Роль высокоэнергетических фосфатов в биоэнергетике.

Для поддержания процессов жизнедеятельности все организмы должны получать свободную энергию из внешней среды. У автотрофных организмов, например, неленые растения, используют энергию солнечного света; некоторые афтотрофные бактерии существуют за счет реакции Fe +2 à Fe +3.

Гетеротрофные же организмы получают энергию в результате сопряжения метаболизма в процессом распада сложных органических молекул, поступающих извне. Во всех этих процессах цетральную роль играет молекула АТФ, обеспечивающая передачу свободной энергии от катаболических процессов к анаболическим. АТФ участвует в метаболизме в виде Мg+2 – комплекса. Роль АТФ в биохимической энергетике была установлена в экспериментах, показывающих, что в процессе мышечного сокращения происходит распад АТФ и креатинфосфата (В.А. Энгельчардт, В.А Белицер и др.). Ресинтез этих молекул осуществляется за счет энергии, поступающей от протекающих в мышце окислительных процессов. Окончательную ясность в нее внес Липман, который ввел представление о «богатых энергией фосфатах» и «богатой энергией фосфатной связи» и указал их роль в бионергетике. Чтобы указать на присутствие высокоэнергетической фосфатной группы, Липман ввел символ – Р, означающий наличие высокоэнергетической (макроэргической) фосфатной связи. Символ – означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на подходящий акцептор сопровождается выделением большого количества свободной энергии. Так, АТФ содержит две высокоэнергетические фосфатные группы, АДФ – одну, тогда как фосфатная связь в АМФ является низкоэнергетической связью.

Стандартная свободная энергия (Уо) гидролиза некоторых биохимически важных органических фосфатов (в ккал\моль) представлена в табл 1.

Имеется три главных источника, обеспечивающие «улавливание» и «запасание»энергии. Во – первых, окислительное фосфорилирование, как нанаиболее важный в количественном отношении источник макроэргической связи(= Р) у аэробных организмов. Свободная энергия, необходимая для образования макроэргической связи генерируется в дыхательной окислительной цепи, функционирующей в митохондриях. Во- вторых, это гликолиз, т.е. суммарным результатом превращения одной молекулы глюкозы в лактат является образование двух = Р макроэргических связей в ходе реакций, катализируемых фосфоглицераткиназой и пируваткиназой. В -третьих, цикл лимонной кислоты. Однако макроэргическая связь генерируется непосредственно в ходе цикла на стадии, катализируемой сукцинилтиокиназой. Другая группа соединений, фосфагены, выступает в качестве резервуара высокоэнергетических фосфатов: к их числу относится креатинфосфат, содержащийся в мышцах и в мозге позвоночных и аргининфосфат, находящийся в мышцах беспозвоночных.

При физиологических условиях фосфагены поддерживаются в мыщцах необходимую концентрацию АТФ в период его быстрогорасходования как источника энергии для мышечного сокращения. Сдругой стороны, когда накапливается достаточно много АТФ, реакция идет в направлении образования креатинфосфата, концентрация его повышается и он выступает как форма хранения высокоэнергетического фосфата.

Имеются родственные АТФ и АДФ нуклеозидфосфаты. При участии фермента нуклеозиддифосфаткиназы нуклеозидтрифосфаты, подобные АТФ (ГТФ, УДФ, ЦТФ, ТТФ), могут синтезироваться из соответствующих дифосфатов.

Например: АТФ+УДФ à АДФ+УТФ

АТФ+ЦДФà АДФ+ЦТФ

АТФ+ГДФà АДФ+ГТФ

Все эти нуклеозидтифосфаты участвуют в происходящих в клетке реакциях фосфолирирования.

4. Окислительно – востановительное равновесие. Ферменты и коферменты, участвующие в окислительно – востановительных процессах.

Известно, сто изменение свободной энергии окислительно – восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной Уо, но и величиной окислительно – востановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно- восстановительный потенциал систем (Ео) сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за 0, 0 В при рН=0. Однако, для биологических систем удобнее использовать окислительно- восстановительный потенциал при рН =7, 0 (Ео); при таком рН потенциал водородного электрода равен - 0, 42В. Известны некоторые окислительно - восстановительные потенциалы ряда систем (табл.2).

Пользуюся этой таблицей, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электродов при сопряжении одной окислительно – восстановительной системы с другой.

Ферменты, катализирующие окислительно – восстановительные реакции, называют оксиредуктазами. Их разделяют на 5 групп.

1. Оксидазы, катализирующие реакции, идущие с участием молекулярного кислорода, например, цитохромоксидаза.
2. Аэробные дегидрогенгазы -ферменты, катализирующие водорода из субстрата. В качестве акцептора может быть использован кислород с образованием перекиси водорода. Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам. Коферменты ФМН, ФАД.
3. Анаэробные дегидрогеназы – ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата, но не способные использовать кислород в качестве его акцептора. Реакции этого типа приводят к окислению одного субстрата за счет восстановления другого в отсутствии кислорода.

Именно эти ферменты составляют функцию компонентов дыхательной цепи, обеспечивающей транспорт электронов от субстрата на кислород. Например, НАД, НАДФ – зависимые дегидрогеназы.

1. Гидроксипероксидазы – ферменты, использующие в качестве субстрата перекись водорода. К этой категории относят пероксидазы (в лейкоцитах, тробоцитах) и каталазу (эритроцты и клетках тканей).
2. Оксигеназы – ферменты, катализирующие прямое введение кислорода в молекулу субстрата (монооксигеназа и диоксигеназы.)

Диоксигеназы катализируют включение молекулы кислорода в субстрат, т.е. два атома кислорода. Например, альфа- триптофандиоксигеназа из печени.

Монооксигеназы – ферменты, катализирующие включение в субстрат одного атома кислорода, когда другой атом его идет на образование воды. Этой системе необходим дополнительный донор водорода. Чаще всего им является кофермент НАДФН2.

А-Н +О2 + НАДФН2à (субстрат) А-ОН +Н2О +НАДФ.

Эта группа ферментов находится в микросомах печени и участвует в метаболизме многих лекарственных и токсических веществ путем их гидроксилирования. В микросомах важную роль играет цитохром Р-450 и цитохром В5.

Схему гидроксилирования лекарственноговещества представить можно так:

Лек – Н +О2 + 2 Цитохром Р-450 (Fе +2) +НАДФН2 à Лек – ОН +Н2О+2 цитохром Р-450 (Fе +3) + НАДФ.

(Лек – н – лекарство).

Однако, цитохром Р-450 находиться также в митохондриях, что обеспечивает активную работу монооксигеназной системы. Эта система встречается в клетках коры надпочечников, семенниках, яичниках.

Система активно участвует в биосинтезе стероидных гормонов из холестерина. Ферменты почечной системы катализируют гидроксилирование 25- гидроксихолекальциферола по положению 1 альфа и 24.