close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3116 kolman ya. rem k.g naglyadnaya biohimiya

код для вставкиСкачать
207 РагЫа1е1п
уоп
^ гдеп \Л/|г111
2., йЬегагЬеКе1е ипс! еп/уеКег1е АиИаде
С. 7
ат
ы
ь
.
1
\
К! П О В
аг
а ка д е м и к *
атьн
■
•
М У -д щ
1
сем баев
Ы •; ЫЛЫМИ
К IмиХАНАСЫ
1
1998
Оеогд ТЫ ете Уег1ад 31иИдаг1 • №\л/ Уогк
2-е издание
Перевод с немецкого
профессора, д-ра биол. наук Л. В. Козлова,
канд. биол. наук Е С. Левиной
и канд. хим. наук П. Д. Решетова
под редакцией
канд. хим. наук П. Д. Решетова
и канд. хим. наук Т. И. Соркиной
Москва «Мир» 2004
УДК 571.1
ББК 28.072
К62
Кольман Я., Рём К.-Г.
К62 Наглядная биохимия. 2-е изд.: Пер. с нем. — М.: Мир, 2004. —
469 с., ил.
■
15ВИ 5-03-003593-1
V
■Справочное издание, написанное немецкими авторами, в наглядной
форме I в виде цветных схем - описывает все биохимические процессы.
Рассмотрены биохимически важные химические соединения, их строе­
ние и свойства, основные процессы с их участием, а также механизмы и
биохимия важнейших процессов в живой природе.
Для студентов и преподавателей химических, биологических и меди­
цинских вузов, биохимиков, биологов, медиков, а также широкого круга
читателей, интересующихся процессами жизнедеятельности.
УДК 571.1
ББК 28.072
Редакция литературы по химии
I5ВN 5-03-003593-1 (русск.)
I8ВN 3-13-759402-2 (нем.)
© 1994, 1997 Оеог§ ТЫете Уег1а§
© перевод на русский язык,
оформление, «Мир», 2000
06 авторах
Ян Кольман родился в г. Любеке на Балтике,
где прошли его детские и юношеские годы.
Именно в период учебы в общеобразова­
тельной гимназии сформировались его ин­
тересы. В Тю бингенском университете в
1963-1969 гг. он изучал биохимию, по полу­
чении диплома работал под руководством
биохимика Петера Карлсона на химическом
факультете М арбургского университета, где
и начал заниматься биохимией насекомых и
беспозвоночных. С 1977 г. он, пройдя по
конкурсу, работает на медицинском факуль­
тете, где в 1984 г. получает звание профес­
сора. В настоящее время научные исследо­
вания Яна Кольмана связаны с эндокриноло­
гией, интересы же Кольмана-педагога — с
методикой преподавания биохим ии. Ян
Кольман женат, его жена - преподаватель
живописи.
Клаус-Генрих Рём родом из г. Штутгарта.
По окончании Евангелической теологиче­
ской семинарии в г. Урахе, где получил гума­
нитарное образование, он длительное вре­
мя был занят физикой, а затем в Тюбинген­
ском университете погрузился в биохимию.
Там же Рём встретился с Яном Кольманом. С
1970 г. работает под руководством Ф ридхельма Шнейдера на медицинском факуль­
тете в Марбургском университете, а после
получения ученой степени переходит по кон­
курсу на химический факультет, где в 1986 г.
получает звание профессора. Научные инте­
ресы К.-Г. Рёма лежат в области фермента­
тивного катализа, химии белка, а также при­
ложений вычислительной техники к реше­
нию биохимических задач. Он женат, имеет
двоих детей.
Ю рген В ирт родился в г. Вёл штате (земля
Гессен) в 1940 г. После учебы в гимназии в
г. Ф ридберге работал практикантом-наборщиком, а затем продолжил учебу в художе­
ственном колледже г. Оффенбаха, специа­
лизируясь на графике. Поступив в Универси­
тет изобразительного искусства в Берлине,
он вскоре вернулся в г. Оффенбах в Акаде­
мию изобразительного искусства. Там он
занимается книжной графикой и иллюстра­
цией, пишет дипломную работу «Развитие
научной графики и ее задачи». В 1963-1977
г г . участвовал в обновлении экспозиции М у­
зея естествознания во Ф ранкф урте-на-М ай­
не в качестве главного дизайнера-оф ормителя, где уже на практике см ог реализовать
свои концепции как художника. Одновре­
менно он работал в качестве внештатного
сотрудника в ряде издательств, выполняя
заказы по внешнему оформлению, изготов­
лению графических и многокрасочных иллю­
6
Об авторах
страций для школьных учебников, специаль­
ной и научной литературы. Его работы в об­
ласти книжной иллюстрации и графики не­
однократно отмечены дипломами и премия­
ми. С 1978 г. он работает в должности про­
фессора в Академии искусств в г. Швебиш-
Гмюнде, в 1986 г. получил звания профессо­
ра изобразительного искусства в художест­
венном училище г. Дармштадта. Он препо­
дает научную графику, изобразительные ме­
тоды, с 1987 г. - компьютерную графику.
Юрген Вирт женат, имеет троих детей.
Предисловие
Биохимия - динамичная, быстро развиваю­
щаяся область знаний. Цель этой книги со­
стоит в том, чтобы представить накопленную
информацию в наиболее наглядной форме.
На цветных схемах даны сведения по основ­
ным разделам биохимии в объеме универ­
ситетского курса, необходимого биохими­
кам, медикам и специалистам в смежных об­
ластях знаний. Главное в этой книге именно
эти иллюстрации; текст же как бы сопровож­
дает их, т. е. текст это подробные подписи к
рисункам.
Провести четкие границы между биохи­
мией и смежными науками, такими, как био­
логия клетки, анатомия, физиология, гене­
тика и фармакология, достаточно сложно, и
чаще всего эти границы весьма произволь­
ны. Перекрывание этих областей знаний не
случайно: зачастую у них общие объекты ис­
следований, например нервная клетка, ми­
тохондрия и т. д., различны лишь подходы и
методы изучения. В этом отношении пред­
лагаемая книга вписывается в ряд других те­
матически аналогичных изданий.
Долгое время биохимия находилась под
влиянием химии, и основное внимание было
сфокусировано на превращении веществ и
преобразовании энергии. Целью большин­
ства научных работ было выяснение строе­
ния, взаимосвязей и взаимопревращения
наиболее важных классов веществ. Однако
сегодня биохимия многое заимствует у сво­
его другого предшественника - биологии.
Это касается таких проблем, как связь меж­
ду химическим строением и биологической
функцией, пути переноса информации, про­
странственное и временное распределение
биомолекул в клетках и во всем организме,
признание эволюции как биохимического
процесса. С течением времени значение но­
вых направлений биохимии становится все
более очевидным.
Из-за недостатка места основное внима­
ние мы уделяем биохимии человека и млеко­
питающих, хотя не меньший интерес пред­
ставляет биохимия других видов животного
мира, растений и микроорганизмов. При
подборе материала мы стремились вклю­
чать объекты, представляющие интерес для
тех, кто изучает медицину. Основное назна­
чение этой книги - быть содержательным
справочником, позволяющ им оперативно
получать наглядную информацию по цент­
ральным проблемам биохимии. Все, что не
включено в книгу, легко восполнить по учеб­
никам. Для читателей, глубоко интересую­
щихся биохимией, многие схемы могут по­
казаться слишком лаконичными. В ответ на
такие замечания можно только еще раз по­
вторить, что эта книга не заменяет хороший
учебник по биохимии.
При подготовке иллюстраций нелегко бы­
ло найти адекватные модели, символы и
другие графические элементы, которые поз­
воляли бы наглядно и конкретно передать
очень тонкие механизмы биохимических
процессов. Поэтому неизбежно появлялись
субъективные графические образы. Слиш­
ком сложные композиции приходилось уп­
рощать. При этом мы стремились исключить
появление чересчур эффектных или пере­
груженных иллюстраций. Наша цель состоя­
ла в том, чтобы добиться наглядного и эсте­
тически приемлемого отображения научно­
го содержания.
В книге применяется цветное кодирова­
ние и специальные символы, расшифровка
которых приведена на второй и третьей
страницах обложки. Например, наиболее
важные для биохимических объектов атомы
окрашены в следующие цвета: углерод - се­
рый, водород - белый, азот - коричневый,
кислород - красный и т. д. Различные клас­
сы веществ также окрашены в разные цвета:
белки - коричневые, углеводы - фиолето­
вые, липиды - желтые, ДНК - голубые, РНК зеленые. Для обозначения основных коферментов, таких, как АТФ (АТР) или НАД*
(ЫАО+), используются специальные сим во­
лы. Различные отделы клетки также имеют
разную окраску: цитоплазма окраш ена в
желтый цвет, межклеточное пространство в голубой. Стрелки в химических реакциях
выполнены черным цветом, а стрелки пере­
носа групп или атомов - серым. Несмотря на
то, что авторы стремились использовать та-
кое кодирование на протяжении всей книги,
можно встретить и исключения.
По наглядности биохимия существенно
уступает анатомии и физиологии. Дополни­
тельно к структурным формулам в книге при­
ведены пространственные модели молекул.
При этом мы стремились сделать их пре­
дельно соответствующими реальным. Моде­
ли небольших молекул построены с помо­
щью ЭВМ. При изображении макромолекул
была использована информация из Банка
данных белков с установленной структурой,
полученная методом рентгеновской кри­
сталлографии.
При наименовании ферментов следовали
официальной номенклатуре. При названиях
ферментов указаны их классификационные
коды, набранные курсивом, что поможет их
быстрой идентификации.
В соответствии с общепринятой термино­
логией сокращенные названия многих со­
единений приводятся в англоязычной транс­
крипции. Такая унификация имеет давнюю
традицию, приведенные сокращения при­
вычны и легко узнаваемы читателем.
С целью облегчить студентам использова­
ние учебного материала (например, при
подготовке к экзаменам) были введены сим­
волы (в начале каждого раздела), отражаю­
щие степень важности темы: • обозначает
основы биохимии (базовые знания), I справочные сведения, О - для углубленного
изучения (будущим биохимикам). Подобная
классификация отражает наши субъектив­
ные представления.
Поскольку из-за недостатка места невоз­
можно было обсудить все детали промежу­
точного метаболизма, в конце книги приве­
дены 13 карт с изображением главных мета­
болических путей, где указаны названия ме­
таболитов, их взаимосвязь и коды фермен­
тов. Карты сопровождаются лишь коротки­
ми комментариями. Это как бы вспомога­
тельные иллюстрации, назначение которых
- содействовать усвоению инф ормации,
приведенной в основных разделах книги.
Классификационные коды ферментов даны
также в списке ферментов.
Во втором издании книга была сущест­
венно переработана и дополнена,но,конеч­
но же, ее исходная концепция сохранена.
Мы благодарны коллегам, помощ никам,
внимательным читателям за доброж ела­
тельную критику, предложения и поправки,
полученные нами после выхода первого из­
дания. Положительные отзывы некоторых
читателей были неожиданно теплыми и тро­
нули нас. Уважаемым экспертам, д-ру М. Рёму и д-ру В. фон Радену, мы благодарны за
оценку литературных качеств текста книги и
множество конструктивных предложений.
Но более всего нас порадовала поддержка и
критика наших читателей.
Ян Кольман
Клаус-Генрих Рём
Марбург, сентябрь 1997
Ю рген Вирт
Дармштат
Введение
Настоящая книга предназначена для студен­
тов, изучающих медицину и биологические
науки, ее следует рассматривать как введе­
ние в биохимию, но благодаря блочному по­
строению она будет служить и полезным
справочником. На 200 цветных иллюстраци­
ях представлено современное состояние
знаний по основным проблемам биохимии.
Каждая иллюстрация (справа на развороте
книги) сопровождается коротким пояснени­
ем (слева). Степень сложности материала
обозначена символами: • - основы биохи­
мии, I - справочные сведения, О - для уг­
лубленного изучения. Общие правила, поло­
женные в основу всех иллюстраций, приве­
дены на второй и третьей страницах облож­
ки, ключевые слова, пояснения, расшифров­
ку неизвестных терминов и химических фор­
мул можно найти в списке сокращений и
предметном указателе.
Книга начинается с основ биохимии (сс.
10-39); здесь кратко даны главные понятия
и законы химии (сс. 10-21): периодическая
система элементов, химическая связь, об­
щие сведения по строению молекул и осно­
вы классификации химических соединений.
Для понимания биохимических процессов
существенно необходимы также знания ос­
новных законов физической химии. На сс.
18-37 рассматриваются различные формы
энергии и их преобразование, кинетика хи­
мических реакций, катализ, свойства воды,
кислот и оснований, окислительно-восста­
новительные процессы.
Далее следует раздел, посвященный стро­
ению важнейших биом олекул (сс. 40-93): уг­
леводов, липидов, аминокислот, пептидов,
белков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
заключении этой «половины» книги рас­
сматриваются реакции превращения биохи­
мически значимых молекул, что составляет
раздел, объединенный под названием м е ­
та б о л и зм (сс. 94-197). Этот раздел начина­
ется с ферментов и коферментов, затем
следует механизм метаболической регуля­
ции и энергетический обмен. Далее (сс.
152-197) материал сгруппирован по клас­
сам метаболитов, здесь обсуждаются глав­
ные метаболические пути.
Вторая «половина» книги начинается с об­
суждения ф ункций кл е тки и кл еточны х о р ганелл (сс. 198-233). Затем следует акту­
альная область молекулярной биологии м о л е ку л я р н а я ге н е т и ка (сс. 2 3 4 -2 5 9 ).
Следующий, довольно подробный раздел,
посвящен биохимии отдельны х ор ганов и
тка н е й (сс. 260-347). Здесь внимание со­
средоточено на наиболее важных системах
организма (система пищеварения, кровь,
иммунная система, печень, почки, мышцы,
соединительные ткани и опорно-двигатель­
ный аппарат, нервы и мозг).
В заключительном разделе рассмотрены
биохимические п р о б л е м ы п и та н и я (сс.
348—357), строение и механизм действия
важнейших го р м о н о в (сс. 358-379), р о ст и
ра зви ти е (д иф ф еренцировка) кл е то к (сс.
380-393).
В конце книги представлена серия м е та ­
б о л и че ски х ка р т (сс. 394-407). На них без
сопровождения пояснительным текстом да­
ны предельно простые версии наиболее
важных путей биосинтеза и деградации.
Карты могут служить главным образом спра­
вочным материалом, но могут быть полез­
ными также при контроле усвоения основно­
го материала книги.
Ферменты, катализирующ ие отдельные
реакции, обозначены лишь классиф икаци­
онным кодом. Названия ферментов можно
найти в систематизированном списке фер­
ментов (сс. 408-418).
10
Основы биохимии. Общая химия
Периодическая система
элементов Д . И. Менделеева
А . Б и о л о ги ч е с ки в а ж н ы е
хи м и че ски е эл ем енты I
В природе встречается 81 стабильный хими­
ческий элемент. В состав живой материи
входят 15 элементов, еще 8 - 1 0 элементов
обнаружены только в определенных орга­
низмах. На схеме приведена часть П ерио­
д ической систем ы элем ентов, в которой
содержатся все биологически важные хими­
ческие элементы, даны их физические и хи­
мические характеристики, а также содержа­
ние в живой материи и организме человека.
Закономерности строения атомов, лежащие
в основе периодической системы, детально
рассматриваются в учебниках по химии.
Живые организмы почти на 99% состоят
из четырех химических .элементов: водорода
(Н), кислорода (О), углерода (С) и азота (N1).
Водород и кислород —составные элементы
воды, на которую приходится 60-70% массы
клетки (см.с.198). Наряду с углеродом и азо­
том эти два элемента являются также основ­
ными составляющими о р га н и ч е ски х с о ­
е д и н е н и й , участвующих в большинстве
процессов жизнедеятельности. Многие био­
молекулы содержат также атомы серы (5) и
фосфора (Р). Перечисленные м а кр о э л е ­
менты входят в состав всех живых организ­
мов.
Химические элементы, относящиеся ко
второй важной в биологическом отношении
группе и в сумме составляющие примерно
0,5% массы человека, присутствуют, за не­
многими исключениями, в виде ионов. Эта
группа включает щелочные металлы натрий
(№ ) и калий (К), щелочноземельные метал­
лы магний (Мд) и кальций (Са). Галоген хлор
(С1) также всегда присутствует в клетках в
форме аниона. Другие жизненно важные
(эссенциальные) химические элементы при­
сутствуют в столь малых количествах, что их
называют сл е д о вы м и эл е м е н та м и . Эта
группа включает переходные металлы желе­
зо (Ре), цинк (2п), медь (Си), кобальт (Со) и
марганец (Мп). К жизненно важным микро­
элементам относятся также некоторые не­
металлы, такие, как иод (I) и селен (5е).
Б . Э л е ктр о н н ы е ко н ф и гу р а ц и и О
Химические свойства элементов и типы свя­
зей, которые они могут образовывать, опре­
деляются строением электронной оболочки
атомов. На схеме А приведены э л е ктр о н ­
ные конф игурации химических элементов.
Объяснение символов и сокращений дано
на схеме Б. Более детально вопросы строе­
ния атомов обсуждаются в учебниках по хи­
мии.
Возможные состояния электронов опре­
деляются различными энергетическими
подуровнями, которые носят название о р ­
биталей. Орбитали характеризуются глав­
ным квантовым числом и обозначаются бук­
вами 5 , р или 6. Орбитали заполняются пос­
ледовательно, одна за другой, по мере уве­
личения числа электронов. На каждой орби­
тали могут располагаться только два элект­
рона, которые должны иметь противополож­
но направленные, антипараллельные, спины
(1 и Т соответственно). На схеме А приведе­
но распределение электронов на орбиталях
для ряда химических элементов. Например,
6 электронов углерода (1) занимают 1з-, 2зи 2р-орбитали. Заполненная 1з-орбиталь
имеет электронную конфигурацию инертно­
го газа гелия (Не). На схемах А и Б эта об­
ласть электронной оболочки углерода обо­
значена знаком Не; в правом столбце рядом
с химическим знаком на схеме А указаны
электроны, занимающие другие заполнен­
ные орбитали (2з и 2р в случае углерода).
Электронная оболочка атома хлора (2) со­
стоит из оболочки инертного газа неона (№ )
и семи дополнительных электронов, зани­
мающих Зз- и Зр-орбитали. В атоме железа
(3), переходном металле первой побочной
группы, электроны занимают 45-орбиталь,
при этом Зс1-орбитали остаются незапол­
ненными. Многие реакции переходных ме­
таллов, например реакции комплексообразования с основаниями, окислительно-вос­
становительные реакции, проходят с участи­
ем незаполненных й-орбиталей.
Периодическая система элементов Д .И .Менделеева
11
Группы
Щелочно- и-------- г
земельные Группа
металлы I бооа
Щелочные
металлы
Группа
азота
Группа
углерода
Галогены
Группа
кислорода
Инерт
ные
газы
Группы
относительная
атомная масса
символ
химического элемента
атомный
—
номер
А. Биологически
макроэлемент
Жизненно
важный
электронная элемент
конфигурация
для всех живых таг
организмов
^
некоторых
I
содержание в для
организмов
г
организме
возможно, что
человека,%
жизненно важный ■
важные химические элементы
Гелий
(Не, инертный газ)
Неон
следовыи
элемент
металл
переходный
металл
неметалл
инертныи
газ
Аргон
(Аг, инертный газ)
152 2 з2 2 р6 Зз2 Зр6
1. Углерод (С)
[Не] 2з2 2р2
Б.Электронные конфигурации
3. Железо (Ре)
[Аг] 4з2 Зс16
12
Основы биохимии. Общая химия
Химические связи
А.
Г и б р и д и за ц и я ор б и тал е й и
хи м и че ски е связи О
Большинство биомолекул - соединения уг­
лерода с водородом, кислородом, азотом,
серой или фосфором-уУстойчивые ковалент­
ные связи между этими атомами неметал­
лов образуются в результате перекрывания
определенных орбиталей ^двух^атомов и
формирования молекул«фных орбиталей
(см. с. 10), на которых располагаются по од­
ному электрону от каждого атома. Так, четы­
ре валентных электрона атома углерода за­
нимают атомные орбитали 2з и 2р (1а). 25Орбиталь имеет форму шара (шаровую сим­
метрию), а три 2р-орбитали - форму ганте­
лей, вытянутых вдоль осей х, у, г. Следовало
ожидать, что атомы углерода будут образо­
вывать по крайней мере две различные мо­
лекулярные орбитали. Однако в действи­
тельности все четыре связи эквивалентны за
счет гибридизации орбиталей. Благодаря
суммированию энергий одной 5- и трех рорбиталей атом углерода образует четыре
равноценные зр3-атомные орбитали, напра­
вленные по осям тетраэдра (5 р 3 -ги б р и д и зация). Перекрывание хаких орбиталей с
1 5 -орбиталями атомов водорода приводит к
образованию четырех о-молекулярных ор­
биталей (16). Это означает, что валентность
атома углерода равна четырем, а в молекуле
метана (СН4) имеются четыре простые (оди­
нарные) ковалентны е связи. По такому же
принципу образуются простые связи между
другими атомами. Так, фосфат-анион и ка­
тион аммония также имеют тетраэдриче­
скую форму (1 в).
Часто встречается тип связи, образован­
ной за счет гибридизации 25-орбитали толь­
ко с двумя из трех 2р-орбиталей (вр 2-ги б ридизация, 2а). В результате формируются
три эквивалентные гибридные зр2-орбитали, расположенные в одной плоскости под
углом 120°. Оставшаяся 2рх-орбиталь рас­
полагается перпендикулярно плоскости.
При формировании молекулярных орбита­
лей такие атомы могут образовывать два
различных типа связей (26): три зр2-орбитали образуют о-связи, как описано выше, а
электроны двух 2р*-орбиталей от двух
атомов, т.е. л-электроны, — вытянутую мо­
лекулярную я-орбиталь над и под плоско*
стью, занимаемой о-связями. Этот тип свя­
зи носит название д во й н о й связи . Двойные
связи состоят из одной о- и одной я-связей.
Такой тип связи образуется лишь при нали­
чии зр2-гибридизации у двух атомов, прини­
мающих участие в ее образовании. В отли­
чие от простой связи вращение вокруг двой­
ных связей невозможно, поскольку это
должно вызывать разрушение я-орбиталей.
Поэтому атомы при двойной связи лежат в
одной плоскости ( 2 в), что в свою очередь
делает возможным существование ци с- и
транс-изомеров (см. с. 16).
Б . М е з о м е р и я (р е з о н а н с ) I
Некоторые молекулы, содержащие несколь­
ко двойных связей, оказываются значитель­
но менее реакционноспособными, чем сле­
довало ожидать. В подобных молекулах яорбитали не имеют четкой локализации ме­
жду соседними атомами, а образуют общую
молекулярную я-орбиталь. Такие соедине­
ния носят название м е зо м е р о в (резонанс­
ных гибридов), поскольку их строение не­
возможно представить с помощью обычных
химических формул (более подробно теория
мезомерии обсуждается в учебниках по хи­
мии).
На схеме и в последующих разделах книги
делокализованные я-орбитали обозначают­
ся штрихами. К мезомерным (резонансно
стабилизированным) системам относятся
карбоксильные группы, например ф ормиатная, углеводороды с сопряженными двойны­
ми связями, такие, как бутадиен-1,3, и мезомерные циклические соединения, которые
носят название а р ом ати чески х. Наиболее
известным представителем этого класса со­
единений является бензол, циклическая си­
стема которого содержит шесть я-электронов.
Х и м и ч е с ки е с в я з и
13
Г
8
4 эквивалент­
ные атомные
зр 3-орбитали
(тетраэдрические)
3 эквивалентные
атомные
5р2-орбитали
(тригональные)
1а
15-орбитали
атомов
водорода
зр3-орбитали
атома
углерода
5 молекулярных
а-орбиталей
4 молеку­
лярные
а-орбитали
молекулярные
тг-орбитали
26
16
метан
гидрофосфат-анион
О
Н
I
н-с
I
н
-Н
1в
©
О
р
он
катион
аммония
н Й
щ ш
Н Ч Ы ^-Н
'г '
Н
о
соединения с
алкен
карбонильной
группой
Р
Р
Н
\
\
С= С
С= О
/
\
/
Н
р
Р'
2в
альдимины
Р
\
С= Ы
Н
А .Г и б р и д и за ц и я о р б и та л е й и х и м и ч е с к и е с в я зи
Формиат
Бутадиен-1,3
Бензол
Молеку­
лярные
71-орбитали
Н
Струк­
турные
формулы
Н
О
//
Н
Н
н— с: €
\\
о
С
н
Б .М е з о м е р и я (р е з о н а н с )
С
н
С
Н
С -
С
Со
С
’Н
Н
Н
н
\
р
14
Основы биохимии. Общая химия
Строение молекул
Физические и химические свойства молекул
определяются их строением . Поэтому мно­
гие свойства могут быть предсказаны на ос­
новании структурной формулы. К таким свой­
ствам относятся размеры, форма, до некото­
рой степени конф ормация молекул (т.е. вза­
имное расположение отдельных атомов) при
нахождении вещества в растворе и, наконец,
реакционная способность. В этом разделе
сведены параметры, на основании которых
можно прогнозировать свойства соединений.
Здесь также преставлена пространственная
структура одного из органических соедине­
ний - Ьдигидроксифенилаланина [Ьдофа (Ь
Оора)], промежуточного продукта в биосин­
тезе катехоламинов (см. с. 342). Подобные
пространственные структуры приводятся и в
последующих разделах книги.
А. Д л и на связе й О
Для обозначения расстояний между атомами в молекуле используется понятие ко ва ­
лентный радиус. Длина простой связи яв­
ляется величиной аддитивной: она пример­
но равна сумме ковалентных радиусов двух
атомов. Двойная связь на 10-20% короче
простой связи. В последнее время атомные
радиусы и расстояние между атомами при­
нято выражать в пикометрах (пм, 1 пм =
10- 1 2 м). Ранее длину связей представляли в
ангстремах (А, 1 А = 1 0 0 пм).
КНЕИВ
Б. П о л яри за ц и я с в я зе й О
В зависимости от положения в периодиче­
ской системе (см. с. 1 0 ) химические элемен­
ты обладают различной способностью при­
тягивать дополнительные электроны. Такое
свойство — эл е ктро отри ц а те л ьно сть —
выражается в условных единицах. У элемен­
тов, представленных на схеме, электроотри­
цательность меняется в пределах от 2 до 4 .
Чем выше это число, тем большей способно­
стью притягивать электроны обладает хими­
ческий элемент. При взаимодействии двух
различных атомов пара электронов смеща­
ется в сторону более электроотрицательно­
го атома, образуя поляризованную кова­
лентную связь. Мерой поляризуем ости хи­
мической связи является величина дипольного момента (единица измерения: дебай,
1 Д = 3,3 • Ю '30 Кл • м).
Среди важных в биохимическом отноше­
нии элементов наиболее электроотрица­
тельным является кислород, а наиболее по­
ляризованной — двойная связь карбониль­
ной группы С=0. Образующийся на углерод­
ном атоме частичный положительный заряд
облегчает часто встречающееся в биохими­
ческих реакциях нуклеофильное замещение
по карбонильной группе (см. с. 2 0 ).
В. В одородны е связи I
Особый тип нековалентной связи — водо­
родная связь — имеет в биохимии исклю ­
чительно важное значение. В образовании
водородной связи принимают участие ато­
мы водорода ОН-, ГМН- и ЗН -групп (так на­
зываемых д о н о р о в водородной связи), ко ­
торые взаимодействуют со свободной па­
рой электронов а то м о в -а кц е п то р о в (на­
пример, О, N или 5). Энергия водородной
связи составляет 10-40 кД ж /м оль, что зн а ­
чительно меньше энергии ковалентной
связи (>400 кД ж /м оль). Однако м ногочис­
ленные водородные связи вносят сущ ест­
венный вклад в стабилизацию структуры
многих макромолекул (см. с. 74, 90). На­
пример, ьд оф а может образовывать две
внутрим олекулярны е водородные связи.
На ш аро-стержневой модели 1_-дофа водо­
родные мостики указаны штрихами.
Г. Э ф ф е к т и в н ы е а т о м н ы е
радиусы О
Размеры атома или иона определяются его
электронной оболочкой. Однако оболочка
не ограничена определенной поверхно­
стью, поэтому эффективный радиус атома
задается в а н д е р в а а л ь со в ы м радиусом.
Этот радиус определяется на основании
наименьш его энергетически вы годного
расстояния между двумя атомами, не свя­
занны ми ковалентной связью . На таком
расстоянии энергия взаимодействия, оп­
ределяемая силами притяжения и отталки­
вания, достигает минимального значения.
Это расстояние соответствует сумме вандерваальсовых радиусов двух атомов. Ф о р ­
ма и величина молекул в наиболее нагляд­
ном виде дем онстрируется с помощ ью
ванд ерваальсовой м о д е л и , где каждый
атом занимает часть (сегмент) сферы соот­
ветствующего радиуса.
Строение молекул
-0,30
-0,30
96 пм
■
15
-0,27
+0,26
+0,21
-С
-
+0,5
0,10
154 пм '
+0,21
-0,08
+0,16
+0,21
147 пм
ковалентный —
радиус С : 77 пм
ковалентный
радиус Н : 30 пм
-0,5
частичные
заряды
длина связи С-Н:
30 пм + 77 пм = 107 пм
хиральныи
центр
С
77
N
70
О
66
3
104
Р
110
*Для простой связи.
А .Д л и н а с в я зе й
Вандерваальсовы радиусы, пм
Н
С
N
О
3
Р
100 170 150 140 180 190
Доноры : - О -Н
-0 1
Н
= 0 ,= N .
Н
С
N
О
3
Р
2,2 2,5 3,1 3,5 2,4 2,1
Дипольные моменты различных
Б .П о л я р и за ц и я с в я з е й
Водородные связи
Акцепторы:
Э лектроотрицательность
С-С С-Н С-0 С=0 с-ы С=М
0
1,3 2,5 7,7 0,7 3,0
О-Н
С=Ы
5,0
1 1 .8
Ковалентные радиусы*, ПМ
Н
30
0
Н
кГ Ы
-з -
-М а к -
Д л и н а : 260 - 320 пм
донор
оптимальное расстояние = 340 пм
Сумма вандерваальсовых
адиусов
донор
Лм
акцептор
акцептор
1_-дофа:
шаро-стержневая модель
В .В о д о р о д н ы е с в я зи
1_-дофа:
вандерваальсова модель
Г .Э ф ф е кти в н ы е а то м н ы е р а д и у с ы
16
Основы биохимии. Общая химия
Изомерия
Изомерами называются вещества одинакового
состава (т.е. имеющие одинаковую суммарную
формулу), но обладающие различными физиче­
скими и химическими свойствами. Если изомеры
различаются порядком связи атомов, говорят о
структурной изомерии, (например, цитрат и
изоцитрат, Г). Причиной других форм изомерии
является различное расположение заместителей
при двойной связи (А, Б) или наличие в молекуле
хирального центра (В).
А. ц и с -тр а н с -И зом е ры I
Вращение вокруг двойной связи невозможно
(см. с. 1 2 ); поэтому заместители при атомах, свя­
занных двойной связью, могут принимать две
возможные ориентации. Так, в фумаровой кис­
лоте, промежуточном соединении цитратного
цикла (см. с. 138), карбоксильные группы распо­
лагаются по разные стороны от плоскости двой­
ных связей {транс-расположение). В изомере,
малеиновой кислоте, не встречающейся в об­
мене веществ, карбоксильные группы располо­
жены по одну сторону от плоскости (цис-положение). цис-транс-Изомеры различаются по фи­
зическим и химическим свойствам, например
они имеют разные температуры плавления и кон­
станты диссоциации (рКа). Переход от одного
изомера к другому возможен лишь с помощью
химических реакций.
цис-транс-Изомерия важна в метаболизме
липидов. Так, заместители при двойных связях в
природных жирных кислотах (см. с. 54) всегда
находятся в цис-положении. Напротив, ненасы­
щенные интермедиаты при р-окислении занима­
ют транс -положение. Это обстоятельство услож­
няет расщепление ненасыщенных жирных кис­
лот (см. с. 168). В механизме зрительного вос­
приятия ключевой реакцией является светозави­
симая цис-транс-изомеризация ретиналя (см. с.
346).
Б. Конф орм еры I
Изомеры, образующиеся за счет свободного вра­
щения вокруг простых связей, носят название
коиформеров. Небольшие молекулы могут при­
нимать в растворе множество конформаций. В
представленных конформерах янтарная кисло­
та имеет такое же расположение атомов, как в
фумаровой или малеиновой кислотах. Возможно
существование обеих форм, причем конформа­
ция 1 из-за сильного отталкивания двух СООНгрупп является предпочтительной и поэтому
встречается чаще. Макромолекулы, такие, как
белки и нуклеиновые кислоты, имеют вполне оп­
ределенные конформации, стабилизированные
благодаря внутримолекулярным взаимодействи­
ям (см. с. 80).
В. О п ти ч е ски е и зо м е р ы I
Еще один вид изомерии возникает в том случае,
когда в молекуле имеется хиральный центр или
молекула в целом является хиральной. Хиральность (от греч. сЛе/г - рука) служит причиной об­
разования структур, которые нельзя совместить,
поскольку они являются зеркальными изображе­
ниями друг друга (зеркальная изомерия). Наи­
более частая причина хиральных свойств - при­
сутствие асимметрического атома углерода,
т.е. атома с четырьмя различными заместителя­
ми. В этом случае образуются две формы (энантиомеры) с различной конфигурацией. Чаще
всего энантиомеры носят название 1_- и Р-формы.
Для указания абсолютной конфигурации асим­
метрического атома пользуются Н/8-номенкпатурой (см.учебник по химии).
Энантиомеры имеют очень близкие химиче­
ские свойства. Основное различие между ними
состоит в том, что они вращают плоскость поля­
ризованного света в противоположных направле­
ниях (оптическая активность, см. с. 42, 64). Это
справедливо и в отношении молочной кислоты.
Правовращающая ьмолочная кислота встреча­
ется в мышцах и крови животных, а продуцируе­
мая микроорганизмами 0 -форма может быть об­
наружена, например, в молочных продуктах (см.
с. 150). Соединения, имеющие хиральные цент­
ры, часто изображают с помощью фишеровских
проекций (см. с. 64).
Г. Р еа кц и я, ка та л и зи р уе м а я
а ко н и та зо й О
Как правило, ферментативные реакции протека­
ют стереоспецифически. В случае хиральных
субстратов ферменты используют только один из
энантиомеров, а конечный продукт реакции чаще
всего также бывает стерически однороден. Аконитаза (аконитат-гидратаза) катализирует пре­
вращение цитрата в структурный изомер изоцит­
рат (см. с. 138). Хотя лимонная кислота не отно­
сится к хиральным соединениям, в данном случае
в качестве конечного продукта реакции образует­
ся только одна из четырех возможных изомерных
форм, 2Я,35-изолимонная кислота. Кажущаяся
асимметрия молекулы цитрата связана с тем, что
промежуточный продукт реакции, ненасыщенная
трикарбоновая аконитовая кислота, вступает в
реакцию только в цис-форме. транс-Аконитовая
кислота встречается в некоторых растениях.
Изомерия
Ф умаровая
кислота
т.пл. 287°С
р К а 3,0; 4,5
Янтарная
кислота,
конф ормация 1
вращение
возможно
можно
Малеиновая
кислота
т.пл.130°С
р К а 1,9; 6,5
А. ц и с -т р а н с -И зо м е р ы
Янтарная
^
кислота,
®
конф ормация 2
Б. К о н ф о р м е р ы
Фишеровские
проекции
Молочная
кислота
53°С
й-Молочная
кислота
53°С
УД.
вращение
У д.
в мышцах.крови
В. О п ти ч е с ки е и зо м е р ы
цитрат (лимонная
кислота, прохирапьная)
транс-аконитовая кислота
встречается в растениях
ш
(г
Г. Р е а кц и я , ка та л и зи р у е м а я
вращ ение
в молочных
продуктах
ны иярод укт)
(2Я, 35)-изоцитрат
Т Ор а и * Ь! О'
« т ы н д а гы П М У
аконитаза 4.2.1.3
здемик С Прнсч
а т ы н д а г ы гылы?
АПХАНАСЫ
17
Биомолекулы
А. В аж не й ш и е кл а ссы
соединений •
Подавляющее большинство биомолекул яв­
ляются производными более простых соеди­
нений четырех химических элементов-неме­
таллов: кислорода (О), азота (Ы), серы (5) и
фосфора (Р). Многие биохимически важные
соединения кислорода, азота и серы могут
рассматриваться как производные водорода
(Н20 , ЫНз, Н25). В биологических системах
фосфор встречается главным образом в фор­
ме производных фосфорной КИСЛОТЫ Н3 РО4 .
При замене одного или нескольких атомов
водорода в указанных выше соединениях на
группировку Р, например на алкильную груп­
пу, получают производные типа Р—ХНп-ь
Р—ХНп-2—К' и т.д. Так, например, спирты
(Р—ОН) и простые эфиры (Р—О—Р7) фор­
мально можно рассматривать как производ­
ные воды, первичные (Р—МН2), вторичные
(Р—МН—К ) и третичные (Р—М =Р 'Р ") амины как производные аммиака, а тиоспирты
(Р—5Н) - как производные сероводорода.
Многие органические вещества содержат по­
лярные группировки, такие, как —ОН и —1ЧН2.
Поскольку эти группировки существенно бо­
лее реакционноспособны по сравнению с уг­
леводородными боковыми цепями, они носят
название ф ункциональных групп.
Новые функциональные группы образуются
при окислении приведенных выше соедине­
ний. Так, при окислении тиоспиртов образуют­
ся дисульфиды (Р—5—5—Р'), при окислении
первичных спиртов (РСН2—ОН) - альдегиды
((Р—СО—Н), а затем карбоновые кислоты
(Р—СООН), а при окислении вторичных спир­
тов - кетоны (Р—СО—Р')- Для этих кислород­
содержащих соединений характерно наличие
карбонильной группы (С==0).
Присоединение спиртов по карбонильной
группе альдегидов приводит к образованию
полуацеталей (Р—О—СНОН—Р'). Приме­
ры полуацеталей - циклические формы мо­
носахаридов (см. с. 42). Окисление полуаце­
талей приводит к получению эфиров карбо­
новых кислот.
Особенно важное значение имеют ка р б о ­
новы е кисл оты и их производные, которые
формально образуются путем замены ОНгруппы на другие группировки. В действи­
тельности они получаются в результате нук­
леофильного замещ ения активированных
промежуточных соединений с отщеплением
молекулы воды (см. с. 30). Так, из карбоно­
вых кислот и спиртов образуются слож ны е
эф и ры (Р—О—СО—Р '). например жиры
(см. с. 54). Аналогичным образом из карбо­
новых кислот и тиоспиртов получаются ти о эф иры (Р—5 —СО—Р'). Последние играют
важную роль в метаболизме карбоновых ки­
слот. Известным соединением этого типа
является ацетилкофермент А (ацетил-КоА)
(см. с. 58).
Продуктом конденсации карбоновых кис­
лот и первичных аминов являются ам иды
карбоновы х ки сл о т (Р—МН—СО—Р')- Пос­
кольку остатки аминокислот в пептидах и
белках связаны амидной связью, этот тип
связи носит название пептидной (см. с. 72).
Фосфорная кислота Н3 РО4 - трехоснов­
ная кислота, т. е. содерж ит три ги д р о ­
ксильные группы, способные отдавать три
Н+-иона. В ф изиологических условиях по
крайней мере одна из трех групп полно­
стью диссоциирована. Д ругие две группы
могут быть связаны со спиртами фосфоэфирной связью, образуя м о н о за м е щ е н ные РО—РО(ОН) 2 и, соответственно, д и за м ещ енны е эф иры РО—РО(ОН)—ОР' ф ос­
ф орной кислоты . Монозамещенные эфиры
принимают участие в метаболизме углево­
дов, а фосфодиэфирные группы присутству­
ют в липидах (см. с. 56) и нуклеиновых кис­
лотах (см. с. 88).
При взаимодействии двух молекул кислот
образуются ангид рид ы , причем образова­
ние ангидридной связи требует больших за­
трат энергии. Поэтому фосфоангидридные
связи играют очень важную роль в клетке,
обеспечивая накопление и высвобождение
химической энергии (см. с. 124). Смешан­
ные ангидриды карбоновых и фосфорной
кислот также являются макроэргическими
соединениями, принимающими участие в
клеточном метаболизме.
Биомолекулы
карбонильная
Кислород О
вода
аминогруппа
вторичныи
спирт
кетон
первичныи
амин
аммиак
первичныи
спирт
альдегид
простои
эфир
полуацеталь
карбоксильная
I I
группа
вторичныи
амин
третичныи
амин
амид карбоновой
кислоты
эфир фосфорной
кислоты
карбоновая
кислота
тиоэфир
сложный эфир
сероводород
смешанный ангидрид
тиоспирт сульфгид
рильная
группа
дигидрофосфат
фосфоангидридная связь
А. В аж нейш ие кл а с с ы с о е д и н е н и й
дисульфид
макроэргическая связь
19
20
Основы биохимии. Общая химия
Химические реакции
Многочисленные реакции, протекающие в жи­
вой клетке или в пробирке, разделяются на не­
сколько классов по их механизму. На простых
примерах здесь показано знамение разных ти­
пов реакций в органической химии. На схеме
приведены лишь исходные соединения и ко­
нечные продукты реакции.
А. Типы р е а кц и й I
Реакции, в результате которых атомы или мо­
лекулы присоединяются по кратным связям,
носят название реакций присоединения. Так,
молекулы воды легко присоединяются к карбо­
нильной группе альдегидов, например к этаналю (уксусному альдегиду) (1). Подобное присо­
единение молекул воды (гидратация) встреча­
ется в обмене веществ достаточно часто; в ка­
честве примеров можно привести цитратный
цикл (см. с. 138) и биосинтез жирных кислот
(см. с. 166). Близким примером является также
внутримолекулярная циклизация при образо­
вании полуацеталей сахаров (см. с. 40). Обрат­
ный процесс - отщепление молекул воды с об­
разованием двойной связи - носит название
элиминирование.
Важное значение имеет другой тип реакций,
сопровождающихся переносом (присоедине­
нием или отщеплением) электронов, т.е. окис­
лительно-восстановительные реакции (редокс-реакции) (см. с. 38). При этом перенос
электронов часто сопровождается передачей
одного или двух протонов (Н+). Для учета про­
тонов, принимающих участие в таком процес­
се, вводят понятие восстановительный экви­
валент (см. с. 108). В присутствии подходяще­
го акцептора электронов (окислителя) этанальгидрат может быть окислен в уксусную кислоту
(2). Напротив, известны вещества (восстанови­
тели), которые восстанавливают уксусную кис­
лоту с образованием этаналя.
В отличие от окислительно-восстановитель­
ных реакций взаимодействие кислот и осно­
ваний (см. с. 36) сопровождается переносом
одних лишь протонов. Так, например, в раство­
ре часть молекул уксусной кислоты отдает один
протон молекулам воды (диссоциация, 3).
Протонированные молекулы воды, т. е. ион
гидроксония (НзО+), легко переносят протоны
на ацетат-ионы (протонирование).
Реакции замены функциональных групп на
другие группировки носят название реакций
замещения (см. с. 18). Так, при образовании
ацетил-КоА (ацетил-СоА) гидроксильная груп­
па уксусной кислоты заменяется на кофермент
А (замещение, 4). Обратная реакция, т.е. рас­
щепление ацетил-КоА под действием воды
(гидролиз), также является реакцией замеще­
ния. Реакции замещения чаще всего проходят в
две стадии: на первой стадии идет присоеди­
нение атакующей молекулы, а на второй — эли­
минирование уходящей группировки (см. с.
30). По типу атаки на первой стадии различают
реакции нуклеофильного и электрофильного
замещения (более детально механизмы хими­
ческих реакций рассматриваются в учебниках
по химии).
При перегруппировке (изомеризации) ато­
мы или группы атомов меняют свое положение
в пределах одной молекулы. Примером этого
типа реакций в биохимии является перегруппи­
ровка метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА (на
схеме не приведена, см. с. 168).
Б . Г е те р о - и го м о л и т и ч е с к о е
расщ епление связей I
В структурных формулах пары электронов, об­
разующих ковалентную связь, обозначаются
черточками, а отдельные электроны — точка­
ми. Во время химических реакций пары элект­
ронов разделяются редко. Либо оба электрона
остаются на исходном атоме, как, например,
при диссоциации кислот ( 1 ), либо оба электро­
на переносятся на другой атом, как, например,
во многих окислительно-восстановительных
реакциях (2, см. с. 102). В обоих примерах име­
ет место гетеролитическое расщ епление
химических связей.
Молекулы, имеющие неспаренный элект­
рон, называются свободными радикалами.
Свободные радикалы образуются под действи­
ем жесткого (богатого энергией) облучения или
молекулярного кислорода (см. с. 275). Свобод­
ные радикалы атакуют другие молекулы и в ре­
зультате гомолитического разрыва электрон­
ной пары индуцируют образование новых сво­
бодных радикалов, способных повреждать
клетки, оказывать мутагеннное или канцеро­
генное действие (см. с. 252, 386). Для нейтра­
лизации свободных радикалов в живых орга­
низмах существуют специальные защитные
механизмы (см. с. 275). Кроме того, протеинсвязанные радикалы (например, тирозин-ра­
дикал, 3) выполняют важные функции в ряде
ферментов (см. с. 132, 192, 309). С участием
свободных радикалов проходят также витамин
В^-зависимые реакции.
Х и м и ч е с ки е р е а кц и и
П рисоединение
присоединение
атомов или групп
по кратной связи
н3с
Э лим инирование
отщепление атомов
или групп с образова­
нием кратной связи
Ю1
II
с
I
н
н
I
Ю1
,|
н
+
этаналь
Окисление
отщепление электронов
или восстановительных
эквивалентов
присоеди­
нение
> о~ ®
с -1 ° [
I
1
н н
н 3с
элимини­
рование
этанальгидрат
вода
с
1
Восстановление
присоединение электронов
или восстановительных
эквивалентов
Диссоциация
перенос протона на
основание (в данном
случае на молекулу воды)
Протонирование
перенос протона на
молекулу кислоты
(в данном случае
@
ионом гидроксония Н3 О )
Замещение
замена одной
функциональной группы
на другую
(нуклеофильное или
электрофильное
замещение)
н
01 +
I
н
восстанов
ление
н3с - с - 01
I
Н
этаналь- окислитель
гидрат
уксусная
кислота
Н
восстано
витель
■
101
1
— 01
'п т
н3с
-
С- 0°
ацетат-ион
вода
а
+
н
ш
щ
ион
гидроксония
Ю1
н - с - с Н о ! + 1.3--С о А
1
V
уксусная
кислота
1А1
+
уксусная
кислота
А
Ю1
II
А
Н3С С 01 + Ю1
X
I
н
И
Ю1
Н
Ю!
юНЬ
н3с
21
»
•4I----------------- ► н«3х - с Н з - ■СОА + 101
И
замещение
V
--------------------------------------------------
кофермент А
ацетил-СоА
вода
А . Типы р е а кц и й
Гд©
101
тирозин
|неспаренный
электрон |
н3с —С—
уксусная
кислота
ЬЯ
свободный
радикал
гетеролитический процесс
I кии процесс
101
II
н3с —С
Н
ор
ацетат-ион
н®»01
I
н
1. Диссоциация
уксусной кислоты
О■ ■
•I _
Н3С “ " С -0 1
I
[процесс
н
н® н
2. О кисление
этанальгидрата
Б . Гетеро- и го м о л и т и ч е с ко е р а с щ е п л е н и е с в я зе й
тирозинрадикал
насыщенная
связь
3. О бразование
тирозин-радикала
22
Основы биохимии. Ф изическая химия
Энергетика
Прежде чем рассматривать процессы, лежа­
щие в основе накопления и превращения
энергии в живой клетке, представляется по­
лезным напомнить физико-химические ос­
новы этих процессов.
А . Ф о р м ы раб оты
Различают следующие формы энергии: ме­
ханическую, электрическую, химическую и
энергию излучения. При этом работа и энер­
гия — взаимосвязанные величины. Обе ве­
личины, энергия и работа, измеряются в
д ж оулях (1 Дж = 1 Н • м). Устаревшая едини­
ца — калория (кал, 1 кал = 4,187 Дж). Сво­
бодная энергия определяется как та часть
энергии системы, которая может произво­
дить работу.
Система в состоянии производить работу,
когда она переходит из начального состоя­
ния в конечное с уменьшением энергии (хи­
мического потенциала). Это абстрактное по­
ложение наиболее наглядно демонстриру­
ется на примере совершения механической
работы (1): благодаря силе земного притя­
жения энергия предмета (потенциальная
механическая энергия), в данном случае
энергия воды, тем выше, чем дальше этот
предмет удален от центра Земли. Перепад
высот между высокой и низкой точками оп­
ределяется как р а зн о с ть п о те н ц и а л о в
(АР). Поток воды самопроизвольно устрем­
ляется вниз, по градиенту потенциала, и при
этом совершает работу, например вращает
колесо водяной мельницы. Совершаемая
работа может рассматриваться как функция
двух величин: ф актора интенсивности или
разности потенциалов, т. е. «движущей си­
лы» процесса (в приведенном примере вы­
соты водопада), и ф актора е м ко сти , т. е.
массы вещества (в данном случае массы па­
дающей воды). В случае совершения элект­
рической работы (2) фактор интенсивности
— электрическое напряжение, т. е. разность
электрических потенциалов источника тока
и «земли», а фактор емкости — величина за­
ряда.
Превращение энергии в биохимических
реакциях следует тем же закономерностям.
Определенные вещества или группы ве­
ществ обладают высоким химическим по­
тенциалом. При биохимических реакциях
образуются конечные продукты с низким хи­
мическим потенциалом. Разность химиче­
ских потенциалов («движущая сила» биохи­
мической реакции) соответствует изм ене­
нию сво б о д н о й эн е р ги и (ДО). Фактором
емкости в данном случае является количест­
во вещества (в молях).
Б . Э н е р ге ти ка б и о х и м и ч е с ки х
процессов
Возможность спонтанного прохождения какого-либо процесса зависит от того, какой
знак будет иметь разность химических по­
тенциалов конечного и исходного состояния
системы (ДР = Р2 - Р 1)• Если Р2 меньше Р 1 и
ДР — величина отрицательная, то процесс
идет спонтанно и при этом производится
работа. Такой процесс носит название э кзе р го н и ч е ско го (1). Если разность потен­
циалов близка к нулю, то система находится
в равновесии (2). В случае энд ергоничес ко го процесса ДР — величина положитель­
ная (3), т. е. процесс не может идти само­
произвольно.
Для того чтобы запустить эндергонический процесс, необходимо воспользоваться
принципом эн е р ге ти ч е ско го сопряж ения.
Наиболее наглядно это можно продемонст­
рировать на примере механической работы
(4): когда две массы М 1 и М2 связаны шну­
ром, М-] будет двигаться вверх несмотря на
то, что этот процесс эндергонический, т. е. в
сопряженной системе определяющим фак­
тором будет сумма разностей потенциалов
двух процессов (ДРэфф = ДР 1 + ДР2). Суммар­
ный процесс возможен при условии, если
ДРэфф — величина отрицательная. Благода­
ря энергетическому сопряжению возможно
взаимопревращение одних форм работы и
энергии в другие. Например, в батарейке
карманного фонарика экзергоническая хи­
мическая реакция генерирует электриче­
ское поле, которое используется для эндергонического процесса получения световой
энергии. В мышцах (см. с. 318) химическая
энергия трансформируется в механическую
работу и тепловую энергию.
Энергетика
высокии уровень
источник тока
субстрат
коли­
чество
веществ
коли­
чество
заряда
падающей
, воды >
23
низкии уровень
конечный
продук
заземление
1. М еханическая работа
1. Э лектрическая работа
3. Химическая работа
С вободная э н е р ги я э то сп о со б н о сть си с те м ы п р о и зв о д и ть
р а б о ту
Дж = джоуль = Н • м, 1 кал = 4,187 Дж
Единицы
. ......
Единицы
измере- Фактор емкости измере­ Работа
ния
ния
Формы
работы
Фактор
интенсивности
Механи
ческая
Высота
Электри
ческая
Напряжение
Химическая
Изменение свобод
Количество
Дж/моль вещества
ной энергии ДО
сдиниць
измере­
ния
Вес (масса)
В=Дж/Кл Заряд
Напряжение • заряд
моль
• количество
вещества
Д(3
А. Ф о р м ы р а б о ты
процесс
идет
спонтанно
процесс
спонтанно
не идет
энергетически сопряженный процесс
может идти спонтанно
Потенциал
^1.Э кзергони2. Равновесный 3. Эн1$ергони| ческий процесс процесс_______ ческий процесс
Б. Э н е р ге ти ка б и о х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в
4.Энергетически
сопряженный процесс
24
Основы биохимии. Физическая химия
Равновесие
А .Р е а к ц и и п е р е н о с а г р у п п I
Каждая химическая реакция по истечении
некоторого времени достигает состояния
равновесия, при котором прямая и обрат­
ная реакции идут с равными скоростями.
Соотношение концентраций исходных ве­
ществ (А, В) и конечных продуктов (С, О) в
равновесном состоянии описываются з а ко ­
ном действую щ их м асс. Константа рав­
новесия К непосредственно связана с из­
менением свободной энергии реакции в
стандартных условиях ДС° (ДС° = -РТ1п К).
Уравнение действительно для любых кон­
центраций веществ. Если АС < 0, реакция
протекает спонтанно до тех пор, пока не бу­
дет достигнуто равновесие (т. е. до ДС° = 0).
При Д О О реакция не может протекать спон­
танно (эндергонический процесс, см. с. 22).
В биохимии ДС обычно относят к рН 7 и обо­
значают как ДС°'или ДС'.
В качестве примера на схеме приводятся
две реакции переноса групп. Перенос фос­
фатных групп от аденозинтрифосфата
[АТФ(АТР)] к воде — вы соко экзе р го н и ч е ски й процесс [реакция (а)]. Равновесие на­
ступает лишь при гидролизе более 99,9%
исходного АТФ (см. с. 124). АТФ и родствен­
ные соединения являются высокоэффектив­
ными пе р е н о счи ка м и фосфатных групп.
Количественно это свойство выражается ве­
личинами свободной энергии реакции гид­
ролиза ДС° (см. с. 124).
Напротив, энд ергонический процесс —
перенос аммиака (ЫНд) на глутамат [С1и, ре­
акция (б)] — достигает равновесия настоль­
ко быстро, что за это время успевает обра­
зоваться минимальное количество глутами­
на. Поэтому синтез глутамина из названных
предшественников возможен лишь при со­
пряжении с экзергонической реакцией (см.
с. 22, 126).
Б . О к и с л и т е л ь н о -в о с с т а н о в и т е л ь ны е р е а кц и и I
Реакции переноса электронов (см. с. 20)
также протекают в соответствии с законом
действующих масс. Для отдельной окисли­
тельно-восстановительной системы (редокс-систем ы ) справедливо уравнение
Нернста (см. с. 38). П отенциал переноса
эл ектронов такой системы (т.е.склонность
системы отдавать и принимать электроны)
определяется ее о ки сл и те л ьн о -в о сста н о вительны м п о те н ц и а л о м в стандартных
условиях (стандартным восстановительным
потенциалом Е° и соответственно Е °' при рН
7). При описании реакций между двумя редокс-системами вместо ДС обычно исполь­
зуют разность потенциалов двух систем
(ДЕ). ДЕ и ДС связаны простым соотношени­
ем, но имеют противоположные знаки.
Окислительно-восстановительная реакция
протекает спонтано, если ДЕ > 0.
В правой части схемы представлена за­
висимость потенциала Е от соотношения
реагентов (приведена доля восстановлен­
ной формы в процентах) для двух важных в
биохимическом отношении систем (пируват/лактат и НАД+/НАДН (МАО+/МАОН) см.
с. 103). В стандартных условиях (обе систе­
мы восстановлены на 50%) перенос элект­
рона с лактата на НАД+ невозможен, по­
скольку ДЕ — величина отрицательная
(-0 ,1 3 В, красная стрелка). Но перенос име­
ет место в том случае, если система пируват/лактат восстановлена на 98%, а систе­
ма НАД+/НАДН окислена на 98% (зеленая
стрелка, ДЕ = +0,08 В).
В.
К и с л о т н о -о с н о в н ы е р е а к ц и и I
В реакциях переноса протона всегда прини­
мает участие пара сопряженных кислот и ос­
нований (см. с. 36). Степень диссоциации кислотно-основной пары зависит от концентра­
ции Н+. Чаще всего приводится не собствен­
но концентрация протонов, а ее отрицатель­
ный логарифм, величина рН. Взаимосвязь
между рН и константой диссоциации описы­
вается уравнением Гендерсона-Х ассельбалха. В качестве меры химического по те н ­
циала переноса протона кислотно-основ­
ной пары служит величина рКа — отрица­
тельный логарифм константы диссоциации
кислоты Ка. Чем сильнее кислота, тем мень­
ше ее рКа. Кислоты с небольшими рКа могут
протонировать основания с высокими рКа
(зеленая стрелка).
25
Равновесие
А + В
Реакция
Закон
действую
щих
масс
30
К=
только для
равновесного
состояния
[С ]; Р ]
[А] ■[В]
константа равновесия
Взаимосвязь
Д(э° и К
20
л 10
с;
о
0
2
-10
Д б ° = Р • Т • 1п К
Я = 8,314 Дж/(моль -К)
О -20
<
-30
Для любых
[С]
•
[Р]
условий
ДО = Д 6° + Р • Т ■1п
[А] • [В]
мера потенциала переноса групп
-40
-50
0
ох
Р -Т
!п [А рх]
п -Р
[Агес|]
Для любой
окислительнор .т
восстано- д е = ДЕ° + ------ . |п Р °х ! [АгесД
вительной
п •Р
Й ге Я [А ох]
реакции
Определение ДЕ —ЕаКцептор - Едонор
и размерность
величин
Д '3 = —п * г • ДЬ
п = число перенесенных электронов
Р = число Фарадея, Кл/моль
Б. О ки с л и те л ь н о -в о с с та н о в и те л ь н ы е
р е а кц и и
Закон
действую ­
щих
масс
Упрощенный
вариант
60
80
100
т - 0,5
3
X -0,4
0
)
н
о
с
Iл -0,3
X
-О
§
н
5 0,2
0
СО
ДЕ° (а)
-
1
ДЕ° (б)
о
та 0,1
о
X
-О
-
0,0
о
с;
о
Типовая
реакция
40
Превращение АТР в АйР, %
А. Р е а кц и и п е р е н о с а гр у п п
Для
Агес!
окислительновосстано­ Е = Е° +
вительной
системы
20
О
20
40
60
80
100
Выход восстановленного продукта,%
0
* А ® + Н30 ®
[А0 ] • [Н30 ® ]
К =
[НА] ■Ш р
[А®] • [Н®]
Кя=
[НА]
Уравнение
и
и
,
[А®]
Гендерсона- Рн = Р *а + ирЩ-----Хассельбалха
й
[НА]
Г мера потенциала переноса протона
рн
8
10
12
14
В. К и с л о тн о -о с н о в н ы е р е а кц и и
20 40
60 80 100
0
ыход диссоциированной формы (А'), %
26
Основы биохимии. Физическая химия
Энтальпия и энтропия
Изменение свободной энергии (АО) химиче­
ской реакции зависит от ряда факторов, в
том числе от температуры и концентрации
реагентов (см. с. 24). В этом разделе обсуж­
даются еще два параметра, которые связа­
ны со структурными и энергетическими из­
менениями молекул.
А. Теплота реакции и
калориметрия I
Все химические реакции сопровождаются вы­
делением или поглощением тепла. Реакции
первого типа называются экзотерм ически­
ми, реакции второго типа — эндотермиче­
скими. Мерой теплоты реакции служит изм е­
нение энтальпии АН, которая соответствует
теплообмену при постоянном давлении. В слу­
чае экзотермических реакций система теряет
тепло и АН — величина отрицательная. В слу­
чае эндотермических реакций система погло­
щает тепло и АН — величина положительная.
У многих химических реакций АС и АН
имеют близкие значения (см., например,
Б1). Это обстоятельство позволяет опреде­
лять энергетическую ценность пищевых
продуктов. В живых организмах пища обыч­
но окисляется кислородом до СО2 и Н2О (см.
с. 114). Максимальную химическую работу,
которую питательные вещества могут со­
вершить в организме, т. е. АС реакции окис­
ления компонентов пищи, определяют путем
сжигания взятой навески соответствующего
вещества в калорим етре в атмосфере кис­
лорода. Выделившееся тепло повышает
температуру воды в калориметре. По разно­
сти температур рассчитывают теплоту реак­
ции (энтальпию сгорания).
Б. Энтальпия и энтропия I
Теплота реакции АН и изменение свободной
энергии АС не всегда имеют сравнимые зна­
чения. В действительности известны реак­
ции, протекающие спонтанно (АС < 0) не­
смотря на то, что являются эндотермически­
ми (АН > 0). Это происходит потому, что на
прохождение реакции оказывает влияние
изменение степени упорядоченности систе­
мы. Мерой изменения упорядоченности си­
стемы служит изм енение энтропии АЗ.
Энтропия системы тем выше, чем больше
степень неупорядоченности (беспорядка)
системы. Таким образом, если процесс идет
в направлении увеличения неупорядоченно­
сти системы (а повседневный опыт показы­
вает, что это наиболее вероятный процесс),
А5 — величина положительная. Для увели­
чения степени порядка в системе (А5 > 0)
необходимо затратить энергию. Оба этих
положения вытекают из фундаментального
закона природы — второго закона термоди­
намики. Количественно зависимость между
изменениями энтальпии, энтропии и сво­
бодной энергии описывается уравнением
Г и б б са -Г ельм го л ьц а :
АС = АН - Т АЗ
Поясним зависимость этих трех величин
на двух примерах.
В зры в грем учей см е си (1) — это взаи­
модействие двух газов — кислорода и водо­
рода — с образованием воды. Как и многие
окислительно-восстановительные реакции
(см. с. 38), это сильно экзотермический про­
цесс (т. е. АН « 0). В то же время в резуль­
тате реакции возрастает степень упорядо­
ченности системы. Газ с его хаотически м иг­
рирующими молекулами перешел в более
упорядоченное состояние — жидкую фазу,
при этом число молекул в системе уменьши­
лось на 1/3. В результате увеличения степе­
ни упорядоченности (АЗ < 0) член уравнения
—'Т • АЗ — величина положительная, однако
это с избытком компенсируется ростом эн­
тальпии: в итоге происходит высоко экзергоническая реакция (АС « 0).
При растворении в воде поваренной
со л и (2) АН — величина положительная,
температура в сосуде с раствором, т. е. в
объеме раствора, снижается. Тем не менее
процесс идет спонтанно, поскольку степень
упорядоченности системы уменьшается. В
исходном состоянии ионы Ыа* и СГ занима­
ли фиксированные положения в кристалли­
ческой решетке. В растворе они перемеща­
ются независимо друг от друга в произволь­
ных направлениях. Снижение упорядочен­
ности (АЗ > 0) означает, что член уравнения
-Т • АЗ имеет знак минус. Это компенсирует
АН и в целом АС — величина отрицательная.
Подобные процессы принято называть э н ­
тропийны м и.
Энтальпия и энтропия
устройство для
электрозажигания
термометр
п-
тепло­
изоляция
27
вода
вода
сгорание
калориметри­
ческая бомба
нагретая
вода
энтальпия 1 кДж
нагревает 1 л воды на
0,24 °С
образец
мешалка
А. Теплота р е а кц и и и ка л о р и м е т р и я
ДН: изменение
энтальпии,
теплообмен
д о
1 моль Н2
1/2 моля О2
== Д Н
- Т -
Д8: изменение
энтропии, т.е.степени
упорядоченности
системы
Д З
1 моль №С1
(кристал­
лический)
0 0 ® -“
&
сР
ИВ
<$>8^ з
Низкая степень
упорядоченности
о Л < 9
^
су
8
Высокая степень
упорядоченности
О Ш
Система
выделяет
тепло, ДН <0
(экзотерми­
ческий
процесс)
Система
поглощает
тепло, ДН > 0
(эндотерми­
ческий
процесс)
1 моль Н2 О
( жидкое
состояние)
1 моль
1 моль С |Э
Степень
упорядочен­
ности высокая,
Д5 < 0
Степень
упорядочен­
ности низкая,
ДЗ > 0
АН = - 287 кДж /моль
АН = + 3,8 кДж /моль
-Т &Д5 = + 49 кДж /моль
АО = - 238 кДж /моль
-200
-100
0
+100
Энергия
1. Взрыв гремучей смеси
Б. Энтальпия и энтропия
-Т - Д5 = -12,8кДж /моль
ДО
+200
= - 9,0 кДж /моль
0
Энергия
2. Растворение ЫаС! в воде
1 I— I— I— Г "
+4
+8
+12
28
Основы биохимии. Физическая химия
Кинетика химических реакций
Изменение свободной энергии (ДО) дает ин­
формацию о том, может ли идти данная ре­
акция в заданных условиях и какая для этого
потребуется работа (см. с. 24). Однако при
этом ничего нельзя сказать о кинетическом
параметре, т.е. о скорости химической реак­
ции.
А. Энергия активации I
Большинство органических химических ре­
акций (за исключением реакций кислот и ос­
нований, см. с. 36) протекают очень медлен­
но, независимо от величины ДО. Главная
причина низкой скорости реакции состоит в
том, что для вступления в реакцию молекулы
реагента должны обладать определенной
минимальной энергией, называемой энер­
гией активации. Наглядно это можно пред­
ставить с помощью энергетической диа­
граммы наиболее простой реакции А -» В
(1). Каждое из соединений, реагент А и про­
дукт реакции В, обладает определенным хи­
мическим потенциалом (Рр и Рпр соответст­
венно). Изменение свободной энергии реак­
ции (ДО) соответствует разности потенциа­
лов. Для превращения в В соединение А
должно преодолеть энергетический барьер,
пик которого Ра выше Рр. Разность потенци­
алов Ра - Рр носит название энергия а кти ­
вации (Еа).
В пользу того, что А, в принципе, может
превратиться в В, свидетельствует то обсто­
ятельство, что Рр является средним значе­
нием потенциала для всех молекул, вступа­
ющих в реакцию. Время от времени отдель­
ные молекулы достигают гораздо более вы­
сокого потенциала, например за счет столк­
новения с другими молекулами. Если в ре­
зультате столкновения энергия молекулы
превысит Еа, эта молекула перейдет энерге­
тический барьер и превратится в В. На рис.
2 и 3 приведено распределение энергии для
молекулярных ансамблей, рассчитанное на
простой модели. Дп/п это та часть молекул,
которая обладает (или превышает) энергией
Е (в кДж/моль). Например, при 27°С около
10% молекул обладают энергией около
6 кДж/моль. Энергия активации химических
реакций обычно существенно выше. Анало­
гичный график для реакции с энергией акти­
вации около 50 кДж/моль приведен на рис.
3. Статистически при 27°С такой энергией
обладает только 2 из 109 молекул, при 37°С
— четыре молекулы (3). Подобная зависи­
мость позволяет объяснить найденный эм­
пирическим путем температурный коэфициент скорости биологических процессов Ою,
который означает, что при повышении тем­
пературы на 10°С скорость реакции возрас­
тает в 2 раза.
Б. Скорость реакции I
Скорость химической реакции определяют
по изменению концентрации одного из реа­
гентов или продуктов реакции за опреде­
ленный период времени. В приведенном
примере в 1 л раствора за 1 с расходуется
3 ммоля реагента и, в результате образуется
3 ммоля продукта. Это соответствует скоро­
сти реакции
V = 3 мМ • с-1 =3 • 10~3 моль • л-1 • с '1
В. Порядок реакции I
Скорость реакции зависит не только от
энергии активации и температуры, но и от
концентрации реагентов. Если имеется
лишь один субстрат А (1), то скорость V пря­
мо пропорциональна концентрации [А]; это
реакция первого порядка. Если в реакции
участвуют два реагента А и В (2), то речь
идет о р е акц и и втор ого порядка. В таком
случае V пропорциональна произведению
концентрации реагентов. Коэфициенты к и
к ' — константы ско р о сти ре акц и и — зави­
сят от типа реакции и условий ее проведе­
ния.
На схеме Б приведена кинетика простых
необратимых реакций. Обратимые или мно­
гоступенчатые реакции могут быть разделе­
ны на промежуточные реакции первого или
второго порядка и описаны с помощью соот­
ветствующих уравнений (см. кинетика Михаэлиса-М ентен, с. 98).
К и н е ти ка х и м и ч е с ки х р е а кц и й
Химическим
потенциал
исходное
вещество А
(реагент,
субстрат)
Энергия активации
_ _
\
11^ = ” пр ’ "р \
продукт
реакции Б
А .Э н е р ги я а кти в а ц и и
мМ =
ммоль /л
( моль * л
Б. С ко р о с ть р е а кц и и
к ,к : константы
скорости реакции
Реакция 1-го порядка к = 1/5 с
В . П о р я д о к р е а кц и и
Реакция 2-го порядка к’ = 1/12 л • ммоль*1-с
29
30
Основы биохимии. Физическая химия
Катализ
Катализаторы это вещества, которые влияют
на скорость реакции, но сами при этом не рас­
ходуются. В живых клетках основными катали­
заторами являются ферменты (см. с. 94).
Очень немногие реакции катализируются мо­
лекулами РНК (“рибозимы”, см. сс. 242, 248).
А. Основы катализа I
Причиной низкой скорости большинства орга­
нических реакций является высокий энергети­
ческий барьер (энергия активации, см. с. 28),
который должны преодолеть молекулы прежде,
чем вступить в реакцию. В водных растворах
энергия активации расходуется на разрушение
гидратной оболочки молекул реагентов. Часто
во время реакции происходит разрушение мезомерных структур, что также требует затрат
энергии. Наиболее высокая точка энергетиче­
ской кривой обычно соответствует энергетиче­
ски неблагоприятному переходному состоя­
нию (1). Катализатор снижает энергию активациии и направляет реакцию по другому пути (2).
Если все переходные состояния характеризу­
ются более низкой энергией активации по срав­
нению с реакцией в отсутствие катализатора, то
альтернативная реакция протекает с более вы­
сокой скоростью несмотря на образование
большого числа промежуточных продуктов. По­
скольку реагенты и продукты реакции в обоих
случаях идентичны, реакция, протекающая в
присутствии катализатора, не влияет на изме­
нение свободной энергии АС. Катализаторы, в
том числе ферменты, в принципе не влияют на
равновесное состояние реакции (см. с. 24).
Утверждение о том, что катализатор снижа­
ет энергию активации, строго говоря, не кор­
ректно, так как реакция в присутствии катали­
затора не идентична исходной реакции. Про­
сто это совершенно иная реакция, имеющая
более низкий активационный барьер.
Б. Каталитический гидролиз
сложных эф иров в присутствии
имидазола О
•В качестве простого примера рассмотрим
гидролиз эфиров карбоновых кислот. В о т­
с у т с т в и е ка т а л и з а т о р а (верхняя часть
схемы Б) речь идет о нуклеофильном зам е­
щении (см. с. 20). В качестве нуклеофиль­
ного заместителя выступает атом кислоро­
да молекул воды, местом атаки является Сатом карбонильной группы (1 ), который изза сильной поляризации двойной связи
имеет частичный положительный заряд
(см. с. 14). На первой стадии образуется
нестабильное тетраэдрическое переход­
ное состояние (2); на второй стадии элими­
нируется молекула спирта и образуется
анион карбоновой кислоты (3). Большинст­
во реакций замещения, представляющих
биохимический интерес, протекают по ана­
логичному механизму присоединения —
элиминирования.
Несмотря на то, что ЛС в данном случае
величина отрицательная, гидролиз слож­
ных эфиров в воде идет с низкой скоро­
стью, поскольку вода обладает слабыми ну­
клеофильными свойствам и. В щелочной
области рН гидролиз идет гораздо быст­
рее, поскольку в этом случае в реакции
принимает участие сильный нуклеофил —
ОН-ионы. Однако реакцию при нейтраль­
ных значениях рН можно ускорить, если в
среду добавить основание, например им идазол. К а та л и зи р уе м а я и м и д а зо л о м р е ­
акция (нижняя часть схемы Б), протекает в
две стадии. На первой стадии в роли нук­
леофильного реагента выступает молекула
самого катализатора. В качестве относи­
тельно стабильного промежуточного про­
дукта образуется М-ацилимидазол. На вто­
рой стадии идет гидролиз промежуточного
продукта. При этом, как и в первом случае,
образуется анион карбоновой кислоты и
высвобождается молекула катализатора.
Э нергетическая диаграм м а показывает,
что энергия активации промежуточных ре­
акций существенно ниже по сравнению с
реакцией в отсутствие катализатора. Поэ­
тому гидролиз сложного эфира ускоряется
в присутствии имидазола. Как и в случае
ферментативного катализа (см. с. 98), ско ­
рость катализируемой реакции пропорцио­
нальна концентрации катализатора.
Катализ
Продукт
Субстрат
1. Э нергетический профиль
в отсутствие катализатора
А. О сновы ка та л и за
31
Продукт
Субстрат
2 . Э нергетический профиль
в присутствии катализатора
Переходное состояние ПС
О
Н'
'Н
вода
спирт
свободная
энергия
анион карбоновой
кислоты
эфир карбоновой
кислоты
переходное
состояние I (ПС I)
имидазол (катализатор)
Ы-ацилимидазол
(промежуточный продукт 2)
вода
спирт
Б . К а та л и ти ч е с ки й ги д р о л и з с л о ж н ы х э ф и р о в в п р и с у т с т в и и и м и д а з о л а
32
Основы биохимии. Физическая химия
Вода как растворитель
Как известно, жизнь зародилась в воде и попрежнему остается тесно связанной с во­
дой. Поэтому физико-химические свойства
воды имеют фундаментальное значение для
процессов жизнедеятельности.
А. Вода и метан I
Уникальные свойства воды НгО становятся
очевидными при сравнении с метаном (СН4).
Обе молекулы одинаковы по массе и разме­
рам. Тем не менее температура кипения воды
на 250°С выше по сравнению с температурой
кипения метана. В результате вода на поверх­
ности Земли находится в жидком, а метан — в
газообразном состоянии. Высокая точка ки­
пения воды является следствием высокой те­
плоемкости испарения, что в свою очередь
обусловлено неравномерным распределени­
ем электронной плотности в молекуле воды.
Молекула воды имеет форму тетраэдра, в
центре которого расположен атом кислорода.
Две вершины тетраэдра заняты свободными
электронными парами атома кислорода (зе­
леного цвета), а остальные две — атомами во­
дорода. Поэтому связи Н—О—Н расположе­
ны под углом друг к другу. Кроме того, из-за
высокой электроотрицательности атома кис­
лорода связь О—Н полярна (см. с. 14). Атомы
водорода несут частичный положительный
заряд около +0,4, а атом кислорода частич­
ный отрицательный заряд около -0,6, т. е. мо­
лекула воды представляет собой электриче­
ский диполь. Поэтому каждая молекула во­
ды, подобно маленькому магниту, притягива­
ет к себе за счет образования водородных
мостиков (Б) еще четыре молекулы (см. с. 14).
При испарении воды разрушение этих много­
численных водородных связей требует боль­
ших затрат энергии. Молекулы метана непо­
лярны, не являются диполями и относительно
слабо взаимодействуют друг с другом.
Вследствие этого жидкий метан испаряется
при очень низких температурах.
Б . Структура воды и льда I
Биполярное строение молекул воды благо­
приятствует образованию в о д о р о д н ы х
свя зе й (см. с. 14). При этом каждая моле­
кула проявляет свойства как донора, так и
акцептора водорода. Поэтому у воды в
жидком состоянии многие молекулы связа­
ны между собой водородными «мостиками»
(связями) (1), причем образующиеся ассоциаты находятся в динамическом равнове­
сии. Часто образуются тетраэдрические
структуры, так называемые “кластеры” во­
ды (2). При понижении температуры доля
кластеров возрастает вплоть до начала
кристаллизации. При нормальном атм о­
сферном давлении вода кристаллизуется
при 0°С, при этом большинство молекул во­
ды оказываются встроенными в ге кс а го ­
нальную р е ш е тку (3). Поскольку в твер­
дом состоянии расстояние между молеку­
лами в среднем больше, чем в жидкости,
плотность льда меньше по сравнению с
плотностью воды. Это свойство воды очень
важно в экологическом отношении хотя бы
потому, что зимой на поверхности водо­
емов образуется слой льда и они редко
промерзают до дна.
В. Гидратация I
В отличие от большинства других жидко­
стей вода является идеальным р а ств о р и ­
тел ем для д и ссо ц и и р ую щ и х вещ еств. В
электрическом поле того или иного иона
молекулы воды образуют регулярные стру­
ктуры в соответствии с зарядом иона. Эта
гидратная оболочка экранирует ион от ио­
нов противоположного заряда. Вода имеет
высокую константу диэлектрической про­
ницаемости (78), т.е. в воде электростати­
ческое притяжение двух противоположно
заряженных ионов снижается примерно в
80 раз (1/78). Молекулы воды, находящие­
ся во внутренней сфере непосредственно
около иона, практически иммобилизованы
(привязаны к этому иону) и перемещаются
вместе с центральным ионом. Хорошо рас­
творимы в воде и нейтральные соединения
с несколькими гидроксильными группами,
такие, как глицерин (на схеме слева) или
сахара, поскольку они способны образовы­
вать водородные связи с молекулами рас­
творителя.
Вода как растворитель
мол. масса
+100
теплоемкость
кДж / моль
дипольныи
момент, Д
(1Д=3.3,10'30Кл,м)
метан
вода (Н20 )
А. В од а и м е та н
Вода в жидком состоянии
плотность 1,00 г/см 3
(короткоживущие
кластеры)
У
этанол
V
—
леД ------------- А
/ плотность 0,92 г /с м 3
/ (гексагональная решетка
/
стабилизированная
'
водородными связями)
Б. С тр у кту р а в о д ы и льд а
катион
глицерин
анион
В. Г и д р а та ц и я
33
34
Основы биохимии. Физическая химия
Гидрофобные взаимодействия
Вода является хорошим растворителем как
для солей, легко диссоциирующих на ионы,
так и для многих соединений с полярными
связями (см. с. 32). Такие вещества обычно
называют полярны м и или гидроф ильны ­
м и («водолюбивыми»). В то же время угле­
водороды растворяются в воде плохо. Такие
вещества называют неполярны м и или ги д ­
роф обными.
А. Растворим ость в воде жирных
кислот О
Растворимость в воде органических соеди­
нений определяется соотношением поляр­
ных или неполярных групп. Это положение
хорошо иллюстрируется на примере жирных
кислот. Карбоксильная группа жирных кис­
лот ионизирована и способна образовывать
водородные связи. Однако по мере увеличе­
ния длины углеводородной цепи раствори­
мость жирных кислот заметно снижается.
Жирные кислоты, содержащие в цепи более
10 углеродных атомов, практически нерас­
творимы в воде. Поэтому в крови они пере­
носятся в виде комплекса с альбумином (см.
с. 270).
процесс, приводящий к более высокой упо­
рядоченности водной фазы. Чем больше по­
верхность контакта между водой и неполяр­
ной фазой, тем выше степень такой упоря­
доченности.
В .Эф ф ект «масляных капель» О
Энергетически невыгодное образование
клатратных структур является причиной са­
мопроизвольного расслоения эмульсий
масла в воде. Как известно, при встряхива­
нии такой смеси образуется множество мел­
ких масляных капелек, которые, однако,
вновь самопроизвольно сливаются в круп­
ные капли — обе фазы вновь расслаивают­
ся. Крупные капли обладают меньшей по­
верхностью по сравнению с множеством
мелких капелек того же суммарного объема.
При расслаивании фаз уменьшается пло­
щадь контакта между фазами, а следова­
тельно, и степень образования клатратов.
Поэтому Д5 такого процесса — величина по­
ложительная, а отрицательный член уравне­
ния -Т • Д5 свидетельствует о том, что рас­
слаивание — процесс экзергонический (ДО
< 0). Иными словами, такой процесс будет
идти спонтанно.
Б. Растворим ость в воде метана О
Г. Растворим ость соединений
с амфифильными свойствам и #
Для объяснения плохой растворимости уг­
леводородов в воде необходимо прежде
всего рассмотреть энергетику такого про­
цесса (см. с. 26). На схеме 1 приведены дан­
ные для наиболее простого углеводорода
метана. Известно, что растворение газооб­
разного метана в воде — процесс экзотер­
мический (ДН° < 0). Тем не менее изменение
свободной энергии (Д6°) — величина поло­
жительная, поскольку в уравнении преобла­
дает энтропийный член (-Т • Д3°). Очевидно,
что изменение энтропии процесса (Д5°) —
величина отрицательная, т.е. растворение
метана в воде требует повышения степени
упорядоченности системы. При окружении
молекул метана молекулами воды подвиж­
ность молекул метана должна уменьшаться.
Однако при этом существенно важнее то об­
стоятельство, что молекулы воды, распола­
гаясь вокруг этих неполярных молекул, об­
разуют собственную сетчатую структуру,
«клатраты», стабилизированную, как и в
структуре льда, водородными связями. Та­
ким образом, растворение метана в воде —
Вещества, имеющие в структуре как поляр­
ные, так и неполярные группы, называются
амф иф ильны ми. К этой группе принадле­
жат, например, жиры (см. с. 56), фосфоли­
пиды (см. с. 56) и желчные кислоты (см. с.
