Биологически важные макроэргические соединения

В биологических системах кроме АТФ существуют различные соединения, обладающие высоким потенциалом переноса фосфатной группы, даже более высоким, чем для АТФ.

Макроэргические соединения – это соединения, при гидролизе которых изменение свободной энергии при стандартных условиях превышает

30 кДж/моль. Существует не­сколько типов высокоэргических соединений.

1. Соединения, содержащие фосфоангидридную группу – главные, но не единственные макроэргические производные фосфорной кислоты. Важнейшим является АТФ.

2. Смешанные ангидриды фосфорной и карбоновых кислот, реакция гидролиза которых характеризуется высокой величиной ΔG ≈ - 49кДж/моль. Высокие значения ΔG объ­ясняются резонансной стабилизацией обоих продуктов гидролиза: Ф_н и карбоксилатного иона. В качестве примера можно привести метаболит гликолиза – 1,3-дифосфоглицерат (1,З ДФГ), изменение свободной энергии при гидролизе которого соответствует ΔG ≈ - 54,3 кДж/моль (ΔG ≈ -13,0 ккал/моль).

3. Гуанидинофосфаты,у которых изменение свободной энергии благодаря резонансной стабилизации обоих продуктов гидролиза составляет около ΔG ≈ -43 кДж/моль.
4. Енолфосфагы. Примером является фосфоенолпируват— метаболит гликолиза. Процесс превращения ФЕП в ПВК (пируват) протекает в две стадии: ФЕП → Ф_н + ЕП(енолпируват), ΔG ≈ -3 кДж/моль, и ФЕ → ПВК, ΔG ≈ -10 кДж/моль. Суммарный процесс сопровождается изменением энергии равномΔG ≈ - 61,9 кДж/моль (ΔG ≈ - 14,8 ккал/моль). Движущая сила высокого потенциала переноса фос­фатной группы ФЕП обусловливается стремлением превращения неустойчивого енолпирувата в стабильный пируват (кетон).

5. К макроэргическим соединениям относятся и тиоэфиры. Представителем тиоэфиров является центральный метаболит обмена веществ – Ацетил-S-KoA(ацетил-кофермент А). Тиольная группа представляет собой реакционный центр его молекулы. Другим представителем тиоэфиров является сукцинил-S-KoA.Изменение свободной энергии гидролиза этого эфира составляет ΔG = -35,5 кДж/моль. Реакция начинается с фосфоролиза сукцинил-S-KoA, с образованием сукцинил-фосфата, фосфатный остаток которого далее переносится на ГДФ и в результате синтезируется макроэргический фос­фат - ГТФ.

Синтез АТФ

Реакция синтеза АТФ – это реакция фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Рис. 6-1).

АДФ + Н₃РО₄ → АТФ + Н₂О .

Это эндергоническая реакция, которая протекает только при посту­плении свободной энергии извне, так как ΔG = + 30,5 кДж/моль

(+ 7.3 ккал/ моль). Сле­довательно, синтез АТФ может протекать лишь при условии энергетического сопряже­ния с экзергоническими реакциями. В зависимости от источника свободной энергии су­ществует два пути синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование иокислительное фосфорилирование.

Синтез АТФ путем субстратного фосфорилирования

Субстратное фосфорилирование - это путь синтеза АТФ, сопряженный с реакцией гидролиза макроэргических связей в макроэргических соединениях. Макроэргические соединения 1,3-ДФГ, ФЕП,креатинфосфат имеют более высокий потенциал пере­носа фосфатной группы, чем АТФ. В связи с этим, они могут переносить свою фосфорильную группу на АДФ, с образованием АТФ.

Эндергоничекая рекция: АДФ + Н₃РО₄→АТФ + Н₂О, ΔG = +30,5 кДж/моль

(+ 7.3 ккал/ моль).

Экзергоническая реакция:

СН₂ СН₃

║δ+ δ+ О^- |

С← О ~ Р ==О + Н₂О → С=О + Н₃РО₄

↓ О^- |

СООН СООН

ФЕП ПВК

ΔG= - 61,9 кДж/моль (- 14,8 ккал/моль).

 

 

Путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты, богатой энергией, с этих макроэргических соединений на АДФ и синтезируется АТФ.

ΣФЕП +АДФ→ПВК +АТФ

К макроэргическим соединениям относятся и соединения с тиоэфирными связями. На­пример, сукцинил~S-KoA. При разрыве тиоэфирной связи высвобождается энергия, ко­торая используется на синтез ГТФ (ГДФ+Н₃РО₄ → ГТФ + Н₂О). Сукцинил~S-KoA + ГДФ +Н₃РО₄→ Сукцинат + ГТФ + HS~КоА, ΔG=-35.5 кДж/моль.

Синтез АТФ путем окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование -- это основной путь синтеза АТФ, за счет энергии окисления субстрата кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования осуществ­ляется вмитохондриях. Митохондрии справедливо называют «энергетическими стан­циями» клеток, так как они улавливают энергию внешних ресурсов и трансформируют ее в другие формы энергии. Условно можно разделить процесс окислительного фосфорилирования на 4 этапа.

1. Окисление энергетических субстратов в матриксе митохондрий.

2. Окисление НАДН и ФАДН₂ в митохондриальной дыхательной цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμH⁺ за счет энергии окисления энергети­ческих субстратов.

4. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала.