В. ЭЛЛИОТ
Д. ЭЛЛИОТ
БИОХИМИЯ И
МОЛЕКУЛЯРНАЯ
БИОЛОГИЯ
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации
для использования в учебном процессе студентами высших учебных
заведений, обучающихся по биологическим специальностям
Допущено Департаментом образовательных медицинских учреждений
и кадровой политики Министерства здравоохранения РФ в качестве
учебного пособия для студентов медицинских и фармацевтических
специальностей медицинских вузов, а также для интернов,
ординаторов и врачей системы последипломного образования
Москва
МАИК «Наука/Интерпериодика»
2002

Перевод с английского:
О.В. Добрыниной, И.С. Севериной, Е.Д. Скоцеляс, А.Е. Медведева,
A.M. Шкроба
Под редакцией:
А.И. Арчакова, М.П. Кирпичникова, А.Е. Медведева, В.П. Скулачева
Эллиот В.
Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Эллиот; Под ред.
А.И. Арчакова, М.П. Кирпичникова, А.Е. Медведева, В.П. Скулачева;
Пер. с англ. О.В. Добрыниной, И.С. Севериной, Е.Д. Скоцеляс и др. —
М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. —446 с: ил.
ISBN 5-7846-0036-2
Представлены новейшие данные по биохимии и молекулярной биологии клетки.
Учебный материал сгруппирован в пять основных разделов: структура белков и
мембран, метаболизм, хранение и переработка информации, транспорт кислорода и
углекислого газа, механическая работа в клетке. Отличительной особенностью этого издания
является его смысловой акцент на биологическом значении биохимических процессов,
которые рассматриваются в тесной взаимосвязи с физиологическими функциями.
Предназначена для студентов биологических и медицинских специальностей
высших учебных заведений, а также читателей, интересующихся молекулярными основами
процессов жизнедеятельности.
ISBN 5-7846-0036-2 О W.H. Elliot and D.C. Elliot, 1997
О НИИ биомедицинской химии РАМН,
(перевод на русский язык и издание),
1999
О МАИК «Наука/Интерпериодика»,
(издание, оформление), 2002

Предисловие редакторов перевода
Прошло уже около десяти лет с тех пор, как в нашей
стране были изданы переводы лучших в мировой практике
учебников по биохимии. За истекшее время в биохимии
и - особенно! - в молекулярной биологии очень многое
значительно изменилось. Сейчас в России потребность
в новых, современных учебных руководствах ощущается
так остро, как никогда. А между тем издательство «Oxford
University Press» в конце 1997 - начале 1998 гг. выпустило
ряд примечательных книг, предназначенных для
студентов, аспирантов и научных сотрудников,
специализирующихся в этих областях науки.
Переговоры с «Oxford University Press» о передаче
авторских прав на издание трехтомного руководства
по биохимии на русском языке, к нашему
удовлетворению, увенчались успехом. Редакторами перевода были
отобраны семь отличных книг, которые и легли в основу
этого русскоязычного издания.
В первом томе, который вы сейчас держите в руках,
представлен один из самых популярных в англоязычном
мире учебник Вильяма и Дафны Эллиот «Биохимия и
молекулярная биология». По сравнению с многими
другими учебниками его важной особенностью и главным
достоинством является, на наш взгляд, смысловой акцент
на биологическом значении биохимических процессов
в организме. Идея о неразрывной взаимосвязи
биохимических реакций с физиологическими функциями, о
развитии патологических процессов при аномальном
протекании этих реакций проходит через всю книгу красной
нитью. Пожалуй, больше ни в одном руководстве по
общей биохимии и молекулярной биологии не уделяется
столь пристального внимания проблемам возникновения
заболеваний на конкретной химической основе! Это,
конечно, особенно интересно и важно для студентов
медицинского и медико-биологического профиля.
Учебник Эллиотов дополнен сборником задач
и упражнений, который составлен Джоном Джеффер-
соном в качестве пособия для самостоятельной работы
студентов. Издание такого задачника в электронной
версии позволит вести занятия по биохимии в
компьютерных классах, что несомненно будет стимулировать
дальнейшее внедрение технических средств в преподавание
биохимии и молекулярной биологии.
В состав второго тома - «Биоинформатика» - входят
два учебных пособия: «Предсказание структуры белка»
(ред. М. Стернберг) и «Анализ последовательности ДНК
и белка» (ред. М. Бишоп, К. Роулингс). По сути,
впервые на русском языке представлено солидное
руководство по биоинформатике, которая ныне является
одним из наиболее динамично развивающихся
разделов современной биохимии и молекулярной
биологии. Ее методы позволяют на основе генетической
информации о первичной структуре макромолекул
выяснять их пространственные структуры и функции.
Полученные таким образом данные можно в
дальнейшем использовать (и они уже используются!) для
создания нового поколения лекарственных веществ,
точечными мишенями которых служат белки
(ферменты, рецепторы и др.) или кодирующие их гены.
Данное руководство будет полезно не только
студентам и аспирантам, специализирующимся в области
биохимии, молекулярной биологии и информатики,
но и всем специалистам
медико-фармакологического профиля (фармакологам, фармацевтам,
медицинским химикам и др.).
Второй том дополнен специальным разделом об
использовании в биоинформатике ресурсов Интернета,
который был написан специалистами Института
биомедицинской химии РАМН профессором В. В. Поройковым
и его сотрудниками.
В состав третьего тома - «Современные методы
исследования структуры и функции белка» - включены два
учебных пособия: «Структура белка» и «Функция
белка» (ред. Е. Крейгтон). Что особо примечательно, здесь
современные методы анализа структуры и функции
расписаны в виде протоколов (как это принято в настоящее
время в мировой литературе), которые легко
воспроизвести (разумеется, при наличии соответствующего
оборудования и реактивов). Пожалуй, это руководство также
впервые представляет на русском языке протоколы
широко используемых современных методов биохимии
и молекулярной биологии.
Несмотря на все сложности нашей сегодняшней
жизни, к идее создания такого учебного комплекса
с большим пониманием отнеслись и в Министерстве
здравоохранения, и в Министерстве науки РФ.
Итак, перед вами учебник «Биохимия и молекулярная
биология» Вильяма и Дафны Эллиот в переводе на
русский язык. Авторы поставили перед собой нелегкую
задачу: не только изложить в сжатой и понятной студентам
форме основы биохимии с элементами молекулярной
5

биологии (т. е. общий курс биохимии, как принято
говорить у нас), но еще и донести до читателя информацию
о новейших достижениях в этой области.
Студенты наверняка по достоинству оценят указания
и рекомендации авторов: с каким материалом следует
просто познакомиться, а какой - многократно и
вдумчиво проработать.
Биохимия и в особенности молекулярная биология
принадлежат к тем отраслям естественных наук, где
накопление новых научных данных, заставляющих подчас
пересмотреть сложившиеся за долгие годы
представления, происходит особенно быстро. Поэтому
оперативное издание новых учебных пособий по этим
дисциплинам имеет крайне важное значение. Подготовка
к печати этого учебника на русском языке осуществлена
в беспрецедентно сжатые сроки - всего за полтора года
с момента выхода англоязычной книги.
Следует специально подчеркнуть такие достоинства
учебника, как удачное расположение материала (в
порядке усложнения биологической функции) и подробное
описание тесной взаимосвязи обменов углеводов, жиров
и белков. При этом авторы ограничились минимальной
информацией по биологическим макромолекулам,
полагая, по-видимому, что предшествующий курс
биоорганической химии у студентов даром не пропал.
Некоторая конспективность отдельных разделов
компенсируется широтой охвата рассматриваемых вопросов:
от традиционных для курса биохимии разделов - до
проблем фолдинга белка и методов генной инженерии.
Мы уверены, что эта книга окажется весьма
полезной для студентов и биологических, и медицинских
вузов. К примеру, такие вопросы, как роль прионов в
развитии нейродегенеративных заболеваний или же механизмы
действия антилейкемических препаратов, имеют важное
значение не только для медиков, а полимеразная цепная
реакция (и ее диагностические возможности!)
заинтересует не только биологов.
Мы считаем также, что эта книга послужит ценным
учебным и справочным пособием для аспирантов,
преподавателей и научных сотрудников самых различных
биологических и медицинских специальностей.
А. И. Лрчаков
М. П. Кирпичников
A. Е. Медведев
B. П. Скулачев
6

Предисловие к английскому изданию
Эта книга предназначается для студентов, изучающих
биологию и медицину, которые еще только начинают
осваивать серьезный курс биохимии и молекулярной
биологии.
Приступая к изучению молекулярных основ жизни,
мы сталкиваемся с почти бесконечной
последовательностью химических превращений и механизмов. Все это,
на первый взгляд, выглядит настолько сложным и
запутанным, что может попросту испугать многих учащихся,
особенно если учебный курс для «всеобъемлющего»
изложения материала перегружен такими
подробностями, которые знают и помнят лишь узкие специалисты.
Мы считаем, что подобные детали не должны
заслонять восприятия основных принципов организации
молекулярных процессов в клетке, обусловливающих
существование жизни.
Назначение этой книги - стать «другом студента»: она
поможет вам выделить то главное, что вы должны
понять, что может пригодиться вам в самостоятельных
занятиях. Здесь вы найдете указания, с каким материалом
в принципе достаточно просто познакомиться,
специально его не запоминая (однако решающее слово в этом
вопросе принадлежит, конечно, вашим педагогам).
Книга построена таком образом, чтобы у студентов не
возникал постоянный и вполне понятный вопрос: «Что мы
должны выучить?», столь хорошо знакомый всем
преподавателям.
Расположив учебный материал в соответствии с
классификацией тем по биологическим функциям, мы
старались по возможности предлагать новую информацию
лишь в том случае, когда наглядно прослеживается
непосредственная взаимосвязь изучаемых структур и
процессов с их биологическим назначением. Такой подход,
как мы считаем, должен предотвратить
преждевременное знакомство с новым (и потому не всегда понятным)
материалом.
В разделах, посвященных метаболизму, мы
ограничились изложением данных, полученных на животных
(единственное исключение - фотосинтез), исходя из того, что
метаболические системы прокариот и других организмов
в общем аналогичны, хотя и могут отличаться
интересными деталями. Там же, где эти различия
принципиальны (например, в разделе, посвященном геному и
экспрессии гена), данные, полученные на про- и эукариотах,
приводятся раздельно. То же самое относится и к
некоторым другим разделам, где большая часть материала
получена при исследовании прокариот.
Мы постарались включить в наш учебник как можно
больше различных гипотез, которые так или иначе
объясняют общебиологическое значение рассмотренных
молекулярных систем. Ведь метаболические пути транспорта,
хранения и выделения энергии будут особенно
интересны и понятны, если взглянуть на них сквозь призму
физиологических потребностей клетки и организма в целом.
То же относится к элементам иммунной системы.
Там, где это было возможно, биохимические процессы
увязаны с биологическими функциями. Именно
поэтому процессы свертывания крови, реакции с участием
фермента супероксиддисмутазы, цитохрома Р450 и т. д.
собраны в главе, посвященной защитным системам
организма, а не рассеяны по всей книге в качестве отдельных
примеров специфических функций белков. По той же
самой причине читатель знакомится с гемоглобином в
главе, посвященной проблемам транспорта газов в крови.