63). Вследствие эффекта «масляных капель»
(Б) амфифилы при контакте с водой склонны
образовывать структуры, у которых площадь
контакта неполярной части молекул с водой
минимальна. На поверхности воды такие ве­
щества обычно образую т м о н о сл о й н ы е
пленки, у которых полярные группы ориен­
тированы в воду. Мыльные пузырьки обра­
зованы липидными бислоям и с тонким на­
ружным слоем воды. В воде амфифилы об­
разуют протяженные бислойны е м ем бра­
ны или м ицеллы , у которых полярные груп­
пы ориентированы в воду. По этому принци­
пу построено большинство биологических
мембран (см .с.216). Полые мембранные пу­
зырьки носят название везикул . В клетках и
крови такие структуры играют ключевую
роль при выполнении транспортных функ­
ций (см. сс. 230, 272).
Гидрофобные взаимодействия
35
льдоподобная
упорядоченная
структура
масло
спонтанное
расслаивание
10 х 1 мл
общая внешняя
поверхность: 48 см
Число атомов углерода
А. Р а с тв о р и м о с ть в в о д е ж и р н ы х
ки с л о т
внешняя
поверхность
22 с м 2
В . Э ф ф ект „м а с л я н ы х ка п е л ь
-Т • Д 5 =
газообразный
метан
+39,6 кДж/моль
метан,
растворенный
в воде
ДС°=
+26,4 кДж/моль
ДН°=
-13,2 кДж/моль
Б. Р а с тв о р и м о с ть в в о д е м е та н а
Структура клатрата
поверхностная
пленка
клатраты
в растворе
мицелла
амфифильный анион
жирной кислоты
везикула
бислойная мембрана
Г. Р а с тв о р и м о с ть с о е д и н е н и й с
а м ф и ф и л ьн ы м и с в о й с т в а м и
мыльный
пузырек
36
Основы биохимии. Физическая химия
Кислоты и основания
А. Кислоты и основания
К и сл о та м и принято называть вещества,
способные отдавать протоны (ионы водоро­
да), а основаниям и — вещества, способ­
ные принимать протоны. Вода усиливает к и ­
слотно-основные свойства растворенных
веществ, поскольку может выполнять функ­
ции как кислоты, так и основания. Так, сол я­
ная кислота (НС1) отдает протоны молеку­
лам воды (1). При этом образуются анион
хлора (СГ) и протонированные молекулы во­
ды (ионы гидроксония, Н3О*, для краткости
обозначаемые Н+). Обмен протонами между
НС1 и водой идет почти количественно, т.е. в
воде НС1 ведет себя как сильная кислота.
Основания, например ам м иак (ЫНз), при­
нимают протоны у молекул воды с образова­
нием ги д р о кси л -и о н о в (ОН- ) и положи­
тельно заряженных ионов аммония (ЫНд ,
3). Как и все ионы, гидроксоний и гидроксил
присутствуют в воде в гидратированной
форме (4 и 5).
В кислотно-основных реакциях всегда
принимают участие кислота и сопряж ен­
ное с ней основание. Чем более сильной
является кислота (или основание), тем сла­
бее сопряженное основание (или кислота).
Например, очень слабое основание анион
хлора сопряжен с очень сильной соляной ки­
слотой (1). Слабокислый ион аммония со­
пряжен с умеренно сильным основанием
аммиаком (3). Если молекула воды функцио­
нирует как слабая кислота, образуется гид­
роксил-ион — очень сильное основание. Ес­
ли вода выступает как основание, образует­
ся ион гидроксония — очень сильная кисло­
та ( 2 ).
Константа диссоциации воды (2) — вели­
чина ничтожно низкая:
[Н+] [Н+ИОН-)
К н о = -------------------- 3 2 10" 16 моль/л
[ИгО]
(при 25°С)
В чистой воде концентрация молекул воды
[Н20 ] — величина практически постоянная,
равная 55 моль/л. При подстановке этого
значения в уравнение оно принимает вид
К * = [Н+][ОН“ ] = 1 • 10" 14 моль/л
Таким образом, произведение [Н*] • [ОН- ],
так называемое ионное произвед ение во­
ды, есть величина постоянная, даже в при­
сутствии в растворе других кислотно-основ­
ных пар. При 25°С концентрации ионов Н+ и
ОН“ в чистой воде равны и составляют
1 • 10"7 моль/л.
Б. Значения рН в организме
человека I
В клетках и межклеточных жидкостях рН под­
держивается на относительно постоянном
уровне. В крови величина рН обычно меняет­
ся в пределах 7,35-7,45 (см. с. 280). Это соот­
ветствует изменению концентрации водо­
родных ионов не более чем на 30%. В цито­
плазме рН составляет 7,0-7,3, что несколько
меньше, чем в крови. В лизосомах (см. с. 228,
рН 4,5-5,5) концентрация водородных ионов
более чем в 100 раз выше по сравнению с
концентрацией в цитоплазме.
В пищеварительном тракте, который для
организма является как бы внешним миром,
и в выделениях организма рН варьирует в
сущ ественно большей степени. Э кстре­
мальные величины рН (около 2) наблюдают­
ся в желудке и в тонком кишечнике (> 8 ). В
связи с тем, что почки могут выделять как
кислоты, так и основания (см. с. 318), значи­
тельные вариации рН (4,8—7,5) наблюдаются
в моче.
В . Буф ерные систем ы
Краткосрочные колебания рН в организме
компенсируются буф ерны м и систем ам и.
Буферная система представляется собой
смесь слабой кислоты НВ и сопряженного с
ней основания В~ или слабого основания и
сопряженной с ним кислоты. Такие систе­
мы могут нейтрализовать избыток как ио­
нов гидроксония, так и гидроксил-ионов. В
первом случае избыток протонов связыва­
ется основанием В- с образование воды и
кислоты в недиссоциированной форме.
Гидроксил-ионы взаимодействуют с НВ с
образованием В" и воды. В обоих случаях
прежде всего сдвигается соотнош ение
[Н В ]/[В ~], а рН изменяется очень незначи­
тельно. На кривой титрования видно, что
буферные системы работают наиболее эф­
фективно в области рН, соответствующей
рКа кислоты. В этой области график имеет
максимальную крутизну, и при добавлении
определенного количества кислоты или ос­
нования ДрН минимально. Другими слова­
ми, буф ерная е м ко с ть системы макси­
мальна при рКа.
Кислоты и основания
Соляная
кислота
обмен
протонов
Хлорид-ион
37
Ион водорода Н®
слабое
основание
сильная
кислота
Ион
гидроксония
слабое
основание
сильная
кислота
КноО = 9 • 106 моль/л
Гидроксил
ион
обмен
протонов Н
слабая
кислота
слабое
основание
сильное
основание
в воде всегда
Ион
гидроксония
1 * 10 '14 моль/л
[Н © ] - ( ОН©] =
(при 25 °С)
сильная
кислота
Кн 2 0 = 2 • 10"16 моль/л
Гидроксил
ион
обмен
протонов
слабая
кислота
Гидроксил-ион ОН
сильное
основание
Аммиак
сильное
основание
ион гидроксония
(гидратирован)
Н
-
Щ
-
Н
Н
Кнго = 2 - 1 0"5 моль/л
И
о
н
аммония
гидроксил-ион
(гидратирован)
слабая
кислота
А. Кислоты и основания
Желудочный сок
основание
Лизосомы
кислота
Моча
основа
ние
кислота
Цитоплазма
Плазма крови
Тонкий кишечник
Б. Значения рН в организме
человека
В. Буферные
системы
Буферный раствор:
смесь слабой кислоты и
сопряженного основания
38
Основы биохимии. Физическая химия
Окислительно-восстановительные
процессы
А. Окислительно-восстановительные реакции •
Окислительно-восстановительными (см. с. 24)
(или редокс-реакциями) называются реакции,
сопровождающиеся переносом электронов от
донора к акцептору (1). По аналогии с кислот­
но-основными реакциями (см. с. 36) взаимо­
действующие вещества образуют сопряжен­
ные пары, которые принято называть окисли­
тельно-восстановительными парами (редокспарами от англ. Рейохрага, 0ес1ох5уз1ет, 2).
Оба компонента редокс-пары различаются
числом электронов. Богатый электронами ком­
понент называется восстановленной формой,
а бедный электронами — окисленной формой
соответствующего соединения. В ходе редоксреакции восстановленная форма одной ре­
докс-пары (восстановитель) переносит элект­
роны на окисленную форму (окислитель) дру­
гой пары. При этом восстановитель окисляет­
ся, а окислитель восстанавливается (3). Любой
восстановитель эффективен лишь в опреде­
ленных реакциях. На основании таких наблю­
дений можно построить окислительно-восста­
новительный ряд (4).
Б. Определение окислительно­
восстановительных потенциалов О
Положение редокс-пары в ряду определяется
окислительно-восстановительным потенциалом.
Последний определяют (см. с. 24) с помощью
электрохимической ячейки, которая позволяет
оценивать перенос электронов между двумя редокс-парами, находящимися в разных сосудах.
Прохождение электрического тока в результате
переноса электронов между двумя химическими
частицами, находящимися в разных сосудах, осу­
ществляется через проводник, т. е. химическая
энергия трансформируется в электрическую.
В цепь встроен высокоомный вольтметр, ис­
ключающий прохождение электрического тока.
Измеряют не ток, а электрическое напряжение,
которое соответствует разности электрического
потенциала ДЕ двух растворов. Восстановитель­
ный потенциал системы определяется как эд.с.
в вольтах (В), измеренная против известного по­
тенциала, возникающего в стандартном полуэлементе (полуячейке). В качестве стандарта принят
восстановительный потенциал системы 2Н*/Нг
(“водородный электрод”), который при опреде­
ленных условиях условно считают равным нулю.
Измеренный относительно стандарта потенциал
конкретной окислительно-восстановительной па­
ры может иметь знак плюс или знак минус. Вели­
чина Е зависит от концентрации реагентов и усло­
вий проведения реакции. Поэтому вводят понятие
стандартный окислительно-восстановительный
потенциал (или восстановительный потенциал Е°,
поскольку он характеризует реакцию восстанов­
ления), который определяют как потенциал вос­
становления данной редокс-пары в стандартных
условиях и при равных концентрациях всех реа­
гентов, а также Е°определяемый как Е° при рН 7.
Если пары расположить в порядке возрастания их
восстановительных потенциалов, то получим
электрохимический ряд напряжений (4). Спонтан­
ный перенос электрона возможен лишь в том слу­
чае, если восстановительный потенциал вещест­
ва, которое должно отдавать электроны, — вели­
чина более отрицательная по сравнению с потен­
циалом вещества, которое должно принимать
электроны (см. с. 24).
В. Биологические окислительно­
восстановительные пары •
На схеме приведены окислительно-восстанови­
тельные реакции, наиболее часто встречающиеся
в биологических системах. Стандартные восста­
новительные потенциалы (Б) соответствующих
редокс-пар лежат в диапазоне от -0,45 до +0,4 В.
В действительности потенциалы зависят от окру­
жения в белке.
Многие окислительно-восстановительные ре­
акции катализируются ферментами, содержащи­
ми в активном центре ионы металлов. Поскольку
такие металлы необходимы в небольших количе­
ствах, их относят к так называемым следовым
элементам (см. сс. 10,350). Ионы металлов об­
разуют комплексы с боковыми функциональными
группами аминокислотных остатков или входят в
состав кофакторов (простетических групп). Так,
ионы железа (Ре) присутствуют в Ге/8-центрах
(см. с. 144) или входят в состав гема (см. сс. 108,
194,310), причем атом железа может находиться
в разной степени окисления от +4 до +2. Другими
металлами, участвующими в редокс-реакциях,
могут быть медь (в форме Си2+/Си+, см. с. 144),
марганец (см. с. 132) и молибден (см. сс. 186,
189).
Из органических веществ в окислительно­
восстановительных реакциях часто участвуют
тиоспирты (тиолы) и соответствующие дисульфи­
ды (см. с. 18). К этой группе относятся, например,
редокс-пара цистеин/цистин (см. с. 192), липоамид (см. с. 136) и глугатион (см. с. 278).
Пара хинон/гидрохинон интегрируется в цепь
переноса электронов (кофермент О, см. с. 142),
служит коферментом (витамин К, см. с. 352) или
выполняет функции антиоксиданта, защищая
клетки от действия окислителей (см. с. 278).
К органическим редокс-парам относятся
также пиридиннуклеотид- и флавинсодержащие коферменты (см. сс. 86, 102 и 108).
Окислительно-восстановительные процессы
39
/ процесс
V идёт
ч/ процесс
не идёт
окислитель
перенос
электронов
восстанав
ливается
восстанови
тель
окис­
ляется
1. Принцип реакций с
2. Окислительно-восста- 3. Возможные пути
переносом электронов новительные системы
переноса электронов
А. Окислительно-восстановительные реакции
4.0кислительновосстановительный ряд
Катод (отрица­
тельный полюс)
Анод (полож и­
тельный полюс)
проводник
металли
Б. Определение окислительно-восстановительных потенциалов
Окисленная
форма
Мет ©
ион металла (окисл.)
дисульф ид
Восстановленная
р0 р
________ форма___________ с • р
Меп©
ион металла (восст.)
от Й
л
Примеры
Ионы железа (в гемопротеинах
и Ре/5-кластерах), меди,
марганеца и др.
Л ипоамид, глутатион,
тиоредоксин, ферменты
дитиол
Коф ермент О (убихинон)
пластохинон, витамин Е,
витамин К
хинон
гидрохинон
Н икотинамидадениндинуклеотидф осф ат ЫАОР
никотинамид
сокисл . )
никотинам ид (восст.)
Флавинадениндинуклеотид (РАО)
Флавинмононуклеотид (РМГЧ)
флавин (окисл.)
флавин (вос&т. ) /
___________
В. Биологические окислительно-восстановительные системы
40
Биомолекулы. Углеводы
Углеводы
Углеводы (сахара) — группа природных полигидроксиальдегидов и полигидроксикетонов с общей формулой (СНгО)п. Группа
включает просты е сахара (м оносахари­
ды ) и их высокомолекулярные аналоги, о л и ­
госахариды и полисахариды .
А. Биологические функции
углеводов •
Полисахариды, прежде всего крахмал и не­
которые дисахариды, являются важными
(хотя и не жизненно необходимыми) ко м п о ­
нентами питания (см. с. 348). В кишечнике
они расщепляются до моносахаридов, кото­
рые затем всасываются слизистой кишечни­
ка (см. с. 266). Трйнспортной формой угле­
водов в крови позвоночных является глюко­
за. Глюкоза поступает в клетки, где исполь­
зуется в качестве клеточного “топлива” (гли­
колиз) или превращается в другие метабо­
литы (см. сс. 152-161). Гликоген откладыва­
ется в некоторых органах (печень, мышцы) в
качестве резервного полисахарида (см. с.
158). Полисахариды служат строительны м
м атериалом для многих организмов. Так, в
клеточных стенках бактерий в качестве ста­
билизирующего структурного компонента
присутствует муреин (см. с. 46). В растениях
эту функцию выполняют целлюлоза и другие
полисахариды (см. с. 48). Олигомерные и
полимерные углеводы часто встречаются в
ковалентно связанном виде с липидами
(гликолипиды) или белками (гликопротеи­
ны), входящими в состав клеточных мемб­
ран. Растворимые гликопротеины присутст­
вуют в плазме крови (см. с. 270), а также вхо­
дят в состав протеогликанов, которые явля­
ются важными структурными компонентами
межклеточного матрикса (см. с. 336).
Б. Структура моносахаридов I
Важнейший природный моносахарид, Эглюкоза, является алифатическим альдеги­
дом, содержащим шесть углеродных ато­
мов, пять из которых имеют гидроксильные
группы (1). Поскольку атомы С-2 — С-5 явля­
ются хиральными центрами (см. с. 16), кро­
ме й-глю козы существует 15 изомерных
альдогексоз, лишь немногие из которых
встречаются в природе (см. с. 44). У боль­
шинства природных моносахаридов С-5
имеет конфигурацию О-глицеринового аль­
дегида.
В нейтральном растворе менее 0,1% мо­
лекул глюкозы находятся в ациклической
форме (1 ). Подавляющая часть глюкозы
присутствует в форме циклического полуацеталя (2 ) (см. с. 18), образованного в ре­
зультате взаимодействия карбонильной
группы с одной из гидроксильных групп. В
альдогексозах реакция идет главным обра­
зом по гидроксильной группе С-5 с образо­
ванием шестичленного пиранового цикла.
Сахара с шестичленным циклом называются
пиранозам и. Замыкание кольца с участием
гидроксильной группы С-4 дает фурановый
цикл, а сахара с таким циклом называются
ф уранозам и. В растворе все три формы,
пиранозная, фуранозная и ациклическая на­
ходятся в динамическом равновесии.
Циклические формы моносахаридов при­
нято изображать в виде проекционных фор­
мул (2), где цикл представлен в перспективе
(проекц ии Х еуорса). Заместители при хирал ьных атомах углерода располагаются
над или под плоскостью кольца в зависимо­
сти от их конфигурации. ОН-Группы, кото­
рые в фишеровской проекции (1) находятся
справа, в проекции Хеуорса располагаются
под плоскостью кольца, а группы, находя­
щиеся слева, — над плоскостью кольца.
При образовании полуацеталей в молеку­
ле появляется дополнительный асимметри­
ческий центр С -1, что делает возможным су­
ществование двух стереоизомеров (см. с.
16). Соответствующие связи на схеме указа­
ны волнистыми линиями.
В проекциях Хеуорса не учитывается тот
факт, что в действительности пиранозный
цикл не плоский, а имеет форму кресла. В
представленной на схеме конформации 0 глюкопиранозы ^Сд-конформация, 3) боль­
шинство ОН-групп (как и в проекции Хеуор­
са) располагаются перпендикулярно плос­
кости кольца (а кси а л ьн о , а-положение).
Единственное исключение составляет полуацетальная ОН-группа при С-1, которая за­
нимает экваториальное (е) положение.
о он
1
11
глюкоза
н
V
м оно­
сахарид
глю конеогенез
гликолиз
пируват
• •
ам ино­
кислоты
гликопротеи
•
СО 2 +Н 2 О
гликоген
гликолипи
пептидогликан
*•••
(муреин)
протеогликан
периплазма
бактерия
А. Биологические функции углеводов
ациклическая носн2б
ф орма (< 0,1 % )н
1 XV
И“7С]— ОН
I
Н- 0
но
ОН
но
я
И4 & Ь ° н
нЛ
образование
полуацеталя
он
5
6 сн2он
ациклическая
форма глюкозы
СНлОН
I
хиральный
центр
1 . Ф иш еровская
проекция
Б.Структура м<
□
он
104-конформация
носи.
но-с-н
ОН
Н
Н
н
н
н
Н
Н0~7Гс ’4-Н
сн.
он
Р -глю коф ураноза (<1 %)
Н
он
н
но
И
й-гл ю ко пираноза (99%)
ш аро­
стержневая модель
2 . Ц иклические формы
3. Конф ормации
моносахаридов
моносахаридов (по Хеуорсу)
9
42
Биомолекулы. Углеводы
Химия углеводов
А. Реакции моносахаридов I
В метаболизме принимают участие различ­
ные производные моносахаридов. Здесь об­
суждаются только основные реакции углево­
дов на примере й-глюкозы.
1 . М утаротация. В циклической форме
(см. с. 40) альдозы (в отличие от ацикличе­
ской) имеется хиральный центр С-1, несу­
щий полуацетальный гидроксил. Соответст­
вующие энантиомерные формы называются
аном ерам и. В р-аномерах (слева на схеме
А) ОН-группа при С-1 (аномерная) и СН2ОНгруппа (С-6) располагаются над плоскостью
кольца, в а-аномерах (справа на схеме А) —
по разные стороны кольца. Переход аномеров из одной формы в другую носит назва­
ние мутаротация (см. Б).
2. О бразование гл и ко зи д о в. Конденса­
ция аномерной ОН-группы со спиртовой
группировкой с отщеплением молекулы во­
ды приводит к образованию 0-гликозида (в
данном случае а-метилглюкозида). Олиго- и
полисахариды построены за счет образова­
ния О-гликозидных связей. При взаимодей­
ствии аномерной ОН-группы с МНг-группой
образуется Ы-гликозид. Ы-Гликозидная
связь присутствует, например, в нуклеоти­
дах (см. с. 86) и гликопротеинах (см. с. 50).
3. В осстановление и окисл ение. Вос­
становление аномерного центра С-1 приво­
дит к образованию сахароспирта сорбита.
Путем окисления альдегидной группы при С1 получают лактон глюконовой кислоты (в
общем случае — лактон гликоновой кисло­
ты). При окислении С-6 образуется глюкуроновая кислота (в общем случае — гликуроновая кислота). Глюкуроновая кислота игра­
ет важную роль в процессах биотрансфор­
мации в печени (см. сс. 196, 308).
4 . Э п и м е р и за ц и я . В слабощелочном
растворе й-глюкоза находится в равновесии
с кетогексозой, 0-фруктозой , и альдогексозой, 0-маннозой. Глюкоза и манноза разли­
чаются конфигурацией при С-2. Такие пары
сахаров называются эпимерами, а процесс
их взаимопревращения — зпимеризацией.
5.
Э териф икация. Гидроксильные груп­
пы моносахаридов образуют эфиры с раз­
личными кислотами. В метаболизме саха­
ров особое место занимают фосфомоноэфиры, например глюкозо-6-фосфат (см. с.
152).
Б. Поляриметрия, мутаротация О
Для анализа углеводов в растворе исполь­
зуется метод полярим ерии, который осно­
ван на свойстве оптически активных ве­
ществ взаимодействовать с поляризован­
ным светом. В поляриметре луч от источни­
ка света проходит через два последователь­
но установленных фильтра — неподвижный,
поляризатор, и вращаемый, анализатор.
Оба поляризующих фильтра находятся в од­
ной фазе и беспрепятственно пропускают
поляризованный свет. Две части поля ана­
лизатора выглядят при этом максимально
освещенными (1). Оптически активные ве­
щества обладают свойством вращать плос­
кость поляризованного света вправо или
влево на угол а. Если раствор такого веще­
ства поместить между двумя фильтрами,
рабочее поле анализатора темнеет (2). Вра­
щением анализатора устанавливают равен­
ство освещенности двух частей поля (3),
угол поворота анализатора отсчитывают по
лимбу. Измеряемый угол вращ ения а зави­
сит от типа хирального соединения, его кон­
центрации и толщины слоя раствора (длины
поляриметрической трубки). Полученный
при измерении угол а пересчитывается на
удельное или на молекулярное вращение,
соответственно [а ] или [М ].
а- и р-Аномеры глюкозы (см. А) могут
быть получены в чистом виде. Угол враще­
ния 1М раствора а-Э-глюкозы составляет
+112°, тогда как для 1М раствора р-й-глю козы он равен +19°. В растворе эти величины
изменяются самопроизвольно до конечного
значения +52°, т. е. в растворе за счет мугаротации достигается равновесие между а- и
р-формой. Независимо от исходного соста­
ва образца в равновесном состоянии содер­
жание р-формы составляет 62%, а а-формы
— 38%.
Химия углеводов
гпюкуроновая
киблота
глюконолактон
сорбит
кисление
восстановление
мугаротация
р-й-глю коза
этериф икация
глю козо6-ф осфат
а-Р-глю коза
эпим еризация
Р-ф руктоза
оразование
гл и кози да
а-й-м анноза
а-м етилглю козид
А. Р е а кц и и м о н о с а х а р и д о в
Поляризатор Анализат°Р
а-р-глюкоза: [а ! = + 1 1 2
10
20
30
40
0 - 0 -глюкоза:
Б .П о л я р и м е тр и я , м у та р о та ц и я
50 Время, мин
[а! = +19°
43
44
Биомолекулы. Углеводы
Моно- и дисахариды
А. Важнейшие представители м о ­
носахаридов I
Из огромного множества природных м оносахаридов здесь перечислены только наи­
более распространенные соединения.
Из альдопентоз (1) наиболее известна
Р-рибоза как компонент РНК и коферментов
нуклеотидной природы. В этих соединениях
рибоза всегда присутствует в фуранозной
форме (см. с. 40). Подобно 0-рибозе, О -кси­
лоза и 1-арабиноза редко встречаются в
свободной форме. Однако оба соединения в
большом количестве входят в состав поли­
сахаридов клеточных стенок растений (см. с.
46).
яН К ш
Среди альдогексоз (1) наиболее извест­
ным соединением является 0-глю коза. По­
лимеры глюкозы, прежде всего целлюлоза и
крахмал, составляют значительную часть
общей биомассы. В свободном виде 0-глю ­
коза присутствует во фруктовых соках (вино­
градный сахар), в плазме крови человека и
животных (см. с. 162). 0-Галактоза, состав­
ная часть молочного сахара (см. Б), являет­
ся важнейшим компонентом пищевого раци­
она. Наряду с 0-маннозой этот моносахарид
входит в состав многих гликолипидов и гли­
копротеинов.
Фосфомоноэфир кетопентозы , О-рибулозы (2), является промежуточным продук­
том гексозомонофосфатного шунта (см. с.
154) и в фотосинтезе (см. с. 130). Наиболее
важной ке то ге ксо зо й ( 2 ) считается 0-ф рук­
тоза . В свободной форме она содержится во
фруктовых соках (фруктовый сахар) и в ме­
де. В связанной форме фруктоза присутст­
вует в сахарозе и в растительных полисаха­
ридах (например, в инулине).
В дезоксиальдозах (3) одна из ОН-групп
заменена на Н-атом. На схеме наряду с 2дезокси-0-рибозой, являющейся составной
частью ДНК (см. с. 90), приведена Ьфукоза,
не содержащая ОН-группы при С-6 (см. с.
40).
А цетил и рованны е а м и н о са ха р а , N1ацетил-0-глю козамин и N-ацетил-О-галактозамин (4), входят в состав гликопротеи­
нов.
Характерным компонентом гликопротеи­
нов является N-ацетилнейраминовая кисло­
та (сиаловая кислота, 5). Кислы е м оноса­
хариды , такие, как О-глюкуроновая, О-галактуроновая и \--идуроновая кислоты, служат
типичными структурными блоками гликозаминогликанов соединительных тканей.
С ахароспирты ( 6 ), сорбит и маннит, не
принимают заметного участия в метаболиз­
ме здоровых животных.
Б. Д исахариды I
При образовании гликозидной связи между
аномерной гидроксильной группой одного
моносахарида и ОН-группой другого моно­
сахарида получается дисахарид. Поскольку
синтез природных дисахаридов с участием
ферментов строго стереоспецифичен, гликозидная связь может находиться только в
одной из возможных конфигураций (а или
р). Стереохимия гликозидной связи не мо­
жет изменяться за счет мутаротации.
В м альтозе (1), образующейся при рас­
щеплении крахмала под действием амилаз
солода (см. с. 142), аномерная ОН-группа
одной молекулы глюкозы связана а-гликозидной связью с С-4 второй молекулы глю­
козы.
Л актоза (молочный сахар, 2) является
важнейшим углеводным компонентом моло­
ка млекопитающих. В коровьем молоке со­
держится до 4,5% лактозы, в женском моло­
ке —* до 7,5%. В молекуле лактозы аномер­
ная ОН-группа остатка галактозы связана (5гликозидной связью с С-4 остатка глюкозы.
Поэтому молекула лактозы вытянута и оба
пиранозных цикла лежат примерно в одной
плоскости.
В растениях сахароза (3) служит раство­
римым резервным сахаридом, а также той
транспортной формой, которая легко пере­
носится по растению. Человека сахароза
привлекает своим сладким вкусом. Источни­
ком сахарозы служат растения с высоким
содержанием сахарозы, такие, как сахарная
свекла и сахарный тростник. Мед образует­
ся при ферментативном гидролизе цветоч­
ного нектара в пищеварительном тракте
пчелы и содержит примерно равные количе­
ства глюкозы и фруктозы. В сахарозе обе
аномерные ОН-группы остатков глюкозы и
фруктозы связаны гликозидной связью и,
следовательно, сахароза не относится к
восстанавливающим сахарам.
М оно- и дисахариды
(Т ) Альдозы
Кетозы
|>рибоза (Р|Ь)
ь-арабиноза (Ага)
О-ксилоза (ХуО
1611
нТ— о
н
45
К он
но*'
он он
Пентозы
о глюкоза (61с)
Я ^Н т
н>~он
н
с^он
У§|Й!Г
и ,— ° \
н >~он
сърибулоза (РиЬ)
он
н
оманноза (Мал)
он
он
СН-ОН
н
-с -о н
г
сн2он
он
он
й-фруктоза (Рги)
й-галактоза (<3а1)
с^он
носн.
он
он
но
он
но
н
ОН
Н
Н
Н
Н
н -с-о н
он
Дезоксиальдозы
Ьфукоза (Рис)
н
Н
Н
м
н
ОН
н
н
ьидуроновая
кислота
(ЮиУА)
о-маннит
с^он
Ъш
н
он
н ны -с-сн
но
он
н ны-с-сн,
о-сорбит
но-с-н
но-с-н
н
К~ОН
Сахароспирты
9 с^он
н
он
нм-с-сн.
1Ч-ацетилнейрами
новая кислота
(МеиАс)
Кислые моносахариды
н
V
н
но
он
в соо®
но 1------ о
о
н
но
н
н
носн,
он
НО
но
он
с н 2он
Л/-ацетил-о-глюкоз- N -ацетил-о-галактоз
амин (в)с№\с)
амин (6а1ЫАс)
носн,
он
н
/
(4) Ацетилированные аминосахара
2-дезоксиР-рибоза (с!Р|Ь)
сылюкуроновая
кислота
(<31с11А)
НХ—
1
С^ОН
Гексозы
он
он
н
он
А . В а ж н е й ш и е п р е д с та в и те л и м о н о с а х а р и д о в
СНзОИ
о^ои
сн2он
Н
он
НО
а
н он
н он
1. Мальтоза,
а-о-глюкопиранозил(1-**4)-о-плюкопиранозид
Б. Д исахариды
сн,он
ен^он
сн,он
н ---о н
но
и
ОН
он
н
НО
Н
ОН
Н
ОН
2. Лактоза,
р-о-галактопиранозил(1 4)-о-гл ю копиранозид
Н
Н\4 1
а
он
н
о
см,он
ОН
н
3. Сахароза,
а-о-глю копиранозил(1 < > 2)-р-о-ф руктопиранозид
46
Биомолекулы. Углеводы
Полисахариды
Полисахариды широко распространены в
природе. По функциональным свойствам
они подразделяются на три группы. Струк­
турные полисахариды придают клеткам,
органам и целым организмам механическую
прочность. Водорастворимые полисаха­
риды высоко гидратированы и предохраня­
ют от высыхания клетки и ткани. Наконец,
резервные полисахариды служат энерге­
тическим ресурсом, из которого по мере не­
обходимости в организм поступают моноса­
хариды, являющиеся клеточным “топливом”.
Благодаря полимерной природе резервные
полисахариды осмотически неактивны и по­
этому могут накапливаться в клетках в боль­
ших количествах.
А. Структура полисахаридов I
Полисахариды, построенные из моносахаридных звеньев одного типа, называются гомогликаны, а построенные из различных
моносахаридных звеньев — гетерогликаны. Оба полимера могут быть линейными
или разветвленными.
В качестве примера разветвленного гомогликана здесь представлен фрагмент мо­
лекулы гликогена. Похожее строение имеет
амилопектин, разветвленный компонент
растительного крахмала (см. с. 48). Оба по­
лимера построены в основном из остатков
глюкозы, связанных в положении а(1 —>4). В
гликогене точки ветвления располагаются в
среднем через каждые 8 -10 остатков глюко­
зы. Связи в точках ветвления находятся в по­
ложении а ( 1 -» 8 ), остальные остатки боковой
цепи связаны в положении а(1—>4). За счет
этого образуется разветвленная, древовид­
ная структура, в которой имеется только од­
на аномерная ОН-группа, т.е. только один
восстанавливающий конец (см. с. 158).
Сложную структуру имеет линейный гетерогликан муреин, который в качестве струк­
турного полисахарида придает прочность
клеточным стенкам бактерий. На схеме при­
веден только один сегмент этой нитевидной
молекулы. В муреине чередуются остатки
двух различных моносахаридов, связанных в
положении р( 1—>4): Ы -ацетилглюкозамина
(©1сМГАо) и характерной для муреина Ы-ацетилмурамовой кислоты (МигЫЛс). Послед­
няя является простым эфиром молочной ки­
слоты с М-ацетилглюкозамином. в клеточ­
ной стенке карбоксильная группа молочной
кислоты связана амидной связью с пепти­
дом (на схеме показан условно), который
соединяет отдельные цепи муреина в трех­
мерную сетчатую структуру (на схеме не
приведена).
Б. Важнейш ие представители
полисахаридов I
Данные таблицы дают представление о вза­
имосвязи и сходстве ранее упомянутых гликанов с теми, которые обсуждаются в насто­
ящем разделе.
Наряду с муреином к бактериальным по­
лисахаридам принадлежит декстран, поли­
мер глюкозы, связанной преимущественно
в положении а ( 1 —>6 ), а в точках ветвления в
положении а(1->3). В воде декстран образу­
ет вязкие слизи или гели, из которых путем
введения поперечных связей получают гид­
рофильные сорбенты для разделения мак­
ромолекул методом молекулярно-ситовой
хроматографии (см. с. 84). Растворимый
декстран находит применение в качестве за­
менителя плазмы при переливании крови, а
также используется как пищевой продукт.
Полисахариды из водорослей (например,
агарозы и каррагенаны) находят широкое
применение как желирующие вещества.
Агарозы более 100 лет используются в мик­
робиологии как гелевая основа питательных
сред (агар-агар).
Крахмал, важнейший резервный полиса­
харид растений и компонент клеточных сте­
нок, более подробно обсуждается в следу­
ющем разделе. Инулин, полимер фруктозы,
используется как заменитель крахмала в
питании диабетиков (см. с. 162). Кроме то­
го, он служит контрольным веществом при
определении почечного клиренса (см. с.
314).
Хитин, гомополимер из N-ацетилглюкозамина, связанного в положении р(1—>4), —
основной компонент наружного скелета на­
секомых и панцыря ракообразных. Кроме
того, хитин входит в состав клеточных сте­
нок мицелия грибов.
Гпикоген, важнейший резервный полиса­
харид животного мира, содержится в печени
и мышцах (см. сс. 158, 328). Синтез и рас­
щепление гликогена контролируется гормо­
нами (см. с. 12 2 ).
Полисахариды
47
гликоген
(разветвленный
гомополимер)
восстанавли
вающийся
н
ЫНСОСНо 1 н
ЫНООСН,
н
ы н со сн,
/ н
м н со сн
муреин
(линейный
гетерополимер)
пептид
А. С тр уктур а п о л и с а х а р и д о в
Поли­
сахарид
М оно­
сахарид 1
М оно­
сахарид 2
Тип
связи
Тип
связи в
точках
ветвле­
ния
Источник
Ф ункция
Б актерии
М уреин
Д екстран
Р-61сМАс
Клеточные стенки
Слизи
0-6!с
Растения
Агароза
Каррагенан
Красные водоросли
(агар)
Красные водоросли
Целлюлоза
Ксилоглюкан
Клеточные стенки
Клеточные стенки
Красные водоросли
(гемицеллюлоза)
Клеточные стенки
(пектин)
Амилопласты
Амилопласты
Запасающие клетки
Арабинан
Амилоза
Амилопектин
Инулин
1_-Ага
0-(а1с
р-61с
й-Рги
Ж ивотные
Хитин
О-ЩеЫАс
Гпикоген
й-61с
Гиалуроновая 0-61с1)А
кислота
0-61сМАс
Насекомые, рако
образны е
Печень, мышцы
Соединительны
ткани
;сп - структурны й полисахарид; рп = резервны й полисахарид;
вр = водорастворимы й полисахарид. ы-Ацетилмураминовая кислота; 8) 3,6-ангидро
галактоза.
Б. Важнейшие представители полисахаридов
48
Биомолекулы. Углеводы
Растительные полисахариды
Среди полисахаридов наиболее важными
являются два полимера глюкозы раститель­
ного происхождения: целлю лоза, в которой
остатки глюкозы связаны в положении
р( 1 _>4 ), и крахм ал, в котором основной тип
связи а ( 1-»4).
А. Целлю лоза О
Целлюлоза, линейный гомогликан постро­
енный из остатков глюкозы, связанных в по­
ложении Р(1—>4), является самым распро­
страненным органическим соединением. В
клеточных стенках растений целлюлоза со­
ставляет 40-50% , а в таком важнейшем сы­
рье, как хлопковое волокно, — 98%. Молеку­
лы целлюлозы содержат не менее 10 остат­
ков глюкозы [мол. масса (1—2) • 10 Д а] и мо­
гут достигать в длину 6-8 мкм.
Природная целлюлоза обладает высокой
механической прочностью , устойчива к хи­
мическому и ферментативному гидролизу.
Эти свойства связаны с конформацией мо­
лекул и особенностями надмолекулярной
организации. Неразветвленные связи типа
Р(1 _»4 ) приводят к образованию линейных
цепей, которые стабилизированы внутри- и
межцепочечными водородными мостиками
(1). Уже в процессе биосинтеза ассоциаты
из 10 -10 0 молекул объединяются в эл е м е н ­
тарны е ф ибриллы диаметром около 4 нм.
Примерно 20 таких элементарных фибрилл
формируют м икроф ибриллу (2 ), которая
видна под электронным микроскопом.
Целлюлозные микрофибриллы образуют
основной каркас первичной оболочки рас­
тущих растительных клеток (3). Здесь они
образуют сложную сетку в комплексе с дру­
гими полисахаридами. Связанные сахариды
включают гем ицеллю лозу — смесь преи­
мущественно нейтральных гетерогликанов
(ксилана, ксилогликана, галактана и др.). Ге­
мицеллюлоза ассоциирует с целлюлозными
фибриллами за счет нековалентных связей.
Эти комплексы связываются с нейтральны­
ми и кислыми пектинам и, построенными в
основном из галактуроновй кислоты. Нако­
нец, в образовании первичной оболочки
принимает участие коллагеноподобный бе­
лок экстенсии.
Высшие животные не могут усваивать
целлюлозу, однако целлюлоза представляет
интерес как инертный наполнитель (см. с.
261), У многих травоядных (например, у
жвачных животных) в желудочно-кишечном
тракте содержатся симбиотические бакте­
рии, способные расщеплять целлюлозу и
тем самым переводить ее в форму, полез­
ную для организма хозяина.
Б. Крахмал О
Крахмал, ш ироко распространенный р е ­
зервны й полисахарид растений, является
наиболее важным углеводным компонентом
пищевого рациона. В растениях крахмал со­
держится в хлоропластах листьев, плодах,
семенах и клубнях. Особенно высоко содер­
жание крахмала в зерновых культурах (до
75 % от сухой массы), клубнях картофеля
(примерно 65%) и других запасающих час­
тях растений.
Крахмал откладывается в форме микро^
скопических гранул в специальных органеллах, ам илопластах. Крахмальные гранулы
практически не растворяются в холодной во­
де, однако они сильно набухают в воде при
нагревании. При продолжительном кипяче­
нии примерно 15-25% крахмала переходит в
раствор в виде коллоида. Этот «раствори­
мый крахмал*» носит название амилоза. Ос­
тальная часть, амилопектин, не растворяется
даже при очень длительном кипячении.
А м и л о за состоит из неразветвленных
цепей, включающих 200-300 остатков глю­
козы, связанных в положении а(1-»4). Бла­
годаря а-конфигурации при С-1, цепи обра­
зуют спираль, в которой на один виток при­
ходится 6-8 остатков глюкозы (1). Синяя ок­
раска растворимого крахмала при добавле­
нии иода (иод-крахмальная реакция) связа­
на с присутствием такой спирали. Атомы ио­
да образуют цепочку вдоль оси спирали и в
этом преимущественно неводном окруже­
нии приобретают темно-синю ю окраску.
Сильно разветвленные полисахариды, та­
кие, как амилопектин или гликоген, окраши­
ваются в присутствии иода в коричневый
или красно-коричневый цвет.
В отличие от амилозы практически нерас­
творимый в воде ам илопектин имеет раз­
ветвленную структуру. В среднем один из
20-25 остатков глюкозы содержит боковую
цепь, присоединенную в положении а ( 1 -» 6 ).
При этом формируется древовидная струк­
тура, в которой, как и в амилозе, имеется
лишь одна свободная аномерная ОН-группа.
Молекула амилопектина может включать
сотни тысяч остатков глюкозы, и иметь мо­
лекулярную массу порядка 108 Да.
Растительные полисахариды
49
50
Биомолекулы. Углеводы
Гликозаминогликаны и
гликопротеины
А. Гиалуроновая кислота О
Гликозаминогликаны, группа кислых гетеро­
полисахаридов, в качестве структурных эле­
ментов протеогликанов являются важным
компонентом межклеточного матрикса (см.
с. 336).
Ч
В качестве типовых структурных блоков
гл ико зам иногл иканы содержат аминосахара, такие, как глюкуроновая или идуроновая кислоты. Большинство полисахаридов
этой группы в различной степени этерифицировано остатками серной кислоты, кото­
рые усиливают их кислотные свойства. Гли­
козаминогликаны присутствуют в организме
позвоночных как в свободном виде, так и в
составе протеогликанов.
Гиалуроновая ки с л о та , относительно
простой неэтерифицированный гликозаминогликан, построена из дисахаридных
звеньев, состоящих из N-ацетилглю козамина и глюкуроновой кислоты, соединенных в
I
_______ШШ ,3(1->3).
Повторяющиеся звенья
связаны в положении Р( 1—>4). Благодаря
присутствию Р(1-»3)-связей молекула гиалуроновой кислоты, насчитывающая несколь­
ко тысяч моносахаридных остатков, прини­
мает конформацию спирали. На один виток
спирали приходится три дисахаридных бло­
ка. Локализованные на внешней стороне
спирали гидрофильные карбоксильные
группы остатков глюкуроновой кислоты мо­
гут связывать ионы Са2+. За счет сильной
гидратация этих групп гиалуроновая кисло­
та и другие гликозаминогликаны при обра­
зовании гелей связывают 10 000-кратный
объем воды. Гиалуроновая кислота выпол­
няет функцию стабилизатора геля в стекло­
видном теле глаза, которое содержит всего
1% гиалуроновой кислоты и на 98% состоит
из воды.
Б. О лигосахарид из
иммуноглобулина 1дС О
Многие белки внешней стороны плазмати­
ческих мембран и большинство секретируемых белков содержат олигосахаридные це­
пи, которые синтезируются в процессе
посттрансляционной модификации в эндоплазматическом ретикулуме и в аппарате
Гольджи (см. с. 226). Цитоплазматические
белки, напротив, редко бывают гликозилированы. Гликопротеины могут содержать
до 50% углеводов, но, как правило, в моле­
куле преобладает белковая часть.
В качестве примера на схеме представлена
структура олигосахарида имммуноглобулина
1дО (см. с. 288). Олисахарид связан Ы-гликозидной связью с амидной группой остатка ас­
парагина в Ре-области тяжелой цепи белка.
Функция олигосахарида не установлена.
В молекуле олигасахарида имеется Т-образный базовы й ф рагм ент (кор) из двух
остатков N-ацетилглюкозамина и трех ос­
татков м аннозы (на схеме фиолетового
цвета). Наличие такого фрагмента характер­
но для всех Ы-гликозидных олигосахаридов.
Кроме того, в молекуле содержится еще два
остатка М-ацетиглюкозамина, по одному ос­
татку фукозы и галактозы. В гликопротеинах
встречаются самые разные типы ветвлений.
В приведенной структуре наряду со связью
р( 1 _»4 ) имеется связь р( 1 -> 2 ), а также мос­
тики в положении а(1-»3) и а(1-»6).
В. Различные типы олигосахаридов
в гликопротеинах I
В некоторых гликопротеинах наряду с Ыгликозидными олигосахаридами (по остатку
аспарагина) встречаются, хотя и не столь
часто, олигосахариды, связанные О -гликозид но й связью (с гидроксильной группой
остатков серина и треонина).
Различают два типа 1М-гликозидсвязанных
олигосахаридов, которые синтезируются по
различным механизмам. При гликозилировании в эндоплазматическом ретикулуме к
апобелку вначале присоединяется олигоса­
харид, включающий приведенный на схеме
кор с шестью дополнительными остатками
маннозы и тремя концевыми остатками глю­
козы (см. с. 226). При отщеплении от пер­
вичного олигосахарида остатков глюкозы
образуется простая форма олигосахарида
(обогащ енного оста тка м и м аннозы ). При
этом к олигосахариду не присоединяются
другие типы моносахаридов. Отщепление
остатков маннозы с заменой на другие мо­
носахариды приводит к образованию слож­
ного (ко м пл е ксн о го ) олигосахарида, кото­
рый представлен на схеме справа. В комп­
лексных олигосахаридах часто содержатся
концевые остатки N-ацетилнейраминовой
кислоты, которые придают им отрицатель­
ный заряд.
Глюкозаминогликаны и гликопротеины
51
носн
носн
инсосн
ННСОСНз
ынсосн
дисахаридное звено
[ —►3)-|3-0-(31сМАс-(1 —►4)-р-0-С1с11А-(1 - * 4 ] п
А . Г и ал уроновая ки с л о т а
С)-(а1сЫАс
иосн
строение
базового
ф рагмента
(кора)
мнсоск,
н Ы -гликозидная
Я связь
ОбнсМАс
ынсосн>
н
Н
№ ВЭЩ
Н
Э-Мап
0-6!сМ Ас
н
ЫНСОСНз сн
О-СНсЫАс
I
Б. О л и го с а х а р и д и в и м м у н о гл о б у л и н а 1дС
О -гликозидный
олигосахарид
1М-гликозидные
олигосахариды
МеиАс
МеиАс
МеиАс
МеиАс
6ЮМАС
Ж
>
Я
И
Р
Ц
^
' ‘
Азп I V
1
1
р
ч
обогащ енный маннозой
В . Р а зл и ч н ы е ти п ы о л и го с а х а р и д о в в гл и ко п р о т е и н а х
м
о
л
Авп ^ \б е л к а
'в
к
у
л
сложный (комплексный)
а
52
Биомолекулы. Липиды
Липиды
А. Классификация липидов I
Липиды — большая группа веществ биоло­
гического происхождения, хорошо раство­
римых в органических растворителях, таких,
как метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В
то же время эти вещества нерастворимы
или мало растворимы в воде. Слабая рас­
творимость связана с недостаточным со­
держанием в молекулах липидов атомов с
поляризующейся электронной оболочкой,
таких, как О, N. 5 или Р (см. с. 14).
Липиды подразделяются на омыляемые и
неомыляемые. Из огромного множества ли­
пидов здесь приведены лишь некоторые
представители. Отдельные классы липидов
обсуждаются в последующих разделах.
О мыляемые липиды . Структурные ком­
поненты омыляемых липидов связаны слож­
ноэфирной связью. Эти липиды легко гидро­
лизуются в воде под действием щелочей или
ферментов. Омыляемые липиды включают
три группы веществ: сложные эфиры, ф ос­
фолипиды и гликолипиды. В группу сложных
эфиров входят нейтральные жиры (глице­
рин+три жирные кислоты), воски (жирный
спирт+жирная кислота) и эфиры стеринов
(стерин+жирная кислота). Группа фосфоли­
пидов включает фосфатидовые кислоты
(глицерин+две жирные кислоты+фосфатная
группа), фосфатиды (глицерин+две жирные
кислоты+фосфатная группа+спирт) и сфинголипиды (сфингозин+жирная кислота+фосфатная группа+спирт). К группе гликолипи­
дов относятся цереброзиды (сф инго­
зин+жирная кислота+один углеводный оста­
ток) и ганглиозиды (сфингозин+жирная кислота+несколько углеводных остатков, в том
числе нейраминовая кислота).
Группа неом ы ляем ы х липид ов включа­
ет предельные углевороды и каротиноиды, а
также спирты. В первую очередь это спирты
с длинной алифатической цепью, цикличе­
ские стерины (например, холестерин) и сте­
роиды (эстрадиол, тестостерон и др.). Важ­
нейшую группу липидов образуют жирные
кислоты. К этой группе относятся также эйкозаноиды, которые можно рассматривать
как производные жирных кислот (см. с. 376).
Б. Биологические функции
липидов #
1. М а кр о эр ги че ски е вещ ества. Липиды
— наиболее важный из всех питательных ве­
ществ источник энергии (см. с. 349). В коли­
чественном отношении липиды — основной
энергетический резерв организма. В основ­
ном жир содержится в клетках в виде жиро­
вых капель, которые служат метаболиче­
ским «топливом». Липиды окисляются в ми­
тохондриях до воды и диоксида углерода с
одновременным образованием большого
количества АТФ (АТР) (см. с. 127).
2. С труктурны е б л о ки . Ряд липидов при­
нимает участие в образовании клеточных
мембран (см. с. 217). Типичными мембран­
ными липидами являются фосфолипиды,
гликолипиды и холестерин. Следует отме­
тить, что мембраны не содержат жиров.
3. И золирую щ ий м атериал. Жировые
отложения в подкожной ткани и вокруг раз­
личных органов обладают высокими тепло­
изолирующими свойствами. Как основной
компонент клеточных мембран липиды изо­
лируют клетку от окружающей среды и за
счет гидрофобных свойств обеспечивают
формирование мембранных потенциалов
(СМ. С. 341).
4 . Прочие ф ункции л и пи д о в. Некото­
рые липиды выполняют в организме специ­
альные функции. Стероиды, эйкозаноиды и
некоторые метаболиты фосфолипидов вы­
полняют сигнальные функции. Они служат в
качестве гормонов, медиаторов и вторичных
переносчиков (мессенджеров) (см. с. 358).
Отдельные липиды выполняют роль «якоря»,
удерживающего на мембране белки и дру­
гие соединения (см. с. 230). Некоторые ли­
пиды являются кофакторами, принимающи­
ми участие в ферментативных реакциях, на­
пример, в свертывании крови (см. с. 282)
или в трансмембранном переносе электро­
нов (см. с. 128). Светочувствительный каротиноид ретиналь играет центральную роль в
процессе зрительного восприятия (см. с.
347). Поскольку некоторые липиды не синте­
зируются в организме человека, они должны
поступать с пищей в виде незаменимых жир­
ных кислот и жирорастворимых витаминов
(см. с. 353).
(К
Липиды
53
Омыляемые липиды
Простые эфиры
жиры
воски
эфиры стеринов
Неомыляемые липиды
; Углеводороды
Балканы
I каротиноиды
Ф осф олипиды н.с-0-р-в
фосфатидовые
от
кислоты
|
фосфатиды
сфинголипиды
Спирты
длинноцепочечные
спирты
стерины
стероиды
СООН
Кислоты
жирные
кислоты
эйкозаноиды
Гликолипиды
цереброзиды
ганглиозиды
А . К л а с с и ф и ка ц и я л и п и д о в
глицерин
жирные
кислоты
цитоплазма
мембрана
АРР+Р
фосфо
липид
митохондрия
С 02
н 20
1. М акроэргические вещ ества
липидныи
бислой
2. Структурные блоки
сигнальное
вещ ество
клетка
3. Изолирующ ий материал
^
Б. Б и о л о ги ч е с ки е ф у н кц и и ли
коф актор
мембранный
"якорь”
*■
зрительный
пигм ент
4. Прочие ф ункции липидов
54
Биомолекулы. Липиды
Жирные кислоты и нейтральные
жиры
А. Карбоновые кислоты •
Ж ирны ми кислотам и называются карбо­
новые кислоты с углеводородной цепью не
менее 4 атомов углерода. Они присутствуют
в организмах всех видов в виде сложных
эфиров (например, с глицерином и холесте­
рином) и служат структурными элементами
жиров и мембранных липидов. Свободны е
ж ирны е кислоты (сокращенно СЖК) при­
сутствуют в организме в небольших количе­
ствах, например в крови.
/
В таблице приведен ряд алифатических
карбоновых кислот, обнаруженных в расти­
тельных и животных тканях. В высших растени­
ях и животных содержатся главным образом
жирные кислоты с длинной и неразветвленной
цепью из 16 и 18 углеродных атомов, а именно
пальмитиновая и стеариновая. Все длинноце­
почечные природные жирные кислоты состоят
из четного числа углеродных атомов, что обу­
словлено биосинтезом этих соединений из Сгпредшественников (см. с. 171).
Многие жирные кислоты имеют одну или
несколько двойных связей. К наиболее рас­
пространенным ненасыщенным кислотам
относятся олеиновая и линолевая. Из двух
возможных ци с- и транс-конф игураций
двойной связи (см. с. 17) в природных липи­
дах присутствует лишь цис-форма. Разветв­
ленные жирные кислоты встречаются только
в бактериях. Для обозначения жирных кис­
лот иногда применяют сокращенные назва­
ния, где первая цифра означает число угле­
родных атомов, вторая цифра указывает
число двойных связей, а последующие — по­
ложение этих связей. Как обычно, нумера­
ция атомов углерода начинается с наиболее
окисленной группы (карбоксигруппа = С-1).
Для этих целей используются также буквы
греческого алфавита (а = С-2, (3= С-3, со= по­
следний С-атом).
На схеме приведено полное строение ка­
проновой кислоты. Молекула в целом неполяр­
на, исключение составляет карбоксигруппа.
ш
К н е за м е н и м ы м ж ир ны м кислотам от­
носятся те из них, которые не синтезируют­
ся в организме и должны поступать с пи­
щей. Речь идет о сильно ненасыщенных ки­
слотах,
в
частности
арахидоновой
(20:4;5,8,11,14), линолевой (18:2;9,12) и ли*
ноленовой (18:3;9,12,15). Арахидоновая ки­
слота является предшественником эйкозаноидов (простагландинов и лейкотриенов)
(см. с. 376) и поэтому обязательно должна
присутствовать в пищевом рационе. Лино­
левая и линоленовая кислоты, имеющие
более короткую углеродную цепь, могут
превращаться в арахидоновую за счет нара­
щивания цепи, и, следовательно, являются
ее заменителями.
Б. Структура жиров •
Ж ирам и называются сложные эфиры трех­
атомного спирта глицерина и жирных кис­
лот. Соединения с одним остатком жирной
кислоты относятся к группе моноацилглицеринов. Путем последующей этерификации
этих соединений можно перейти к диацил- и
далее к триацилгицеринам (устаревшее на­
звание триглицериды). Так как молекулы
жиров не несут заряда, эту группу веществ
называют нейтральными жирами. Углерод­
ные атомы глицерина в молекулах жиров не
эквивалентны. При введении одного замес­
тителя в группу СНгОН центральный атом уг­
лерода становится асимметрическим. Для
указания положения заместителей пользу­
ются 5п-системой стереоспецифической ну­
мерации атомов углерода [зп от англ.
8(егео-8рес№с питЬеппд).
Три остатка жирной кислоты могут разли­
чаться как по длине цепи, так и по числу
двойных связей. Жиры, экстрагированные
из биологического материала, всегда пред­
ставляют собой смесь близких по свойствам
веществ, различающихся только остатками
жирных кислот. В пищевых жирах чаще все­
го содержатся пальмитиновая, стеариновая,
олеиновая и линолевая кислоты. Остатки не­
насыщенных жирных кислот обычно нахо­
дятся в положении зп-С -2 глицерина.
Жирные кислоты и нейтральные жиры
Тривиальное Число С-атомов
название
----------------
Муравьиная
1: О
Уксусная
2: О
Пропионовая
3: О
Масляная
4: О
55
Число двойных
связей
Положение двойных связей
в липидах не
встречается
Валериановая 5: О
Капроновая
6: О
Каприловая
8: О
Каприновая
10: О
Лауриновая
12: 0
НООС - С К ,- С Н о - с н 0- с н 0- с н
М иристиновая 14: О
Пальмитиновая 16: 0
Стеариновая
18: 0
Олеиновая
18: 1; 9
Линолевая
18: 2; 9,12
Линоленовая
18: 3; 9,12,15
Арахиновая
20: 0
Арахидоновая 20: 4; 5,8,11,14
Бегеновая
22: 0
Эруковая
22: 1; 13
Лигноцериновая 24: 0
Нервоновая
24: 1; 15
незаменимые жирные кислоты
(для человека)
_________
А. Карбоновые кислоты
образование
сложноэфирной связи
глицерин
моноацилглицерин
хиральныи центр
триацилглицерин
(ж ир)
диацилглицерин
жирные кислоты
индекс зп
глицерин
ацил 1
вандерваальсова
модель молекулы
триацилглицеринов
Б.Структура жиров
ацил 2
ацил 3
вращение вокруг
связи С-С
56
Биомолекулы. Липиды
Фосфолипиды и гликолипиды
А. Структура жиров,
фосфолипидиов и гликолипидов I
Как уже отмечалось, ж ирам и (1) называют­
ся сложные эфиры глицерина с тремя остат­
ками жирных кислот (см. с. 54); в клетках жи­
ры присутствуют в форме жировых капель.
[Ф осф олипиды (2) служат главными компонентами^биологических мембран ((см. сс.
216-219). И* общим отличительным призна­
ком является наличие остатка фосфорной
кислоты, который образует сложноэфирную
связь о^гидроксильной группой 8П-С-3 глицерина. Поэтому фосфолипиды по крайней
мере в нейтральной области рН несут отри­
цательный заряд.
^Наиболее простая фоома фосфолипидов,
фосфатидовые кислоты Л являются фосфомоноэфирами диацилглицерина} /Фрсфёггидовые кислоты 7- важн еишиэчюедшерт^ен.ники 1 в биосинтезе >жиров и ' фосфояигЫдор]
(см. с. 173). Фосфатидовые кислоты могут
быть получены из фосфоглицеридов с помощью фосфолипаз.
^Фосфатидовая кислота (остаток фосфатидил-) служит исходным веществом для
синтеза других фосфолипидов^ Остаток фо­
сфорной кислоты может образовывать
сложноэфирную связь с гидроксильными
группами аминоспиртов (холин, этаноламин
или серии) или полиспиртов (миоинозит). В
качестве примера здесь приведен фосфатидилхолин. При взаимодействии с глицерином
двух остатков фосфатидовой кислоты обра­
зуется дифосфатидилглицерин (кардиолипин, на схеме не приведен) — фосфоли­
пид внутренних мембран митохондрий. Лизофосфолипиды образуются из фосфатидо­
вой кислоты при ферментативном отщепле­
нии одного из ацильных остатков и присут­
ствуют, например, в пчелином и змеином
яда.
I Фосфатидилхолин (лецитин) — широко
распространенный фосфолипид клеточных
мембран. В фосфатидилэтаноламине (кефалине) вместо остатка холина содержится
этаноламин, в фосфатидилсерине — оста­
ток серина, в фосфатидилинозите — остаток
циклического
многоатомного
спирта
миоинозита.» Его производное — фосфати-
дилинозит-4,5-дифосфат — важный в функ­
циональном отношении компонент биологи­
ческих мембран. При ферментативном рас­
щеплении (фосфолипазой) он образует два
вторичных мессенджера (см. с. 375) — д иацилглицерин [ДАГ (РАО)] и ино зи т-1,4,5трифосфат [ИФз (1П8Р3)].
Наряду с отрицательно заряженной фос­
фатной группой в некоторых фосфолипидах,
например в фосфатидилхолине и фосфати­
дилэтаноламине, присутствуют положитель­
но заряженные группировки. За счет урав­
новешивания зарядов эти молекулы в целом
нейтральны. Напротив, в фосфатидилсери­
не один положительный и один отрицатель­
ный заряды имеются в остатке серина, а
фосфатидилинозит (без дополнительных
группировок) в целом заряжен отрицатель­
но за счет фосфатной группы.
Сф инголипиды в большом количестве
присутствуют _в мембранах клеток нервной
ткани и мозгемПо строению эти соединения
несколько отличаются от обычных фосфоли­
пидов (глицероф осф олипидов). ^Ф ункции
глицерина в них выполняет аминоспирт с
длинной алифатической цепью — сфингозин. Производные сфингозина, ацилированного по аминогруппе остатками жирных кис­
лот, называются церамидами (3). Церамиды
являются предшественниками сфинголипидов, в частности сфингомиелина (церамид1-фосфохолина), важнейшего представите­
ля группы сфинголипидов.
Г л икол ипид ы (3) содержатся во всех
тканях, главным образом в наружном ^ п и д ном слое плазматических мембран} Глико­
липиды построены из сфингозина, остатка
жирной кислоты и олигосахарида! Заметим,
что в них отсутствует фосфатДЗя группа. К
наиболее простым представителям этой
группы веществ относятся галактозилцерамид и глюкозилцерамид (так называемые
цереброзидым Соединения с сульфогруппой на углеводных остатках носят название
сульфатидов. Ганглиозиды — представите­
ли наиболее сложно построенных гликоли­
пидов,1Они представляют большое семейст­
во МБКлбранных липидов, выполняющих, повидимому, рецепторные функции. Характер­
ной особенностью ганглиозидов является
наличие остатков Ы-ацетилнейраминовой
кислоты (сиаловая кислота, см. с. 45).
Фосф олипиды и гликолипиды
57
о
С
С
н
с -о -с н
X
XI
о.
ацил 2 ^ Ц
5
ацил 3 ) Е
-о -с -н
и2с-о
жир
сн,
II
фI л
(С Н ^ — N —СН3
ш
Р-0
сн.
фосфатид
(фосфатидилхо л и н,
лецитин)
1. Жиры
С
о
X
ацил V)
а
а>
СОО°
СНд
2©
Н О -С Н г-С Н г ® И - СН,
X
ацил 5
а
а>
ацил 2 ) х
с:!
серии
н
НО—СНз—с н 2 - !ЧНа
аминоспирт или
сахароспирт
он
ш Гн
н он
миоинозит
этаноламин
ацил
1 3
0
© аминоспирт или
сахароспирт
XI
2,
а
а)
цк
аминоспирт или
сахароспирт
-
сфингофосфолипид
(
он
он
А——
он
н \|
н
НО
Г
сфингозин
НО - СН, - СН - NN.
холин
кислоты
т
©
СНз
фосфатидовые
фосфатиды
I
лизофосфолипид
о
ацил
И|
о
СН,
-:
@
1
Н
-С
—СН.
н
О-Р-О^СН^ — 1Ч -С Н
1
I
СН,
^С"н'чОН
сфингозин
©
&
холин
н ШаН
сфингомиелин
2. Фосф олипиды
ацил
сТ|
ацил
сфингозин
^
зс |
сфингозин
сахар
церамид
сульфатид
сфингозин
ацил
С ацил}
сфингозин
сфингозин
|
(сахару
цереброзид (галактозил- или гликозилцерамид)
3. Гликолипиды
ганглиозид 0 М1* к к ™
А.Структура жиров, фосфолипидов и гликолипидов
58
Биомолекулы. Липиды
Изопреноиды
А . А цетил-К оА как предш ественник
липидов •
Различные группы липидов, присутствую­
щие в животных и растительных тканях, тес­
но связаны биогенетически: все они про­
изошли от одного предшественника — ацетилкоф ерм ента А [ацетил-КоА (ацетилСоА)], представляющего собой активиро­
ванную форму уксусной кислоты (см. с.
113).
1. От ацетил-КоА основной путь биосин­
теза ведет к активированным жирным кисло­
там (подробнее см. с. 171), из которых затем
синтезируются жиры, фосфолипиды, глико­
липиды и другие производные жирных кис­
лот. В количественном отношении этот путь
является главным в животных и в большин­
стве растительных тканей.
2. Второй путь биосинтеза ведет от ацетил-КоА к 3-изопентенилдифосфату («актив­
ном у изопрену»), главному структурному
элементу изопреноидов. Биосинтез этого
соединения обсуждается в связи с биогене­
зом холестерина (см. с. 175)
Б. И зопреноиды О
Основным биогенетическим предшествен­
ником всех изопреноидов является изопрен
(2-метилбутадиен-1,3) — разветвленный не­
насыщенный углеводород из пяти углерод­
ных атомов. В организмах животных и в рас­
тениях активный изопрен, 5-изопентенилдифосфат, служит исходным соединением для
биосинтеза линейных и циклических олиго­
меров и полимеров. У приведенных на схеме
произвольно выбранных представителей
этого большого класса соединений внизу
(I =) указано число содержащихся в них изопреновых звеньев.
От активного изопрена главный путь био­
синтеза ведет через димеризацию к актив­
ному гераниолу (I = 2) (геранилдифосфату),
а затем к активному фарнезолу (I = 3) (фарнезилдифосфату). Здесь основной путь био­
синтеза терпенов разветвляется. Последо­
вательное наращивание цепи фарнезола
изопреновыми звеньями (по схеме «голова к
хвосту») приводит к полимерам с возраста­
ющим количествам изопреновых звеньев:
фитолу (I = 4), долихолу (1=14-24), наконец, к
каучуку (I = 700-5000). Альтернативный путь
— конденсация двух молекул фарнезола по
схеме «голова к голове» — приводит к сквалену (I = 6), который может подвергаться
окислительной циклизации с образованием
холестерина (I = 6) и других стероидов.
Способность синтезировать специфиче­
ские изопреноиды свойственна лишь от­
дельным видам животных и растений. Так,
натуральный каучук синтезируется лишь не­
многими видами растений, главным обра­
зом каучуконосом гевея бразильская (Яеуеа
ЬгазШепз/з). Некоторые изопреноиды игра­
ют важную роль в метаболизме, но не могут
синтезироваться в организме человека. К
этой группе относятся витамины А, О, Е и К.
И з-за структурного и функционального
сродства со стероидными гормонами вита­
мин й относят к гормонам (см. с. 63, 323).
Метаболизм изопрена в растениях весь­
ма многообразен. В растениях на основе
изопрена синтезируется множество души­
стых веществ и эфирных масел. В качестве
примера здесь приведены терпены ментол (I
= 2), камфора (I = 2) и цитронеллол (I = 2).
Соединения из трех изопреновых звеньев
(I = 3) называются сесквитерпенами, а сте­
роиды (I = 6) — тритерпенами.
Наиболее важной группой изопреноидов
являются соединения, обладающие гормо­
нальными и сигнальными функциями. К этой
группе относятся стероидные гормоны (1 = 6),
ретиноевая кислота (1 = 4) позвоночных, а
также ювенильные гормоны (1 = 3) насеко­
мых. К классу изопреноидов относятся так­
же некоторые растительные гормоны, на­
пример цитокинины, абсцизовая кислота и
брассиностероиды.
Полиизопреновые цепи иногда выступают
в роли липидного «якоря», с помощью кото­
рого молекулы белков или других соедине­
ний удерживаются на мембране. Группа коферментов с изопреноидным якорем вклю­
чает убихинон (кофермент О; I = 6-10), пластохинон (I = 9) и менахинон (витамин Кг, I =
4 -6 ). В молекуле хлорофилла также имеется
липидный якорь в виде остатка фитила (I =
4). Некоторые белки также удерживаются на
мембране благодаря наличию изопренильного фрагмента (см. с. 232).
Иногда изопреновая группа используется
для химической модификации соединений
других классов. В качестве примера можно
привести модифицированный нуклеотид N изопентенил-АМФ (ГМ6-изопентенил-АМР),
входящий в состав некоторых тРНК.
Изопреноиды
59
активированная
уксусная кислота
изопрен
-С
ацетил-СоА
активированная
активный изопрен
ацетил-СоА
5-изопентенилдиф осф ат
жиры
изопреноид
осф олипиды гликолипиды
А. Ацетил-СоА, как предшественник липидов
изопентенил-АМР*
камфора
активный изопрен
гераниол
ювенильныи
гормон
биосинтез только в
растениях и
микроорганизмах
структурный
элемент всех
изопреноидов
метаболиты,
модифицированные
изопренильной
фуппой \
фарнезол
линеиные
изопреноиды
сквален
ментол
► холестерин
ретиноевая кислота
фитол
каротиноиды
(витамин А)<
стероидные
гормоны,
желчные
кислоты,
стероидные
гликозиды
менахинон
долихол
1= 14-24
пластохинон
токоферол
(витамин Е)
каучук
I = 700 - 5
убихинон
филлохинон
(витамин КО
Б. Изопреноиды
циклические
изопреноиды
60
Биомолекулы. Липиды
Стероиды: структура
A. Базовая структура стероидов I
В основе молекул стероидов лежит структу­
ра полициклического насыщенного углево­
дорода эстрана, построенного из четырех
конденсированных углеродных колец. Мно­
гие стероиды содержат боковые углеводо­
родные цепи, как, например, приведенный
на схеме холестан, являющийся основой
многих стеринов (стероидных спиртов).
Б. Пространственная структура
стероидов О
Согласно принятой номенклатуре, четыре
кольца в молекуле стероидов обозначаются
заглавными буквами латинского алфавита А,
B, С, О. Благодаря тетраэдрической ориен­
тации валентностей атома углерода структу­
ра эстрана в целом не плоская, а складчатая.
Три возможные конформации циклогексана
носят названия «кресло», «ванна» и «скру­
ченная ванна» (твист-конформация, на схе­
ме не приведена). Наиболее часто встреча­
ются конформации кресла и ванны. Пятич­
ленные кольца часто принимают конформа­
цию «конверта». Отдельные алифатические
кольца легко переходят из одной конформа­
ции в другую даже при комнатной темпера­
туре. В молекулах стероидов такие перехо­
ды невозможны.
Заместители в стероидном коре могут
быть расположены в плоскости кольца (е —
экваториально) или почти перпендикулярно
плоскости (а — аксиально). Если в простран­
ственной модели заместители обращены к
наблюдателю (в двумерном изображении
над плоскостью), то такие связи обозначают
сплошной линией (р-положение). Если заме­
стители ориентированы от наблюдателя (в
двумерном изображении — под плоско­
стью), то такие связи изображают пунктир­
ной линией (а-положение). Так называемые
ангулярные метильные группы при С -10 и С13 всегда находятся в р - положении.
Соседние кольца А и В могут быть распо­
ложены в одной плоскости (транс-сочлене­
ние; 2) или располагаться под углом друг к
другу (цис-сочленение; 1). Форма сочлене­
ния зависит от положения заместителя (Н)
при общем углеродном атоме (С-5), кото­
рый может занимать цис- или гранс-положение по отношению к ангулярной метильной группе при С -10. Заместители в местах
пересечения отдельных колец обычно нахо­
дятся в транс-положении. По форме стеро­
идный кор напоминает плоский диск. Исклю­
чение составляют изогнутые под углом
вследствие цис-сочленения колец А и В мо­
лекулы экдистероидов и желчных кислот, а
также сердечных гликозидов и токсинов жаб.
Реальное представление о пространст­
венной структуре молекул стероидов дает
вандерваальсова модель холестерина (3).
Четыре кольца образуют жесткий каркас, к
которому присоединена относительно гиб­
кая боковая цепь.
Стероиды — сравнительно неполярные
(гидрофобные) соединения. Благодаря от­
дельным полярным группировкам, гидрокси- или оксогруппе, они могут проявлять
амфифильные свойства. Больше всего эти
свойства выражены у солей желчных кислот
(см. с. 307).
В.Тонкослойная хроматограф ия I
Тонкослойная хроматография (ТСХ) — эф­
фективный, преимущественно аналитиче­
ский, метод быстрого разделения липидов и
других низкомолекулярных веществ (амино­
кислот, нуклеотидов, витаминов, лекарст­
венных веществ). Исследуемый образец на­
носят на тонкий слой силикагеля, закреп­
ленный на пластинке из стекла, фольги или
пластика (1). Пластинку помещают в хрома­
тографическую камеру с небольшим количе­
ством растворителя. Под действием капил­
лярных сил фронт растворителя продвига­
ется по пластинке, увлекая вещества, при­
сутствующие в образце (2). Скорость про­
движения разделяемых веществ зависит от
распределения между неподвижной и под­
вижной фазами, т.е. между гидрофильным
силикагелем и неполярным растворителем.
Хроматографический процесс заканчивают
в тот момент, когда растворитель достигает
верхнего края пластинки. Слой силикагеля
высушивают, анализируемые вещества про­
являют на пластинке с помощью подходя­
щих красителей или в УФ-свете (3). Подвиж­
ность вещества в данной системе выражают
в виде величины Я?. Сравнивая полученные
значения В* с подвижностью контрольных
веществ (свидетелей), идентифицируют со­
единения, присутствующие в образце.
ОФ-ТСХ (обращенно-фазовая ТСХ) назы­
вается хроматография на неполярном (гид­
рофобном) сорбенте с помощью полярного
растворителя.
61
Стероиды: структура
ангулярные
метильные
группы
чх
эстран
20
18
27
24
22
21
25
23
26
16
холестан
разветвленная боковая
цепь из 8 углеродных
атомов
НО
А. Базовая структура
стероидов _______
двойная связь
в кольце В
(между С-5 и С-6)|
(^-гидроксильная
группа при С-3
Н и СН38 цис-положении
холестерин
СН
р-положение,
аксиальное
В-положение,
экваториаль­
ное
СН
В
“И
Н
холестанол
НО
Н
Н и СНдВ транс
положении
| ние,
]
| аксиальное]
кресло
ванна
конверт
Конформации колец
Б. Пространственная
структура стероидов
холестерин (вандерваальсова модель)
7
пластинка,
покрытая
тонким
слоем
силикагеля
анализи­
руемый
образец:
смесь
липидов
хроматогра
фическая
камера —
система
растворителей:
гексан: диэтиловый эфир:
муравьиная
кислота
80:80:2
( о
: о
: о
)
1. Нанесение образца
--------------------------
триацилгицерины
свободные
жирные
кислоты
холестерин
А
1,3- диацил1 2- глицери­
ны
моноацилглицерины
ТТ
старт
2. Проявление (разделение)
В.Тонкослойная хроматография
эфиры
холестерина
фронт *
раство­
рителя
ш яяк Ч
фосфолипиды
3. Обнаружение
62
Биомолекулы. Липиды
Стероиды: классификация
Три наиболее важные группы стероидов со­
ставляют стерины, желчные кислоты и сте­
роидные гормоны. Кроме того, к стероидам
относят соединения растительного происхо­
ждения, обладающие ценными фармаколо­
гическими свойствами: стероидные алкало­
иды, гликозиды дигиталиса (сердечные гликозиды) и стероидные сапонины.
А. Стерины I
Стеринами называются стероидные спирты.
Все стерины содержат р-гидроксильную
группу при С-3 и одну или несколько двой­
ных связей в кольце В и боковой цепи. В мо­
лекулах стеринов отсутствуют карбоксиль­
ные и карбонильные группы.
В организме животных наиболее важным
стерином является холестерин. В растени­
ях и микроорганизмах содержится множест­
во родственных соединений, например эр гостерин, (З-ситостерин, стигм астерин.
Холестерин присутствует во всех живот­
ных тканях, особенно в нервных тканях. Он
является важнейшей составной частью кле­
точных мембран, где регулирует их теку­
честь (см. с. 219). Запасной и транспортной
формами холестерина служат его эфиры с
жирными кислотами. Наряду с другими ли­
пидами холестерин и его эфиры присутству­
ют в составе липопротеидных комплексов
плазмы крови (см. с. 273). Холестерин вхо­
дит в состав желчи и многих желчных кам­
ней. Вопросы биосинтеза, метаболизма и
транспорта холестерина обсуждаются в дру­
гих разделах (см. сс. 175, 305).
Нарушение обмена холестерина играет
важную роль в развитии атеросклероза, за­
болевания связанного с отложением холе­
стерина (бляшек) на стенках кровеносных со­
судов (кальцинирование) из-за повышенного
уровня холестерина в крови. Для предупреж­
дения атеросклероза важно, чтобы в пище­
вом рационе преобладали продукты расти­
тельного происхождения, для которых харак­
терно низкое содержание холестерина. На­
против, пищевые продукты животного проис­
хождения содержат много холестерина, осо­
бенно яичный желток, мясо, печень, мозги.
Б. Желчные кислоты I
Из холестерина в печени образуются желч­
ные кислоты (см. с. 307). По химическому
строению эти соединения близки к холесте­
рину. Для желчных кислот характерно нали­
чие укороченной разветвленной боковой це­
пи с карбоксильной группой на конце. Двой­
ная связь в кольце В отсутствует, а кольца А
и В сочленены в ц и с- положении (см. с. 61).
Стероидный кор содержит в положениях 3 ,7
и 12 от одной до трех р-гидроксильны х
групп.
Желчные кислоты обеспечивают раство­
римость холестерина в желчи и способству­
ют перевариванию липидов (см. с. 265). В
печени вначале образуются первичные
желчные кислоты — холевая и хенодезоксихолевая (антроподезоксихолевая). Дегидроксилирование этих соединений по С-7
микрофлорой кишечника приводит к обра­
зованию вторичных желчных кислот — л и то ­
холевой и дезоксихол евой.
В. Стероидные гормоны I
Биосинтез стероидных гормонов — процесс
не столь заметный в количественном отно­
шении — имеет вместе с тем большое фи­
зиологическое значение (см. с. 365). Стеро­
иды образуют группу липофильных сигналь­
ных веществ, регулирующих обмен веществ,
рост и репродуктивные функции организма
(см. с. 363).
В организме человека присутствуют шесть
стероидных гормонов: прогестерон, корти­
зол, альдостерон, тестостерон, эстрадиол и кальцитриол (устаревшее название
кальциферол). За исключением кальцитриола эти соединения имеют очень короткую бо­
ковую цепь из двух углеродных атомов или не
имеют ее вовсе. Для большинства соедине­
ний этой группы характерно наличие оксогруппы при С-3 и сопряженной двойной связи
С-4/С-5 в кольце А. Различия наблюдаются в
строении колец С и О. В эстрадиоле кольцо А
ароматическое и, следовательно, гидро­
ксильная группа обладает свойствами фе­
нольной ОН-группы. Кальцитриол отличается
от гормонов позвоночных, однако также по­
строен на основе холестерина. За счет свето­
зависимой реакции раскрытия кольца В каль­
цитриол образует так называемый «секостероид» (стероид с раскрытым кольцом).
Э кдизон — стероидный гормон насеко­
мых — представляет собой более раннюю в
эволюционном отношении форму стерои­
дов. Стероидные гормоны, выполняющие
сигнальную функцию, встречаются также в
растениях.
Стероиды: классификация
эргостерин
стерины
животных
63
стерины
растений
холестерин
стигм астерин
Р-ситостерин
А. С терины
литохолевая
кислота
холевая кислота
хенодезоксихолевая
кислота
дезоксихолевая
кислота
Б. Ж ел чны е ки с л о ты
кортизол
прогестерон
В. С те р о и д н ы е го р м о н ы
альдостерон
тестостерон
капьцитриол
экдизон
эстрадиол
он
гормон линьки
насекомых, -Л
пауков,
ракообразных
64
Биомолекулы. Аминокислоты
Аминокислоты:
ф изические и химические свойства
А. Биологические функции
аминокислот •
В живых организмах аминокислоты выпол­
няют множество функций.
1 . С тр уктур н ы е эл е м е н ты п е п ти д о в и
б ел ков. В состав белков входят 20 про­
теиногенных аминокислот (см. с. 67), ко­
торые кодируются генетическим кодом и
постоянно обнаруживаются в белках (см.
с. 244). Некоторые из них подвергаются
посттрансляционной модификации, т.е.
могут быть фосфорилированы, ацилированы или гидроксилированы (см. сс. 122,
334)
2. С труктурны е элем енты д р уги х природ ­
ны х со е д и н е н и й . Аминокислоты и их
производные входят в состав коферментов (см. сс. 110,112), желчных кислот (см.
с. 306), антибиотиков (см. с. 250).
3. П ереносчики си гнал ов. Некоторые из
аминокислот являются нейромедиатора­
м и (см. с. 342) или предшественниками
нейромедиаторов, медиаторов или гор­
монов (см. с. 368).
4. М етаболиты . Аминокислоты — важней­
шие, а некоторые из них жизненно важные
компоненты питания (см. с. 348). Некото­
рые аминокислоты принимают участие в
обмене веществ, например, служат доно­
рами азота (см. сс. 191,194). Непротеино­
генные аминокислоты образуются в каче­
стве промежуточных продуктов при био­
синтезе и деградации протеиногенных
аминокислот (см. сс. 399-402) или в цикле
мочевины (см. с. 184).
Б. Стереохимия аминокислот I
Природные аминокислоты являются 2 -аминокарбоновыми кислотами (или а-аминокислотами, в отличие от р-аминокислот, та­
ких, как р-аланин и таурин). У а-аминокислот
при атоме С-2 (Са) имеются четыре различ­
ных заместителя: карбоксильная группа,
аминогруппа, водородный атом и боковая
цепь Р. Таким образом, все а-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический
(хиральный) а-углеродный атом и существу­
ют в виде двух энантио м ер ов (1_- и О-аминокислот, см. с. 16). Протеиногенные ами­
нокислоты относятся к Ь-ряду. О-Аминокис-
лоты встречаются в бактериях, например в
составе муреинов (см. с. 46), и в пептидных
антибиотиках.
На плоскости хиральные центры принято
изображать с помощью п р о е кц и о н н ы х
ф орм ул, пред л ож енны х Ф и ш е р о м . Проекционные формулы выводятся из трехмер­
ной структуры следующим образом: тетра­
эдр поворачивают таким образом, чтобы
наиболее окисленная группа (в случае ами­
нокислот карбоксильная) была ориентиро­
вана вверх. Затем вращают до тех пор, пока
линия, соединяющая ООО" и В (окрашена в
красный цвет), не окажется в плоскости сто­
ла. В этом положении у Ьаминокислот МН3+группа будет направлена влево, а у О-аминокислот — вправо.
