АТФ – универсальная форма химической энергии в клетке
У прокариот существует несколько типов богатых энергией химических соединений. Самую большую группу составляют соединения с высокоэнергетической фосфатной связью: ацилфосфаты, фосфорные эфиры енолов (фосфоенолпируват), нуклеотиддитрифосфаты, аденозинфосфосульфат. Другая распространенная группа – соединения с высокоэнергетической тиоэфирной связью – ацилтиоэфиры.
Эти соединения характеризуются тем, что по крайней мере одна из входящих в состав молекулы групп имеет высокий энергетический потенциал. При переносе этой группы происходит разрыв связи, соединяющей ее с молекулой, что приводит резкому уменьшению свободной энергии, заключенной в молекуле химического соединения. Такие связи называются высокоэнергетическими, или макроэргическими. Присоединение группы с высоким энергетическим потенциалом к молекуле-акцептору повышает уровень ее свободной энергии, переводя таким образом молекулу в активированную форму, которой это соединение может участвовать в биосинтетических реакциях.
Центральное место в процессах переноса химической энергии принадлежит системе АТФ. АТФ образуется в реакциях субстратного и мембран-зависимого фосфорилирования. При субстратном фосфорилировании источником образования АТФ служат реакции двух типов:
I. Субстрат ~Ф[****] + АДФ ← →субстрат + АТФ;
II. Субстрат ~Х + АДФ + Фн ← →субстрат + X +АТФ.
В реакциях первого типа осуществляется перенос высокоэнергетической фосфатной группы от молекулы-донора на АДФ, катализируемый соответствующими киназами. Реакциями такого типа являются реакции субстратного фосфорилирования на пути анаэробного превращения сахаров. У прокариот, имеющих ЦТК, реакция превращения сукцинил-КоА в янтарную кислоту сопровождается запасанием энергии в фосфатной связи ГТФ, который затем отдает фосфатную группу АДФ. Эту реакцию можно рассматривать как реакцию субстратного фосфорилирования второго типа.
|
|
|
АТФ образуется также за счет энергии в процессе мембранзависимого фосфорилирования.
Молекула АТФ содержит две макроэргические фосфатные связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество свободной энергии:
АТФ + Н2О →АДФ + Фн ; ∆G0’ = -31,8 кДж/моль; АДФ + Н2О –>- АМФ+ Фн ; ∆G0’ = -31,8 кДж/моль.
Отщепление последней фосфатной группы от молекулы АМФ приводит к значительно меньшему высвобождению свободной энергии:
АМФ + Н2О –>- аденозин + Фн; ∆G0’ = -14,3 кДж/моль.
Молекула АТФ обладает определенными свойствами, которые и привели к тому, что в процессе эволюции ей была отведена столь важная роль в энергетическом метаболизме клеток. Термодинамически молекула АТФ нестабильна, что вытекает из большой отрицательной величины ∆G ее гидролиза. В то же время скорость неферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, т. е. химически молекула АТФ высокостабильна. Последнее свойство обеспечивает эффективное сохранение энергии в молекуле АТФ, поскольку химическая стабильность молекулы препятствует тому, чтобы запасенная в ней энергия бесполезно рассеивалась в виде тепла. Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической, механической работы.
|
|
|
Если часто АТФ называют «энергетической валютой» клетки, то, продолжая эту аналогию, можно сказать, что «валютная единица» выбрана клеткой в процессе эволюции весьма рационально. Порция свободной энергии в макроэргической фосфатной связи АТФ – это как раз та энергетическая порция, использование которой в биохимических реакциях делает клетку высокоэффективным энергетическим механизмом.
5.4. ∆µh+ – вторая универсальная форма клеточной энергии
В течение длительного времени считали, что АТФ и другие высокоэнергетические соединения, находящиеся в равновесии с ним, представляют собой единственную форму энергии, которая может использоваться живыми клетками во всех энергозависимых процессах. Вопрос о характере связи между транспортом электронов, с одной стороны, и превращением фосфорных соединений, с другой, долгое время оставался неясным. Было установлено, что использование энергетических ресурсов (органических или неорганических соединений при дыхании, света при фотосинтезе) связано с переносом электронов по цепи, состоящей из белковых и небелковых компонентов, способных к обратимому окислению – восстановлению. В результате этого переноса освобождающаяся на отдельных участках дыхательной или фотосинтетической цепи энергия трансформируется в химическую энергию фосфатных связей АТФ. Молекулярный механизм фосфорилирования, сопряженный с электронным транспортом, был неизвестен.
