сравнение реакций, ведущих к синтезу глюкозы в процессе глюконеогенеза, с реакциями расщепления глюкозы в ходе гликолиза.

Реакции расщепления глюкозы (гликолитические реакции) энергетически выгодны (изменение свободной энергии меньше нуля), тогда как реакции синтеза протекают с затратой энергии. Для синтеза глюкозы необходимы различные ферменты обходного пути, шунтирующие реакции 1, 3 и гликолиза. Общее направление протекания реакций между глюкозой и пируватом определяется контрольными механизмами, действующими по принципу обратной связи на указанных трех ключевых стадиях.

Рис. 2-39. Внезапное добавление глюкозы к экстракту, содержащему ферменты и коферменты гликолиза, может вызвать значительные флуктуации в концентрации определенных промежуточных продуктов, например NADH. Такие метаболические колебания могут быть, в частности, обусловлены регуляцией гликолитического фермента фосфофруктокиназы по принципу положительной обратной связи.

направляется обычно большим отрицательным изменением свободной энергии указанных реакций. Чтобы этот процесс протекал в противоположном направлении и происходило образование глюкозы из пирувата, вокруг каждой из этих реакций должен существовать обходной путь (шунт), причем реакции обходного пути должны идти «вверх» - процесс, происходящий с потреблением энергии (рис. 2-38). Таким образом, если при расщеплении одной молекулы глюкозы до двух молекул пирувата образуются две молекулы АТР, то для обращения реакции в процессе глюконеогенеза необходим гидролиз четырех молекул АТР и двух молекул GTP. Это эквивалентно гидролизу шести молекул АТР на каждую вновь синтезированную молекулу глюкозы.

Реакции обходного пути (рис. 2-38) должны жестко контролироваться, так чтобы глюкоза быстро расщеплялась в случае «энергетического голода», а синтезировалась тогда, когда клетка насыщена питательными веществами. Если бы прямые и обратные реакции могли протекать без ограничений, они впустую гоняли бы множество метаболитов туда и обратно через холостые циклы, потребляющие огромные количества АТР и бесполезно выделяющие тепло.

Изящество подобных механизмов контроля можно проиллюстрировать на одном примере. Этап 3 гликолиза представляет собой одну из реакций, которая должна быть шунтирована при образовании глюкозы. Обычно на этом этапе происходит присоединение к фруктозо-6-фосфату второй фосфатной группы из АТР;

реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Этот фермент активируется AMP, ADP и неорганическим фосфатом, а ингибируется АТР, цитратом и жирными кислотами. Иначе говоря, фермент активируется, когда запасы энергии малы и накапливаются продукты распада АТР;

инактивируется же он в том случае, когда имеются обильные запасы энергии (в форме АТР) либо питательных веществ в виде жирных кислот или цитрата (извлекаемого из аминокислот). Ферментом, катализирующим обращенную (обходную) реакцию (образование глюкозы в результате гидролиза фруктозо-1,6-бисфосфата до фруктозо-6-фосфата), является фруктозобисфосфатаза.

Активность этого фермента регулируется по принципу обратной связи таким же образом, что и действие фосфофруктокиназы, но с противоположным эффектом, так что фруктозо-бисфосфатаза активна, когда неактивна фосфофруктокиназа.

Отметим, что фосфофруктокиназа активируется ADP, представляющим собой продукт катализируемой данным ферментом реакции (АТР + фруктозо-6-фосфат ADP + фруктозе-1,6-бисфосфат), и ингибируется АТР - одним из субстратов этой реакции. В результате этот фермент может активировать сам себя, являясь объектом сложного контроля по принципу положительной обратной связи. При определенных условиях такой контроль по принципу обратной связи вызывает необычные колебания активности данного фермента, что приводит к соответствующим колебаниям концентраций различных промежуточных продуктов гликолиза (рис. 2-39). Физиологическое значение таких специфических колебаний неясно. Однако на их примере можно видеть, как благодаря нескольким ферментам может быть создан биологический осциллятор. Такие осцилляции в принципе могут служить своеобразными «внутренними часами», позволяющими клетке «отсчитывать время» и, к примеру, выполнять конкретные функции в определенные периоды.

2.5.4. Ферменты могут переходить в активное или неактивное состояние путем ковалентных модификаций [22] Рассмотренные выше типы контроля по принципу обратной связи позволяют осуществлять непрерывную регуляцию скоростей протекания метаболических последовательностей в ответ на ежесекундные флуктуации метаболизма. Кроме того, клетки обладают специальными регуляторными механизмами для ситуаций, в которых требуется продолжительное (от нескольких минут до нескольких часов) изменение активности ферментов. Такие механизмы включают в себя обратимые ковалентные модификации ферментов, которые часто (хотя и не всегда) достигаются присоединением фосфатной группы к специфическому (серии, треонин или тирозин) аминокислотному остатку фермента. Фосфат поступает от АТР, а его перенос катализируется ферментами, называемыми протеинкиназами.