В. Кривая титрования гистидина I
В аминокислотах содержатся по крайней
мере две ионогенные группы и, следова­
тельно, их суммарный заряд зависит от рН
среды. У карбоксильных групп при Са рКа ле­
жат в диапазоне 1,8-2,8, т.е.кислотные свой­
ства у этих групп выражены сильнее, чем у
незамещенных монокарбоновых кислот. рКа
а-аминогрупп также различны и составляют
8,8-10,6. Кислые и основные аминокислоты
несут в боковой цепи дополнительные ионо­
генные группы (рКа этих групп приведены на
с. 67). Суммарный заряд пептидов и белков
зависит главным образом от ионогенных
групп боковых цепей, поскольку сс-СООН- и
а-МНг-группы принимают участие в образо­
вании пептидных связей.
Зависимость заряда аминокислоты от рН
среды хорошо видна на примере ги с ти д и ­
на. В гистидине наряду с карбоксильной и
аминогруппой при Са (рКа 1,8 и 9,2 соответ­
ственно) присутствует имидазольный оста­
ток с рКа 6,0. Поэтому при повышении рН
среды заряд гистидина изменяетя от +2 до
-1 . При рН 7,6 суммарный заряд равен нулю,
несмотря на то что в молекуле гистидина
имеются две полностью ионизированные
группы. Величина рН, при которой суммар­
ный заряд равен нулю, называется и з о э л е ктр и ч е ско й точкой .
В изоэлектрической точке гистидин яв­
ляется ц в и тте р -и о н о м , т. е. молекула об­
ладает свойствами как аниона, так и катио­
на. В нейтральной области рН большинство
ам инокислот такж е являются цвиттерионами.
Аминокислоты: физические и химические свойства
сигнальное
вещ ество
для белка
элемент
аминокислоты
метаболит
для других природных
соединений
А. Биологические функции аминокислот
Ь-аминокислота
(реальное изображ ение)
ф ишеровские
проекции
Б. Стереохимия аминокислот
СООН
рН 7,6
щ
изоэлектрическая точка
В. Кривая титрования гистидина
суммарный заряд
О -аминокислота
(зеркальное изображение)
65
66
Биомолекулы. Аминокислоты
Протеиногенные аминокислоты
А. Протеиногенные аминокислоты •
Протеиногенными называются 20 аминокис­
лот, которые кодируются генетическим ко­
дом (см. с. 244) и включаются в белки в про­
цессе трансляции. Строение боковых цепей
этих аминокислот приведено на с. 67.
Классификация этих аминокислот осно­
вана как на строении, так и на полярности
боковых цепей (см. с. 14).
В таблице для каждой из аминокислот
приводятся следующие характеристики.
— классификация (семь классов);
— название и принятое сокращение (по
трем первым буквам) (например, для гисти­
дина — Н15);
— однобуквенный символ, удобный при
записи белковых последовательностей (для
гистидина — Н);
— полярность боковой цепи (для гистиди­
на +10,3): чем выше эта величина, тем более
полярна молекула аминокислоты.
На схеме по мере увеличения полярности
окраска поля с названием аминокислоты ме­
няется от желтых тонов через зеленые к си­
ним. Для ионогенных групп боковой цепи
приведены рКа (цифры красного цвета).
К алиф атическим аминокислотам отно­
сятся глицин, аланин, валин, лейцин и изо­
лейцин. Эти аминокислоты не несут в боко­
вой цепи гетероатомов (1М, О или 5), цикли­
ческих группировок и характеризуются
отчетливо выраженной низкой полярностью.
Также малополярны се р о со д е р ж а щ и е
аминокислоты — метионин и цистеин, при­
чем цистеин существует лишь в недиссоциированном состоянии. Благодаря образова­
нию дисульфидных мостиков, цистеин выпол­
няет важную функцию стабилизации про­
странственной структуры белков. Аминокис­
лота цистин состоит из двух остатков цистеина, соединенных дисульфидным мостиком.
А ром атические аминокислоты содержат
мезомерные (резонансно стабилизирован­
ные) циклы (см. с. 12). В этой группе лишь
фенилаланин проявляет низкую полярность.
Тирозин и триптофан характеризуются за­
метной, а гистидин — даже высокой поляр­
ностью. Имидазольное кольцо гистидина за­
метно протонируется уже при слабокислых
значениях рН. Поэтому гистидин, обладаю­
щий ароматическими свойствами лишь в
протонированной форме (см. с. 64), может
быть отнесен к основным аминокислотам.
Тирозин и триптофан сильно поглощают в
УФ-области спектра между 250 и 300 нм.
Н ейтральны е аминокислоты содержат
гидроксильные (серии, треонин) или карбоксамидные группы (аспарагин, глутамин).
Хотя амидные группы неионогенны, молеку­
лы аспарагина и глутамина высоко полярны.
Карбоксильные группы боковых цепей
кисл ы х аминокислот — апарагиновой и глу­
таминовой — полностью ионизированы во
всем диапазоне физиологических значений
рН. Аналогичным образом, боковые цепи
основны х аминокислот — лизина и аргини­
на — полностью протонированы в нейтраль­
ной области рН. Сильно основной, а, следо­
вательно, очень полярной аминокислотой,
является аргинин, содержащий гуанидино­
вую группировку.
Особое положение занимает пролин. Бо­
ковая цепь пролина состоит из пятичленно­
го цикла, включающего а-углеродный атом
и а-аминогруппу. Поэтому пролин, строго
говоря, является не амино-, а и м и н о ки с л о то й. Атом азота в кольце является слабым
основанием и не протонируется при ф изио­
логических значениях рН. Благодаря цикли­
ческой структуре пролин вызывает изгибы
полипептидной цепи, что очень сущ ествен­
но для структуры коллагена (см. сс. 76,
334).
Некоторые из перечисленных аминокис­
лот не могут синтезироваться в организме
человека и должны поступать вместе с пи­
щей. Эти н е за м е н и м ы е а м и н о ки с л о ты
(см. с. 348) отмечены звездочками красного
цвета.
Протеиногенные аминокислоты
Алиф атические
глицин
аланин
валин
0^1, V)
ШУ в)
С еросодержащ ие
леицин
(Ьеи, Ц
изолеицин
(Не, I)
цистеин
(Суз, С)
метионин
(Ме1, М)
полярность
Аром атические
фенилаланин
(РИе, Р)
тирозин
(Туг, V)
И минокислоты
триптоф ан
(Т т. Щ
индольная
система
пролин
(Рго, Р)
Нейтральные
серин
(Зег, 3)
треонин
(ТЬг, Т)
пирролидиновое
кольцо
хиральныи
центр
Нейтральные
аспарагин
(Азп.Ы)
глутамин
(С1п, О)
Кислые
аспарагиновая глутаминовая
кислота
кислота
(Азр, О)
(61и, Е)
Основные
гистидин
(Н|5, Н)
сом
имидаэольиое
КОЛЬЦО
А. П р о те и н о ге н н ы е а м и н о ки с л о ты
67
лизин
(1уз,К)
аргинин
68
Биомолекулы. Аминокислоты
Аминокислотный анализ
Разделение и анализ аминокислот и их про­
изводных используются при определении
аминокислотного состава белков, секвенировании пептидов, а также с целью диагно­
стики нарушений аминокислотного и белко­
вого обмена. В этом разделе рассматрива­
ются два наиболее важных в практическом
отношении метода аминокислотного анали­
за.
А. Ионообменная хроматограф ия
свободных аминокислот О
Ионообменная хроматография основана на
электростатическом взаимодействии между
ионами противоположного заряда. Главное
условие при этом, чтобы ионы одного заря­
да были ковалентно фиксированы на инерт­
ном носителе. Такой и о н о о б м е н н и к будет
связывать ионы противоположного заряда.
При промывании ионообменника раствором
с более высокой ионной силой или иным
значением рН сорбированные ионы можно
селективно перевести в раствор (элю иро­
вать).
При разд ел ении а м и н о ки сл о т методом
ионообменной хроматографии в качестве
неподвижной фазы используются гранулы
синтетического полимера, несущие сульфогруппы (—30з~). Эти группы ионизированы
во всем диапазоне рН и несут отрицатель­
ный заряд. Для подготовки к работе ионооб­
менник помещают в колонку и промывают
Ыа+-содержащим буферным раствором с рН
2. При этом сульфогруппа (красный цвет)
связывает ионы натрия (синий цвет). Если
теперь нанести на колонку раствор амино­
кислот (1а), то положительно заряженные
аминокислоты (зеленый цвет) вытеснят ио­
ны натрия и будут сорбированы на ионите.
Поскольку аминокислоты не несут заряда в
изоэлектрической точке, их элюируют с ко­
лонки буфером с более высоким значением
рН (16). В качестве примера приведен экс­
перимент (3) по разделению аспарагиновой
кислоты, треонина и гистидина. Графики ти­
трования (2) наглядно объясняют, почему
три аминокислоты элюирутся в указанной
последовательности.
Строго говоря, аминокислоты элюируют­
ся при величинах рН, значительно ниже изо-
электрических точек, поскольку за связыва­
ние с ионообменником конкурируют Ыа+-ионы буферного раствора.
Б. Распределительная
хроматограф ия Ф ТЦ-производны х
аминокислот О
Распределительная хроматография основа­
на на различной полярности разделяемых
веществ. Если на инертный носитель нанес­
ти малополярную н е п о д ви ж н ую ф азу, а за­
тем смесь неполярных веществ, то они будут
удерживаться носителем за счет гидрофоб­
ного взаимодействия (см. с. 34). Если такую
колонку промыть смесью полярных раство­
рителей (по д ви ж н о й ф азой), то компонен­
ты смеси будут перемещаться с различной
скоростью в зависимости от их полярности.
Вначале будут элюироваться гидрофильные
вещества, слабо взаимодействующие с не­
подвижной фазой, а затем гидрофобные ве­
щества.
В первых вариантах распределительной
хроматографии гидрофильной была непод­
вижная фаза, а гидрофобной — подвижная.
Приведенная здесь современная модифика­
ция метода носит название обращенно-фазовая хроматография (ОФХ).
Сначала при взаимодействии с фенилизотиоцианатом получают производны е
аминокислот (1). ФТЦ-аминокислоты (РТСаминокислоты) малополярны и благодаря
поглощению в УФ-области спектра их можно
обнаруживать в элюате фотометрически. В
качестве неподвижной фазы используются
мелкие частицы силикагеля (диаметром 5
мкм) с привитыми углеводородными цепями
(лигандами). Использование мелкодисперс­
ных носителей позволяет повысить качество
разделения, однако при этом растет меха­
ническое сопротивление колонки. Поэтому
в ы со ко э ф ф е кти в н ую ж и д ко с т н у ю х р о ­
м атограф ию (ВЭЖХ) проводят в капилля­
рах или колонках, выполненных из нержавеюйщей стали, а элюент подают с помощью
насосов высокого давления (2). В качестве
элюентов используются системы раствори­
телей с возрастающей концентрацией аце­
тонитрила (СН3СМ). Состав подвижной фа­
зы, а следовательно, и качество разделения
(3) оптимизируют с помощью программиру­
емых градиентных смесителей.
Аминокислотный анализ
1. Основы метода
2. Графики диссоциации
непод­
вижная
фаза
1а. Н изкие значения рН
16. Высокие значения рН
3. Элю ирование в ступенчатом градиенте рН
А . И о н о о б м е н н а я х р о м а то гр а ф и я с в о б о д н ы х а м и н о ки с л о т
сосг
ам инокислота
СОО
Ф ТЦ -группа
Ф ТЦ -ам инокислота
ф енилизотиоцианат
1. Схема реакции
блок ввода образца
полярная
*
в
подвижная неполярная
фаза______ неподвижная
___ \
фаза /
колонка
самописец
Абсорбция(254 нм)
РТС- РТС- РТСАзр Н&
ТЪг
насос
раство
ритель
детектор
69
70
Биомолекулы. Пептиды и белки
Пептиды и белки: общие сведения
А. Белки I
При соединении аминокислот в цепочку об­
разуется линейная макромолекула белка.
В любом живом организме содержатся
тысячи белков, выполняющих разнообраз­
ные функции. Чтобы дать представление о
многообразии белков, на схеме с увеличе­
нием примерно 1 х 1500000 приведен общий
вид молекул (с соблюдением формы и раз­
мера) ряда вне- и внутриклеточных белков.
Функции, выполняемые белками, распреде­
ляются примерно следующим образом.
С труктурообразую щ ие ф ункции. Струк­
турные белки отвечают за поддержание фор­
мы и стабильности клеток и тканей. В качест­
ве примера структурного белка на схеме
представлен фрагмент молекулы коллагена
(см. с. 76). В заданном масштабе целая моле­
кула коллагена размером 1500000 • 300 нм за­
няла бы три страницы. К структурным бел­
кам можно отнести также гистоны , функци­
ей которых является организация укладки
ДНК в хроматине. Структурные единицы хро­
матина, нуклеосомы (см. с. 236), состоят из
октамерного комплекса гистонов, на кото­
рый навита молекула ДНК (ОЫА).
Т ранспортны е ф ункции. Наиболее из­
вестным транспортным белком является ге ­
м огл об и н эритроцитов (слева внизу), от­
ветственный за перенос кислорода и диок­
сида углерода между легкими и тканями (см.
с. 276). В плазме крови содержатся множе­
ство других белков, выполняющих транс­
портные функции. Так, преальбум ин пере­
носит гормоны щитовидной железы
тиро­
ксин и трииодтиронин. Ионные каналы и
другие интегральные мембранные белки
(см. с. 222) осуществляют транспорт ионов и
метаболитов через биологические мембра­
ны.
'■
‘ -'
З ащ итны е ф ункции. Иммунная система
защищает организм от возбудителей болез­
ней и чужеродных веществ. В качестве клю­
чевого компонента этой системы здесь
представлен и м м ун о гл о б ул и н С (см. с.
288), который на эритроцитах образует ком­
плекс с мембранными гликолипидами (см. с.
284).
Р егуляторны е ф ункц ии . В б ио хим иче­
с ки х сигнальны х цепях белки осущ ествляю т
ф ункции сигнальны х вещ еств (го р м о н о в ) и
горм ональны х рец епторов. В качестве п р и ­
м ера зд е сь представлен ко м пл е кс горм она
роста со м а то тр о пина с соответствую щ им
рецептором . При это м экстрацеллю лярны е
дом ены двух м олекул рец ептора связы ваю т
одну м олекулу го р м о н а . С вязы вание с ре­
ц ептором а кти ви руе т ц итопл азм атические
дом ены ком пл екса и тем сам ы м о б е спе чи ­
вает дальнейш ую передачу си гнал а (см . сс.
82,162). Роль н и зко м о л е кул яр н о го бел ково­
го гор м она инсулина по д ро б н о р а ссм а тр и ­
вается в последую щ их разделах (см . с с . 82,
162). В регул яции обм ена вещ еств и пр о ц е с­
сов диф ф еренцировки пр ини м а ю т реш аю ­
щ ее уча сти е Д Н К -а с с о ц и р о в а н н ы е белки
(факторы транскрипции, см. с. 121). Осо­
бенно детально изучено строение и функции
б е л ко в-а кти ва то р о в ка та б о л и зм а и д р у ­
ги х бактериальны х ф акторов тр а н скр и п ц и и .
Катализ. г С реди 2000 известны х белков
наиболее многочисленную группу составля­
ют ферменты (см. с. 94). Самые низкомоле­
кулярные из них имеют мол.массу 10—15 кДа.
Белки среднего размера, как, например, при­
веденная на схеме алкогольдегидрогеназа, имеют мол.массу 100-200 кДа. Молеку­
лярная масса высокомолекулярных фермен­
тов, к которым относится глутам инсинтетаза, построенная из 12 мономеров, могут дос­
тигать 500 кДа.
Д вигател ьны е ф ункции. В за и м о д е й ст­
вие актина с м ио зино м ответственно за м ы ­
ш ечное со кр а щ ен ие и д р уги е ф ормы б иол о­
ги че ско й под виж ности (см . с. 324). Ге кса ­
м ер миозина (слева) д л иной 150 нм
один
из наиболее крупны х белков. Н итевидны й
актин (Р -актин) об р а зуе тся путем пол им е­
ризац ии относител ьно небольш их м олекул
гл обул ярного актина (С -а кти н ). П роцессом
сокращ ения управляю т а ссоц ииро ванны й с
Р -актином тр о п о м и о зи н и д р уги е регул я­
торны е белки.
З апасны е ф ункц ии. В растениях с о д е р ­
ж атся запасны е бел ки, явлю щ иеся ценны ­
м и пищ евы м и вещ ествам и. В о р га н и зм а х
ж ивотны х мышечные белки служ ат р е зе р в ­
ны ми питательны м и вещ ествам и, которы е
м обил изую тся при крайней необ ход им ости.
Пептиды и белки: общие сведения
71
72
Биомолекулы. Пептиды и белки
Пептидная связь
Главными структурными единицами белков
и пептидов являются остатки аминокислот
(см. с. 66), связанные ка р б о кса м и д н о й
пептидной связью (см. с. 18) между а-карбоксильной и а-аминогруппой.
А. Пептидный синтез I
В клетках пептиды и белки синтезируются в
процессе трансляции на рибосомах (см. сс.
244-249). При химическом синтезе пепти­
дов следует помнить, что целевой продукт
образуется с высоким выходом лишь при ус­
ловии, что функциональные группы, не уча­
ствующие в реакции, заблокированы з а ­
щ итны м и группировкам и (Х,У). В против­
ном случае в приведенном примере наряду с
целевым дипептидом А1а-С1у должны обра­
зовываться 61у-А1а, С1у-С1у и А1а-А1а. Кроме
того, необходимо активировать карбоксиль­
ную группу (2), что облегчает нуклеофиль­
ное присоединение по аминогруппе. В на­
стоящее время пептиды с определенной
аминокислотной последовательностью по­
лучают с помощью автоматических пептид­
ных синтезаторов.
Б. М езом ерия пептидной связи I
Как всякая карбоксамидная связь, пептид­
ная связь стабилизирована за счет мезомерии (резонансно стабилизирована) (см. с.
12) и поэтому является практически плоской
(планарной). Вращение вокруг связи С—N
требует больших затрат энергии и, следова­
тельно, затруднено. На схеме плоскость, в
которой расположены 6 атомов пептидной
группы, окрашена в светло-голубой цвет.
В. Номенклатура пептидов •
Пептидная цепь имеет одно направление и
два разных конца — Ы -конец, несущий сво­
бодную аминогруппу первой аминокислоты,
и С -конец, несущий карбоксильную группу
последней аминокислоты. Напомним, что в
белках и пептидах аминокислотные остатки
связаны в цепочку последовательно. Для
того чтобы назвать конкретный пептид, дос­
таточно перечислить (начиная с Ы-конца)
последовательность входящих в его со­
став аминокислотных остатков в трехбук­
венном или однобуквенном коде. Напри­
мер, аминокислотная последовательность
пептидного гормона ангиотензина II (см. с.
322) читается следующим образом: АзрАгд-\/а1-Туг-11е-Н13-Рго-РИе или соответст­
венно йВ\/У1НРР.
Г. Конформация полипептидной
цепи О
Каждый аминокислотный остаток, за исклю­
чением концевых, принимает участие в об­
разовании двух пептидных связей (с преды­
дущим и последующим фрагментами). Пос­
кольку вращение вокруг связи С-Ы затруд­
нено, повороты возможны только вокруг
связей ГМ-Са и С а -С (2). Такие повороты
измеряются двугранны м и углам и <р и у .
Угол ф характеризует поворот вокруг связи
М _ с а, а следовательно, положение пред­
шествующей пептидной связи; угол харак­
теризует поворот вокруг связи Са С, т. е.
положение последующей связи.
Для каждого конкретного аминокислотно­
го остатка ввиду стерических ограничений
разрешены только определенные комбина­
ции углов вращения <р и у . Для наглядности
информацию о связи между углами ф и \|» в
каждом пептидном звене представляют гра­
фически с помощью ф/у-карты (1). На карте
видно, что большинство комбинаций дву­
гранных углов оказываются запрещенными
(поля, выделенные красным цветом). Так, на­
пример, при комбинации ф = 0°/У = 48°° (4 )
атомы кислорода карбонильных групп долж­
ны сблизиться на расстояние 115 пм, что на­
много меньше, чем сумма вандерваальсовых радиусов двух атомов. Аналогичным об­
разом, при комбинации ф = 180°/У = 0° (®)
происходит наложение водородных атомов
двух ЫН-групп. Поэтому для углов ф и \|/ оста­
ются разрешенными сочетания, лежащие в
пределах дискретных областей, окрашенных
в зеленый цвет (2, 3). В эти разрешенные
области попадают все приведенные на пос­
ледующей схеме вторичные структуры. Кон­
формации, попадающие в зоны, выделен­
ные желтым цветом, энергетически невы­
годны, но возможны.
Конформационные карты (карты Рамачандрана) построены на основе модельных
экспериментов с небольшими пептидами.
Однако конформационные параметры боль­
шинства аминокислотных остатков в белках
также попадают в разрешенные области
карты. На карте 1 черными точками показа­
ны пары углов ф и \|/ в небольшом белке ин­
сулине (см. с. 78).
Пептидная связь
2-А1а-ОХ
73
<31у-ОУ
пограничные структуры
(неполярная и биполярная)
Х-ОН
пептидная связь
дипептид
мезомерная (резонансно
стабилизированная) структура
аланилглицин
(А1а—<31у, АО)
А. П е п ти д н ы й с и н т е з
остаток 1
Б. М е зо м е р и я п е п ти д н о й с в я зи
остаток 2
остаток 3 остаток 4
II-------------------- II-------------------II-------- --------
Ы -конец
цепи
остаток п
С -конец
цепи
В. Н о м е н кл а тур а п е п ти д о в
Ф : вращ ение вокруг связи
М -Са
\ |/ : вращ ение вокруг связи
Ссг С
разрешенные
области
запрещенные
области
3
о складчатый лист
,—
3-1 (антипараллельный) I «г а-спираль(правая)
ВТ] складчатый лист
г=
^
(параллельный)
Щ а-спираль(левая)
Г. К о н ф о р м а ц и я п о л и п е п т и д н о й ц е п и
спираль коллагена
74
Биомолекулы. Пептиды и белки
Вторичные структуры белков
Б. Спираль коллагена I
Определенные сочетания двугранных углов
ф и у (см. с. 72) встречаются в белках до­
вольно часто. Если множество последова­
тельно связанных аминокислотных остатков
принимает стандартные конформации, фор­
мируются вторичные структуры , стабили­
зированные водородными мостиками в пре­
делах одной пептидной цепи или между со­
седними цепями. Если такая регулярная
структура распространяется на достаточно
большой фрагмент молекулы белка, такой
белок образует механически прочные нити
или волокна. Подобного рода структурны е
белки (см. с. 76) имеют характерный амино­
кислотный состав.
Здесь приведены основные элементы
вторичных структур. На рисунках представ­
лен остов полипептидной цепи, лишенный
боковых цепей аминокислотных остатков.
Для наглядности плоскости пептидных свя­
зей изображены в виде голубых пластин.
Двугранные углы указанных структур приве­
дены на конформационной карте Г1 на с. 73.
Другая форма спирали присутствует в кол­
лагене, важнейшем компоненте соедини­
тельных тканей (см. сс. 76, 334). Это левая
спираль коллагена с шагом 0,96 нм и 3,3
остатка в каждом витке, более пологая по
сравнению с а-спиралью. В отличие от аспирали образование водородных мостиков
здесь невозможно. Структура стабилизиро­
вана за счет скручивания трех пептидных це­
пей в правую тройную спираль (см. с. 76).
А. а-Спираль I
Наиболее распространенным элементом
вторичной структуры является правая а спираль (ап). Пептидная цепь здесь изгиба­
ется винтообразно (ось выделена оранже­
вым цветом). На каждый виток приходится
3,6 аминокислотного остатка, шаг винта (т.е.
минимальное расстояние между двумя эк­
вивалентными точками) составляет 0,54 нм.
а-Спираль стабилизирована почти линейны­
ми водородными связями (красный пунктир,
см. с. 14) между ЫН-группой и СО-группой
четвертого по счету аминокислотного остат­
ка. Таким образом, в протяженных спираль­
ных участках каждый аминокислотный оста­
ток принимает участие в формировании двух
водородных связей. Неполярные или амфифильные а-спирали с 5 -6 витками часто
обеспечивают заякоривание белков в био­
логических мембранах ( трансмембранные
спирали, см. сс. 135, 216).
Зеркально-симметричная относительно
ая-спирали левая а-спирал ь («О встреча­
ется в природе крайне редко, хотя энергети­
чески возможна.
В. Складчатые структуры I
Две следующие почти вытянутые конформа­
ции пептидной цепи называются «р-складчатым листом», так как плоскости пептид­
ных связей расположены в пространстве по­
добно равномерным складкам листа бумаги.
В складчатых структурах также образуются
поперечные межцепочечные водородные
связи. Если цепи ориентированы в противо­
положных направлениях (1), структура назы­
вается антипарал л ел ьны м скл а д ча ты м
листом (ра), а если цепи ориентированы в
одном направлении (2), структура называет­
ся парал л ел ьны м скл а д ч а ты м л и сто м
I складчатых структурах а-С-атомы
располагаются на перегибах, а боковые це­
пи ориентированы почти перпендикулярно
средней плоскости листа, попеременно
вверх и вниз (см. с. 77, В). Энергетически
более предпочтительной оказывается раскладчатая структура с почти линейными Нмостиками. В растянутых складчатых листах
отдельные цепи чаще всего не параллельны,
а несколько изогнуты относительно друг
друга.
Г. (3-Петля I
I тех участках, где пептидная цепь изгибает­
ся достаточно круто, часто находится р-петля. Это короткий фрагмент, в котором 4 ами­
нокислотных остатка расположены таким
образом, что цепь делает реверсивный по­
ворот (на 180°). Оба приведенных на схеме
варианта петли (типы I и II) встречаются до­
вольно часто. Обе структуры стабилизиро­
ваны водородным мостиком между 1 и 4 о с­
татками.
Вторичные структуры белков
75
76
Биомолекулы. Пептиды и белки
Структурные белки
Структурные белки придают экстрацеллюлярным структурам механическую проч­
ность, а также участвуют в построении цито­
скелета (см. с. 206). В большинстве струк­
турных белков преобладает одна из вторич­
ных структур (см. с. 74), что предопределя­
ется их аминокислотным составом.
А. а-Кератин О
Структурным белком, построенным преиму­
щественно в виде а-спирали, является а -ке ратин. Волосы (шерсть), перья, иглы, когти
и копыта животных состоят главным обра­
зом из кератина. В качестве компонента
промежуточных филаментов (см. с. 206) ке­
ратин (цитокератин) является важнейшей
составной частью цитоскелета.
В кератинах большая часть пептидной це­
пи свернута в правую а-спираль. Две пеп­
тидные цепи образуют единую левую супе р ­
спираль, как это имеет место и в миозине
(см. с. 71). Суперспирализованные димеры
кератина объединяются в тетрамеры, кото­
рые агрегируют с образованием протоф иб­
рилл диаметром 3 нм. Наконец, восемь про­
тофибрилл образуют м икроф ибриллы диа­
метром 10 нм (см. с. 207).
Волосы построены из таких же фибрилл.
Так, в отдельном волокне шерсти диамет­
ром 20 мкм переплетены миллионы фиб­
рилл. Отдельные цепи кератина скреплены
поперечно многочисленными дисульфидными связями, что придает им дополнитель­
ную прочность. При химической завивке
происходят следующие процессы: вначале
путем восстановления тиолами разрушают­
ся дисульфидные мостики, а затем для при­
дания волосам необходимой формы их вы­
сушивают при нагревании. При этом за счет
окисления кислородом воздуха образуются
новые дисульфидные мостики, которые со­
храняют форму прически.
Б. Коллаген I
В организме млекопитающих коллаген —
преобладающий в количественном отноше­
нии белок: он составляет 25% общего белка.
Коллаген присутствует в различных формах
прежде всего в соединительной ткани. Этот
белок имеет необычный аминокислотный
состав: 1/3 составляет глицин (С1у), пример­
но 10% пролин (Рго), а также гидроксипролин (Нур) и гидроксилизин (Ну1). Последние
две аминокислоты образуются после био­
синтеза коллагена путем посттрансляционной модиф икации (см. с. 334). В структуре
коллагена постоянно повторяется триплет
01у-Х-У (2), причем положение X часто зани­
мает пролин, а У — гидроксилизин. Имеются
веские основания тому, что коллаген повсе­
местно присутствует в виде правой тр о й ­
ной спирали, скрученной из трех первичных
левых спиралей (1) (см. с. 74). В тройной
спирали каждый третий остаток оказывает­
ся в центре, где по стерическим причинам
помещается только глицин (3, остаток гли­
цина окрашен в желтый цвет). Здесь пред­
ставлен небольшой фрагмент тройной спи­
рали. Вся молекула коллагена имеет длину
около 300 нм.
В. Фиброин ш елка О
Шелк получают из коконов гусениц тутового
шелкопряда (ВотЬух т оп) и родственных
видов. Основной белок шелка, ф иброин, об­
ладает
структурой
антипараллельного
складчатого листа, причем сами листы рас­
полагаются параллельно друг другу, образуя
многочисленные пласты (1). Так как в склад­
чатых структурах боковые цепи аминокис­
лотных остатков ориентированы вертикаль­
но вверх и вниз, в промежутках между от­
дельными слоями могут поместиться лишь
компактные группировки. Фактически фиб­
роин состоит на 80% из глицина, аланина и
серина, т.е. из трех аминокислот, характери­
зующихся минимальными размерами боко­
вых цепей. Молекула фиброина содержит ти­
пичный повторяющийся фрагмент (С1у-А1аС1у-А1а-01у-8ег)п. Установлено, что в фибро­
ине промежуток между складчатыми слоями
составляет 0,35 и 0,57 нм. В первом случае в
промежуток ориентирован глицин (Р = Н).
Промежуток 0,57 нм создается за счет оттал­
кивания боковых цепей серина и аланина (2).
Структурные белки
77
правая
а-спираль
&
с
левая супер
спираль
3 нм
лл.
10 нм
микрофибрилла
1
ьгфР
протофибрилла
А. а -К е р а т и н
/
/
/
а
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
I
/
1. Тройная спираль
(фрагмент)
1. Объемное изображение
<31у - - Агд — Нур
1 01у - - ] СГп
НЁи?'1'
*-;01у - -|Р го —- Нур
1- С1у - - И я С1п-|
~
~
-
А1а
А1а
1|
>Ч
О
□
- ] А1а —“ Агд -
С1у
X
V
А1а
ЫН
2. Типовой триплет
тВ*
а г а д к ,
А!а
3. Тройная спираль
(вид сверху)
2. Схематическое изображение
Б. Коллаген
В. Фиброин шелка
А1а
/
78
Биомолекулы. Пептиды и белки
Глобулярные белки
В отличие от нерастворимых фибриллярных
белков растворимые белки имеют почти
сферическую (глобулярную) форму. Глобу­
лярны м белкам свойственна высокоупоря­
доченная пространственная структура (кон­
формация), которая способствует выполне­
нию специфических биологических ф унк­
ций. В данном разделе разбираются осо­
бенности строения глобулярных белков на
примере небольшого белка инсулина (см.
сс. 82, 162).
А. Инсулин: первичная структура Э
Под первичной структурой понимают а м и ­
н о ки сл о тн ую по сл е д о ва те л ьн о сть полипептидной цепи. Инсулин был первым бел­
ком, строение которого было установлено
полностью еще в начале 50-х годов. Моле­
кула функционально активного инсулина
состоит их двух полипептидных цепей (А - и
В -ц е п и ), соединенны х дисульф идными
мостиками (на схеме А-цепь окраш ена в
светло-коричневый цвет, В-цепь — в тем­
но-коричневы й, дисульфидные мостики —
в желтый). Дополнительный дисульфидный
мостик локализован в пределах А-цепи. В
поджелудочной железе, где происходит
биосинтез инсулина, вначале синтезирует­
ся белок-предш ественник — пр ои нсул ин ,
в котором С-концевой аминокислотный о с­
таток В-цепи связан с N1-концевым остат­
ком А-цепи 33-членным ф рагментом (на
схеме не окрашен). После образования в
происулине правильно замкнутых дисульфидных мостиков С -п е п ти д отщепляется
протеолитическим и ф ерментами (см . с.
162).
Б. Вторичная структура О
Вторичными структурами называются участ­
ки полипептидной цепи с упорядоченной
конф ормацией, стабилизированной водо­
родными связями (см. с. 74). В большинстве
глобулярных белков присутствуют одновре­
менно как а -сл ира л и , так и (3-складчатые
листы . Кроме того, имеются участки с не­
упорядоченной структурой. Распространен­
ным структурным элементом глобулярных
белков является р-пе тл я.
В молекуле инсулина участки, имеющие
форму а-слирали, составляют 57%, 6% при­
ходится на р-складчатую структуру, 10% по­
строено в виде р-петли, оставшиеся 27% не
имеют упорядоченной структуры.
В. Третичная структура О
Трехмерные функционально активные кон­
формации белков носят название третичной
структуры. Третичную структуру белков ис­
следуют главным образом методом к р и ­
сталлограф ии. Этот трудоемкий метод о с -^
нован на дифракции рентгеновских лучей н у
хорошо сформированных белковых кристал­
лах. На основании дифракционных картин
рассчитывают распределение электронной
плотности в кристалле, а по электронной
плотности восстанавливают пространствен­
ную структуру молекул белка с атомным раз­
решением. В настоящее время определены
трехмерные структуры сотен белков. Однако
многие белки пока нельзя изучить этим ме­
тодом, поскольку их не удается получить в
виде хорошо сформированных кристаллов
достаточно крупных размеров.
Анализ третичной структуры инсулина по­
казал, что в А-цепи имеются два коротких
участка, а в В-цепи — один длинный участок,
построенные в виде а-спирали (1). При этом
Ы-конец А-цепи и С-конец В-цепи распола­
гаются в непосредственной близости друг
от друга. Единственная структура типа
складчатого листа образуется в димере ин­
сулина (см. Г, 4). Третичная структура проинсулина еще не установлена.
Г. Четвертичная структура О
Белковые молекулы часто образуют симмет­
рично построенные комплексы, стабилизи­
рованные за счет нековалентных взаимо­
действий. Такие комплексы называются
о л и го м е р а м и , а составные единицы комп­
лексов (от 2 до 12) — субъ ед иницам и или
м оном ерам и. Инсулин также образует чет­
вертичные структуры. В крови инсулин при­
сутствует частично в виде д и м е р а (1). Д и ­
мер имеет ось симметрии второго порядка.
Кроме того, в поджелудочной железе в каче­
стве запасной формы содержится ге кса м е р
инсулина (из 6 мономеров), стабилизиро­
ванный ионами 2п2+ ( с м . с . 162). В образова­
нии двух комплексов с катионом 2п2+ прини­
мают участие остатки гистидина в положении
В -10 всех шести субъединиц. На схеме 2 по­
казано, что каждый октаэдрический комплекс
включает один катион 2л 2+, три остатка гис­
тидина и три молекулы воды (см. также с. 83).
Глобулярные белки
79
С-пептид
В-цель
А-цепь
дисульфидные мостики
А. Инсулин: первичная структура
а-спираль 57%
(^-складчатый лист 6%
Б. Вторичная структура
неупорядоченная структура 27%
В-петли 10%
А-цепь
С-пептид
ось второго
порядка
В-цепь
1. М ономер: схема свертывания
1. Д им ер
2. Мономер, вандерваальсова модель
2. /л*-
В. Третичная структура
Г. Четвертичная структура
-ком плекс в гексамере
80
Биомолекулы. Пептиды и белки
Свертывание белков
Информация относительно биологически актив­
ной (нативной) конформации полипептидной це­
пи закодирована в аминокислотной последова­
тельности. Вторичные, третичные и четвертичные
структуры многих белков образуются в растворе
самопроизвольно в пределах нескольких минут.
Тем не менее в клетке имеются специальные бел­
ки (шапероны, см. с. 230), функция которых обес­
печивать свертывание полипептидных цепей
вновь синтезируемых белков. Выяснение законо­
мерностей свертывания полипептидных цепей
является одной из важнейших задач биохимии. В
случае успеха появилась бы возможность пред­
сказывать нативные конформации белков на ос­
новании данных об аминокислотных последова­
тельностях, реконструируемых на основании от­
носительно легко доступных ДНК-последовательностей (см. с. 256).
А. Свертывание белков I
Свертывание полипептидной цепи в нативную
конформацию идет наиболее успешно в физио­
логических условиях. Потеря нативной конфор­
мации, денатурация, наступает при экстремаль­
ных значениях рН, высокой температуре или под
действием органических растворителей, детер­
гентов и других денатурирующих веществ.
К факторам, стабилизирующим конформацию
белка, относятся водородные связи, дисульфид­
ные мостики, электростатическое взаимодейст­
вие и комплексообразование с ионами металлов
(см. с. 78). Другим очень важным стабилизирую­
щим фактором является«гидрофобный эффект».
Как отмечалось на с. 34, в смеси неполярных ве­
ществ с водой происходит разделение фаз («эф­
фект масляных капель»), т. е. идет самопроиз­
вольный процесс, при котором поверхность кон­
такта между фазами стремится быть минималь­
ной. По аналогии с этим процессом полипептидная цепь свертывается в водной среде таким об­
разом, чтобы как можно больше неполярных бо­
ковых групп аминокислотных остатков были бы
спрятаны внутри глобулы, тогда как полярные
группы контактируют с водой (1). Такой механизм
позволяет объяснить распределение соответст­
вующих группировок и в молекуле инсулина (см.
с. 83).
В настоящее время не существует полного
описания энергетики процесса свертывания по­
липептидной цепи (2). В этом разделе обсужда­
ется лишь предельно простая модель. В задан­
ных условиях конформация полипептидной цепи
будет устойчивой лишь в том случае, если она об­
ладает минимумом свободной энергии (измене­
ние свободной энергии свертывания ДОсВимеет
знак минус) (см. с. 22). Вместе с тем свертывание
полипептидной цепи повышает степень упорядо­
ченности белковой молекулы. А как указывалось
на с. 26, рост упорядоченности означает умень­
шение энтропии системы (ДЗконф — величина от­
рицательная), а следовательно возрастание эн­
тропийного члена в уравнении Гиббса—Гельм­
гольца (-Т • ДЗюнф имеет знак плюс) (фиолетовая
стрелка). На процесс свертывания также оказы­
вают стабилизирующее воздействие ковалент­
ные и другие типы связей, образующиеся в бел­
ковой глобуле. Поэтому изменение энтальпии
свертывания ДНСВ — величина отрицательная
(красная стрелка). Другим фактором, влияющим
на ход процесса, является изменение энтропии
окружающей среды (воды) за счет гидрофобного
эффекта. При свертывании полипептидной цепи
снижается степень упорядоченности воды и об­
разуется максимально возможное число водо­
родных связей. При этом возрастает энтропия
водной среды , т. е. ДЗвод— величина положитель­
ная, а следовательно, энтропийный член уравне­
ния -Т • ДЗвод имеет знак минус (синяя стрелка).
Таким образом, уменьшение энтропии полипеп­
тидной цепи перекрывается ростом энтропии ок­
ружающей среды и энтропия системы в целом
возрастает. Следовательно, полипептидная цепь
самопроизвольно принимает нативную конфор­
мацию, характеризующуюся минимумом свобод­
ной энергии суммарной системы (ДСсв — величи­
на отрицательная) (зеленая стрелка).
Б. Свертывание белков: примеры О
При сравнении наиболее крупных глобулярных
белков становится очевидным, что существует
определенная схема свертывания полипептид­
ной цепи, которая воспроизводится с незначи­
тельными вариациями. Рассмотрим ряд приме­
ров (а-спирали выделены фасным цветом, плос­
кости складчатого листа — зеленым). Глобуляр­
ные белки, построенные из а-спи ралей, как на­
пример, миоглобин (см. с. 330, гем выделен
желтым цветом), встречаются редко. Обычно на­
блюдаются сочетания складчатых листов и спирализованных участков, как, например, во флаводоксине, небольшом флавопротеине (РМЫ
выделен желтым цветом), где 5 расположенных
веером складчатых листов из пяти параллельных
тяжей формируют ядро молекулы; 4 а-спиральных участка окружают ядро снаружи. Иммуног­
лобулин (см. с. 288) построен из нескольких по­
хожих доменов (независимых, компактно свер­
нутых фрагментов полипептидной цепи), в кото­
рых два антипараллельных складчатых листа из
трех или четырех тяжей образуют бочкообразную
структуру (см. с. 292). Приведенный на схеме
СНг-домен несет олисахарид (желтый), который в
более наглядной форме приведен на с. 51.
Свертывание белков
0
[полярная аминокислота!
неполярная
аминокислота
денатурация
свертывание
1. Миоглобин
1- Основные
принципы
гидрофобное ядро |
увеличение
степени
упорядоченности
молекулы
стабилизация
молекулы
дополнитель­
ными связями
2. Ф лаводоксин
снижение
степени
упорядоченности
водной фазы
свооодная
энтальпия
свертывания
ДС
2. Энергетика
А. Свертывание белков
3. Иммуноглобулин (3: Сн2-домен
Б. Свертывание белков: примеры
82
Биомолекулы. Пептиды и белки
Молекулярные модели: инсулин
На схеме А приведена молекулярная модель
небольшого белка инсул ина. Строение,
биосинтез и функции этого важнейшего гор­
мона подробно обсуждаюся в других разде­
лах (см. сс. 78, 162).
Чистый инсулин необходим в большом ко­
личестве для лечения диабета (01аЬе1ез
теИНиз) — заболевания, которое чаще всего
обусловлено абсолютным или относитель­
ным дефицитом инсулина в организме (см.
с. 162). В Германии ежегодный объем про­
изводства инсулина составляет более
500 кг. Д о недавнего времени гормон прихо­
дилось получать дорогостоящим и трудоем­
ким способом из поджелудочной железы
животных. Другой недостаток животного ин­
сулина состоит в том, что при продолжи­
тельном применении он вызывает образова­
ние антител и гиперэргическую реакцию.
Поэтому в последнее время инсулин чело­
века стремятся получать с помощью суперэкспрессии гена инсулина в штаммах бакте­
рий, трансформированных с помощью мето­
дов генной инженерии (см. с. 258).
В качестве примера рассматривается моле­
кула инсулина свиньи, который отличается от
инсулина человека только одним аминокис­
лотным остатком (вместо А1а-30 в инсулине
человека стоит треонин). На схеме А выделены
наиболее существенные структурные элемен­
ты мономера инсулина, а на схеме Б показана
схема упаковки гексамера в двух проекциях.
А. Инсулин (мономер) О
Мономер инсулина состоит из 51 аминокис­
лотного остатка (см. с. 78), т. е. по молеку­
лярной массе (5,5 кДа) он вдвое уступает са­
мому низкомолекулярному ферменту. Тем
не менее инсулин остается типичным глобу­
лярным белком. В растворе инсулин имеет
четвертичную структуру, которая сущ ест­
венна для его сигнальной функции. На при­
веденной слева вандерваальсовой модели
А -цепь (см. с. 78) окрашена в желтый цвет, а
В -цепь — в оранжевый. Известно, что моле­
кула имеет клинообразную форму. Острие
клина сформировано В-цепью, которая в
этом месте меняет направление.
На модели (в центре) боковые группы по­
лярных аминокислот (см. с. 66) окрашены в
синий цвет, а неполярные группы — в жел­
тый или красно-фиолетовый. Это сделано с
тем, чтобы подчеркнуть важное значение
ги д р о ф о б н о го эф ф екта в свертывании
белков (см. с. 80). Большинство гидроф об­
ных боковых цепей находится внутри глобу­
лы, в то время как гидрофильные группи­
ровки остаются на поверхности. Этому пра­
вилу явно противоречит присутствие на по­
верхности неполярных боковых групп (о к­
рашены в красно-фиолетовый цвет). Одна­
ко все эти группы принимают участие в гид­
рофобных взаимодействиях, стабилизиру­
ющих димер (см. с. 78) и гексамер инсули­
на (см. Б).
На модели справа выделены остатки, ко­
торые лежат на поверхности и инвариантны
(красный цвет) или почти инвариантны
(оранжевый цвет) для инсулина любого про­
исхождения. При этом принималось во вни­
мание, что наиболее важными в функцио­
нальном отношении являются аминокислот­
ные остатки, не претерпевшие изменений в
ходе эволюции. В инсулине почти все инва­
риантные остатки сгруппированы на одной
стороне молекулы. Предположительно, эти
аминокислоты принимают участие в связы­
вании гормона с рецептором.
Б. Инсулин (гексам ер) О
До поступления в кровь инсулин накапли­
вается В-клетками в островках Л ангерганса в виде ц и н кс о д е р ж а щ е го ге кс а м е р а
(см. с. 162). На схеме Б приведен гексамер
(олигомер из 6 субъединиц) в упрощ енном,
ленточном, изображении. Как и на схеме А,
А-цепь окрашена в желтый цвет, а В-цепь
— в оранжевый. Гексамерная форма ста­
билизирована за счет образования ко м п­
лекса с цинком , в котором принимают уча­
стие остатки гистидина в положении В -10
всех 6 субъединиц (см. с. 78, Г). Молекула
(массой 33 кДа) имеет симметрию третье­
го порядка, что лучше всего видно при
взгляде сверху (слева). Модель, поверну­
тая на 90°, показывает, что два иона 2п2+
расположены на некотором расстоянии
друг от друга.
Молекулярные модели: инсулин
А-цепь
В-цепь
инвариантные
остатки
ам инокислот
аминокислоты ,
осущ ествляю щ ие
контакты между
моном ерам и при
их сборке в дим ер
или гексам ер
неполярные
аминокислоты
полярные
аминокислоты
А. И нсул и н (м о м о м е р )
ион цинка
А-цепь
В-цепь
ион цинка
вид сверху
Б. И нсул и н (ге к с а м е р )
вид сб оку
(модель повернута на 90°)
83
84______ Биомолекулы. Пептиды и белки
Методы выделения и анализа
белков
Препараты высокоочищенных белков нахо­
дят разнообразное применение в научных
исследованиях, медицине и биотехнологии.
Так как многие белки, и в особенности гло­
булярные, высоколабильны (см. с. 80), вы­
деление проводят с помощью предельно
мягких методов и при пониженной темпера­
туре (0-5°С). К таким методам относится ио­
нообменная хроматография, которая обсу­
ждалась на с. 68. Другие методы выделения
белков представлены в этом разделе.
A. Высаливание О
Растворимость белков сильно зависит от
концентрации солей (от ионной силы). В ди­
стиллированной воде белки чаще всего рас­
творяются плохо, однако их растворимость
возрастает по мере увеличения ионной си­
лы. При этом все большее количество гид­
ратированных неорганических ионов (светло-синие кружочки) связывается с поверх­
ностью белка и тем самым уменьшается сте­
пень его агрегации (засаливание). При вы­
сокой ионной силе молекулы белков лиша­
ются гидратирующих оболочек, что приво­
дит к агрегации и выпадению белка в осадок
(высаливание). Используя различие в рас­
творимости, можно с помощью обычных со­
лей, например (NN4)2804, разделить (фрак­
ционировать) смесь белков.
Б. Д иализ О
Для отделения низкомолекулярных приме­
сей или замены состава среды используют
диализ. Метод основан на том, что молекулы
белка из-за своих размеров не могут прохо­
дить через полупроницаем ы е мембраны ,
в то время как низкомолекулярные вещества
равномерно распределяются между объе­
мом, ограниченным мембраной, и окружаю­
щим раствором. После многократной заме­
ны внешнего раствора состав среды в диа­
лизном мешочке (концентрация солей, ве­
личина рН и др.) будет тот же, что и в окру­
жающем растворе.
B. Гель-фильтрация О
Гель-проникаю щ ая хроматография (гельфильтрация) позволяет разделять белки
по величине и ф орме молекул. Разделе­
ние проводят в хроматографических колон­
ках, заполненных сферическими частицами
набухшего геля (размером 10-500 мкм) из
полимерных материалов (1, а). Частицы ге­
ля проницаемы благодаря внутренним кана­
лам, которые характеризуются определен­
ным средним диаметром. Смесь белков (1,
б) вносят в колонку с гелем и элюируют бу­
ферным раствором. Белковые молекулы, не
способные проникать в гранулы геля (поме­
чены красным цветом), будут перемещаться
с высокой скоростью. Средние (зеленого
цвета) и небольшие белки (синего цвета) бу­
дут в той или иной степени удерживаться
гранулами геля (1, в). На выходе колонки
элюат собирают в виде отдельных фракций
(2). Объем выхода того или иного белка за­
висит в основном от его молекулярной мас­
сы (3).
Г. Электрофорез в полиакриламид­
ном геле в присутствии додецилсульфата натрия О
В настоящее время электрофорез в полиариламидном геле (ПААГ) в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН) [ДСН-ПААГэлектрофорез (ЗОЗ-РАОЕ)] является обще­
принятым методом определения гомогенно­
сти белковых препаратов. Метод основан на
свойстве заряженных частиц (молекул) пе­
ремещаться под действием электрического
поля (см. с. 270). Обычно скорость миграции
зависит от трех параметров анализируемых
белков: величины молекул, формы молекул
и суммарного заряда. Поэтому предвари­
тельно белки денатурируют с тем, чтобы
скорость миграции зависел^ только от мо­
лекулярной массы. Для этого анализируе­
мую смесь обрабатывают додецилсульфа­
том натрия [ДСН (3 0 5 )] (С^НгбОЗОзМа), ко­
торый представляет собой д е те р ге н т с
сильно выраженными амфифильными свой­
ствами (см. с. 34). Под действием ДСН оли­
гомерные белки диссоциируют на субъеди­
ницы и денатурируют. Развернутые полипептидные цепи связывают ДСН (примерно
0,4 г /г белка) и приобретают отрицательный
заряд. Для полной денатурации в среду до­
бавляют тиолы, которые расщепляют д и­
сульфидные мостики ( 1 ).
Электрофорез проводят в тонком слое
полиакриламида (2). После заверш ения
электрофореза, зоны белков выявляют с по­
мощью красителя. В качестве примера на
схеме 3 приведена электроф ореграмма
трех препаратов: клеточного экстракта, со­
держащего сотни белков (а); выделенного
из экстракта гомогенного белка (б); конт­
рольной смеси белков с известными моле­
кулярными массами (в).
М етоды вы деления и анал иза бел ков
Растворимость
85
молекула
белка
ион
гидратная
оболочка
диализным
мешочек
раствор
белка _
засаливание
высаливание
буферный
раствор
мешалка
Концентрация соли
А. В ы са л и в а н и е
Б. Д и а л и з
частица геля
(в разрезе)
м икронасос
р - зн тиол
денатури^ Ч ? г© о
рованный © в © ^ ^ . '
белок
канал
[ ^
нативный
белок
1. Основы метода
катод
©
элюиру
ющий
буфер
образец
пластиковый
__ _=========йч*------------- корпус
верхнии
резервуар
с буфером
полиакрил­
амидный гель
частицы
геля
колонка
анод
нижний
резервуар
с буфером
2. Камера для электроф ореза
1. Основы метода
свободный
объем Ш
8 12 16 20 24
Объем элюата, мл
10
20 40 6080
М ол.масса, кДа
2. График элю ирования 3. О пределение
„ _
.
мол. массы
В. Гель-ф ильтрация
б
в
20
40 60 80
М асса, кД а
4. О пределение
3. О краш енный гель
мол. массы
Г. Э л е ктр о ф о р е з в ДС Н -П ААГ
86
Биомолекулы. Нуклеиновые кислоты
Азотистые
основания
и
*)
нуклеотиды
Нуклеиновые кислоты играют основную роль
в сохранении и реализации генетической
информации (см. с. 234). Различают два ти­
па нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеи­
новые кислоты [ДНК (ОМА)], которые обес­
печивают сохранение информации, и рибо­
нуклеиновые кислоты [РНК (ВМА)], принима­
ющие участие в процессах генной экспрес­
сии и биосинтеза белка. Нуклеиновые кис­
лоты построены из нуклеотидных звеньев,
которые в свою очередь состоят из азоти­
стого основания, углеводного остатка и фо­
сфатной группы. ДНК и РНК различаются по
типу углеводного остатка и структуре осно­
ваний.
А. Азотистые основания I
Азотистые основания — это ароматические
гетероциклические соединения, производ­
ные пирим идина или пурина. Пять соеди­
нений этого класса являются основными
структурными компонентами нуклеиновых
кислот, общими для всей живой материи.
Пуриновые основания аденин (Ас!е, но не А)
и гуанин (Сиа), а также пиримидиновое ос­
нование цитозин (Су1), входят в состав ДНК
и РНК. В состав ДНК входит также тим ин
(ТПу), 5-метил-производное урацила. Осно­
вание урацил (1)га) входит только в состав
РНК. В ДНК высших организмов в неболь­
шом количестве присутствует 5-метилцитозин. Производные азотистых оснований
присутствуют в тРНК (см. с. 88) и в других ти­
пах РНК.
пБ. Нуклеозиды, нуклеотиды I
Соединения азотистых оснований с рибозой
или 2-дезоксирибозой (см. с. 44) носят на­
звание нуклеозиды . Так, например, аденин
и рибоза образуют нуклеозид аденозин ( 1 ,
сокращ енно А). Соответствующие произ­
водные других азотистых оснований носят
названия гуанозин (6 ), уридин (II), тимидин
(Т) и цитидин (С). Если углеводный остаток
представлен 2-дезоксирибозой образуется
д е зо кси н укл е о зи д , например 2'-дезоксиаденозин (с!А, на схеме не приведен). В клет­
ке 5'-О Н-группа углеводного остатка нуклеозида этерифицирована фосфорной кисло­
той. Соответствующее производное 2'-дезо-
кситимидина (сГГ), звено ДНК, называется
2 / - д е з о к с и т и м и д и н - 5 '- м о н о ф о с ф а т
(сГГМР) (2). Если 5'-фосфатный остаток со­
единяется с другими нуклеозидфосфатными остатками, получаются нуклеозидди- и
нуклеозидтриф осф аты, например АДФ и
АТФ — важнейшие коферменты энергообмена (см. с. 110). Все нуклеозидфосфаты
объединяют под общим названием нуклео­
тиды .
В нуклеозидах и нуклеотидах пентоза на­
ходится в фуранозной форме (см. с. 40). Уг­
леводный остаток и азотистое основание
связаны Ы -гликозидной связью между С-1'
углеводного звена и N-9 пуринового или со­
ответственно N-1 пиримидинового цикла.
Гликозидная связь находится в р-конфигурации.
В. Олигонуклеотиды,
полинуклеотиды I
Остатки фосфорной кислоты могут связы­
ваться за счет образования фосфоангидридной связи. Следовательно, два нуклео­
тида могут быть связаны через фосфатные
группировки с образованием соответствую­
щего д и нуклеотида. К этой группе соедине­
ний относятся коферменты [НАДФ+(МАРР+)]
и КоА (СоА), а также флавин [Ф А Д (Р А й)] (1,
см. с. 108)
Если фосфатная группа одного нуклеоти­
да взаимодействует с З'-ОН-группой друго­
го нуклеотида, образуется динуклеотид с
фосфодиэфирной связью. Такой динуклео­
тид несет на б'-конце свободную фосфатную
группу, а на З'-конце свободную ОН-группу.
Поэтому можно за счет образования еще од­
ной фосфодиэфирной связи присоединить
новый мононуклеотид. Таким путем образуются олигонуклеотиды и, наконец, пол и ­
нуклеотиды .
Полинуклеотиды, составленные из рибонуклеотидных звеньев, называются рибону­
клеиновы м и кисл отам и (РНК), из дезоксирибонуклеотидных мономеров — д е з о к ­
си р и б о н укл е и н о вы м и ки сл о та м и (ДНК,
см. с. 90). При обозначении полинуклеоти­
дов указывают сокращенные названия нуклеозидны х звеньев в направлении 5 '—>3\
т.е. слева направо. Иногда в название вклю­
чают фосфатную группу («р»). Так, напри­
мер, фрагмент РНК, приведенный на схеме
2, можно записать ...р1)рО... или сокращ ен­
но
Азотистые основания и нуклеотиды
Пиримидиновые
основания
пирим идин
тозин (Су!)
тимин (ТИу)
урацил (Уга
ш
■
Пуриновые
основания
гуанин (Оиа)
аденин (Ас1е)
пурин
А. Азотистые основания
ОН
н
2. Д езокситим идин-5-ф осф ат (сГТМР)
1. Аденозин (А)
Б. Нуклеозиды, нуклеотиды
5 ’-конец
флавин
ф осф оангидридная связь
фосфодиэфирная связь
З '-конец
1. Ф лавинадениндинуклеотид (РАО)
| | н
Ри^ оза
но он _
В. Олигонуклеотиды, полинуклеотиды
2. РМА (ф рагмент)
87
88
Биомолекулы. Нуклеиновые кислоты
Рибонуклеиновые кислоты
Рибонуклеиновые кислоты [РНК(РМА)] пред­
ставляют собой полимеры из нуклеозидфосфатных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью (см. с. 86). В качестве
азотистых оснований в РНК присутствуют
урацил, цитозин, аденин и тимин, В РНК
можно также встретить множество необыч­
ных и модифицированных азотистых осно­
ваний.
А. Рибонуклеиновые кислоты I
РНК принимают участие во всех стадиях
процесса генной экспрессии и биосинтеза
белка (см. сс. 234). Свойства наиболее важ­
ных видов РНК приведены в таблице. Кроме
того, здесь схематически показаны вторич­
ные структуры молекул РНК.
В отличие от ДНК, РНК не образуют двой­
ных спиралей, но содержат короткие участки
со спаренными основаниями (см. с. 90). Это
приводит к образованию субструктур, кото­
рые при двумерном изображении напомина­
ют «шпильки» и петли, образующие фигуру
типа «кленового листа». В таких структурах
двухцепочечные участки соединены петля­
ми. Множество фрагментов, в которых чере­
дуются структуры типа шпилька—петля, со­
держится в высокомолекулярных РНК, таких,
например, как рибосомная 165-рРНК (165гРМА)(в центре). Кроме того, эти фрагменты
образуют трехмерные структуры; следова­
тельно, РНК подобно белкам имеют четвер­
тичную структуру. До настоящего времени
установлена четвертичная структура не­
больших РНК, прежде всего тРНК (Ш М ). Из
иллюстраций, приведенных на схеме Б и на
с. 93 очевидно, что трехмерная укладка
структуры типа «кленовый лист» окончатель­
но не установлена.
РНК клетки существенно различаются по
размерам, строению и продолжительности
сущ ествования. Преобладающую часть
представляют рибосомные РНК [рРН К
(гНИА)], которые в различных формах соста­
вляют структурные и функциональные части
рибосом (см. с. 246). Рибосомные РНК син­
тезируются в ядре в процессе транскрипции
на ДНК, там же подвергаются процессингу и
ассоциируют с рибосомными белками, об­
разуя рибосому (см. сс. 210, 240). Приве­
денная на схеме А бактериальная 168-рРНК,
включающая 1542 нуклеотида, является
компонентом малой рибосомной субчасти­
цы, в то время как небольшая 53-рРНК (из
120 нуклеотидов) входит в состав большой
субчастицы.
Матричная РНК [мРНК (тРЫ Д)] перено­
сит генетическую информацию из клеточно­
го ядра в цитоплазму. Ее транскрипты также
сильно модифицируются в ядре (созрева­
ние мРНК, см. с. 242).Так как мРНК считыва­
ется на рибосоме кодон за кодоном, она не
должна складываться в стабильную третич­
ную структуру. Спариванию оснований пре­
пятствуют белки, ассоциированные с мРНК.
Из-за различного объема информации, ко­
торую могут нести мРНК, РНК этого типа
сильно варьируют по размерам. Для мРНК
характерно короткое время жизни, так как
они быстро распадаются после трансляции.
В сплайсинге предшественников мРНК
(см. с. 242) принимаю т участие м алы е
ядерны е РНК [мяРНК (зпРМА от англ. зтаН
пис1еаг РЫА)]. Они ассоциированы с рядом
белков, образуя «сплайсомы».
Б. Транспортные РНК (№ЫАр,,е) ◦
Транспортные РНК [тРНК (ШЫА)] участвуют
в процессе трансляции в качестве промежу­
точного связующего звена между нуклеино­
выми кислотами и белками. Это небольшие
молекулы РНК из 7 0 -9 0 нуклеотидов, кото­
рые с помощью своих антикодонов «узнают»
за счет спаривания оснований определен­
ные кодоны на мРНК. На З'-конце (ССА-З')
они несут ту аминокислоту, которая соглас­
но генетическому коду соответствует оче­
редному кодону мРНК (см. с. 244).
Последовательность оснований и третич­
ная структура фенилаланинспецифичной
тРНК (ШМАРИе) из дрожжей являются типич­
ными для всех тРНК. В молекуле этой тРНК
(см. также с. 93) содержится довольно мно­
го минорных и модифицированных основа­
ний (1 выделены темно-зеленым цветом). К
ним относятся псевдоуридин (Ч/), дигидроуридин (й ), тимидин (Т), встречающийся
обычно в ДНК, а также множество метилиро­
ванных нуклеотидов, таких, например, как 7метилгуанидин ( т 7С) и входящий в состав
антикодона 2/-0-метилгуанидин ( т 2С). Кон­
формацию молекулы стабилизируют много­
численные пары оснований, часть из кото­
рых не соответствуют общим принципам
спаривания оснований (2) (неканонические
пары).
Рибонуклеиновые кислоты
тР М
165-гРМА
89
Ш -зп пЫ А
53-гРМА
гРЫА
тР Ы А
зпРМА
количество подти
пов в клетке
число
нуклеотидов (о)
содержание
в клетке
продолжительное продолжительное время жизни
короткое
продолжительное
трансляция
сплайсинг
функция
трансляция
трансляция
А. Р и б о н укл е и н о в ы е ки с л о ты
петля
й-петля
вариабель
ная петля _
дигидроуридин ( и ) 5
псевдоуридин (40
тНМА
антикодон
кодон
петля
2. Конф ормация
й-петля
2 '-0 -м е ти л гуа н и д и н ( т 26 )
вариабель
ная петля
антикодон —
* = метилирован­
ное основание
1. Структура
Б .Т р а и сп о р тн а я РН К (1К Ы А рЬе)
нормальное
спаривание
оснований
нетипичное
спаривание
оснований
7 -м&г*ш гуанидин ( т 70 )
90
Биомолекулы. Нуклеиновые кислоты
Дезоксирибонуклеиновые кислоты
Биологическая функция нуклеиновых кислот
(см. с. 234) основана главным образом на
свойстве оснований образовывать специ­
фически (комплементарно) связанные пары.
А. Спаривание оснований в Д Н К I
Первым свидетельством существования та­
ких структур послужил тот факт, что в каж­
дом типе ДНК (ОМА) содержится примерно
одинаковое количество аденина и тимина.
То же самое относится к гуанину и цитозину.
Напротив, соотношение аденин+тимин/гуанин+цитозин в различных организмах варьи­
рует. Предложенная в 1953 г. модель струк­
туры ДНК позволила объяснить причину та­
ких соотношений: интактная ДНК состоит из
двух полидезоксинуклеотидных цепей. Каж­
дое основание одной цепи связано с ко м п ­
лем ентарны м ему основанием другой цепи
водородными мостиками. При этом аденин
комплементарен тимину, гуанин — цитози­
ну. Таким образом, каждая пара состоит из
одного пуринового и одного пиримидиново­
го основания.
Комплементарность А и Т, соответственно
(3 и С, становится понятной, если рассмот­
реть возможные водородные мостики между
основаниями. В качестве доноров (см. с. 14)
выступают аминогруппы (аденина, цитози­
на, гуанина) и ЫН-группы гетероциклов (ти­
мина и гуанина). Возможными акцепторами
являются карбонильные группы (тимина, ци­
тозина, гуанина) и атомы азота гетероцик­
лов. Пара А-Т может образовывать два, а па­
ра О-С даже три линейных и поэтому осо­
бенно устойчивых мостика. Урацил, содер­
жащийся в РНК вместо тимина, ведет себя
при спаривании оснований подобно тимину.
Б. Структура Д Н К I
Спаривание оснований, проиллюстрирован­
ное на схеме А, охватывает в молекуле ДНК
миллионы звеньев. Конечно, это возможно
только в том случае, если полярность обеих
цепей различна, т.е. обе цепи имеют проти­
воположные направления (см. с. 86). Кроме
того, обе цепи должны быть закручены в ви­
де д во йной спирал и . Из-за стерических о г­
раничений, вызванных 2'-О Н-группой остат­
ка рибозы, РНК не могут образовывать стру­
ктур, подобных двойной спирали. Поэтому
РНК имеют менее регулярную структуру по
сравнению с ДНК (см. с. 88).
Преобладающая в клетке конформация
ДНК (так называемая В -Д Н К) представлена
схематически на схеме 1, а также на с. 92, в
виде вандерваальсовой модели. На схеме 1
дезоксирибозофосфатный остов изображен
в виде ленты. Основания (здесь указаны в
виде полос) расположены внутри д войной
спирал и. Следовательно, эта область ДНК
неполярна.
Напротив, внешняя сторона молекулы полярна и заряжена отрицательно за счет у г­
леводных остатков и фосфатных групп осто­
ва. Цепи ДНК на протяжении всего тяжа об­
разуют два желоба, которые носят названия
«малая бороздка» и «большая бороздка ».
Так как обе цепи связаны только некова­
лентными взаимодействиями, двойная спи­
раль при нагревании или инкубации в ще­
лочном растворе легко распадается на от­
дельные цепи (д енатурирует). При медлен­
ном охлаждении ранее неупорядоченные от­
дельные цепи благодаря спариванию осно­
ваний вновь образуют двойную спираль (мо­
лекула ренатурирует). Процессы де- и ренатурации играют важную роль в генной ин­
женерии (см. сс. 254, 258).
В функциональном отношении две цепи
ДНК не эквивалентны. К од и рую щ ей цепью
(матричной, смысловой) является та из них,
которая считывается в процессе транскрип­
ции (см. с. 240). Именно эта цепь служит ма­
трицей для РНК. Н екод ирую щ ая цепь (антисмысловая) по последовательности п о ­
добна РНК (при условии замены Т на II). Об­
щепринято давать структуру гена в виде по­
следовательности некодирующ ей цепи ДНК
в направлении 5'-»3'. Если прочитать кодо­
ны в этом направлении, то с помощью гене­
тического кода (см. с. 244) можно воспроиз­
вести аминокислотную последовательность
белка в принятом порядке, от М- к С-концу.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты
91
92
Биомолекулы. Нуклеиновые кислоты
Молекулярные модели ДНК и тРНК
На схеме представлены вандерваальсовые
модели (см. с. 14) двух небольших нуклеино­
вых кислот. На схеме А изображена ДНК
(ОМА), построенная из 17 пар нуклеотидов, на
схеме Б — структура фенилаланинспецифичной тРНК (ДОМА) дрожжей (75 нуклеотидов).
А. В-ДНК I
При исследовании синтетических молекул
ДНК было показано, что ДНК может прини­
мать различные конформации. Наиболее ча­
сто встречается приведенная здесь В-форма ДНК. Как отмечалось на с. 90, молекула
состоит из двух антипараллельных полидезоксинуклеотидных цепей, которые закруче­
ны в правую двойную спираль.
О стов этого тяжа образован остатками
дезоксирибозы и фосфатными группировка­
ми, соединенными фосфодиэфирными свя­
зями. Остов одной цепи выделен темно-си­
ним цветом, другой — синим, а основания
обеих цепей — голубым. Ароматические
кольца отстоят друг от друга на 0,34 нм и
почти перпендикулярны оси спирали. Каж­
дое основание повернуто по отношению к
предыдущему на 35°. На каждый виток двой­
ной спирали (360°) приходится примерно 10
пар оснований, ход спирали — 3,4 нм. Меж­
ду остовами двух отдельных цепей имеются
две широкие бороздки. Большая бороздка
видна на модели снизу и сверху, малая бо­
розд ка — в центре. ДНК-ассоциированные
белки (см. сс. 120, 366) взаимодействуют с
наиболее доступными основаниями в облас­
ти большой бороздки. Пространственные
соотношения между остовом и основаниями
более наглядно видны на модели одинарной
цепи (справа). На всех моделях аденин окра­
шен в желтый цвет, а комплементарный ему
тимин — в оранжевый. На виде сверху (в
центре; одна цепь выше другой) основания
просматриваются наиболее полно.
В определенных условиях ДНК может
принимать А -конф орм ацию (на схеме не
приведена). При таком расположении со ­
храняется правая двойная спираль, однако в
отличие от В-формы основания уже не пер­
пендикулярны оси, а находятся под, другим
углом. В 2-конф орм ации (на схеме не при­
ведена), которая может образовываться в
участках В-ДНК, богатых ОС, расположение
нуклеотидов соверш енно иное: двойная
спираль скручена влево, а остов имеет хара­
ктерную зигзагообразную форму (отсюда 2конформация, или 2-ДНК).
Б. РЬе-тРНКРИе О
Молекулы РНК не могут образовывать двой­
ную спираль и поэтому не столь высокоупорядочены по сравнению с ДНК. В качестве
примера здесь приведена молекула тРНК из
дрожжей. Нуклеотидная последователь­
ность этой тРНК и общие принципы строе­
ния тРНК обсуждались ранее (см. с. 88). По
аналогии с другими моделями, приведенны­
ми на схеме А, основания окрашены в голу­
бой цвет, остов из остатков рибозы и фос­
фатных группировок — в темно-синий. Свя­
занная на З'-конце молекула фенилаланина
выделена красным цветом (в исследованной
тРНК этот аминокислотный остаток отсутст­
вовал).
•
*-...>?». ■
На модели видно, что тРНК свернута в
компактную клинообразную структуру. Как
и в ДНК, большинство оснований находятся
внутри молекулы, в то время как полярный
остов — на поверхности. Исключение со ­
ставляют три основания антикод она (ок­
рашены в желтый цвет), который должен
взаимодействовать с мРНК. Большинство
оснований принимает участие в межмолекулярном спаривании. Как показано на с.
88, некоторые из образованных пар не со ­
ответствуют общим принципам спаривания
оснований, обычно соблюдаемым в ДНК
(А + У, О + С).
Молекулярные модели ДНК и тРНК
93
94
Метаболизм. Ферменты
Ферменты: общие сведения
Ферменты являются биокатализаторам и,
т.е. веществами биологического происхож­
дения, ускоряющими химические реакции
(см. с. 30). Организованная последователь­
ность процессов обмена веществ возможна
при условии, что каждая клетка обеспечена
собственным генетически заданным набо­
ром ферментов. Только при этом условии
осуществляется согласованная последова­
тельность реакций (м етаболический путь,
см. с. 114). Ферменты принимают участие
также в регуляции многих метаболических
процессов, обеспечивая тем самым соот­
ветствие обмена веществ измененным усло­
виям (см. с. 116). Почти все ферменты явля­
ются белкам и. Известны также каталитиче­
ски активные нуклеиновые кислоты — «рибозимы» (см. с. 242, 248).
А. Ф ерментативная активность I
Каталитическое действие фермента, т. е.
его активность, определяют в стандартных
условиях по увеличению скорости (фиолето­
вый цвет на схеме) каталитической реакции
(оранжевый цвет) по сравнению с некатали­
тической (желтый цвет). Обычно скорость
реакции указывают как изменение концент­
рации субстрата или продукта за единицу
времени (моль/(л • с)) (см. с. 28). Так как ка­
талитическая активность не зависит от объе­
ма раствора, в котором протекает реакция,
активность фермента выражают в каталах;
1 кат — это количество фермента, которое
превращает 1 моль субстрата за 1 с. Другой
единицей активности является м е ж д ун а ­
родная единица (Е) — количество фермен­
та, превращающего 1 мкмоль субстрата в 1
мин (1 Е = 16,7 нкат).
Б. Реакционная и субстратная
специфичность #
Действие большинства ферментов высоко
специфично. Понятие специфичности отно­
сится не только к типам каталитических ре­
акций (реакционная специф ичность), но и
к природе соединений — субстратов (суб­
стратная специф ичность). В качестве при­
мера на схеме приведены ферменты, рас­
щепляющие химическую связь. Высокоспе­
цифичные ферменты (тип А — верхняя
строка таблицы) катализируют расщепление
только одного типа связи в субстратах опре­
I
деленной структуры. Ф ерменты типа Б
(средняя строка) обладают ограниченной
реакционной специфичностью, но широкой
субстратной специф ичностью. Ферменты
типа В (с низкой реакционной и низкой суб­
стратной специфичностями; нижняя строка)
встречаются редко.
В. Классы ф ерментов I
На сегодняшний день известно примерно
2000 различных ферментов. Разработанная
система классификации учитывает реакци­
онную и субстратную специфичности фер­
ментов. Все ферменты включены в «Каталог
ферментов» под своим классиф икацион­
ным ном ером (КФ ), состоящим из четырех
цифр. Первая цифра указывает на принад­
лежность к одному из ш ести главны х кл а с­
сов. Следующие две определяют подкласс и
подподкласс, а последняя цифра — номер
фермента в данном подподклассе. Напри­
мер, лактатдегидрогеназа (см. сс. 102-105)
имеет номер КФ 1.1.1.27 (класс 1, оксидоредуктазы; подкласс 1.1, донор электрона —
СН—ОН; подподкласс 1.1.1, акцептор —
НАДФ+).
В каждом из шести главных классов объе­
динены ферменты, обладающие одинаковой
реакционной специфичностью. О ксидоредуктазы (класс 1) катализируют окислитель­
но-восстановительные реакции. Трансф еразы (класс 2) переносят ту или иную функ­
циональную группу от одного субстрата на
другой. Для оксидоредуктаз и трансфераз
необходим общий кофермент (см. сс. 108 и
сл.). Гидролазы (класс 3) также участвуют в
переносе групп, однако акцептором здесь
всегда является молекула воды. Л и а зы
(класс 4, называемые иногда «синтазами»)
катализируют расщепление или образова­
ние химических соединений, при этом обра­
зуются или исчезают двойные связи. И зом еразы (класс 5) перемещают группы в
пределах молекулы без изменения общей
формулы субстрата. Л и га з ы («синтазы»,
класс 6) катализируют энергозависимые ре­
акции присоединения и поэтому их действие
сопряжено с гидролизом нуклеозидтрифосфата (чаще всего АТФ).
Как правило, кроме названия фермента
принято указывать его классификационный
номер. В списке ферментов, приведенном
в конце книги (сс. 408 и сл.), все ферменты
приведены с классификационными номе­
рами.
Ферменты: общие сведения
95
Группа
Связь
/ Превращение
в отсутствие фермента
/ (моль продукта/с)
Группа
Превращение в присутствии фермента
(моль проду1ста/с)
____
Ферментативная активность
(моль /с | кат) ____________
Реакционная
специфичность
Высокая
1 катал (кат): количество фермента,
которое увеличивает
превращение субстрата
на 1 моль / с
А . Ф е р м е н та ти в н а я а кти в н о с ть
Класс
Субстратная
специфичность
Высокая
Высокая
Низкая
Низкая
Низкая
Б. Реакционная и субстратная специфичность
Важнейшие подклассы
Тип реакции
О = Восстановительный эквивалент
1 Оксидоредуктазы
Дегидрогеназы
Оксидазы,
пероксидазы
Редуктазы
Монооксигеназы
диоксигеназы
2 Трансферазы
С1-Трансферазы
Гликозилтрансферазы
Аминотрансферазы
Фосфотрансферазы
3 Гидролазы
Эстеразы
Гликозидазы
Пептидазы
Амидазы
В-ОН
4 Лиазы
(“синтазы“)
С-С- Лиазы
С-О- Лиазы
С-1М- Лиазы
С-3- Лиазы
5 Изомеразы
Эпимеразы
цис-транс-Изомеразы
Внутримолекулярные
трансферазы
в Лигазы
("синтетазы“)
С-С- Лигазы
С-О- Лигазы
С-М- Лигазы
С-3- Лигазы
В. К л а ссы ф е р м е н то в
96
Метаболизм. Ферменты
Ферментативный катализ
Ферменты — высокоэффективные катали­
заторы . Они повышают скорость катализи­
руемой реакции в 1012 раз и более. Для по­
нимания механизма ферментативного ката­
лиза полезно прежде всего рассмотреть
протекание некаталитической реакции.
А. Некаталитическая реакция
(в отсутствие ф ермента) О
В качестве примера рассмотрим реакцию
типа А + В -» С + й. Вещ ества А и В в раство­
ре окружены оболочкой из молекул воды
(гидратной оболочкой) и под действием теп­
лового движения перемещаются случайным
образом. Они могут вступать в реакцию друг
с другом только в том случае, когда сталки­
ваются в благоприятной ориентации, что
маловероятно и происходит редко. Для об­
разования продуктов С + й ко м пл е кс А—В,
возникший в результате соударения моле­
кул, должен образовать переходное со сто ­
яние, для чего требуется, как правило, зна­
чительная энергия активации Еа (см. с. 28).
Поскольку получить эту энергию может толь­
ко небольшая часть комплексов А—В, дости­
жение переходного состояния — еще более
редкий случай, чем возникновение комплек­
са. В растворе большая часть энергии акти­
вации расходуется на преодоление гидратных оболочек между А и В, сближение реа­
гентов и другие химические процессы, в ко­
торых эти реагенты участвуют. В результате
в отсутствие катализатора образование
продуктов происходит крайне редко и ско­
рость реакции V незначительна, даже когда
реакция термодинамически допустима, т. е.
ЛС < 0 (см. с. 22).
Б. Ф ерментативная реакция О
Ферменты специфически связывают реа­
генты (свои субстраты) в активном центре.
При этом субстраты ориентируются таким
образом, что приобретают оптимальное по­
ложение для образования переходного со­
стояния (1 -3 ). Сближение и необходимая
ориентации реагентов значительно повы­
шают вероятность образования продуктив­
ного комплекса А—В. Кроме того, связыва­
ние субстрата в активном центре приводит к
удалению гидратной оболочки субстрата. В
результате удаления м олекул воды в ак­
тивном центре фермента во время катализа
создаются совершенно другие условия, чем
в растворе (3 -5 ). Еще одним важным факто­
ром является стабилизация переходного
состояния вследствие взаимодействия ме­
жду аминокислотными остатками белка и
субстратом (4). Таким образом, переходное
состояние в случае ферментативной реак­
ции требует меньшей энергии активации.
Кроме того, многие ферменты во время ка­
тализа переносят специфические группи­
ровки с субстрата или на субстрат. Особен­
но часто осуществляется перенос протонов.
Этот ферментативный кисл отно-основной
ка та л и з значительно более эффективен,
чем обмен протонов с кислотами и основа­
ниями в растворе. Часто химические груп­
пировки ковалентно присоединяются к ос­
таткам фермента. Это явление называют к о ­
валентным катализом . Принципы фермен­
тативного катализа разъяснены на с. 104 на
примере лактатдегидрогеназы.
В. Основы ф ерментативного
катализа О
Несмотря на то, что сегодня трудно количе­
ственно оценить вклад отдельных каталити­
ческих эффектов, решающим фактором счи­
тается стабилизация переходного с о с то ­
яния в активном центре фермента. При этом
наиболее существенным моментом являет­
ся прочное связывание не столько субстра­
та, сколько его переходного состояния. Дан­
ное положение подтверждается крайне вы­
соким сродством многих ферментов по от­
ношению к аналогам переходного состояния
(см. с. 100), что можно пояснить простой ме­
ханической аналогией (на схеме справа): ес­
ли хотят перекатить металлические шарики
(реагенты) с места ЕА (состояние субстрата)
в энергетически более высокое переходное
состояние, а затем в ЕР (состояние продук­
та), нужно расположить магнит (катализа­
тор) таким образом, чтобы сила притяжения
действовала не на ЕА (а), а на переходное
состояние (б).
Ферментативный катализ
переходное
состояние
реагенты
ком плекс 2
97
продукты
А. Некаталитическая реакция (в отсутствие фермента)
2. Комплекс Е А
3. Ком плекс Е А В
активный центр
4. Переходное состояние Е
Свободный ф ермент Е
6. Комплекс Е Р
®
5. Ком плекс Е С Р
Б. Ферментативная реакция
Сближение и ориентация
субстратов
Переходное
состояние
Исклю чение воды
Стабилизация переходного
состояния
Перенос группы
а) Стабилизация
ком плекса ЕА
б) С табилизация
>
переходного состояния
В. Основы ферментативного катализа
98
Метаболизм. Ферменты
Кинетика ферментативных
реакций
К и н е ти ка ферментативной реакции (т. е.
зависимость скорости реакции от ее усло­
вий) определяется в первую очередь свой ствами катализатора, вследствие чего она
значительно сложнее, чем кинетика неката­
литических реакций (см. с. 28).
А. Модель М ихаэл и са-М ентен I
Полный математический анализ фермента­
тивной реакции приводит к сложным урав­
нениям, не пригодным для практического
применения. Наиболее удобной оказалась
простая модель, разработанная в 1913 г.
Она объясняет характерную гиперболиче­
скую зависимость активности фермента от
концентрации субстрата (1) и позволяет по­
лучать константы, которые количественно
характеризуют эффективность фермента.