Мы рассмотрели метаболизм в первой части книги,
постепенно увеличивая сложность излагаемого
материала. Так была создана база для изучения последующих
разделов по молекулярной биологии. В этой книге мы
широко применяли метод напоминания читателю, где он
может найти более подробное изложения того или иного
материала, что позволяет без затруднений в случае
необходимости обратиться к нужному разделу. Овладев
материалом, изложенным в нашем учебнике, студент сможет
без особых проблем перейти к более углубленному
изучению биологических, химических или медицинских
аспектов интересующего его предмета.
За последние годы биохимия и молекулярная
биология щедро пополнялись новой информацией, и это
привело к появлению множества небольших журналов,
специализирующихся на коротких, вполне понятных и легко
читаемых обзорах почти по каждой теме (такие
публикации практикуют и солидные научные журналы).
Подобные «мини-обзоры» могли бы составить прекрасное
продолжение нашей книги для тех, кто стремится более
глубоко вникнуть в отдельные аспекты интересующей их
проблемы. Вот почему в конце каждой главы мы
приводим список дополнительной литературы, где
представлены главным образом обзоры вышеупомянутого типа: они
7

распределены по отдельным подтемам и снабжены
лаконичными комментариями. Большинство из них нетрудно
найти в библиотеках. Кстати, в главах, посвященных
молекулярной биологии, списки дополнительной
литературы значительно длиннее, что отражает современный
уровень интенсивности исследований в данной области науки.
И даже простое знакомство с такими списками способно
расширить кругозор читателя по интересующему его
вопросу.
Мы надеемся, что издание фундаментального
учебника с таким подробным изложением базисного
материала предоставит преподавателям прекрасную
возможность сконцентрировать свои усилия на тех областях
предмета, которые особенно важны для читаемых ими
курсов.
Д. Эллиот, В. Эллиот
Аделаида, апрель 1996 г.
8

Благодарности
Мы глубоко признательны за ценные советы и
критические замечания по отдельным главам книги нашим
высокочтимым коллегам, чьи имена перечислены ниже.
Доктор М. Abbey (Эбби), Division of Human Nutrition,
CSIRO, Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор J. A. Berden (Берден), Ε. С. Slater Institute,
University of Amsterdam, The Netherlands (Нидерланды)
Доктор G. W. Booker (Букер), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор М. С. Clark (Кларк), Department of
Biochemistry, University of Tasmania (Австралия)
Доктор J. С. Coates (Коутс), Department of Chemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор J. С. Crabbe (Краббе), University of Reading,
UK (Великобритания);
Профессор К. van Dam (ван Дам), University of
Amsterdam, The Netherlands (Нидерланды)
Доктор A. Daws (Доус), School of Biological Sciences,
University of East Anglia, UK (Великобритания)
Доктор J. В. Egan (Иген), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор I. W. Flynn (Флинн), University of Edinburgh, UK
(Великобритания)
Доктор Ch. Hahn (Хан), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор D. Hawcroft (Хоукрофт), De Montfort University,
Leicester, UK (Великобритания)
Доктор S. van Heyningen (ван Хейниген), University
of Edinburgh, UK (Великобритания)
Доктор Ε. Μ. J. Jaspars (Джаспере), The Leiden Institue
of Chemistry, University of Leiden, The Netherlands
(Нидерланды)
Профессор J. R. Jefferson (Джефферсон), Department
of Chemistry, Luther College, Decorah, Iowa, USA (США)
Профессор I. Kotlarski (Котларски), Department of
Microbiology and Immunology, University of Adelaide,
South Australia (Австралия)
Профессор I. de la Lande (де ла Ланде), Department
of Physiology, University of Adelaide, South Australia
(Австралия)
Профессор S. Lincoln (Линкольн), Department of
Chemistry, University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор В. К. May (Мэй), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор G. Mayrhofer (Мэйрхофер), Department of
Microbiology and Immunology, University of Adelaide, South
Australia (Австралия)
Профессор J. F. Morrison (Моррисон), John Curtin School
of Medical Research, Australian National University,
Canberra, Australian Capital Territory (Австралия)
Профессор D. L. Nelson (Нелсон), Department of
Biochemistry, University of Wisconsin, Madison, USA (США)
Профессор J. Μ. Palmer (Палмер), Department of Biology,
Imperial College of Science, Technology and Medicine,
London, UK (Великобритания)
Профессор Р. Rathjen (Расджен), Department of
Biochemistry, University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор A. Robins (Робине), Bresatec Limited, University
of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор А. С. Robinson (Робинсон), Department of
Biological Sciences, Napier University, UK (Великобритания)
Профессор G. Ε. Rogers (Роджерс), Department of
Biochemistry, University of Adelaide, South Australia
(Австралия)
Миссис R. Rogers (Роджерс), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор D. Rowley (Роули), Queen Elizabeth Hospital,
Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор R. Saint (Сейнт), Department of Genetics,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор Т. Sadlon (Сэдлон), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор G. Scroop (Скруп), Department of Physiology,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор R. Η. Symons (Саймоне), Waite Agricultural
Research Institute, University of Adelaide, South
Australia (Австралия)
Профессор D. Thomas (Томас), Department of Paediatrics,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Профессор, доктор P. Van de Putte (ван де Путте),
Department of Molecular Genetics, Leiden University, The
Netherlands (Нидерланды)
Профессор J. Veale (Вейл), Department of Physiology,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор Ε. W. de Vrind de Jong (де Вринд де Джонг),
The Leiden Institute of Chemistry, University of Leiden,
The Netherlands (Нидерланды)
Доктор J. С. Wallace (Уоллейс), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
9

Профессор J. M. Walker (Уолкер), Division of Biosciences,
University of Hertfordshire, UK (Великобритания)
Доктор Р. Wigley (Ригли), Department of Biochemistry,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Доктор R. J. H. Williams (Уильяме), Cardiff Institute
of Higher Education, UK (Великобритания)
Доктор A. F. Wilkes (Уилкс), Ludwig Institute for Cancer
Research, Royal Melbourne Hospital, Melbourne,
Victoria (Австралия)
Доктор J. Wiskich (Уискич), Department of Botany,
University of Adelaide, South Australia (Австралия)
Авторы выражают особую благодарность доктору
L. A. Burgoyne (Бергойн), Biological Sciences, Flinders
University of South Australia, за терпеливое
вычитывание макета этой книги и ценные замечания. А
также Крису Мэтьюзу, подготовившему макеты
рисунков с использованием компьютерной графики,
и Дэвиду Керри за проведение компьютерного поиска
литературы.