В следующей главе мы рассмотрим вопрос о том, каким образом изменение формы фермента при фосфорилировании усиливает или подавляет его активность. Последующее удаление фосфатной группы, сводящее к нулю эффект фосфорилирования, достигается при помощи другого фермента, называемого фосфопротеин-фосфатазой. Ковалентная модификация ферментов - это регуляция в новом измерении, поскольку она делает возможной регуляцию специфических последовательностей реакций такими сигналами (например, гормонами), которые не являются промежуточными продуктами метаболизма.

2.5.5. Реакции компартментализованы как на уровне клеток, так и на уровне всего организма [23] Не все метаболические реакции клетки протекают в одних и тех же субклеточных компартментах (обособленных субклеточных структурах). Поскольку различные ферменты находятся в разных компартментах клетки, поток химических компонентов направляется не только химическим, но и физическим путем.

Простейшая форма такого пространственного разобщения наблюдается, когда два фермента, катализирующие две последовательные реакции, образуют единый ферментный комплекс, и, следовательно, продукту первой ферментативной реакции не нужно диффундировать через цитоплазму, чтобы встретиться со вторым ферментом. Как только заканчивается первая реакция, сразу же начинается вторая. Некоторые крупные агрегаты ферментов осуществляют всю последовательность реакций, оставаясь в контакте с субстратом. Например, превращение пирувата в ацетил-СоА происходит в три этапа, каждый из которых протекает на одном и том же ферментном комплексе (рис. 2-40), a при синтезе жирной кислоты даже еще более длинная последовательность реакций катализируется единым ферментным ансамблем. Неудивительно, что некоторые из наиболее крупных ферментных комплексов ответственны за синтез макромолекул такого типа, как белки и ДНК.

На следующем уровне пространственного разобщения в клетке происходит концентрирование функционально связанных ферментов в одной и той же мембране или в ограниченных мембранами водим компартментах органелл. Проиллюстрировать это можно на примере метаболизма глюкозы (рис. 2-41). Образовавшийся в результате гликолиза пируват активно захватывается из цитозоля во внутренне пространство митохондрий, где имеются все ферменты и метаболиты цикла лимонной кислоты. Более того, сама внутренняя митохондриальная мембрана содержит все ферменты, катализирующие последовательные реакции окислительного фосфорилирования, включая реакции переноса электронов от NADH к О2 и реакции синтеза АТР. Следовательно, всю митохондрию можно считать небольшим заводом, производящим АТР. Аналогичным образом другие клеточные органеллы, такие, например, как ядро, аппарат Гольджи и лизосомы, можно рассматривать как специализированные компартменты, в которые за- Рис. 2-40. Строение пируват-дегидрогеназы - крупного мультиферментного комплекса, в котором промежуточные продукты реакции переходят непосредственно от одного фермента к другому. Этот ферментный комплекс катализирует превращение пирувата в ацетил-СоА.

Рис. 2-41. Пространственное разобщение трех стадий расщепления глюкозы в эукариотической клетке. Гликолиз осуществляется в цитозоле, тогда как реакции цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования - только в митохондриях.

ключены функционально связанные ферменты для выполнения специальных задач. В определенном смысле живая клетка подобна современному городу со множеством специализированных служб, концентрирующихся в разных районах и связанных друг с другом при помощи обширной сети различных коммуникаций.

В многоклеточных организмах пространственная организация выходит далеко за пределы отдельной клетки. Различные ткани тела обладают разнообразным набором ферментов и по-разному способствуют выживанию организма. Кроме различий в специализированных продуктах, таких, как гормоны или антитела, между разными типами клеток одного и того же организма имеются еще и существенные различия в общих для всех клеток метаболических путях. Хотя фактически во всех клетках имеются ферменты гликолиза, цикла лимонной кислоты, синтеза и распада липидов и метаболизма аминокислот, уровни всех этих процессов по-разному регулируются в различных тканях. Нервные клетки, возможно, наиболее «привередливые» клетки организма, содержат крайне малые запасы гликогена или жирных кислот, целиком «полагаясь» на глюкозу, поставляемую с кровью. Клетки печени снабжают глюкозой клетки активно работающих мышц. Кроме того, они используют молочную кислоту, образованную в мышцах, для синтеза глюкозы (рис. 2-42). Клетки каждого типа обладают специфическими для них особенностями метаболизма и широко сотрудничают как в нормальном состоянии, так и при тренировках, стрессе или голодании.