Модель Михаэлиса-Ментен исходит из
того, что вначале субстрат А образует с фер­
ментом Е (3) комплекс, который превраща­
ется в продукт В намного быстрее, чем в от­
сутствие фермента. Константа скорости ккат
(2) намного выше, чем константа некатали­
тической реакции к. Константу к*ат называют
еще «числом оборотов», поскольку она со­
ответствует числу молекул субстрата, пре­
вращаемых в продукт одной молекулой фер­
мента за 1 с. Согласно этой модели, актив­
ность фермента определяется долей комп­
лекса ЕА от общей концентрации фермента
[ЕЬ, т. е., отношением [ЕА] / [Е]* (3). С целью
упрощения модель предполагает, что Е, А и
ЕА находятся в химическом равновесии сог­
ласно закону действующих масс (см. с. 24),
что дает в итоге для диссоциации комплекса
ЕА уравнение:
[Е ][А ]/[Е А ] = К т
Поскольку [Е]* = [Е] + [ЕА],
[ЕА] = [Е ],[А ]/(К т + [А])
Из V = ккат[ЕА] (2) и преды дущ его вы ражения
получаю т уравнение М и ха эл и са -М е н те н
(4).
Уравнение содержит две величины {два
параметра), которые не зависят от концент­
рации субстрата [А], но характеризуют свой­
ства фермента: это произведение ккат[Е]ь
соответствующее м а кси м а л ь н о й с к о р о ­
сти р е а кц и и V при высокой концентрации
субстрата, и константа М ихаэл иса К т , ха­
рактеризующая сродство фермента к суб­
страту. Константа Михаэлиса численно рав­
на той концентрации субстрата [А], при ко­
торой V достигает половины максимальной
величины V (если V = N//2, то [А] / (К т + [А]) =
1/2, т. е. К т = [А]). Высокое сродство фер­
мента к субстрату характеризуется низкой
величиной К т и наоборот.
Модель М ихаэлиса-М ентен основывает­
ся на нескольких не совсем реальных допу­
щениях, таких, как необратимое превраще­
ние ЕА в Е + В, достижение равновесия меж­
ду Е, А и ЕА, отсутствие в растворе других
форм фермента, кроме Е и ЕА. Только при
соблю дении этих гипотетических условий
Кт соответствует константе диссоциации
комплекса, а к^т — константе скорости ре­
акции ЕА —» Е + В.
Б. О пределение V и Кщ О
В принципе V и Кт можно определить по гра­
фику зависимости V от [А] (рис. слева). Так
как V асимптотически достигает V с возрас­
танием концентрации субстрата [А], то за­
труднительно получить надежную величину
V и К т (рис. слева) путем экстраполяции.
Для удобства расчетов уравнение Михаэлиса-М ентен можно преобразовать так,
чтобы экспериментальные точки лежали на
прямой. При одном из таких графических
преобразований в так называемом граф ике
И ди-Х оф сти (рис. справа) строят график
зависимости V от у/[А ]. В этом случае точка
пересечения прямой, полученной путем
наилучшей линейной аппроксимации экспе­
риментальных точек, с осью ординат соот­
ветствует V, а тангенс угла наклона равен
_Кт . Такой графический подход для опре­
деления V и К т также не оптимален. В
настоящее время данные ферментативной
кинетики обрабатывают быстрее и более
объективно с помощ ью вычислительной
техники.
Кинетика ферментативных реакций
1. Некаталитическая реакция
(в отсутствие ф ермента)
99
3. Связывание субстрата
2. Ф ерментативная реакция
4 . Уравнение М ихаэлиса-М ентен
V: максимальная скорость
константа М ихаэлиса
характеризует
эффективность катализа
Размерность: М /с
характеризует сродство
фермента к субстрату
Размерность: М /с
Размерность: М
А. Модель Михаэлиса-Ментен
Гиперболический граф ик
График Иди-Хоф сти
Н а кл о н: - К
0,8
Концентрация субстрата (А ), мМ
Б. Определение V и Кт
1,2
1,6
у/( а | ,
2,0
2,4
нкат/мМ
100
Метаболизм. Ферменты
Ингибиторы
Многие соединения могут влиять на обмен
веществ, модулируя активность соответст­
вующих ферментов. Особенно важные функ­
ции при этом выполняют ингибиторы ф ер­
ментов. Ингибиторами ферментов являют­
ся многие лекарственные вещества при­
родного или синтетического происхождения
(см. сс. 188, 250, 376 и 388). Метаболиты
также могут быть ингибиторами ферментов
в процессах регуляции (см. с. 116).
А. Типы ингибирования I
Большинство ингибиторов ферментов дейст­
вуют обратимо, т. е. не вносят в молекулу
фермента каких-либо изменений после сво­
ей диссоциации. Однако существуют также
необратимые ингибиторы ферментов, кото­
рые необратимо модифицируют целевой
фермент. Принцип действия ингибитора, тип
е го ингиб иро вания, определяют путем
сравнения кинетики реакции (см. с. 98) в при­
сутствии ингибитора и без него (см. схему Б).
Различают конкурентное (А, слева) и неконку­
рентное (А, справа) ингибирование. В регу­
ляции обмена веществ важную роль играет
аллостерическое ингибирование (А, 6 ).
Так называемые аналоги субстрата (2)
имеют свойства, подобные свойствам суб­
страта целевого фермента. Они обратимо
блокируют часть молекул имеющегося в на­
личии фермента, но не могут далее превра­
щаться в продукт. Поэтому для достижения
половины максимальной скорости реакции
необходимы более высокие концентрации
субстрата: в присутствии такого ингибитора
константа Михаэлиса Кт растет (Б). Субст­
рат в высоких концентрациях вытесняет ин­
гибитор с фермента. Поэтому максимальная
скорость V (см. с. 98) при этом типе тормо­
жения не претерпевает изменений. Так как
субстрат и ингибитор конкурируют за место
связывания на ферменте, данный тип тор­
можения называют конкурентны м . Анало­
ги пер ехо д но го состояния (3) также дей­
ствуют как конкурентные ингибиторы.
Если ингибитор реагирует с ф ункцио­
нально важной группой фермента, не пре­
пятствуя связыванию субстрата, такое инги­
бирование называется неконкурентны м
(на схеме справа). В этом случае К™ остает­
ся неизменной, напротив уменьшается кон­
центрация функционально активного фер­
мента [Е]* и, следовательно, максимальная
скорость реакции V. Неконкурентные инги­
биторы действуют как правило необратимо,
поскольку они модифицируют функциональ­
ные группы целевого фермента (4).
В случае так называемых «суицидных
субстратов» (5) речь идет о субстратных
аналогах, содержащих дополнительно реак­
ционную группу. Вначале они связываются
обратимо, а затем образуют ковалентное
соединение с активным центром фермента.
Поэтому ингибирование такими соединени­
ями проявляется как неконкурентное. Изве­
стным примером такого ингибитора являет­
ся антибиотик пенициллин (см. с. 250).
А л л о сте р и че ски е ингибиторы связыва­
ются с отдельными участками фермента вне
активного центра (6). Такое связывание вле­
чет за собой конформационные изменения в
молекуле фермента, которые приводят к
уменьшению его активности (см. с. 118). Ал­
лостерические эффекты встречаются прак­
тически только в случае олигомерных фер­
ментов. Кинетику таких систем нельзя опи­
сать с помощью простой модели Михаэлиса-М ентен.
Б. Кинетика ингибирования О
Конкурентное ингибирование легко можно
отличить от неконкурентного при использо­
вании графика Иди-Хофсти (см. с. 98). Как
уже упоминалось, конкурентны е ингибито­
ры влияют только на К т, но не на V. Получен­
ные в отсутствие и в присутствии ингибито­
ра прямые на графике пересекаются на оси
ординат. Прямые для неконкурентного ин­
гибирования имеют одинаковый наклон (Кщ
не изменяется), однако по мере увеличения
концентрации ингибитора отрезки, отсекае­
мые этими прямыми на оси ординат, стано­
вятся все короче. Для аллостерических фер­
ментов нельзя применять график Иди-Хоф­
сти, имеющий в этом случае нелинейный ха­
рактер (здесь не приведен).
Ингибиторы
Конкурентное
ингибирование
Ингибирование
отсутствует
Неконкурентное
ингибирование
4. М одиф ицирую щ ий
реагент
Аллостерическое
ингибирование
2. Аналоги субстрата
3. Аналоги переход
ного состояния
5. “Суицидный
субстрат”
А .Т и п ы и н ги б и р о в а н и я
конкурентное
ингибирование:
V не изменяется
максимальная
скорость V
наклон = - к
ингибирование
не изменяется
О
10
20
80 90100
Концентрация субстрата [А ], мМ
1. Гиперболический граф ик
Б. К и н е ти ка и н ги б и р о в а н и я
у /[А ], нкат/м М
2. График Иди-Хоф сти
101
102
Метаболизм. Ферменты
Лактатдегидрогеназа: структура
В этом разделе в качестве примера взаимо­
связи структуры и функции фермента более
подробно рассмотрена лактатдегидрогена­
за [Л Д Г (Ш Н ), КФ 1.1.1.27].
А. Л актатд еги д р о ген аза:
структура О
Активной формой лактатдегидрогеназы (м о­
лекулярная масса 144 кДа) является те тр а ­
м е тр из 4 субъединиц (1). Каждая субъеди­
ница образована пептидной цепью из 334
аминокислот (36 кДа). В тетрамере субъеди­
ницы занимаю т э кв и в а л е н тн ы е п о л о ж е ­
ния (1); каждый мономер содержит актив­
ный центр.
В организм е млекопитаю щ их имеются
два различны х типа субъединиц Л Д Г (Н и
М ), незначительно различающиеся по ам и­
нокислотной последовательности; они м о­
гут ассоциировать в тетрамер случайным
образом . Поэтому известно 5 различных
и зо ф е р м е н то в ЛДГ. В мышце сердца со ­
держ атся преим ущ ественно тетрам еры ,
состоящ ие из Н -субъединиц (Н от англ.
НеаП), в ЛД Г печени и скелетных мышц пре­
обладают М -мономеры .
Активный центр в субъединице ЛДГ схе­
м атически показан на рис. 2. При этом
пептидный остов белка изображен в виде
ленты (св е тл о -го л уб о й ), дополнительно
представлены молекулы: субстрата
л а к­
тата (красного цвета), коф ермента НАД
(желтого цвета) и три боковые цепи амино­
кислот (зеленого цвета), которые участвуют
непосредственно в катализе. Кроме того,
вы делена пептидная петля (м алинового
цвета), образованная ам инокислотны м и
остаткам и 9 8 -1 1 1 . В отсутствие субстрата
и коф ермента эта структура раскрыта, что
обеспечивает свободны й доступ к суб стратсвязываю щ ему участку (не показано).
На рисунке представлен блокированный а к­
тивный центр в ком плексе ф ерм ент-лактат-Н А Д +. Детали каталитического цикла ла­
ктатдегидрогеназы обсуждаются в следую­
щем разделе.
Б. Пиридиннуклеотидные
коферменты I
Все дегидрогеназы нуждаются в коферменте для переноса восстановительных эквива­
лентов (см. с. 108). Наиболее широко рас­
пространены коферменты динуклеотидного
типа (см. с. 86), в котором два нуклеозид-5'монофосфата соединены фосфоангидридной связью. ЛДГ и многие другие дегидро­
геназы нуждаются в никотинамидаденинд и нукл е отид е , сокращенно НАД* (МАО*)
(1). Обе нуклеотидных группы НАД* постро­
ены из 5'-АМ Ф и нуклеотида, содержащего в
качестве основания амид никотиновой кис­
лоты (см. с. 354). Структурно (но не функци­
онально) похожим коферментом является
НАДФ* (ЫАОР*), в котором 2Ч)Н-группы рибозы аденина дополнительно связаны с фос­
фатом. Несмотря на близкое структурное род­
ство НАД* и НАДФ* осуществляют различные
функции в обмене веществ (см. с. 114).
В окислительно-восстановительных реак­
циях пиридиннуклеотидного кофермента уча­
ствует только никотинамидное кольцо (2).
Никотинамид является амидом пиридин-3карбоновой (никотиновой) кислоты. В окис­
ленной форме кольцо имеет ароматический
характер и несет положительный заряд. По
этой причине кофермент в окисленном со­
стоянии обозначают как НАД*. При окисле­
нии лактата дегидрогеназа отщепляет от
субстрата (АНг) два атома водорода
[т. е. два электрона и два протона (2, середи­
на)]. Однако на НАД* переносится только
ги д р и д -и о н (Н“ , два электрона и один про­
тон). Акцептором гидрид-иона является атом
углерода в пара-положении к атому азота
кольца НАД*. В этом месте образуется али­
фатическая СНг-группа, перестраиваются
двойные связи кольца и исчезает положи­
тельный заряд (2, внизу). При окислении или
восстановлении никотинамидного кольца из­
меняются также спектральные характеристи­
ки кофермента. Поэтому за реакцией можно
легко следить фотометрически (см. с. 106).
Второй протон высвобождается в среду и,
следовательно, правильное наименование
восстановленной
формы
кофермента
ЫАОН + Н+, а не ЫАОНг.
Лактатдегидрогеназа: структура
Пиру ват
коф ермент
(ЫА0©)
Лактат
©
МАО
МОН + н ®
1. Тетрамер,
144 кДа
2. Активный
центр
Л а кт а т д е ги д р о ге н а з а
1.1.1.27
103
полипептидная
цепь Ш Н
подвижная
петля
субстрат
(лактат)
наиболее
важные
аминокислоты
Агд-171
Агд-109
Н 13-195
А. Л а кт а т д е ги д р о ге н а з а : с тр у кту р а
остаток
дифосфата
—
I ---------- 1
МАО1
ын
восстанов
ленный
субстрат
никотин амид
О
—
Н — А— Н
Р— о -
гидрид-ион
рибоза
-р —о
II
А
окисленный
субстрат
о
МАО1
рибозо2'-фосфат
( в МАОР®)
рибоза ( в ЫАЁР)
11 Структура ЫАРР® |__“
Б. П и р и д и н н у кл е о ти д н ы е ко ф е р м е н ты
▼
Ы Аф +
2. Гидридный перенос
н®
104
Метаболизм. Ферменты
Лактатдегидрогеназа: механизм
каталитической реакции
Механизм действия лактатадегидрогеназы
(ЛДГ) можно представить на основе общих
закономерностей ферментативного катали­
за, которые изложены на с. 96.
А. Л актатдегидрогеназа:
каталитический цикл О
ЛД Г катализирует передачу восстанови­
тельного эквивалента от лактата на
НАД+(ЫАО+) или от НАДН (ЫАОН) на пируват.
Ь лактат + НАД* <-> пируват + НАДН + Н+
Равновесие реакции сдвинуто в сторону о б ­
разования лактата (см. с. 24). Однако при
высоких концентрациях лактата и НАД+ воз­
можно окисление лактата в пируват. ЛДГ ка­
тализирует реакцию в обоих направлениях,
но подобно всем ферментам не влияет на
положение химического равновесия.
И з-за обратимости реакции каталитиче­
ский процесс можно представить в виде
движения по кругу. К а та л и ти че ски й ц икл
ЛДГ представлен на схеме в виде шести мо­
ментальных «снимков». Приведенные на
схеме промежуточные стадии катализа
очень кратковременны и поэтому строго не
доказаны. Однако их существование под­
тверждается множеством эксперименталь­
ных данных.
В а кти вн о м центре ЛДГ принимают уча­
стие многие аминокислотные остатки. Они
способствуют присоединению субстратов и
кофермента или непосредственно участву­
ют в одной из стадий катализа. Здесь пока­
заны лишь три особенно важные боковые
цепи аминокислот: положительно заряжен­
ная гуанидиновая группа а р ги н и н а -171
связывает карбоксильную группу субстрата
с помощью электростатического взаим о­
действия, имидазольная группа ги с ти д и н а -1 9 5 принимает участие в кислотно-основном катализе, боковая цепь а р ги н и н а 109 важна для стабилизации переходного
состояния. В противоположность Н13-195,
меняющему свой заряд во время катализа,
оба упомянутых остатка аргинина протонированы постоянно. Кроме этих трех остатков
важную роль играет п е пти д н а я петля
9 8 - 1 1 1 , показанная схематически (окраше­
на в малиновый цвет) на с. 103. Ее функция
состоит в том, чтобы после связывания суб­
страта и коф ермента закрыть активный
центр и исключить доступ молекул воды во
время переноса электронов.
Рассмотрим теперь отдельные стадии ка­
тализируемого ЛДГ восстановления пирувата: в свободном ферменте (1) Н1В-195 протонирован, в связи с чем эта форма обозначе­
на как Е • Н+. Кофермент НАДН связывается
первым (2), а за ним — пируват (3). Важно,
что в молекуле фермента карбонильная
группа пирувата и никотинамидное кольцо
кофермента в активированном состоянии
расположены друг относительно друга опти­
мально и такая ориентация фиксирована
(сближение и ориентирование субстратов).
Затем закрывается петля 98-111 над актив­
ным центром. Сильно пониженная поляр­
ность в области активного центра облегчает
образование пе р е хо д н о го состояния (4;
доступ воды закрыт). В переходном состоя­
нии гидрид-ион Н“ (см. с. 104) переносится
с кофермента на карбонильный углерод (пе­
ренос группы). При этом временно образую­
щийся энергетически невыгодный отрица­
тельный заряд на кислороде стабилизирует­
ся электростатическим взаимодействием с
А гд-109 (стабилизация переходного состоя­
ния). Одновременно осуществляется пере­
нос протона с Н‘13-195 на атом кислорода
(перенос группы), приводя к образованию
связанных с ферментом лактата и НАД (5).
После открытия петли лактат диссоциирует
с фермента и временно незаряженная ими­
дазольная группа Н13-195 снова присоеди­
няет протон из окружающей воды (6). Нако­
нец, освобождается также окисленный ко­
фермент НАД+ и снова достигается исход­
ное состояние (1). При окислении лактата в
пируват протекают те же стадии, но в проти­
воположном направлении.
Входящий в уравнение реакции протон
присоединяется не одновременно с №АЭН, а
после освобождения лактата, т. е. между
стадиями (5) и (6) предшествующего цикла.
Лактатдегидрогеназа: механизм каталитической реакции
петля
98-111
М РИ
1. Свободный ф ермент
2. Связанный МАЭН
с пируват
6. Связанный МАР
3. Связанный пируват
лактат
перенос
протона
5. Связанный лактат
нм1
гидрид ныи
перенос
4. Окислительно-восстановительная
реакция
лактат
А. Л а кт а т д е ги д р о ге н а з а : ка т а л и т и ч е с ки й ц и кл
Переходное
состояние
105
106
Метаболизм. Ферменты
Ферментативный анализ
Ферменты играют важную роль в биохими­
ческом анализе. В биологических материа­
лах, например в жидкостях организма, с по­
мощью определения каталитической актив­
ности можно обнаружить ферменты в ни­
чтожно малых концентрациях. Ферменты
можно использовать как реагенты для опре­
деления концентраций метаболитов, напри­
мер уровня глюкозы в крови (схема В). В
большинстве ферментативных анализов
применяется фотометрия.
А. Основы спектроф отометрии I
Многие молекулы поглощают свет в види­
мой или ультрафиолетовой области спект­
ра. Это свойство можно использовать для
определения концентраций. Величина по­
глощения зависит от типа и концентрации
вещества, а также от длины волны исполь­
зуемого света. Поэтому применяют м о н о ­
х р о м а ти ч е с ки й све т, т. е. свет определен­
ной длины волны, который можно выделить
из белого света с помощью монохромато­
ра. Монохроматический свет интенсивно­
сти 10 проходит через прямоугольную ячей­
ку из стекла или кварца (кювету), в которой
находится раствор поглощ ающ его вещ ест­
ва. Интенсивность I выходящего света, о с­
лабленного поглощ ением , изм еряется с
помощью детектора. П о гл о щ е н и е све та
(А) раствора (о п ти ч е ска я п л о тн о сть) оп­
ределяется как отрицательный логарифм
отнош ения !/10. З а к о н Л а м б е р т а —Б ера
гласит, что А пропорциональна концентра­
ции (с) вещества и толщине (6) слоя рас­
твора. К о эф ф и ц ие нт э кс т и н кц и и е зави­
сит, как было указано выше, от типа веще­
ства и длины волны.
Б. О пределение активности
лактатдегидрогеназы О
Определение активности лактатдегидроге­
назы [ЛДГ (ПЭН)] основано на том факте, что
восстановленный кофермент НАДН + Н+ по­
глощает свет при 340 нм, в то время как у
НАД* (МАР*) при этой длине волны поглоще­
ние отсутствует. Спектры поглощения (т. е.
графики зависимости А от длины волны)
субстрата и кофермента в ЛДГ-реакции по­
казаны на рис. Б, 1.
Различия в поглощении НАД* и НАДН ме­
жду 300 и 400 нм обусловлены изменениями
никотинамидного кольца при окислении или
восстановлении (см. с. 102). Для определе­
ния активности в кювету помещают прежде
всего растворы лактата и НАД+ и регистри­
руют поглощ ение при постоянной длине
волны 340 нм. Некаталитическая реакция
протекает с очень низкой скоростью. Поэто­
му измеряемые количества НАДН образуют­
ся только после добавления ЛДГ. Так как
скорость увеличения поглощения ДА/Д1 по
закону Л ам берта-Б ера пропорциональна
скорости реакции Ас/Д1, активность ЛДГ
можно рассчитать с помощью коэффициен­
та экстинкции е при 340 нм или путем срав­
нения со стандартным раствором.
В. Ф ерм ентативное определение
глюкозы О
Больш инство биомолекул не поглощают
свет в видимой или ультрафиолетовой обла­
стях спектра. Кроме того, они обычно при­
сутствуют в смеси с другими соединениями,
которые также дают аналогичные химиче­
ские реакции. Обе трудности можно пре­
одолеть с помощью подходящего фермента
для избирательного превращения опреде­
ляемого метаболита в окрашенное вещест­
во, которое далее определяют по интенсив­
ности поглощения света.
Обычный метод определения глюкозы в
крови (см. с. 162) основан на двух последо­
вательных реакциях: 1) образование глюконолактона и пероксида водорода Н2О2 под
действием фермента глю козооксидазы ,
2) окисление бесцветного вещества перок­
сидом водорода в окрашенное зеленое со­
единение в реакции, катализируемой пероксидазой. Когда вся имеющаяся в пробе глю­
коза израсходована, количество образован­
ного окраш енного вещества можно опреде­
лить по светопоглощению, которое прямо
пропорционально первоначальному содер­
жанию глюкозы.
Ферментативный анализ
монохромати­
ческий свет,
интенсивность I
белый свет
107
монохромати­
ческий свет,
интенсивность I
АЬзогрИоп
источник света
монохроматор
/ /
поглощение
света
измерительный
прибор
детектор
раствор образца,
концентрация с
Закон Лам берта
Вера
Поглощ ение
А. О сновы с п е кт р о ф о то м е т р и и
Лактат
Пируват
ЫАО®
МАРН
V V * оценивает
• ферментативную
активность
каждый
0,1 мМ
Внесе- 3 нкат
ние ЙЙ1
/
МОН
2 нкат
3 лактат. ЫА
1 нкат
лактат
пируват
Длина волны, нм
Б. О п р е д е л е н и е а кт и в н о с т и л а кт а тд е ги д р о ге н а зы
глюкоза
зеленый
краситель
глюкозооксидаза
1.1.3.4 [РАО]
пероксида
за 1.11.1.7
[гем]
Время
образцы
раствора,
содержащего
глюкозу
глюконо
лактон
глюкозидаза,
пероксидаза,
неокра­
шенный
предшест
венник
неокрашен­
ный пред­
шественник
1. Реакция
В. Ферментативное определение глюкозы
2. Э ксперим ент
ремя, мин
108
Метаболизм. Ферменты
Окислительно-восстановительные
коферменты
А. Коферменты: функции •
Многие ферментативные реакции включают
перенос электронов или групп атомов с од­
ного субстрата на другой. В таких реакциях
всегда принимают участие вспомогатель­
ные соединения (ко ф е р м е н ты ), которые
выполняют функцию промежуточных пере­
носчиков атомов или функциональных групп.
Так как эти вещества каталитически не ак­
тивны, правильнее было бы их называть косубстратами. Ферменты обычно высокос­
пецифичны к своим субстратам (см. с. 94),
коферменты же взаимодействуют со многи­
ми ферментами, обладающими различной
субстратной специфичностью.
По способам взаимодействия с фермен­
том различают растворимые коферменты и
простетические группы. Р астворим ы й ко ф ерм ент (1) присоединяется во время ре­
акции к молекуле фермента подобно суб­
страту, химически изменяется и затем снова
освобождается. Первоначальная форма ко­
фермента регенерируется во второй, неза­
висимой реакции. П р о сте ти че ско й гр у п ­
пой (2) называется коф ермент, который
прочно связан с ферментом и во время ре­
акции его не покидает. Группа, связавшаяся
с коферментом, далее переносится на сле­
дующий субстрат или другую молекулу ко­
фермента (на схеме 2 не показано).
Б. Окислительно-восстановительные коферменты I
Все оксидоредуктазы (см. с. 94) нуждаются
в коферменте. Наиболее важные кофермен­
ты представлены на схеме. Они могут дейст­
вовать в растворимой форме (Р) или в виде
простетической группы (П). Окислительно­
восстановительные реакции,наряду с пере­
носом электронов, часто включают перенос
одного или двух протонов. Поэтому обычно
принято говорить о переносе восстанови­
тельных эквивалентов. Стандартный потен­
циал Е0/ простетической группы (см. с. 24)
может значительно отличаться в зависимо­
сти от окружения в молекуле фермента.
Пиридиннуклеотиды НАД+ (ЫАР+) и
НАДФ+ (ЫАйР+) (1) широко распростране­
ны как коферменты дегидрогеназ. Они пере­
носят гидрид-ион (2е~ и 1 Н+, см. с. 102) и
действуют всегда в растворимой форме.
НАД* передает восстановительный эквива­
лент из катаболического пути в дыхательную
цепь и тем самым участвует в энергетиче­
ском обмене. ЫАДФ*, напротив, является
самым важным восстановителем при био­
синтезе (см. с. 114).
Флавиновые коферменты ФМН (РМЫ) и
ФАД (РАО) (2, см. с. 86) найдены в дегидро­
геназах, оксида зах и монооксигеназах.
Обычно оба соединения ковалентно связаны
с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из
трех колец, которая может при восстановле­
нии принимать два электрона и два протона.
В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный полиол рибит. ФАД состоит из
ФМН, связанного с АМФ. Оба соединения
являются функционально близкими коферментами.
В липоевой кислоте (3) функцию окислительно-восстановительного центра вы­
полняет внутримолекулярный дисульф идный мостик. Активная липоевая кислота ко­
валентно связана с остатком лизина (В') мо­
лекулы фермента. Липоевая кислота прежде
всего участвует в окислительном декарбоксилировании 2-кетокислот (см. с. 136). Дисульфидный м остик также содержится в
пептидном коферменте глутатионе (см. с.
278>.
Функция убихинона (кофермента О, 4)
как переносчика восстановительного экви­
валента в дыхательной цепи будет рассмот­
рена на с. 142. При восстановлении хинон
превращается в ароматический гидрохинон
(убихинол). Похожие системы хинон/гидрохинон принимают участие в реакциях фото­
синтеза (см. с. 132). К этому классу окисли­
тельно-восстановительных систем принад­
лежат также витамины Е и К (см. с. 352).
Группа гем а (5) является окислительно­
восстановительным коф актором в дыха­
тельной цепи (см. с. 144), фотосинтезе (см.
с. 130), а также в монооксигеназах (см. с.
310) и пероксидазах. В отличие от гемогло­
бина в этих случаях ион железа меняет ва­
лентность. На рисунке показан гем в цито­
хроме с, ковалентно связанный с двумя ос­
татками цистеина Й И белка.
Окислительно-восстановительные коферменты
субстрат 1
1.
■
кофермент
1 (форма 1)
субстрат 2
перенос
группы
С
кофермент
(форма 2)
I
ь
простетическая
группа (форма 1)
109
6
субстрат 1
субстрат 2
простетическая
группа (форма 2)
Р
Тит3) Перенос Е «
А. К о ф е р м е н ты : ф ун кц и и
Коф ермент
О кисленная ф орма
Восстановленная
ф орма
В
1.ИАОРф
I
Р
Аде
I 2-
р;ь Р1ь—
N |__|А
I____ I
н
0
-0,32
(2еЭ
1Н©)
ЫАОРф
2. Флавиновый
кофермент
о
II
с
н,с
н
I
ЫН
I
С*.
н,с
N
I
К
N
N
О
II
С
N
N
Р
Н
I
I
Аде
I
Р«Ъ
I
Ш
т
РМЫ
П
2[Н] о т -0,3
(2еР
2Н®)
ДО
-
0,2
РАР
ййнрибит, Р1Ь-рибоза
5 —5
3. Липоамид
Н5
5Н
Р'
П
С
о
4 .Убихинон
(кофермент О)
•н
-0,29
(2е©
2Н®)
II
ОН
О
и
2[Н]
Р
I
2[Н] +0,04
(2е°
2Н©)
ОН
П
5. Гем
К,
к,
*
гай
Я,
1 3 0
К,
р,
от О
до
+0,5
р. р.
Н,—Ре-И
р,
1ё0
сн3
СИ - 5 - Р‘
СИ)
СИ, - СН2- соое
Б. Окислительно-восстановительные коферменты Iе' р. растворимы, П- простетическая группа
110
Метаболизм. Ферменты
Коферменты переноса групп
В данном разделе рассматриваются кофер­
менты, участвующие в реакции переноса
групп. Кобамид (кофермент В12) будет рас­
смотрен на с. 356.
А. Коферменты переноса групп I
Н уклеозидф осф аты (1) являются не только
исход ны м и соед инениям и в биосинтезе
нуклеиновых кислот, они обладают также
функциями коферментов, служат для запа сания энергии и участвуют в цепи переноса
энергии (см. с. 196) в эндоэргических про­
цессах. Метаболические интермедиаты час­
то становятся реакционноспособными («ак­
тивированными») при присоединении фос­
фатсодержащих остатков (фосфорилирование). Так, присоединение нуклеозиддифосфатных остатков делает реакционноспособ­
ными исходные соединения в синтезе поли­
сахаридов и липидов (см. с. 112). Лигазы ка­
тализируют сшивание соединений за счет
энергии нуклеозидтрифосфатов.
Остатки жирных кислот активируются пу­
тем переноса на коф ерм ент А (2). В коферменте А пантетеин через фосфоангидридную связь присоединен к З'-ф осф о-АДФ.
Пантетеин состоит из трех компонентов,
связанных амидными связями: пантоевой
кислоты, р-аланина и цистеамина, т. е. двух
биогенных аминов, образованных путем декарбоксилирования соответственно аспартата и цистеина (см. с. 182). Пантотеновая
кислота, образованная из пантоевой кисло­
ты и (3-аланина, в организме человека игра­
ет роль витамина (см. с. 354). При реакции
тиоловой группы остатка цистеамина с кар­
боновой кислотой образуется тиолслож ноэф ирная связь, как, например, в ацетилКоА (ацетил-СоА). Эта реакция высоко эндоэргична и поэтому сопряжена с экзоэргическими процессами. Тиоэфир, каким являет­
ся ацил-КоА, представляет собой активиро­
ванную форму карбоновой кислоты, так как
образующий ее ацильный остаток может
легко переноситься на другую молекулу.
Этот принцип часто используется при мета­
болических превращениях.
Т и ам и нд и ф осф ат (ТРР, 3) активирует
альдегиды и кетоны и переносит их в виде
гидроксиалкильных групп на другую молеку­
лу. Этот способ переноса важен, например,
в транскетолазной реакции (см. с. 154). Гидроксиалкильные остатки участвуют также в
декарбоксилировании кетокислот. Они либо
высвобождаются в виде альдегидов, либо
переносятся на липоамидные остатки, как в
случае дегидрогеназ 2-кетокислот (см. с.
128).
'
".
П иридоксальф осф ат (Р1Р) (4) — наибо­
лее важный кофермент в метаболизме ами­
нокислот. Его роль при трансаминировании
будет подробно рассмотрена на с. 180. Пи­
ридоксальфосфат принимает участие и в
других реакциях аминокислот, таких, какдекарбоксилирование и дегидратирование.
Представленная здесь альдегидная форма в
свободном виде не встречается. В отсутст­
вие субстрата альдегидная группа связана с
аминогруппой лизинового остатка фермен­
та в виде альдимина («шиффово основа­
ние»).
Карбоксилазы содержат в качестве кофермента б и о ти н (5). Он связан амидной
связью с боковой цепью лизинового остатка
фермента. Биотин реагирует с гидрокарбо­
натом (НСОз~) в присутствии АТФ с образо­
ванием М -карб оксиб иоти на. Эта активиро­
ванная форма д и о кси д а углерода может
быть перенесена на другую молекулу. При­
мерами биотинзависимых реакций являют­
ся образование оксалоацетата из пирувата
(см. с. 156) и синтез малонил-КоА из ацетилКоА (см. с. 170).
Т етраги д роф ол ат [ТГФ (ТНР), 6 ] являет­
ся коферментом, который может перено­
сить С 1-остатки в различных состояниях
окисления. ТГФ образуется из витамина фо­
лиевой кислоты (см. с. 354) двойным гидри­
рованием птеринового кольца. С 1-фрагмен­
ты присоединяются к N-5, N-10 или к обоим
атомам азота. Наиболее важными произ­
водными тетрагидроф олата являются:
а) ^® -ф орм ил-ТГФ , в котором С 1-остаток
находится в виде карбоксильной группы,
б) N5, ^°-м е ти л е н -Т ГФ , в котором (Д о с та ­
ток находится в виде альдегида и в) N -метил-ТНР, где С 1 находится в виде спирта. Пе­
реносимый ТГФ С 1-фрагмент играет важную
роль, например, в синтезе пуриновых нуклео­
тидов (см. с. 190), дезокситимидинмонофосфата (см. с. 192) и метионина (см. с. 406).
Коф ерм енты пе р е н о са гр уп п
Коф ермент
(символ)
Свободная форма
1.Нуклеозидфосфат
Абе, Оиа,
Су!, 11га
В -ть
ь
основа­
ния
2.Кофермент А
В-П1Ь-®
Нуклеозидмонофосфат (а)
дифосфат (б)
трифосфат (в)
пантоевая
кислоту
он
В-Я1Ь-
Ацильные
остатки
цистеамин
н
N
С
О
О
II
Р|Ь — Ас1е
с
Фосфотрансферазы
Нуклеотидилтрансферазы
(2.7.п.п)
Л|игазы
■
(б.п.п.п)
Ацилтранс
феразы
(2.3. п.п)
р
Гидроксиалкильные
остатки
р
I
но—с -н
н,с
Наиболее
важные
ферменты
СоА-трансферазы
(2.6.3.П)
ЗН
и
н3с сн3 о
3.Тиаминдифосфат
Переноси
мые
группы
Заряженная форма
111
Декарбокси­
лазы (4 .1 .1 .П )
Дегидро­
геназы
кетокислот
(1 .2 .4 .П )
Транскетолазы (2.2.1.1)
4.Пиридоксальфосфат
Р1Р
н,с
н,с
5. Биотин
Амино­
группа
Трансаминазы
Амино­
кислотные
остатки
Многие
лиазы
(4.п.п.п)
[С02]
Карбоксилазы
(6.4.1.п)
(2.6.1.п)
О
соое
6.Тетрагидро­
фолат
Н
5
N
Н
Н.
5
СН
I
N
'
С
Н
N
СН.
Н2С
N
\
Ю
10
II
о
Ан
сн2
ТИР
Р =
I
н,с
I
ны 10
А. Коферменты переноса групп
б
В
Сг
сг
группы:
а-формил
б-метилен
в-метил
трансферазы
(2.1.п.п)
112
Метаболизм. Ферменты
Активированные метаболиты
Многие коферменты (см. сс. 108-111) пред­
назначены для активации менее реакцион­
носпособных молекул или групп. Активация
заключается в образовании из соответству­
ющей группы реакционноспособного про­
межуточного соединения, которое может
переноситься в экзоэргической реакции на
другую молекулу (см. с. 126). В качестве
примера прежде всего следует упомянуть
кофермент А, который связывает и тем са­
мым активирует остатки жирных кислот
благодаря образованию тиолсложноэфирной связи (см. сс. 58 и 110).
АТФ и другие нуклеозидтриф осф атны е
коф ерм енты могут переносить не только
фосфатные остатки, но и участвовать также
в реакциях активации. Здесь рассмотрены
метаболиты или группы, которые активиру­
ются при обмене веществ, связанном с нуклеозидами или нуклеотидами. В дальней­
шем такая активация будет продемонстри­
рована на примере метаболизма сложных
углеводов и липидов.
А. Активированный метаболит I
1. У рид инд иф осф ат-гл ю коза
[У Д Ф -гл ю ко за (1 Ш Р -гл ю коза )]
[страивание остатков глюкозы в полимер,
такой, как гликоген или крахмал, является
эндоэргическим процессом. Активация глю­
козы происходит в несколько стадий, при ко­
торых на один остаток глюкозы расходуются
две молекулы АТФ. После фосфорилирования свободной глюкозы с образованием
глюкозо-6-фосфата и изомеризации в глю­
козо-1-фосфат (а) по реакции с УТФ (IЯ Р )
(б) образуется УДФ -глюкоза, у которой аномерная ОН-группа при атоме С1 углевода
связана с фосфатом. Эта «богатая энерги­
ей» связь (ацеталь-фосфат) делает возмож­
ным экзоэргический перенос остатков глю­
козы на гликоген (в, см. сс. 122, 158) или
другие акцепторы.
2 . Ц итидиндиф осф ат-холин [Ц Д Ф -хо л и н
(С Э Р -холин)]
По аналогичному принципу активируется
аминоспирт холин для встраивания его в
фосфолипид (см. с. 172). Холин прежде все­
го фосфорилируется АТФ в холинфосфат
(а), который с отщеплением от ЦТФ диф ос­
фата переходит в ЦДФ-холин.
схемы на рис. 1, из ЦДФ-холина переносит­
ся не холин, а холинфосфат, который обра­
зует с диацилглицерином фосфатидилхолин
(лецитин).
3 , Ф осф оаденозинф осф осульф ат
[Ф А Ф С (РАР5)]
Сульфат-группы в различных биомолекулах
проявляют себя как сильные полярные груп­
пы, например, в гликозаминогликанах (см.
с. 336) и конъюгатах стероидных гормонов с
ксенобиотиками (см. с. 308). При синтезе
«активированного сульфата» (ФАФС) АТФ
реагирует прежде всего с неорганическим
сульфатом с образованием аденозинфосфосульфата (АФС) (а) — промежуточного
соединения, содержащ его уже «богатый
энергией» смешанный ангидрид фосфорной
и серной кислот. На втором этапе фосфори­
лируется З'-ОН-группа АФС в АТФ-зависимой реакции. После переноса сульфатного
остатка на ОН-группу (в) побочным продук­
том является аденозин-3',5'-дифосфат.
4 . 5 -А д е н о зи л м е ти о н и н (ЗАМ)
I обмене веществ перенос С 1-групп осуще­
ствляется прежде всего коферментом тет­
рагидрофолатом [ТГФ (ТНР)], способным
связывать такие группы в различных стадиях
окисления (см. сс. 111, 406). Кроме того, во
многих р е а кц и ях м етилирования прини­
мает участие “ активированный метил” в
форме 5-аденозилметионина (ЗАМ). Так,
ЗАМ участвует в превращении норадреналина в адреналин (см. с. 342), в инактивации
норадреналина (путем метилирования фе­
нольной ОН-группы) (см. с. 308), а также в
образовании активной формы цитостатика
6-меркаптопурина (см. с. 388).
ЗАМ образуется при разрушении белка из
аминокислоты метионина, на которую пере­
носится аденозильный остаток молекулы
АТФ (см. с. 403). После переноса активиро­
ванной метильной группы побочным продук­
том реакции является 5-аденозилгомоцистеин, который может превращаться в две
стадии в метионин. При отщеплении остатка
аденозина возникает небелковая аминокис­
лота го м о ц и сте и н , на который с помощью
М5-метиЛ-ТГФ снова переносится метильная группа (см. с. 106). Кроме того, гомоци­
стеин может расходоваться также на обра­
зование пропионил-КоА (см. с. 403).
Активированные метаболиты
113
АРР
глю козо1-ф осф ат
б
61с
гликоген
удлиненный гликоген
0
р
Р—
1
Р— о
о©
61с
о
о©
—
в
_______| ы
6 1 с. р р
1
1ЮР-глюкоза
1
1. Уридиндиф осф ат-глю коза (1Ю Р-глюкоза)
АОР
холин
1
®
холин
б
СНэ
диацилглицерин фосфатидилхолин ^
с
с
Ж
У
о
© ^ -(с н г^ -о -р -о -р -о I
У
ое
о©
сн
Ж
с
с
о
холин
СРР-холин
в
холин
2. Ц итидиндиф осф ат-холин (СРР-холин)
Т1
50л2©
0
II
II ш
ао —з3
—о —р - о
II
1
о
ОН
О—8 0 3©
о
о©
сульфатированные
субстраты
|а
в
е 0 38
■
рТ
_ ]
ео
3. Ф осф оаденозинф осф осульф ат (РАР5)
метионин
СН Л
гом оцистеин*-^^-^
Л/5-М етилТНР
ТНР
б
аденозин
6
3@
8
©
[
I
А
©
НдН
Н
метилиоован|р
ный субстрат н
в
8
НзС—
-
он он
4. З-Аденозилм етионин (ЗАМ )
А . А кти в и р о в а н н ы й м е та б о л и т
5-А денозилгом оцистеин
И
о -.,
I
I
с ^с
'м * Н
СН3
♦
В
Н3С
^
РАРЗ
ЗАМ
114
Метаболизм. Регуляция
Промежуточный метаболизм
В каждой клетке протекают сотни химиче­
ских реакций, совокупность которых носит
название о б м е н ве щ еств (метаболизм).
Участвующие в обмене веществ химические
соединения называются м е та б о л и та м и .
Вне клетки почти все эти превращения про­
текали бы очень медленно и не направленно.
Упорядоченные последовательности хими­
ческих реакций, проходящие с высокой про­
дуктивностью, так называемые м етаб ол и­
че ски е пути, возможны только благодаря
присутствию в клетке специфических фер­
ментов (см. с. 94).
А. Промежуточный метаболизм:
общ ие сведения •
Ряд основных метаболических путей являет­
ся общим для большинства клеток и орга­
низмов. Эти пути, в результате которых осу­
ществляются синтез, разрушение и взаимо­
превращение наиболее важных метаболи­
тов, а также накопление химической энер­
гии, называются пром еж уточны м м е таб о­
л и зм о м . Здесь приводится сильно упро­
щенная схема этих процессов.
Живые клетки постоянно нуждаются в ор­
ганических и неорганических веществах, а
также в химической энергии, которую они по­
лучают преимущественно из АТФ (АТР) (см.
ниже). По способу удовлетворения этих по­
требностей организмы подразделяются на
автотрофные и гетеротрофные. Автотроф ны е о р га н и зм ы , к которым принадлежат
растения и многие микроорганизмы, могут
синтезировать органические молекулы из не­
органических предшественников (СОг), к
примеру, за счет ф отосинтеза (см. с. 130).
Гетеротроф ы , например животные и гри­
бы, зависят от получения органических ве­
ществ с пищей. Так как большая часть этих
питательных веществ (белки, углеводы, нук­
леиновые кислоты и липиды) не могут утили­
зироваться непосредственно, они сначала
разрушаются до более мелких фрагментов
ка та б о л и че ски м путем (на схеме красные
стрелки). Возникающие метаболиты (в сово­
купности их называют иногда «пулом мета­
болитов») затем катаболизируются с высво­
бождением свободной энергии или исполь­
зуются в а н а б о л и че ски х путях (голубые
стрелки) для синтеза более сложных моле­
кул. Из многочисленных метаболитов здесь
представлены только три наиболее важных
представителя — пируват, ацетил-КоА и гли­
церин. Эти три соединения являются связу­
ющим звеном между метаболизмом белков,
углеводов и липидов. К метаболическому
пулу принадлежат также промежуточные ме­
таболиты цитратного цикла (6). Этот цикли­
ческий путь играет как катаболическую, так и
анаболическую роль, т. е. является амф иб о л и че ски м (см. с. 140). Конечными проду­
ктами разрушения органических веществ у
животных являются диоксид углерода (СОг),
вода (Н 2О) и аммиак (1МНз). Аммиак превра­
щается в мочевину и в такой форме вы­
водится из организма (см. с. 184).
Наиболее важной формой запасания хи­
мической энергии в клетках является аденозинтриф осф ат (АТФ, см. с. 124). На об­
разование АТФ должна расходоваться энер­
гия, т. е. реакция является э н д о э р ги ч е ско й . В то же время при расщеплении АТФ
на АДФ и фосфат вы свобож дается св о ­
бодная эн е р ги я . За счет экзоэргического
гидролиза АТФ обеспечивает энергетиче­
ское сопряжение (см. с. 22) для осуществле­
ния энергозависимых (эндоэргических) про­
цессов. Энергозависимыми являются, на­
пример, большинство анаболических путей,
а также процессы движения и переноса.
Наиболее важный путь синтеза АТФ —
о ки сл и те л ьн о е ф осф орилирование (см.
с. 142). В этом процессе электроны перено­
сятся с восстановленных коферментов, воз­
никающих в процессах катаболизма, на атом
кислорода. Такие экзоэргические процессы
катаболизма косвенным образом использу­
ются для синтеза АТФ. Большинство орга­
низмов м огут в анаэробны х условиях ,
т. е. в отсутствие кислорода, получать АТФ
за счет гликолиза (3). Этот менее эффектив­
ный способ синтеза АТФ называют б р о ж е ­
нием (см. с. 148).
В окислительном фосфорилировании ис­
пользуется только НАДН (МАйН), а химиче­
ски очень похожий кофермент НАДФН + Н+
(ЫАОРН) служит восстановителем в анабо­
лических путях. НАДФН + Н* образуется пре­
имущ ественно в гексозомоноф осф атном
пути (1, см. с. 154).
Промежуточный метаболизм
115
пища
белки
полииновые
сахариды
кислоты
нуклеиновые
основания
изо­
преноиды
жиры
липиды
амино­
кислоты
глюкоза
пентозы
жирные
кислоты
глицерин
МАРРН
другие
био­
синтезы
пируват
ацетил
СоА
катаболический путь
анаболический путь
амф иболический путь
запасные вещества
гексозомоноф осф атный путь
глю конеогенез
гликолиз
(^-окисление
окисли­
тельное
фосфорилирование
биосинтез жирных кислот
цитратный цикл
цикл мочевины
мочевина
А. Промежуточный метаболизм: общие сведения
продукты выделения
116
Метаболизм. Регуляция
Механизмы регуляции
метаболических процессов
А. Основные механизмы регуляции
метаболических процессов I
Активность всех путей обмена веществ по­
стоянно регулируется, что обеспечивает со­
ответствие синтеза и деградации метаболи­
тов физиологическим потребностям орга­
низма. В этом разделе рассматриваются
механизмы такой регуляции. Более деталь­
но вопросы регуляции клеточного метабо­
лизма представлены на сс. 118-123.
Поток метаболитов в обмене веществ оп­
ределяется
прежде всего активностью
ф ерментов (см. с. 94). Для воздействия на
тот или иной путь достаточно регулировать
активность фермента, катализирующ его
наиболее медленную стадию. Такие фер­
менты, называемые клю чевы м и ф ерм ен­
там и, имеются в большинстве метаболиче­
ских путей. Активность ключевого фермента
регулируется на трех независимых уровнях.
Контроль тр а н скр и п ц и и . Контроль за
биосинтезом ф ермента ( 1 ) осуществляет­
ся на генетическом уровне. Прежде всего
речь идет о синтезе соответствующей мРНК
(тРЫ А), а также о транскрипции кодирую­
щего фермент гена, т.е. о регуляции тр а н с­
крипции (см. с. 120, 242). В этом процессе
принимают участие регуляторные белки
(РР) (факторы транскрипции), действие ко­
торых направлено непосредственно на ДНК.
К тому же в генах имеются специальные ре­
гуляторные участки — промоторы — и участ­
ки связывания регуляторных белков (регуля­
торные элементы). На эффективность дей­
ствия этих белков влияют метаболиты или
гормоны. Если этот механизм усиливает
синтез фермента, говорят об индукции, ес­
ли же снижает или подавляет — о ре пре с­
сии. Процессы индукции и репрессии осу­
ществляются лишь в определенный отрезок
времени.
В заим опревращ ение. Значительно бы­
стрее, чем контроль транскрипции, действу­
ет взаимопревращение ключевых фермен­
тов (2). В этом случае фермент присутствует
в клетке в неактивной форме. При метаболи­
ческой потребности по сигналу извне и при
посредничестве вторичного мессенджера
(см. с. 122) активирующий фермент (Ет) пе­
реводит ключевой фермент в каталитически
активную форму. Если потребность в этом
пути обмена веществ отпадает, инактивиру­
ющий фермент (Е2) снова переводит ключе­
вой фермент в неактивную форму. Процесс
взаимопревращения в большинстве случаев
состоит в А Т Ф -зависим ом ф осф орилировании ферментных белков протеинкиназой
и соответственно дефосфорилировании фосфатазой (см. с. 122). В большинстве случа­
ев более активна фосфорилированная фор­
ма фермента, однако встречаются также и
противоположные случаи.
М одуляция лигандам и. Важным пара­
метром, контролирующим протекание мета­
болического пути, является потребность в
первом реагенте (здесь это метаболит А).
Доступность метаболита А возрастает с по­
вышением активности метаболического пу­
ти (3), в котором образуется А, и падает с
повышением активности других путей (4), в
которых А расходуется. Доступность А мо­
жет быть ограничена в связи с его транспор­
том в другие отделы клетки.
Часто лимитирующим фактором является
также д о ступн о сть коф ерм ента (5). Если
кофермент регенерируется по второму не­
зависимому пути, этот путь может лимити­
ровать скорость основной реакции. Таким
образом, например, гликолиз и цитратный
цикл регулируются доступностью НАД* (см.
с. 148). Так как НАД+ регенерируется в дыха­
тельной цепи, последняя регулирует катабо­
лизм глюкозы и жирных кислот (контроль
дыхания, см. с. 146).
Наконец, активность ключевого фермента
может регулироваться лигандом (субстра­
том, конечным продуктом реакции, коферментом, другим эффектором) как аллостерическим эффектором путем связывания
его не в самом активном центре, а в другом
месте фермента, и вследствие этого изме­
нением ферментативной активности (6, см.
I). Ингибирование ключевого фермента
часто вызывается конечными продуктами
реакции соответствующей метаболической
цепи (ингибирование по типу обратной свя­
зи) или метаболитом, участвующим в дру­
гом пути. Стимулировать активацию фер­
мента может также первый реагент реакци­
онной цепи.
Механизм регуляции метаболических процессов
Контроль
транскрипции
репрессия
индукция
транскрипция
мРНК
регуля­
торный
белок
трансляция
Взаимопревращ ение
гормон
ключевой ф ермент
(неактивны й)
инактивирую­
щий фермент
вторичныи
мессенджер
активирующии
фермент
Модуляция
лигандами
конечный
продукт.
ключевой ф ермент
(активны й)
(р )
обмен
веществ
кофермент
оферме
доступность
предше­
ственников,
компартмен
тация
конкуренция с
субстратами
или
коферментами
ингибирование
конечным
продуктом___
регенерация
коферментов
А. О сн о вн ы е м е х а н и зм ы р е гу л я ц и и м е т а б о л и ч е с ки х п р о ц е с с о в
117
118
Метаболизм. Регуляция
Аллостерическая регуляция
В качестве примера аллостерической регу­
ляции в этом разделе рассмотрена регуля­
ция а с п а р та т—ка р б а м о и л тр а н сф е р а зы
(АКТ-азы) — ключевого фермента биосинте­
за пиримидина (см. с. 188). Аллостерические эффекты опосредуются субстратом
или ингибиторами и активаторами [аллостерическими эффекторами). Последние свя­
зываются со специфическими участками вне
активного центра и приводят к конформационным изменениям белка, попутно изменяя
его активность.
А. Аспартат—карбамоилтрансф ераза: реакция О
АКТ-аза катализирует перенос карбамоильного остатка с карбамоилфосфата на амино­
группу Ьаспартата. Образующийся Ы-карбамоил-1_-аспартат содержит уже все атомы
будущего пиримидинового кольца (см. с.
188). Бактериальная АКТ-аза Е. соН ингиби­
руется цитидинтрифосфатом [ЦТФ (СТР)] —
конечным продуктом анаболического пути
обмена пиримидина, и активируется началь­
ным участником — АТФ (АТР).
Б. Кинетика О
В отличие от изостерических (нормальных)
ферментов аллостерические ферменты, та­
кие, как АКТ-аза, имеют си гм о и д н ую ( 8 -образную) кривую насы щ ения суб стр а то м
(ср. с гемоглобином, с. 276). В аллостерических системах сродство фермента к суб­
страту зависит от концентрации субстрата
[А]. В этом случае вместо константы Михэлиса Кт (см. с. 98) указывают концентрацию
субстрата при половине максимальной ско­
рости ([А)о,5)- Сигмоидный характер кривой
описывается ко э ф ф и ц и е н то м Х илла И.
Для изостерических ферментов И = 1; при
росте сигмоидности возрастает И.
Аллостерические эффекторы в зависимо­
сти от природы фермента влияют на макси­
мальную скорость реакции V, концентрацию
субстрата [А}о,5 при скорости реакции, рав­
ной половине максимальной, и коэффициент
Хилла И. Если изменяется преимущественно
V, говорят о «V-системе». Чаще встречаются
«К-систем ы », в которых аллостерические
эффекты отражаются только на [А]о 5 и И.
К К-типу, наряду с гемоглобином, при­
надлежит и АКТ-аза. Ингибитор ЦТФ вызы­
вает в этом случае смещ ение кривой впра­
во с возрастанием [А]о,5 и ^ (кривая II). Ак­
тиватор АТФ, напротив, вызывает смещ е­
ние влево ; он уменьшает как [А]о,5, так и Ь
(кривая III).
В. В- и Т-состояния О
Аллостерические ферменты почти всегда
являются олигом ерам и, состоящ им и из
2 -1 2 субъединиц. АКТ-аза состоит из 6 ка­
талитических (окрашены в голубой цвет) и
6 регуляторных (окрашены в желтый цвет)
субъединиц. Последние связывают алло­
стерические эффекторы ЦТФ и АТФ. Как и
гемоглобин, АКТ-аза может существовать в
двух конформациях: менее активном Т -с о сто я н и и (от англ. 1епзе — напряженное) и
более активном Н -с о с т о я н и и (от англ.
ге!ахес1 — расслабленное). Субстрат и эф­
фекторы влияют на равновесие между обо­
ими состояниями и тем самым на сигм оидность кривой. С возрастанием концентра­
ции аспартата равновесие смещается к Ре­
форме. АТФ стабилизирует Р-состояние
путем связывания с регуляторной субъеди­
ницей. Напротив, присоединение ЦТФ со ­
действует переходу в Т-состояние. С трук­
турные перестройки между Р- и Т-состояниями особенно драматичны в случае АКТазы. При Т->Р-переходе каталитические
субъединицы удаляются друг от друга на
1,2 нм; кроме того, субъединицы поворачи­
ваются вокруг оси симметрии. При этом
сами конформации субъединиц меняются
незначительно.
Г. Структура дим ера О
Каждая из двух субъединиц АКТ-азы состоит
из двух доменов, т. е. независимо построен­
ных структурных фрагментов. М-Концевой
домен регуляторной субъединицы (на схеме
справа) способствует взаимодействию с
ЦТФ или АТФ (зеленого цвета). 2п 2*-содержащий второй домен (2 п2+ — светло-голубого цвета) контактирует со смежной ката­
литической субъединицей. Между обоими
доменами каталитической субъединицы
расположен активный центр, в котором на­
ходятся (см. схему) два аналога субстрата
(красного цвета).
Аллостерическая регуляция
119
Ьаспартат
аспартаткарбамоилтрансф ераза
2.1.3.2 [ 2 л 2 + ]
М -карбамоил
!_-аспартат
М-карбамоил^;?)
А. А сп а р та т-ка р б а м о и л тр а н сф е р а за : р е а кц и я
активный
центр — 7
без
эффектора
И = 2,0
эффектор 1
участка
связывания
Т-состояние
(менее активное)
.0
Ю.О
[Аспартат], мМ
Б. Кинетика
В-состояние
(более активное)
регуляторная
субъединица
субстрат
каталитическая
субъединица
В. Я - и Т -с о с то я н и я
домен
АТР/СТР-связывающий домен
Г. Структура димера
120
М е та б о л и зм . Регуляция
Контроль транскрипции
А. Ф ункции регуляторных белков I
Iо всех клетках экспрессия генов (см. с.
234) контролируется регуляторными белка­
м и , которые связываются с определенным
участком ДНК (ОМА) и таким образом
стимулируют или подавляют транскрипцию
гена (контроль транскрипции, см. с. 240).
Действие регуляторных белков обратимо и,
как правило, требует присутствия лиганда.
Постоянно открывают все новые и новые ре­
гуляторные белки, в настоящее время из­
вестна, вероятно, только малая их часть. Не­
совершенна также их номенклатура. Как для
белков, так и для участков ДНК, с которыми
они связываются, используются различные
наименования в зависимости от принципа
действия. Регуляторный белок, который
влияет на транскрипцию генов, называют
ф актором транскрипции. Белок, подавля­
ющий транскрипцию, называют репрессором , а стимулирующ ий — и н д укто р о м .
Последовательности ДНК, с которыми свя­
зываются регуляторные белки, называются
регуляторны м и элем ентам и. У прокариот
регуляторные элементы, которые служат
участками связывания РНК-полимеразы, на­
зывают пром оторам и, в то время как для
репрессорных участков связывания упот­
ребляется название оператор. Регулятор­
ные элементы, связывающие активирующие
факторы, называют энхансерам и (от англ.
епИапсег — усилитель), в то время как эле­
менты, связывающие негативные (ингиби­
рующие) факторы, — сайл енсерам и (от
англ. вПепсег — успокоитель).
Многочисленные известные регулятор­
ные белки можно разделить по механизму
действия на четыре группы. Н егативная
генетическая регуляция, т. е. выключение
соответствующих генов, может вызываться
р е п р е с с о р а м и . Некоторые репрессоры
связываются с ДНК только в отсутствие спе­
цифического лиганда (1а). Комплекс репрессора с лигандом в этом случае теряет
способность к связыванию и оставляет сво­
бодным участок промотора для присоедине­
ния РНК-полимеразы (16). Часто свободный
от лиганда репрессор не может связываться
с ДНК, т. е. транскрипция подавляется толь­
ко в присутствии лигандов (2а, 26). Анало­
гично при позитивной генетической р е гу­
ляции можно различать два случая. Если
связывается только свободный индуктор,
транскрипция подавляется соответствую­
щими лигандами (3). Напротив, многие ин­
д укто ры становятся активными только пос­
ле образования комплекса с лигандом (4). К
этой группе принадлежат, например, стеро­
идные гормоны (см. с. 366).
Б. Лактозны й оперон О
В качестве примера приведен лактозны й
оперон бактерии Е. соН (участок ДНК), кото­
рый подвержен одновременно негативному
и позитивному контролю. Оперон содержит
структурные гены трех ферментов, которые
необходимы для утилизации лактозы, и
регуляторные элементы для управления
транскрипцией оперона.
Так как лактоза превращается в клетке в
глюкозу, экспрессия генов лактозного опе­
рона не имеет смысла, когда глюкоза при­
сутствует в клетке. Действительно гены
транскрибируются только в отсутствие глю­
козы и в присутствии лактозы (3). Регуляция
достигается благодаря взаимодействию
двух регуляторных белков. В отсутствие лак­
тозы 1ас-репрессор блокирует участок про­
мотора (2). При наличии лактозы она пре­
вращается в изомерную аллолактозу, кото­
рая связывается с белком-репрессором и
тем самым вызывает диссоциацию репрессора и оператора (3). Тем не менее этого
недостаточно для транскрипции структур­
ных генов. Для связывания РНК-полимеразы
необходим индуктор, бел ок-активатор ката б о л и тн ы х о п е р о н о в (САР от англ.
са1аЬо1йе ас*п/а*ог рго1ет), который связы­
вается с ДНК только в комплексе с цАМФ
(сАМР). Сигнал голодания возникает только
в отсутствие глюкозы.
Взаимодействие комплекса САР-цАМФ с
ДНК представлено на рис. 4. Каждая субъе­
диница дим ерного индуктора (желтого и
оранжевого цвета соответственно) связыва­
ет молекулу цАМФ (красного цвета). Контакт
с ДНК (голубого цвета) опосредуется двумя
спиральными участками полипептидной
цепи, специфически взаимодействующими
с большой бороздкой на ДНК.
Контроль транскрипции
Положительная регуляция
Отрицательная регуляция
ЯМАполимераза
тРЫА
и
с лигандом
без лиганда
с лигандом
без лиганда
121
V /
ВГМА-
полимераза
>ооооооо©оо
промотор
индуктор
репрессор
16
лиганд
36
За
7
и
'с ш
хзоооооооой
х>эоскэоо*эооос|
26
4а
2а
46
А . Ф у н кц и и р е гул я то р н ы х б е л ко в
белокактиватор
катаболитных
оперонов
(САР)
гены пермеазы,
Iгалактозидазы,
промотор трансацетилазы
сАМР
аденин
/ХУХУХУХУХУХУХУХУ% ^
САРсвязывающий оператор
участок
1
ПЫАполимераза
(связывает
только в
присутствии
САР • сАМР)
(
Ш Ш Ш й
1ас-репрессор
2.
сАМР
глкэюза с=©^>
кйтаболизм
лактозы
—
САР• сАМР
Комплекс
“репрессораллолактоза"
лактоза
3
транскрипция
аллолактоза
Б. Л а кто зн ы й о п е р о н
4. САР • сАМР, связанные с ЭМА
122
Метаболизм. Регуляция
Гормональный контроль
Катализируемые ферментами активация и
соответственно инактивация ключевых фер­
ментов промежуточного метаболизма назы­
ваются в за и м о п р е в р а щ е н и я м и . Такие
процессы находятся под разнообразным
контролем, в том числе и гормональным. В
этом разделе рассмотрены процессы взаи­
мопревращений, осуществляющие регуля­
цию метаболизма гликогена в печени.
А. Гормональный контроль
расщ епления гликогена I
Гликоген служит в организме резервом у г­
леводов, из которого в печени и мышцах пу­
тем расщепления быстро создается глюкозофосфат (см. с. 158). Скорость синтеза
гликогена определяется активностью гликоген-синтазы (на схеме внизу справа), в то
время как расщепление катализируется гли­
коген-фосфорилазой (на схеме внизу сле­
ва). Оба фермента действуют на поверхно­
сти нерастворимых частиц гликогена, где
они в зависимости от состояния обмена ве­
ществ могут находиться в активной или не­
активной форме. При голодании или в
стрессовых ситуациях (борьба, бег) возрас­
тает потребность организма в глюкозе. В та­
ких случаях выделяются гормоны ад рена­
лин и гл ю ка го н . Они активируют расщепле­
ние и ингибируют синтез гликогена. Адрена­
лин действует в мышцах и печени, а глюка­
гон — только в печени.
Оба гормона связываются с рец е птор а­
м и на плазматической мембране (1) и акти­
вируют при посредничестве 6-белков (см. с.
372) аденилатциклазу (2), которая катализи­
рует синтез 3',5'-цикло-АМ Ф (сАМФ) из АТФ
(АТР). Зеркально противоположным являет­
ся действие на этот «вторичны й м е ссе н д ­
жер» фосфодиэстеразы цАМФ (3), гидроли­
зующей цАМФ до АМФ (АМР). В печени диэстераза индуцируется инсулином, который
поэтому не препятствует воздействию двух
других гормонов (не показано). цАМФ свя­
зывается и тем самым активирует протеинкиназу А (4), которая действует по двум на­
правлениям: с одной стороны, с помощью
ф осф орилирования с участием АТФ в ка­
честве кофермента она переводит в неак­
тивную Э-форму гликоген-синтазу и вслед­
ствие этого останавливает синтез гликоге­
на (5); с другой, активирует — также путем
фосфорилирования — другую протеинкиназу, киназу ф осф орилазы (8 ). Активная
киназа фосфорилазы фосфорилирует не­
активную Ь-форму гликоген-ф осф орилазы,
превращая ее в активную а-ф орму (7 ). Это
приводит к высвобождению из гликогена
глю козо-1-ф осф ата (8 ), которы й после
превращения в глю козо-6-ф осф ат с уча­
стием ф осфоглюкомутазы включается в
гликолиз (9). В печени дополнительно об­
разуется свободная глюкоза, которая по­
ступает в кровь (10 ).
По мере уменьшения уровня цАМФ акти­
вируются фосфопротеинфосфатазы (1 1),
которые дефосфорилируют различные фосфопротеины описанного каскада и тем са­
мым останавливают расщепление гликогена
и инициируют его синтез. Эти процессы
протекают в течение нескольких секунд, так
что метаболизм гликогена быстро адапти­
руется к измененным условиям.
Б. Взаимопревращ ение
гликоген-ф осф орилазы О
Структурные изменения, которые сопровож­
дают взаимопревращения гликоген-фосфорилазы, были установлены рентгенострук­
турным анализом. Ф ермент представляет
собой дим ер с симметрией второго поряд­
ка. Каждая субъединица имеет активный
центр, который расположен внутри белка и в
Ь-форме плохо доступен для субстрата.
Взаимопревращение начинается с фосфо­
рилирования серинового остатка (Зег-14)
вблизи 1Ч-конца каждой из субъединиц. С
фосфатными группами связываются остатки
аргинина соседних субъединиц. Связывание
инициирует конформационные перестрой­
ки, которые существенно увеличивают срод­
ство фермента к аллостерическому актива­
тору АМФ. Действие АМ Ф и влияние конформационных изменений на активные цен­
тры приводят к возникновению более актив­
ной а-формы. После удаления фосфатных
остатков фермент самопроизвольно прини­
мает исходную Ь-конформацию.
Гормональный контроль
глюкоза
клеточный ответ
высвобождение
глюкозы
адреналин
123
гормональный
сигнал
р-адренэргический
рецептор
глюкагон
кровь
рецептор
сАМР
глюкоза
гликолиз
6-белок
аденилат
циклаза ‘
САМР
4.6.1.1
о
глюкозо6-фосфат
о
глюкозо-1
фосфат
клетка
печени
вторичныи
мессенджер
3,5 -сАМР
протеинкиназа А
2.7.1.37
киназа
фосфорилазы
клеточный
ответ:
остановка
синтеза
гликогена
2.7.1.38
фосфопротеин
фосфатаза
актив-ч
н
а
3.1.3.16
я
форма ра
протеинкиназа А (5)
V 2.7.1.37
гликоген
неактив
ная
форма
1ГОРглюкоза
актив­
ная
форма
гликоген
синтаза
2.4.1.11
О) неактив
ная
форма
А. Горм онал ьны й ко н тр о л ь р а с щ е п л е н и я гл и ко ге н а
место
киназа
фосфорилазы
2.7.1.38
остаток
аргинина
АМР
(активатор)
протеинфосфатаза
3.1.3.16
Фосфорилаза Ь (неактивная)
Б. В за и м о п р е в р а щ е н и е гл и ко ге н -ф о с ф о р и л а зы
Фосфорилаза а (активная)
124
Метаболизм. Энергетика
АТФ
Нуклеотидный кофермент а д е н о зи н тр и ф осф ат [АТФ (АТР)] является наиболее
важной ф ормой сохранения хим ической
энергии в клетках. Расщепление АТФ — вы­
соко экзоэргическая реакция. Химическая
энергия гидролиза АТФ (ДО, см. с. 22) может
использоваться для сопряжения (см. с. 126)
с эндоэргическими процессами, такими, как
биосинтез, движение и транспорт. Другие
нуклеозидтрифосфатные коферменты (ГТФ,
ЦТФ и УТФ), химически похожие на АТФ, вы­
полняют в метаболических процессах.иные
функции (см. с. 112).
7
А. АТФ: структура I
В АТФ цепочка из трех фосфатных остатков
связана с 5'-ОН-группой аденозина (см. с.
86). Фосфатные группы обозначаются как а,
р и у. Рибоза связана с а-фосфатом фосфоэфирной связью. Три фосфатных остатка со­
единены между собой менее устойчивыми
ф осф оангидридны м и связям и. При фи­
зиологических значениях рН АТФ несет че­
тыре отрицательных заряда.
Собственно действующим коферментом
является комплекс АТФ с ионом Мд2+, коор­
динационно связанным с а- и р-фосфатом
(Мд2+ - АТФ4 -, на рисунке не показан). Для
простоты чаще всего говорят только об АТФ.
Б. Ф осф оангидридны е связи О
Показанная на схеме А формула с изобра­
жением фосфатных остатков с простыми и
двойными связями не совсем точно отража­
ет распределение зарядов: в АТФ атомы ки­
слорода всех трех фосфатных остатков не­
сут примерно одинаковый отрицательный
заряд, в то время как атомы фосфора заря­
жены положительно. Одной из причин отно­
сительной нестабильности фосфоангидридных связей является сильное отталкивание
отрицательно заряженных атомов кислоро­
да, которое ослабевает при гидролитиче­
ском отщеплении концевой фосфатной
группы. Поэтому такие реакции являются
высоко экзоэргическими. Кроме того, при
гидролизе АТФ возникает свободный фос­
фат-анион, который лучше гидратирован и
более эффективно стабилизирован за счет
сопряжения, чем соответствующий остаток
в АТФ. Это также способствует высоко экзоэргическому характеру гидролиза АТФ.
В. Свободная энергия гидролиза
вы сокоэнергетических связей I
Изменение свободной энергии Д 0 о/ (см. с.
16) гидролиза фосфоангидридных связей в
АТФ при рН 7 в стандартных условиях соста­
вляет от -3 0 до -3 5 кДж/моль. Независимо
от того, какая из ангидридных связей АТФ
при этом расщепляется, величина Д С °' оста­
ется практически постоянной (1 -3 ). Даже
расщепление пирофосфата (4) дает в итоге
более -3 0 кДж/моль, в то время как расщеп­
ление сложноэфирной связи между рибозой
и
фосфатом
высвобождает
только
- 9 кДж/моль (5).
В клетке действительное изменение сво­
бодной энергии при гидролизе АТФ Д С ' еще
гораздо выше, так как концентрации АТФ,
АДФ и неорганического фосфата (Р,) суще­
ственно более низки, чем в стандартных ус­
ловиях, а АТФ присутствует в избытке по
сравнению с АДФ (см. с. 24). На величину
ДО' влияют также величина рН и концентра­
ция ионов Мд2+. Предположительно в фи­
зиологических условиях энергия гидролиза
АТФ до АДФ и неорганического фосфата
равна примерно -5 0 кДж/моль.
Немногие соединения содержат связи с
энергией гидролиза, достаточной, чтобы за
счет энергетического сопряжения обеспе­
чить синтез АТФ из АДФ и Р, (субстратное
фосфорилирование, см. с. 152). К таким мо­
лекулам с высоким потенциалом переноса
групп (см. с. 24) принадлежат фосфоенолпируват (6) и 1,3-дифосфоглицерат (7). Оба
соединения являются промежуточными про­
дуктами гликолиза (см. с. 152). Также «бога­
ты энергией» ацильные производные кофермента А (8 ), такие, как сукцинил-КоА,
гидролиз которого до сукцината сопряжен в
цитратном цикле с синтезом ГТФ (см. с.
138). Другой богатой энергией фосфатной
связью обладает креатинфосфат, с помо­
щью которого в мышце при необходимости
может регенерироваться АТФ (см. с. 328).
АТФ
фосфоэфирная
связь
/
О
О
0
0
0
II
II
II
- р - - о — р-- о — Р
I А
.
11 1 1
©0 Л е о Л ©0
125
Л
О — СН.
фосфоангидридные
связи
ОН
ОН
1'
аденозинтриХАТР
фосфат
а
рибоза
фосфатный остаток
А. АТФ: с тр у кту р а
5’
5*
кис—о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
н.
3*1
н
он
н
/\
/\
отрицательные
заряды
отталкиваются
он
:
резонансно
стабилизи­
рованная
структура
1
е1
распределение зарядов
Б. Ф о с ф о а н ги д р и д н ы е св я зи
ъ)
;
С
Г
ЧШЧ.щ
о
-20
сн,
II
%
с—О—(р)
он
соо.0
0 -0
V
Ё1- 1
к
о
Д г
~
-60
О -#
оч
«
С
-
I
©оос
СН
с = 0 (р)
соо ©
С в о б о д н ы е э н е р ги и ги д р о л и з а в ы с о к о э н е р ге т и ч е с к и х с в я зе й
он
о -©
СН»
126
Метаболизм. Энергетика
Энергетическое сопряжение
В клетке химическая энергия запасается в
виде так называемых «высокоэнергетиче­
ских» метаболитов. Наиболее важным таким
метаболитом, макроэргом (см. с. 22), обес­
печивающим энергией большое число энер­
гозависимых реакций, является АТФ.
А. Энергетическое сопряжение I
В качестве меры потенциала переноса фос­
фатных групп у высокоэнергетических со­
единений произвольно выбрано изменение
свободной энергии гидролиза Дб°' (см. сс.
24, 124). Это, однако, не означает, что АТФ
(АТР) в энергетически сопряженных реакци­
ях будет действительно гидролизоваться.
Гидролиз АТФ без сопряжения с эндергоническим процессом приводит лишь к выделе­
нию тепла. Сопряжение двух реакций воз­
можно при наличии общего промежуточного
продукта. Поясним это положение на приме­
ре реакции с участием глутаминсинтетазы.
Сначала концевая фосфатная группа перено­
сится с АТФ на глутамат с образованием вы­
сокоэнергетического смешанного ангидри­
да (а). На втором этапе (6) фосфатная груп­
па промежуточного продукта вытесняется
МНз с образованием глутамина и свободно­
го фосфата. Баланс и величина ДО°' суммар­
ной реакции соответствуют сумме балансов
и значений свободных энергий отдельных
реакций.
Б. Способы синтеза АТФ •
Так как синтез АТФ является высоко эндоэргической реакцией, он должен сопрягаться с
другим высоко экзоэргическим процессом.
В ходе эволюции сформировались два важ­
ных способа синтеза АТФ, которые реализу­
ются во всех клетках.
Наиболее эффективный способ синтеза
АТФ использует энергию градиента элект­
рохимического потенциала (см. с. 128) для
образования АТФ из АДФ (АОР) и неоргани­
ческого фосфата. Энергия для создания та­
кого градиента возникает в результате
окислительно-восстановительного процес­
са. Этот механизм называют окислительным фосфорилированием. Транспорти­
рующая Н* АТФ-синтаза (см. с. 144) ис­
пользует для синтеза АТФ энергию гради­
ента потенциала. У эукариот окислительное
фосфорилирование происходит только в
присутствии кислорода (т. е. в аэробных ус­
ловиях).
Второй, эволюционно более ранний спо­
соб синтеза АТФ осуществляется в анаэроб­
ных условиях. Он основан на переносе фос­
фатных остатков на АДФ через метаболит с
высоким потенциалом переноса ф ос­
фатных групп. В качестве примера здесь
представлено образование АТФ из креатинфосфата — соединения, которое служит в
мышцах энергетическим ресурсом (см. с.
328). Формально перенос фосфатной груп­
пы с креатинфосфата на АДФ является сум­
марной реакцией гидролиза креатинфосфа­
та (а) и синтеза АТФ (б).
В. Субстратное
фосфорилирование I
Кроме окислительного фосфорилирования,
в промежуточном метаболизме животных
только в двух реакциях неорганический фо­
сфат (Р|) переносится на АДФ (или соответ­
ственно ЦДФ) за счет высокого химического
потенциала. Такие процессы называют
«субстратным ф осф орилированием », по­
скольку они являются частью метаболиче­
ского пути («субстратной цепи»). Один из та­
ких промежуточных этапов — образование
ГТФ в цитратном цикле (см. с. 138); вторая
такая реакция, ответственная за образова­
ние макроэргических связей, осуществляет­
ся в процессе гликолиза (см. с. 152).
На схеме представлена реакция, катали­
зируемая глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой. Сначала 5Н-группа остатка цистеина молекулы фермента присоединяет
карбонильную группу глицеральдегид-3фосфата (а). Этот промежуточный продукт 1
окисляется НАД* с образованием макроэргической тиолсложноэфирной связи (б). На
третьей стадии (в) неорганический фосфат
замещает тиол с образованием смешанного
ангидрида 1,3-дифосфоглицерата. В этом
соединении фосфатный остаток обладает
настолько высоким потенциалом, что на
следующей стадии может переноситься на
АДФ (не показано, см. с. 148).
Энергетическое сопряжение
глутамат
АОа,
кДж/моль
у-глутамилфосфат
одиночная
реакция
127
аммиак
сопряженная
реакция
глутамин
А. Э н е р ге ти ч е с ко е с о п р я ж е н и е
фосфат
ьглутаминсинтетаза 6.3.1.2
глицеральдегид- с
3-фосфат
р^
глицераль
дегид-3фосфатдегидрогеназа
1.2 . 1.12
креатин
фосфат
промежуточный
продукт 1
Якреатинкиназа
2.7.3.2
ЩШШШ
3.611.34
ДО*
кДж/моль
креатин
промежуточный !чА,\л
продукт 2
К - 4 с —-5
неоргани
ческий
фосфат
тиоэфир
2. Сопряженный
1. Сопряженный
Н+-транспорт
гидролиз
метаболита
(окислительное
фосфорилирование)
1,3-дифосфо- К
глицерат
Б. С по соб ы с и н т е з а АТФ
В . С уб с тр а тн о е ф о сф о р и л и р о в а н и е
смешанный ангидрид
128
Метаболизм. Энергетика
Сохранение энергии на мембранах
Наряду с макроэргическими соединениями
другим местом накопления химической
энергии являются биологические мембра­
ны. В технике система, работающая за счет
разделения электрических зарядов непро­
водящим слоем, называется конденсато­
ром. По принципу конденсатора функциони­
руют биомембраны, разделяющие подобно
изолирующему слою заряженные атомы и
молекулы (ионы).
А. Э лектрохим ический градиент
В то время как искусственная липидная
мембрана для ионов практически не прони­
цаема, биологические мембраны содержат
«ионные каналы», по которым отдельные
ионы избирательно проникают через мемб­
рану (см. с. 220). Проницаемость и поляр­
ность мембраны зависят от эл е ктр о хи м и ­
че ско го градиента, т. е. от концентраций
ионов по обе стороны мембраны (концент­
рационного градиента) и от разности элект­
рических потенциалов между внутренней и
внешней сторонами мембраны (м ем бран­
ного потенциала).
В состоянии покоя клеток мембранный
потенциал (потенциал покоя, см. с. 340)
составляет от -0 ,0 5 до -0 ,0 9 В, т.е. на внут­
ренней стороне плазматической мембраны
преобладает избыток отрицательных заря­
дов. Потенциал покоя обеспечивается преж­
де всего катионами № + и К+, а также органи­
ческими анионами и ионом С Г (1). Концент­
рации снаружи и внутри клетки и коэффици­
енты проницаемости этих ионов приведены
в таблице (2).
Распределение ионов между внешней
средой и внутренним объемом клетки опи­
сывается уравнением Нернста (3), где ДЧ'с
— трансмембранный потенциал (в вольтах,
В), т.е. разность электрических потенциалов
между двумя сторонами мембраны при от­
сутствии транспорта ионов через мембрану
(потенциал равновесия). Для одновалент­
ных ионов при 25вС множитель ВТ/Рп равен
0,026 В. Вместе с тем из таблицы (2) следу­
ет, что для ионов К+ ДЧ'о примерно равно
-0 ,0 9 В, т. е. величина того же порядка, что и
потенциал покоя. Для ионов Ыа+, напротив,
ДЧ'е « +0,07 В, т.е. выше, чем потенциал по­
коя. Поэтому ионы 1Ча+ поступают в клетку
при открытии 1Ма+-канала (см. с. 340). Нера­
венство концентраций ионов Ыа+ и К+ посто­
янно поддерживается Ы а*/К*-АТФ -азой при
расходовании АТФ (см. с. 222).
Б. Протондвижущ ая сила I
Ионы гидроксония («Н+-ионы») также могут
формировать электрохимический градиент.
Такой протонны й градиент имеет решаю­
щее значение для клеточного синтеза АТФ
(см. с. 142). Как и в случае других ионов,
свободная энергия переноса протона (раз­
ность между электрохимическими потенци­
алами протонов на двух сторонах мембра­
ны) зависит от градиента концентрации, т. е.
от разности рН (ДрН) по ту и другую стороны
мембраны. Кроме того, определенный вклад
вносит и трансмембранный потенциал ДЧ*
(см. А). Обе эти величины формируют протондвиж ущ ую сил у Др, являющуюся мерой
работы ДЧ'о, которую может совершать Н+градиент. Таким образом, протонный гради­
ент через внутреннюю митохондриальную
мембрану (см. с. 144) дает примерно 24 кДж
на моль переносимых ионов Н+.