Авторы благодарны персоналу издательства Oxford
University Press за подготовку этой книги.
И наконец - но не в последнюю очередь! - авторы
глубоко признательны миссис Рос Мьюррел за ее высокий
профессионализм и долготерпение при подготовке
машинописного варианта этой книги.
10

Некоторые традиционные сокращенные
обозначения соединений и единиц,
используемые в данной книге
Перечень не является полным и в большинстве
случаев в тексте при первом упоминании каждое
сокращенное обозначение приводится в скобках.
- аденин
- аденозиндифосфат
- 5-аминолевулиновая кислота
- аденозинмонофосфат
- антиген-представляющая клетка
- аполипопротеин
- аденозинтрифосфат
- азидотимидин
- белок-активатор катаболизма
- кофермент А
- цитидиндифосфат
- сАМР-чувствительный элемент
- CRE-связывающий белок
- колоний-стимулирующий фактор
- дезокси(нуклеозидфосфаты) (dNMP, dNTP
и т.д.)
- дидезокси-
- фактор элонгации
- фактор роста эпидермиса
- эукариотический фактор инициации
- флавинадениндинуклеотид
- восстановленный флавинадениндинуклеотид
- кристаллизуемый фрагмент
(иммуноглобулина)
- дигидрофолат
- тетрагидрофолат
- формилметионин
- флавинмононуклеотид
- гуанин
- γ-аминобутират
- восстановленный глутатион
- окисленный глутатион
- гемоглобин
- оксигемоглобин
- белок теплового шока
- спираль-поворот-спираль (ДНК-узнающий
мотив)
- фактор инициации
- иммуноглобулин (IgG, IgA и т. д.)
- инсулиноподобный фактор роста (IGFI и IGFII)
1Р3 - инозиттрифосфат
IRE - железочувствительный элемент
IS - инсерционная последовательность
ISRE - стимулируемые интерфероном
чувствительные элементы
JAK - Янус киназа (тип тирозинкиназы)
Км - константа Михаэлиса
LTR - длинный концевой повтор
МНС - главный комплекс гистосовместимости
NAD+ - никотинамидадениндинуклеотид (окисленная
форма)
NADH - никотинамидадениндинуклеотид
(восстановленная форма)
NADP^ - никотинамидадениндинуклеотидфосфат
(окисленная форма)
NADPH - никотинамидадениндинуклеотид
(восстановленная форма)
Р450
Р/
PAF
PDGF
Pol
PP..
PrP
Q
Rubisco
S
SAM
SH2
SRP
SSB
Τ
τ3
T4
TBP
TCR
TFIID
TPA
U
UDPG
UTR
YAC
-цитохромР450
- неорганический фосфат
- фактор активации тромбоцитов
- тромбоцитарный фактор роста
- ДНК-полимераза
- неорганическая пирофосфатаза
- прионовый белок
- убихинон
- рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилаза
- константа Сведберга
- S-аденозилметионин
- домен GRB
- сигнал-узнающая частица
- белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК
- тимин
- трииодтиронин
- тироксин
- ТАТА-связывающий белок
- рецептор Т-клетки
- транскрипционный фактор D для полиме-
разы II
- тканевой активатор плазминогена
- урацил
- уридиндифосфатглюкоза
- нетранслируемая область
- искусственные дрожжевые линейные
хромосомы
11

1 Химия, энергия и метаболизм
Жизнь - это химический процесс, включающий тысячи
упорядоченно протекающих реакций. Их называют
метаболическими реакциями или, обобщенно, метаболизмом.
Поэтому, изучая биохимию, вы встретитесь с
множеством (но все же не с тысячами!) химических уравнений,
описывающих наиболее существенные аспекты химии
клетки. Биохимические стратегии, отобранные и
отшлифованные за миллионы лет эволюции, элегантны и покоряю-
ще красивы, но чтобы оценить их по достоинству,
понимать и восхищаться ими, сначала нужно понять, с какими
проблемами связано само существование жизни.
Анализ любого биологического превращения
основан на представлении об энергии. Записать его в виде
химического уравнения недостаточно, если при этом
нет сведений о происходящих изменениях химической
энергии. Без этого нельзя понять, сможет ли это
превращение сколько-нибудь заметно протекать в растворе
и в какой мере оно будет уравновешиваться обратной
реакцией.
Насколько важнее такой подход, можно видеть на
следующем примере. При интенсивной работе мышц
полисахарид гликоген (полимер глюкозы) в серии
химических реакций превращается в молочную кислоту, а при
последующем отдыхе он вновь синтезируется из
молочной кислоты, причем не в результате простого
обращения реакции, а иным путем. Простые энергетические
соображения позволяют понять, почему клетка поступает
именно так.