Заключение Тысячи и тысячи различных биохимических реакций, одновременно осуществляемых клеткой, тесно скоординированы между собой.

Разнообразные механизмы контроля регулируют активность клеточных ферментов при изменении существующих в клетке условий. Наиболее общая форма регуляции - это легко обратимое ингибирование по принципу обратной связи, когда первый фермент метаболического пути ингибируется конечным продуктом этого пути. Более длительная форма регуляции включает в себя химическую модификацию одного фермента под действием другого, что часто происходит в результате фосфорилирования. Комбинации регуляторных механизмов могут вызывать сильные и длительные изменения в метаболизме клетки. Не все клеточные реакции происходят в одних и тех же внутриклеточных компартментах, и пространственное разграничение клетки внутренними мембранами позволяет органеллам осуществлять специализацию своих биохимических функций.

Рис. 2-42. Схематическое изображение метаболического взаимодействия между клетками печени и мышц. Основным «топливом» для клеток активно работающих мышц служит глюкоза, значительная часть которой поставляется клетками печени. Молочная кислота - конечный продукт анаэробного распада глюкозы в мышцах в процессе гликолиза - вновь превращается в глюкозу в ходе глюконеогенеза в печени.

Литература Основная Herriott J.;

Jacobson G;

Marmur J.;

Parsom W. Papers in Biochemistry. Reading, MA: Addison-Wesley, 1984.

*Lehninger A.L. Principles of Biochemistry. New York: Worth, 1982.

Stryer L. Biochemistry, 3rd ed. New York: W.H. Freeman, 1988.

Wood W.В.;

Wilson J.H.;

Benbow R.M.;

Hood I.E. Biochemistry: A Problems Approach, 2nd ed. Menlo Park. CA: Benjamin-Cummings, 1981.

Цитируемая 1. Henderson L.J. The Fitness of the Environment. Boston: Beacon, 1927;

reprinted 1958. (Классический анализ в доступном изложении.) 2. Ingroham J. L.;

Maaloe О.;

Neidhardt F. C. Growth of the Bacterial Cell. Sunderland, MA: Sinauer, 1983.

3. Roehrig K. L. Carbohydrate Biochemistry and Metabolism. Westport, CT: AUI Publishing, 1984.

Sharon N. Carbohydrates. Sci. Am., 243(5): 90-116, 1980.

4. Robertson R. N. The Lively Membranes. Cambridge, U. K.;

Cambridge University Press, 1983.

5. Saenger W. Principles of Nucleic Acid Structure. New York: Springer, 1984.

6. Hess В.;

Markus M. Order and chaos in biochemistry. Trends Biochem. Sci. 12,: 45-48, 1987.

Lehninger A.L. Bioenergetics: The Molecular Basis of Biological Energy Transformations. 2nd ed. Menlo Park, СA: Benjamin-Commings, 1971.

**Schrodinger E. What is Life? Mind and Matter. Cambridge, U. K.: Cambridge University Press, 1969.

7. Dickerson R.E. Molecular Thermodynamics. Menlo Park. Ca.;

Benjamin, 1969.

Klotz I. M. Energy Changes in Biochemical Reactions. New York: Academic Press, 1967.

8. Raven P. H.;

Evert R. H.;

Eihhorn S. E. Biology of Plants, 4th ed. New York: Worth, 1981.

9. Racker E. From Pasteur to Mitchell: a hundred years of bioenergetics. Fed. Proc. 39: 210-215, 1980.

10. Fothergill-Gilmore L.A. The evolution of the glicolitic pathway. Trends Biochem. Sci. 11: 47-51, 1986.

Shulman R.G. NMR Spectroscopy of living cells. Sci. Am. 248(1): 86-93, 1983.

11. Lipmann F. Wanderings of a Biochemist. New York: Wiley, 1971.

12. Schlenk F. The ancestry, birth and adolescence of ATP. Trends Biochem. Sci. 12: 367-368, 1987.

13. McGilvery R. W. Biochemistry: A Functional Approach, 3rd ed. Philadelphia: Saunders, 1983.

Racker E. A. New Look at Mechanisms in Bioenergetics. New York: Academic Press, 1976.

14. Kornberg H.L. Tricarboxylic acid cycles. Bioessays 7: 236-238, 1987.

15. Krebs H. A. The history of the tricarboxylic acid cycle. Perspect. Biol. Med. 14: 154-170, 1970.

Krebs H. A.;

Martin A. Reminiscences and Reflections. Oxford, U. K.: Clarendon Press;

New York: Oxford University Press, 1981.

16. Pullmann M. E.;

at al. Partial resolution of the ensymes catalyzing oxidative phosphorylation. J. Biol. Chem. 235: 3322-3329, 1960.