В. П оддержание протонного
градиента I
Протонные градиенты формируются раз­
личными способами. Необычным протон­
ным насосом является бактериород опсин
(1), использующий энергию света (см. с.
130). При фотосинтезе (см. с. 134) восстано­
вленный пластохинон (ОНг) переносит про­
тоны вместе с электронами через мембрану
(О-цикл, 2). Образование протонного гради­
ента в ды хательной цепи (см. с. 142) также
сопряжено с окислительно-восстановительным процессом. В комплексе III, по-видимому, как и при фотосинтезе, за перенос про­
тона ответствен О-цикл (не показано). В ци­
тохром с-о кси д а зе (комплекс IV, 3) Н+транспорт сопряжен с электронным потоком
от цитохрома с на ОгВ каждом из этих случаев протонный гра­
диент используется в синтезе АТФ АТФси н та зо й (4). АТФ-синтаза состоит из двух
компонентов: канала протонов (Ро) V» управ­
ляемого им белкового комплекса (РО, кото­
рый трансформирует энергию потока прото­
нов через мембрану в химическую энергию
АТФ (см. с. 144).
Сохранение энергии на мембранах
внутри
клетки
снаружи
2Н® с
© органические
анионы
1. Источники ф ормирования градиента
Ф Ыа
©К
Ион
© С1
1- С ветозави­
симы й про­
тонный насос
(бактериородопсин)
ретиналь
Концентрация
Коэффициент
“
------------------- проницаемости
в цитовне
лазме,
клетки,
мМ
мМ
109, см /с
2. Пластохиноновый
О -цикл в
растениях
СР
органи -0
ческие
анионы
2. Концентрации
ЬЛ-комп
леке
снаружи
цито­
хром с
внутри
и - газовая постоянная, п - количество ионов
Т - температура (К), р - константа Фарадея
3. Уравнение Нернста
А. Электрохимический градиент
мембранный
потенциал
градиент рН
ДрН = рНа - рН|
(в единицах рН)
3. Электроно
зависимый
протонный
насос
(цитохром с
-оксидаза)
белок
4. Протоно
зависимый
синтез АТР
протондвижущая сила
I—
Б. Протондвижущая сила
[р
р
р)
-------
АТР
129
— у поток протонов
1--——1/ поток электронов
В. Поддержание протонного
градиента
130
Метаболизм. Энергетика
Фотосинтез: световые реакции
Наиболее важным источником энергии почти
для всех живых существ является солнечный
свет. Энергия света в процессе фотосинте­
за используется для синтеза органических
соединений из СОг и воды. Благодаря дея­
тельности фотоавтотрофных организмов
(растений, водорослей, определенных бакте­
рий) становится возможным существование
гетеротрофных организмов (например, жи­
вотных), питание которых состоит из органи­
ческих веществ (см. с. 114). Жизненно необ­
ходимый для высших организмов атмосфер­
ный кислород также поступает в атмосферу
преимущественно благодаря фотосинтезу.
А. Ф отосинтез: общ ие сведения I
Химический баланс фотосинтеза выглядит
предельно просто: из 6 молекул СОг строит­
ся молекула гексозы (на схеме справа). Не­
обходимый для этого процесса восстанов­
ления водород берется из воды; образую­
щийся в ходе фотосинтеза молекулярный
кислород является всего лишь побочным
продуктом (на схеме слева). Процесс нужда­
ется в энергии света, так как вода — очень
плохой восстановитель и не способна вос­
станавливать СОгВ светозависимой части фотосинтеза,
«световой реакции», происходит расщеп­
ление молекул Н2О с образованием прото­
нов, электронов и атома кислорода. Элек­
троны, «возбужденные » энергией света, до­
стигают уровня энергии, достаточного для
восстановления НАДФ+ (МА0Р+). Образую­
щийся НАДФ + Н+, в противоположность
НгО, является подходящим восстановите­
лем для «фиксации» СОг, т. е. для перевода
диоксида углерода в органическое соедине­
ние. В световой реакции также образуется
АТФ (АТР), который также необходим для
фиксации СОг- Если в системе присутствуют
НАДФН + Н+, АТФ и соответствующие фер­
менты, фиксация СОг может протекать так­
же в темноте; такой процесс называется
«темновой реакцией».
Возбуждение электронов для образова­
ния НАДФН — это сложный фотохимический
процесс, в котором участвует хлорофилл —
зеленый, содержащий ионы Мд2+ тетрапиррольный пигмент, несущий дополнительно
остаток фитола.
Б. Световые реакции О
В зеленых водорослях и высших растениях
фотосинтез происходит в хлоропластах.
Это органеллы, которые, подобно митохон­
дриям, окружены двумя мембранами и со­
держат собственную ДНК. Во внутреннем
пространстве, строме, находятся тилакоиды, уплощенные мембранные мешки, кото­
рые будучи сложены стопками образуют
граны. Внутреннее содержимое тилакоида
называют люменом. Световые реакции ка­
тализируются ферментами тилакоидной
мембраны, в то время как темновые реакции
происходят в строме.
Как и в дыхательной цепи (см. с. 142) в
световых реакциях электроны переносятся
по электронтранспортной цепи от одной
окислительно-восстановительной системы
к другой. Однако по сравнению с дыхатель­
ной цепью в этом случае электроны движут­
ся в противоположном направлении. В ды­
хательной цепи электроны переносятся с
НАДН на Ог с образованием воды и выделе­
нием энергии, а при фотосинтезе электро­
ны переносятся с воды на НАДФ+ при затра­
те энергии. Таким образом, фотосинтетический перенос электронов в энергетическом
отношении подобен «подъему в гору». В оз­
буждение электронов за счет энергии по­
глощенного света происходит в двух реак­
ционных центрах (фотосистемах). Это
белковые комплексы, содержащие множе­
ство молекул хлорофилла и других пигм ен­
тов (см. с. 132). Д ругим компонентом
транспортной цепи является комплекс ци­
тохрома Ъ/1 — агрегат интегральных мем­
бранных белков, содержащий два цитохро­
ма (Ьббз и Т). Ф ункции мобильных перенос­
чиков электронов выполняют подобный
убихинону пластохинон и два раствори­
мых белка — медьсодержащий пластоцианин и ферредоксин. В конце цепи нахо­
дится фермент, который переносит элект­
роны на НАДФ+.
Так как фотосистема II и комплекс цито­
хрома ЬД передают протоны от восстанов­
ленного пластохинона в люмен, фотосинтетический электронный транспорт формиру­
ет электрохимический градиент (см. с.
128), который используется АТФ-синтазой
для образования АТФ. Как АТФ, так и
НАДФН + Н+, необходимые для темновой
реакции, образуются в строме.
131
Фотосинтез: световые реакции
остаток фитола
12 МАРРН + Н®
темнова;
реакция
(цикл
Кальвина
хлорофилла
поток электронов
поток протонов
А. Ф о т о с и н т е з : о б щ и е св е д е н и я
внешняя тилакоид
мембрана
^
люмен
клеточная стенка
плазматическая
мембрана
клеточное
ядро
вакуоль
строма
грана
хлоропласт
цитоплазма
строма
ЫДОРН + Н
1
тилакоидная мембрана
люмен
МАРР
ферредоксин(Рд)
фотосистема I
пласто
хинон
пластоцианин
ферредоксин
ЫАРР®редуктаза
1.1В. 1.2
АТР-синтаза
Фотосистема II 2
Б. С ветовая р е а кц и я
Комплекс цитохрома Ь/1
3.6.1.34
132
Метаболизм. Энергетика
Фотосинтез: темновые реакции
А. Ф о то с и с те м а II Э
Ф отосинтетический перенос электронов у
растений начинается с ф отосистемы II (Ф С
II, см. с. 130). Ф С II состоит из множества
белковых субъединиц (окрашены в коричне­
вый цвет), которы е сод ерж ат связанны е
пигменты , т. е. молекулы красителей, уча­
ствующ ие в поглощ ении и передаче энергии
света. На схеме приведены лишь наиболее
важные пигменты , в числе которых специ­
альный светопоглощ аю щ ий хлорофилл {р е ­
акционны й центр Реао), соседний феофитин
(хлорофилл, не содержащ ий ионов Мд +) и
два связанных пластохинона (Од и Ов)- Тре­
тий хинон ( О р ) связан не с Ф С II, а принадле­
ж ит к пл астохиноновом у «пулу». Белые
стрелки указываю т направление электрон­
ного потока от молекул воды к Ор. Только
около 1% молекул хлорофилла в Ф С II непо­
средственно участвуют в ф отохимическом
переносе электронов (см. с. 130). Основная
часть связана с другим и пигментами в так
назы ваем ом ко м п л е кс е св ето со б и р аю ­
щ ей антенны (окраш ен в зеленый цвет).
Э нергия квантов света, накопленная в ком п­
лексе, передается в реакционный центр, где
и утилизируется.
На рис. 2 постадийно показан ф отосинте­
тический электронный транспорт в Ф С И. По­
ступаю щ ая от светособираю щ ей антенны
энергия света (а) переводит электрон реак­
ционного центра молекулы хлорофилла в
возбужденное «синглетное состояние ». В оз­
бужденный электрон немедленно перено­
сится на соседний ф еоф итин. Вследствие
это го в реакционном центре остается «элек­
тронная дыра», т. е. положительно заряжен­
ный радикал Рево (б). Эта дыра заполняется
электроном , который отнимается от молеку­
лы воды водорасщ епляю щ им ф ерм ентом
(б). Возбужденный электрон переносится с
феоф итина через Од на акцептор Ов, пере­
водя его в семихиноновы й радикал (в). Ов
восстанавливается вторым возбужденным
электроном д о гидрохинона (г) и, наконец,
обменивается на окисленный хинон (Ор) из
пластохинонового пула. Дальнеиш ии транс­
п о р т эл е ктр о но в пл астохинонового пула
протекает, как представлено в предыдущем
разделе и на схеме Б.
Б. Окислительно-восстановитель­
ные ряды О
Из стандартных потенциалов Е0/ (см. с. 38)
наиболее важных окислительно-восстано­
вительных систем световых реакций следу­
ет, что для переноса электронов от Н20 на
НАДФ+ необходимы два процесса возбуж­
дения. После возбуждения в ФС II Е°' воз­
растает примерно от -1 В до положительных
величин для пластоцианине, т. е. энергия
электронов должна повышаться в ФС I еще
раз. Если НАДФ+ недоступен, фотосинтети­
ческий электронный транспорт все же мож­
но использовать для синтеза АТФ. При цик­
лическом фотофосфорилировании элек­
троны возвращаются от ферредоксина (Рс1)
через пластохинонный пул на ЬД-комплекс.
Эта разновидность электронного транспор­
та не приводит к образованию НАДФН, а
формирует протонный градиент и тем са­
мым обеспечивает синтез АТФ.
В . Цикл Кальвина О
Синтез гексоз из С 02 представлен здесь
схематически, а полная схема реакции дана
на с. 395. Собственно фиксация С 02, т. е.
включение С 0 2 в органические соединения,
катализируется рибулозодифосфат-карбоксилазой/оксигеназой. Этот, по-видимому,
наиболее распространенный на земле фермент, превращает рибулозо-1 ,5-дифосфат,
СОг и воду в две молекулы 3 -фосфоглицерата, которые затем через 1,3 -дифосфоглицерат и 3 -фосфоглицерат превращаются в
глицеральдегид-3-фосфат. Таким образом,
из 6 молекул С 0 2 образуются 12 молекул
г л и ц е р а л ь д е г и д - 3 - ф о с ф а т а . Две молекулы
этого промежуточного метаболита исполь­
зуются в глюконеогенезе для синтеза глюкозо-6-фосфата (на схеме внизу справа). Из
остающихся 10 молекул глицеральдегид-4фосфата регенерируются 6 молекул рибу­
5-дифосфата и цикл начинается
снова В цикле Кальвина АТФ расходуется
д ,я фосфорилирования 3-фосфоглицерата
л
о
з
о
-
1
,
и соответственно рибулозо-5-фосфата.
Второй продукт световой реакции^ НАДФН,
расходуется при восстановлении,1,31Д
фосфоглицерата в глицеральдегид-3-фос
фат.
Фотосинтез: темновые реакции
прочно
связанный
хинон
комплекс
светосо­
бираю­
щей 'А
антенны
обменивавмый хинон
пласто
хинон
133
фотохими
ческое
возбужде-
реакцион­
ный центр
МАРР©
(рб8о)
феофитин
водорасщеп
ляющий
фермент
4-г 4 Мп
НоО иона
циклическое
фотофосфорилирование
Б. О кислительно-восстановительны е ряды
пластохинон
(окис­
ленный)
А. Ф о т о с и с т е м а II
обмен
О в (восст)
О р(окисл)
1—1 карбоксилаза/оксигеназа 4 . 1.1.39
[о] фосфоглицераткиназа
™ 2.7.2.3
глюкозо­
б-фосфат
д гли^е^аль^еги^фосфатдегидрогеназа
глюконеогенез
ИЗ фосфорибулозокиназа 2.7.1.19
В. Ц икл К альвина
2 глицеральдегид
3-фосфат
134
Метаболизм. Энергетика
Молекулярные модели
фотосистем
(2, вверху) переносится через другой аспартатный остаток (зеленого цвета) к ретиналю.
На схеме в упрощенной форме представлены
бактериородопсин архебактерий На!оЬасХепит Ьа/оЬмт и фотосистема пурпурных бак­
терий ЯЬодорзеидотопаз ш Ш з. Обе молеку­
лы принадлежат к немногим трансмембран­
ным белкам, структуры которых известны и
могут служить в качестве модельных систем
для подробного изучения фундаментальных
механизмов энергетического обмена.
Б. Реакционны й центр
ЯЬоборзеидотопаз мгкНз О
А. Б актериородопсин О
Бактерии семейства Н а/оЬа&епцт растут
при крайне высоких концентрациях соли, на­
пример в морской воде. Плазматическая
мембрана этих бактерий содержит белок,
подобный родопсину глаза (см. с. 346) и по­
том у названный б а к т е р и о р о д о п с и н о м .
Этот белок способен непосредственно ис­
пользовать энергию солнечного света для
создания электрохим ического градиента
(см. с. 128). В основе процесса, как и при
зрительном процессе, лежит индуцируемая
светом ц и с- транс-изомеризация ретиналя.
Белковая часть молекулы бактериородопсина в основном состоит из 7 а-спиралей (голубого цвета), пронизывающих мем­
брану и образующ их полый цилиндр. О с­
тальная часть молекулы и боковые цепи
аминокислот не представлены. Внутри ци­
линдра располож ена молекула ретиналя
(оранжевого цвета), ковалентно связанная
альдегидной группой с е-аминогруппой о с ­
татка лизина (красного цвета). В темноте ретиналь находится в полностью транс-форме,
а альдиминная группа протонирована (см. с.
346). При освещении ретиналь перегруппи­
ровывается в 13-цис-ф орму, а альдиминная
группа отдает протон, который «откачивает­
ся» наружу двумя аспартатными остатками
(светло-голубого цвета; на рис. 2 внизу).
После возвращения ретиналя в полностью
транс-ф орму альдиминная группа снова
связывает протон. Внутриклеточный протон
Фотосистема пурпурных бактерий ПЬойорзеийот опаз улпсЛз похожа по строению на
фотосистему II высших растений. В отличие
от растений в бактериальной системе доно­
ром электронов является не вода, а они по­
ступают из электронпереносящей цепи, со­
держащей цитохром (на схеме не показано).
На схеме приведены только трансмемб­
ранные фрагменты бактериородопсина. О
примерной толщине мембраны можно су­
дить по липидным молекулам (слева и спра­
ва). Шесть трансмембранных спиралей из
трех субъединиц (показаны окрашенными в
различные тона голубого цвета) формируют
внутримембранное пространство, которое
наполнено цепями молекул пигментов (не­
сколько пигментов, которые не принимают
непосредственного участия в электронном
транспорте, опущено). Принцип фотосинтетического электронного транспорта обсуж­
дается на стр. 130.
В ЯМ. \лпб 1’ 3 энергию света поглощают две
соседние молекулы хлорофилла, образую­
щие «специальную пару» (зеленого цвета, а
ион Мд2+ — красного). Максимум поглоще­
ния этих молекул находится при 870 нм, по­
этому бактериальный реакционный центр
обозначается также Рв70После возбуждения электрон переносит­
ся реакционным центром на смежную сво­
бодную от магния молекулу феофитина
(оранжевого цвета) всего за несколько пи­
косекунд (1 пс = 10-12 с), а затем в течение
примерно 200 пс передается на прочно свя­
занный хинон 0 А (слева наверху, желтого
цвета). В то же самое время снова заполня­
ется электронная дыра в «специальной па­
ре». Через примерно 0,2 мс возбужденный
электрон достигает обмениваемого хинона
Ов (справа наверху, желтого цвета), с кото­
рым покидает фотосистему.
Молекулярные модели фотосистем
т
1. Вид сверху
ретиналь
А. Бактериородопсин
Б. Реакционный центр Я Ь о б о р з е и й о т о п а з у/псНз
2. Вид сбоку
135
136
Метаболизм. Энергетика
Дегидрогеназы кетокислот
В пром еж уточном метаболизме имеются
мультиферментные комплексы, катализиру­
ющие сложную многостадийную реакцию
окислительного декарбоксилирования 2кетокислот и переноса образую щ егося
ацильного остатка на кофермент А. В качест­
ве акцептора электронов выступает НАД*.
Кроме того, в реакции участвуют тиаминдифосфат, липоамид и ФАД. К дегидрогена­
зам кетокислот относятся: а) пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ, пируват—»ацетил-КоА ), б) 2-оксоглутаратдегидрогенаэный комплекс цитратного цикла (ОГД, 2-оксоглутарат—ю укцинил - КоА) и в) участвую­
щий в катаболизме разветвленных цепей валина, лейцина и изолейцина дегидрогенаэный комплекс (см. с. 402). В качестве при­
мера здесь рассмотрен ПДГ-комплекс.
А . П и р у в а т д е ги д р о ге н а з а :
реакци я О
В пируватдегидрогеназной реакции участву­
ют три различных фермента [1 -3 ]. Пируват­
дегидрогеназа (Е1) катализирует декарбок­
сил ирование пирувата, перенос образован­
ного гидроксиэтильного остатка на тиаминдиф осф ат (ТРР, 1 а), а также окисление гидроксиэтильной группы с образованием аце­
тильного остатка. Этот остаток и полученные
восстановительные эквиваленты переносят­
ся на липоамид (1 6 ). Следующий фермент,
дигидролипоамидацетилтрансф ераза ( Е 2 )
переносит ацетильный остаток с липоамида
на коф ермент А (2), при этом липоамид
восстанавливается до дигидролипоамида.
Последний снова окисляется до липоамида
третьим ферментом, дигидролипоамиддегидрогеназой (ЕЗ) с образованием НАДН ♦
Н+ (ЫАОН + Н+) (3). Электроны переносятся
на растворимый НАД* через ФАД и катали­
тически активны й дисульф идный м остик
субъединицы ЕЗ.
Пять разных коферментов этой реакции
различными способами ассоциированы с
белковыми компонентами ферментов. Тиаминдифосфат нековалентно связан на Е1
Липоамид ковалентно связан с остатком ли­
зина Е2, а ФАД прочно ассоциирован • виде
простетической группы на ЕЗ. НАД* (ЫАО+) и
кофермент А взаимодействуют с комплек­
сом в виде растворимых коферментов
Б. Пируватдегидрогеназный
ком плекс ЕзсЬеНс/н’а со// Э
Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДГ комплекс) бактерии ЕэсЬепсЬт со* доста­
точно подробно исследован. Он имеет мо­
лекулярную массу от 5,3 • 10® Да и диаметр
больше 30 нм, т. е. ПДГ-комплекс крупнее,
чем рибосома. Комплекс состоит из 60 по­
липептидов (1 , 2): 24 молекулы Е2 (8 триме ров) образуют ядро комплекса кубической
формы. Каждая из 6 граней этого куба занята димерами (возможно, тетрамерами) ком­
понентов ЕЗ, в то время как на 12 ребрах ку­
ба лежат димеры молекул Е1. Другие дегид­
рогеназы кетокислот построены аналогич­
но, но могут отличаться числом субъединиц
и молекулярной массой.
Пространственная организация состав­
ных частей комплекса очень важна для ката­
лиза. Кофермент, липоевая кислота, очень
подвижен благодаря образованию связи с
ли зи новым остатком фермента Е2 "Ручка"
липоамида длиной примерно 1,4 нм в про*
цессе катализа перемещается между В и ЕЗ
(3). Липоамид таким способом может вэаи
модействовать как со связанным в Е1 тиаминдифосфатом. так и с растворимым коферментом А и акцептирующим электроны
Ф АД в ЕЗ. Белковый домен ацетилтрансфе
разы, который связывает липоевую кислоту,
очень гибок. Это дополнительно повышвет
дальность действия липоамидной -ручки».
Регуляция ПДГ - комплекса организма жи­
вотных обсуждается на с, 152.
Дегидрогеназы кетокислот
пируват
з
137
пируватдегидрогеназа 1.2.4.1
ди гидрол ипоам идацетилтрансфераза 2.3.1.12
дигидролипоамиддегидрогеназа 1.8.1.4
з гидрокси
этил-ТРР
МАР®
з ацетиллипоамид
1ЧА0Н+Н®
с — сн, ацетил-СоА
п
3
~
4
А. П и р у в а тд е ги д р о ге н а за : р е а кц и я
кофермент А
Б. П и р у в а тд е ги д р о ге н а зн ы й к о м п л е к с
ЕзсНепсЫа соИ
138
Метаболизм. Энергетика
Цитратный цикл: реакции
В цитратном цикле (цикл лимонной кислоты;
метаболический процесс, протекающ ий в
матриксе митохондрий) ацетильные остатки
(СН 3СО—) окисляются до диоксида углеро­
да (СОг). Полученные при этом восстанови­
тельные эквиваленты переносятся на НАД+
или убихинон и включаются в дыхательную
цепь (см. с. 142). Центральная роль цитратного цикла в метаболизме клетки рассмат­
ривается на с. 140.
А. Цитратны й цикл I
Ббльшая часть потребляемого в цитратном
цикле ацетил-КоА получает ацетильные ос­
татки, образовавшиеся в результате р-о кис­
ления жирных кислот (см. с. 166) и окисли­
тельного декарбоксилирования пирувата,
катализируем ого пируват дегидрогеназой
(см. с. 136). Оба процесса протекают в мат­
риксе митохондрий.
Окисление ацетильных остатков включает
ряд промежуточных стадий, образую щ их
цикл: сначала ацетильная группа в реакции,
катализируемой цитрат-синтазой [ 1 ], кон­
денсируется с молекулой оксалоацетата с
образованием цитрата (цикл получил свое
название по продукту этой реакции). На сле­
дующей стадии [ 2 ] ц итр ат изомеризуется в
и з о ц и т р а т с переносом гидроксильной
группы внутри молекулы. При этом проме­
жуточный продукт реакции, ненасыщенный
аконитат, остается во время реакции свя­
занным с ферментом (на схеме не показа­
но). Поэтому фермент, катализирующий ре­
акцию, называют а ко н и та т-ги д р а та зо й [ 2 ]
(«аконитазой»).
Свойства аконитат-гидратазы обеспечи­
вают абсолю тную стереоспецифичность
изомеризации. В то время как цитрат не об­
ладает хиральностью, изоцитрат содержит
два асимметрических центра и может суще­
ствовать в четырех изомерных формах. Од­
нако в цитратном цикле образуется только
один из стереоизомеров, (2#,35)-изоцитрат
(см. с. 16).
На следующей стадии изоцитратдегидрогеназа (3) окисляет гидроксигруппу изоцит­
рата в оксогруппу с одновременным отщ еп­
лением одной из карбоксильных групп в ви­
де СОг и образованием 2-оксоглутарата.
Последующее образование сукцинил-КоА
[4], включающее реакции окисления и де­
карбоксилирования, катализируется мультиферментным комплексом, 2-оксоглутаратдегидрогеназой (дегидрогеназы кетокислот рассмотрены на предыдущей стра­
нице). Расщепление тиолсложноэфирной
связи сукцинил-КоА с образованием сукцината и кофермента А, катализируемое сукцинат-КоА-лигазой [«тиокиназой» (5)], —
высокоэкзоэргическая реакция, энергия ко­
торой используется для синтеза фосфоангидридной связи («субстратного фосфорилирования», см. с. 126). В цитратном цикле
синтезируется не АТФ, как в большинстве
таких реакций, а гуанозинтриф осф ат [ГТФ
( 6ГГР)], который легко превращается в АТФ
нуклеозиддифосфаткиназой (на схеме не
показано).
»приведенных реакциях ацетильный ос­
таток полностью окисляется до С 02. Однако
одновременно молекула переносчика окса­
лоацетата восстанавливается в сукцинат. В
трех последующих реакциях цикла сукцинат
снова превращается в оксалоацетат. Внача­
ле сукцинатдегидрогеназа [ 6] окисляет сук­
цинат в ф умарат. В отличие от других фер­
ментов цикла сукцинатдегидрогеназа явля­
ется интегральным белком внутренней ми­
тохондриальной мембраны. Поэтому ее от­
носят также к комплексу II дыхательной це­
пи. Сукцинатдегидрогеназа содержит ФАД
(РАО) в качестве простетической группы, од­
нако фактическим акцептором электронов
является убихинон. Затем к двойной связи
фумарата с помощью фумарат-гидратазы
(«фумаразы», [7]) присоединяется вода и
образуется хиральный (25)-м алат. На пос­
ледней стадии цикла малат окисляется малатдегидрогеназой [ 8] в оксалоацетат с об­
разованием НАДН + Н+. Эта реакция замы­
кает цитратный цикл.
Общий баланс цитратного цикла состоит
в том, что из одного ацетильного остатка об­
разуются 2 С 0 2, 3 НАДН + Н+ и одна молеку­
ла восстановленного убихинона (ОНг). При
этом за счет восстановленных форм коферментов путем окислительного фосфорилирования в клетке синтезируются 9, а с уче­
том трансформации одной молекулы ГТФ
10 молекул АТФ (см. с. 148).
Цитратный цикл
хиральныи центр
139
ацетил
СоА
(25) - малат
фумарат
оксапоацетат
убихинол
ОН2
дыхательная
цепь
сукцинат
цитрат
сукцинил-С оА
(2Я,35)-изоцитрат
сукцинатдегидрогеназа 1.3.5.1
[РАО, Рв2^2« ^ е4^4]
ф умарат-гид ратаза
4.2.1.2
малатдегидрогеназа 1.1.1.37
140
Метаболизм. Энергетика
Цитратный цикл:
метаболические функции
Цитратны й цикл: ф ункции •
Цитратный цикл (см. с. 138) играет цент­
ральную роль в промежуточном метаболиз­
ме клетки. Наряду с катаболическими и ана­
болическими цикл выполняет и ам ф иболич е ски е ф ункции. Промежуточные соедине­
ния цитратного цикла, включая такие важ­
ные метаболиты, как пируват и ацетил-КоА,
способные окисляться до СОг, идентичны
промежуточным соединениям многих катаболических путей. Образующиеся в цикле
восстановительные эквиваленты (см. с. 20)
окисляются в дыхательной цепи (окисли­
тельное ф осф орилирование) с образовани­
ем АТФ (АТР) (см. ниже).
Промежуточные соединения цитратного
цикла вклю чаю тся во м н о ги е процессы
биосинтеза, например в биосинтез гл ю ко ­
зы (глюконеогенез ; оксалоацетат и малат),
синтез порф иринов (сукцинил-КоА) и син­
тез а м и н о ки сл о т (2-оксоглутарат, оксало­
ацетат). Кроме того, цитратный цикл постав­
ляет в ц и то пл азм у ацетил-КоА , необходи­
мый для синтеза жирных кислот и изопреноидов.
Ацетил-КоА, образующийся в матриксе
митохондрий при участии пируватдегидрогеназы (см. с. 136), не может проходить че­
рез внутреннюю митохондриальную мемб­
рану. Поэтому ацетильный остаток конден­
сируется митохондриальной цитрат-синтазой с оксапоацетатом с образованием цит­
рата. Последний переносится в цитоплазму
по механизму антипорта с малатом (см. с.
214), где снова расщепляется АТФ-зависимой цитрат-лиазой [4] с образованием ацетил-КоА и оксалоацетата. Образовавшийся
оксалоацетат восстанавливается цитоплаз­
матической малатдегидрогеназой [2] в ма­
лат, который возвращается в митохондрии
за счет антипорта или подвергается окисли­
тельному декарбоксилированию «малатферментом» [5] с образованием пирувата.
Образующийся НАДФН + Н+ принимает уча­
стие в биосинтезе жирных кислот.
Промежуточные продукты цитратного цик­
ла присутствуют в митохондриях лишь в
очень незначительных количествах. При
окислении ацетил-КоА они вновь регенери­
руются, так что их концентрации остаются
практически постоянными. В то же время
анаболические процессы быстро истощают
пул некоторых промежуточных продуктов ци­
кла. Поэтому их запас постоянно пополняет­
ся за счет метаболитов, поступающих из дру­
гих источников. Ферментативные процессы,
пополняющие запас промежуточных продук­
тов цикла, называются анаплеротическими
(возмещающими) реакциями (см. с. 168).
Анаплеротический характер носит дегра­
дация большинства аминокислот, так как
при этом образуются промежуточные со­
единения цикла или пируват (глюкогенные
аминокислоты, см. с. 156). Фактически глю­
конеогенез поддерживается в основном за
счет деградации аминокислот. Особенно
важной анаплеротической стадией в мета­
болизме животных является превращение
пирувата в оксалоацетат. Эта АТФ-зависимая реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой [1], позволяет включать в глюко­
неогенез пируватпоставляющие аминокис­
лоты и лактат.
В отличие от пирувата ацетил-КоА не яв­
ляется анаплеротическим метаболитом у
высших животных. Его углеродный скелет
полностью окисляется до СОг и поэтому не
принимает участия в биосинтезе. Поскольку
при деградации жирных кислот образуется
ацетил-КоА, клетки животных не в состоя­
нии превращать жирные кислоты в глюкозу.
Поэтому при голодании в организме прежде
всего утилизируются не жиры, а белки. Вы­
свободивш иеся аминокислоты, напротив,
могут превращаться и в жирные кислоты, и
в глюкозу и, тем самым, поддерживать уро­
вень сахара в крови (см. с. 300).
Дополнительная информация I
В растениях и бактериях ацетил-СоА пре­
вращается в сукцинат в так называемом
гл иоксил атном цикле, тесно связанном с
цитратным циклом. Эти организмы способ­
ны осуществлять анаплеротическую дегра­
дацию нейтральных жиров. В растениях глиоксилатный путь локализован в особых органеллах, глиоксисомах.
Цитратный цикл: метаболические функции
незаменимые
аминокислоты
141
глюкоза
жиры
оксалоацетат
необратимо
ацил
СоА
угле­
воды
пируват
малат
цитоплазма
карнитиновый челнок
пируват
необратимо
малат
оксало
ацетат
ацетил
СоА
ацил
СоА
р-окисление
митохондриальныи
матрикс
л
малат
АйР+Р
оксало
ацетат
цитрат
фумарат
цитра
ацетил
СоА
сукцинат
изоцитрат
жирные
кислоты
сукцинил
СоА
2-оксоглутарат
жиры
пируваткарбоксилаза
6.4.1.1
порфирин
малатдегидрогеназа
1.1.1.37
убихинол
(ОН2)
МУШН+Н
фосфоенол п ируваткарбоксикиназа 4.1.1.32
цитрат-лиаза 4.1.3.8
окислительное
фосфорилирование
“ малат-фермент"
1.1.1.40
* катаболический путь
►анаболический путь
►анаплеротический путь
А. Ц и тр а тн ы й ц и кл : ф ун кц и и
142
Метаболизм. Энергетика
Дыхательная цепь
Д ы хательная цепь является частью про­
цесса окислительного фосфорилирования
(см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи
катализируют перенос электронов от
НАДН + Н+ или восстановленного убихинона
(ОН2) на молекулярный кислород. И з-за
большой разности окислительно-восстано­
вительных потенциалов донора (НАДН + Н+
и, соответственно, ОН2) и акцептора (Ог) ре­
акция является вы соко э кзе р го н и ч е ско й
(см. с. 24). Большая часть выделяющейся
при этом энергии используется для созда­
ния градиента протонов (см. с. 128) и, нако­
нец, для образования АТФ с помощью АТФсинтазы.
ский убигидрохинон. Последний переносит
электроны в комплекс III, который поставля­
ет их через два гема Ь, один Ре/5-центр и
гем С1 на небольшой гемсодержащий белок
цитохром с. Последний переносит электро­
ны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Ци­
тохром с-оксидаза содержит для осуществ­
ления
окислительно-восстановительных
реакций два медьсодержащих центра (Сид и
Сив) и гемы а и аз, через которые электроны,
наконец, поступают к кислороду. При вос­
становлении Ог образуется сильный основ­
ной анион О2 -, который связывает два про­
тона и переходит в воду. Поток электронов
сопряжен с образованным комплексами I, III
и IV протонны м градиентом .
А. Компоненты дыхательной цепи I
Б. О рганизация дыхательной
цепи I
Дыхательная цепь включает три белковых
комплекса (ком пл ексы I, III и IV), встроен­
ных во внутреннюю митохондриальную мем­
брану, и две подвижные м ол екул ы -переносчики — убихинон (кофермент О) и цито­
хром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадле­
жащая собственно к цитратному циклу, так­
же может рассматриваться как ко м п л е кс II
дыхательной цепи. АТФ-синтаза (см. с. 144)
иногда называется ко м п л е ксо м V, хотя она
не принимает участия в переносе электро­
нов.
Комплексы дыхательной цепи построены
из множества полипептидов и содержат ряд
различных
о ки с л и т е л ь н о -в о с с т а н о в и тельных коф ерм ентов, связанных с белка­
ми (см. сс. 108, 144). К ним принадлежат
флавин [ФМН (РМ1М) или Ф АД (РАО), в комп­
лексах I и II], железо-серные центры (в I, II и
III) и группы тема (в II, III и IV). Детальная
структура большинства комплексов еще не
установлена.
Электроны поступают в дыхательную цепь
различными путями. При окислении НАДН + Н+
комплекс I переносит электроны через ФМН
и Ре/5-центры на убихинон. Образующиеся
при окислении сукцината, ацил-КоА и других
субстратов электроны переносятся на уби­
хинон комплексом II или другой митохондри­
альной дегидрогеназой через связанный с
ферментом ФАДНг или флавопротеин (см. с.
166). При этом окисленная форма кофермента О восстанавливается в ароматиче­
Перенос протонов комплексами I, III и IV
протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе элект­
ронов в дыхательной цепи повышается кон­
центрация ионов Н+, т. е. понижается значе­
ние рН. В интактных митохондриях по суще­
ству только АТФ-синтаза (см. с. 144) позво­
ляет осуществить обратное движение про­
тонов в матрикс. На этом основано важное в
регуляторном отношении сопряжение элек­
тронного переноса с образованием АТФ
(см. с. 146).
Как уже упоминалось, все комплексы с I
по V интегрированы во внутренней мембра­
не митохондрий, тем не менее обычно они
не контактируют друг с другом, так как элек­
троны переносятся убихиноном и цитохро­
мом с. Убихинон благодаря неполярной бо­
ковой цепи свободно перемещается в мем­
бране. Водорастворимый цитохром с нахо­
дится на внешней стороне внутренней мем­
браны.
Окисление НАДН (ЫАРН) комплексом I
происходит на внутренней стороне мембра­
ны, а также в матриксе, где происходит
также цитратный цикл и р-окисление — са­
мые важные источники НАДН. В матриксе
протекают, кроме того, восстановление Ог и
образование АТФ (АТР). Полученный АТФ
переносится по механизму антипорта (про­
тив АДФ) в межмембранное пространство
(см. с. 214), откуда через порины проникает
в цитоплазму.
Дыхательная цепь
143
'
Пируват
2-Оксоглутарат
3-Г идроксибутират
3- Гидроксиацил-СоА
Малат
Изоцитрат
липоамид-Н
Комплекс I
МАЭН- дегидрогеназа (убихинон))
1.6.5.3
700-800 кДа, 25-30 субъединиц
1 РМ1Ч. 2 РвоЗо. 4 - 5 Ре^Зи
МАОН
сукцинат
Комплекс II
сукцинатдегидрогеназа 1.3.5.1
Ацил-СоА
а- Глицерофосфат
Дигидрооротат
Холин
125 кДа, 4-6 субъединиц,
1 РАО, 1 Ре232, 1 Рвд34, 1РвдЗ^
2 убихинона, 1 гем Ь
Комплекс III
кофермент О
(убихинон)
фумарат
убихинол-цитохром средуктаза 1 .1 0 .2 .2 ____
=400 кДа, 11 субъединиц
2 Ре03 0, 2 гема Ь, 1 гем с
Комплекс IV
цитохром с
12 кДа
1 гем
цитохром с-оксидаза 1.9.3.1
=200 кДа, 8-13 субъединиц
2 Си, 1 2п, 1 гем а, 1 гем а*
Комплекс V
-транспортирующая
АТР-синтаза 3.6.1.34
> 400 кДа, 8-14 субъединиц
поток электронов
поток протонов
А. К о м п о н е н ты д ы ха те л ь н о й ц е пи
внешняя
митохонд­
риальная
мембрана
межмембранное
простран
ство
внутренняя
митохонд­
риальная
мембрана
область
матрикса
цитратныи
МАРН
цикл,
3-окисление
Б. О р га н и за ц и я д ы х а те л ь н о й ц е пи
144
Метаболизм. Энергетика
Синтез АТФ
В дыхательной цепи электроны переносятся
от НАДН или убихинола (ОНг) на Ог. Выделя­
ющаяся энергия используется для создания
протонного градиента на внутренней мито­
хондриальной мембране (см. с. 142). Синтез
АТФ сопряжен с обратным потоком прото­
нов из межмембранного пространства в ма­
трикс (см. с. 142).
А. Окислительно-восстановительная систем а дыхательной цепи I
Электроны, передаваемые НАДН (МАРН), не
переносятся прямо на кислород. Они прохо­
дят по меньшей мере десять промежуточных
окислительно-восстановительных систем,
большинство из которых это связанные простетические группы в комплексах I, III и IV.
Прежде всего поражает большое число коферментов, принимающих участие в перено­
се электронов. Как показано на с. 24, измене­
ние свободной энергии ЛС в реакциях вос­
становления зависит только от разности
окислительно-восстановительных потенциа­
лов донора и акцептора. Наличие дополни­
тельных окислительно-восстановительных
систем между НАДН и Ог не приводит к изме­
нению свободной энергии реакции. Общая
величина энергии реакции (более 200
кДж/моль) разбивается на небольшие и бо­
лее удобные «пакеты», величина которых оп­
ределяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов соответствующих
промежуточных продуктов. Предполагается,
что это разделение на пакеты обеспечивает
дыхательной цепи удивительно высокий вы­
ход энергии, составляющий примерно 60 %.
На схеме представлены основные окисли­
тельно-восстановительные системы мито­
хондриального электронного транспорта и
их приблизительные окислительно-восста­
новительные потенциалы. Эти потенциалы
важны для переноса электронов, так как для
обеспечения спонтанного переноса члены
окислительно-восстановител ьного ряда
должны располагаться в порядке возраста­
ния потенциалов (см. с. 38).
В комплексе I электроны переносятся от
НАДН на ФМН (РММ, см. с. 108), а затем на
ж ел езосод ерж ащ и е белки (Ре/З-центры).
Эти окислительно-восстановительные сис­
темы стабильны только в составе молекул
белков. Они могут содержать от 2 до 6 ионов
железа, образующих комплексы различного
состава с неорганическим сульфидом и 5Нгруппами остатков цистеина. На схеме пока­
зана структура так называемого РедЗдцентра.
В переносе электронов принимают уча­
стие различные типы гемов. Гемы типа Ь
соответствуют гемоглобинам (см. с. 277).
Гем с ковалентно связан с белком (см. с.
108), в то время как тетрапиррольное кольцо
тема а изопренилировано и несет формильную группу. В комплексе IV непосредственно
с кислородом взаимодействуют ион меди
(Сив) и гем аз. Свойства кофермента О и ци­
тохрома с рассмотрены на с. 142.
Б. А ТФ -синтаза О
Н+-транслоцирующая АТФ-синтаза состоит
из двух частей: встроенного в мембрану
протонного канала (Ро) из по меньшей мере
13 субъединиц и каталитической субъеди­
ницы (Р1), выступающей в матрикс. «Голов­
ка» каталитической части образована тремя
а- и тремя р-субъединицами, между которы­
ми расположены три активных центра.
“ Ствол” структуры образуют полипептиды
Ро-части и у-, 6- и е-субъединиц головки.
Каталитический цикл подразделяется на
три фазы, каждая из которых проходит по­
очередно в трех активных центрах. Вначале
идет связывание АДФ (АйР) и
(1), затем
образуется фосфоангидридная связь (2) и,
наконец, освобождается конечный продукт
реакции (3 ). При каждом переносе протона
через белковый канал Ро в матрикс все три
активных центра катализируют очередную
стадию реакции. Предполагается, что
энергия протонного транспорта прежде
всего расходуется на поворот у-субъединицы, в результате которого циклически
изменяются конформации а - и р-субъединиц.
Синтез АТФ
АС,
Е\
кДж/моль В
РММ/РМИН.
МАР0
-0,4 Щ а
СоО
(уби­
хинон)
о
О
0,2
-
145
-
2 гема Ь
МАОН
+Н©
О
цитохром с
-
гем а
Си2®
+
0,2
-
■
Ре/5-центры
+0,4 -
Си2®
Си®
Ре/3-центр
+
0,6
н
-
гем с-|
О
-
220
-
+0,8Ре434-центр (схема)
■ Н Я 1
гем аз
ог©
А. О ки с л и те л ь н о -в о с с та н о в и те л ь н а я с и с т е м а д ы ха те л ь н о й цепи
внутренняя
(2) образование АТР
сторона:
матрикс
внешняя сторона:
межмембранное
пространство Н®
внешнии
(?) связывание АРР и Р,
1. Структура и локализация
Б. А Т Ф -си н та за
2. Каталитический цикл
Н®
внешний
И®
внешний
(3) освобождение АТР
146
Метаболизм. Энергетика
Регуляция энергетического
обмена
Биохимический процесс усвоения пищи и
образования АТФ должны постоянно при­
спосабливаться к изменению энергетиче­
ских потребностей клеток. Необходимость
согласования производства и потребления
АТФ следует уже из того факта, что суммар­
ное содержание коферментов в организме
незначительно. Калорийность суточного ра­
циона человека составляет примерно
12000 кДж (см. с. 348). При к.п.д. 50 % такая
энергия достаточна для образования
120 молей АТФ, т. е. примерно 65 кг. Однако
в организме человека содержится всего
3-4 г свободных адениновых нуклеотидов
(АМФ, АДФ и АТФ). Следовательно, каждая
молекула АДФ должна ежедневно тысяче­
кратно фосфорилироваться в АТФ и вновь
дефосфорил ироваться.
А. Дыхательный контроль I
Простой механизм регуляции образования и
потребления АТФ (АТР) называется д ы ха­
тельным контролем . Он основан на со п р я ­
ж ении упомянутых процессов с общими коферментами и другими факторами (на схеме
слева). Если клетка не расходует АТФ, едва
ли в митохондриях имеется АДФ. В отсутст­
вие АДФ АТФ-синтаза (3) не в состоянии ис­
пользовать протонный градиент на внутрен­
ней митохондриальной мембране. Это в
свою очередь тормозит электронный пере­
нос в дыхательной цепи (2), вследствие чего
НАДН не может быть вновь окислен в НАД+.
Возникающее в результате высокое соотно­
шение НАДН/НАД+ торм озит цитратный
цикл (схема В) и замедляет тем самым по­
требление субстрата АНз (1). И наоборот,
высокие скорости потребления АТФ стиму­
лируют усвоение пищи и дыхательную цепь
по тому же механизму.
Если создание протонного градиента (на
схеме справа) подавлено, процессы окисления
субстрата (I) и переноса электронов (2) проте­
кают значительно быстрее, чем обычно. При
этом вместо синтеза АТФ выделяется тепло.
Б. Разобщ аю щ ие агенты О
Вещества, которые функционально разделя­
ют между собой окисление и фосфорилиро­
вание, называются разобщ аю щ ими агента­
ми. Они содействуют переносу протонов из
межмембранного пространства в матрикс
без участия АТФ-синтазы. Разобщение мо­
жет возникать, например, в результате ме­
ханического п о в р е ж д е н и я внутренней
м е м б р а н ы (1) или действия таких ве­
ществ, как 2 ,4 -д и н и тр о ф е н о л (2), являю­
щихся переносчиками протонов через мем­
брану. Природным разобщающим агентом
является те р м о ге н и н (3), протонный канал
(см. с. 216) в митохондриях бурых жировых
клеток. Бурый жир обнаружен у новорож­
денных и животных, впадающих в зимнюю
спячку и служит для теплообразования. При
охлаждении организма норадреналин акти­
вирует горм онзависим ую л и п а зу (см. с.
164). Благодаря интенсивному липолизу в
организме образуется большое количество
свободных жирных кислот, которые распа­
даются в результате (5-окисления и в дыха­
тельной цепи. Так как жирные кислоты од­
новременно открывают протонный канал
термогенина, их распад не зависит от нали­
чия АДФ, т. е. протекает с максимальной
скоростью и генерирует энергию в форме
тепла (см. схему А).
В. Регуляция цитратного цикла I
Самым важным ф актором регуляции цикла
является
отнош ение.
НАДН/НАД*
(МАОН/МАО+). НАДН наряду с пируватде­
гидрогеназой (ПДГ) и оксоглутаратдегидрогеназой (ОГД, см. с. 136) ингибирует
также цитрат-синтазу и изоцитратдегидрогеназу. За исключением изоцитратдегидрогеназы упомянутые ферменты также
ингибирую тся ко н е ч н ы м п р о д у кто м ре­
акции ацетил- и соответственно сукцинилКоА или цитратом. Активность ферментов
регулируется также процессом в за и м о ­
п р е в р а щ е н и я (см. с. 122). На схеме эти
процессы представлены на примере пируватдегидрогеназного комплекса (см. вы­
ш е). И нактивированная протеинкиназа
[1а] ингибируется субстратом (пируватом)
и активируется продуктом реакции ацетил-КоА. Соответствующ ая протеинф осфатаза [16] активируется ионами Са2+, так
же как изоцитратдегидрогеназа [3] и оксоглутаратдегидрогеназны й комплекс [4],
что особенно важно для процесса мышеч­
ного сокращ ения.
Регуляция энергетического обмена
147
точки
сопряжения
дегидро
геназа
дегидро
геназа
внешнии
дыхатель
ная цепь
внутренний
дыхатель­
ная цепь и
транспорт
протонов
разобщены
Н©
внутренний
внешнии
тепло
эндергоничес
кий процесс
эндергоничес
| кий процесс
2. Разобщение
1. Сопряжение
А . Д ы ха те л ь н ы й ко н тр о л ь
пируват
1. Повреждение
мембраны I.
пируватдегидрогеназный
комплекс
(ПДГ)
МАРН
ацетил-СоА
2. Подвижные
переносчики
оксало
ацетат
наиболее
важный фактор:
отношение
концентраций
[МАРИ] / ПЧАО)
внутренняя
митохондриальная
мембрана
норадреналин
сукцинил
цитрат
изоцитрат
МАРН
2-оксоглутарат
СоА
жирные.
кислоты
ПДГ-киназа
2.7.1.99
термо
3. Управляемый
протонный канал
Б. Р а зо б щ а ю щ и е
а ге н ты
генин
изоцитратдегидро
геназа 1.1.1.42
в
ПДГ-фосфатаза ._, 2-оксоглугаратдеги
ИЗ 3.1.3.43
4] дрогеназа 1.2.4.2,
1.8.1.4,2.3.1.61
ШШ цитрат-синтаза
■
4.1.3.7
0
В. Р е гул яц и я ц и т р а т н о го ц и кл а
148
Метаболизм. Энергетика
Дыхание и брожение
А. Аэробное и анаэробное
окисление глюкозы I
В присутствии кислорода (в аэробных усло­
виях) большинство клеток животных получа­
ют энергию за счет полного разрушения пи­
тательных веществ (липидов, аминокислот и
углеводов), т. е. за счет окислительных про­
цессов. В отсутствие кислорода (анаэроб­
ные условия) клетка может синтезировать
АТФ (АТР) только за счет гликолитического
разрушения глюкозы. Хотя такое разруше­
ние глюкозы, заканчивающееся образова­
нием лактата, дает незначительную энергию
для синтеза АТФ, этот процесс имеет реша­
ющее значение для существования клеток
при недостатке или в отсутствие кислорода.
В аэробных условиях (на схеме слева)
АТФ образуется почти исключительно за счет
окислительного фосфорилирования (см. с.
114). Ж ирные кислоты в виде ацилкарнитина попадают в матрикс митохондрий (см. с.
214), где подвергаются р-окислению с обра­
зованием ацил-КоА (см. с. 166). Глю коза в
цитоплазме превращается в пируват путем
гликолиза (см. с. 148). Пируват транспорти­
руется в митохондриальный матрикс, где де­
карбоксил и руется пируватдегидрогеназным
комплексом (см. с. 136) с образованием ацетил-КоА. Восстановительные эквиваленты
[2 НАДН + Н+ (ЫАОН + Н+) на молекулу глюко­
зы], высвобождающиеся при гликолизе, пе­
реносятся в матрикс митохондрий малатным
челноком (см. с. 214). Образующиеся из жир­
ных кислот ацетильные остатки окисляются
до СОг в цитратном цикле (см. с. 138). Дегра­
дация ам инокислот также приводит к аце­
тильным остаткам или продуктам, которые
непосредственно включаются в цитратный
цикл (см. с. 182). В соответствии с энергети­
ческими потребностями клетки восстанови­
тельные эквиваленты переносятся дыхатель­
ной цепью на кислород (см. с. 142). При этом
высвобождается химическая энергия, кото­
рая путем создания протонного градиента
используется для синтеза АТФ (см. с. 144).
В отсутствие кислорода, т. е. в анаэроб­
ных условиях (на схеме справа), картина
полностью меняется. Так как электронных
акцепторов для дыхательной цепи не хвата­
ет, НАДН + Н+ и ОН2 не могут окисляться по­
вторно. Вследствие этого останавливается
не только митохондриальный синтез АТФ, но
почти весь обмен веществ в митохондриаль­
ном матриксе. Главной причиной такой ос­
тановки является высокая концентрация
НАДН (МАОН), ингибирующ ая цитратный
цикл и пируватдегидрогеназу (см. см. 146).
Останавливаются также процесс р-окисления и функционирование малатного челно­
ка, зависящие от наличия свободного НАД+.
Поскольку энергия уже не может быть полу­
чена за счет деградации аминокислот, клет­
ка становится полностью зависимой в энер­
гетическом отношении от потребления глю­
козы при гл икол изе. При этом обязатель­
ным условием является постоянное окисле­
ние образующегося НАДН + Н+. Так как этот
процесс уже не может идти в митохондриях,
в клетках животных, функционирующих в
анаэробных условиях, пируват восстанавли­
вается до лактата, который поступает в
кровь. Процессы этого типа называют бро­
ж ением (см. с. 150). Продукция АТФ при
этих процессах незначительна: при образо­
вании лактата возникают только 2 молекулы
АТФ на молекулу глюкозы.
Для того чтобы оценить число образован­
ных в аэробном состоянии молекул АТФ, не­
обходимо знать так называемое Р/О-соотношение, т. е. молярное соотношение син­
тезированных АТФ (Р) и воды (О). Во время
переноса двух электронов от НАДН на 0 2 в
межмембранное пространство транспорти­
руются около 10 протонов и только 6 моле­
кул убихинола (ОН2). Для синтеза АТФ АТФсинтаза (см. с. 144) нуждается в трех ионах
Н+, так что максимальное возможное Р/Осоотношение составляет примерно 3 или,
соответственно, 2 (для убихинола). Нужно,
однако, учитывать, что при переходе мета­
болитов в матрикс и обмене митохондри­
ального АТФ4- на цитоплазматический
АДФ 3- (см. с. 214) в межмембранном про­
странстве также расходуются протоны. Поэ­
тому при окислении НАДН Р/О-соотношение
скорее всего составляет 2,5, а при окисле­
нии ОН2 — 1,5. Если на основе этих величин
рассчитать энергобаланс аэробного глико­
лиза, получается, что окисление одной м о­
лекулы гл ю ко зы сопровождается синте­
зо м 32 м олекул АТФ.
Дыхание и брожение
149
глико
ЛИЗ
2 пируват
2 пируват
2 лактат
мапатныи
челнок
пируват
пируват
ацетил
ацетил
СоА
СоА
цитратныи
к
цикл
!
ингибирован [
высоким
соотношением
[МАОН]/[МАО+1
1. Аэробные
2. Анаэробные
клетки
клетки
Баланс АТР
Коферменты
Ферменты
Коферменты
Баланс АТР
гексокиназа
+2 МАЭН
2 6-фосфофруктокиназа
г г Т глицеральдегид-3-фосфат
дегидрогеназа
[41 фосфоглицераткиназа
+2 МАйН
регенери­
рованный
[51 пируваткиназа
|~6~1 лактатдегидрогеназа
+2 МАЭН
ГУ] пируватдегидрогеназа
+2 ИАОН
[81 изоцитратдегидрогеназа
+2 МАОН
ЦЦ оксоглутаратдегидрогеназа
2 МАиН
+22
+5 АТР
+27
+5 АТР •<— +2 ЫАОН
[10] малатдегидрогеназа
+30
+3 АТР
+2 ОН2
[Щ сукцинатдегидрогеназа
+32
+2 АТР
+2 (ЗТР
[12| сукцинат-СоА-лигаза______________________________
Выход: 32 моля АТР/1 моль глюкозы
А . А э р о б н о е и а н а э р о б н о е о ки с л е н и е гл ю ко зы
Выход: 2 моля АТР/1 моль глюкозы
150
Метаболизм. Энергетика
Ферментация
Как отмечалось на с. 148, для большинства
организмов в отсутствие кислорода дегра­
дация глюкозы до пирувата — это единст­
венная возможность получения энергии для
синтеза АТФ. При этом для поддержания
процесса гликолиза и синтеза АТФ образую­
щийся НАДН + Н+ должен постоянно окис­
ляться до НАД+. В организме высших живот­
ных этот процесс связан с восстановлением
пирувата до лактата. У микроорганизмов ре­
генерация НАД+ происходит по другим ме­
ханизмам. К процессам этого типа относит­
ся брож ение, или ф ерм ентация
Процессы брожения с участием микроор­
ганизмов часто используются на практике
при производстве пищевых продуктов, алко­
гольных напитков или консервировании. Все
процессы брожения начинаются с образова­
ния пирувата и протекают только в анаэроб­
ных условиях. *
А. М олочнокислое и
пропионовокислое брожение О
Многие молочные продукты, такие, как про­
стокваша, йогурт или сыр, образуются путем
брожения с участием молочнокислых бакте­
рий (1). Последовательность реакций такая
же, как и в организмах высших животных: пи­
руват, образующийся главным образом в
результате деградации дисахарида лактозы
(см. с. 44), восстанавливается лактатдегидрогеназой [ 1] в лактат. Молочнокислое бро­
жение также играет существенную роль при
квашении капусты и силосовании кормов.
Получаемые продукты хорошо хранятся, так
как происходящее при брожении уменьше­
ние величины рН тормозит рост гнилостных
бактерий.
При изготовлении молочных продуктов
прежде всего используются бактерии родов
иас1оЬасН1и8 и З^герЮсоссиз (3). Образую­
щиеся на первом этапе полупродукты дово­
дятся до кондиции чаще всего только путем
последующего брожения. Так, характерный
вкус швейцарского твердого сыра достига­
ется в результате последующего пропионовокислого брожения. При этом под действи­
ем бактерий рода Ргорюп1Ьас1епит пируват
в результате сложной последовательности
реакций превращается в пропионат (2).
Б. Спиртовое брож ение I
Алкогольные напитки производят, как пра­
вило, сбраживанием растительных продук­
тов с высоким содержанием углеводов. Вна­
чале образующийся из глюкозы пируват декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой
[2] в ацетальдегид. Последний восстанав­
ливается алкогольдегидрогеназой [3] в эта­
нол с потреблением НАДН. В этом процессе
участвуют не сбраживающие бактерии, а
д р о ж ж и , являющиеся эукариотами и отно­
сящиеся к одноклеточным грибам (3). Дрож­
жи часто используются также при выпечке
хлеба. Они продуцируют С 0 2 и спирт, кото­
рые разрыхляют тесто. Пивные, или пекар­
ские, дрожжи (ЗассЬаготусез сегемз/ае) га­
плоидны и размножаются простым делени­
ем (3). Они могут жить как аэробно так и
анаэробно. Вина получают с помощью дру­
гих видов дрожжей, некоторые из них живут
на ягодах винограда. Чтобы содействовать
образованию этанола, при спиртовом бро­
жении необходимо исключить доступ кисло­
рода; например, когда тесто “подходит” , его
покрывают платком или проводят брожение
в бочках с затвором, не позволяющим по­
ступать воздуху.
В. Пивоварение О
При изготовлении пива в Германии сырь­
ем обычно служит ячмень. Зерно содер­
жит кр а х м а л , но тем не менее вряд ли со ­
держит достаточно сахара в свободном
виде. Поэтому ячмень прежде всего про­
ращивают, при этом образуются амилазы ’,
затем проросш ие зерна осторожно нагре­
вают для получения с о л о д а . При этом
ббльшая часть крахмала превращается в
дисахарид мальтозу (см. с. 44). Получен­
ный прод укт (сусл о) варят, добавляю т
д р о ж ж и и х м е л ь и оставляют бродить на
несколько дней. Добавление хмеля повы­
шает сохранность пива и придает ему
слегка горьковатый вкус. Д ругие ком по­
ненты хмеля обладают успокоительным и
мочегонным действием.
Ферментация
151
1а с 1оЬас1ииз
аш ен
Ргорюп/Ьас1епит
лактат
81гер1ососсиз
10 мкм
Прос*^
Кваш ^
А. М о л о ч н о ки с л о е и
п р о п и о н о в о ки с л о е
брожение
клеточная
стенка
10 мкм
лактатдегидрогеназа
1.1.1.27
пируват
пируватдекарбоксилаза
[ГРР] 4.1.1.1
алко^ольдегидрогеназа
дрожжи
(ЗассЬаготусез
сегеу/з/ае)
вакуоль
дочерняя
перегородка клетка
зтаналь
(ацетальдегид)
клето
нное
ядро
этанол
тонопласт
Б. С п и р то в о е б р о ж е н и е
ячмень
помол,
проращ и
солод замачи
вание,
вание
высуш и­
вание
щ иеся при
проращ и­
вании
зерна
В. П и в о ва р е н и е
сусло
хмель
ферментация
дрожжи
глю к
этанол + СО
N__клеточная
стенка
митохондрия
152
Метаболизм углеводов
Гликолиз
А . Гликолиз: баланс #
Гликолиз — это катаболический путь обмена
веществ в цитоплазме; он, по-видимому,
протекает почти во всех организмах и клет­
ках независимо от того, живут они в аэроб­
ных или анаэробных условиях. Баланс глико­
лиза простой: в аэробных условиях молеку­
ла глюкозы деградирует до двух молекул пи­
рувата. Кроме того, образуются по две мо­
лекулы АТФ и НАДН + Н+ (аэробны й гл и ко ­
лиз). В анаэробных условиях пируват пре­
терпевает дальнейшие превращения, обес­
печивая при этом регенерацию НАД+ (см. с.
148). При этом образуются продукты броже­
ния, такие, как лактат или этанол (анаэроб­
ный гликолиз). В этих условиях гликолиз
является единственным способом получе­
ния энергии для синтеза АТФ из АДФ и неор­
ганического фосфата.
Б. Реакции гликолиза I
Сахара подвергаются метаболическим пре­
вращениям преимущественно в виде слож­
ных эфиров фосфорной кислоты. Глю коза,
которую ткани получают из крови, в клетке
также предварительно активируется путем
фосфорилирования. В АТФ-зависимой ре­
акции, катализируемой гексокиназой [1]
глюкоза превращается в гл ю ко зо -6 -ф о сфат. После изомеризации глюкозо-6-ф осфата в ф руктозо-6-ф осф ат [2] последний
вновь фосфорилируется с образованием
ф руктозо-1,6-диф осф ата. Фосфофруктокиназа [3], катализирующая эту стадию, яв­
ляется важным ключевым ферментом глико­
лиза (см. с. 160). До этого момента на одну
молекулу глюкозы расходуются две молеку­
лы АТФ. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепля­
ется далее апьдолазой [4] на два фосфорилированных Сз-фрагмента. Эти фрагменты
— глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат — превращаются один в дру­
гой триозофосфатизомеразой [5]. Глицеральдегид-3-фосфат затем окисляется глицеральдегид-3-ф осф а тдегидрогеназой [ 6 ]
с образованием НАДН + Н+. В этой реакции в
молекулу включается неорганический фос­
фат («субстратное фосфорилирование », см.
с. 126) с образованием 1 ,3-диф осф оглицерата. Такое промежуточное соединение
содержит смешанную ангидридную связь,
расщепление которой является высоко экзоэргическим процессом. На следующей
стадии (катализируемой фосфоглицераткиназой [7]) гидролиз этого соединения со­
пряжен с образованием АТФ.
Следующий промежуточный продукт, гид­
ролиз которого может быть сопряжен с син­
тезом АТФ, образуется в реакции изомери­
зации 3-ф осф оглицерата, полученного в
результате реакции [7], в 2-ф осф оглицерат (фермент: фосфоглицератмутаза [8]) и
последующего отщепления воды (фермент:
енолаза [9]). Продукт представляет собой
сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы пирувата и потому называется
ф осф оенолпируватом (РЕР). На послед­
ней стадии, которая катализируется пируваткиназой [10], образуются пируват и АТФ.
Наряду со стадией [6] и тиокиназной реак­
цией в цитратном цикле (см. с. 138) это тре­
тья реакция, позволяющая клеткам синтези­
ровать АТФ независимо от дыхательной це­
пи. Несмотря на образование АТФ она высо­
ко экзоэргична и потому необратима.
При гликолизе на активацию одной моле­
кулы глюкозы потребляется 2 молекулы
АТФ. В то же время при метаболическом
превращении каждого Сз-фрагмента обра^
зуются 2 молекулы АТФ. В результате выиг­
рыш энергии составляет 2 моля АТФ на
моль глюкозы.
В. И зм енение свободной
энергии О
Энергетика метаболических процессов за­
висит не только от изменения стандартной
свободной энергии ДС°', но и от концентра­
ции метаболита (см. с. 24). На схеме пред­
ставлены фактические изменения свобод­
ной энергии АО на отдельных стадиях глико­
лиза в эритроцитах.
Видно, что только три реакции (1, 3 и 10)
протекают с высоким изменением свободной
энергии, причем равновесие сильно смещено
в сторону образования конечных продуктов
(см. с. 24). Другие реакции легко обратимы.
Они могут идти в противоположном направле­
нии при биосинтезе глюкозы (глюконеогенезе), причем с участием тех же ферментов, что
и при деградации глюкозы. Для необратимых
стадий 1, 3 и 10 в глюконеогенезе использу­
ются обходные пути (см. с. 156).
Гликолиз
153
гликолиз
ДО01 = -35 кДж/моль
пируват
глюкоза
пируват
А. Гликолиз: баланс
глюкоза
фруктозо1,6-дифосфат
фруктозо6-фосфат
глюкозо­
б-фосфат
но—СИ,*
мУ —-о он
и
НО Г "
н !
-Г "
н он
к
к
1
2-фосфо
глицерат
3-фосфо
глицерат
г
° чч / О - ®
с
1
1,3-дифосфо
глицерат
глицеральде- дигидрокси
гид-3-фосфат ацетон3-фосфат
реакции 1, 3 и 10
обратимы и в
глюконеогенезе
реализуются
обходным путем
фосфоенол
пируват
Ц
ц
И
гексокиназа 2.7.1.1
глюкозо-6-фосфатизомераза 5.3.1.9
6-фосфофруктокиназа 2.7.1.11
фруктозодифосфатальдолаза 4.1.2.13
V ] триозофосфат■ изомераза 5.3.1.1
Б. Реакции гликолиза
2 пируват
глицеральдегид-3
фосфатдегидрогеназа 1.2.1.12
фосфоглицераткиназа 2.7.2.3
фосфоглицератмутаза 5.4.2.1 .
фосфопируватгидратаза 4.2.1.11
пируваткиназа
2.7.1.40
ДО'. кДж/моль
пиРУват
В. Изменение свободной энергии
154
Метаболизм углеводов
Гексозомонофосфатный путь
Гексозомонофосфатный путь [ГМП (НМ\Л/),
часто называемый также пентозофосфатным путем] является окислительным обме­
ном веществ в цитоплазме, в котором, как и
в гликолизе, исходным субстратом служит
гл ю ко зо -6 -ф о сф а т. ГМП поставляет два
важных исходных соединения для анаболи­
ческих процессов: НАДФН + Н+ (МАОРН +
НГ), необходимый для биосинтеза жирных
кислот и изопреноидов (см. с. 170), и рибозо-5-ф осф ат, предшественник в биосинте­
зе нуклеотидов (см. с. 190).
А. Гексозомоноф осф атный путь:
окисление I
процессе окисления глюкозо-6-фосфат пре­
вращается в рибулозо-5-фосфат. При этом
образуются 1 молекула СОг и 2 НАДФН + Н+.
Значительно более сложная часть пути — вос­
становительная (Б) — в зависимости от обме­
на веществ либо превращает часть образован­
ного пентозофосфата снова в гексозофосфат,
либо включает его в гликолиз для деградации.
В большинстве клеток за счет ГМП разрушает­
ся не более 10% глюкозо-6-фосфата.
Б. Реакции I
Окислительная часть ГМП начинается с
окисления гл ю козо-6-ф осф ата глюкозо-6фосфатдегидрогеназой [1]. При этом обра­
зуется НАДФН + Н+ и 6-ф осф оглю колактон
— внутримолекулярный сложный эфир (лактон) 6-ф осф оглюконата. Специфическая
гидролаза (фермент [2]) расщепляет слож­
ноэфирную связь и оставляет свободной
карбоксильную группу 6-ф осф оглю коната.
Последний фермент окислительной части,
фосфоглюконатдегидрогеназа [3], отщеп­
ляет карбоксильную группу 6-фосфоглюко­
ната в виде С 02 с одновременным окислени­
ем гидроксильной группы при С-3 до кетогруппы. Наряду со второй молекулой НАДФН
+ Н+ при этом образуется кетопентоза, риб ул о зо -5 -ф осф ат, которая под действием
изомеразы превращается в рибозо-5-ф осфат, исходное соединение для нуклеотидно­
го синтеза (на схеме сверху).
Восстановительная часть ГМП показа­
на здесь только схематически. Полная схема
реакции представлена на с. 396.
Функция восстановительной ветви состо­
ит в том, чтобы производство НАДФН + Н+ и
пентозофосфатов соответствовало метабо­
лическим потребностям клеток. Обычно по­
требность в НАДФН + Н* намного выше, чем
в пентозофосфатах. В этих условиях 6 моле­
кул рибулозо-5-ф осф ата под действием
трансальдолаз и транскетолаз образуют 5
молекул фруктозо-6-фосфата, которые изомеризуются в 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-ф осф ат вновь участвует в
окислительной части ГМП в процессе полу­
чения НАДФН + Н*. Неоднократное повторе­
ние этих реакций позволяет окислить глюкозо-6-фосфат до 6 молекул С 0 2. При этом об­
разуется 12 молекул НАДФН + Н+, а пентозофосфат не образуется.
При взаимном превращении фосфатов
сахаров в восстановительной части ГМП
особенно важны два фермента. Трансальдолаза [5] переносит Сз-звенья от седогептулозо-7-фосфата, кетосахара с 7 атомами
углерода, на альдегидную группу глицеральдегид-3-фосфата. Аналогичным обра­
зом транскетолаза [4] катализирует пере­
нос С2-фрагмента с одного фосфата сахара
на другой.
Реакции восстановительной части ГМП
обратимы, т.е гексозофосфаты могут не­
посредственно превращаться в пентозофосфаты. Это превращение может проис­
ходить при высокой потребности клетки в
пентозофосфатах, например на стадии ре­
пликации ДН К в 3-ф азе клеточного цикла
(см. с. 380).
Дополнительная инф ормация
Если наряду с НАДФН + Н+ клетке требуется
энергия в форме АТФ, продукты восстано­
вительной части ГМП (фруктозо-6-фосфат и
глицеральдегид-3-ф осф ат) включаются в
гликолиз и далее в цитратный цикл и дыха­
тельную цепь с образованием С 0 2 и воды.
На этом пути из 6 молей глюкозо-6-фосфата
образуется 12 молей НАДФН + Н* и пример­
но 150 молей АТФ.
Гексозомонофосфатный путь
155
гмп,
окислительная
часть
глюкозо-6-фосфат
ЫАОР©
ЫАОРН + Н®
рибул озо- 5-фосфат
А. Г е ксо зо м о н о ф о сф а тн ы и путь: о ки с л е н и е
рибулозо*
5-ф осфат
лозо
—
—
в
ксилулозо
5-Гр )
6-ф осф о
глюконат
седогеп
а тулозо-
анаболи
ческий г
' р - о — сн
6-фосфо
6 глюконолактон
глицераль
Ь дешд3-(р)
он нЧс=о
а фруктозо
6-(§
ь эритрозо
4-@
'-► б
1^—о — сн
о глю козо® 6-ф осфат
фруктозоа 6-Гр
глицераль
к ДвШй3-(Р)
Ш
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа 1.1.1.49
2 1 глюконолактоназа 3.1.1.17
В
фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая)
1.1.1.44
Б. Р еа кц и и
Гд~1 транскетолаза 2.2.1.1
трансальдолаза 2.2.1.2
156
Метаболизм углеводов
Глюконеогенез
Некоторые ткани, такие, как мозг и эритро­
циты, зависят от постоянного снабжения
глюкозой. Если получаемое с пищей количе­
ство углеводов недостаточно, необходимая
концентрация глюкозы в крови может под­
держиваться некоторое время за счет р а с­
щепления гликогена печенью (см. с. 158).
Если истощены также и эти запасы, в печени
запускается синтез глюкозы йе п о у о , гл ю ко ­
неогенез (см. с. 302). Наряду с печенью
высокой глюконеогенезной активностью об­
ладают также клетки почечны х канальцев
(см. с. 320). Исходными соединениями в
глюконеогенезе являются ам инокисл оты
мышечной ткани. При длительном голода­
нии это приводит к массивному распаду мы­
шечного белка. Другими важными исходны­
ми веществами для синтеза глюкозы служат
лактат, образующийся в эритроцитах и мы­
шечной ткани при недостатке Ог, а также
глицерин, образующийся при расщеплении
жиров. Напротив, жирные кислоты не могут
трансформироваться в глюкозу в организме
животных, так как в данном случае деграда­
ция жирных кислот не является анаплеротическим процессом (см. с. 140). В организме
человека за счет глюконеогенеза образует­
ся несколько сотен граммов глюкозы в су­
тки.
А. Глю конеогенез I
Многие реакции глюконеогенеза катализи­
руются теми же ферментами, что и процес­
сы гликолиза (см. с. 152). Некоторые фер­
менты специфичны для глюконеогенеза и
синтезируются только по мере необходимо­
сти под воздействием кортизола и глюкагона (см. с. 160). На схеме представлена толь­
ко эта группа ферментов. В то время как гли­
колиз протекает в цитоплазме, глюконеоге­
нез происходит также в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.
Первые стадии реакционной цепи проте­
кают в митохондриях. Причиной такого «об­
ходного» пути является неблагоприятная
константа равновесия пируваткиназной ре­
акции (см. с. 152). Для перевода пирувата
непосредст венно в фосфоенолпируват
(РЕР) недостаточно энергии расщепления
АТФ. Пируват, образующийся из лактата
или аминокислот, переносится в матрикс
митохондрий и там карбоксилируется в оксалоацетат в биотинзависимой реакции, ка­
тализируемой пируват карбоксилазой [2].
О кса л о а ц е та т является промежуточным
метаболитом цитратного цикла. Поэтому
аминокислоты, которые включаются в цитратный цикл или конвертируются в пируват,
могут непосредственно превращаться в
глюкозу (глюкогенные аминокислоты , см. с.
182).
Оксалоацетат, образующийся в митохонд­
риальном матриксе, восстанавливается в
малат [3], который может переноситься в
цитоплазму с помощью специальных пере­
носчиков (см. с. 214). Оксалоацетат может
также переноситься из митохондрии в цито­
плазму после переаминирования в аспартат
(малатный челночный механизм , см. с. 206).
В цитоплазме малат вновь превращается
цитоплазматической малатдегидрогеназой
в оксалоацетат, который в реакции, катали­
зируемой ГТФ-зависимой РЕР-карбоксикиназой [4], переводится в ф осф оенолпиру­
ват. Последующие стадии до ф руктозо-1,6дифосфата представляют собой модифика­
ции соответствующих реакций гликолиза.
При этом для образования 1,3-дифосфоглицерата дополнительно расходуется АТФ.
Две глюконеогенез-специфичные фосфатазы отщепляют по очереди фосфатные ос­
татки от ф р у кто зо -1 ,6 -диф осф ата. Про­
межуточной стадией является изомериза­
ция ф р укто зо -6 -ф о сф а та в гл к ж о з о -6 фосфат, одна из реакций гликолиза. Гпюкозо-6-фосфатаза печени [5] является мемб­
ранным ферментом, локализованным внут­
ри гладкого эндоплазматического ретикулума. Перенос глюкозо-6-ф осф ата в эндоплазматический ретикулум и возврат обра­
зующейся гл ю ко зы в цитоплазму осуществ­
ляется специфическими переносчиками. Из
цитоплазмы глюкоза поступает в кровь.
Глицерин прежде всего фосфорилируется [7] в положении 3. Образующийся 3-гли­
церофосфат окисляется НАД+-зависимой
дегидрогеназой [8] в д иги д ро ксиа ц е то н3 -ф о сф а т, который далее включается в
глюконеогенез.
Глюконеогенез
157
глюкоза
лактат­
дегидрогеназа
1.1.1.27
глюкоза
глю козо-6-ф осф ат
^У-о— снз
н20
н ) ----- о он ,
пируват2 ] карооксилаза
[биотин] 6.4.1.1
малат[ 3 ] дегидрогеназа
7.1.1.37
41 карбоксикиназа
4.1.1.32
глю козо-6-ф осф ат
фруктозо-1,6дифосфатаза
3.1.3.11
глюкозо-6фосфатаза
3.1.3.9
глицеринкиназа
2.7.1.30
глицерин-ЗГо] фосфат1— 1 дегидрогеназа
пТ
'Т сн2он
он
н
ф руктозо-6-ф осф ат
ф руктозо-1,6-диф осф ат
АГР Ж
3-ф осф оглицерат
^ у
1.1.1.о
1,3-дифосфоглицерат
глицераль
фосфат
д и ги д р о кси ацетон3 -фосфат
^
МАРН
МАРН
глицерин3-ф осфат
ЫАОН ЫАР
2-ф осф о
глицерат
малат
соск
оксалоацетат
соо 0
МАи
фосфоенолпируват
пируват
|
лактат
глицерин
МЭН
малат
М итохондрия
Цитоплазма
А. Г л ю ко н е о ге н е з
СОО0
оксалоацетат
пируват
глицерин
аминокислоты
лактат
минокислоты
158
Метаболизм углеводов
Метаболизм гликогена
Гликоген (см. с. 46) служит в животном орга­
низме резервом углеводов, из которого по
мере метаболической потребности могут вы­
свобождаться глюкозофосфат или глюкоза.
Хранение в организме собственно глюкозы не­
приемлемо из-за ее высокой растворимости:
высокие концентрации глюкозы создают в
клетке высоко гипертоническую среду, что
приводит к притоку воды. Напротив, нераство­
римый гликоген осмотически почти неактивен.
А. М етаболизм гликогена I
Гликоген животных, как и амилопектин рас­
тений, представляет собой разветвленный
гомополимер глюкозы, в котором остатки
глюкозы соединены а(1-»4)-гликозидной
связью. Связи в точках ветвления находятся
в положении а(1—>6) примерно каждого 10го остатка. Таким образом, возникает дре­
вовидная структура с молекулярной массой
>1 * 107 Да (до 50 ООО остатков), в которой
имеется только одна свободная аномерная
ОН-группа, т. е. только один восстанавлива­
ющий конец.
Гликоген печени никогда не расщепляет­
ся полностью. Как правило, укорачиваются
или удлиняются (при высоком содержании
глюкозы) только невосстанавливающие кон­
цы древовидной структуры. Удлинение цепи
катализируется гликоген-синтазой [2]. Так
как образование гликозидных связей между
сахарами является эндоэргической реак­
цией , вначале в реакции глю козо-1-фосфата
с уридинтрифосфатом [УТФ (УТР)] образу­
ется активированный предшественник —
У Д Ф -гл ю ко за (1Ю Р-глюкоза) ([1 ], см. с.
112). После этого остаток глюкозы легко пе­
реносится с этого промежуточного соедине­
ния на гликоген. Когда растущая цепь дости­
гает определенной длины (>11 остатков),
специальный фермент ветвления гликогена
А-*},Ь-т рансгликозидаза) [3] катализиру­
ет перенос концевого олигосахарида,
состоящего из 6 -7 остатков, на 6-ОН оста­
ток глюкозы той же или другой цепи гликоге­
на с образованием точки ветвления [а( 1-»6)связи]. Дальнейшее удлинение этого фраг­
мента осуществляется гликоген-синтазой,
образующей а( 1-*4)-связи.
Разветвленная структура гликогена об­
легчает быстрое освобождение углеводных
остатков. Наиболее важным ферментом де­
градации гликогена является гликоген-фосфорилаза [4], отщепляющая от невосстана­
вливающего конца цепи остатки глюкозы в
виде гл ю козо-1-ф осф ата. Чем больше та­
ких концов, тем больше молекул фосфори­
лазы могут действовать одновременно. Об­
разование глю козо-1-фосфата вместо глю­
козы имеет то преимущество, что для вклю­
чения освобожденных остатков глюкозы в
гликолиз или ГМП не требуется АТФ .
Благодаря структуре гликоген-фосфорилазы (см. с. 122), процесс последовательно­
го отщепления останавливается, за 4 остат­
ка глюкозы от точки разветвления. Точки
ветвления удаляются двумя другими фер­
ментами [5 и 6]. Вначале трисахарид боко­
вой цепи переносится [5] к невосстанавли­
вающему концу главной цепи. Затем 1,6глю козидаза [6] отщепляет остающийся
единичный остаток глюкозы в точке ветвле­
ния в виде свободной глюкозы, после чего
неразветвленная цепь, может вновь расще­
пляться фосфорилазой.
Регуляция м етаболизм а гликогена пу­
тем взаимопревращений и роль гормонов
рассмотрены на с. 122.
Б. Баланс гликогена I
В организме человека может содержаться
до 450 г гликогена, треть из которого накап­
ливается в печени, а остальное — главным
образом в мыш цах. Содержание гликогена
в других органах незначительно. Гликоген
печени служит прежде всего для поддержа­
ния уровня глюкозы в крови в фазе постре­
зорбции (см. с. 300). Поэтому содержание
гликогена в печени варьирует в широких
пределах. При длительном голодании оно
падает почти до нуля, после чего начинается
снабжение организма глюкозой с помощью
глюконеогенеза (см. с. 156). Гликоген мышц
служит резервом энергии и не участвует в
регуляции уровня глюкозы в крови. В мыш­
цах отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, по­
этому гликоген мышц не может быть источ­
ником глюкозы в крови. По этой причине ко­
лебания содержания гликогена в мышцах
меньше, чем в печени.
Метаболизм гликогена
цепь 1,4-а-глкжана
(а-1,6-разветвленная)
цепь 1,4-а-глю кана
отщеп
ление
1ЮРглюкоза
гл ю ко зо -1
фосфат
дальнейшая
деградация
1 4 (У -0
гл ю ко зо -1
фосфат
синтез
ф рагмента
И
1 глю коза О
НИ гликоген-ф осф орилаза 2.4.1.1
1ЮР-ГЛ ю ко зо -1-ф осф атуридилтрансф ераза 2 . 7.7.9
гё 1
■
ц§
и
•2\ гл и ко ге н -си н та за 2.4. 1.11
г а глю кан-разветвляющ ий
ф ермент 2.4.1.18
4'-а-глю канотрансф ераза
2.4.1.25
ам ило-1,6-глю козидаза
3.2.1.33
А. Метаболизм гликогена
печень
кровь
гликоген
печени
гл ю ко зо -1фосфат
гликоген
мыш ц
глюкоза
крови
глюкоза
гликоген
печени
Б. Баланс гликогена
гл ю ко зо -1фосфат
глю козо-6
фосфат
глю козо-6
фосфат
[
I
мышца
деградация
глюкоза
ш
дегра
дация
гликоген
мышц
160
Метаболизм углеводов
Регуляция углеводного обмена
А. Регуляция углеводного обм ена I
У высших организмов обмен углеводов под­
вержен сложным механизмам регуляции, в
которых участвуют гормоны , метаболиты и
коферменты. Представленная здесь схема
относится к печени, которая занимает в у г­
леводном метаболизме центральное место
(см. с. 302). Некоторые из представленных
механизмов не действуют в других тканях.