Для понимания биохимических процессов
достаточно самых общих знаний термодинамики. Есть,
разумеется, области, где этого недостаточно, но в целом
большинству биохимиков хватает знаний основных
принципов, и они редко используют термодинамические
уравнения. Этот раздел призван обеспечить именно
такую степень понимания.
Что определяет возможность
протекания химических реакций?
Как уже отмечалось, только изменение энергии
определяет, какие химические реакции возможны, а какие нет.
Заметим, что в биохимии нас интересуют реакции,
протекающие с образованием большого количества
продукта. В принципе, термодинамические факторы
не препятствуют полному протеканию реакций (за
исключением случаев, когда субстраты и продукты
находятся в равновесных концентрациях; см.ниже). Но если
реакция останавливается после того, как произошло
минимальное превращение субстрата, то с точки зрения
жизни такая реакция не имеет значения.
Сначала определим, что имеется в виду под
изменением энергии химической системы, т. е. ансамбля
молекул, участвующих в химических реакциях. Это не так
легко понять, как, например, изменение гравитационной
энергии при падении тела. Химическая система
состоит из огромного числа отдельных молекул, в каждой из
которых заключено некоторое количество энергии,
определяемое ее структурой. Эта энергия может быть
представлена как теплосодержание, или энтальпия,
молекулы. Когда структура молекулы меняется в ходе
химической реакции, изменение её энергии
описывается как изменение энтальпии АН. Оно может быть
отрицательным (теплота теряется молекулами и
рассеивается, увеличивая температуру окружающей среды) или
положительным (теплота поглощается из окружающей
среды, которая при этом охлаждается).
На первый взгляд может показаться, что реакции с
положительным АН столь же нереальны, как тело,
самопроизвольно взлетающее к потолку. Но такая простая
физическая аналогия неприменима к химическим
реакциям: здесь знак изменения энтальпии не определяет
жестко направление процесса, а лишь показывает,
что этот фактор либо способствует ему, либо
препятствует. Куда будет падать тело, зависит только от
изменения гравитационной энергии, а какая пойдет реакция,
зависит не только от изменения энтальпии, но также
и от изменения энтропии (AS) химической системы.
Энтропия может быть определена как степень
неупорядоченности. В химической системе беспорядок
проявляется по-разному. Поскольку молекула обычно не
жесткая структура, она может вибрировать, вращаться как
единое целое и относительно отдельных своих связей. Чем
легче происходит любое молекулярное движение, тем
больше беспорядка, или энтропии. Кроме того, огромное
число молекул, образующих химическую систему, может
быть случайным образом рассеяно в пространстве или
существовать в нем в той или иной мере упорядочено,
как это имеет место в живых клетках. И наконец, число
отдельных молекул и ионов в системе может измениться
часть 1 Введение в химические реакции клетки
14

в результате химических реакций. Чем больше молекул,
тем больше их совокупная неупорядоченность, а
следовательно, и энтропия системы.
И АН, и AS имеют право голоса при решении
вопроса, пойдет ли химическая реакция. Отрицательное АН
и положительное AS вместе дают ответ «да»,
положительное АН и отрицательное AS - ответ «нет». Если же
изменения энтальпии и энтропии имеют одинаковые знаки,
их влияние противоположно, и вопрос решается
сравнением их величин.
Рост энтропии как движущей силы процесса можно
проиллюстрировать на примере таяния льда в теплой
воде. Плавление льда происходит с поглощением тепла
(АЯ- положительно), однако увеличение молекулярного
беспорядка при разрушении кристаллической решетки
столь велико, что именно оно является определяющим
фактором процесса. Гораздо сложнее представить, как
энтропия управляет химической реакцией. Общее
утверждение состоит в том, что при сопоставимых значениях
энергии предпочтительнее более неупорядоченное
состояние системы. Если вам трудно это понять - примите пока
на веру, далее мы к этому еще вернемся.
Сравнивать изменение энтальпии и энтропии, которые
могут быть союзниками или антагонистами, при оценке
возможности протекания реакции крайне неудобно; хотя
бы потому, что их величины имеют разную размерность.
Более того, в биологических системах прямое измерение
энтропии затруднительно или невозможно. Ситуация,
однако, значительно улучшается благодаря
предложенному Гиббсом понятию свободной энергии, которое
объединяет оба рассмотренных выше понятия - энтальпию и
энтропию. Изменение свободной энергии (следуя Гиббсу,
обозначим его AG) описывает знаменитое уравнение:
AG = AH-TAS,
в котором Т- абсолютная температура.
Определение свободная здесь означает не свободу
вообще, а свободу использовать эту энергию для
совершения полезной работы. AG представляет собой
максимальное значение энергии, которое доступно для совершения
полезной работы за счет химической реакции. Иначе
говоря, это та часть ваших денег, на которую вы можете
рассчитывать при покупках.
Применительно к биологии, полезная работа-это
мышечное сокращение, химический синтез в клетках,
преодоление осмотических или электрических сил.
Величину AG выражают в калориях (кал) или, что более принято,
в джоулях (Дж) на моль (1 кал = 4,19 Дж). Поскольку
значения AG обычно велики, чаще пользуются
килокалориями или килоджоулями.
Изменение свободной энергии в ходе любого
процесса - важнейший термодинамический параметр.
Применительно к химическим процессам можно
сформулировать общее правило: химическая реакция протекает
лишь в случае AG<0, т.е. есть в условиях, когда
свободная энергия продуктов реакции меньше, чем исходных
веществ.