17. Prigogine I.;

Stengers I. Order out Chaos: Man's New Dialogue with Nature. New York: Bantam Books, 1984.

18. Eisenberg D.;

Crothers D. Physical Chemistry with Applications to the Life Sciences. Menlo Park, СA: Benjamin-Cummings, 1979.

Reich J. G.;

Selkov E. E. Energy Metabolism of the Cell - A Theoretical Treatise. New York: Academic Press, 1981.

19. Martin B.R. Metabolic Regulation: A Molecular Approach. Oxford, U.K.;

Blackwell Scientific, 1987.

***Newsholme E.A.;

Start C. Regulation in Metabolism. New York: Wiley, 1973.

20. Pardee A. B. Molecular basis of biological regulation: origins of feedback inhibition and allostery. Bioessays 2: 37-40, 1985.

21. Hess B. Oscillating reactions. Trends Biochem. Sci. 2: 193-195, 1977.

22. Cohen P. Control of Enzyme Activity. 2nd ed. London: Chapman and Hall, 1983.

В русском переводе имеются следующие издания *Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах. -М.: Мир. 1985.

**Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика. Изд. 2-е. М., Атомиздат, 1972.

***Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. М.: Мир, 1977.

3. Макромолекулы: структура, форма и информационные функции Макромолекулы клетки отличаются от ее малых молекул не только более крупными размерами. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды обладают уникальными и поистине поразительными свойствами, мало похожими на те, которые присущи их составляющим малым молекулам. Биологические макромолекулы построены из тысяч, иногда миллионов, атомов, собранных в точно детерминированную пространственную структуру. Каждая из этих макромолекул несет специфическую информацию, заключенную в их структуре. Ее можно рассматривать как серию биологических посланий, которые могут быть «прочитаны» при их взаимодействии с другими молекулами, что позволяет осуществить определенную функцию, необходимую для клетки.

В этой главе мы проанализируем структуру макромолекул, главным образом белков и нуклеиновых кислот, и попытаемся объяснить, как они в процессе эволюции приспособились к выполнению своих функций. Мы рассмотрим принципы, по которым эти молекулы катализируют химические превращения, строят сложные макромолекулярные структуры, осуществляют движение и (самое важное) хранят и передают наследственную информацию.

3.1. Процессы молекулярного узнавания [1] Макромолекулы обычно имеют молекулярные массы от 10000 до 1 млн., т. е. по размеру такие молекулы занимают промежуточное положение между описанными в гл. 2 органическими молекулами и надмолекулярными структурами и органеллами, которые будут обсуждаться в последующих главах (рис. 3-1). Одна малая молекула, вода, составляет 75% общей массы клетки;

почти всю остальную массу клетки составляют макромолекулы (табл. 3-1).

Как описано в гл. 2, макромолекулы собираются из низкомолекулярных субъединиц, которые, присоединяясь одна за другой, образуют длинную полимерную цепь (см. рис. 2-33). Обычно в построении каждой цепи участвуют лишь субъединицы одного семейства. Так, аминокислоты, связываясь с другими аминокислотами, образуют белки;

нуклеотиды, связываясь с другими нуклеотидами, образуют нуклеиновые кислоты, а сахара, соединяясь с другими сахарами, формируют полисахариды. Поскольку для нормального функционирования макромолекулы решающее значение имеет точная последовательность субъединиц (мономеров), при биосинтезе макромолекул должны действовать механизмы, точно определяющие положение каждого мономера в цепи полимера.

Рис. 3-1. Сопоставление размеров белков с размерами других компонентов клетки. Рибосома представляет собой макромолекулярный комплекс, состоящий из примерно 60 белков и молекул РНК.

Таблица 3-1. Примерный химический состав типичной бактерии и типичной клетки млекопитающего Доля от общей массы клетки, % Компонент 1) бактерия Е. coli клетка млекопитающего Н2О 70 Неорганические ионы (Na +, K +, Mg2 +, Са2+, Сl - и т. п.) 1 Разнообразные низкомолекулярные метаболиты 3 Белки 15 РНК 6 1, ДНК 1 0, Фосфолипиды 2 Другие липиды — Полисахариды 2 Общий объем клетки 2-10-12 см3 4-10-9 см Относительный объем клетки 1 1) Белки, полисахариды, ДНК и РНК - это макромолекулы. Липиды обычно не считают макромолекулами, хотя они и обладают некоторыми свойствами последних;

например, большинство липидов синтезируется в виде линейных полимеров из молекул меньшего размера (ацетильной группы ацетилкофермента А) и путем самосборки образует более крупные структуры (мембраны).

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.