Одной из важнейших функций клеток пе­
чени является накопление избыточной глю­
козы в виде гликогена и ее быстрое высво­
бождение по мере метаболической необхо­
димости (буферная функция). После полной
мобилизации запасов гликогена печень мо­
жет поставлять глюкозу за счет синтеза с!е
поуо (глюконеогенез, см. сс. 156, 232). Кро­
ме того, как и все ткани, она потребляет глю­
козу путем гликолиза. Функции накопления
(синтеза) глюкозы в виде гликогена и его
распада должны быть взаимосогласованы.
Таким образом, совершенно невозможно
одноврем енное протекание гликолиза и
глюконеогенеза, как и синтеза и деградации
гликогена. Согласование процессов обеспе­
чивается тем, что синтез (анаболизм) и рас­
пад (катаболизм) катализируются двум я
различными ферментами и контролируются
независимо. На схеме показаны только эти
клю чевы е ф ерменты.
Гормоны . К гормонам, которые влияют
на углеводный обмен, принадлежат пептиды
инсулин и глю кагон, глюкокортикоид ко р ­
тизол и катехоламин адреналин (см. сс.
362, 368). Инсулин индуцирует (см. с. 120)
синтез с!е поуо гликоген-синтазы [1 ], а также
некоторых ферментов гликолиза [3, 5, 7].
Одновременно инсулин подавляет синтез
ключевых ферментов глюконеогенеза (ре­
прессия, [4, 6, 8, 9]). Глю кагон как антаго­
нист инсулина действует в противополож­
ном направлении: индуцирует ферменты
глюконеогенеза [4, 6, 8, 9] и репрессирует
пируваткиназу [7], ключевой фермент глико­
лиза. Другие эффекты глюкагона основаны
на взаим опревращ ении ферментов и опо­
средованы вторичным мессенджером цАМФ
(сАМР, см. с. 114). По этому механизму тор­
мозится синтез гликогена [1] и активируется
расщепление гликогена [2]. Подобным об­
разом действует и адреналин. Торможение
пируваткиназы [7] глюкагоном также обу­
словлено взаимопревращением ферментов.
Глюкокортикоиды, прежде всего корти­
зол (см. с. 362), индуцируют все ключевые
и
ферменты глюконеогенеза [4, 6, 8, 9]. Од­
новременно они индуцируют ферменты де­
градации аминокислот и обеспечивают тем
самым глюконеогенез исходными соедине­
ниями.
М е та б о л и ты . Высокие концентрации
АТФ (АТР) и цитрата тормозят гликолиз
путем аллостерической регуляции фосфофруктокиназы. Кроме того, АТФ тормозит
пируваткиназу. Ингибитором пируваткина­
зы является ацетил-КоА. Все эти метаболи­
ты образуются при распаде глюкозы (тормо­
жение конечным продуктом). А М Ф (АМР),
сигнал дефицита АТФ, активирует расщеп­
ление гликогена и тормозит глюконеогенез.
Б. Ф р укто зо -2,6-д и ф о сф ат О
Важную роль в обмене веществ в печени иг­
рает ф р у кто зо -2 ,6 -д и ф о с ф а т. Это с и г­
нальное вещество образуется в незначи­
тельных количествах из фруктозо-6-фосфата и выполняет чисто регуляторную функ­
цию: стимулирует гликолиз путем активации
фосфофруктокиназы и подавляет глюконео­
генез с помощью торможения фруктозо-1,6дифосфатазы.
Образование и распад фруктозо-2,6-дифосфата катализируются одним и тем же
белком [10а и б]. В нефосфорилированной
форме этот белок вызывает образование
фруктозо-2,6-дифосфата [10а]. После фосфорилирования цАМФ-зависимой киназой
он действует как фосфатаза [106] и катали­
зирует превращение фруктозо-2,6-дифосфата в фруктозо-6-фосфат. В присутствии
адреналина и глюкагона в клетках печени
повышается уровень цАМФ (см. с. 122), т. е.
оба гормона воздействуют как на гликолиз,
так и на глюконеогенез. Суммарным резуль­
татом является быстрое повышение уровня
глюкозы в крови.
Регуляция углеродного обмена
адреналин
глкжагон сАМР
гликоген
161
адреналин
глюкагон
сАМР
инсулин
инсулин
------------ фруктозо-2,6инсулин дифосфат, АМ
гл ю ко зо -1
фосфат
глю козо-6
фосфат
глюкоза
ф руктозо-6
фосфат
АТР,
цитрат
ф руктозо-1,6
дифосфат
инсулин
глюкагон
кортизол
глюкагон
кортизол
инсулин
ф руктозо-2 ,6дифосфат, АМР
глюкагон
инсулин
сАМР
ацетил-СоА]
АТР
1
гликоген-синтаза 2 .4 . 1.11
И
гликоген-ф осф орилаза 2.4.1.1
3] гексокиназа 2.7.1.1
► пируват
ацетил
СоА
инсулин
И
гексокиназа (печени) 2.7.1.1
р ] глю козо-6-ф осф атаза 3.1.3.9
Ш 6-ф осф оф руктокиназа 2.7.1.11
Щ ф руктозо-1,6-диф осф атаза 3.1.3.11
И пируваткиназа 2.7.1.40
глюкагон
кортизол
оксало
ацетат
оксало
ацетат
В
пируваткарбоксилаза 6.4.1.1
РЕР-карбоксикиназа (СТР) 4.1.1.32
А. Р егул яц ия у гл е в о д н о го о б м е н а
ф руктозо-6
фосфат
сАМР -►
ф руктозо-2,6- ф руктозо-1,6
диф осф ат
дифосфат
ф руктозо-2,6-диф осф ат
6-ф осф оф рукто-2-киназа 2 . 7.1.105
Б. Ф р у к т о з о -2 ,6 -д и ф о с ф а т
ф руктозо-2,6-диф осф атаза 3.1.3.46
162
Метаболизм углеводов
Сахарный диабет
Сахарный диабет (0/эЬе*ез т е/Ш ив) - ш и­
роко распространенное заболевание, кото­
рое наблюдается при абсолютном или отно­
сительном деф иците инсулина. Нехватка
этого пептидного гормона (см. сс. 78,82) от­
ражается главным образом на обмене угле­
водов и липидов. Сахарный диабет встреча­
ется в двух формах. При диабете I типа (ин­
сулинзависимом сахарном диабете) уже в
раннем возрасте происходит гибель инсулинсинтезирующих клеток в результате ау­
тоиммунной реакции. Менее тяжелый диа­
бет II типа (инсулиннезависимая форма)
обычно проявляется в более пожилом воз­
расте. Он может быть вызван различными
причинами, например пониженной секреци­
ей инсулина или нарушением рецепторных
функций.
А. Биосинтез инсулина О
Инсулин синтезируется в р-клетках остров­
ков Лангерганса подж елудочной ж елезы .
Как и многие секреторные белки, предшест­
венник гормона (препроинсулин) содержит
сигнальный пептид, который направляет
пептидную цепь внутрь эндоплазматического ретикулума (см. с. 226), где после отщеп­
ления сигнального пептида и замыкания дисульфидных мостиков образуется проинсу­
лин. Последний поступает в аппарат Гольджи
и депонируется в клеточных везикулах, /3гранулах. В этих гранулах путем отщепления
С-пептида образуется зрелый инсулин, кото­
рый сохраняется в форме цинксодержащего
гексамера (см. с. 82) вплоть до секреции.
Б. Последствия деф ицита
инсулина I
Воздействие инсулина на обм ен углеводов
рассмотрено на с. 160. Его механизм сво­
дится к усилению утилизации глюкозы и по­
давлению ее синтеза бе П0 V0 . К этому следу­
ет добавить, что транспорт глюкозы из крови
в большинство тканей также является инсу­
линзависимым процессом (исключения со ­
ставляют печень, центральная нервная сис­
тема и эритроциты).
Инсулин влияет также на липид ны й о б ­
мен в жировой ткани: он стимулирует синтез
жирных кислот из глюкозы, что связано с ак­
тивацией ацетил-КоА-карбоксилазы (см. с.
164), и усиливает генерацию НАДФН + Н+ в
ГМП (см. с. 154). Другая функция инсулина
— торможение расщепления жиров и дегра­
дации белков в мышцах. Таким образом, не­
достаточность инсулина ведет к глубоким
нарушениям промежуточного метаболизма,
что и наблюдается у больных сахарным диа­
бетом.
ул •
-т;
Характерный симптом заболевания — по­
вышение концентрации глюкозы в крови с
5 мМ (90 мг/дл) до 9 мМ (160 мг/дл) и выше
(ги п е р гл и ке м и я , повышенный уровень
глюкозы в крови). В мышцах и жировой тка­
ни, двух наиболее важных потребителях
глюкозы, нарушаются усвоение и утилиза­
ция глюкозы. Печень также утрачивает спо­
собность использовать глюкозу крови. Од­
новременно повышается глюконеогенез и
вместе с тем усиливается протеолиз в мыш­
цах. Это еще более увеличивает уровень
глюкозы в крови. Нарушение реабсорбции
глюкозы в почках (при концентрации в плаз­
ме 9 мМ и выше), приводит к ее выведению
с мочой (гл ю козурия).
Особенно серьезные последствия имеет
повышенная деградация жиров. Накаплива­
ющиеся в больших количествах жирные кис­
лоты частично используются в печени в син­
тезе липопротеинов (гиперлипидем ия),
остальные распадаются до ацетил-КоА. Из­
быточные количества ацетил-КоА, возника­
ющие в результате неспособности цитрат­
ного цикла полностью его утилизировать,
превращаются в кетоновы е тела (см. с.
304). Кетоновые тела — ацетоуксусная и 3гидроксим асляная кислоты — повышают
концентрацию протонов и влияют на физио­
логическую величину рН. Вследствие этого
может возникать тяжелый метаболический
ац ид о з (диабетическая кома, см. с. 280).
О бразующ ийся ацетон придает дыханию
больных характерный запах. Кроме того, в
моче увеличивается содержание анионов
кетоновых тел (кетонурия).
При неадекватном лечении сахарный диа­
бет может приводить к долгосрочным ос­
ложнениям: изменению состояния крове­
носных сосудов (диабетические ангиопа­
тии), повреждению почек (нефропатии),
нервной системы и глаз, например хруста­
лика (катаракта).
Сахарный диабет
препроинсулин,
104 аминокислоты
В-клетка
проинсулин
84 ам ино­
кислоты
163
инсулин,
51 амино
кислота
ядро
р-гранула
экзоцитоз
сигнальным
пептид
аппарат Гольджи/
гексамер
инсулина
С-пептид
А. Б и о с и н те з и н сул и н а
мышца и другие
инсулин­
зависимые ткани
кровь
жировая ткань
1 ухудшение
Потребления
I глюкозы
глюкоза
глюкоза
глюкоза
ам ино­
кислоты
белок
липолиз
жирные
кислоты
протеолиз
превышение
максималь­
ного объема
резорбции
ги п е р ­
гликемия
глюкоза
ам ино­
кислоты
глико
ген
жирные
кислоты
гиперлипидемия
глюкоза
жирные
кислоты
липопротеин
анионы
кетоно­
вых тел
печень
пируват
ацетил
СоА
инсулиновая недостаточность
Б. П о сл е д ств и я д е ф и ц и та и н сул и н а
кетоно­
вые тела
метаболически
ацидоз
почка
моча
глюкоза
анионы
кетоно­
вых тел
вода
электролиты
164
Метаболизм липидов
Метаболизм жиров
А. М етаболизм жиров:
общ ие сведения I
М етаболизм жиров в жировой
ткани (на схем е сверху)
Жиры (триацилглицерины) — наиболее важ­
ный резерв энергии в организме животных.
Они хранятся главным образом в клетках
жировой ткани, адипоцитах. Там же они уча­
ствуют в постоянно происходящих процес­
сах образования и деградации.
Жирные кислоты, необходимые для син­
теза жиров (липогенеза), в составе триацилглицеринов переносятся из печени и кишеч­
ника в виде липопротеиновых комплексов
(ЛОНП и хиломикроны). Липопротеин-липаза [1], находящаяся на поверхности эндоте­
лиальных клеток кровеносных капилляров,
отщепляет от этих липопротеинов жирные
кислоты (см. с. 273).
В адипоцитах деградация жиров (липолиз) катализируется гормонзависимой л и ­
пазой [2]. Уровень свободных жирных кис­
лот, поступающих из жировой ткани, зависит
от активности этой липазы — фермент регу­
лирует таким образом уровень жирных кис­
лот в плазме.
Жирные кислоты из жировой ткани транс­
портируются в плазму крови в неэтерифицированной форме. При этом растворимы
только короткоцепочечные жирные кислоты,
а жирные кислоты с более длинными цепя­
ми, менее растворимые в воде, переносятся
в комплексе с альбумином.
Д еградация жирных кислот в
печени (на схем е слева)
Жирные кислоты поступают из плазмы крови
в ткани; здесь из них синтезируются жиры
или за счет окисления получается энергия.
Особенно интенсивен метаболизм жирных
кислот в клетках печени (гепатоцитах).
Наиболее важным процессом деградации
жирных кислот является р-окисление (см.
с. 167) в митохондриях. При этом жирные ки­
слоты вначале активируются в цитоплазме,
присоединяясь к коферменту А [3]. Затем
они с помощью транспортной системы (карнитинового челнока [4]; см. с. 215) попадают
в митохондриальный матрикс, где разруша­
ются в результате р-окисления до ацетилКоА. Образующиеся ацетильные остатки
полностью окисляются до СОг в цитратном
цикле с освобождением энергии в виде АТФ
(АТР). Если количество образовавшегося
ацетил-КоА превосходит энергетическую
потребность гепатоцитов, что наблюдается
при высоком содержании жирных кислот в
плазме крови (типичные случаи — голода­
ние и сахарный диабет), то в гепатоцитах
синтезируются кетоновые тела (см. с. 305),
снабжающие энергией уже другие ткани.
Синтез жирных кислот в печени
(на схем е справа)
Биосинтез жирных кислот протекает в цито­
плазме, в основном в печени, жировой тка­
ни, почках, легких и молочных железах. Глав­
ным источником атомов углерода является
глю коза, однако возможны и другие пред­
шественники ацетил-КоА, например амино­
кислоты.
Первая стадия — карбоксилирование
ацетил-КоА с образованием малонил-СоА —
катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой
[5], ключевым ферментом биосинтеза жир­
ных кислот. Создание длинноцепочечных
жирных кислот осуществляется синтазой
жирных кислот [6] (см. с. 171). Исходя из мо­
лекулы ацетил-КоА под действием этого полифункционального фермента, цепь удлиня­
ется (процесс включает семь реакций) пу­
тем добавления малонильных групп и от­
щепления С 02 (в каждой реакции) с образо­
ванием пальмитата. Таким образом, в ре­
зультате каждой реакции молекула удлиня­
ется на два углеродных атома. В качестве
восстановителя используется НАДФН + Н+,
образующийся в гексозомонофосфатном
пути (см. с. 155) или в реакциях, катализиру­
емых изоцитратдегидрогеназой и «малатферментом».
Удлинение цепи жирной кислоты на синтазе жирных кислот заканчивается на С 16,
т.е. на пальмитиновой кислоте (16:0). В
последующих реакциях пальмитат использу­
ется в качестве предшественника для полу­
чения ненасыщенных или более длинноце­
почечных жирных кислот.
Дальнейший биосинтез жиров протекает
с участием активированных жирных кислот
(ацил-КоА) и 3-глицерофосфата (см. с. 173).
Для обеспечения других тканей жиры в
гепацитах упаковываются в липопротеино­
вые комплексы типа ЛОНП (УиЭ1-) и посту­
пают в кровь (см. с. 273).
Метаболизм жиров: общие сведения
липопротеинлипаза 3.1.1.34
гормончувствительная
липаза 3 . 1.1.3
адреналин,
норадреналин
глюкагон и т.д.
главный
энергети­ Щ
ческий
резерв
организма
жировая клетка
®
жирная кислотаСоА-лигаза 6.2.1.3 инсулин
карнитин-Опальмитилтрансфераза 2.3.1.21
ацетил-СоАкарбоксилаза
6.4.1.2 [биотин]
синтаза
жирных
кислот
образуется в
слизистой
кишечника
вободные жирные
ислоты
инсулин
Г8*хилоЙ микроны
комплекс жирная кислота-альбумин
кровь
свободные жирные кислоты
клетка печени
триацилглицерины
► АМР+
ацил-СоА
биосинтез жиров
митохондрия
ацил-СоА
ацил-СоА
ненасыщенные
жирные кислоты
длинноцепочечные
жирные кислоты
пальмитат
кисление
ИАОР
ЫАОРН
ацетил-СоА
+Н ©
малонил-СоА
кетоновые
тела
цитрат
инсулин
глюкагон
цитратныи
цикл,
дыхатель­
ная цепь
энерго­
обеспечение
других тканей
ацетил-СоА
деградация
аминокислот
гликолиз
аминокислоты
глюкоза
^г
С 02+АТР
деградация
жирных
кислот
А. М е та б о л и зм ж и р о в : о б щ и е све д е н и я
биосинтез
жирных
кислот
165
наиболее важный
предшественник
166
Метаболизм липидов
Деградация жирных кислот:
(3-окисление
А. Д еградация жирных кислот:
(3-окисление I
После попадания в клетки жирные кислоты
активируются путем образования ацил-КоА.
Для этого нужны две богатые энергией ан­
гидридные связи АТФ (см. с. 112). В матрикс
митохондрий активированные жирные кис­
лоты попадают в виде ацилкарнитина, кото­
рый является трансмембранным переносчи­
ком (см. с. 214).
Деградация жирных кислот происходит в
митохондриальном матриксе путем окисли­
тельного цикла реакций, при котором после­
довательно отщепляются Сг-звенья в виде
ацетил-КоА (активированной уксусной кис­
лоты). Последовательное отщепление аце­
тильных групп начинается с карбоксильного
конца активированных жирных кислот
каждый раз между С-2 (а-атомом) и С-3 (13атомом). Поэтому цикл реакций деградации
называется р-окислением . Пространствен­
но и функционально р-окисление тесно свя­
зано с цитратным циклом (см. с. 140) и дыха­
тельной цепью (см. с. 142)
Первая стадия р-окисления — дегидриро­
вание активированной жирной кислоты
(ацил-КоА) с образованием р-ненасыщенной жирной кислоты с двойной связью в
транс-конфигурации (реакция [ 1]: дегидри­
рование). При этом оба атома водорода с
электронами переносятся от фермента [1]
на электронпереносящ ий ф лавопротеин
(ЕТР)- ЕТР-дегидрогеназа [5] переносит
восстановительные эквиваленты на убихинон (кофермент О), который является со­
ставной частью ды хательной цепи (см. с.
143). Вторая стадия деградации жирной кис­
лоты состоит в присоединении молекулы
воды к двойной связи ненасыщенной жир­
ной кислоты (реакция [2]: гидрагирование).
На третьей стадии происходит окисление
гидроксильной группы при С-3 в карбониль­
ную группу (реакция [3]: дегидрирование).
Акцептором для восстановительных эквива­
лентов является НАД+, который передает их
в ды хательную цепь. На четвертой стадии
активированная р-кетокислота расщепляет­
ся ацилтрансферазой (р-кетотиолазой) в
присутствии кофермента А (реакция [4]: тиолитическое расщепление). Продуктами ре­
акции являются ацетил-КоА и активирован­
ная жирная кислота, углеродная цепь кото­
рой короче на два углеродных атома по
сравнению с длиной цепи исходной жирной
кислоты.
Для полной деградации длинноцепочеч­
ной жирной кислоты цикл должен много­
кратно повторяться; например, для стеарилКоА (18:0) необходимы восемь циклов. Об­
разующийся ацетил-КоА может переносить­
ся на оксалоацетат с образованием цитрата,
промежуточного метаболита ц и тр а тн о го
цикла (см. с. 140). При избытке ацетил-КоА
в печени образуются кетоновые тела (см. с.
304).
Б. Энергетический баланс
деградации жирных кислот I
Для расчета энергетического баланса де­
градации жирной кислоты в качестве приме­
ра рассмотрим молекулу пальмитиновой
кислоты (16:0), которая окисляется полно­
стью до 16 молекул С 02. На первой стадии
жирная кислота активируется, потребляя
две богатые энергией связи [АТФ (АТР)], с
образованием пальм итоил-С оА , состоя­
щего из восьми Сг-звеньев. Затем протека­
ют семь циклов р-окисления. При этом обра­
зуются 7 молекул восстановленной формы
флавопротеина (ЕТР) и 7 молекул НАДН +
Н+. Оба соединения включаются в дыхатель­
ную цепь; окисление ЕТР через убихинон да­
ет в итоге 1,5 молекулы АТФ, а НАДН + Н+ —
2,5 молекулы (см. с. 143). Таким образом, рокисление одного пальмитоильного остатка
дает 28 молекул (7 х 4) АТФ. Окисление каж­
дой молекулы ацетил-КоА приводит к обра­
зованию 10 молекул АТФ, что означает по­
лучение еще 80 молекул (8 х 10) АТФ. Из 28
+ 80 молекул АТФ следует вычесть две моле­
кулы АТФ, израсходованные при активации
пальмитиновой кислоты (см. выше). Итак,
при утилизации одной молекулы пальмити­
новой кислоты синтезируются 106 молекул
АТФ, что соответствует свободной энергии
3300 кДж/моль (106 х 30,5 кДж/моль АТФ).
Выигрыш в энергии при деградации жир­
ных кислот существенно выше по сравнению
с распадом углеводов (32 молекулы АТФ на
1 молекулу глюкозы) и белков даже с учетом
больших размеров молекул. Поэтому жиры
представляют собой очень выгодную форму
сохранения энергии.
Деградация жирных кислот: р-окисление
167
эл ектрон-------------переносящий
флавопротеин [ЕТР]
дыхатель
ная цепь
0-углерод
ацил-СоА
ацил-СоА
(п-2 углерод
ных атомов)
ацетил
цитратныи цикл
дыхатель
ная цепь
ацил-СоА-дегидрогеназа 1.3.99.3
о ! З-оксиацил-СоА-дегидрогеназа
^ 1 1.1.1.35
4 | ацетил-СоА-ацилтрансфераза 2.3.1.16
еноил-СоА-гидратаза 4.2.1.17
5
ЕТР-дегидрогеназа [РАО, Рв434] 1.5.5.1
А. Деградация жирных кислот: р-окисление
пальмитиновая
кислота
цитратныи цикл
р-окисление
активация
пальмитил-СоА
8 ацетил-СоА
7 восст. ЕТР
8 восст. ЕТР
энергетический баланс: - 2 АТР
Б. Энергетический баланс деградации жирных кислот
Итого: + 106 молекул АТР
168
Метаболизм липидов
Побочные пути деградации
жирных кислот
Основной путь деградации жирных кислот
протекает через р-окисление (см. с. 166).
Наряду с этим имеются побочные метаболи­
ческие пути, такие, как разрушение ненасы­
щенных жирных кислот (схема А), разруше­
ние жирных кислот с нечетным числом угле­
родных атомов (схема Б), а- и со-окисление
жирных кислот, а также деградация жирных
кислот в пероксисомах. Хотя эти побочные
пути количественно менее важны, их нару­
шение может приводить к тяжелым заболе­
ваниям (см. ниже).
А. Д еградация ненасыщенных
жирных кислот I
В этих реакциях принимают участие раз­
личные коферменты: карбоксилирование [3]
происходит с помощью биотина, а изоме­
ризация м утазой [4] — с участием коф ер­
мента В -|2 (5'-дезоксиаденозилкобаламина,
см. с. 356).
Сукцинил-КоА является промежуточным
метаболитом цитратного цикла и после пре­
вращения в оксалоацетат включается в глюко­
неогенез. Из конечного продукта деградации
жирных кислот с нечетным числом атомов уг­
лерода — пропионил-СоА — синтезируется
глюкоза. Напротив, образующиеся при рокислении молекулы ацетил-КоА не могут ис­
пользоваться для глюконеогенеза, так как оба
углеродных атома ацетильного остатка на пу­
ти к оксалоацетату превращаются в СОг-
Дополнительная информация О
У ненасыщенных жирных кислот двойные
связи в положении 9 или 12 обычно имеют
цис-конфигурацию, как, например, в линолевой кислоте (18:2; 9,12). Деградация таких
кислот, как и насыщенных жирных кислот,
протекает путем р-окисления до С-9 -цисдвойной связи. Поскольку в промежуточных
продуктах (КоА-эфирах Д2,3-ненасыщенных
кислот) двойная связь должна быть в транс­
конфигурации, специфическая изомераза
катализирует превращение 3,4-цис-изомера в 2,3-транс-изомер [1] и деградация мо­
жет быть продолжена путем р-окисления. В
тех случаях, когда такое превращение не­
возможно, двойная связь восстанавливает­
ся с помощью НАДФН + Н+
+ Н+) [2].
Последующая деградация жирной кислоты
происходит по обычному механизму р-окис­
ления, сопровождающемуся перегруппи­
ровкой двойных связей.
Б. Деградация жирных кислот с
нечетным числом атомов углерода I
Эта группа жирных кислот окисляется по та­
кому же механизму, что и обычные жирные
кислоты с четным числом атомов углерода.
После поступления в клетку они активируют­
ся с образованием ацил-КоА и потреблени­
ем АТФ, затем транспортируются в митохон­
дрии с помощью карнитинового челнока, где
разрушаются в результате р-окисления (см.
с. 166). Остающийся пропионил-КоА карбоксилируется пропионил-КоА-карбоксилазой с образованием м етилм алонил-КоА
[3], который после изомеризации (не пока­
зано, см. с. 402) превращается в сукцинилСоА [4].
Дополнительно к показанному в верхней ча­
сти схемы пути деградации жирных кислот
имеются второстепенные пути, предназна­
ченные для окисления некоторых необычных
жирных кислот, присутствующих в пище.
а-О кислением разрушаются метилразветвленные жирные кислоты. Процесс
начинается с гидроксилирования и далее
осуществляется путем последовательного
отщепления С 1-остатков, не требует участия
кофермента А и не сопровождается синте­
зом АТФ.
ш-Окисление начинается с гидроксили­
рования ш-углеродного атома жирной кис­
лоты монооксигеназой (см. с. 310) и в ре­
зультате окисления приводит к образованию
жирных кислот с двумя карбоксильными
группами, которые разрушаются р-окислением с обеих сторон до Се- или Сб-дикарбоновых кислот и, наконец, выводятся с мочой.
Д е гр а д а ц и я ж ирны х ки сл о т с очень
длинной цепью атом ов углерода. Альтер­
нативная форма р-окисления встречается в
пероксисомах печени, специализирующих­
ся на разрушении длинноцепочечных жир­
ных кислот (п > 20), в результате чего обра­
зуются ацетил-КоА и Н2О2; при этом АТФ не
синтезируется.
Нарушения обходных путей деградации
жирных кислот приводят к известным клини­
ческим последствиям: при синдром е Рефсума метилразветвленная фитановая кис­
лота (из растительной пищи) не может раз­
рушаться путем а-окисления; при синд ро­
м е Ц елльвегера нарушена деградация
длинноцепочечных жирных кислот из-за де­
фекта пероксисом.
деградации
линолеил-СоА (18 : 2; 9,12)
сдвиг и
изомеризация
помеченной
двойной связи
(5-окисление
восстановление
и сдвиг
помеченной
двойной связи
3 ацетил-СоА
;трвн(1
р-окисление
СоА
ацетил-СоА
МАОРИ
МАЭР
3-окисление
еноил-СоА-изомераза
5.3.3.8
2,4-диеноил-СоА-редуктаза
1.3.1.34
5 ацетил-СоА
А. Деградация ненасыщенных жирных кислот
жирные кислоты с
нечетным числом
атомов углерода
0-окисление
пропионил-СоА-карбоксилаза
6.4.1.3 [биотин]
метилмалонил-СоА-мутаза
5.4.99.2 [кофермент В12 ]
цитратныи
цикл
п ацетил-СоА
пропионил-СоА
метилмалонил-СоА
сукцинил-СоА
Б. Деградация жирных кислот с нечетным числом атомов углерода
170
Метаболизм липидов
Биосинтез жирных кислот
Биосинтез жирных кислот катализируется
синтазой жирных кислот. Эта ферментная
система локализована в цитоплазме и нуж­
дается в качестве затравки в ацетил-КоА. В
циклической реакции одна молекула удлиня­
ется семикратно на С2*звена. В качестве ко­
нечного продукта реакции образуется анион
С 16”кислоты, пальмитат. Фактический суб­
страт реакции удлинения цепи малонил-КоА
на каждой стадии конденсации отщепляет
карбоксильную группу в виде СОг* Восстано­
вителем в синтезе жирных кислот является
НАДФН + Н+. В результате на синтез одной
молекулы пальмитата расходуется одна мо­
лекула ацетил-КоА, 7 молекул малонил-КоА
и 14 молекул НАДФН + Н+; при этом
образуются 7 молекул СОг, 6 молекул Н20 , 8
молекул КоА и 14 молекул НАДФ+.
А. Синтаза жирных кислот I
Синтаза жирных кислот позвоночных состо­
ит из двух идентичных пептидных цепей, т. е.
представляет собой гомодимер. Каждая из
двух пептидных цепей, представленных на
рисунке в виде половинок шара, может ката­
лизировать семь различных реакций ([1] [7]), из которых складывается синтез паль­
митата. Пространственное объединение не­
скольких последовательных реакций в таком
мультиферментном комплексе имеет ряд
принципиальных преимуществ по сравне­
нию с отдельными ферментами: предотвра­
щаются конкурентные реакции, последова­
тельные реакции согласованы как на конвей­
ере, реакции протекают особенно эффек­
тивно благодаря высокой концентрации суб­
страта из-за незначительных потерь за счет
диффузии.
Каждая половинка синтазы жирных кислот
может связывать субстрат тиолсложноэфирной связью (ацильный или ацетильный
остаток) по двум 5Н-группам: цистеинового
остатка (Суз-5Н) и 4 '-фосфопантетеиновой
группы (Рап-5Н). Рап-5Н, очень похожий на
кофермент А (см. с. 111), связан с доменом
синтазы, который называют ацилперенося-
щим белком [АПБ (АСР)]. Эта часть фермен­
та функционирует как «длинная рука», кото­
рая фиксирует субстрат и передает его от
одного реакционного центра к другому. Ин­
тересно отметить, что реакция при этом за­
висит от согласованности действия обеих
половинок синтазы. Поэтому фермент функ­
ционально активен только в виде димера.
Активность мультиферментного комплек­
са пространственно распределена по трем
различным доменам. Д ом ен 1 катализирует
перенос субстратов ацетил-КоА и малонилКоА [АП Б]-8-ацет илт рансф еразой [1] и
[АПБ]-3-малонилт рансф еразой [2] и после­
дующую конденсацию обоих партнеров 3оксоацил-[АПБ]-синтазой [3], дом ен 2 вос­
станавливает растущую цепь жирной кисло­
ты с помощью 3 -оксоацил-[АПБ]-редуктазы
[4], 3-гидроксиацил-[АПБ]-дегидратазы [5]
и еноил-[АПБ]-редуктазы [6]. Наконец, д о ­
мен 3 после семи циклов удлинения цепи
катализирует высвобождение готового про­
дукта с помощью ацил-[АПБ]-гидролазы [7].
Б. Реакции синтазы жирных
кислот I
Биосинтез пальмитата (на схеме внизу) на­
чинается с переноса ацетильной группы на
уже упомянутый остаток цистеина (Суз-5Н)
[1] и малонильной группы на 4-фосфопантетеин (Рап-5Н) в АПБ [2 ]. Удлинение цепи
происходит вследствие переноса ацетиль­
ной группы на углеродный атом С-2 малонильного остатка (голубая стрелка), при­
чем свободная карбоксильная группа от­
щепляется в виде С 0 2 [3]. Следующие три
стадии реакции, а именно восстановление
3-оксогруппы [4 ], отщепление воды [5] и
вновь восстановление [6 ], приводят к ж ир­
ной кислоте с четырьмя углеродными ато­
мами. Ацилтрансф ераза [1 ] переносит
этот промежуточный продукт на цистеиновый остаток, освобождая Рап-5Н для при­
соединения следующего малонильного о с ­
татка. После семи циклов ацил-[А П Б]-гидролаза [7] «опознает» и освобождает ко­
нечный продукт — молекулу пальмитино­
вой кислоты.
Биосинтез жирных кислот
1 ) ( 2 ) присоединение ( 5 ) отщепление воды
субстратов к АСР4-^
удлинение цепи
171
пальмитат
восстановление
восстановление
высвобождение
продукта
7 ) высвобождение
- продукта
пальмитат
ацил
МОРН
нпантетеин
ЫАОР
транс
еноил
ацетил
3-гидроксиацил
малонил
МАОРН
А. С интаза ж и р н ы х ки с л о т
[АСР]-5-ацетилтрансфераза 2.3.1.38
МАиР
2
[АСР]-5-малонилВв трансфераза 2.3.1.39
3-оксоацил
3-оксоацил-[АС1
синтаза 2.3.1.41
3-оксоацил-[АСР
редуктаза 1.1.1.1
3-гидроксипальмитоил-(АСР)
пегидоатаза 4.2.1.61
еноилчАСК]редуктаза (|чАОРН) 1.3.1.10
ацил-[АС Р]гидролаза 3.1.2.14
начало реакцииу
Б. Р еакции си н те зы ж и р н ы х ки сл о т
ацетил
ацетил*
или ацил
малонил- 4 3
172
Метаболизм липидов
Биосинтез сложных липидов
А. Биосинтез жиров и
фосфолипидов I
Сложные липиды, такие, как нейтральные
жиры (триацилглицерины), фосфо- и глико­
липиды, синтезируются по основным реак­
ционным путям. Синтез начинается (на схе­
ме внизу) с зл - 3 - гл и це ро фосф ата . Обозна­
чение «5л» относится к стереохимической
номенклатуре, так как симметричный глице­
рин после присоединения фосфата приоб­
ретает хиральность. з л -3 - Глицерофосфат
образуется при восстановлении [1] проме­
жуточного продукта гликолиза, д и ги д р о кси а ц е то н -3 -ф о с ф а та , или в результате
фосфорилирования глицерина [2]. При этериф икации зл-З-глицероф осф ата по С-1
длинноцепочечной жирной кислотой обра­
зуются лизофосфатиды [3], при повторной
этерификации ненасыщенной жирной кис­
лотой по С-2 — ф осф атидаты [4], ключевые
промежуточные продукты в биосинтезе жи­
ров, фосфо- и гликолипидов.
Из фосфатидовых кислот после гидроли­
тического отщепления фосфатной группы
[5] и последующего ацилирования жирной
кислотой [6] образуются тр и а ц и л гл и ц е р и ­
ны (жиры). После завершения биосинтеза
нейтральные жиры сохраняются в цитоплаз­
ме в виде жировых капель.
Из фосфатидовых кислот также через
промежуточное образование диацилглицерина синтезируется ф о сф а ти д и л хо л и н
(лецитин) [7]. Фосфохолиновая группа пере­
носится на диацилглицерин из холинцитидиндифосфата [ЦДФ-холина (СйР-холина)]
(см. с. 112), представляющего собой акти­
вированную форму холина.
По аналогичной реакции диацилглицерина и ЦДФ-этаноламина образуется фосфа тидилэтаноламин. Фосфатидилсерин обра­
зуется из фосфатидилэтаноламина путем
обмена аминоспиртовых групп. Последую­
щие реакции заключаются во взаимопре­
вращении фосфолипидов: например, ф ос­
фатидилсерин декарбоксилируется с обра­
зованием ф осф атидилэтаноламина; п о с­
ледний в результате метилирования 5-аденозилметионином превращается в фосфа­
тидилхолин.
Для биосинтеза нейтральных жиров, фосфо- и гликолипидов также используются пи­
щевые липиды. Нейтральные жиры расщеп­
ляются в пищеварительном тракте панкреа­
тическими липазами до жирных кислот и 2моноацилглицеринов. Эти метаболиты вса­
сываются слизистой кишечника и использу­
ются в качестве предшественников в синте­
зе липидов (см. с. 266). Последовательное
ацилирование 2-моноацилглицерина с об­
разованием в качестве конечных продуктов
нейтральных жиров катализируется двумя
ацилтрансф еразами [8, 6] в последова­
тельности реакций: 2-моноацилглицерин —»
диацилглицерин —» триацилглицерин (нейт­
ральный жир).
Биосинтез ф осф атид ил инозита также
начинается с фосфатидовой кислоты. При
взаимодействии с ЦМФ (СМР) образуется
1-ЩФ-диацилглицерин [9 ], который далее
реагирует с инозитом с образованием фос­
фатидилинозита [10]. Этот фосфолипид пе­
реходит в плазматическую мембрану и мо­
жет быть там фосфорилирован АТФ с обра­
зованием ф осф атидилинозит-4-ф осф ата
(Р1пзР) и фосфатидилинозит-4,5-дифосфата (Р1пзРг). Р1пзРг является субстратом фосфолипазы С, которая расщепляет его до
вторичных мессенджеров 2,3-диацилглицерина [ДАГ (РАС)] и инозит-1,4,5-трифосфата [И Ф 3 (1пзР3)1 (см. с. 375).
Ниже перечислены ферменты, принимаю­
щие участие в биосинтезе липидов. Боль­
шинство из них ассоциировано с мембрана­
ми гладкого эндоплазматического ретикулума, где и протекают представленные на схе­
ме реакции.
[ I] З -Г л и ц е р о ф о с ф а т д е г и д р о г е н а з а
(ЫАО+) 1. 1. 1.8
[ 2] Глицеринкиназа 2.7.1.30
[ 3] З-Глицерофосфат-О-ацилтрансфераза
2.3.1.15
[ 4] 1-А ц и л -З -гл и ц е р о ф о с ф а т -О -а ц и л трансфераза 2.3.1.51
[ 5] Фосфатидатфосфатаза 3.1.3.4
[ 6] Диацилглицерин-О -ацилтрансф ераза
2.3.1.20
[ 7] 1-А л ки л -2 -а ц е ти л гл и ц е р и н —холинфосфотрансфераза 2.7.8.16
[ 8] Ацилглицерин-О-пальмитоилтрансфераза 2 .3 . 1.22
[ 9] Ф о с ф а ти д а т— ц и ти д и л тр а н сф е р а за
2.7.7.41
[ 1 0] СОР-диацилглицерин—инозит-3 - фосфатидилтрансфераза 2.7.8.11
[11] 1-Фосфатидил инозит-киназа 2 .7 .1 .6 7
[12] 1-Ф осф атидилинозит-4-ф осф ат-кина­
за 2.7.1.68
Биосинтез сложных липидов
триацилглицерин
173
фосфатидил холин
инозит
холин
фосфатидилинозит-4.5-\цифосфат
или
этанол
амин
инозит
холин
фосфатидилинозит-4-фосфат
диацилглицерин
инозит
фосфатидилинозит
фосфатидат
2-моноацилглицерин
инозит
ацил-СоА
пища
СОР-диацилглицерин
лизофосфатидат
гликолиз
ацил-СоА
дигидроксиацетон-3-фосфат
зл-З-глицеро
фосфат
А. Б и о с и н те з ж и р о в и ф осф ол ипид ов
глицерин
174
Метаболизм липидов
путем репрессии биосинтеза фермента
Биосинтез холестерина
(эффекторы: гидроксистерины), а также за
счет взаимопревращ ения молекулы фер­
Холестерин — важная составная часть кле­
мента (эффекторы: гормоны) осуществля­
точных мембран животных клеток (см. с. 218).
ется регуляция биосинтеза холестерина.
Суточная потребность в холестерине (1 г) мо­
Например, фосфорилированная редуктаза
жет в принципе покрываться за счет биосин­
представляет
собой
неактивную
форму
теза. При смешанной диете примерно поло­
фермента;
инсулин
и
тироксин
стимулируют
вина суточной нормы холестерина синтези­
фермент,
глюкагон
тормозит;
холестерин,
руется в кишечнике, коже и главным обра­
поступающий
с
пищей,
также
подавляет
3зом в печени (примерно 50 %), а остальной
ГМГ-КоА-редуктазу.
холестерин поступает с пищей. Значитель­
2.
Образование
изопентенилдифосная часть холестерина включена в липидный
фата.
Мевалонат
за
счет
декарбоксилирослой плазматических мембран. Большое ко­
вания
с
потреблением
АТФ
превращается
в
личество холестерина расходуется в био­
изопентенилдифосфат,
который
и
является
синтезе желчных кислот (см. с. 306), часть
тем
структурным
элементом,
из
которого
выделяется с желчью. Ежесуточно из орга­
строятся все изопреноиды (см. с. 59).
низма выводится примерно 1 г холестерина.
3
.
Образование
сквалена.
Изопенте­
Очень небольшая часть холестерина исполь­
нилдифосфат
подвергается
изомеризации
с
зуется для биосинтеза стероидных гормо­
образованием диметилаллилдифосфата.
нов (см. с. 364).
Обе Сб-молекулы конденсируются в геранилдифосфат и в результате присоединения
А. Биосинтез холестерина О
следующей молекулы изопентенилдифосфата
образуют
фарнезилдифосфат.
При
диБиосинтез холестерина, как и всех изопремеризации
последнего
по
типу
«голова
к
го­
ноидов, начинается с ацетил-КоА (см. с.
лове»
образуется
сквален.
Фарнезилдифос­
58). Углеродный скелет С27~стерина строит­
фат
является
также
исходным
соединением
ся из Сг-звеньев в длинной и сложной после­
для
синтеза
других
полиизопреноидов,
та­
довательности реакций. Биосинтез холесте­
ких, как долихол и убихинон (см. с. 58).
рина можно разделить на четыре этапа. На
4.
Образование
холестерина.
Сквален,
первом этапе (1) из трех молекул ацетиллинейный
изопреноид,
циклизуется
с
по­
КоА образуется мевалонат (Сб). На втором
треблением
кислорода
в
ланостерин,
Сзоэтапе (2) мевалонат превращается в «актив­
стерин,
от
которого
на
последующих
стади­
ный изопрен», изопентенилдиф осф ат. На
ях,
катализируемых
цитохромом
Р450,
от­
третьем этапе (3) шесть молекул изопрена
щепляются
три
метильные
группы,
вследст­
полимеризуются с образованием сквалена
вие чего образуется конечный продукт — хо­
(Сзо)- Наконец, сквален циклизуется с отще­
лестерин.
плением трех атомов углерода и превраща­
Описанный путь биосинтеза локализован
ется в холестерин (4). На схеме представле­
в
гладком
ЭР.
Синтез
идет
за
счет
энергии,
ны только наиболее важные промежуточные
освобождающейся при расщеплении произ­
продукты биосинтеза.
водных
кофермента
А
и
энергетически
бога­
1.
Образование мевалоната. Превра­
тых фосфатов. Восстановителем при обра­
щение ацетил-КоА в ацетоацетил-КоА и за­
зовании
мевалоната
и
сквалена,
а
также
на
тем в З-гидрокси-З-метилглутарил-КоА (3последних
стадиях
биосинтеза
холестерина
ГМГ-КоА) соответствует пути биосинтеза ке­
является НАДФН + Н+. Для этого пути
тоновых тел (подробно см. с. 305), однако
характерно то, что промежуточные метабо­
этот процесс происходит не в митохондриях,
литы
можно
подразделить
на
три
группы:
а в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). 3производные
кофермента
А,
дифосфаты
и
ГМГ-КоА восстанавливается с отщеплением
высоко липофильные соединения (от сква­
кофермента А с участием 3 -ГМГ-КоА-редуклена до холестерина), связанные с перенос­
тазы, ключевого фермента биосинтеза холе­
чиками стеринов.
стерина (см. ниже). На этом важном этапе
Б и о с и н те з хо л е сте р и н а
изопентенилдифосфат
мевалонат
ацетил-СоА
$
и
ацетил-СоА Зх и3с —с
холестерин
сквален
мевалонат
3-гид рокси3-м етилглутарил-СоА
он
инсули
тирокси
, гидроксиметилг глутарил-СоА-
глюкагон
►
РЖ Т
гидрокси
стерины
т ключевой
1 фермент
изопентенилдифосфат
мевалонат
диф осф аг'ЛИЛ
мевалонил
дифосфат
сквален
изопентенилдифосфат
две стадии
геранилдифосфат
ланостерин
фарнезилдифосфат
2 С 02
1 НСООН
ЫАОРН+Н®
сквален
несколько стадии
ЫАОРф
холестерин
А . Б и о с и н те з хо л е сте р и н а
176
Метаболизм белков
Белковый обмен: общие сведения
В количественном отношении белки образуют самую важную группу макромолекул. В
организме человека массой 70 кг содержит­
ся примерно 10 кг белка, причем ббльшая его
часть локализована в мышцах. По сравнению
с белками доля других азотсодержащих ве­
ществ в организме незначительна. Поэтому
баланс азота в организме определяется ме­
таболизмом белков, который регулируется
несколькими гормонами, прежде всего тес­
тостероном и кортизолом (см. с. 362).
А. Белковый обмен: общ ие
сведения I
В организме взрослого человека метабо­
лизм азота в целом сбалансирован, т. е. ко­
личества поступающего и выделяемого бел­
кового азота примерно равны. Если выделя­
ется только часть вновь поступающего азо­
та, баланс положителен. Это наблюдается,
например, при росте организма. Отрица­
тельный баланс встречается редко, главным
образом как следствие заболеваний.
Полученные с пищей белки подвергаются
полному гидролизу в желудочно-кишечном
тракте до аминокислот, которые всасываются
и кровотоком распределяются в организме
(см. с. 260). 8 из 20 белковых аминокислот не
могут синтезироваться в организме человека
(см. с. 66). Эти незаменимые аминокислоты
должны поступать с пищей (см. с. 348).
Через кишечник и в небольшом объеме
также через почки организм постоянно теря­
ет белок. В связи с этими неизбежными по­
терями ежедневно необходимо получать с
пищей не менее 30 г белка. Эта минималь­
ная норма едва ли соблюдается в некоторых
странах, в то время как в индустриальных
странах содержание белка в пище чаще все­
го значительно превышает норму. Амино­
кислоты не запасаются в организме, при из­
быточном поступлении аминокислот в пече­
ни окисляется или используется до 100 г
аминокислот в сутки. Содержащийся в них
азот превращается в мочевину (см. с. 184) и
в этой форме выделяется с мочой, а угле­
родный скелет используется в синтезе угле­
водов, липидов (см. с. 182) или окисляется с
образованием АТФ.
Предполагается, что в организме взрос­
лого человека ежедневно разрушается до
аминокислот 300-400 г белка (лротеолиз).
В то же время примерно то же самое количе­
ство аминокислот включается во вновь
образованные молекулы белков (белковый
биосинтез). Высокий оборот белка в орга­
низме необходим потому, что многие белки
относительно недолговечны: они начинают
обновляться спустя несколько часов после
синтеза, а биохимический полупериод со­
ставляет 2 -8 дней. Еще более короткоживущими оказываются клю чевы е ферменты
промежуточного обмена. Они обновляются
спустя несколько часов после синтеза. Это
постоянное разрушение и ресинтез позво­
ляют клеткам быстро приводить в соответст­
вие с метаболическими потребностями уро­
вень и активность наиболее важных фер­
ментов. В противоположность этому осо­
бенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин или компоненты цитоске­
лета.
Почти все клетки способны осуществлять
биосинтез белков (на схеме наверху слева).
Построение пептидной цепи путем транс­
л яции на рибосоме рассмотрено на сс.
244-249. Однако активные формы большин­
ства белков возникают только после ряда
дальнейших шагов. Прежде всего при помо­
щи вспомогательных белков шаперонов
должна сложиться биологически активная
конформация пептидной цепи (сверты ва­
ние, см. сс. 80, 230). При пострансляционном созревании у многих белков удаляются
части пептидной цепи или присоединяются
дополнительные группы, например олигоса­
хариды или липиды. Эти процессы происхо­
дят в эндоплазматическом ретикулуме и в
аппарате Гольджи (см. с. 226). Наконец, бел­
ки должны транспортироваться в соответст­
вующую ткань или орган (сортировка, см. с.
228).
Внутриклеточное разрушение белков
(протеолиз) происходит частично в липосомах (см. с. 228). Кроме того, в цитоплаз­
ме имеются органеллы, так называемые
протеасомы , в которых разрушаются непра­
вильно свернутые или денатурированные
белки. Такие молекулы узнаются с помощью
специальных м аркеров (см. с. 178).
Белковый обмен: общие сведения
177
ф ункцио
нальны е
б е л ки
10 ООО г
мечение
озревание
свертывание
деградация
протеасома
лизосома
пептид
трансляция
деградация
пул а м и н о ки сл о т
избыточные
]Э М И Н О -
.кислоты
секреция
белка
пища
всасывание
глюкоза
синтез
с!е поуо
[деградация
согласно
50-1Й4 г/сут
метаболическим
у\
потребностям
\\
организма
NN.
амино­
кислоты
кишечник
пируват
фосфоенолпируват
3-фосфоглицерат
2-кетокислоты
фосфаты сахаров
2-кетокислоты
мочевина
почки
10г/суг
А. Б е л ко вы й о б м е н : о б щ и е све д е н и я
липид
кетоно­
вые тела
178
Метаболизм белков
Протеолиз
А. Протеолитические ферменты I
Для полного расщепления белков до сво­
бодных аминокислот необходимо несколько
ферментов с различной специфичностью.
П ротеиназы и п е п ти д а зы имеются не
только в желудочно-кишечном тракте, но и в
клетках. По месту атаки молекулы субстрата
протеолитические ферменты делятся на э н ­
допептидазы и экзопептид азы . Эндопеп­
тидазы, или протеиназы, расщепляют пеп­
тидную связь внутри пептидной цепи. Они
«узнают» и связывают короткие пептидные
последовательности субстратов и относи­
тельно специфично гидролизуют связи меж­
ду определенными аминокислотными остат­
ками. П ротеиназы классифицируются по
механизму реакции. Сериновые протеиназы
(схема В) содержат в активном центре важ­
ный для каталитического действия этих
ферментов остаток серина, в цистеиновых
протеиназах таким является остаток цистеина и т.д. Экзопептидазы гидролизуют пепти­
ды с конца цепи: ам инопептидазы
с !Мконца, карбоксипептидазы — с С-конца.
Наконец, дипептидазы расщепляют только
ди пептиды.
Б. Протеасомы О
Поскольку функциональные белки клетки
должны быть защищены от преждевремен­
ного протеолиза, часть протеолитических
ферментов клетки заключена в липосомы
(см. с. 228). Другая хорошо регулируемая
система деградации белков локализована в
цитоплазме. Она состоит из больших белко­
вых комплексов (молекулярная масса 2 - 1 0
Да), протеасом . Протеасомы содержат боч­
ковидное ядро из 28 субъединиц и имеют ко­
эффициент седиментации (см. с. 202) 205.
Протеолитическая активность (на схеме по­
казана в виде ножниц) локализована во вну­
треннем 205-ядре. С торцов бочки запира­
ются сложно устроенными 195 -частицами,
контролирующими доступ в ядро.
Белки, которым предстоит разрушение в
протеасоме (например, содержащие ошиб-
ки транскрипции или состарившиеся моле­
кулы), метятся путем ковалентного связы­
вания с небольшим белком убиквитином .
Убиквитин активирован благодаря наличию
тиолсложноэфирной связи. Меченые уби­
квитином («убиквитинированные») молеку­
лы распознаются 195-частицами с потреб­
лением АТФ и попадают в ядро, где проис­
ходит их деградация. Убиквитин не разру­
шается и после активации используется
вновь.
В. Сериновые протеиназы О
Большая группа протеиназ содержит в ак­
тивном центре серин. К сериновым протеиназам принадлежат, например, ферменты
пищеварения трипсин, химотрипсин и эластаза (см. с. 262), многие факторы сверты­
вания крови (см. с. 282), а также фибринолитический фермент плазмин и его актива­
торы (см. с. 284).
Как показано на с. 265, панкреатические
протеиназы секретируются в виде п р о ­
ф ерм ентов (зимогенов). Активация таких
ферментов основана на протеолитическом
расщеплении. Процесс активации показан
на примере трипсиногена, предшествен­
ника трипсина (1). Она начинается с отще­
пления Ы-концевого гексапептида энтеро­
пептидазой («энтерокиназой»), специф и­
ческой сериновой протеиназой, которая
локализована в мембранах кишечного эпителия. Продукт расщепления ф -трипсин)
ферментативно активен»и расщепляет сле­
дующую молекулу трипсиногена в местах,
отмеченных на рисунке красным цветом
(аутокаталитическая активация). Профер­
менты химотрипсина, эластазы, карбокси­
пептидазы А и др. также активируются
трипсином.
Активный центр трипсина показан на схе­
ме 2. Остаток серина при участии остатков
гистидина и аспартата нуклеофильно атаку­
ет расщепляемую связь (красная стрелка).
Отщепляемая часть пептидного субстрата
расположена в С-концевой стороне от ос­
татка лизина, боковая цепь которого во вре­
мя катализа фиксируется в специальном
«кармане» фермента (на схеме слева).
179
Протеолиз
СОО° С -конец
НзЫ М-конец
аминопептидазы
[2п2 ® ]3.4.11.п
экзопептидаза
эндопептидаза
ш
©
Л к
1 V
■
I
И
ж
'
V
1
У
к
К 0
ч
. « Л
1
/
^
■
V
/
V
,
сериновые
протеиназы
3.4.21,п
цистеиновые
протеиназы
3.4.22.П
аспартатные
протеиназы
3 .4 .2 3 л
металлопротеиназы
3.4.24.п
&
\
дипептидазы
[2п2 ®] 3.4.13.п
щШг
/
V .
А
карбоксипептидазы
3.4.17.п
аминокислотныи
I остаток _______
В
ООО'
А. П р о те о л и ти ч е ски е ф ерм енты
активированный
убиквитин
свернутый
белок
дисульфидный
мостик
аутоката­
литическое
расщепление
аутоката­
литическое
активация
убиквитина
мечение
убиквитином
убиквитинированный
белок
ление
Г
расщ еп­
ление
энтеропептидазами
и трипсином
195-
активны
центр
частица
1. Активация трипсиногена
связывание
208-
ядро
Азр-102
198частица
[остаток лизин
субстра
2. Трипсин: активный центр
развертывани!
^д е гр а д а ц и я
энтеропептидаза
3 .4.21.9
Б. Л р о те а со м ы
трипсин
3.4.21.4
В. С ериновы е п р о те и н а зы
180
Метаболизм белков
Трансаминирование и
дезаминирование
В ходе деградации белков накапливается
аминный азот, который в отличие от углеро­
да не пригоден для получения энергии за
счет окисления. Поэтому те аминогруппы,
которые не могут быть повторно ^использо­
ваны для биосинтеза, превращаются в моче­
вину (см. с. 184) и выводятся из организма.
А. Трансаминирование и
дезам инирование I
Из реакций переноса N42 наиболее важны
реакции трансам инирования (1 ). Они ката­
лизируются трансаминазами и участвуют в
катаболических и анаболических процессах
с участием аминокислот. При трансаминировании аминогруппа аминокислоты (ами­
нокислота 1) переносится на 2-кетокислоту
(кетокислота 2). Из аминокислоты при этом
образуется 2-кетокислота (а), а из первона­
чальной кетокислоты — аминокислота (б).
Переносимая МН2-группа временно присое­
диняется к связанному с ферментом пиридоксальф осф ату (Р1_Р, см. с. 110), который
вследствие этого переходит в пиридоксаминофосфат (схема Б).
Если МНг-группа освобождается в виде
аммиака, то говорят о дезам инировании
(2). Эта реакция протекает по различным
механизмам. Отщепление 1ЧН3 от амидной
группы называют гид рол итическим д е за ­
м и н и р о в а н и е м (схема В, фермент [3 ]).
Иногда отщепление 1ЧНз (см. с. 20) сопрово­
ждается образованием двойной связи (эли­
м инирую щ ее дезам инирование, не пока­
зано). Особенно важно окислительное д е ­
зам инирование (2). В такой реакции амино­
группа вначале окисляется до иминогруппы
(2а), при этом восстановительные эквива­
ленты переносятся на НАД+ или НАДФ+. На
второй стадии происходит гидролитическое
отщепление иминогруппы. В качестве конеч­
ного продукта, как и при трансаминировании, образуется 2-кетокислота (схема В).
Б. М еханизм
трансаминирования О
В отсутствие субстратов альдегидная группа
пиридоксальфосфата ковалентно связана с
остатком лизина трансаминазы (1). Этот тип
соединения, найденный также в родопсинах
(см. с. 346), относится к альдиминам или
шиффовым основаниям. Во время реакции
аминокислота 1 (схема А, 1а) вытесняет ос­
таток лизина и образуется новый альдимин
(2). Затем за счет изомеризации происходит
перемещение двойной связи. Полученный
кетим ин (3) гидролизуется до 2-кетокислоты и пиридоксам инф осф ата (4). На второй
части реакции (схема А, 16) те же стадии
протекают в прот ивоположном направле­
нии: пиридоксаминфосфат и вторая 2-кето­
кислота образуют кетимин, который изомеризуется в альдимин. Наконец, отщепляется
вторая аминокислота и регенерируется ко­
фермент.
В. М етаболизм ЫНз в печени I
Образование предшественников ЫН3 и аспартата, как и синтез мочевины (см. с. 184),
происходит преимущественно в печени. На­
капливающийся в тканях аминный азот пе­
реносится кровью в печень в форме глута­
мина (0!п) и аланина (А1а, см. с. 330). В пе­
чени 01п дезаминируется глутаминазой [3]
с образованием гл утам ата (С1и) и ЫНз.
Аминогруппа аланина переносится аланинтрансаминазой [1] на 2-о ксо гл ута р а т (2ОС). При этом трансаминировании (схема
А) также образуется глутамат. Наконец, из
глутамата путем окислительного дезамини­
рования (схема А) высвобождается 1ЧН3. Эта
реакция катализируется глутаматдегидрогеназой [4], типичным для печени фермен­
том. Аспартат (Азр), второй донор амино­
группы в цикле мочевины, также образуется
из глутамата. Аспартаттрансаминаза [2],
ответственная за эту реакцию, подобно
аланинт рансаминазе [1], присутствует в пе­
чени.
Трансаминазы присутствую т также в
других тканях, из которых при повреждении
клеток они переходят в кровь. Определение
активности фермента в сыворотке (ф ер­
м ентная се р о д и а гн о сти ка ) является важ­
ным методом для обнаружения и клиниче­
ского контроля таких нарушений. Опреде­
ление активности трансаминаз в крови
важно, для диагноза заболеваний печени
(например, гепатита) и сердца (инфаркт
миокарда).
Тпягям инипппание и дезаминирование
&
с
I
с -н
н
еоос —с
амино­
кислота
н
р
остаток
лизина
I
I
о=с
I
в
в*
аминокислота 1
кетокислота 1
пиридоксаминфосфат
альдимин 2
е 00С — с
1 Ш ;о
© ;о
с
С
® I
о=с
Р1Р (альдимин 1)
с -н
ц
кетокислота 2
аминокислота 2
перегруппировка
1. Трансаминирование
о”
иминокислота
“ 'с '"
© I
Нд1Ч— С -Н
я
1
0
И ^—С
00С.
I
с
и
н
.Р
кетимин
сн
Ш
кетокислота
2. Окислительное
дезаминирование
А. Т р а н са м и н и р о ва н и е
и д е за м и н и р о в а н и е
кетокислота
пиридоксамин
Б. М е ха н и зм тр а н са м и н и р о ва н и я
аланинтрансаминаза [Р1-Р1
2.6.1.2
аспартаттрансаминаза [И_Р]
2 . 6 . 1.1
глутаминаза
3.5.1.2
В
глутаматдегидрогеназа
1.4.1л
трансаминирование
окислительное
дезаминирование
В. М е та б о л и зм ЫН3 в печени
ги дрол итическое
дезаминирование
182
Метаболизм белков
Деградация аминокислот
В обзоре представлены многочисленные пу­
ти метаболизма аминокислот. Дополнитель­
ные подробности приведены на сс. 402 и
403.
А. Д еградация аминокислот:
общ ие сведения I
Углеродные скелеты 20 белковых аминокис­
лот (см. с. 66) превращаются в итоге в семь
различных продуктов деградации (на схе­
ме окрашены в розовый и светло-голубой
цвета). Пять метаболитов (2-оксоглутарат,
сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат и пи­
руват) служат предш ественникам и в про­
цессе глю конеогенеза (см. с. 156). Первые
четыре являются еще и промежуточными
продуктами цитратного цикла, в то время как
пируват может быть переведен пируватдекарбоксилазой в оксалоацетат и тем самым
стать участником глюконеогенеза (зеленая
стрелка). Аминокислоты, деградация кото­
рых поставляет один из пяти упомянутых ме­
таболитов, называются гл ю ко ге н н ы м и
ам инокислотам и. За двумя исключениями
(лизин и лейцин, см. ниже) глюкогенными
являются все белковые аминокислоты.
Два других продукта распада (ацетоаце­
тат и ацетил-КоА) не могут включаться в
глюконеогенез в организме животных. Они
используются для синтеза кетоновых тел,
жирных кислот и изопреноидов (см. сс. 174,
304). Поэтому аминокислоты, которые раз­
рушаются с образованием ацетил-КоА или
ацетоацетата, называются ке то ге н н ы м и
ам инокислотам и. Фактически кетогенны­
ми являются только лейцин и лизин. Некото­
рые аминокислоты поставляют продукты де­
градации, являющиеся глюкогенами и кетогенами. К этой группе принадлежат фенила­
ланин, тирозин, триптофан и изолейцин.
Существует несколько путей удаления
аминогруппы во время распада аминокисло­
ты {дезаминирования ). Обычно ЫНг-группа
переносится путем трансам инирования на
2-оксоглутарат (см. с. 180, желтые метки на
схеме). Образующийся глутамат в дальней­
шем вновь превращается в 2-оксоглутарат с
помощью глутаматдегидрогеназы (о ки сл и ­
тельное дезам инирование, зеленая мет­
ка). В этой реакции образуется свободный
аммиак (МН3), который у высших животных
превращается в мочевину и выводится из
организма (см. с. 184). Аммиак освобожда­
ется также при гидролизе амидных групп ас­
парагина и глутамина (гид рол итическое
дезам инирование, оранжевая метка). Дру­
гим превращением, при котором образует­
ся [ЧНз, является элим инирую щ ее д е за ­
м инирование серина в пируват (голубая
метка, см. с. 402).
Б. Биогенные амины I
Моноамины, так называемые биогенны е
амины, образуются при декарбоксилировании аминокислот. Некоторые из этих соеди­
нений являются составными частями других
биомолекул. Так, в состав фосфолипидов
(см. с. 56) кроме аминокислоты серина мо­
жет входить соответствующий биогенный
амин этаноламин. Цистеамин и $-аланин яв­
ляются структурными элементами кофермента А (см. с. 110) и пантетеина (см. с.
170). Образованный из треонина аминопропанол является структурным элементом ви­
тамина В 12 (см. с. 356).
Некоторые биогенные амины действуют
как сигнальные вещества. Важным нейро­
м ед иатором является образующаяся из
глутамата у-аминомасляная кислота [ГАМК
(САВА), см. с. 338]. Другие нейромедиаторы
образуются путем декарбоксилирования
небелковых аминокислот. Так, из 3,4дигидроксифенилаланина (дофа) образует­
ся медиатор дофамин. Дофамин является
одновременно предшественником катехо­
ламинов адреналина и норадреналина (см.
с. 342). Нарушения метаболизма дофамина
служат причиной болезни Паркинсона. Из
триптофана через промежуточный 5-гидрокситриптофан образуется серотонин, со­
единение с широким спектром действием.
Многие моноамины и катехоламины инак­
тивируются аминоксидазой (моноаминоксидазой, “ МАО” ) путем дезаминирования с
одновременным окислением в альдегиды.
Следовательно, ингибиторы МАО играют
важную роль при фармакологическом воз­
действии на метаболизм нейромедиаторов.
183
Деградация аминокислот
аланин
тр е о н и н
► п и р ув а т
глицин
несколько
путей
глюкоза
цистеин
аспарагин
I
и,.... У ц- д ^
ацетилСоА
ацето- 1
ацетат \
»*
аспартат
—
кетоновьи
тела
оксапо-|
ацетат |
ТГГ
г
фенил­
аланин
пи р ува т
ц и тр а тн ы и
цикл
тирозин
изо­
лейцин
лейцин
2 -о ксо - I
глутараг
ацетилСоА
лизин
аланин
| триптофан
гистиди
глутамат
| глутамин
метионин
истеин
пируват
|аргинин |
серин
1глюкогенная
глюкогенная и
кетогенная
аминокислота
аминокислот
кетогенная
аминокислота
А гидролитическое
Щ дезаминирование
* элиминирующее
дезаминирование
трансаминирование
ш окислительное
дезаминирование
А. Д е гр а д а ц и я а м и н о ки с л о т: об щ и е све д е ни я
ЫН-, Н20 2
о2, н2о
К __ Iдекарб
аминоксидаза
[РАО] 1.4.3.4
1ЭЗЫ
\4.1.1.п
а м и н о ки с л о та
1 Аминокислота
Серин
Цистеин
Треонин
Аспартат
[
Амин
Н
N4.
амин
ф ункция
Iдругие пути деградации]
I Амино­
кислота
О
а л ь д е ги д
Амин
Ф ункция
у-Аминобутират
Нейромедиатор
(ГАМК)
Этаноламин
Составная часть
фосфолипидов
Глутамат
Цистеамин
Составная часть
кофермента А
Гистидин
Гистамин
Медиатор
Аминопропанол
Составная часть
витамина В12
Дофа
Дофамин
Нейромедиатор
()-Аланин
Составная часть
кофермента А
5-Гидрокситриптофан
Серотонин
Медиатор,
неиромедиатор
Б . Б и о ге н н ы е ам ины
184
Метаболизм белков
Цикл мочевины
Деградация аминокислот происходит преи­
мущественно в печени. При этом непосред­
ственно или косвенно освобождается амми­
ак (см. с. 181). Значительные количества ам­
миака образуются при распаде пуринов и
пиримидинов (см. с. 189).
А м м и а к (на схеме наверху слева), осно­
вание средней силы, является клеточным
ядом. При высоких концентрациях он повре­
ждает главным образом нервные клетки. По­
этому аммиак должен быстро инактивиро­
ваться и выводиться из организма. В орга­
низме человека это осуществляется прежде
всего за счет образования м очевины (на
схеме в середине слева), часть ЫНз выво­
дится непосредственно почками (см. с. 319).
У разных видов позвоночных инактивация
и выведение аммиака производятся различ­
ными способами. Живущие в воде животные
выделяют аммиак непосредственно в воду;
например, у рыб он выводится через жабры
(ам м ониотелические организм ы ). Назем­
ные позвоночные, в том числе человек, вы­
деляют лишь небольшое количество аммиа­
ка, а основная его часть превращается в мо­
чевину (уреотелические организмы ). Птицы
и рептилии, напротив, образуют мочевую
кислоту, которая в связи с экономией воды
выделяется преимущественно в твердом ви­
де (урикотелические организмы).
А . Ц и кл м о чеви н ы I
Мочевина является диамидом угольной кис­
лоты. В противоположность аммиаку это
нейтральное и нетоксичное соединение.
При необходимости небольшая молекула
мочевины может проходить через мембра­
ны. По этой причине, а также из-за ее хоро­
шей растворимости в воде мочевина легко
переносится кровью и выводится с мочой.
Мочевина образуется в результате цикли­
ческой последовательности реакций, проте­
кающих в печени. Оба атома азота берутся
из св о б о д н о го а м м и а ка и за счет дезами­
нирования аспартата, карбонильная группа
— из ги д р о ка р б о н а та . На первой стадии,
реакция [1 ], из гидрокарбоната (НСОз“ ) и
аммиака с потреблением 2 молекул АТФ об­
разуется карбам оилф осф ат. Как ангидрид
это соединение обладает высоким реакци­
онным потенциалом. На следующей стадии,
реакция [ 2 ], карбамоильный остаток пере­
носится на ор ни ти н с образованием цитр у л л и н а . Вторая аминогруппа молекулы
мочевины поставляется за счет реакции а с ­
партата (на схеме внизу справа) с цитруллином [3 ]. Для этой реакции вновь необхо­
дима энергия в форме АТФ, который при
этом расщепляется на АМФ и дифосфат.
Для обеспечения необратимости реакции
дифосфат гидролизуется полностью (не по­
казано). Отщепление фумарата от аргининосукцината приводит к а р ги н и н у [4], из ко­
торого в результате гидролиза образуется
изомочевина [5 ], сразу же превращающая в
результате перегруппировки в м очевину.
Остающийся орнитин вновь включается в
цикл мочевины.
Ф ум а р а т, образующийся в цикле моче­
вины, может в результате двух стадий цитратного цикла [ 6 , 7] через малат переходить
в оксалоацетат, который за счет трансаминирования [9] далее превращается в аспартат. Последний также вновь вовлекается в
цикл мочевины.
Биосинтез мочевины требует больших
затрат энергии. Необходимая энергия по­
ставляется за счет расщепления четырех
высокоэнергетических связей: двух при син­
тезе карбамоилфосфата и двух (!) при обра­
зовании аргининосукцината (АТФ —» АМФ +
РРь РР| й 2Р|).
Цикл мочевины протекает исключительно
в печени. Он разделен на два компартмента, митохондрии и цитоплазму. Прохожде­
ние через мембрану промежуточных соеди­
нений цитруллина и орнитина возможно
только с помощью п е р е н о сч и ко в (см. с.
223). Обе аминокислоты небелкового про­
исхождения.
Скорость синтеза мочевины определяет­
ся первой реакцией цикла [1]. Карбамоилфосфатсинтаза активна только в присутст­
вии Ы -ацетилглутам ата. Состояние обме­
на веществ (уровень аргинина, энергоснаб­
жение) сильно зависит от концентрации это­
го аллостерического эффектора.
Цикл мочевины
аргининосукцинат-синтаза 6.3.4.5
*.арбамоилфосфат-синтаза (N1%)
6.3.4.16
орнитин-карбамоилтрансфераза 2.1.3.3
г - -------------
аргининосукцинат-лиаза 4.3.2.1
©
аргиназа 3.5.3.1
5
фумарат-гидратаза 4.2.1.2
малатдегидрогеназа 1.1.1.37
карбамоил
фосфат
глутаматдегидрогеназа 1.4.1.2
| 9 | | аспартаттрансаминаза [РЬР] 2.6.1.1
соо0
с
СОСР
н
цитруллин
орнитин
переносчик
мочевина
аргинин
СНо
|
аргинино
сукцинат
с -н
фумарат
СОСР
с=о
2 -оксо­
н С— ОН
с
с о
малат
А. Ц и кл м о ч е в и н ы
СОО
оксалоацетат
глутамат
©
ЫН
глутарат
Н С
со о
аспартат
186
Метаболизм белков
Биосинтез аминокислот
В атмосфере элементарный азот (N 2) присут­
ствует практически в неограниченном коли­
честве. Прежде чем поступить в круговорот
азота, он должен быть восстановлен до ЫНз и
включен («фиксирован») в аминокислоты.
А. С и м б и о ти ч е ска я ф и кса ц и я
а зо та О
Ф иксировать атмосферный азот способны
лишь немногие виды бактерий и синезеле­
ных водорослей. Они находятся в почве сво­
бодно или живут в симбиозе с растениями.
Особо важное хозяйственное значение име­
ет симбиоз между бактериями рода ЯАмгоЫ и т и бобовыми растениями (РаЬа1ез), та­
кими, как клевер, бобы или горох. Эти расте­
ния очень питательны благодаря высокому
содержанию белка.
В симбиозе с бобовыми бактерии живут в
ко р н е вы х кл уб о чка х внутри растительных
клеток, так называемые бактероидах. С од­
ной стороны, растение снабжает бактериоды питательными веществами, а с другой,
извлекает пользу от фиксированного азота,
который поставляет симбионт. Ф иксирую ­
щим N2 ферментом бактерий является нитрогеназа. Она состоит из двух компонентов:
Ре-белка и РеМ о-белка. Ре-белок, содержа­
щий [Ре434]-центр (см. с. 144), служит окислительно-восстановительной системой, ко­
торая принимает электроны от ф ерредоксина и передает их во второй компонент,
РеМ о-белок. Этот молибденсодержащ ий
белок переносит электроны на N2 и таким
образом через различные промежуточные
стадии продуцирует 1ЧН3. Часть восстанови­
тельных эквивалентов переносится в побоч­
ной реакции на Н+. Поэтому наряду с МН3
всегда образуется водород.
Б . Б и о с и н те з а м и н о ки с л о т:
о б щ и е св е д е н и я I
По особенностям биосинтеза протеиноген­
ные аминокислоты (см. с. 6 6 ) подразделяют­
ся на пять семейств. Члены каждого семей­
ства имеют общих предшественников, кото­
рые образуются в цитратном цикле или при
катаболизме углеводов. Пути биосинтеза
здесь приведены схематически, более под­
робно они рассматриваются на сс. 400 и
401.
В то время как растения и м икроорга­
низмы м огут вполне синтезировать все
ам инокислоты , м лекопитаю щ ие в ходе
эволюции утратили способность к синтезу
примерно половины из 20 протеиногенных
ам инокисл от. П оэтом у н е з а м е н и м ы е
а м и н о ки с л о т ы должны поступать с пи ­
щей. Так, организм высших организм ов не
способен синтезировать аром атические
ам инокислоты с!е по\ю (тирозин не явля­
ется незаменимой ам инокислотой только
потому, что может образоваться из ф ени­
лаланина). К незаменимым ам инокисло­
там принадлеж ат ам инокислоты с р а з ­
ветвленной боковой цепью : валин и изо­
лейцин, а также лейцин, треонин, м етио­
нин и лизин. Гистидин и аргинин являются
незаменимыми для крыс, но касается ли
это также человека — спорно. Наличие не­
заменимых ам инокислот в рационе пита­
ния, по-видим ом у, сущ ественно по кр ай ­
ней мере во время роста организм а. Пита­
тельная ценность белков (см . с. 348) ре­
шающим образом зависит от содержания
незаменимых аминокислот. Растительные
белки зачастую бедны лизином или м етио­
нином. В то же время животных белки с о ­
держат все аминокислоты в сбалансиро­
ванных соотнош ениях.
Заменим ы е ам инокислоты (аланин, ас­
парагиновая и глутаминовая кислоты и их
амиды, аспарагин и глутамин) образуются
в результате трансаминирования из про­
межуточных метаболитов — 2 -кетокислот.
Пролин синтезируется в достаточных ко ­
личествах из глутамата, а представители
серинового сем ейства (серин, глицин и
цистеин) сами являются естественны ми
метаболитами организм а животных.
Биосинтез аминокислот
бактероиды
ферредоксин
Ре-белок
[РедЗд]
клетка
воздух
корневой
клубенек
РеМо-белок
[РедЗд], (РеМоОо)
железо­
молибде­
новый
кофактор
нитрогеназа
почва
аммиак
1. 18. 6.1
корневой
волосок
А. С и м б и о т и ч е с ка я ф и кс а ц и я а зо та
Семейство
серина
глюкозо -6
фосфат
цистеин
рибозо-5
фосфат
гексозомонофосфат
ный путь
3-фосфо
гпицерат
глицин*4
глико
лиз
серин
фосфоенол
пируват
Семейство
пирувата
вали
гистидин
аланин
леици
пируват
серин
лизин
аспарагин
трипто
фан
оксало
ацетат
а с п а р -^
тат
трео- ^
нин
цитрат­
ныи цикл
фенилаланин
тирозин
'Т 7'
синтезируется и» Семейство
[фенилаланина Т ароматически
[ИИ—----------------- » аминокислот
2 -оксо-
глутарат
изо­
лейцин
Семейство^аспартата
О
орнитин
метионин
цикл
мочевины
. гаугамин + 2 . ^ м а т -
незаменимые
аминокислоты
»
;
4 <
трансаминирование
; Семейств0 глутамата
восстановительное
аминирование
' ........................- - - - - - - -
Б. Б и о си н те з а м и н о ки сл о т: общ ие сведения
4 - ► ] пролин
аргинин<
188
Метаболизм нуклеотидов
Деградация нуклеотидов
Нуклеотиды принадлежат к наиболее слож­
ным метаболитам. Их биосинтез требует
много времени и высоких затрат энергии
(см. с. 190). Поэтому понятно, что нуклеоти­
ды не полностью разрушаются, а по боль­
шей части снова участвуют в синтезе. Преж­
де всего это относится к пуриновым основа­
ниям аденину и гуанину. В организме выс­
ших животных около 90% пуриновых основа­
ний снова превращаются в нуклеозидмонофосфаты, связываясь с фосфорибозилдифосфатом (РВРР) (ферменты [1] и [2]). Уча­
стие пиримидиновых оснований в ресинтезе
весьма незначительно.
А. Д е гр а д а ц и я н укл е о ти д о в I
Распад пуринов (1) и пиримидинов (2) про­
текает различными путями. В организме че­
ловека пурины распадаются до мочевой кис­
лоты и в такой форме выводятся с мочой.
Пуриновое кольцо при этом остается неза­
тронутым. Напротив, кольцо пиримидино­
вых оснований (урацила, тимина и цитозина)
разрушается до небольших фрагментов, ко­
торые снова включаются в метаболизм или
могут выводиться из организма (подробнее
см. на с. 407).
Гуанозинмоноф осф ат [ГМ Ф (СМР), 1]
распадается в две стадии до гуанозина, а
затем — до гуанина (Сиа). Гуанин дезамини­
руется с образованием другого пуринового
основания, ксантина. В наиболее важном
пути распада ад енозинм оноф осф ата
[А М Ф (АМР)] нуклеотид дезаминируется с
образованием инозинмоноф осф ата [ИМ Ф
(1МР)]. Из ИМФ, аналогично распаду ГМФ,
образуется пуриновое основание гипоксан­
тин. Один и тот же фермент, ксантиноксидаза [3], превращает гипоксантин в ксантин, а
ксантин — в м очевую кислоту. На каждой
из этих стадий реакции в субстрат вводится
оксогруппа окислением молекулярным ки с­
лородом. В качестве другого продукта реак­
ции образуется токсичный пероксид водо­
рода (Н 2О2), который удаляется пероксидазами.
У большинства млекопитающих мочевая
кислота разрушается в результате раскры­
тия кольца под действием уриказы с после­
дующим выведением из организма образу­
ющегося аллантоина. В организме прима­
тов, в том числе человека, аллантоин не об­
разуется, а конечным продуктом катаболиз­
ма пуринов является мочевая кислота (как у
птиц и многих рептилий). У большинства
других животных деградация пуринов при­
водит к аллантоиновой кислоте или мочеви­
не и глиоксилату.
При разрушении пирим идиновы х н у к­
л еотид ов (2) важными промежуточными
соединениями являются свободные осно­
вания урацил (1)га) и тимин. Оба соедине­
ния распадаются одинаковым способом:
пиримидиновое кольцо сначала восстанав­
ливается, а затем гидролитически расщ еп­
ляется. На следующей стадии при отщепле­
нии СОг и 1ЧНз в качестве продукта распада
урацила образуется /3-аланин, дальнейшая
деградация которого приводит к ацетату,
СОг и 1ЧН3. Аналогичным образом из р-ам иноизомасляной кислоты, продукта распада
тимина, образуются пропионат, СОг и МНз
(см. с. 407).
Б. Г и п е р ур и ке м и я О
Важно отметить, что у человека расщепле­
ние пуринов заканчивается уже на стадии
мочевой кислоты. Мочевая кислота в проти­
воположность аллантоину очень плохо рас­
творима в воде. При избыточных количест­
вах или нарушении катаболизма повышает­
ся концентрация мочевой кислоты в крови
(гиперурикемия) и как следствие этого про­
исходит отложение кристаллов мочевой ки­
слоты в органах. Отложение мочевой кисло­
ты в суставах является причиной сильных
болей при подагре. В большинстве случаев
гиперурикемия связана с нарушением выве­
дения мочевой кислоты почками (1). Небла­
гоприятным фактором является высокое со­
держание пуринов в пище (например, мясная
диета) (2). Редкое наследственное заболева­
ние синдром Леша-Найхана связано с дефе­
ктом гипоксантин-ф осф орибозилтрансф еразы (схема А, фермент [1 ]). В этом случае
нарушение кругооборота пуриновых основа­
ний приводит к гиперурикемии и тяжелым
неврологическим расстройствам. Для лече­
ния гиперурикемии применяют аллопуринол, ингибитор ксантиноксидазы.