Изменение свободной энергии
и обратимость реакций
Вероятно, вам уже говорили, что многие химические
реакции обратимы. Это может озадачить, ведь тогда
получается, что величины AG отрицательны и для
прямой, и для обратной реакции (вспомним, что это
критерий возможности спонтанного протекания любого
процесса). Разгадка кажущегося парадокса состоит в том,
что AG не является фиксированным параметром и
зависит от концентраций исходных веществ и продуктов
их превращения.
С уравнением, описывающим эту зависимость, мы
познакомимся позже. А пока заметим, что для
обратимой реакции А <-> В изменение свободной энергии AG
может быть отрицательным применительно к пре-
вращению А —>В и положительным применительно
к превращению В —> А, если только концентрация
вещества А больше концентрации вещества В. Приобратном
соотношении концентраций А и В отрицетельным
может стать изменение cвoбoдн^и_^н^rлw^_ΔGJΊЩJπpe-
вращении В —> А. Нетрудно сообразить, что существует
некоторое соотношение концентраций, при котором
изменения AG для прямой и обратной реакции равны нулю.
Такое соотношение будет сохраняться сколь угодно
долго - это точка химического равновесия.
Если величина AG для некоторой биохимической
реакции А <-> В невелика по модулю, то с большей ве^
роятностью^эта_реакция в клетке будет обратима, по-
скольку_изменение концентрации веществ А и В в ходе
метаболизма может привести к обращению знака AG.
Напротив, если абсолютное значение AG велико, ре-
акцию можно считать ^практически необратимой.
Диапазон^ изменений внутриклеточных концентраций
метаболитов]р5рш1н^збъ^д>шяющий всех участников
биохимических реакций) относительно узок: обычно
значения концентраций лежат в пределах^ 1 (Н-10~3 М.
6^^ртьт1те]5ёаЩ
Hbjj^3Ha4eHHflNiHJA(jj3ea^^ так как кон-
центраииошшх^13^нениЙ21едостаточно для обращения
знака AG. (Позже мы объясним,, почемукажется, что при
некоторых реакциях это положение нарушено; см. с. 110).
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
15

Как правило, внутриклеточный гидролиз, т.е. реакции
расщепления связей с участием молекулы воды,
необратим в том смысле, что образование этих связей в клетках
не является результатом обращения гидролиза. О том,
насколько обратимы другие внутриклеточные реакции,
будет рассказано в главе о метаболизме.
Итак, внутриклеточные реакции, сопровождающиеся
незначительным изменением свободной энергии, могут
быть обратимы, причем их направление зависит от
небольших изменений концентраций участвующих
метаболитов. Напротив, при значительном изменении
свободной энергии метаболические реакции идут в одном
направлении и реально протекают до полного
завершения, поскольку именно в эту область концентраций
сдвинута точка равновесия. Иными словами, исходные
вещества полностью превращаются в продукты реакции.
Роль необратимых реакций
в стратегии метаболизма
В предыдущем разделе мы подчеркнули влияние
величины AG химической реакции на возможность ее
протекания в обратном направлении. Пора объяснить,
почему это так важно. Основные физиологически важные
внутриклеточные химические процессы обычно
включают не одну, а много последовательно протекающих
реакций, объединенных в так называемые
метаболические пути, где продукт первой реакции является
исходным веществом для второй и т.д. Например, в
упомянутом выше превращении гликогена в молочную кислоту
в мышцах вовлечено двенадцать последовательных
химических реакций.
Общим свойством метаболических путей является их
необратимость. Это не означает, что необратимы все
включенные в них реакции. Но по меньшей мере одна
реакция в физиологических условиях не протекает в
обратном направлении. Такие реакции, действуя подобно
клапанам на трубопроводе, и обеспечивают
термодинамическую основу завершенности суммарного
метаболического превращения.
Это, однако, не означает физиологической
необратимости результирующего превращения. Так, из
молочной кислоты в организме благополучно синтезируется
гликоген.
Некоторые из стадий биосинтеза гликогена
представляют собой обращенные реакции его расщепления.
Но есть другие реакции, которые не могут быть
обращены, и вместо них используются альтернативные пути.
Например, некоторые реакции протекают с использованием
энергии, что делает их необратимыми в обратном
направлении. В результате и прямой (гликоген—>молочная
часть 1 Введение в химические реакции клетки
16
кислота), и обратный (молочная кислота—>гликоген)
метаболические пути являются необратимыми. Типичная
метаболическая ситуация может быть описана
следующей схемой:
На этой схеме красными стрелками помечены
необратимые реакции с большими по модулю
отрицательными значениями AG. Чуть позже мы расскажем, как
достигается энергетическое обеспечение необратимости
в обоих направлениях.
Итак, стал ясен общий биохимический принцип.
Всякий раз, когда суммарный химический процесс,
характерный для данного метаболического пути, должен
быть физиологически обратимым, прямая и обратная
траектории не совпадают полностью и обязательно
содержат хотя бы пару различающихся по своей
природе необратимых реакций.
Почему клетки используют
такую стратегию метаболизма?
Тому есть две основные причины. Рассмотрим
альтернативную стратегию, при которой все метаболические
реакции обратимы.
Α ^ в Т=± С ^ D ^=Ζ Ε Ξ=Ξ F ^ Продукты
Главный недостаток при этом - подверженность
процесса в целом закону действующих масс. Если
концентрация вещества А возрастает (скажем, вы что-нибудь
съели), равновесие сдвигается вправо и возрастает
концентрация конечных продуктов. Напротив, при
уменьшении концентрации А некоторые продукты будут
превращаться в исходные вещества. Представьте теперь, что
речь идет о биосинтезе ДНК генов или жизненно
важных белков. И вы поймете, насколько неприемлем такой
сценарий.