|
|
|
Позднее были получены экспериментальные данные о существовании еще одной формы энергии, также используемой клеткой для совершения разного рода работы. Открытие этой формы энергии принадлежит английскому биохимику Питеру Митчеллу (P. Mitchell), разработавшему в 60-х гг. XX в. хемиосмотическую теорию энергетического сопряжения, объясняющую превращение (трансформацию) энергии, освобождающейся при электронном транспорте, в энергию фосфатной связи АТФ. П. Митчелл постулировал, что при переносе электронов по окислительно-восстановительной цепи, локализованной в мембранах определенного типа, называемых энергопреобразующими, или сопрягающими, происходит неравномерное распределение Н+ в пространстве по обе стороны мембраны (рис. 28).
|
|
|
Рис. 28. Схема переноса электронов и протонов по электрон-транспортной цепи и протонной АТФ-синтазы: АН2 и В – донор и акцептор электронов соответственно (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)
Предложенная им модель предусматривает определенное расположение переносчиков электронов в сопрягающей мембране, например ЦПМ, которые могут быть погружены вглубь мембраны или локализованы у наружной и внутренней ее поверхностей так, что образуют «петли» в цепи переноса электронов. В каждой «петле» (у прокариот электрон-транспортные цепи в сопрягающих мембранах могут формировать разное число «петель») два атома водорода движутся от внутренней стороны ЦПМ к наружной с помощью переносчика водорода (например, хинона). Затем два электрона возвращаются к внутренней стороне мембраны с помощью соответствующего электронного переносчика (например, цитохрома), а два протона освобождаются во внешнюю среду.
Таким образом, в каждой окислительно-восстановительной «петле» два Н+ переносятся из цитоплазмы клетки во внешнюю среду. Общее число протонов, перенесенных через ЦПМ и выделенных во внешнюю среду, при переносе двух электронов по электрон-транспортной цепи зависит от числа образуемых ею окислительно-восстановительных «петель». Расположение переносчиков электронов в ЦПМ прокариот таково, что при работе любой электрон-транспортной цепи (фотосинтетической или дыхательной) во внешней среде происходит накопление ионов водорода (протонов), приводящее к подкислению среды, а в клеточной цитоплазме – их уменьшение, сопровождающееся ее подщелочением, т. е. на мембране возникает ориентированный поперек (трансмембранный) градиент ионов водорода.
Поскольку Н+ – химические частицы, несущие положительный заряд, неравномерное их накопление по обе стороны мембраны приводит к возникновению не только химического (концентрационного) градиента этих частиц, но и ориентированного поперек мембраны электрического поля (суммарный положительный заряд, где происходит накопление Н+, и отрицательный заряд по другую сторону мембраны). Таким образом, при переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода, обозначаемый символом ∆µh+ и измеряемый в вольтах (В, мВ), который состоит из электрического (трансмембранная разность электрических потенциалов ∆Ψ) и химического (концентрационного) компонентов (градиент концентраций Н+ – ∆рН). Измерения показали, что на сопрягающих мембранах прокариот при работе дыхательных и фотосинтетических электрон-транспортных цепей ∆µh+ достигает 200–250 мВ, при этом вклад каждого компонента непостоянен. Он зависит от физиологических особенностей организма и условий его культивирования.
Итак, в соответствии с хемиосмотической теорией П. Митчелла, энергия, освобождаемая в результате работы электрон-транспортной цепи, первоначально накапливается в форме трансмембранного градиента ионов водорода. Разрядка образующегося ∆µh+ происходит с участием локализованного в той же мембране протонного АТФ-синтазного комплекса: Н+ возвращаются по градиенту ∆µh+ через Н+– АТФ-синтазу, при этом без возникновения каких-либо промежуточных высокоэнергетических соединений из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. (Сами сопрягающие мембраны в интактном состоянии непроницаемы для ионов, особенно Н+ и ОН-). Предположительно, для синтеза одной молекулы АТФ достаточен перенос двух протонов, т. е. Н+/АТФ = 2. Однако не исключено, что Н+/АТФ может быть больше.
Локализованная в мембране Н+ – АТФ-синтаза катализирует реакции синтеза и гидролиза АТФ в соответствии с уравнением:
АДФ + Фн + Н+Нар ←→АТФ + Н2О + пН+внутр.