нуклеотидов
2. Пиримидиновые нуклеотиды
1X Пуриновые нуклеотиды
сГГМР
РРРР
н 2о
189
Щ
\Т
тимин
урацил
свободные
основания
-
Дйё
аденин
дигидро
урацил
РРРР
б и а гуанин
НЫ
|
С —^
дигидро-
I
ТИМ ИН
/ Сн2
фосфорибозилдифосфат
Ш
РРРР
1М-карбамоил
р-аминоизобутират
(Р = СН3)
1М-карбамоил
(5-аланин
I — НоО
ксантин (Хап)
и
гипоксантин (Нур)
н -с -в
(5-аминоизобутират
(Р | СНз)
В-аланин
(В = Н)
конечный
продукт у
приматов
птиц и
рептилий
мочевая кислота
конечный продукт
у большинства
млекопитающих
Причины:
нарушение выделения
мочевой кислоты
6 МР
I
, — ► АМР ( ^ \ повышенное образование мочевой кислоты
Ш
виа
а)несбалансирован­
ное питание
б) нарушение
кругооборота
пуриновых
оснований
А^е
н аллантоин
гипо- ксантин
аллантоиновая___ 2 мочевины
кислота
+ глиоксилат
реакции
кругооборота
31 гипоксантин-фосфорибозилШ трансфераза 2.4.2.8
7%\ аденин-фосфорибозили трансфераза 2.4.2.7
3
ксантиноксидаза [Ре, Мо, РАР] 1.1.3.22
А. Д е гр а д а ц и я н укл е о ти д о в
мочевая
кислота ‘
Б. Гипе рурике м ия
аллопуринол
190
Метаболизм нуклеотидов
Биосинтез пуринов и пиримидинов
Основания, содержащиеся в нуклеиновых кис­
лотах, являются производными ароматиче­
ских гетероциклических соединений пурина и
пиримидина (см. с. 86 ). Путь биосинтеза нук­
леиновых оснований довольно сложен, однако
этот процесс жизненно необходим почти для
всех клеток. Сборка нуклеиновых оснований
представлена здесь схематически. Полная
схема реакций приведена на сс. 405 и 406.
А. О б ра зова ние н укл е и н о в ы х
о сн о в а н и й О
Пиримидиновое кольцо собирается из трех
компонентов: атомы азота N -1 и углерода с
С-4 по С -6 поставляются аспартатом. С-2
происходит из НСОз", а второй атом азота
(N -3) — из амидной группы глутамина.
Синтез пуринового кольца идет сложнее:
единственным крупным предшественником
является глицин, из которого происходят
С-4 и С-5, а также N-7. Все другие атомы
кольца поставляются отдельно: С -6 проис­
ходит из НСОз", амидная группа глутамина
дает атомы N-3 и N-9, донором аминогруппы
для N -1 выступает аспартат, переходя, как и
в цикле мочевины (см. с. 184), в фумарат.
Наконец, атомы углерода С-2 и С -8 происхо­
дят из формильной группы Ы10-ф ормилтетрагидроф олата (см. с. 110 ).
Б. Б и о с и н те з п и р и м и д и н о в ы х и
п ур и н о в ы х н укл е о ти д о в О
Центральными промежуточными продукта­
ми биосинтеза предшественников нуклеи­
новых кислот являются мононуклеотид уридинмоноф осат [УМ Ф (11МР)] для пиримиди­
нового ряда и инозинм оноф осф ат [И М Ф
(1МР), основание: гипоксантин) для пуринов.
Путь синтеза различен для пиримидиновых и
пуриновых оснований. В первом случае
строится прежде всего пиримидиновое
кольцо и затем к нуклеотиду присоединяет­
ся рибозо-5'-ф осф ат. Синтез пуриновых ну­
клеотидов, напротив, начинается с рибозо5 '-фосфата и исходя из него шаг за шагом
формируется кольцо.
Непосредственными предшественниками
в синтезе пиримидинового кольца являются
карбамоилф осф ат, который образуется из
глутамина и НСОз" П а ), и аспартат. После
образования Ы -карбамоиласпартата (16)
происходит замыкание кольца с образова­
нием дигидрооротата (1в). У млекопитаю­
щих стадии от 1а до 1в проходят в цитоплаз­
ме и катализируются одним полифункциональным ферментом. На следующей стадии
( 1 г) дигидрооротат окисляется флавинмононуклеотидзависимой дегидрогеназой в
оротат, который связывается с ф осф орибозилдиф осф атом (РРРР) с образованием
нуклеотида о р о ти д и н -5 '-м о н о ф о сф а та
[ОМ Ф (ОМР)], декарбоксилирование кото­
рого приводит к ур и д и н -5 '-моноф осф ату
[УМФ (11МР)].
Пуриновый биосинтез начинается с фосфорибозилдифосфата (названия отдельных
промежуточных продуктов перечислены на
с. 406). Сначала присоединяется амино­
группа, которая впоследствии в кольце ста­
новится N -9 (2а). Глицин и формильная
группа М10-ф ормилтетрагидроф олата по­
ставляют недостающие атомы пятичленного
кольца (26, 2в). Прежде чем это кольцо
замкнется (2е), присоединяются атомы N-3
и N -6 шестичленного кольца (2г, 2д). Затем
построение кольца продолжается путем
присоединения N-1 и С -2. На последней ста­
дии шестичленное кольцо замыкается с об­
разованием
и н о зи н -5 '-м о н о ф о сф а та
[ИМФ (1МР)], который, однако, не накапли­
вается, а быстро превращается в АМФ и
ГМФ. Эти реакции и синтез других нуклеоти­
дов рассмотрены
на
с.
192.
н
Д о по л н и те л ьна я инф орм ация
Механизм регуляции бактериальной аспар­
тат-карбамоилтрансф еразы с участием АТФ
и ЦТФ изучен достаточно подробно (см. с.
118). В организме животных ключевым фер­
ментом пиримидинового синтеза является
не аспартат-карбамоилтрансфераза, а карбамоилф осф атсинтаза. Она активируется
АТФ и фосфорибозилдифосфатом (РРРР) и
тормозится УТФ. Регуляция синтеза пури­
нов также основана на ингибировании ко­
нечным продуктом: образование РВРР из
рибозо-5'-ф осф ата тормозится АДФ и ГДФ.
Аналогичным образом АМФ и ГМФ тормозят
стадию 2а.
Б и о си н те з пуринов и пи р и м и д и н о в
191
глицин
фумарат
аспартат
пирим идин
I пурин
А. О б р азова ние н укл е и н о вы х о сн о ва н и й
карбам оилн) фосфат
ф осф орибозил- (р
диф осф ат
дигидро
оротат
оротат-5'моноф осф ат
аспартат
1. Пиримидин
ф осф орибозил
диф осф ат
глицин
2 Пуоин
2 . пур и н
5 '-ф осф орибозильны и остаток
инозин-5 моноф осф ат
(1МР)
Б. С и нте з п и р и м и д и н о в ы х и п ур и н о в ы х н укл е о ти д о в
уридин-5'-м оно
фосфат (IIМ Р)
192
Метаболизм нуклеотидов
Биосинтез нуклеотидов
А. С и н те з н у кл е о ти д о в :
о б щ и е св е д е н и я I
Синтез пуринов и пиримидинов с!е т ж > при­
водит к моноф осф атам, соответственно
ИМ Ф (1МР) и УМ Ф (11МР) (см. с. 190). Из этих
двух предшественников синтезируются все
другие нуклеотиды. Соответствующие пути
представлены в данном разделе. Подробно­
сти приведены на сс. 405 и 406. Синтез нук­
леотидов путем повторного использования
оснований рассмотрен на с. 188.
Синтез пуриновы х нуклеотидов (1) осу­
ществляется из инозинмоноф осф ата [ИМФ
(1МР)]. Его основание гипоксантин превра­
щается в две стадии соответственно в аде­
нин или гуанин. Образующиеся нуклеозидмонофосфаты А М Ф (АМР) и ГМ Ф (ОМР) пе­
реходят в дифосфаты А Д Ф (АЭР) и ГДФ
(6 ЮР) под действием нуклеозидфосфаткиназ
и, наконец, фосфорилируются нуклеозиддифосфаткиназами до трифосфатов АТФ (АТР)
и ГТФ (ОТР). Нуклеозидтрифосфаты служат
строительными блоками для РНК (ВЫА) или
ф ункционирую т в качестве коф ерментов
(см. с. 110). Преобразование рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды происходит
на стадии дифосфатов и катализируется нуклеозиддифосфат-редуктазой (схема Б).
Пути биосинтеза пирим идиновы х н у к­
леотидов (2) сложнее, чем пути синтеза пу­
риновых нуклеотидов. Прежде всего исход­
ный УМ Ф (1)МР) фосфорилируется до ди-, а
затем трифосфата УТФ (1/ГР). УТФ превра­
щается цитидинтриф осф ат-синтазой (С7Рсинтаза) в ЦТФ (СТР>. Так как восстановле­
ние пиримидиновых нуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов происходит на стадии
дифосфатов, ЦТФ должен быть гидролизован фосфатазой до Ц Д Ф (СЭР), после чего
могут образоваться д Ц Д Ф (сЮОР) и дЦ ТФ
(сЮТР).
Строительный блок ДНК (ОИА), дезокситимидинтрифосфат [дТТФ (сЛТР)], синтези­
руется из УДФ (1ЮР) в несколько стадий.
Основание тимин, которое, по-видимому,
находится только в ДНК (см. с. 8 6 ), образу­
ется на уровне нуклеозидмонофосфата при
метилировании дезоксиуридинмонофосфата. Отвечают за эту стадию тимидилат-синтаза и вспомогательный фермент дигидро­
ф олат-редуктаза, которы е являются важны­
ми миш енями для действия цитостатиков
(см . с. 388).
Б. В о сста н о вл е н и е
р и б о н укл е о ти д о в О
2'-Д е зокси ри б о за , структурны й элемент
ДНК, не синтезируется в виде свободного
сахара, а образуется на стадии дифосфата
при восстановлении рибонуклеозиддифосфатов. Такое восстановление — сложный
процесс, в котором участвует несколько бел­
ков. Необходимые восстановительные экви­
валенты поставляются НАДФН (МАРРН). Тем
не менее, они не переносятся непосредст­
венно от кофермента к субстрату, а прохо­
дят прежде всего через ряд окислительно­
восстановительных реакций. На первой ста­
дии ( 1 ) тиоредоксинредуктаза восстанавли­
вает с помощью связанного с ферментом
флавинадениндинуклеотида небольшой бе­
лок, тиоредоксин. При этом дисульфидный
мостик в тиоредоксине расщепляется. Об­
разующиеся ЗН-группы снова восстанавли­
вают каталитически активный дисульфид­
ный мостик в нуклеозиддиф осф ат-редуктазе («рибонуклеотид-редуктаза»). Свобод­
ные 5Н-группы являются действенными до­
норами электронов для восстановления рибонуклеотиддифосфатов.
Р ибонуклеотид-редуктаза эукариот пред­
ставляет со б о й те тр а м е р , со сто ящ и й из
двух 0 1 - и В2-субъединиц. Кром е упом яну­
того дисульф идного м остика, в ф ерменте
во время реакции образуется ти р о зи н -р а ­
д икал (2, см . с. 20), генерирую щ ий радикал
в субстрате (3 ). Последний отщ епляет м оле­
кулу воды и вследствие этого переходит в
ради кал-катион. При последую щ ем восста­
новлении образуется остаток д е зо кси р и б о зы и регенерируется тирозиновы й радикал.
Процесс регуляции рибонуклеотид-редуктазы имеет довольно сложный механизм.
Субстратная специфичность и активность
фермента контролируются двумя аллостерическими центрами связывания (а и б) 0 1 субъединицы. АТФ и дАТФ (с!АТР) соответст­
венно повышают и уменьшают активность
редуктазы, связываясь с центром а. С цент­
ром б взаимодействует другой нуклеотид,
изменяющий в результате связывания суб­
стратную специфичность фермента.
Биосинтез нуклеотидов
193
2. П иримиди- предш ественники
новые
г_______ I
нуклеотиды синтез с1е поуо
п р е д ш е стве н н и ки
1. Пудоновы е\
_______ I________
нуклеотиды си н те з де поуо
И
ОМР
4
а Л
й
йАОР-*— АРР
сю м р-
ум р
__________________
(Ю Р
сЮОР
ш
1
_______________
6СОР
1
ш
4
1
1
1ЮР—►с11ЮР
Ы
сггмр
!
1
СОР
^
сГГОР
"
ЙАТР
АТР
ОТР
сКзТР
сЮТР
СТР
УТР
сГТТР
ОЫА
ВЫА
ВМА
ОМА
ОМА
ПЫА
111
01&
а
рибонуклеозиддифосфатредуктаза 1.17.4.1
СТР-синтаза 6.3.4.2
Н нуклеотидфосфаткиназа 2.7.4А
5 нуклеотиддифосфаткиназа 2.7.4.6
тимидилат-синтаза 2.1.1.45
А. С интез н укл е о ти д о в : о б щ и е свед ения
М РР ©
И/ШРН N
I
Ш а
6
5
I
5
тиоредоксин А
(окислен­
ный)
— 5Н
— зн
тиоредоксин
(восста­
новленный)
субстрат
(МОР)
тирозинрадикал
2. Рибонуклеотид-редуктаза
I I
нз зн
I I
3 -3
А
я-снз
ЫОР но
о
в
он
нуклеозиддифосфат
Н-СНг ■ Ш Н Н
нт ■гн
он он
радикал
ю !
Р Р-0
основание
©
о
н>— н
он он
н2о
>
основание
в
р р-о
но
н
сМ иР
дезокси нуклеозиддифосфат
А
я-
основание
Б. В о сста н о вл е н и е р и б о н укл е о ти д о в
Я-СНз
| Л
1. Схема
Рибонуклеозиддифосфат1 редуктаза 1.17.4.1
Г б ] Тиоредоксинредуктаза [РАО] 1.6.4.5
основание
И!
р
ОН Н
3
ам рр
3. М еханизм реакции
н
с
+
2еР, Н
ОН
И
№
194
Метаболизм порфиринов
Биосинтез тема
Гем, железосодержащ ее тетрагидропиррольное красящее вещество, является со­
ставной частью 0 2-связывающих белков (см.
с. 274) и различных коферментов оксидоредуктаз (см. сс. 108, 310). Почти на 85% био­
синтез гема происходит в костном мозге и
лишь небольшая часть — в печени. В синтезе
гема участвуют митохондрии и цитоплазма.
А . Б и о с и н те з ге м а О
Синтез тетрагидропиррольных колец начи­
нается в митохондриях. Из сукцинил-К оА
(на схеме наверху), промежуточного продук­
та цитратного цикла, конденсацией с глици­
ном получается продукт, декарбоксилирование которого приводит к 5 -ам инолевулинату (А1_А). Отвечающая за эту стадию 5аминолевулинат-синтаза (А1А-синтаза) [1]
является ключевым ферментом всего пути.
Экспрессия синтеза А1_А-синтазы торм озит­
ся гемом, т. е. конечным продуктом, и имею­
щимся ферментом. Это типичный случай
торможения конечным продуктом, или инги­
бирования по типу обратной связи.
После синтеза 5 -аминолевулинат перехо­
дит из митохондрий в цитоплазму, где две
молекулы конденсируются в порф обилиноген, который уже содержит пиррольное
кол ьцо [2 ]. П орф обилиноген-синтаза [2]
ингибируется ионами свинца. Поэтому при
острых отравлениях свинцом в крови и моче
обнаруживают повышенные концентрации
5 -аминолевулината.
На последующих стадиях образуется ха­
рактерная для порфирина тетрапиррольная структура. Связывание четырех моле­
кул порфобилиногена с отщеплением ЫН2групп и образованием уропорф ириногена
III катализируется гидроксим етилбилан—
синтазой [3]. Для образования этого проме­
жуточного продукта необходим второй фер­
мент, уропорф ириноген Ш -синтаза [4 ]. От­
сутствие этого фермента приводит к обра­
зованию «неправильного» изомера
уро­
порфириногена I.
Тетрапиррольная структура уропорф ири­
ногена III все еще существенно отличается
от гема. Так, отсутствует центральный атом
железа, а кольцо содержит только 8 вместо
11 двойных связей. Кроме того, кольца несут
только заряженные боковые цепи Р (4 аце­
татных и 4 пропионатных остатков). Так как
группы гема в белках функционируют в не­
полярном окружении, необходимо, чтобы
полярные боковые цепи превратились в ме­
нее полярные. Вначале четыре ацетатных
остатка (Щ | декарбоксилируются с образо­
ванием метильных групп (5). Образующийся
копропорф ириноген III снова возвращает­
ся в митохондрии. Дальнейшие стадии ката­
лизируются ферментами, которые локали­
зованы на/или внутри митохондриальной
мембраны. Прежде всего под действием оксидазы две пропионатные группы (В2) пре­
вращаются в винильные (6 ). Модификация
боковых цепей заканчивается образованием
протопорф ириногена IX.
На следующей стадии за счет окисления в
молекуле создается сопряженная я-электронная система, которая придает гему ха­
рактерную красную окраску. При этом рас­
ходуется 6 восстановительных эквивалентов
(7). В заключение с помощью специального
ф ермента, ф еррохелатазы , в молекулу
включается атом двухвалентного железа (8 ).
Образованный таким образом гем или Репротопорф ирин IX включается, например,
в гемоглобин и миоглобин (см. с. 274), где
он связан нековалентно, или в цитохром с, с
которым связывается ковалентно (см. с.
108).
Д о по л н и те л ьна я инф орм ация
Известен ряд заболеваний, вызванных на­
следственными или приобретенными нару­
шениями порфиринового синтеза, так назы­
ваемые порф ирии; некоторые из них проте­
кают очень тяжело. Многие из этих заболе­
ваний приводят к выделению предшествен­
ников гема с калом или мочой, которая
вследствие этого может быть окрашена в
темно-красный цвет. Также наблюдается от­
ложение порфиринов в коже. При воздейст­
вии света это приводит к образованию труд­
ноизлечимых волдырей. При порфириях ча­
сты также неврологические нарушения. Воз­
можно, что в основе средневековых легенд о
людях-вампирах (дракулах) лежит странное
поведение больных порфириями (светобо­
язнь, необычные внешность и поведение,
употребление крови в пищу, компенсирую­
щее дефицит гема и зачастую улучшающее
состояние при некоторых формах порфирий).
Биосинтез гема
Ц итртгны й
цикл
сукцинил
СоА
гем
винил
глицин
протопорф ирин IX
протопорф ириноген IX
5-ам инолевулинат
митохондрия
цитоплазма
копропорф ириноген III
|пирроль-|
(ное
[К О Л Ь Ц О
,*
порф обилиноген
5-ами нолевулинат-синтаза
Р 8 1 2.3.1.37
А. Б и о с и н те з гем а
уропорф ириноген III
порфобилиноген-синтаза
4.2.1.24
гидроксиметилбилан-синтаза
4.3.1.8
уропорфириноген Ш-синтаза
4.2.1.75
196
Метаболизм порфиринов
Деградация порфиринов
А. Д е гр а д а ц и я ге м о гл о б и н а I
В организме человека в течение 1 ч разру­
шается примерно 1 0 0 -2 0 0 млн эритроци­
тов. Разруш ение начинается в м икросомальной фракции ретикуло-эндотелиальной систем ы [РЭС) (ВЕЗ)] клеток печени,
селезенки и костного мозга. После отделе­
ния белковой части (глобина) красный гем
расщепляется гем —оксигеназой с помощью
кислорода и НАДФН на ионы Ре2+, СО (оксид
углерода!) и зеленый биливердин. Далее
железо утилизируется.
Затем биливердин восстанавливается
биливердинредуктазой до оранжевого би­
лирубина. Это изменение цвета легко мож­
но наблюдать ш уК/о в виде синяков (гемато­
мах). Интенсивный цвет гема и других пор­
фиринов (см. с. 195) является результатом
сопряжения многочисленных двойных свя­
зей, которые образуют две резонансно ста­
билизированные (мезомерные) системы.
Для дальнейшего разрушения билирубин
транспортируется кровью в печень. Так как
он плохо растворим в плазме, транспорт
осуществляется в комплексе с альбум и­
ном. В том же участке связывания альбуми­
на сорбируются и лекарственные препара­
ты. Паренхиматозные клетки печени забира­
ют билирубин из крови.
После того как билирубин в печени дваж­
ды конъюгируется с активированной глюкуроновой кислотой (УДФ-(э1с1)А; см. с. 113)
(не показано), повышается его водорастворимость. Образование конъюгата катализи­
руется удф -глю куронозилтрансф еразой —
ферментом, находящимся в ЭР печени, а
также в незначительных количествах в поч­
ках и слизистой кишечника. Глюкуроновая
кислота присоединяется к пропионатным
боковым цепям билирубина сложноэфирны­
ми связями. Образующийся диглюкуронид
билирубина переносится в желчь путем ак­
тивного транспорта против градиента кон­
центрации. Этот транспорт является скоростьлимитирующей стадией метаболиче­
ской трансформации билирубина в печени.
Лекарственные препараты, такие, как, на­
пример ф енобарбитал, могут индуцировать
образование конъю гата и транспортны й
процесс.
В кишечнике конъю гат билирубина сно­
ва частично расщепляется бактериальной (3глю куронидазой. Свободный билирубин по­
степенно восстанавливается до бесцветно­
го уробилиногена и стеркобилиногена,
которые далее окисляются кислородом воз­
духа до уробилина и стеркобилина. Эти ко­
нечные продукты метаболической транс­
формации желчных пигментов в кишечнике
окрашены в цвета от оранжевого до желто­
го. Они выделяются по большей части с ка­
лом, а в меньшей степени резорбируются
(энтерогепатическая циркуляция; см. с.
307). При интенсивном процессе разруше­
ния гема в моче внезапно появляется уробилиноген, где он при окислении кислородом
воздуха темнеет, превращаясь в уробилин.
Наряду с гемоглобином, по аналогичному
пути разрушаются группы гема и у других
гемсодержащ их белков (миоглобина, цито­
хрома, каталазы, пероксидазы). Однако их
вклад в образование желчных пигментов
(250 мг в сутки) составляет лишь примерно
10-15% .
Д о по л н и те л ьна я инф ор м ац ия I
Гипербилирубинемия. Повышенный уро­
вень билирубина ( > 1 0 м г/л) называется ги-
пербилирубинем ией. Билирубин диффун­
дирует из крови в периферические ткани и
окрашивает их в желтый цвет. Это особенно
легко заметить на белой конъюктиве глаза, в
таком случае говорят о желтухе. Ее причи­
ной могут быть: повышенное образование
билирубина из эритроцитов (гем олитиче­
ская желтуха из-за наследственного дефек­
та фермента или отравления организма),
нарушение выделения билирубина и проду­
ктов его расщепления вследствие повреж­
дений печени (гепатоцеллюлярная желтуха
из-за наследственного дефекта фермента
или отравления организма) и застой желчи
[обтурацион ная (механическая) желтуха изза желчных камней]. Неконъюгированный
билирубин может даже проходить гематоэнцефалический барьер и приводить к пора­
жению мозга (ядерная желтуха). Для точного
диагноза причин гипербилирубинемии ва­
жен анализ билирубина в плазме. Конъюги­
рованный («прямой») билирубин от неконъюгированного («непрямого») можно отли
чить с помощью цветной реакции.
Деградация порфиринов
эритроциты
2
гемоглобин
глобин
197
расщепление
ферментом
другие
гемопротеины
апопротеин
► биливердин
► билирубин
кровь
возвращается в синтез
гема
альбумин
билирубин
участок
связывания
билирубина и
лекарствен­
ных веществ
ьбумин
билирубин
желчные
пигменты
билирубин
билирубиндиглюкуронид
моча
кишечник
р рьсасУА 2 дар
билирубин
диглюкуронид
бактериальный
метаболизм
желчный
пузырь
2 С1сУА
стеркобилиноген
билирубин- ► уробилиноген
стеркобилин
уробилин
А. Д е гр а д а ц и я ге м о гл о б и н а
скорость
лимити­
рующая
стадия
метабо­
лизма
печени
энтерогепа
тическая
циркуляция
гем-оксигеназа
(дециклизующая)Т. 14.99.3
глюкуронозилтрансфераза 2.4.1.17
198
Организация клетки. Структура клеток
Структура клеток
А. С равнение п р о ка р и о т и
э у ка р и о т •
Существующие в настоящее время организ­
мы подразделяются на две большие группы
— прокариоты и эукариоты. К прокариотам
относятся бактерии (эубактерии и архебактерии) а к эукариотам — грибы, растения и
животные, большинство из которых являют­
ся многоклеточными организмами и только
некоторые — одноклеточными. М ногокле­
точные эукариоты построены из разнооб­
разных по своим функциям клеток, причем
эти клетки значительно крупнее клеток про­
кариот (соотнош ение объемов приблизи­
тельно 2000:1). Наиболее важный отличи­
тельный признак эукариотических клеток —
наличие ядра (греч. капоп; отсюда и назва­
ние «эукариоты») и других органелл.
Структуры и функции эукариотических
клеток сложнее и более специализированы,
чем структуры и функции клеток прокариот.
ДНК (ОЫА) эукариот представляют собой
очень длинные линейные молекулы (от 10 до
более чем Ю 10 пар оснований). Они локали­
зованы в ядре, связаны с гистонами и вклю­
чают некодирующие области (интроны). На­
против, ДНК прокариот представляют собой
более короткие (до 5 • 106 пар оснований)
кольцевые молекулы, расположенные в цито­
плазме и не имеющие интронов. Эукариоти­
ческие клетки состоят из специализирован­
ных отделов — органелл (см. ниже). Процес­
сы синтеза и созревания РНК (ВЫА) и белков
протекают в различных отделах клеток и ме­
ханизмы их регулирования не зависят один от
другого. У прокариот, напротив, эти процес­
сы значительно проще и взаимосвязаны.
Б. С тр уктур а ж и в о тн о й кл е тки • Эукариотические клетки значительно разно­
образнее по размеру и структуре, чем про­
кариотические. Только в организме челове­
ка имеются по крайней мере 200 различных
типов клеток. Поэтому на схеме структура
животной клетки представлена в предельно
упрощенном виде.
Эукариотическая клетка организована си ­
стемой мембран. Снаружи она ограничена
плазм атической м ем браной. Внутренний
объем клетки заполнен цитоплазмой, со ­
держащ ей многочисленные растворимые
компоненты. Ц итоплазм а разделена на хо­
рошо различимые , окруженные внутрикле­
точными мембранами отделы, называемы­
ми клеточны м и органеллами.
Самой крупной органеллой является яд ­
ро клетки (см. с. 2 1 1 ), его можно легко ви­
деть в световой микроскоп. Внешняя мемб­
рана ядра связана с мембранами эндоплазматической сети [э н д о п л а зм а ти ч е с ки й
ретикулум (ЕВ)], представляющей собой
замкнутую систему связанных друг с другом
канальцами уплощенных мешочков, состав­
ляющую единое целое с перинуклеарным
пространством. Другая ограниченная мемб­
ранами органелла, также представляющая
собой систему мембран, — аппарат Гольдж и (или комплекс Гольджи) (на схеме эта
система напоминает сложенные в стопку
листы). Э кзосом ы и эндосом ы — пузыре­
образные органеллы (везикулы), участвую­
щие в процессе обмена веществ между
клеткой и ее окружением. Вероятно, наибо­
лее важными в клеточном метаболизме яв­
ляются м итохондрии, представляющие со­
бой органеллы, по размерам приближаю­
щиеся к бактериям. Л изосом ы и пероксисом ы —маленькие глобулярные органеллы,
предназначенные для выполнения специфи­
ческих функций. В клетке имеется белковая
нитевидная структура, напоминающая стро­
ительные леса (так называемый ц и то ске ­
лет).
Помимо этих органелл в клетках растении
(см.с. 48) имеются хлоропласта (места фо­
тосинтеза), вакуоли, выполняющие струк­
турные функции и являющиеся хранилища­
ми, а также прочная клеточная стенка, по­
строенная из целлюлозы и других полисаха­
ридов.
На схеме для гепатоцитов (клеток печени)
приведены приблизительный объем, кото­
рый приходится на каждый вид органелл (в
% к общему объему клетки, на схеме желто­
го цвета), и число каждой из органелл на
клетку (на схеме голубого цвета); эти
данные могут значительно различаться для
разных типов клеток. Органеллы и другие
клеточные структуры более детально описа­
ны в следующих разделах.
Структура клеток
П рокариоты
199
Э укариоты
Организмы
эубактерии
^рхебактерии
1-10 мкм
грибы
растения
животные
I
Форма организма
одноклеточные
одно- или
многоклеточные
48
Органеллы, цитоскелет, аппарат клеточного деления
присутствует, сложный,
отсутствует
специализированный
маленькая, кольцевая,
нет интронов, плазмиды
РИА
10-100 мкм
большая, в клеточных ядрах,
много интронов
ЯМА: синтез и созревание
простой, в цитоплазме
сложный, в ядрах
Белки: синтез и процессинг
простой,
сложный,
связанный с синтезом РМА
в цитоплазме и полости гЕП
Обмен веществ
анаэробный или аэробный,
легко перестраивающийся
преимущественно аэробный
Эндоцитоз и экзоцитоз
различные формы
А. С равнение п р о ка р и о т и э у ка р и о т
аппарат Гольджи
6%
1
ядро
6%
1
шероховатый
эндоплазматический ретикулум
митохондрия
22 %
-2000
пероксисома
1%
400
число на клетку
Б. С труктура ж и в о тн о й кл е тки
плазматическая
мембрана
лизосома
эндосома
свободные
рибосомы
цитоплазма
54%
1
доля от
объема клетки
200
Организация клетки. Структура клеток
Фракционирование клеточных
структур
А. В ы д е л е н и е кл е то чн ы х
о р га н е л л I
Разработан ряд методик для исследования
изолированных отделов клетки. Для того
чтобы выделить клеточные органеллы, ис­
следуемый образец измельчают и затем го ­
м огенизирую т в забуференной среде с ис­
пользованием гомогенизатора Поттера—Элведжема (тефлоновый пестик, вращающий­
ся в стеклянном цилиндре). Это сравнитель­
но мягкий метод, который особенно предпо­
чтителен для выделения лабильных молекул
и ультраструктур. Другие методики разру­
шения клеток включают ферментативный
лизис, разрушающий клеточные стенки, или
механическое разруш ение замороженных
тканей (размолом или с помощью вращаю­
щихся ножей; под большим давлением; ос­
мотическим шоком; многократным чередо­
ванием замораживания и оттаивания).
Для выделения интактных органелл важ­
но, чтобы среда, в которой проводится го­
могенизация, была изотонической, т.е. ос­
мотическое давление буфера должно соот­
ветствовать давлению внутри клетки. Если
раствор гипотоничен, органеллы будут «впи­
тывать» дополнительную воду и лопнут, а в
гипертонических растворах они, напротив,
сморщ иваются.
Вслед за гомогенизацией следует фильт­
рование через марлю для удаления интактных
клеток и соединительных тканей. Собственно
фракционирование клеточных органелл про­
водится с помощью дифференциального цен­
трифугирования, т.е. центрифугирования при
различных скоростях вращения ротора. При
этом ступенчатое увеличение центробежной
силы (которую принято выражать величиной,
кратной нормальному ускорению свободного
падения д = 9,81 м /с2, см. сс. 202-203) приво­
дит к последовательному осаждению различ­
ных органелл, т.е. их разделению в соответст­
вии с плотностью и размером.
Ядро седиментирует уже при ускорении,
достигаемом с помощью настольных цент­
рифуг. Декантирование супернатанта и тща­
тельное повторное ресуспендирование
осадка дает фракцию, обогащенную клеточ­
ными ядрами. Однако эта фракция все еще
содержит другие клеточные компоненты в
качестве примесей, например фрагменты
цитоскелета.
Частицы меньших размеров и менее плот­
ные, чем ядро, получают при воздействии на
супернатант постепенно увеличивающегося
ускорения . Эта операция проводится на бо­
лее мощных центрифугах, таких, как высоко­
скоростные центрифуги с охлаждением и
ультрацентриф уги. Порядок осаждения
фракций следующий: м итохондрии, затем
м ем бранны е пузы рьки (везикулы ) и р и ­
босом ы . Супернатант последнего центри­
ф угирования представляет собой «цито­
золь», т.е. растворимые компоненты клетки,
перешедшие при гомогенизации ткани в бу­
ферный раствор.
Выделение клеточных органелл обычно
проводят при низких температурах (0 -5 С)
для того, чтобы уменьшить степень деграда­
ции материала за счет реакций, катализиру­
емых ферментами; последние высвобожда­
ются в процессе разрушения ткани. Добав­
ление тиолов и хелатирующих агентов необ­
ходимо для защиты функциональных ЗНгрупп от окисления.
Б . М о л е ку л ы -м а р ке р ы О
В процессе фракционирования важно конт­
ролировать чистоту фракций. Присутствие в
определенной фракции той или иной орга­
неллы и наличие других компонентов опре­
деляют с помощ ью м о л е кул -м а р ке р о в .
Обычно это органеллоспецифичные фер­
менты (ф ерм енты -м аркеры ). Распределе­
ние ферментов-маркеров в клетке отражает
локализацию в ней соответствующих ката­
литических реакций. Более детально эти
вопросы обсуждаются в разделах, посвя­
щенных отдельным органеллам.
Фракционирование клеточных структур
гом о­
генизация
фильтрование
измельчение
марля
целые
клетки,
соедини
тельная
ткань
ткань
буфер
201
гомо­
генизатор
Поттера
центриф угирование
= 300 ООО
120мин
100 ООО
15мин
= 15 000
15мин
= 600
Юмин
цитозоль
супернатант
центоифужная
пробирка
осадок
рибосомы,
вирусы,
макромолекулы
плазматические
мембраны,
фрагменты ЕР,
мелкие пузырьки
микросомальная
фракция
митохондрии,
л изосомы,
пероксисомы
( хлоропласты
растительных
клеток)
ядра,
цитоскелет
А. В ы д еление кл е то чн ы х органелл
аппарат Гольджи
а - манноэидаза II
3.2.1.24
шероховатый
эндоплазматичес
кий ретикулум
глюкозо-6 фосфатаза 3.1.3.9
ЦЫА
митохондрия
сукцинатдегидро
геназа 1.3.5.1
цитохром-соксидаза
рибосомы
гРИА
плазматическая
мембрана
1Ча+/К+-АТР-аза
3.6.1.37
фосфодиэстераза I
3.1.4.1
лизосомы
р-М-ацетилгексоз
аминидаза
3.2.1.52
В- га лактози даза
3.2.1.23
эндосома
накопление
пероксидазы
1.11.1.7
1.9.3.1
перрксисома
каталаза
1. 11. 1.6
клеточные
фракции
Б. М о л е кул ы -м а р ке р ы
цитозоль
Ьлактатдегидрогеназа
. 1.1.1.27
молекулы
маркеры
202
Организация клетки. Структура клеток
Ц е н тр и ф уги р о в а н и е
А . О сновы м е то д а
ц е н тр и ф уги р о ва н и я I
Частицы в растворе осаждаются (седимента­
ция), когда их плотность выше плотности рас­
твора, или всплывают (флотация), когда их
плотность ниже плотности раствора. Чем
больше разница в плотности, тем быстрее
идет распределение частиц. Когда плотности
частиц и раствора одинаковые (изопикнические условия), частицы остаются неподвиж­
ными. При малой разнице в плотности части­
цы можно разделить только в центрифуге, ко­
торая создает центробежную силу, во много
раз превышающую силу земного притяжения.
Р оторы . Возникающая в центрифуге цен­
тробежная сила, которая, строго говоря,
создается ускорением, обычно выражается
числом, кратным ускорению свободного па­
дения д (д * 9,81 м /с2). Величины до ЮОООд
получают с помощью простой настольной
центрифуги, высокоскоростные рефрижера­
торные центрифуги позволяют достигнуть
50000д, а ультрацентрифуги, работающие с
охлаждением и в вакууме, — 500000д. Суще­
ствую т два типа роторов — угловы е и
свободно подвеш енны е, так называемые
бакет-роторы . Последние использую тся
обычно в высокоскоростных центрифугах и
ультрацентриф угах.
Скорость седиментации частицы (V) зави­
сит от угловой скорости (со), эффективного
радиуса ротора Гэфф(расстояние от оси вра­
щения) и седиментационных свойств частиц.
Седиментационные свойства частицы ха­
рактеризуются коэф ф ициентом сед им ен­
тации 5 и выражаются в единицах Сведберга (15 = 1СГ13 с). На схеме справа показано
соотношение между плотностью и коэффи­
циентом седиментации для различных час­
тиц в растворе хлорида цезия (СзС1). Вели­
чина 5 может колебаться в широких преде­
лах. Для сравнения коэффициентов седи­
ментации в различных средах их обычно
корректируют по плотности и вязкости воды
при 20°С (5го*)Коэффициент седиментации зависит от
молекулярной массы (М) частицы, ее формы
(коэф ф ициент трения I), парциального
удельного объема V (величина, обратная
плотности частицы). Из рисунка видно, что
белки. ДНК (ОЫА) и РНК (№№) сильно разли­
чаются по плотности.
Б . Ц ен тр и ф уги р о ва ни е в гр а д и е н те
п л о тн о сти О
М акромолекулы или органеллы, незначи­
тельно различающиеся по размеру или по
плотности, можно разделить центрифугиро­
ванием в градиенте плотности. Для этих це­
лей используются два метода.
При зо н а л ь н о м ц е н тр и ф уги р о в а н и и
анализируем ая проба (наприм ер, белки
или клетки) наслаивается тонким слоем
поверх буф ерного раствора. В процессе
центриф угирования частицы проходят че­
рез раствор, так как их плотность выше
плотности раствора. С корость движения
зависит от массы и формы частиц (см.
формулы на схеме А). Центриф угирование
прекращ ают прежде, чем частицы д остиг­
нут дна центриф ужной пробирки. Затем
дно прокалывают и собираю т ряд ф ракций,
содержащ их различные частицы. Стабиль­
ность градиента плотности в процессе
центриф угирования достигается примене­
нием растворов углеводов или коллоидно­
го силикагеля, концентрация которых воз­
растает от поверхности к дну пробирки.
Градиент плотности препятствует образо­
ванию конвекционных потоков, снижающ их
качество разделения.
При изопикническом центриф угирова­
нии пробу (например ДНК, РНК или вирусы)
равномерно распределяют во всем объеме
раствора (обычно СзС1). В этом случае раз­
деление продолжается значительно дольше,
чем при зональном центриф угировании.
Градиент плотности создается в процессе
центрифугирования за счет седиментации и
диффузии. Со временем каждая частица по­
падает в область, соответствующую ее соб ­
ственной плавучей плотности. Центрифуги­
рование прекращают, когда устанавливает­
ся равновесие. Полученные фракции анали­
зирую т, используя подходящ ую изм ери­
тельную технику.
Центрифугирование
центрифужная
пробирка
203
9 митохондрии
микросомы
растворимые
белки
ядра
вирусная частица
угловой ротор
гликоген
подвесная
центрифуг
пробирка
рибосомы, полисомы
ось вращения ротора
свободно подвешенный ротор
Константа седиментации, 3
д:
ускорение свободного
падения
у; скорость седиментации
см /с
М: молекулярная масса
со: угловая скорость
рад/с
|)ф: эффективный
радиус, см
V : парциальный объем
частицы, смз/г
р : плотность
раствора, г/смз
1: коэффициент трения
з: коэффициент
седиментации (8 = 10'13с)
А. О сновы м е то д а ц е нтр и ф уги р ова н и я
частицы мигрируют
в соответствии с
Iвеличиной 5
центрифуги
рование ^
центрифугирование
частицы, разделив­
шиеся по плотности
градиент
плотнос­
ти саха­
розы
гради­
ент
плотное
ти СзС!
Зональное центрифугирование
Изопикническое центрифугирование
сахарозный или
| СзС!-градиент
Фракции
Фракционирование
Фракции
Измерение
Б. Ц е н тр и ф уги р о ва н и е в гр а д и е н те пл о тно сти
204
Организация клетки. Структура клеток
Клеточные компоненты и
цитоплазма
Бактерия ЕзсЬепсЫа соЧ живет в кишечнике
млекопитающих как симбионт. Ее структура
и состав изучены достаточно хорошо.
А. К о м п о н е н ты б а кте р и а л ьн о й
кл е тки I
Основным компонентом всех клеток являет­
ся вода (70%). Остальная часть — это м а к­
ром олекулы (белки, нуклеиновые кислоты,
полисахариды), небольш ие органические
м олекулы и неорганические ионы. Наи­
более распространенными из макромолекул
являются белки, составляющие до 55% су­
хого веса клетки.
Е д и ни чная кл е тка Е.соН и м е е т объем
около 0,88 м км 3. По одной шестой этого
объема составляют мембраны и ДН К (РЫА)
(«нуклеоид»). Оставшееся внутреннее про­
странство заполнено ц и то п л а зм о й (не
«цитозолем», см. с. 202). С учетом ряда д о ­
пущ ений относительно разм ера белков
(средняя молекулярная масса 40 кДа) и их
распределения в клетке можно считать, что
цитоплазма клетки Е.соН содерж ит при­
близительно 250000 белковых молекул. В
эукариотических клетках, которые прим ер­
но в 1000 раз больше, число белковых м о­
лекул можно оценить в несколько миллиар­
дов.
Б . С о д е р ж и м о е б а кте р и а л ьн о й
кл е тки I
На схеме приведен участок цитоплазм ы
Е.соН (длиной около 100 нм), составляющий
1/600 объема клетки; увеличение 1 х 10 .
При таком увеличении размер атома углеро­
да соответствует крупинке соли, а молекулы
дТф — рисовому зернышку. В целях упро­
щения небольшие по размерам молекулы,
такие, как вода, кофакторы и метаболиты, на
рисунке не приведены (они показаны в уве­
личенном виде внизу справа). В таком участ­
ке цитоплазмы содержатся:
— сотни м акром олекул, необходимых для
синтеза белков, т. е. 30 рибосом, более чем
100 белковых факторов, 30 молекул амино-
ацил-тРН К-синтетаз, 340 молекул ^тРНК
(10NА), 2 -3 мРНК (тВЫ А) (каждая из кото­
рых по размерам 10 -кратно превышает при­
веденный участок клетки) и 6 молекул РНКполимеразы;
— ОКОЛО 300 молекул других ферментов,
включая 130 гликолитических ферментов и
100 ферментов цитратного цикла;
— 30000 небольш их органических м оле­
кул с молекулярной массой от 100 до 1000
Да, например продукты промежуточного ме­
таболизма и коферменты (показаны в 10 кратном увеличении внизу справа);
— наконец, 50000 неорганических ионов;
остальной объем занимает вода.
Схема иллюстрирует тот факт, что цито­
плазма клеток заполнена макромолекулами
и малыми органическими молекулами, при­
чем макромолекулы расположены очень
близко друг к другу: большинство из них
разделено лишь несколькими молекулами
воды. Все эти молекулы находятся в посто­
янном движении. Однако повторяющиеся
столкновения предотвращают их движение в
каком-либо определенном направлении. В
действительности они движутся беспоря­
дочно по зигзагообразным траекториям.
Белки из-за большой массы движутся осо­
бенно медленно. Тем не менее, средняя
скорость миграции составляет около
5 нм /м с, т.е. за 2 мс они проходят расстоя­
ние, равное диаметру белковой глобулы. По
статистической оценке любой белок может
достичь любой точки в клеточной цитоплаз­
ме менее чем за секунду.
В. Б и о хи м и ч е ски е ф ункц и и
ц и то п л а зм ы •
У эукариот цитоплазма составляет 50% об­
щего объема клетки, т.е. в количественном
отнош ении
является наиболее важной
органеллой клетки. Цитоплазма
это глав­
ное реакционное пространство клетки.
Здесь протекают большинство процессов
деградации питательных веществ и синтеза
структурных компонентов клетки, а также
почти весь пром ежуточны й м етаболизм :
гликолиз, гексозомоноф осф атны й путь,
глюконеогенез, биосинтез жирных кислот,
белков и т. п.
Клеточные компоненты и цитоплазма
205
(1 %)
3 000)
сахара (1%, 250*)
неорганические
ионы (1 %, 20 *)
липиды (1%, 50*)
вода —
(70%, 1*)
100*)
аминокислоты
!*
I
Iчисло молекул I
|различных
|
[типов
I
(0,4%, 100*)
Другие
органические
вещества
(0,2%, 300*)
А. К о м п о н е н ты б а кте р и а л ьн о й кл е тки
рибосома
тВМА
1НМА
белки
РИА-полимераза
белок
углеводы аминокислоты
Б. С одерж им ое бактериальной клетки
глю конеогенез
гексозом оно
фосфатный
биосинтез
белков
биосинтез
жирных
кислот
В .Б и о х и м и ч е с ки е ф ун кц и и ц и то п л а зм ы
вода
гликолиз
другие
реакции
схема
метаболических
процессов,
протекающих в
цитоплазме
206
Организация клетки. Цитоскелет
Цитоскелет: состав
Цитоплазма эукариотических клеток прони­
зана трехмерной сеткой из белковых нитей
(филаментов), называемой цитоскелетом .
В зависимости от диаметра филаменты раз­
деляются на три группы: м икроф илам енты
(6 - 8 нм), пром еж уточны е волокна (около
10 нм) и м икротрубочки (около 25 нм). Все
эти волокна представляют собой полимеры,
состоящие из субъединиц особых глобуляр­
ных белков.
А . А кти н I
М икроф иламенты (актиновые нити) состоят
из актина — белка, наиболее распространен­
ного в эукариотических клетках. Актин может
сущ ествовать в виде мономера (С -а ктин,«глобулярный актин») или полимера (Рактин, «фибриллярный актин»). 6 -актин —
асимметричный глобулярный белок (42 кДа),
состоящий из двух доменов. По мере повы­
шения ионной силы О-актин обратимо агре­
гирует, образуя линейный скрученный в
спираль полимер, Р-актин. Молекула О-актина несет прочно связанную молекулу АТФ
(АТР), которая при переходе в Р-актин, мед­
ленно гидролизуется до АДФ (АРР>, т.е. Рактин проявляет свойства АТФ -азы.
При полимеризации О-актина в Р-актин
ориентация всех мономеров одинакова, по­
этому Р-актин обладает полярностью. Во­
локна Р-актина имеют два разноименно за­
ряженных конца — (+) и (-), которые полимеризуются с различной скоростью. Эти концы
не стабилизированы специальными белками
(как, например, в мышечных клетках), и при
критической концентрации О-актина (+)-конец будет удлиняться, а (-)-ко н е ц укорачи­
ваться. В условиях эксперимента этот про­
цесс может быть ингибирован токсинами
грибов. Например, ф аллоидин (яд бледной
поганки) связывается с (-)-ко н ц о м и ингиби­
рует деполимеризацию, в то время как цитохалазин (токсин из плесневых грибов, об­
ладающий свойством цитостатика) присое­
диняется к (+)-концу, блокируя полимериза­
цию.
Актинассоциированные белки. В цито­
плазме клеток имеются более 50 различных
типов белков, которые специфически взаи­
модействуют с О-актином и Р-актином. Эти
белки выполняют различные функции: регу­
лируют объем О-актинового пула (проф и­
лин), оказывают влияние на скорость поли­
меризации О-актина (виллин), стабилизиру­
ют концы нитей Р-актина (ф рагин, $-актинин), сшивают филаменты друг с другом или
с другими компонентами (как, например,
виллин, а-актинин, спектрин, МАНСК5) или
разрушают двойную спираль Р-актина (гельзолин). Активность этих белков регулирует­
ся ионами Са2+ и протеинкиназами.
Б . Б е л ки п р о м е ж уто ч н ы х в о л о ко н I
Структурными элементами промежуточных
волокон являются белки, принадлежащие к
пяти родственным семействам и проявляю­
щие высокую степень клеточной специфич­
ности. Типичными представителями этих
белков являются цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин
[КФГП (ОРАР)] и нейроф иламент. Все эти
белки имеют в центральной части базовую
стержневую структуру, которая носит назва­
ние суперспирализованной а-спирали (см.
кератин, с. 76). Такие димеры ассоциируют
антипараллельно, образуя тетрамер. Агре­
гация тетрамеров по принципу «голова к го­
лове» дает протоф илам ент. Восемь протофиламентов образуют промежуточное во­
локно.
В отличие от микрофиламентов и микро­
трубочек свободные мономеры промежу­
точных волокон едва ли встречаются в цито­
плазме. Их полимеризация ведет к образо­
ванию устойчивых неполярных полимерных
молекул.
В .Т у б у л и н I
М икротрубочки построены из глобулярного
белка тубулина, представляющего собой
димер а - и р-субъединиц (53 и 55 кДа). а, рГетеродимеры образуют линейные цепочки,
называемые протофиламентами. 13 протофиламентов образуют циклический ком п­
лекс. Затем кольца полимеризуются в длин­
ную трубку. Как и микрофиламенты, микро­
трубочки представляют собой динамиче­
ские полярные структуры с (+)- и (-)-ко н ц а ми. (-)-К о н е ц стабилизирован за счет свя­
зывания с центросомой (центр организации
микротрубочек), в то время как для (+)-конца характерна динам ическая нестабиль­
ность. Он может либо медленно расти, либо
быстро укорачиваться. Тубулиновые моно­
меры связывают ГТФ (ОТР), который мед­
ленно гидролизуется в ГДФ (ОТР). С микро­
трубочками ассоциируют два вида белков:
структурны е
белки
(МАР
от
англ.
тю гоШ ЬЫ з-аззоаа^ес! рго1етз) и белкитранслокаторы.
Цитоскелет: состав
ассоциация
диссоциация
полимеризация
деполимеризация
Р-актин,
спирализованны й
полимер,
микроф иламент
(ф рагмент)
6 -актин
медленный
гидролиз
мономер
4 2 кД а
фаллоидин
+ о цитохалазин
© -конец : преимущественно
диссоциация
А. А ктин
© -конец: преимущественно
полимеризация
Белки
промежуточных
волокон:
цитокератин,
десмин,
виментин,
кислый
фибриллярный
глиапротеин,
нейрофиламент
дим ер
суперспиральная структура
тетрам ер
протофиламент
промежуточное
волокно
ч н
ш
те-
"Я- *
5
|0у I ох
Р -У
Б . Б е л ки п р о м е ж уто чн ы х во л око н
25 нм
связывание СТР
и медленный
гидролиз
протоф иламент
м икротрубочки,
цилиндрический
полимер
тубулин
гетеродимер,
53 и 55 кДа
растительные
В. Тубулин
© -конец: стабилизация путем
связывания с центросомой
® -ко н е ц : рост
или укорачивание
1
Л
Щ
Э=П
винбластин,
винкристин.
жолхицин,
ртаксол
208
Организация клетки. Цитоскелет
Структура и функции
Цитоскелет выполняет три главные функ­
ции.
1. Служит клетке м еханическим ка р ка ­
сом , который придает клетке типическую
форму и обеспечивает связь между мембра­
ной и органеллами. Каркас представляет со­
бой динамичную структуру, которая посто­
янно обновляется по мере изменения внеш­
них условий и состояния клетки.
2. Действует как «мотор» для клеточно­
го движ ения. Двигательные (сократитель­
ные) белки содержатся не только в мышеч­
ных клетках (см. с. 324), но и в других тканях.
Компоненты цитоскелета определяют на­
правление и координируют движение, деле­
ние, изменение формы клеток в процессе
роста, перемещ ение органелл, движение
цитоплазмы.
3. Служит в качестве «рельсов» для
транспорта органелл и других крупных ком ­
плексов внутри клетки.
А . М и кр о ф и л а м е н ты и
п р о м е ж уто ч н ы е во л о кн а О
В качестве примера функционирования ком ­
понентов цитоскелета на рисунке показан
срез м и кр о в о р с и н о к клетки киш ечного
эпителия (см. В, 1).
М икроф илам енты , построенные из Рактина, пронизывают микроворсинки, обра­
зуя узлы. Эти микроволокна удерживаются
вместе с помощью актинсвязывающих бел­
ков, наиболее важными из которых являются
фимбрин и виллин. Кальмодулин и миозино­
подобная АТФ-аза соединяют крайние м ик­
роволокна с плазматической мембраной.
Еще один актинсвязывающий белок, фодрин, соединяет волокна актина у основания,
а также прикрепляет их к цитоплазматиче­
ской мембране и к сетке, построенной из
пром еж уточны х волокон.
В рассмотренном случае микрофиламен­
ты актина выполняют главным образом ста­
тическую функцию. Однако чаще всего актин
принимает участие в динамических процес­
сах, таких, как мышечное сокращ ение (см. с.
314), движение клетки, фагоцитоз, образо­
вание микровыпячиваний и ламеллиподий
(клеточных расширений), а также акросом в
процессе слияния сперматозоида с яйце­
клеткой.
Б. М и кр о тр у б о ч ки О
На схеме показаны м икротрубочки клетки.
Они отходят радиально во всех направлени­
ях от структуры вблизи ядра — центросо­
мы. (+)-Конец микротрубочек постоянно на­
ходится в состоянии роста и разборки, а (-)конец блокирован ассоциированными бел­
ками в центриоле (см. с. 207). (+)-Конец мо­
жет также быть стабилизирован ассоцииро­
ванными белками, когда, например, микро­
трубочки достигаю т цитоплазматической
мембраны.
М икротрубочки принимаю т участие в
поддержании формы клетки. Они же служат
направляющими «рельсами» для транспорта
органелл. Вместе с ассоциированными бел­
ками (динеин, кинезин) микротрубочки спо­
собны осуществлять механическую работу,
например транспорт митохондрий, движе­
ние ресничек (волосоподобных выростов
клеток в эпителии легких, кишечника и яйце­
водов) и биение жгутика сперматозоида.
Кроме того, микротрубочки выполняют важ­
ные функции во время деления клеток.
В. А р хи те ктур а О
Сложная плотная сетчатая структура цито­
скелета хорошо видна на приведенных ри­
сунках, где компоненты цитоскелета выяв­
лены с помощью антител.
1. На границе клетки кишечного эпите­
лия (см.также схему Б) хорошо видно, как
м и кр о ф и л а м е н ты (а) простираю тся от
центра в микроворсинки. Филаменты плотно
связаны ассоциированным белком сп е ктрином (б) и прикреплены к пром еж уточ­
ным волокнам (в).
2. В фибробласте видны только м и кр о ­
трубочки. Они отходят от центра организа­
ции микротрубочек центросомы и расходят­
ся радиально к плазматической мембране.
3 . В этой эпителиальной клетке помече­
ны кератиновы е ф иламенты, которые от­
носятся к группе пром еж уточны х волокон
(г — ядро) (см. сс. 76, 206).
Структура и функции
микроворсинка
+ -конец
Р-актина
актиновая
нить
(микрофиламент)
виллин
фимбрин
механическим каркас
кальмодулин
плазматическая
мембрана
фодрин
промежуточное
волокно
А. М и кр о ф и л а м е н ты и п р о м е ж уто чн ы е вол окна
лки, ассоциированные с микротрубочками, стабилизируют
•>.. • _ У у __
у _ ;; . _ __ _ . . . . _ . + -конец________
лк
”
______ _ секреторный
пузырек
I{стабильный^
— — *—
(закреплен-'
передача движения ный)
-коней
ядро
I + - конец ( рост
!или укорачивание)
-
клетка
центросома
рельсы для транспорта
митохондрия
мигрирует
вдоль
микротрубочки
Б. М и кр о тр уб о ч ки
1. М икроф иламенты
В. А р хи те ктур а
2. М икротрубочки
3. Промежуточное волокно
210
Организация клетки. Ядро
Ядро
А . Я дро #
Ядро — наиболее крупная (диаметром около
10 мкм) видимая в оптический микроскоп
органелла эукариотической клетки^ Оно от­
делено от остальной клетки оболочкой, со­
стоящей из внутренней и внеш ней ядерных мембран.
Область между двумя ядерными мембра­
нами называется перинуклеарным про­
странством . Внешняя ядерная мембрана
усыпана рибосомами и переходит в шерохо­
ватый эндоплазматический ретикулум. Вну­
тренняя ядерная мембрана выстлана специ­
альными белками (ламином и др.), которые
служат для закрепления ядерных структур
(ядерная пластинка).
В ядре расположена почти вся ДНК (ОЫА)
клетки. Эта ДНК является носителем генети­
ческой инф ормации и главным местом ее
репликации и экспрессии^В интерф азе (фа­
зы между делениями клетки) большая часть
ДНК в ядре присутствует в виде гетерохро­
матина, т.е. плотно упакованной ДНК, ассо­
циированной с РНК (ЯМА) и белками. Менее
плотно упакованная ДНК называется эухром атином ; это место активной транскрипции
ДНК в РНК (ВЫА). Ядро часто содержит яд ­
ры ш ко, а иногда и несколько ядрышек. Во
время деления клеток структура ядра разру­
шается. Хроматин организуется в хром осо­
м ы , т. е. в высшей степени конденсирован­
ные формы молекул ДНК, видимые в оптиче­
ский микроскоп.
Б. И м п о р т кр уп н ы х яд ерны х
б е л ко в I
Обмен макромолекул, таких, как белки и
РНК, между ядром и цитоплазмой осуществ­
ляется через ядерны е поры (диаметр при­
мерно 7 нм), образованные белковым комп­
лексом. Поры регулируют транспорт через
ядерные мембраны. Пептиды и небольшие
белки, например гистоны, способны легко
проникать в ядро. Более крупные белки
(свыше 40 кДа) могут пройти через ядерную
мембрану, только если они несут специф и­
ческую сигнальную последовательность.
Такая последовательность, ориентирующая
белок на ядро, состоит из 4 оснбвных амино­
кислот. В отличие от других сигнальных пос­
ледовательностей, они не расщепляются
при переносе белка в ядро. (с. 233).
В. В за и м о д е й ств и е м е ж д у яд р ом
и ц и то п л а зм о й I
Почти все РНК клетки синтезируются в ядре.
В этом процессе, называемом тр а н скр и п­
ц и е й , используется хранящаяся в ДНК
(ОЫА) информация (см. с. 241). Синтез рибосом ной РНК [рРНК (гВЫА)З происходит в
ядрышках, в то время как матричные (ин­
ф ормационны е) и транспортны е РНК
[мРНК и тРНК (тВ Ы А и ШЫА)] синтезирую т­
ся в эухроматине. Р епликация — катали­
зируемый ферментами процесс удвоения
ДНК — также локализована в ядре (см. с.
239).
Нуклеотидные блоки, необходимые для
репликации и транскрипции в ядре, должны
поступать из цитоплазмы. Их включение в
РНК приводит к образованию первичных
продуктов, которые последовательно моди­
фицируются путем расщепления, удаления
частей молекулы и включения дополнитель­
ных нуклеотидов (созревание РНК). Нако­
нец, мРНК и тРНК, образовавшиеся в ядре,
транспортируются в цитоплазму для участия
в биосинтезе белков (трансляции) (см. с.
237).
Белки не могут синтезироваться в ядре, и
поэтому все ядерные белки должны быть
импортированы из цитоплазмы. Это, напри­
мер, гистоновые и негистоновые белки, связаные в хроматине с ДНК, полимеразы, гор­
мональные рецепторы, факторы транскрип­
ции и рибосомные белки. Рибосомные бел­
ки, находясь еще в ядрышке, начинают ассо­
циировать с рРНК, образуя рибосомные
субчастицы.
Одной из очень специфических функций
ядра является б и о си н те з НАД+ (ЫАР+).
Предшественник этого кофермента, никотинамидмононуклеотид [НАМ (ЫММ)] синте­
зируется в цитоплазме и затем транспорти­
руется в ядрышко для превращения в динук­
леотид НАД* (Ш Ш *), который после этого
возвращается в цитоплазму.
Ядро
211
последователь­
наружная
ядерная
мембрана
ность,
перинуклеарное
п р о - _____
странство
внутренняя
ядерная
мембрана
указывающая на
ядерную
локализацию
ядер
ная
пора
ядрыш ко
ядерная
пора
эухроматин,
гетерохроматин
йЫА, ВЫА, гистоны ,
негистоновые белки
нуклеоплазма
цитоплазма
Б. И м п о р т кр у п н ы х яд е р н ы х б ел ков
цитоплазма
нуклеоплазма
ядры ш ко
репликация
транскрипция
молекулы
молекулы
ИпИМА
пре-;ШМА
(процессинг)
синтез
ЫА1Э©
молекулы
Ж ЫАУ
гВМА
молекулы
тВ М А
рибосомны е
субчастицы
полисома
трансляция
рибосомные
белки,4
гистоны.
негистоновые белки
В. В за и м о д е й ств и е м е ж д у я д р о м и ц и то п л а зм о й
212
Организация клетки. Митохондрии
Митохондрии: структура и
функции
А . С тр уктур а м и то х о н д р и й I
Митохондрии - это органеллы размером с
бактерию (около 1 х 2 мкм)^О ни найдены в
большом количестве почти во всех эукарио­
тических клетках. Обычно в клетке содер­
жится около 2 000 митохондрий, общий объ­
ем которых составляет до 25% от общего
объема клетки. • М итохондрия ограничена
двумя м ем бранам и - гладкой внеш ней и
складчатой внутренней, имеющей очень
большую поверхность. Складки внутренней
мембраны глубоко входят в м атрикс мито­
хондрий, образуя поперечные перегородки
- кристы . Пространство между внешней и
внутренней мембранами обычно называют
м еж м ем бранны м пространством . •
Различные типы клеток отличаются друг от
друга как по количеству и форме митохонд­
рий, так и по количеству крист. Особенно
много крист имеют митохондрии в тканях с
активными окислительными процессами, на­
пример в сердечной мышце. Вариации мито­
хондрий по форме, что зависит от их функци­
онального состояния, могут наблюдаться и в
тканях одного типа. Митохондрии — измен­
чивые и пластичные органеллы.
Мембраны митохондрий содержат интег­
ральные мембранные белки. Во внешнюю
мембрану входят порины, которые образуют
поры и делают мембраны проницаемыми для
веществ с молекулярной массой до 10 кДа
(см. с. 223). Внутренняя же мембрана мито­
хондрий непроницаема для большинства мо­
лекул; исключение составляют Ог, СОг, НгО.
Внутренняя мембрана митохондрий характе­
ризуется необычно высоким содержанием
белков (75%). В их число входят транспорт­
ные белки-переносчики (см. с. 215), ф ер­
менты, компоненты дыхательной цепи и
АТФ -синтаза. Кроме того, в ней содержится
необычный фосфолипид кардиолипин (см. с.
56). Матрикс также обогащен белками, осо­
бенно ферментами цитратного цикла.
Б. М е та б о л и ч е ски е ф ункц и и
гМитохондрии являются «силовой станцией»
клетки, поскольку за счет окислительной де­
градации питательных веществ в них синте­
зируется большая часть необходим ого
клетке АТФ (АТР)уВ митохондриях локали­
зованы следующ ие метаболические про­
цессы: превращ ение пирувата в ацетилКоА, катализируем ое пируватдегидрогеназным комплексом; цитратны й цикл; д ы ­
хательная цепь, сопряженная с си н те зо м
АТФ (сочетание этих процессов носит на­
звание «окислительное ф осф орилирование»); расщепление жирных кислот путем
(3-окисления и частично цикл м очевины .
1 ■'
М итохондрии такж е поставляю т клетке
продукты промежуточного метаболизма и
действую т наряду с ЭР как д е п о ионов
кальция, которое с помощью ионных насо­
сов поддерживает концентрацию Са2+ в ци­
топлазм е на постоянном низком уровне
(ниже 1 мкм оль/л).
Главной функцией митохондрий являет­
ся захват богаты х эн е р ги е й субстратов
(жирны е кислоты , пируват, углеродны й
скелет аминокислот) из цитоплазмы и их
окислительное расщепление с образовани­
ем СОг и н гО, сопряженное с синтезом
АТФ.
Реакции цитратного цикла приводят к
полном у окислению углеродсодержащ их
соединений (СОг) и образованию восста­
новительных эквивалентов, главным обра­
зом в виде восстановленных коферментов.
Большинство этих процессов протекают в
матриксе. Ф ерм енты ды хательной цепи,
которы е реокисляю т восстановленны е
коферменты, локализованы во внутренней
мембране митохондрий. В качестве доно­
ров электронов для восстановления кисло­
рода и образования воды использую тся
НАДН и связанный с ферментом ФАДНг.
Эта высоко экзергоническая реакция явля­
ется многоступенчатой и сопряжена с пе­
реносом протонов (Н+) через внутреннюю
мембрану из матрикса в межмембранное
пространство, (см. с. 143) В результате на
внутренней мембране создается э л е ктр о ­
хи м и ч е ски й гр а д и е нт (см. с. 129). В мито­
хондриях электрохимический градиент ис­
пользуется для синтеза АТФ из АДФ (АОР) и
неорганического фосфата (Р*) при катализе
А ТФ -синтазой. Электрохимический гради­
ент является также движущей силой ряда
транспортных систем (см. с. 215).
М и то х о н д р и и : с т р у кт у р а и ф ун кц и и
внешняя
мембрана
внутренняя
мембрана
креатин
киназа
АТРсинтаза
ферменты
г т липидного
\ / обмена
переносчик
нуклеотид
киназа
ферменты
окисли_
тельного
метаболизма
криста
матрикс
порин
дыхатель
ная цепь"
межмембранное
пространство
матрикс внутренняя
мембрана
внутримем
бранное
простран­
ство
!
внешняя
мембрана
А. С труктура м и то хо н д р и и
цитоплазматичес
кие ионы Са2®
пируват
ацил-СоА
карнитиновыи челнок
пируват
ацил-СоА
цикл
мочевины
мочевина
окисление
ацетил-СоА
цитрат
ный ци
дыхательная цеп
внутренняя мембран
внешняя мембрана
Б. М е та б о л и ч е ски е ф ункци и
синтез АТР
214
Организация клетки. Митохондрии
Транспортные системы
В. Малатный челнок I
Митохондрии имеют внутреннюю и внеш­
нюю мембраны (см. с. 213) Внутренняя мем­
брана непроницаема для большинства низ­
комолекулярных соединений. Она удержи­
вает не только продукты промежуточного
метаболизма (например, пируват и ацетилКоА), но и неорганические ионы (Н+ и Ыа+).
Поэтому в цитоплазме и митохондриях су­
ществуют независимые пулы ионов и мета­
болитов. Напротив, внешняя мембрана со­
держит порообразующие белки, которые де­
лают ее проницаемой для низкомолекуляр­
ных соединений (см. с. 2 1 2 ).
Для им порта восстановительны х экви ва ­
лентов в форме НАДН+Н+ (коферментсвязанного водорода), образующихся в цито­
плазме путем гликолиза, в митохондриях
имеются несколько челночных систем. В ми­
тохондриях млекопитающих этот транспорт
осущ ествляется в основном при помощи
челночного м е ханизм а, использующ его
пару м а л а т-о кс а л о а ц е та т. Основной
функцией этого механизма является пере­
нос восстановительных эквивалентов в со­
ставе малата. Малат, попадая в матрикс
при посредстве переносчика, окисляется до
оксалоацетата под действием малатдегидрогеназы. Оксалоацетат переносится об ­
ратно в цитоплазму лишь после трансаминирования в аспартат. Поскольку оксалоацетат
может образовываться в избыточном коли­
честве, в реакции трансаминирования и по­
следующем транспорте принимает участие
глутамат и 2-оксоглутарат. На схеме показа­
но, что малатный челнок функционирует в
обоих направлениях, обеспечивая перенос
восстановительных эквивалентов от цито­
плазматического НАДН в митохондрии без
переноса НАД+. В митохондриях насекомых
трансмембранный перенос восстановитель­
ных эквивалентов осуществляется с помо­
щью глицерофосфатного челнока.
Движущей силой транспортных процес­
сов во внутренней мембране митохондрий
служит концентрационный градиент мета­
болитов или электрохимический потенциал
(см. с. 143). Например, карнитиновая систе­
ма транспорта жирных кислот работает за
счет высоких концентраций ацил-КоА в ци­
топлазме. Движущей силой импорта фосфа­
та и пирувата служит протонны й градиент,
в то время как обмен АТФ /АДФ и выброс ио­
нов Са2+ зависят от трансм ем бранного по­
тенциала внутренней мембраны митохонд­
рий.
А. Т р а н сп о р тн ы е с и с те м ы I
Обмен между цитоплазмой и матриксом
обеспечивается специальными транспорт­
ными системами, локализованными во внут­
ренней мембране митохондрий и способны­
ми переносить разнообразны е вещества
(пируват, фосфат, АТФ, АДФ, глутамат, ас­
партат, малат, 2 -оксоглутарат, цитрат, жир­
ные кислоты) по механизмам типа антипорт
(обменная диффузия, А), симпорт (сопря­
женный транспорт, 5) или унипорт (облег­
ченная диффузия, II) (см. с. 221). Имеется
переносчик и для ионов Са2+, который наря­
ду с ЭР регулирует концентрацию Са2+ в ци­
топлазме.
Большая часть АТФ, продуцируемого ми­
тохондриями в матриксе, доставляется в ци­
топлазму с помощью АДФ/АТФ-транслоказы в обмен на АДФ (обменная диффузия).
Фосфат поступает в митохондрии вместе с
протонами независим о от транспорта
АДФ /АТФ .
Аналогичным образом при участии пируватспецифичного переносчика осуществля­
ется одновременный перенос через внут­
реннюю мембрану пирувата и протонов.
Б. Т р а н сп о р т ж и р н ы х ки с л о т I
В митохондриях за перенос жирных кислот
отвечает специальная транспортная систе­
ма. Активированные жирные кислоты в фор­
ме ацил-КоА становятся транспортабельны­
ми в цитоплазме после взаимодействия с
карнитином . Образовавшийся ацилкарнитин транспортируется в матриксе карнитиновым переносчиком, обмениваясь на сво­
бодный карнитин. В матриксе ацильные ос­
татки вновь связываются с КоА.
Д о п о л н и те л ьн а я инф орм ация
Митохондрии являются главными потреби­
телями кислорода в организме. Кислород­
ная недостаточность (гипоксия) как резуль­
тат недостаточного снабжения крови кисло­
родом (ишемия) является причиной повреж­
дения тканей вплоть до некроза. Первым
признаком гипоксии является набухание ми­
тохондрий.
Т ранспортные системы
Движущ ие силы
215
М еханизмы
пируват
Антипорт
(А)
Симпорт
( 3)
Унипорт
№
мембранный
пё генциал
протонный
градиент
депо кальция
цитрат
малат
м атрикс
малат
внутренняя
мембрана
А .Т р а н спо р тны е си сте м ы
липолиз
р-окисление
ацилкарнитин
ацил —[з
5 |— ацил
карнитин
ацил­
карнитин
ацил­
карнитин
Б .Т р а н спо р т ж и р н ы х ки с л о т
[Т | карнитин-О-пальмитоилтрансфераза 2.3.1.21
дыхатель
ная цепь
гликоли
оксало
ацетат
т
глута
мат
глута
мат
аспар
тат
аспар
тат
2 -о кс о ­
2 -о кс о ­
глутарат
глутарат
---------- * м а л а т --------------
гг. . ...
малат-----------
оксало
ацетат
»
В. М алатны й ч е л н о к |~2~| малатдегидрогеназа 1. у. 7.37 Ц | аспартат-трансаминаза 2.6.1.1
216
Организация клетки. Биомембраны
Биомембраны:
структура и функции
А. С тр уктур а п л а зм а ти ч е ко й
м ем браны I
Все биомембраны построены одинаково;
они состоят из двух слоев л и п и д н ы х м о л е ­
кул толщиной около 6 нм, в которые встрое­
ны белки. Некоторые мембраны содержат,
кроме того, углеводы , связанные с липида­
ми и белками. Соотношение липиды : белки :
углеводы является характерным для клетки
или мембраны и существенно варьирует в
зависимости от типа клеток или мембран
(см. с. 218).
Компоненты мембран удерживаются не­
ковалентными связями (см. с. 12 ), вследст­
вие чего они обладают лишь относительной
подвижностью, т. е. могут диффундировать
в пределах липидного бислоя. Текучесть
мембран зависит от липидного состава и
температуры окружающей среды. С увели­
чением содержания ненасыщенных жирных
кислот текучесть возрастает, так как нали­
чие двойных связей способствует наруше­
нию полукристаллической мембранной
структуры. Подвижными являются и мемб­
ранные белки. Если белки не закреплены в
мембране, они «плавают» в липидном бис­
лое как в жидкости. Поэтому говорят, что
биомембраны имеют жидкостно-мозаичную
структуру.
В то время как «дрейф» в плоскости мем­
браны происходит достаточно легко, пере­
ход белков с внешней стороны мембраны на
внутреннюю («флип—флоп») невозможен, а
переход липидов происходит крайне редко.
Для «перескока» липидов необходимы спе­
циальные белки транслокаторы. Исключе­
ние составляет холестерин, который может
легко переходить с одной стороны мембра­
ны на другую.
Б. М е м б р а н н ы е л и п и д ы I
На рисунке схематически изображена био­
мембрана. В мембранах содержатся липиды
трех классов: фосфолипиды, холестерин и
гликолипиды. Наиболее важная группа, ф о­
с ф о л и п и д ы , включает фосфатидилхолин
(лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфа-
тидилсерин, фосфатидилинозит и сфингомиелин (см. с. 56). Х о л естерин присутству­
ет во внутриклеточных мембранах животных
клеток (за исключением внутренней мемб­
раны митохондрий). Гл иколипид ы входят в
состав многих мембран (например, во внеш­
ний слой плазматических мембран). В
состав гликолипидов входят углеводные
функциональные группы (см. с. 92), которые
ориентируются в водную фазу.
Липиды мембран представляю т собой
амфифильные молекулы с полярной гидро­
фильной головкой (голубого цвета) и непо­
лярным липофильным хвостом (желтого
цвета). В водной среде они агрегируют за
счет гидрофобных взаимодействий и вандерваальсовых сил (см. сс. 12, 34).
В . М е м б р а н н ы е б е л ки
Протеины могут связываться с мембраной
различным путем.
Интегральные мембранные белки имеют
трансмембранные спирализованные участ­
ки (домены), которые однократно или мно­
гократно пересекают липидный бислой. Та­
кие белки прочно связаны с липидным окру­
жением.
П ериф ерические м ем бранны е белки
удерживаются на мембране с помощью ли­
пидного «якоря» (см. с. 230) и связаны с дру­
гими компонентами мембраны; например,
они часта бывают ассоциированы с инте­
гральными мембранными белками.
У интегральных мембранных белков
фрагмент пептидной цепи, пересекающий
липидный бислой, обычно состоит из 2 1 -2 5
преимущественно гидрофобных ам инокис­
лот, которые образуют правую а-спираль с
6 или 7 витками (трансмембранная сп и ­
раль).
Д о п о л н и те л ьн а я инф орм ация
Белки клеточной поверхности и некоторые
липидные молекулы несут ковалентно свя­
занные углеводные компоненты, экспониро­
ванные на наружной стороне мембраны. Эти
гликопротеины и гликолипиды вместе с д о­
полнительными несвязанными гликопротеит
нами и полисахаридами образуют клеточ­
ную оболочку (гликокаликс) (см. с. 50).
217
Биомембраны: структура и функции
ч
1
внеклеточное
пространство
гликопротеин
олигосахарид
ф осф олипид
липидныи
бислой
гликолипид
периф ери­
ческий
м ем бран­
ный белок
цитоплазма
интегральньн/г
мембранный
белок
А. С труктура п л а зм а ти ч е с ко й м ем браны
гидрофильная
сторона
гидрофобная
область
гидрофильная
сторона
холестерин
ф осф олипид
Б .М е м б р а н н ы е л и п и д ы
олигосахарид
дисульфидный
мостик
трансмем­
бранный
участок
правозакру
ченной
а-спирали
периферический
мембранный белок
участок
связывания
сигнального
вещества
о
X К А XI Л
тУ т
свободные
ЗН-группы_
интегральный
мембранный
белок
канал образующий
белок
В. М е м б р а нн ы е б е л ки
липидныи якорь
I I
&
к
V
цитоплазма
218
Организация клетки. Биомембраны
Функции и состав биомембран
Наиболее важными мембранами в животных
клетках являются плазматическая мембра­
на, внутренняя и внешняя ядерные мембра­
ны, мембраны эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, внутренние и
внешние митохондриальные мембраны. Л изосомы, пероксисомы , различные везикулы
также отделены от цитоплазмы мембрана­
ми. Клетки растений содержат дополнитель­
но мембраны хлоропластов, лейкопластов и
вакуолей. Все мембраны полярны, т.е. сущ е­
ствует различие в составах внутреннего и
внешнего по отношению к цитоплазме слоев.
КвдйЯЙЯ
ВЦ
А. Ф у н кц и и б и о м е м б р а н •
Биомембраны и их составляющие выполня­
ют следующие функции:
1. Ограничение и обособление клеток и ор­
ганелл. О бособление клеток от межкле­
точной среды обеспечивается плазмати­
ческой мембраной, защищающей клетки
от механического и химического воздей­
ствий. Плазматическая мембрана обес­
печивает такж е сохранение разности
концентраций метаболитов и неоргани­
ческих ионов между внутриклеточной и
внешней средой.
2. Контролируемы й транспорт метаболи­
тов и ионов определяет внутреннюю сре­
ду, что существенно для гомеостаза, т.е
поддержания постоянной концентрации
метаболитов и неорганических ионов, и
других ф изиологических параметров.
Регулируемый и избирательный транс­
порт метаболитов и неорганических ио­
нов через поры и посредством перенос­
чиков (см. с. 214) становится возможным
благодаря обособлению клеток и орга­
нелл с помощью мембранных систем.
3. Восприятие внеклеточных сигналов и их
передача внутрь клетки (см . сс. 372,
374), а также инициация сигналов.
4. Ф ерментативный катализ. В мембранах
на границе между липидной и водной фа­
зами локализованы ферменты. Именно
здесь происходят реакции с неполярны­
ми субстратами. Примерами служат био­
синтез липидов и метаболизм неполяр­
ных ксенобиотиков (см. с. 308). В мемб­
ранах локализованы наиболее важные
реакции энергетического обмена, такие,
как окислительное ф осф орилирование
(дыхательная цепь, см. сс. 142, 220) и
фотосинтез (см. с. 130).
5. Контактное взаимодействие с межкле­
точным матриксом и взаимодействие с
другим и клетками при слиянии клеток и
образовании тканей.
6 . Заякоривание цитоскелета (см. с. 208),
обеспечивающее поддержание формы
клеток и органелл и клеточной подвиж­
ности.
Б. С остав б и о м е м б р а н I
Биомембраны состоят из липидов, белков
и углеводов (см. с. 218). Соотношение этих
компонентов варьирует от одной мембраны
к другой (слева на схеме). Главными компо­
нентами обычно являются белки, составля­
ющие около половины от массы мембраны.
Углеводы найдены только во внешнем слое;
они составляют всего несколько процентов
от массы мембраны. Примером необычного
состава служит миелин оболочки нервных
клеток, который на три четверти представ­
лен липидами. Напротив, для внутренней
мембраны митохондрий характерны низкое
содержание липидов и высокий уровень
белков.
Более детальный анализ состава липи­
дов в различных мембранах выявляет их
клеточную и тканевую специфичность. На
схеме справа показано разнообразие мем­
бранных липидов и их относительное со­
держание в различных мембранах. Видно,
что в количественном отношении преобла­
дают фосфолипиды, затем следуют глико­
липиды и холестерин. Триацилглицерины
(нейтральные жиры) в мембранах не обна­
ружены. Холестерин найден почти исключи­
тельно в эукариотических клетках. М ембра­
ны животных клеток содержат холестерина
гораздо больше, чем мембраны растений, в
которых холестерин обычно заменен други­
ми стеринами. У прокариот за несколькими
исклю чениями вообщ е нет холестерина.
Внутренняя митохондриальная мембрана
эукариот также почти полностью лишена хо­
лестерина.
Функции и состав биомембран
219
о
”Ч
1
А+В
А V
с+о
•V
со
О 4'
°
О О
контроли­
отделение
клетки от
руемый
внешней
транспорт
среды
А .Ф у н кц и и м е м б р ан
рецепция и
передача
сигналов
ф ермента­
тивная
реакция
межкле­
точные
контакты
заякоривание
цитоскелета
соотнош ение различных липидов
компоненты мембран
/
плазматическая мембрана
нервной клетки
плазматическая мембрана
эритроцитов
к г:
о
с
плазматическая мембрана
гепатоцитов
внутренняя мембрана
митохондрия
липиды
углеводы
белки
Б. С остав м е м б р а н
фосфолипиды А
кардиолипин
обе мембраны
(внешняя + внутренняя)
фосфатидилхолин
фосфатидилгликолипиды
серин
фосфатидилхолестерин
этаноламин
сфингомиелин |
[ прочие
липиды
220
Организация клетки. Биомембраны
Транспортные процессы
А. П р о н и ц а е м о сть б и о м е м б р а н •
Низкомолекулярные нейтральные вещества,
такие, как газы, вода, аммиак, глицерин и мо­
чевина, свободно диффундируют через био­
мембраны. Однако с увеличением размера
молекулы теряют способность проникать че­
рез биомембраны. К примеру, биомембраны
непроницаемы для глюкозы и других сахаров.
Проницаемость биомембран зависит также
от полярности веществ. Неполярные вещест­
ва, такие, как бензол, этанол, диэтиловый
эфир и многие наркотики, способны легко
проходить через биомембраны в результате
диффузии. Напротив, для гидрофильных, осо­
бенно заряженных молекул, биомембраны не­
проницаемы. Перенос таких веществ осуще­
ствляется специализированными транспорт­
ными белками (см. ниже и с. 222 ).
Б. П а ссивны й и а кти вн ы й
тр а н с п о р т I
Простейшей формой транспорта через био­
мембраны является свободная диф ф узия
(облегченная диффузия). Она часто облегча­
ется определенными мембранными белками,
которые можно разделить на две группы:
1. Канальные белки образуют в биомемб­
ранах заполненные водой поры, проницае­
мые для определенных ионов. Например,
имеются специфические ионные каналы для
ионов Ма+, К+, Са2+ и СГ (см. с. 340).