Есть и вторая сходная причина, по которой прямое
и обратное направления метаболического пути должны
включать различные реакции: метаболизм обязан быть
контролируемым. Мы уже знаем, что при интенсивной
работе мышц гликоген превращается в молочную
кислоту, тогда как при отдыхе этот процесс выключается
и происходит ресинтез гликогена из молочной
кислоты. Чтобы независимо управлять обоими
процессами, т.е. включать один и выключать другой, они должны
различаться. Иначе их можно включать и выключать
только одновременно! Как правило, именно необратимые
стадии метаболизма являются местом приложения регуля-
торных механизмов. Подробнее об этом в главе 12.

Из чего складывается величина AG?
Хотя изменение свободной энергии при химической
реакции, как уже отмечалось, непостоянно, в некоторых
определенных условиях, принятых за стандартные,
величина AG является постоянной. Примем в качестве таких
стандартных условий концентрации всех
веществ-участников 1,0 М, температуру 25° С и значение рН 7,0.
Отвечающую этим условиям величину AG называют
стандартным изменением свободной энергии данной реакции
и обозначают AG0'. Заметим, что некоторые физики и
химики предпочитают в качестве стандартного условия
значение рН 1,0, вместо 7,0.
Для вычисления стандартного изменения свободной
энергии различных реакций часто используют
физико-химические таблицы, в которых приведены стандартные
свободные энергии образования большого числа
химических соединений. Если по отдельности сложить
значения для исходных веществ и продуктов реакции, то
разность между этими двумя суммами и будет искомой
величиной AG0. Альтернативой является
экспериментальное определение константы равновесия данной
реакции, из которой нетрудно вычислить AG0'.
При заданных концентрациях исходных веществ и
продуктов реакции величины AG и AG0' связывает простое
соотношение. Поэтому, зная внутриклеточные
концентрации метаболитов, можно вычислить изменение
свободной энергии, характеризующее соответствующую
биохимическую реакцию. Это было проделано для очень многих
биохимических реакций, и на полученные таким образом
значения часто ссылаются.
Однако совсем не просто определить внутри клеток
концентрации тысяч метаболитов, содержание которых
там мало и непостоянно. И потому для многих
биохимических реакций значения AG пока остаются
неизвестными. К счастью, оказалось, что во многих случаях
можно использовать величины AG0', хотя отвечающие
им условия в клетках никогда не реализуются.
Разумеется, это компромисс, но полезный.
Стандартная свободная энергия
и константы равновесия
Знать величины AG0' особенно полезно, потому что из
них легко вычисляется константа равновесия
соответствующей реакции. Константа равновесия К
представляет собой отношение произведений равновесных
концентраций продуктов реакции и исходных веществ
(штрих означает, что константа равновесия отвечает
рН 7,0). Так, например, для реакции А + В <-> С + D
константа К вычисляется из концентраций веществ
А, В, С и D, измеренных в условиях равновесия, т.е. когда
эти концентрации перестали изменяться.
~. ИМ
е" [А][В]
Связь между величинами AG0' и К описывается
уравнением:
AG0' = -RT - In К 'eq = -2,303Я Г - lg К 'eq,
где R - газовая постоянная (8,315 кДж ■ моль-1 · Кг1);
Τ - абсолютная температура в градусах Кельвина
(298 К = 25° С). При 25° С RT = 2,478 кДж · моль1.
Таким образом, измерив значение К'' , можно
вычислить величину AG0', и наоборот, располагая сведениями
о AG0', можно вычислить значение константы
равновесия К 'ед.
Таблица 1.1
Соотношение между константой равновесия реакции (/Г )
и изменением свободной энергии (AG0)
Таблица позволяет составить представление о соотношении
констант равновесия химических реакций со стандартными
изменениями свободной энергии
AG0' (кДж · моль-1)
+ 17,1
+ 11,4
+5,7
0
-5,7
-11,4
-17,1
К'еЧ
0,001
0,01
0,1
1,0
10,0
100,0
1000,0
Допустим, что AG отрицательно. От чего
зависит, будет ли протекать
соответствующая реакция в клетке с ощутимой
скоростью?
Д,ля протекания химической реакции необходимо, чтобы
ей отвечало уменьшение свободной энергии. Однако
из этого вовсе не следует, что она будет протекать с
ощутимой скоростью. Оценка с точки зрения термодинамики
реакции взаимодействия сахара с кислородом (т.е.
горения) с образованием Н20 и С02 показывает, что
энергетически это очень выгодный процесс. В то же время
сахар на воздухе вполне устойчив. Существует барьер
для протекания реакций даже с очень большим
уменьшением свободной энергии, иначе все горючие
материалы на Земле давно бы исчезли в огне. Однако сахар, столь
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
17

устойчивый в чашке с чаем, быстро окисляется в
организме, как только мы выпиваем этот чай. Возникает
вопрос: почему реакции, протекающие в живых клетках, вне
их либо не идут вообще, либо идут с ничтожно малыми
скоростями? Потому что в клетках они осуществляются
с помощью ферментативного катализа.
Природа
ферментативного катализа
В простейшем случае фермент (или энзим) - это
катализатор, ускоряющий только одну химическую реакцию.
Известны тысячи биохимических реакций, и каждая из
них катализируется своим ферментом. Принцип «одна
реакция - один фермент» соблюдается и в случае муль-
тифункциональных ферментов, обладающих
различными каталитическими активностями, и в случае мульти-
ферментных комплексов.