Реакция, протекающая слева направо, сопряжена с транспортом Н+ по градиенту ∆µh+, что приводит к его разрядке и синтезу АТФ. Протекающая в противоположном направлении реакция гидролиза АТФ, сопровождающаяся переносом Н+ против градиента, приводит к образованию (или возрастанию) ∆µh+ на мембране. Таким образом, АТФ-синтазный ферментный комплекс служит механизмом, обеспечивающим взаимное превращение двух форм клеточной энергии (∆µh+ ←→АТФ), устройством, сопрягающим процессы окислительной природы с фосфорилированием.
Энергия в форме ∆µh+ используется для поглощения ДНК в процессе генетической трансформации и для переноса белков через мембрану. Движение многих прокариот обеспечивается энергией ∆µh+/ Важная роль принадлежит ∆µh+ или одной из его составляющих в осуществлении процессов активного транспорта молекул и ионов через ЦПМ прокариот (рис. 29).
Рис. 29.Транспортные системы в клетках прокариот: а – системы первичного транспорта: 1 – перенос электронов по окислительно-восстановительной цепи; 2 – протонная АТФ-синтаза; 3 – бактериородопсин. б – системы вторичного транспорта: 1 – пассивный транспорт нейтральных молекул; 2 – активный перенос катионов (унипорт); 3 – симпорт анионов и протонов; 4 – симпорт нейтральных молекул и Н+; 5 – антипорт катионов и протонов (по Konings, Veldkamp, 1980)
Все известные системы транспорта у прокариот можно разделить на два типа: первичные и вторичные. Разобранные выше примеры трансмембранного переноса Н+ с участием окислительно-восстановительной «петли», бактериородопсина или в результате гидролиза АТФ, катализируемого Н+–АТФ-синтазой, происходящие за счет химической энергии или электромагнитной энергии света, относятся к первичным транспортным системам (рис. 29а). В результате их функционирования на мембране генерируется энергия в форме ∆µh+ которая, в свою очередь, может служить движущей силой, обеспечивающей с помощью индивидуальных белковых переносчиков поступление в клетку необходимых веществ разной химической природы и удаление из нее конечных продуктов метаболизма. Устройства, с помощью которых осуществляется трансмембранный перенос веществ по градиенту ∆µh+ или одной из его составляющих, относятся к вторичным транспортным системам (рис. 29б).
Как известно, в случае пассивной диффузии вещества движущей силой служит только градиент его концентрации (Дц) вне и внутри клетки. Если подобный градиент существует и в процессе активного транспорта вещества, он может вносить определенный вклад в общую движущую силу процесса, однако этот вклад не является определяющим. В большинстве случаев перенос вещества по механизму активного транспорта происходит против концентрационного градиента этого вещества.
Вторичные транспортные системы могут быть также разделены на три группы. Перенос молекул вещества, не сопряженный с какими-либо встречными или сопутствующими перемещениями молекул других веществ, получил название унипорта. По механизму симпорта перенос молекул вещества сопряжен с переносом протонов в том же направлении и осуществляется при участии одного и того же белкового переносчика. В процессе антипорта перенос вещества сопряжен с переносом Н+ в противоположном направлении. Поступление веществ в клетку по механизму симпорта и унипорта широко распространено у прокариот и служит для поглощения ими большинства необходимых органических и неорганических соединений.
Для понимания движущих сил, участвующих в активном транспорте разных типов молекул (электронейтральных, несущих положительный или отрицательный заряд), следует помнить, что в цитоплазме более щелочная среда и суммарный отрицательный заряд. Незаряженные молекулы (глюкоза, галактоза, нейтральные аминокислоты) переносятся в клетку вместе с протонами за счет обоих компонентов ∆µh+ – ∆Ψ и ∆рН.
Молекулы, имеющие отрицательный заряд (глюконат, глутамат, Н2РО4), котранспортируются с Н+ в электронейтральной форме за счет только ∆рН. Положительно заряженные молекулы и ионы переносятся через мембрану в цитоплазму по механизму унипорта с использованием в качестве движущей силы электрического компонента ∆µh+. Таким путем осуществляется перенос в клетку, например, ионов К+ или лизина. Примером антипортной системы может служить откачивание из цитоплазмы ионов Na+, происходящее в обмен на поступление в нее ионов Н+. Движущей силой процесса является ∆рН.
Все это позволяет рассматривать энергию в форме ∆µh+ (наряду с АТФ) как широко используемую внутри клетки. Преобразование энергии в клетке прокариот схематически изображено на рис. 30.
Как видно из этой схемы, АТФ и ∆µh+ можно считать двумя взаимопревращаемыми «энергетическими валютами» клетки, каждая из которых способна служить источником энергии для выполнения химической, осмотической, механической работ.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 284; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!