2. В отличие от ионных каналов транс­
портны е белки избирательно связывают
молекулы субстрата и за счет конформационных изменений переносят их через мембра­
ну. В этом отношении транспортные белки
(белки-переносчики, пермеазы) похожи на
ферменты. Единственное различие состоит в
том, что они «катализируют» направленный
транспорт, а не ферментативную реакцию.
Они проявляют специф ичность - иногда
фупповую - к субстратам, подлежащим пе­
реносу. Кроме того, для них характерны оп­
ределенное сродство, выражаемое в виде
константы диссоциации К<1 и максимальная
транспортная способность V (см. с. 96).
Свободная диффузия и транспортные про­
цессы, обеспечиваемые ионными каналами и
переносчиками, осуществляются по градиен­
ту концентрации или градиенту электриче­
ского заряда (называемым вместе электро­
химическим градиентом). Такие механизмы
транспорта классифицируются как «пассив­
ный транспорт». Например, по такому меха­
низму в клетки поступает глюкоза из крови,
где ее концентрация гораздо выше.
В противоположность этому механизму
активный транспорт идет против градиента
концентрации или заряда, поэтому активный
транспорт требует притока дополнительной
энергии, которая обычно обеспечивается за
счет гидролиза АТФ (см. с. 126). Некоторые
транспортные процессы осуществляются за
счет гидролиза других макроэргических со­
единений, таких, например, как фосфоенолпируват, или за счет энергии света.
Активный перенос может сочетаться с дру­
гим, спонтанно идущим транспортным про­
цессом (так называемый вторичный актив­
ный транспорт). Так, к примеру, происходит в
эпителиальных клетках кишечника и почек,
где глюкоза переносится против концентра­
ционного градиента за счет того, что одно­
временно с глюкозой из просвета кишечника
и первичной мочи переносятся ионы Ма+.
Здесь движущей силой для транспорта глю­
козы является градиент концентрации ионов
(см. с. 320).
С помощью транспортных систем осуще­
ствляется регуляция объема клеток, величи­
ны рН и ионного состава цитоплазмы. Благо­
даря транспортным системам клетки накап­
ливают метаболиты, важные для обеспече­
ния энергетического цикла и метаболических
процессов, а также выводят в окружающую
среду токсические вещества. Транспортные
системы обеспечивают поддержание ионных
градиентов, существенно важных для окис­
лительного фосфорилирования и стимуля­
ции мышечных и нервных клеток (см. с. 340).
В. Т ранспортны е п р о ц е ссы I
Активный транспорт может идти по механиз­
му унипорта (облегченной диффузии), сог­
ласно которому только одно вещество пере­
носится через биомембрану в одном направ­
лении с помощью канальных или транспорт­
ных белков (например, транспорт глюкозы в
клетках печени). Активный транспорт может
протекать по механизму сопряженного пере­
носа (симпорт, сопряженный транспорт), ко­
гда два вещества переносятся одновременно
в одном направлении как, например, транс­
порт аминокислот или глюкозы вместе с ио­
нами натрия в кишечных эпителиальных клет­
ках, либо в противоположном направлении
(антипорт, обменная диффузия), как, напри­
мер, обмен ионов НСОз" на СГ в мембране
эритроцитов.
Транспортные процессы
М а л ы е м о л е ку л ы
непслвяр- 0 2, N2
—
ные \
бензол
полярные,
незаряженные
Н20 ,
мочевина,
глицерин, —
С02 ,N 43
Э лектрохим ичесш й градиент
градиент заряда
свободная
диффузия
высокая
концентрация
низкая
концентрация
свободная
диффузия
каналообра
зующий
белок
Б о л е е кр у п н ы е
м о л е ку л ы
полярные,
незаряженные
(например, глюкоза)
И оны
..€> М„© IУ®
221
канал
пассивный
транспорт
не прони­
кают через
мембрану
аминокислоты
нуклеотиды
переносчик
( облегченная
А диффузия
изменение
конформа­
ции
А . П р о н и ц а е м о с ть м е м б р а н
глюкоза
Унипорт
глюкоза
транспортная
АТР-фаза
С импорт
изменение
конформа­
ции
Антипорт
В .Т р а н с п о р тн ы е п р о ц е с с ы
Б. П а с с и в н ы й и а кт и в н ы й т р а н с п о р т
активный
транспорт
222
Организация клетки. Биомембраны
Транспортные белки
А. П орин I
Бактерии имеют одну, но достаточно сложно
устроенную клеточную стенку. Плазматиче­
ская мембрана грамотрицательных бактерий
защищена от внешней среды сетью пептидогликанов (муреин, см. с. 46) и дополни­
тельной наружной мембраной. Метаболиты,
которые бактериальной клетке необходимо
абсорбировать или высвободить, должны
иметь возможность без труда пересекать на­
ружную мембрану. Для обеспечения процес­
са переноса у бактерий имеются трансмемб­
ранные каналообразующ ие белки, так назы­
ваемые порины . Эти белки-тримеры обра­
зуют поры, заполненные водой и проницае­
мые для молекул с молекулярной массой до
600 Да (облегченная или опосредованная
диф ф узия). В высших организмах пориноподобные белки найдены в мембранах мито­
хондрий и хлоропластов.
На рисунке справа показана структура
тримера порина, находящегося в наружной
мембране бактерии ЯЬосЗорзеиботопаз
ЫазИса.
Б. П е р е н о сч и к гл ю ко зы I
Как описано на с. 220, захват глюкозы клет­
ками обычно является опосредованным про­
цессом. Сначала глюкоза связывается с п е ­
р е н о сч и ко м гл ю ко зы [ГЛУТ (С Ш Т )], лока­
лизованным в клеточной мембране. Пере­
нос глюкозы через мембрану обеспечивает­
ся за счет изменения конформации молеку­
лы переносчика.
Для многочисленных мембранных белков
известна лишь последовательность амино­
кислот, но не трехмерная структура. Из-за
трудностей кристаллизации мембранных
белков к настоящ ему времени известны
трехмерные структуры только некоторых из
них (см., например, схему А и с. 216). Здесь
приведена структура переносчика глюкозы,
содержащего 12 трансмембранных а-спиральных фрагментов (см. с. 216) и один оли­
госахарид, ориентированный в окружающую
среду.
Переносчики глюкозы представляют со­
бой семейство структурно близких мемб­
ранных белков с различными функциями.
ГЛУТ-1 и ГЛУТ-3 имеют высокое сродство к
глюкозе (Ка около 1 мМ). Они обнаружены
почти во всех клетках, где обеспечивают по­
стоянное поступление глюкозы. ГЛУТ-2 най­
ден в клетках печени и поджелудочной желе­
зы. Этот переносчик обладает гораздо
меньшим сродством к глю козе (Ко 15-20
мМ). Это означает, что связывание глюкозы
ГЛУТ-2 пропорционально концентрации
глюкозы в крови. ГЛУТ-4 с
около 5 мМ
найден в плазматической мембране мышеч­
ных и жировых клеток. Гормон инсулин вы­
зывает увеличение количества молекул
ГЛУТ-4 на поверхности клетки и таким обра­
зом стимулирует поступление глюкозы в эти
ткани. ГЛУТ-5 синтезируется клетками ки­
шечного эпителия. Этот переносчик обеспе­
чивает симпорт глюкозы с ионами Ма* (см.
с. 2 2 0 ).
В . Ыа+/ К +-о б м е н и в а ю щ и е
А Т Ф -а зы I
АТФ-азные (АТР-азные) системы, транспор­
тирующие ионы К+ и Ма+ относятся к группе
транспортны х белков. Они осущ ествляют
АТФ-зависимый активный транспорт через
мембраны против концентрационного гра­
диента. Имеется множество различных АТФаз, способных транспортировать различные
вещества от неорганических катионов (ион­
ные насосы) до пептидов (пептидные насо­
сы) и неполярных соединений (например,
переносчики лекарственных веществ или
белки, обеспечивающие множественную ле­
карственную устойчивость). Во всех клетках
имеются ионные насосы (ионтранспортирующие АТФ-азы), осуществляющие постоян­
ный перенос таких катионов, как Н+ и Иа+, К+
и Са2+, что существенно важно для поддер­
жания электрохимического градиента (см. с.
220).
На схеме показана Ма+/К +-о б м е н и в а ю щая А Т Ф -аза, которая найдена в плазмати­
ческой мембране практически всех живот­
ных клеток. Это мембранный гликопротеин,
состоящий из четырех субъединиц (агрг).
Цитоплазматическая область фермента уча­
ствует в реакционном цикле фосфорилирования/дефосфорилирования, принимая по­
переменно два конформационных состоя­
ния, ответственных за транспорт ионов. При
расходовании одной молекулы АТР из клет­
ки «выкачивается» три иона
в обмен на
поступающие два иона К+. Благодаря непре­
рывному функционированию этого «насоса»
обеспечивается поддержание неравновес­
ного распределения ионов Ыа+ и К+ между
цитоплазмой клетки и окружающей средой,
характерное для животных клеток (см. с.
340).
Транспортные белки
внешняя мембрана
пориновыи
трим ер
муреин
внутренняя
мембрана
перенссчикф
'
бактериальная периплазматическое
клетка
пространство
А . П орин
внеклеточное
пространство
пориновый трим ер (вид сверху)
трансмембранный
спиральныи
участок
олигосахарид
©ООО
ббобо
внутриклеточное
пространство
внутриклеточная петля
Б. П е р е н о с ч и к гл ю ко зы
М|г7
-активируемая АТР-аза 3.6.1.37
уабаин
сердечный
гликоэид
0
1. Структура
В. Ыа ^ /К
-о б м е н и в а ю щ а я А Т Р -аза
2. М еханизм
переноса
О
2 к®
3№ ®
обмен
224
Организация клетки. ЭР и аппарат Гольджи
Устройство и функционирование
эндоплазматического ретикулума
и аппарата Гольджи
Эндоплазматический ретикулум [ЭР (ЕР)]
протяженная замкнутая мембранная струк­
тура, построенная из сообщающихся труб­
кообразных полостей и мешочков, называе­
мых цистернами. В области ядра ЭР сооб­
щается с внешней ядерной мембраной. М е­
жду ш ероховаты м и гладким ЭР имеется
морфологическое различие: мембраны ше­
роховатого ЭР усеяны множеством рибо­
сом, в то время как гладкий ЭР не имеет свя­
занных рибосом.
А . Ш е р о хо ва ты й
э н д о п л а зм а ти ч е с ки й р е ти кул ум и
а п п а р а т Гольдж и I
Ш ероховаты й ЭР [Ш ЭР (гЕР)](1)
место
активного биосинтеза белков. Именно здесь
синтезируются белки, которые будут функ­
ционировать в составе мембран, лизосом
или секретироваться из клетки. Остальные
белки синтезируются в цитоплазме на рибо­
сомах, не связанных с мембранами ЭР.
Белки, синтезированные на шероховатом
ЭР (1), претерпевают посттрансляционные
модиф икации (созревание белков, см. с.
226). Они либо остаются внутри шероховато­
го ЭР в виде мембранных белков, либо
транспортирую тся с помощ ью везикул (2)
в аппарат Гольджи (3). Транспортные везику­
лы образуются почкованием мембран, а за­
тем исчезают, сливаясь с ними (см. с. 230).
Подобно ЭР, аппарат Гольджи (3) пред­
ставляет собой сложную сеть ограниченных
мембранами полостей, имеющ их форму
диска и являющихся местом созревания и
сортировки белков. Имеются ц и с-, пр ом е­
ж уточная и тр а н с-Г о л ь д ж и -о б л а сти и
гранс-Гольдж и-сеть. Посттрансляционная
модиф икация белков имеет место в разных
областях аппарата Гольджи.
Наконец, созревш ие (модиф ицирован­
ные) белки переносятся везикулами в раз­
личные отделы клетки, такие, как лизосомы
( 4 ), цитоплазматическая мембраны (6 ) или
секреторные пузырьки (5). Последние вы­
свобождают свое содержимое в межклеточ­
ное пространство, сливаясь с плазматиче­
ской мембраной (экзо ц и то з). Эти транс­
портные процессы могут быть конститутив­
ными, т.е. проходить постоянно, или регуля­
торными, т.е. управляться химическими сиг­
налами. Направленность процесса в первую
очередь зависит от сигнальной последова­
тельности синтезируем ого белка (см . с.
232).
Наряду с белками в аппарате Гольджи
осуществляется транспорт мембранных ли­
пидов.
Б. Г л а д ки й э н д о п л а зм а ти ч е с ки й
р е ти кул ум I
ЭР, не имеющий связанных рибосом, назы­
вается гладким эндоплазм атическим рети кул ум о м (ГЭР). Он занимает в клетке
сравнительно небольшой объем. Выражен­
ный ГЭР имеется в клетках с активным обме­
ном липидов, таких, как гепатоциты и клетки
Лейдига. Для ГЭР характерна замкнутая си­
стема разветвленных канальцев.
ГЭР принимает участие в синтезе л и п и ­
дов. Биосинтез осуществляется фермента­
ми, закрепленны ми на мембранах ГЭР.
Здесь локализован синтез фосфолипидов и
отдельные стадии синтеза холестерина (см.
с. 174). В ГЭР специализированных клеток
эндокринной системы протекают различные
стадии синтеза стероидных гормонов (см. с.
364). В ГЭР локализованы также процессы
метаболической трансф ормации ксенобио­
тиков (реакция 1, см. с. 308). В этих реакци­
ях принимает участие система цитохрома
Р450 (см. с. 310), которую считают основной
системой ГЭР.
ГЭР выполняет ф ункцию д е п о ионов
Са2+, поддерживаю щ его низкий уровень
Са2+ в цитоплазме. Эта функция более всего
свойственна саркоплазматическому ретикулуму, специализированной форме ГЭР мы­
шечных клеток (см. с. 326). В мембранах ГЭР
локализованы управляемые Са2+-каналы и
энергозависимые Са2+-насосы, а высокая
концентрация ионов Са2+ в цистернах под­
держивается при участии Са2+-связывающих белков.
Устройство и функционирование ЭР и аппарата Гольджи
М и ф о л о ги ч е с ки е
структуры
Биохимические
процессы
1. Транспорт по ЭР
2. Синтез белка и
мембранный пере­
нос, отщепление
сигнального пептида,
образование дисульфидных мостиков,
олигомеризация,
М-гликозилирование,
свертывание
1. гЕВ
2 . Транспортная
везикула —
3. Аппарат
Гольджи
цис,
промежу
точная
область,
транс,
транс-Гольджи сеть
^3
мембран­
ный белок
4. Лизосома
3. цис-область:
фосфорилирование
промежуточная
область:
отщепление сахаров,
присоединение
СНсМАс,
присоединение
Са! и №еиАс
фанс-Гольджи сеть:
сортировка
5. Секреторная
везикула
4. Гидролиз
макромолекул
5. Протеолиз
6 . Цитоплазматическая
мембрана _______
6 . Экзоцитоз
А .Ш е р о хо ва ты й э н д о п л а зм а ти ч е с ки й р е ти кул ум и аппа ра т Гольджи
ф осф олипид
холестерин
стероидный
гормон
депо кальция
-------
ксенобиотик
метаболит
Са2®
ферментные системы
липидного обмена
Б . Гпадкий э н д о п л а зм а ти ч е с ки й р е ти кул ум
226
Организация клетки. ЭР и аппарат Гольджи
Синтез белка и его созревание
А. С и н те з б е л ка в ш е р о хо ва то м
э н д о п л а зм а ти ч е с ко м р е ти ку л у м е I
Биосинтез белка [трансляция мРНК (тВ Ы А)]
всегда начинается в цитоплазме (1). Опре­
деленная последовательность из 15-60 ами­
нокислот в начале цепи, обозначаемая как
си гн а л ьн ы й п е пти д , указывает место син­
теза (см. с. 232). Если образующийся на ри­
босоме белок начинается с сигнального пеп­
тида (2 ), ориентирующего белок на шерохо­
ватый
эндоплазм атический
ретикулум
(ШЭР), с ним связывается рнк-содержащ ая
сигнал-узнающая частица 5ВР (англ. з‘|дпа1гесодпГСоп раПю!е) и трансляция временно
прерывается (3). 5РР связывает рибосому
посредством 5 Р Р -р е ц е п то р а с мембраной
ШЭР (4). Как только рибосома закрепится на
мембране, 5ВР-частица диссоциирует от
сигнального пептида и от З Н Р -рецептора
[при этом гидролизуется ГТФ (ОТР)], и на
рибосоме вновь начинается процесс транс­
ляции (5). Белковая цепь на рибосоме рас­
тет и, еще не свернувшись, проходит через
мембрану по каналу, называемому тр а н с ­
л о ко н о м , в просвет ШЭР (см. с. 230) (6).
Прохождение растущ его пептида через
мембрану может быть прервано соответст­
вующим стоп-сигналом (см. с. 232). В этом
случае пептид остается погруженны м в
мембрану и дает начало интегральном у
мембранному белку. В ходе белкового син­
теза возможно многократное прохождение
растущей цепи через мембрану и возобнов­
ление синтеза вновь при посредстве си г­
нального пептида. Образующийся по такому
механизму мембранный белок будет иметь
множество трансмембранных участков.
Б. М о д и ф и ка ц и я б е л ко в I
М о д и ф и ка ц и и в Ш ЭР. Превращение ли­
нейной немодиф ицированной пептидной
цепи в полноценный функциональный белок
(созревание) осуществляется в результате
многостадийного процесса, который начи­
нается сразу же после начала трансляции и
протекает в просвете ЭР.
Прежде всего соответствующая пептида­
за отщепляет сигнальный пептид (1). Ф ер­
мент узнает точку расщепления в составе
специфической N-концевой последователь­
ности белка.
Путем окисления боковых цепей цистеина
образуются дисульфидные мостики, пра­
вильность положения которых контролиру­
ется протеиндисульф ид-изомеразой (2 ).
Пептидилпролил-изомераза контролиру­
ет цис-транс-изомеризацию Х-Рго-связей в
синтезируемом пептиде (3).
Трансгликозидазы переносят олигосаха­
риды в блоке с д о л и хо л о м (длинноцепочеч­
ным изопреноидом) на определенные ос­
татки аспарагиновой кислоты в белке, тем
самым осущ ествляя N -гликозилирование
белка (4).
Гликозидазы «подстригают» олигосаха­
риды, отщепляя избыточные остатки глю ко­
зы и маннозы (5).
Для того чтобы растущая полипептидная
цепь могла свернуться необходимым обра­
зом, с еще линейным участком цепи вре­
менно связываются шапероны (6 ). Эти бел­
ки направляют процесс свертывания цепи
путем подавления нежелательных побочных
взаимодействий. Наиболее важным шапероном, присутствующим в просвете ШЭР,
является б е л о к связы вания (В1Р, от англ.
Ьтсйпд рго*ет). Когда вновь образованный
белок приобретает правильную вторичную и
третичную структуру и остатки глюкозы уда­
лены полностью, он с помощью транспорт­
ных везикул перемещается в аппарат Голь­
джи (см. с .230).
М о д и ф и ка ц и и в аппарате Гольдж и. В
аппарате Гольджи осуществляются следую­
щие ферментативные стадии модификации
белка: фосфорилирование (7) и отщепление
с последующ им переносом (перегруппи­
ровка) остатков сахаров с помощью гликозидаз и гликозилтрансф ераз (8). Эта моди­
фикация имеет целью образование специ­
фической олигосахаридной структуры в гли­
копротеинах.
Наконец, в секреторных пузырьках (вези­
кулах) отщепляется еще один пептид (9),
прежде чем содержимое секретируется по­
средством экзоцитоза. Это отщепление, ка­
тализируемое специфичными пептидазами,
выполняет функцию активации секретируемого белка. Например, отщепление С -пеп­
тида от неактивного проинсулина приводит
к образованию активного гормона инсулина
(см. с. 162).
Синтез белка и его созревание
тВ М А
8 ВР
начало
сигнальныи
пептид
трансляции
Ж.------
прерывает
трансляцию
сигнал-узнающая
частица (5ВР)
3.
транслокон
свободная рибосома
ООР+Р
связывание рйб'ОСомы
открывает канал
транслокона
цито­
плазма
« ш звоэооээ
Щ
1 л / :1 с а с с
Х О ЗЗвО О О ГХ Ж Э С М С Х Х ^р ^Д ^р О О О О О С О
1||1 > |1»|> 30
I
6-
5. просвет ЕВ
А. С интез б ел ка в ш е р о хо ва то м эн д о п л а зм а ти ч е ско м р е ти кул ум е
протеиндисульфид
изомераза
сигнал-пептидаза
1. Отщ епление сигнального пептида
пептидилпролил-изомеразы
образование *
образование
гранс-пептидной
цис-пептидной
связи
связи
3. И зомеризация Х-Рго-связей
2. Перестройка дисульфидных мостиков
долихол
оозоэоззе эшЕсхээзсеосоЕООО0!2вос©ооо!
ь
гликозилтрансфераза
4. Перенос олигосахаридов
гликозидазы
В|Р (шаперон)
линеиныи
участок цепи
5. Укорачивание олигосахаридов
протеинкиназы
7. Ф осф орилирование
Б. М о д и ф и кац и я б е л ко в
6 . Связывание с ш аперонами
гликозидазы,
гликозилтрансферазы
8 . М одиф икация олигосахаридов
228
Организация клетки. Лизосомы
Л изосомы
В. Б и о си н те з и тр а н с п о р т
л и зо с о м н ы х б е л ко в I
А . С тр уктур а и со ста в I
П ервичны е л и зо со м ы образуются в аппа­
Лизосомы — это органеллы диаметром 0.22 ,0 мкм, окруженные простой мембраной,
способные принимать самые разные фор­
мы. Обычно на клетку приходится несколько
сотен лизосом. Функция лизосом заключа­
ется в деградации клеточных компонентов.
Деградация достигается за счет присутст­
вия в лизосомах около 40 типов различных
расщепляющих ферментов — гидролаз с оп­
тимумом действия в кислой области. Глав­
ный фермент лизосом — кислая фосфатаза.
В мембране лизосом находятся АТФ -зависимые протонные насосы вакуольного ти­
па. Они обогащают лизосомы протонами,
вследствие чего для внутренней среды ли­
зосом характерен рН 4 ,5 -5 ,0 (в цитоплаз­
ме рН 7 ,0 -7 ,3 ). Лизосомные ферменты име­
ют оптимум рН около 5.0, т. е. в кислой
области. При рН. близких к нейтральным, ха­
рактерным для цитоплазмы, эти ферменты
обладают низкой активностью. Очевидно,
это служит механизмом защиты клеток от
самопереваривания в том случае, если лизосомный фермент случайно попадет в ци­
топлазму.
рате Гольджи.
Л и з о с о м н ы е б е л ки синтезирую тся в
ШЭР, где они гликозилируются путем пере­
носа олигосахаридных остатков ( 1 , см. с.
226). На последующей стадии, типичной для
лизосомных белков, терминальные маннозные остатки (Мап) фосфорилируются по С -6
(на схеме справа). Реакция протекает в две
стадии. Сначала на белок переносится
С!сЫАс- фосфат, а затем идет отщепление
01сЫАс. Таким образом, лизосомные белки в
процессе сортировки приобретают конце­
вой остаток м а н н о зо - 6 -ф осф ата (М ап-6 -Р,
Б. Ф у н кц и и I
Главная функция лизосом — ферментатив­
ная деградация попавших в них макромоле­
кул и органелл. Примером может служить
деградация отработавших митохондрий по
механизму аутоф агии (захвата органеллы)
(1). После захвата органеллы первичны е
л и зо с о м ы превращаются во вторичны е, в
которых и идет процесс гидролитического
расщепления (2). В итоге образуются «оста­
точны е тела», состоящие из негидролизовавшихся фрагментов. Лизосомы ответст­
венны также за деградацию макромолекул и
частиц, захваченных клетками путем эндоцитоза и ф агоцитоза, например липопротеинов, протеогормонов и бактерий (гетероф агия). В этом случае лизосомы сливаются
с э н д о с о м а м и (3). содержащими вещест­
ва, подлежащие деградации.
Ш
В мембранах аппарата Гольджи имеются
м о л е кул ы -р е ц е пто р ы , специф ичные для
М ап-6 -Р-остатков и за счет этого специф и­
чески узнающие и селективно связывающие
лизосомные белки (3). Локальное накопле­
ние этих белков происходит с помощью клатрина. Этот белок позволяет вырезать и
транспортировать подходящие мембранные
фрагменты в составе транспортных везикул
к эн д о л и зо со м а м (4), которые затем со ­
зревают с образованием первичны х л и з о ­
со м (5). В заключение от М ап-6 -Р отщепля­
ется фосфатная группа ( 6 ).
М ап-6-Р -рецепторы использую тся вто­
рично в процессе рецикла. Снижение рН в
эндолизосомах приводит к диссоциации
белков от рецепторов (7). Затем рецепторы
с помощью транспортных везикул перено­
сятся обратно в аппарат Гольджи ( 8 ).
Некоторые редко встречающиеся заболе­
вания связаны с генетическими дефектами
лизосомных ферментов, так как эти фер­
менты участвуют в деградации гликргена
(гликогенозы ), липидов (липидозы ) и проте­
огликанов (мукополисахаридозы ). Продук­
ты, которые не могут участвовать в метабо­
лизме из-за дефектов или отсутствия соот­
ветствующих ферментов, накапливаются в
остаточных телах, что приводит к необрати­
мому повреждению клеток и как результат к
нарушению функций соответствующих орга­
нов.
Лизосомы
отработавшая
митохондрия
%'оло 40 различных гидролаз
сЧ. птимумом рН в кислой области
229
ферментативная
деградация
вторичная
лизосома
лизосома
рН 4,5-5,0
кислые
гидролазы
нуклеазы,
протеиназы,
гликозидазы,
липазы,
ф осф атазыД
сульфатазы,
фосфолипазы
первичная
лизосома
остаточное
тело
эндосома
вторичная
лизосома
везикула
макро­
молекулы
частицы л
цитоплазма
рН 7.0 -7,3
клетка
эндоцитоз
или фагоцитоз
1— ГрУр) ©
Б. Ф у н кц и и
А. С труктура и со ста в
н - остаток
глико­
протеина
гЕн
биосинтез
белков,
манноза
1М-ГЛИКОЗИ-
лирование
цисГольджи
аппарат
фосфорилирование
Рецептор
транспорт
не идет в
отсутствие
Мап-6-(р)
Гольджисеть
связывание
Мап-6 -® рецептора,
сортировка,
почкование,
везикулярный
транспорт
эндолизосома
закисление,
диссоциация
комплекса
рецепторбелок
снижение рН,
изменение
конформации
РХР)-01сМАс
транс -
бИсЫАсчРЬо-СН
Конъюгат
Мап-6 -(р )+ лизосбм
ный белок
01еЫАс
Первичная
лизосома
отщепление
фосфатов
61сМАс-фосфотрансфераза 2.7.8.17
(з1сЫАс-фосфогликозидаза 3.1.4.45
I. Б и о си н те з и тр а н сп о р т л и зо со м н ы х б ел ков
230
Организация клетки. Внутриклеточный транспорт
Т р а н с л о ка ц и я б е л ко в . Ш а п е р о н ы
А.
Т р а н сл о ка ц и я б е л ко в I
Перенос белков через биомембраны осущ е­
ствляется специальными транспортны ми
системами.
1. Пориновый ко м пл е кс. Из цитоплазмы
в ядро (см. с. 2 1 0 ) белки попадают через
крупный (125000 кДа) заполненный водой
пориновый ком плекс. Транспорт белков че­
рез комплекс энергозависим и поэтому мо­
жет регулироваться. Ядерные белки несут
одну или несколько сигнальных последова­
тельностей (см. с. 232), с помощью которых
они связываются с пориновым комплексом и
импортирую тся с сохранением третичной
структуры.
2. П ереносчики белков. Импорт белков
из цитоплазмы в органеллы осуществляется
белками-переносчиками, которые предста­
вляют собой белковые комплексы, перено­
сящие линейные полипептиды через био­
мембраны энергозависимым образом. Спе­
циф ичность процесса обеспечивается за
счет связывания сигнальной последователь­
ности (см. с. 232) с ближайшим рецептором
(на схеме не приведен). Процессы развер­
тывания и вторичной укладки белков контро­
лируются ш аперонами.
3 . В езикулярны й транспорт. Перенос
белков от одних органелл к другим происхо­
дит с помощью везикул. Везикулы отпочко­
вываются от мембран одной органеллы, а
затем исчезают, сливаясь с мембраной дру­
гой органеллы. Белки переносятся в полости
пузырька или в составе мембран подобно
интегральным белкам.
Б. Ш апероны I
Пептидная цепь, растущ ая в процессе
трансляции, принимает вторичную и третич­
ную структуру (см. с. 80) в результате слож­
ного многоступенчатого процесса, идущего
во времени. Для образования правильной
структуры с еще несвернувшейся пептидной
цепочкой связываются специальные белки
— ш апероны . Шапероны обладают сродст­
вом к экспонированным гидрофобным уча­
сткам полипептидной цепи. Связывание с
шаперонами препятствует агрегации с дру­
гими белками и тем самым создает условия
для нормального сворачивания растущего
пептида. Взаимодействие с шаперонами —
процесс энергозависимый: при освобожде­
нии шаперонов гидролизуется АТФ (АТР).
Шапероны принадлежат к трем белковым
семействам, так называемым белкам тепло­
вого шока (ИзрбО, Изр70, Изр90). Свое на­
звание эти белки получили потому, что их
синтез возрастает при повышении темпера­
туры и других формах стресса. При этом они
выполняют функцию защиты белков клетки
от денатурации. Белки — представители се­
мейства ЪзрТО — связываются на начальной
фазе образования растущего пептида. Одни
из них контролируют процесс сворачивания
белка в цитоплазме, другие — участвуют в
переносе белков в митохондрии. Белки
ЬзрбО охватывают синтезированный поли­
пептид наподобие бочонка, тем самым
обеспечивая условия для принятия пра­
вильной конформации.
В . З а я ко р и в а н и е б е л ко в
в м ем бранах О
Белки, синтезируемые в ШЭР и несущие
«стоп-транспорт-сигнал» (см. с. 226, 232),
остаются в мембране ШЭР и закрепляются
там за счет гидрофобных взаимодействий в
качестве интегральных мембранных белков
(см. с. 216). Ф иксация белка в мембране
может быть также осуществлена путем при­
соединения липоф ильного якоря. Такие
периф ерические мембранные белки (см. с.
216) присоединяют липиды во время или
сразу после трансляции. Соответствующий
сигнал обычно содержится в белке в форме
специф ической пептидной последователь­
ности.
Мембранными якорями являются жирные
кислоты (ацильные остатки, см. с. 54) или
изопреноиды (пренильный остаток, см. с.
58). Белки могут быть ацилированы паль­
м итиновой (С 1б) ИЛИ м иристиновой (С 14)
кислотам и, пренилированы путем связыва­
ния с ф арнезолом (С 1 5 ) или геранилгераниолом (Сго)Некоторые белки несут на С-конце гл и ко зилированны й ф осф атидилинозит [ГФИ
(6Р1)]. В эту группу входят многие адгезион­
ные молекулы (например, Ы-САМ, гепаринсульф атпротеогликан), ряд мембранных
ферментов, таких, как щелочная фосфатаза,
ацетилхолинэстераза и различные протеи­
назы.
Трамслокация белков. Ш апероны
транспорт через ядерную пору
цитоплазма
»оро
231
транс локация
цитоплазма
<
(3
Ц цито1: плазма 1 .
Iядерная пора !
Ей
В*
перокси
сома
митохондрии
проход
палтида
везикулярный транспорт
Гольджи
__________ №
лизо­
сомы
клеточная
переносних
^ мембрана
секретная везикула
рецептор
А .Т р аи сл ока ц ия б ел ков
несвернутая
полипептидная цепь
рибосом а
АОР
ЬзрбО-шаперон
Нзр70ш аперон *
о -
ИзрбО
АТР АОР
4
непра­
вильно
свернутый
пептид
растущий
пептид
Б. Ш апероны
связывание с шапероном обеспе­
связывание
чивает правильное сворачивание
с шапероном
полипептидной цепи
защищает от
контактов
с другими правильно
протеолиз
белками
свернутый пептид
СООН
СООН
активированный
см2он
липид
белок
перифери- |
ческий
мембранный |
белок
Ш И
N-ацетилглюкозамин
инозит
манноза
галактоза
этаноламин
-о
о© о@ оо<
липидны й якорь:
мирис- ' фарнезол
типовая пальм и кислота типовая
кислота
I пальмитиновая кислота,
миристиновая кислота,
I фарнезол,
I
| геранилгераниол
|
В. З а я ко р и в а н и е б ел ков в м ем бране
гликозилированный
фосфатидилИНОЗИТ ((ЗР!) I ,
0Р1-якорь
Сортировка белков
А. Т р а н сп о р т б е л ко в I
Биосинтез белков начинается на свободных
рибосомах (на схеме вверху). Однако вскоре
пути синтезируемых белков расходятся в со­
ответствии с их функцией: белки, несущие
на 1Ч-конце сигнальный пептид для ЭР (1),
проходят через секреторный путь (на схеме
справа), а прочие белки, не имеющие этой
сигнальной последовательности, следуют
по цитоплазм атическом у пути (на схеме
слева).
С екреторны й путь. Рибосомы, синтези­
рующие белок с сигнальной для ШЭР после­
довательностью, связаны с мембраной эндоплазматического ретикулума (см. с. 226).
Растущая пептидная цепь направляется че­
рез мембрану в просвет ШЭР. Последующий
путь растущей цепи определяется наличием
соответствую щ его си гн а л ьн о го пептида
или сигнального участка.
Белки, имеющие в растущей цепи специ­
альную стоп-сигнальную последователь­
ность (4), остаются в мембране ШЭР в каче­
стве интегрального мембранного белка. По
механизму везикулярного транспорта они
могут быть перенесены из ШЭР на другие
органеллы (см. с. 226).
Белки, попавшие в просвет ШЭР, транс­
портирую тся обычным путем в аппарат
Гольджи и далее в плазматическую мембра­
ну. Белки, которые остаются в ШЭР, напри­
мер ферменты модификации белков, воз­
вращаются из аппарата Гольджи в ШЭР с по­
мощью сигнала возврата (2). Прочие белки
из аппарата Гольджи попадают в лизосомы
(3 , см. с. 228) или в плазматическую мемб­
рану (в качестве интегральных мембранных
белков или продуктов конститутивного экзоцитоза), либо транспортируются секретор­
ными везикулами (8 ) в межклеточное про­
странство (9; регулируемый экзоцитоз).
Ц и то п л а зм а ти ч е с ки й п уть. Белки, не
имеющие сигнального пептида для Ш ЭР,
синтезируются в цитоплазме на свободных
рибосомах и остаются в этом отделе клетки.
Для последующего транспорта в митохонд­
рии (5), ядро (6 ) или пероксисомы (7) белки
должны иметь специальные сигнальные пос­
ледовательности .
Б. С игналы для с о р ти р о в ки
б е л ко в I
Сигнальные пептиды — это короткие уча­
стки, расположенные на 14- и С-концах, реже
— в центральной части полипептидной цепи.
Эти фрагменты имеют характерные ф изико­
химические свойства, такие, как гидрофоб­
ный характер, наличие положительного или
отрицательного заряда, более важные в
функциональном отношении, чем аминокис­
лотная последовательность.
Сигнальные участки представляют со­
бой трехмерные структуры на поверхности
белка, составленные из различных ф раг­
ментов одной и той же или нескольких пеп­
тидных цепей. На схеме показаны некоторые
из известных сигнальных последовательно­
стей и сигнальных участков. Последователь­
ности даны с использованием однобуквен­
ного кода для аминокислот (см. с. 6 6 ). На­
пример, последовательность КРЕ1.-СОО( 2 ) определяет сродство белка к мембране
ШЭР.
,
| §
Сигнальные пептиды (участки) —* это
структурные сигналы, которые могут быть
прочитаны клеткой двумя способами. Обыч­
но они узнаются и связываются рецептора­
ми, локализованными в мембранах орга­
нелл. Затем рецепторы при участии белковпосредников переносят связанные белки
энергозависимым образом через мембраны
в соответствующие органеллы, обеспечивая
селективность переноса. Кроме того, си г­
нальные последовательности могут служить
местами узнавания для ф ерментов, которые
модифицируют белки, существенно изм е­
няя их свойства и дальнейшую судьбу. В ка­
честве примера можно привести белки ли­
зосом (см. с. 228) или мембранные белки с
липидным якорем (см. с. 230).
Сигнальные пептиды, расположенные на
М- или С-концах полипептидной цепи, после
выполнения своей функции удаляются спе­
цифичными гидролазами. На схеме эти фер­
менты показаны в виде ножниц. При наличии
в белке нескольких сигнальных последова­
тельностей они удаляются поочередно. Это
имеет место, например, в случае импорта
белков в митохондрии и хлоропласты, когда
большинству белков приходится последова­
тельно проходить через несколько мембран.
Сортировка белков
Ц и то п л а зм а ти ч е ски й путь
С екреторны й путь
рибосом а
КРЕЬ
белок
рециркуляция
цитоплазма
рециркуляция
аппарат Гольджи
рецептор
пероксисома
митохондрия
везикула
лизосома
ядро
клеточная мембрана
А. Т р анспо р т б е л ко в
сигнальный
пептид
секретор­
ного пути
★ не требует сигнала
а-спираль из
10-15 гидрофобных
аминокислот
основные
аминокислоты
& сигнальный
пептид
ЭР-белков
место действия
сигнал-пептидазы
С-конец цепи
амфифильная
а-спираль или
р-складчатый лист
сигнальныи
пептид
ядерных
белков
КОЕЬСОО0
С-конец
сигнальныи
пептид
белков
пероксисом
3 сигнальная
Группа
лизосомны х
белков
I/
маннозо-6 -фосфат
» стоп-транспортный сигнальный
пептид м ем бранНЫХ белков
.-«т..
сигнапьныи
пептид
митохондри
альных п
белков
одд
*
_____ / \
неполярная
последовательность
Б. С игналы д л я с о р ти р о в ки б ел ков
5КР-СОО©
сигнальныи
пептид белков
секреторной
везикулы
гормон
сигнал
для запуска
экзоцитоза
вторичныи
мессенджер
неиромедиатор
234
Молекулярная генетика
М о л е кул я р н а я ге н е ти ка :
о б щ и е св е д е н и я
В хранении, передаче и преобразовании ге­
нетической информации центральное место
занимают нукл е иновы е ки сл о ты . Решаю­
щим фактором при этом является способ­
ность нуклеиновых оснований к специфиче­
ском у (ком плем ентарном у) с п а р и в а н и ю
(см. с. 90). (Эти процессы более детально
рассматриваются в следующих разделах.)
ем ге т е р о ге н н о й я д е р н о й РН К [гяРНК
(ИпВЫА)], т. е. последовательность этой
РНК ком плем ентарна кодирую щ ей цепи
Д Н К (3; см. с. 90). Поскольку в РНК вместо
тимина содержится урацил (см. с. 8 6 ), ААО
триплет ДНК трансф ормируется в Ш С -к о -
дон гяРНК.
С озревание РНК. У эукариот гяРНК, пре­
жде, чем покинуть ядро в виде м атричной
РНК (мРНК, 4), претерпевает существенные
изменения: из молекулы вырезаются избы­
точные (некодирующие) участки (интроны),
а оба конца транскриптов модифицируются
А. Р е а л и за ц и я и перед ача
путем присоединения дополнительных нук­
ге н е ти ч е с ко й и н ф о р м а ц и и •
леотидов (см. с. 242).
Т р а н сл яц и я. Зрелая мРНК попадает в
Х ранение инф о р м ац ии . Генетическая ин­
цитоплазму и связывается с р и б о со м а м и ,
формация закодирована в последователь­
преобразующими полученную информацию
ности нуклеотидов ДНК (ОЫА), организован­
в аминокислотную последовательность. Ри­
ных в функциональные участки, называемые
босомы (см. с. 246) - это рибонуклеопротеге на м и. [РНК (ВЫА) как носитель генетиче­
идные комплексы, включающие несколько
ской информации используется только не­
десятков белков и несколько молекул рибокоторыми вирусами.] Участки ДНК кодируют
сомной РНК [рРНК (гВМА), см. с. 88 ]. Рибо­
белки, т. е. они содержат информацию об
сомные РНК выполняют функцию структур­
аминокислотной последовательности бел­
ного элемента рибосом, а также принимают
ков. Каждый остаток представлен в ДНК сво­
участие в связывании мРНК и образовании
им кодовым словом (ко д о н о м ), состоящим
пептидных
связей.
из трех следующих друг за другом основа­
Механизм преобразования генетической
ний. Так, Д Н К-кодон для фенилаланина
инф ормации основан на взаимодействии
представлен тринуклеотидом ТТС (2). На
кодонов мРНК с тр а н сп о р тн о й РНК [тРНК
уровне ДНК кодоны образуют ее некодирую ­
(ШЫА), см. с. 88 ], которая переносит на ри­
щую цепь [последовательность нуклеотидов
босому аминокислоты, связанные с 3 -ко н­
которой соответствует последовательности
цом тРНК, в соответствии с информацией,
мРНК (тВ Ы А )] (см. с. 90).
закодированной в мРНК. Примерно в сере­
Р е пл ика ци я. Во время деления клеток
дине цепи тРНК расположен триплет (напри­
генетическая информация должна перейти в
мер, 6АА), называемый антикодоном и ком ­
дочерние клетки. Для достижения этого вся
плементарный соответствующему кодону в
ДНК клетки копируется в процессе р е п л и ­
мРНК. Если транслируется кодон Ш С , то с
ка ц и и во время 5 -фазы клеточного цикла
ним взаимодействует антикодон в составе
(см. с. 380), при этом каждая ее цепь служит
РНе-тРНК (5), несущей на З'-конце остаток
матрицей для синтеза комплементарной по­
фенилаланина. Таким образом , остаток
следовательности (1, см. с. 238).
аминокислоты занимает положение, в кото­
Транскрипция. Для экспрессии гена, т.е.
ром на него может быть перенесена расту­
синтеза закодированных в нем белков, пос­
щая полипептидная цепь, связанная с с о ­
ледовательность нуклеотидов кодирующей
седней
тРНК
(
6
).
цепи ДНК должна быть трансформирована в
А кти в а ц и я а м и н о ки с л о т. Прежде чем
аминокислотную последовательность. Пос­
связаться с рибосомой, транспортные РНК
кольку ДНК не принимает непосредственно­
присоединяют соответствующую аминокис­
го участия в синтезе белка, информация,
лоту с помощью специф ического «узнающе­
хранящаяся в ядре, должна быть перенесена
го» фермента (7, схема на с. 244), обеспечи­
на рибосомы, где собственно и осуществля­
вающего точный перенос (трансляцию) ге­
ется биосинтез белков. Для этого соответст­
нетической информации с уровня нуклеино
вующий участок кодирующей цепи ДНК счи­
вых
кислот
на
уровень
белка.
тывается (транскрибируется) с образовани­
Молекулярная генетика: общие сведения
\
' гЧгт
5
некодирующ ая цепь
кодирующ ая цепь
ИпРЫД
ЯР
II
ОГ
Ч—1— 14
3'
Г
1
!
НЯР— 1 1
ИМА
А С_
П
1
с . |г— %•
п
1
т г
1 15'
кодирую щ ая цепь
РМА
тР Ы А
поли(А) - " х в о с т
5‘
? а ^ р и ^ ^ з С с р | р | у N с:— 1
©
И п Т Т Г Т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 "1В I I 1 1 1 1
Й
1Н
Г
1 | Т
^
Ц
Н
Г
У
* Н
кэп
трансляция 1
тР М А
5
^
N сгЦ N с
к
РНе-ШМА
А. Р еализация и перед ача ге н е ти ч е ско й инф орм ации
Н
Г
^
я
п~
Т
о
~ п 1
Г
Т
~
п
1
236
Молекулярная генетика
Геном
А. Х р о м а ти н I
В ядре эукариот (схема на с. 98) ДНК (ОЫА)
связана с белками и РНК. Треть нуклеопротеидного комплекса, называемго х р о м а ти ­
ном , составляет ДНК.
Хроматин можно видеть в оптический микроскоскоп только во время деления клеток
(см. с. 380), когда он находится в конденси­
рованном виде в составе хр о м о со м . Во
время интерфазы большая часть хроматина
неконденсирована. Морфологически разли­
чают эухр о м а ти н и ге те р о хр о м а ти н , кото­
рый более конденсирован, чем эухроматин.
Эухроматин соответствует участкам хромо­
сом с активной транскрипцией.
Белки хроматина подразделяются на ги с тон овы е и неги стоновы е . Гистоны (Б) —
небольшие, сильно основные белки, ассо­
циированные непосредственно с ДНК. Они
принимают участие в структурной организа­
ции хроматина, нейтрализуя за счет положи­
тельных зарядов аминокислотных остатков
отрицательно заряженные фосфатные груп­
пы ДНК, что делает возможной плотную упа­
ковку ДНК в ядре. Благодаря этому 46 моле­
кул ДНК диплоидного генома человека об­
щей длиной около 2 м, содержащих в сумме
6 Ю 9 пар оснований [п.о. (Ьр)], могут поме­
ститься в клеточном ядре диаметром всего
10 мкм.
' 9Щ 'а У
По две молекулы каждого из гистонов
Н2А, Н2В, НЗ и Н4 составляют октамер, об­
витый сегментом ДНК длиной 146 п.о., обра­
зующим 1,8 витка спирали поверх белковой
структуры. Эта частица диаметром 7 нм на­
зывается. н укл е о со м о й . Участок ДНК (линкерная ДНК), непосредственно не контакти­
рующий с ги сто н о в ы м о кта м е р о м , взаи­
модействует с гистоном Н 1 . Этот белок за­
крывает примерно 20 п.о. и обеспечивает
формирование суперспиральной структуры
(со л е н о и д а ) диаметром 30 нм. Когда хро­
матин конденсируется с образованием метафазной хромосомы, соленоидные струк­
туры образуют петли диаметром 200 нм, с о ­
держащие ДНК длиной 80000 п.о. Петли свя­
заны с остовом из белков (яд ерны й остов),
причем примерно 20 петель образуют мини­
диски. Большое число м и н и д и с ко в уклады­
вается в стопку, составляя хромосому.
Вследствие этого ДНК оказывается сверну­
та настолько плотно, что даже самая ма­
ленькая хромосома человека содержит око­
ло 50 млн п.о.
Группа н е ги сто н о в ы х б е л ко в высоко гетерогенна и включает структурные ядерные
белки, множество ф ерментов и ф акторов
транскрипции (см. с. 242), связанных с оп­
ределенными участками ДНК и осуществля­
ющих регуляцию генной экспрессии и дру­
гих процессов.
Б. Гистоны О
Гистоновые белки интересны со многих то­
чек зрения. Благодаря высокому содержа­
нию лизина и аргинина (на схеме синего
цвета) они, как уже упоминалось, проявляют
сильно основные свойства. Кроме того, пос­
ледовательность ам инокислот гистонов,
т. е. их первичная структура, мало измени­
лась в процессе эволюции. Это хорошо вид­
но при сравнении аминокислотной последо­
вательности гистонов млекопитающих, рас­
тений и дрожжей (см. с. 150). Так, Н4 чело­
века и пшеницы отличаются лишь несколь­
кими аминокислотами. К тому же размер
молекулы белка и ее полярность довольно
постоянны. Из этого можно заключить, что
гистоны были оптимизированы еще в эпоху
общ его предшественника животных, расте­
ний и грибов (более 700 млн лет назад). Хо­
тя с тех пор в гистоновых генах происходили
бесчисленные точковые мутации, все они,
очевидно, приводили к вымиранию мутант­
ных организмов.
Гистоны в октамере имеют подвижный Мконцевой фрагмент («хвост») из 20 амино­
кислот, который выступает из нуклеосомы
(А) и важен для поддержания структуры хро­
матина и контроля за генной экспрессией.
Так, например, формирование (конденса­
ция) хромосом связано с ф осф орилированием (Р) гистонов, а усиление транскрипции
— с ацилированием (А) в них остатков лизи­
на. Детали механизма регуляции до конца не
выяснены.
237
Геном
соленоид
ядерныи
скелет
200 нм
петли
30 нм
ОМА-двойная спираль
х р с 'м о с о м а |
нуклеосома
10 нм
/
/
!
молекула
гистона
I
I
2 нм
700 нм
’ вконец
+
+
2
146 п.о.
I
г^-
М-конец
гистоновы й октамер
РМА
(Н2А Н2В)2 (НЗ Н4)2
А. Х р ом атин
ацетилирование
10
Ж ивотные
Растения
Д рож ж и
*
3 О в е к 6 о к О Ь 6 к
с к о и о к
3 (3 в О к 6 о
О К С 1 6 К
3 6 в е к С 0
6
6
6
ЗР
а а 1 т к Р А I К В 1_ А
40
о с
а с
В В I. А В В О
I Т к Р А
А В В С
1 т: к Р А I В В
В
В
В
Н
Н
Н
в к V 1_ В О
в к V 1 В О
в к I Ь в й
50
V К в 11 3 С 1. 1 у Е
V К в 1 3 6 Ь 1
V
К
в
1
3
6
Ж ивотные
Растения
Д рож ж и
Ж ивотные
Растения
Д рож ж и
К д° V т А м О
К т V т А м О
к т V т 3 и 0
V у А
V у А
V у А
и
70
I В О А V т у Т Е н
А V т у т Е н
I В О 3 V т у т Е н
100
90
1_ К В О О В гТ
Т 1. у 6 Р 6
В Т |_ у О Р О
у О Р 6
1_ К В О С В т
60
с V 1_ | К V р I. Е N V
с V и К I р 1_ Е N V
К 5 р и Е 3 V
А V
Е т в
Е т в
Е V в
Б .Г истоны
метилирование
Р ф осф орилирование
й
а
Ж ивотные
Растения
Д рож жи
нуклеосома
гистон Н 1
аминокислотная последовательность гистона Н4
1
А
А
А
е
в
с
238
Молекулярная генетика
Репликация
А. М е ха н и зм д е й ств и я
Д Н К -п о л и м е р а зы О
Для передачи дочерним клеткам генетиче­
ской информации в процессе репликации
ДНК (ОЫА) должна быть создана копия гено­
ма. Репликация ДНК осуществляется Д Н Кзависимы ми Д Н К-полим еразам и. Эти фер­
менты используют в качестве шаблона одну
из цепей двойной спирали ДНК, так называ­
емую м а тр и ц у. На матрице, начиная с ко­
роткой стартовой
последовательности
(прайм ера), ферменты синтезируют комп­
лементарную цепь и воспроизводят в итоге
исходную двухтяжевую ДНК. Субстратами
ДНК-полимераз являются четыре дезоксирибонуклеотидтрифосфата: а д е н о зи н -, гу а н о зи н -, ти м и д и н - и ц и този н тр и ф о сф а ты . При каждом шаге синтеза ДНК происхо­
дит спаривание нуклеотида с соответствую­
щим азотистым основанием матричной це­
пи. Затем а-фосфатная группа связанного
нуклеотида подвергается нуклеоф ильной
атаке со стороны З'-ОН-группы предыдуще­
го нуклеотида. За этим следует удаление ди­
фосфата и образование новой фосфодиэфирной связи. Эти этапы повторяются сно­
ва и снова по мере движения ДН К-полиме­
разы от одного основания к следующему
вдоль матрицы. В соответствии с этим меха­
низмом матричная цепь ДНК считывается в
направлении 3'-->5'.
В большинстве клеток имеется несколько
ДНК-полимераз. Наряду с ферментами, ко­
торые осуществляют собственно реплика­
цию, сущ ествую т полимеразы , которые
включены в процессы репарации ДНК (см. с.
252) или реплицируют митохондриальную
ДНК эукариот. Большинство ДНК-полимераз
построены из множества субъединиц, роль
которых до конца не выяснена.
Б. Р е п л и ка ц и я в Е . с о Н I
В настоящее время процесс репликации у
прокариот достаточно изучен, в то время как
многие аспекты эукариотической реплика­
ции остаются неясными. Однако с большой
долей вероятности можно утверждать, что в
большинстве клеток этот процесс протекает
в основном одинаково. На схеме показана
простейшая схема репликации у бактерии
ЕзсЬепсЫа соЧ. В бактериях репликация на­
чинается со специфической точки в кольце­
вой ДНК (область начала р е п л и ка ц и и ) и
продолжается в обоих направлениях. В ре­
зультате образуются две р е п л и ка ти в н ы е
вилки, которые продвигаются в противопо­
ложных направлениях, т. е. обе цепи репли­
цируются одновременно. На схеме исходная
ДНК (1) окрашена в голубой и фиолетовый
цвета, а вновь синтезирующаяся — в розо­
вый и оранжевый. В функционировании каж­
дой вилки принимают участие множество
различных белков, из которых здесь указаны
наиболее важные.
Каждая репликативная вилка (2 ) включа­
ет по крайней мере две молекулы Д Н К -п о л и м е р а зы III, ассоциированные с несколь­
кими вспомогательными белками. К пос­
ледним относятся Д Н К-топоизом еразы (ги разы ), которые раскручивают плотно свер­
нутую двойную спираль ДНК, и хеликазы ,
которые расплетают двухтяжевую ДНК на
две цепи. Поскольку матричная цепь все­
гда читается в направлении 3 '—>5' (см. вы­
ше), только одна из цепей может считы ­
ваться непрерывно (розовая/ф иолетовая;
2). Другая цепь (голубого цвета) считыва­
ется в направлении, противополож ном
движению репликативной вилки. В резуль­
тате на матрице вначале синтезирую тся
короткие фрагменты новой цепи ДН К (зе­
леный/оранжевы й), так называемые ф р а г­
м е н ты О ка за ки (ОР), названные так по
имени их первооткрывателя. Каждый ф раг­
мент начинается с короткой РНК-затравки
(праймера, зеленого цвета), необходимой
для ф ункционирования ДН К-полимеразы .
Праймер синтезируется специальной РНКполим еразой («прайм аза», на схеме не по­
казана). Д Н К-полим ераза III достраивает
этот праймер до фрагмента ДН К длиной
1 0 0 0 -2 0 0 0 дезоксинуклеотидны х звеньев
(оранжевого цвета). Синтез этого ф рагмен­
та далее прерывается, и новый синтез на­
чинается со следую щ его РН К-праймера.
Индивидуальные фрагменты О казаки пер­
воначально не связаны друг с другом и все
еще имеют РНК на 5 '-концах (3). На некото­
ром расстоянии от репликативной вилки
Д Н К -п о л и м е р а з а I начинает замещ ать
РНК-праймер последовательностью ДН К. В
заверш ение остающ иеся одноцепочечные
разрывы репарирую тся Д Н К -л и га з о й . В
образованной таким образом двойной спи­
рали ДНК только одна из цепей синтезиро­
вана заново. Поэтому говорят, что реплика­
ция ДН К происходит по полуконсервативном у механизм у.
Репликация
матричная
цепь
матричная
цепь
вновь
синтезированная
цепь
ОМА-поли­
мераза
27.7.7
А . М е ха н и зм д е й ств и я Д Н К -п о л и м е р а зы
репликативная петля
вилка репликации
исходная цепь ОМА
новая цепь ОМА
ЯМА- праймер
вспомогательные белки
ОМА-хеликаза 5.99.1.2
ОМА-гираза 5.99.1.3
ОМА-полимераза II
2.7.7.7
и
фрагмент
Оказаки
3'
I
белки,
ассоцииро- движение вилки
> ванные с
репликации
одноцепо­
чечной ОМА
ОМА-полимераза I
2.7.7.7
ОМА-лигаза
6.5.1.1
^репликация полуконсервативна"]
Б. Р епл и кац и я в Е. с о //
239
240
Молекулярная генетика
Т р а н с кр и п ц и я
Для того чтобы хранящаяся в ДНК информа­
ция могла быть использована, ее необходи­
мо переписать (транскрибировать) в после­
довательность РНК. При этом ДНК служит
только матрицей, т. е. она не меняется в про­
цессе тр а н скр и п ц и и . Транскрибируемые
последовательности ДНК, т. е. участки ДНК,
которые кодируют определенные белки, на­
зываются генами. Установлено, что геном
млекопитающих содержит по крайней мере
50000 индивидуальных генов, которые вме­
сте составляют менее 20% суммарной ДНК
генома. Функция «избыточных» последова­
тельностей ДНК до конца не установлена.
А. Т р а н с кр и п ц и я и с о зр е в а н и е РНК:
о б щ и е св е д е н и я I
Транскрипция осуществляется Д Н К-зависимыми РН К-полимеразами. Они действуют
подобно ДНК-полимеразам (см. с. 238), за
исключением того, что включают во вновь
синтезируемую цепь РНК (РЫА) рибонуклеотиды вместо дезоксирибонуклеотидов и не
нуждаются в праймерах. Эукариотические
клетки обычно содержат по крайней мере
три различных типа РНК-полимераз. РНКполимераза I катализирует синтез РНК с ко ­
эф ф ициентом седим ентации 455 (см . с.
2 0 2 ), которая служит предш ественником
трех различных рибосомны х РНК (см. с.
246).
Р Н К-полим еразы II синтезирую т
гяРНК (ГтНЫА), которые служат предшест­
венниками мРНК (тВЫ А) и мяРНК (зпРМА)
(подробнее см. с. 242). Наконец, РНК-полимераза III транскрибирует гены, которые ко­
дируют тРНК (ШЫА), 55- рРНК (гРЫА) и неко­
торые мяРНК. Эти РНК служат предшествен­
никами функциональных РНК, которые обра­
зуются в процессе созревания РНК (см. с.
242). РНК-полимераза I! ингибируется ааманитином (ядом бледной поганки).
Б. С тр уктур а р -гл о б и н о в о го ге н а О
В качестве примера организации небольшо­
го эукариотического гена представлена схе­
ма гена, кодирующ его (3-цепь гемоглобина
(146 аминокислот). Этот ген состоит из бо­
лее чем 2000 п.о. (2 ты с.п.о.). Однако из них
только около 450 п.о. из них несут информа­
цию об аминокислотной последовательно­
сти р-глобина. Кроме трех кодирующих уча­
стков (экзонов), ген включает два некоди­
рующих (интроны , 11 и 12). На 5'-конце гена
располагается пром оторны й участок (ро­
зовы й
цвет) длиной
приблизительно
2 00 п.о., который имеет регуляторную функ­
цию (см. с. 242). Транскрипция начинается с
З'-конца промоторного участка и продолжа­
ется, пока не достигнет сайта полиаденилирования (см. ниже). Образующийся пер­
вичный транскрипт (гяРНК) р-глобинового
гена состоит из ~1600 п.о. Во время созре­
вания РНК некодирующие последовательно­
сти, соответствующие интронам, удаляются
и, кроме того, оба конца гяРНК модифи­
цируются. Зрелая р-глобиновая мРНК вклю­
чает в себе -4 0 % гяРНК и дополнительно 3'концевую последовательность из 100-200
АМ Ф (АМР) («поли-А-сегмент»; фрагмент
см. с. 243).
У многих генов разделение на экзоны и
интроны еще более выражено. Так, общая
длина гена дигидроф олатредуктазы (см. с.
388) составляет выше 30 тыс.п.о. Информа­
ция об аминокислотной последовательно­
сти распределена по 6 экзонам, которые в
сумме составляют только ~6 тыс.п.о.
В. П р о ц е сс т р а н с кр и п ц и и I
Как уже упоминалось, РН К-полимераза II
связывается с 3 '-концом промоторного уча­
стка. Последовательность, обеспечивающая
это связывание, так называемый ТАТА-бокс,
короткий А- и Т-обогащенный участок, пос­
ледовательность которого слегка варьирует
у разных генов. Типичная последователь­
ность (каноническая) — ...ТАТААА... . Для
взаимодействия полимеразы с этим участ­
ком необходимы несколько белков, основ­
ных ф акторов транскрипции. Дополнитель­
ные факторы могут либо стимулировать, ли­
бо ингибировать этот процесс (контроль
транскрипции) (см. с. 242).
После инициации синтеза (2), РНК-поли­
мераза движется в направлении 3 '—>5' мат­
ричной цепи. В процессе инициации фермент
разделяет короткий участок двойной спирали
ДНК на две отдельные цепочки. Нуклеозидтрифосфаты связываются комплементарно
на кодирующ ей цепочке ДНК водородными
связями и шаг за шагом присоединяются к
растущей молекуле РНК (3). Вскоре после на­
чала элонгации 5'-конец транскрипта защ и­
щается «кэпом» (от англ. сар) (см. стр. 242).
Как только транскрипция доходит до сайта
полиаденилирования (обычно это последо­
вательность
...ААТААА...),
транскрипт
отщепляется (4). После этого полимераза
прекращает транскрипцию и диссоциирует
от ДНК.
Транскрипция
созревание П№А
транскрипция
АТР, СТР. СТР. УТР
полимераза I
455 ГЙЫА
— полимераза II
ЬпР1МА
► зпНЫАпредшесгвенник
►
►
*•
285 гЯГМА
183 ГЙЫА
5,85 гЯМА
тЯЫА
А-аманитин‘5 )
предшес­
твенники
полимераза
241
“►
зпРЫА
*•
58гЯЫА
>■
т
ЗП«1ЧА
ОМА-зависимая ВЫАполимераза 2.7.7.6
А .Т р а н скр и пц и я и со зр е в а н и е РНК : общ ие свед ения
начало
транскрипции
конец трансляции (ТАА)
I Жинтрон
Трансляции (АТО)
| полиадениловая
I / последовательность
100 оснований
ТАТАбокс
конец
транскрипции
ОМА
12
I___ I
|транскрипция]
промоторный участок
I*
5 'С
I
в
ш ш ш т \---------------------------------------------------- Ш П
Л 3'
Ип НЫА
созревание ЙЫА
кэп
пшшшшшгж
•-АЦО
полиадениловая
последовательность
тРЫА
ЦАА-*
Б. С труктура В - гл о б и н о во го гена
ТАТА-бокс
^..ТАТААА-1 г - начало транскрипции
3*
5*
основные факторы транскрипции
2.
3’
5’
ВМА-полимераза II
элонгация
кодирующая цепь
3.
3'
б’
кэп
терминация
3‘
5*
ПпВМА
В. П роцесс тр а н скр и п ц и и
отрезание
транскрипта
242
Молекулярная генетика
Созревание РНК
Большинство клеток организма содержит
полный набор генов, но обычно из этого на­
бора используется крайне незначительный
объем информации. Постоянно транскриби­
руются только те гены, которые кодируют
структурные белки и ферменты промежуточ­
ного метаболизма. Кроме этих постоянно
необходимых генов имеется много других
генов, активных только в определенных ти­
пах клеток, при определенных метаболиче­
ских условиях или во время дифференцировки.
А . К о н тр о л ь на уро вн е
тр а н скр и п ц и и О
Порядок транскрибирования генов опреде­
ляется регуляторной системой, которая но­
сит название систем ы регуляции тр а н с­
крипц ии. Контроль транскрипции осущ ест­
вляется структурами двух типов. Большинст­
во генов содержат в своем пром оторном
участке (см. с. 240) несколько коротких се г­
ментов ДНК (ЭМА) (регуляторны е элем ен­
ты , цис-действующ ие элементы), с которы­
ми могут связываться факторы транскрип­
ции. Регуляторные элементы, стимулирую­
щие транскрипцию связанных с ними генов,
называются энхансерам и (усилителям и,
от англ. епИапсег). Белки, подавляющ ие
транскрипцию, — сайленсерам и (усп о ко и ­
телям и, от англ. зПепсег). Ф акторы тр а н с­
крипц ии — это белки, т. е. продукты других,
независимых генов. Поэтому их называют
опосредованно действующими факторами.
Для процесса транскрипции генов требу­
ются не только РНК-полимераза, но и другие
белки, называемые основны м и ф акторам и
транскрипции. Установлено, что у эукариот
таким фактором является ТАТА-связы ваю щ ий белок (ТСБ, англ. ТАТА-Вох Внкйпр
Рго1ет, ТВР), который взаимодействует с
основным регуляторным элементом, ТАТАбоксом, присутствующим в большинстве ге­
нов (см. с. 240). С этим комплексом затем
связы ваю тся другие основные факторы
транскрипции и РНК-полимеразы. Дополни­
тельные факторы могут влиять на инициа­
цию транскрипции, связываясь с другими
регуляторными элементами. О тсюда они
взаимодействуют с основным транскрипци­
онным комплексом, либо активируя, либо
ингибируя его. Такие факторы активируют,
например, комплексы стероидных гормонов
с рецепторами (см. с. 366). По завершении
транскрипции из гяРНК вырезаются интроны (см. с. 240), содержащие некодирующие
последовательности.
Б. С плайсинг I
Сплайсинг РНК катализируется комплекса­
ми белков с РНК, известными как «малые
ядерные рибонуклеопротеидны е частицы»
(мяРНП, англ. зрпан пис1еаг пЬопис1ею
раПю1ез, зпНЫР). Интроны, входящ ие в
гяРНК (ИпВМА), имеют специфические пос­
ледовательности на 3 '- и б'-концах (а). На
первой стадии сплайсинга ОН-группа аденозилового остатка, расположенного в интроне, атакует (при участии мяРНП) и рас­
щепляет фосфодиэфирную связь на б'-конце интрона (б). Одновременно в интроне об­
разуется новая связь, которая придает ему
ф орму петли (в). На второй стадии терми­
нальная О Н -группа б'-концевого интрона
атакует связь в З'-конце интрона. В резуль­
тате оба экзона соединяются, а интрон ос­
вобождается (г).
В этой реакции принимают участие пять
различных мяРНП (111, 112, 114, 115 и 116). В
каждой из реакций задействованы несколько
белковы х м олекул и одна молекула мяРНК
(зпРЫА) (см. с. 8 8 ). Во время сплайсинга
комплексы из гяРНК и мяРНП образую т
сплайсом у. Полагают, что мяРНК в сплайсоме образуют канонические пары друг с дру­
гом и с гяРНК и таким образом фиксируют и
ориентируют их реакционные группы. Собст­
венно катализ обусловлен РНК-составляющей сгшайсомы. Такие каталитические РНК
носят название рибозим ов.
В . 5 - и З '-К о н ц е в ы е м о д и ф и к а ц и и
мРНК I
У эукариот после завершения собственно
транскрипции б'-конец растущей молекулы
РНК блокируется структурой, которая назы­
вается кэ п (от англ. сар). В случае мРНК кэп
состоит из 7 '-метил-ГТФ и защищает РНК от
гидролиза б'-экзонуклеазам и. В конце
транскрипции к З'-концу присоединяется полиадениловая последовательность, кото­
рая может включать до 200 звеньев АМФ
(АМР). Только после этого созревшая мРНК
(тВ М А ) покидает ядро.
Созревание РНК
О
сII еN.г
С 7\*
II С-н
I
9
С. с^-/
N
НзС — О — Р - О
N
§‘ Е
транскрипция,
трансляция
цис-дей­
ствующие
элементы
ген фактора
транскрипции
н>—/н
но он
ЭМА-связывающий домен
243
- Р - О
I
0
1
еО—Р= 0
I
А
о
.1
5-СН,
.
7-метилгуанозин
N
Ж и
р1 1
транс- действующий фактор
(активатор, димер)
0
1
ОН
I
т 76 ррр N
1
5'-конец
1
старт
транс-дей­
ствующий
фактор
(ингибитор)
РЫА- полимераза II
ТАТА- бокс
А. К он тр ол ь на ур о вн е тр а н с кр и п ц и и
с
.А 06У..
5'
и
г
ЬпРМА
сн,
б
Ас1е
о
нч—
5'
он
0=
петля г
I
Р — О — СНа
I
IЯ
Н1
\\
0
в
1
ГН
он
0 = р —о —сн.
Аде
о
фрагмент
“поли-Асегмента"
ч "V /
1. М еханизм сплайсинга
зпРЫД
белок
зпЯМР
В. 5 '- и 3 '- К онцевы е
м о д и ф и ка ц и и мРНК
интрон
+
% впРМА
ЬпРМА
+
+
+
+
5 -экзон
Б. С пл а й си н г
2. 5ПР1ЧР
-экзон
сплайсома (схема)
244
Молекулярная генетика
Генетическии код, активация
аминокислот
А. Г е н е ти ч е ски й ко д I
Большая часть генетической информации, со­
держащейся в ДНК, кодирует последователь­
ность аминокислот. Процесс экспрессии ге­
нетической информации включает транскрип­
цию «текста», записанного на «языке нуклеи­
новой кислоты», в текст, записанный на «язы­
ке белков». Таково происхождение термина
трансляция (дословно — перевод), исполь­
зуемого для обозначения процесса биосинте­
за белков. Правила, которым следует
трансляция, называют генетическим кодом.
Поскольку в биосинтезе участвуют 20 ами­
нокислот, называемых протеиногенными,
«язык» нуклеиновых кислот должен содер­
жать по крайней мере 20 слов (кодонов). Од­
нако в аминокислотном «алфавите» имеется
только четыре «буквы» (А, Г, Ц и У или Т [или
в англ. транскрипции: А, С, С и Ы или Т*]), так
что для получения 20 различных слов каждое
должно состоять по крайней мере из трех
букв. Кодоны действительно включают три
азотистых основания (триплет нуклеоти­
дов). На схеме 1 представлен стандартный
код ДНК (последовательность триплетов в
некодирующ ей цепи), изображенный в виде
круга. Схема читается от центра наружу, так
что, например, триплет САТ кодирует амино­
кислоту гистидин. ДНК-кодоны идентичны та­
ковым в мРНК (тРМ А), за исключением того,
что в мРНК вместо урацила (II), характерного
для ДНК, стоит тимин (Т).
В качестве примера прочтения кода на
схеме 2 показаны короткие участки нормаль­
ного и мутантного гена р-глобина вместе с
соответствующ ими последовательностями
мРНК и аминокислот. Здесь показаны отно­
сительно часто встречающиеся точковые му­
тации, в результате которых остаток глута­
миновой кислоты в положении 6 р-цепи за­
менен на валин. Такой мутантный гемогло­
бин в дезоксиформе склонен к агрегации,
что вызывает деформацию эритроцитов и
уменьшает эффективность транспорта кис­
лорода (серповидноклеточная анемия).
В триплетном генетическом коде для 20
аминокислот потенциально существует 4 3 =
*Эти буквы обозначают основания, входя­
щие в нуклеотиды, и происходят от их англий­
ских названий: аденин (А), гуанин (О), цито­
зин (С) и урацил (У) или тимин (Т). — Прим.
ред.
64 кодона. Таким образом, большинство
аминокислот записывается несколькими ко­
донами, т. е. генетический код является вы­
рожденным. Кроме того, имеются три три­
плета, которые обозначают конец транскрип­
ции (стоп-кодоны). Еще один специальный
кодон, стартовый (инициирующий) кодон,
маркирует начало трансляции. Генетический
код, показанный на рисунке, является почти
универсальным. Этому стандарту не полно­
стью соответствуют только митохондрии (см.
с. 2 1 2 ) и некоторые микроорганизмы.
Б. А кти в а ц и я а м и н о ки с л о т I
Для каждой из 20 аминокислот имеется со­
ответствующая аминоацил - тРН К-лигаза, ко­
торая в цитоплазме соединяет аминокисло­
ту с тРНК (1ЯЫА) (см. с. 8 8 ). Этот процесс ак­
тивации аминокислот осуществляется в
две стадии. Сначала аминокислота связыва­
ется с ферментом и реагирует с АТФ (АТР),
образуя макроэргический смешанный ан­
гидрид — аминоациладенилат. Затем аминоацильный остаток переносится на конце­
вую З'-О Н -группу концевого остатка рибозы
тРНК (другой группой лигаз аминоацил пе­
реносится на 2/-ОН-группу). В аминоацилтРНК карбоксильная группа аминокислотно­
го остатка этерифицируется остатком рибо­
зы З'-концевого остатка аденозина, входя­
щего в последовательность ...С С А -3.
Точность трансляции зависит, прежде
всего, от субстратной специфичности аминоацил-тРНК-лигаз. Корректирую щ ий меха­
низм активного центра лигазы обеспечивает
немедленное удаление ошибочно присое­
диненных аминокислотных остатков. В сред­
нем встречается только одна ош ибка на
1300 аминокислотных остатков — порази­
тельно высокая точность «работы», если
представить, насколько близки структуры
некоторых аминокислот.
В. А зр -тР Н К -л и га за (д и м е р ) О
Процесс активации аминокислот представ­
лен на примере лигазы, специфичной для
аспарагиновой кислоты. Молекулы фермен­
та (окрашены в оранжевый цвет) связаны
между собой в дим ер, причем каждая
субъединица ассоциирована с одной моле­
кулой тРНК (окрашены в голубой цвет). В ак­
тивном центре присутствует остаток АТФ
(окрашен в зеленый цвет), связанный с 3 концом тРНК. Другой домен белка (слева
вверху) отвечает за «узнавание» антикодона
тРНК.
Генетический код, активация аминокислот
нормальный
глобиновый ген
(В-цепь)
245
мутантный
глобиновый ген
С С Т 6 А <3 О А (я
е с астаете
транскрипция
транскрипция
5' | с с ц о ц (з о а о П
01иШМА
1_еи
с ас
СУС
Уа1-
1РМА
61и
трансляция
трансляция
Н Т 1
- Рго -0 1 и - С 1 и старт
С
- Рго
61и -
А т = Н 15
пример прочтения кода
А. Генетический ко д
аминокислота
антикодон-узнаю щ ий домен
®Н3Ы
ЖМААзр
Ас1е
и131 2'Н
1
аминоациладенилат
®нлI
О
И
5
5 , -
Ас1е
Р — С — С р @ —о — с н 2
.н
н,
НО
ОН
...З' 2'
АТР
(У 2 '"
н
т
активный
центр
—сн.
Айе
8*
о
он
н ,т—4 н Ш А
4*
АМР
активный
центр
®нды
н
белок
4'
ам иноацил1НМА-лигаза
6.1.1.П
Аде
н
н
Б. А кти ва ц и я а м и н о ки сл о т
амино
ацилШМА
ШЫААзр
В. А зр -Ш Ы А -лигаза (д и м е р )
246
Молекулярная генетика
Рибосомы: инициация трансляции
Б. Полисома I
Биосинтез белка (тр а н сл я ц и я ), как и а кти ­
вация ам инокислот, происход ит в ц и то ­
плазме. Он осущ ествляется нуклеопротеидными частицами, называемыми р и б о с о ­
м ам и.
Клетки, в которых происходит активный син­
тез белков, часто содержат рибосомы, рас­
положенные одна за другой подобно жемчу­
жинам на нитке, в виде так называемой п о л и со м ы . Это объясняется тем, что одна м о­
лекула мРНК может транслироваться одно­
временно несколькими рибосомами. Пер­
вой стадией трансляции является связыва­
ние рибосомы со ста р то в ы м (и н и ц и и р у ю ­
щ и м ) ко д о н о м (А1)С, см. с. 244) вблизи 5'конца мРНК (см. выше). По мере трансляции
рибосома движется по направлению к 3 'концу до тех пор, пока не дойдет до те р м и ­
н и р ую щ е го ко д о н а (с то п -ко д о н а ) (11АА,
IIАС или 11СА). Как только рибосома дости­
гает стоп-кодона, происходит освобожде­
ние синтезированного белка и диссоциация
рибосомы на отдельные субчастицы.
А. С тр уктур а р и б о со м
э у ка р и о т I
Рибосомы состоят из двух различных субча­
стиц, каждая из которых построена из р и б о со м н о й РНК [рРНК (гРЫА)] и многих б е л ­
ко в . Рибосомы и их субчастицы обычно
классиф ицируют не по массам, а в соответ­
ствии с коэффициентами седиментации (см.
с. 202). Так, коэф ф ициент седиментации
полной эукариотической рибосомы состав­
ляет около 80 единиц Сведберга (805), а ко­
эффициент седиментации ее субчастиц со ­
ставляет 405 и 605.
Меньшая 405-субчастица состоит из о д ­
ной молекулы 185-рРН К и 3 0 -4 0 белковых
молекул. Большая 605-субчастица содер­
жит три типа рРНК с коэф ф ициентами се­
дим ентации 55, 5,85 и 285 и 4 0 -5 0 белков
(наприм ер, рибосомы гепатоцитов крысы
включают 49 белков). В присутствии мРНК
(тР Ы Д ) субчастицы объединяются с обра­
зованием полной рибосом ы , масса которой
прим ерно в 650 раз больше массы м олеку­
лы гем оглобина. Рибосомы имею т диаметр
2 0 -2 0 0 нм и их можно видеть в электрон­
ный м икроскоп. Структурная организация
рибосом полностью не выяснена. Однако
известно, что молекулы мРНК проходит че­
рез щель около характерной структуры в
виде «рога» на малой субчастице, причем
эта щель ориентирована как раз в пром еж у­
то к между двумя субчастицами. тРНК также
связы ваю тся вблизи это го участка. Для
сравнения на схеме в том же масш табе по­
казана молекула тРНК.
Рибосомы прокариот имею т аналогич­
ную структуру, но они несколько мельче,
чем эукариотические (коэф ф ициенты се ­
дим ентации полной рибосом ы 705, а суб ­
частиц — 30 5 и 505). Рибосомы м итохонд­
рий и хлоропластов близки к прокариоти­
ческим .
В. И ни ц и ац ия тр а н сл я ц и и в Е .с о Н I
Синтез белка у прокариот в основном анало­
гичен синтезу у эукариот. Здесь и на с. 248
процесс трансляции обсуждается на прим е­
ре бактерии ЕзсЬепсЫа соН.
Первую фазу трансляции — и н и ц и а ц и ю
— можно разделить на несколько стадий. На
первой стадии два белковых ф актора и н и ­
ц и а ц и и 1Р-1 и 1Р-3 связываются с 3 0 5-суб ­
частицей (1). Затем еще один белковый фа­
ктор, 1Р-2, образует комплекс с ГТФ (ОТР)
(2), что облегчает ассоциацию 305-субчастицы с мРНК (тР Ы А ) и связывание тРНК
(ШЫА), соответствую щ ей инициирую щ ему
кодону (3). У прокариот стартовая тРНК не­
сет Ы-формилметионин ({-М е*), у эукариот
— метионин. В заверш ение 505-субчастица
связывается с вышеупомянутым ком плек­
сом (4). На третьей и четвертой стадиях
идет освобождение факторов инициации и
гидролиз связанного с 1Р-2 ГТФ до ГДФ
(СЮР) и неорганического фосфата Р*. Таким
образом , с в я за н н ы й с 7 0 5 -р и б о с о м о й
и н и ц и и р ую щ и й ко м п л е кс содержит форм илм етионин-тР Н К в тРН К-связы ваю щ ем
участке, называемом пе пти д и л ьн ы м уча ­
с тко м (Р). Второе место связывания, а к ­
ц е п то р н ы й у ч а с то к (А), во время этой фа­
зы трансляции остается свободным.
Рибосомы: инициация трансляции
247
рибосом а (803)
4,2 • 106 Ра
большая
субчастица (603)
2 .8 -106 Оа
тР М
49 белков
ЙОДА
33 белка
I нт-нуклеотид |
18 5 -Н М А (1874
ИТ) ^
малая
субчастица
(403)
1,4- Юб о а
тЯЫА
гемоглобин
в таком же
масштабе
А . С тр у кту р а р и б о с о м э у ка р и о т
старткодон
(А1)0)
тРЫА
тНМА
505субчастица
направление
движения
рибосомы
шМА
308суб­
частица
растущий
белок
пептид
терминация
элонгация
703иниции-
белок
рую щ ий
комплекс
СТОП-кодон
(ЫДА^АО
тИЫА
гНЫА
(168)
или IIО А)
формилметионин
Б. П о л и с о м а
В . И н и ц и а ц и я тр а н с л я ц и и в Е.соП
248
Молекулярная генетика
Рибосомы: элонгация, терминация
После завершения стадии инициации (см. с.
246) к растущей полипептидной цепи присо­
единяются другие аминокислоты (эл онга­
ция) до тех пор, пока рибосома не достигнет
стоп-кодона на мРНК и процесс не прекра­
тится (терм инация).
А. Э л онгац ия и те р м и н а ц и я
б и о с и н те за б е л ка в Е .с о Н )
Э лонгацию можно разделить на три стадии.
В первой пептидильны й участок (Р) рибо­
сомы занимает тРНК (1ВЫА ), несущая на 3'конце растущую пептидную цепь (на схеме
вверху слева). Затем вторая тРНК, соеди­
ненная с соответствующ ей аминокислотой
(на рисунке показана У а ^тР Н К ^1), взаимо­
действует своим антикодоном (см. с. 88) с
кодоном мРНК, фиксированным на а кц е п­
торном участке (А, в данном случае 0110).
тРНК связывается в виде ком плекса с
ГТФ-содержащ им белком, ф актором эл о н ­
гации Ти (ЕР-Ти) (1а). Диссоциация компле­
кса происходит только после того, как свя­
занный ГТФ (ОТР) гидролизуется до ГДФ
(СОР) и фосфата (16). Д о гидролиза ГТФ
взаимодействие тРНК с мРНК (тРЫ Д) отно­
сительно слабое. Таким образом, гидролиз
ГТФ с участием комплекса служит лимитиру­
ющим фактором, дающим время для про­
верки, правильно ли связана тРНК. Затем
следующий белок, фактор элонгации Тз (ЕРТз), катализирует обмен ГДФ на ГТФ и таким
образом регенерирует комплекс ЕР-Ти • ОТР.
Собственно синтез пептидной связи про­
исходит на следующей стадии (2). Рибосомная «пептидилтрансф ераза» катализирует
(бе