Фермент является белком. И хотя строению белков
будет посвящена глава 2, краткий экскурс в эту область
здесь будет полезен. Белки построены из 20 аминокислот,
соединенных в длинные цепи. Это высокомолекулярные
соединения: даже у самых маленьких ферментов
молекулярная масса порядка 10 000 дальтон (Да),
а у многих она достигает сотен тысяч дальтон. Одна
из причин, по которой ферменты так велики, заключается
в том, что длинная цепь (или цепи), из которой они состоят,
должна свернуться с образованием некого кармана,
называемого активным центром. Попадая в такой
карман, молекула вещества с исключительной точностью
атакуется функциональными группами фермента. Под
«атакой» здесь следует понимать химическое
превращение вещества, которое принято называть субстратом,
при участии данного фермента.
В целом ферментативный процесс обычно
описывают моделью Михаэлиса-Ментен:
E + S<->ES<->EP->E + P,
где Ε - фермент; S - субстрат; ES и ЕР - соответственно
комплексы фермента с субстратом и продуктом
ферментативной реакции (Р).
Из уравнения, описывающего эту модель, следует, что
субстрат обратимо связывается с активным центром
фермента и далее в связанном виде превращается в новое
вещество, которое диффундирует из активного центра
в окружающий раствор. Мы еще вернемся к модели
Михаэлиса-Ментен при обсуждении регуляции
ферментативного катализа (см.с. 156), а пока рассмотрим основы
механизма катализа.
часть 1 Введение в химические реакции клетки
18
Как работает фермент?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует понять
природу химических реакций. Они протекают в две стадии.
Рассмотрим превращение S —> Р.
На первой стадии исходная молекула претерпевает
определенные конформационные и электронные
изменения, которые служат предпосылкой ее последующего
легкого преобразования в конечный продукт.
S-^-^P
В таком возбужденном состоянии S* (его называют
переходным) молекула существует очень недолго (10"14-
10~13 с). Ясно, что возникновение переходного состояния
обусловлено поступлением энергии извне.
Суммарная реакция S —> Ρ должна сопровождаться
уменьшением свободной энергии, иначе она вообще бы
не произошла. Этот термодинамический параметр
зависит только от строения исходного и конечного
соединений и инвариантен к характеру промежуточных
изменений свободной энергии, который обычно называют
энергетическим путем, или энергетическим профилем
реакции. Поэтому нет никакого противоречия в том, что в
переходном состоянии S* молекула обладает большей
свободной энергией, чем в исходном S. Положительное
изменение свободной энергии при превращении S —> S*
называют энергией активации для данной реакции (рис. 1.1).
Энергетический горб (см. рис.1.1) служит барьером
на пути химической реакции. Без него энергетический
профиль отражал бы непрерывное падение свободной
энергии на пути от S к Р, и все вещества, способные вступать
в реакции, сразу бы в них вступали.
Итак, чтобы реакция прошла, необходимо внести
в систему энергию активации. В некатализируемых
реакциях источником этой энергии служат столкновения
между молекулами в растворе. Если соударяющиеся
молекулы должным образом ориентированы, есть
шанс, что возникающие при этом искажения
молекулы S будут такого свойства, что ее
высокоэнергетическое состояние окажется переходным на пути S —> Р.
Следовательно, скорость протекания реакции
определяется вероятностью возникновения переходного
состояния исходных молекул. С ростом температуры
возрастает как скорость теплового движения, так и частота
соударений, и потому увеличивается вероятность
возникновения переходного состояния.
Химики-органики издавна используют нагревание для ускорения
реакций. Что же касается биохимических реакций, то
в физиологическом диапазоне температур и в
отсутствие катализаторов все они протекают с ничтожно
малыми скоростями.

-^Энергии
/'активации
Координата реакции
Рис. 1.1. Энергетические профили обычной и
ферментативной реакций
Скорость реакции очень чувствительна к изменениям энергии
активации, так как связана с ней обратной экспоненциальной
зависимостью. S - субстрат; S* - переходное состояние;
Ρ - продукт
Дабы по достоинству оценить феномен
ферментативного катализа, надо помнить, что для развития жизни
был необходим такой способ быстрых химических
превращений стабильных молекул, присутствующих в
низких концентрациях в водных растворах с нейтральным рН,
при котором реагирующие вещества достигали бы
переходного состояния при физиологически низких
температурах.
В активном центре каждого фермента есть по
меньшей мере один участок, с которым могут связываться
субстраты. В результате такого связывания молекула
субстрата занимает наиболее выгодное положение для
последующей химической реакции. Активный центр
фермента полностью комплементарен молекуле субстрата
в переходном состоянии. Непосредственно оценить
прочность связывания фермента с субстратом, находящимся
в переходном состоянии, нельзя. Но можно
синтезировать такие аналоги субстрата, которые по своей конфор-
мации и распределению электронной плотности походили
бы на переходное состояние. С подобными
соединениями ферменты взаимодействуют с поразительно высоким
сродством, иногда в тысячи раз большим, чем с
собственным субстратом.
На это явление можно взглянуть и с других позиций,
а именно с точки зрения перераспределения электронов.
Аминокислотные остатки в активном центре устроены
так и расположены таким образом, чтобы
стабилизировать распределение электронов в переходном состоянии.
Это означает, что активный центр лучше согласован с
переходным состоянием, чем с субстратом.Иными
словами, при связывании субстрата в нем возникают
напряжения, снятие которых способствует возникновению
переходного состояния. Суммарный эффект
заключается в уменьшении энергии активации, т.е. приводит
к снижению энергетического барьера на пути реакции
(см. рис. 1.1). Однажды образовавшись, переходное
состояние быстро превращается в продукты реакции со
скоростью, не зависящей от структуры комплекса ES*. Эти
продукты связаны с ферментом менее прочно и,
высвобождаясь, диффундируют в окружающую среду.
Скорость катализируемого процесса очень чувствительна к
энергии активации. Даже столь малое ее изменение,
которое отвечает образованию всего одной водородной
связи (см. ниже), может ускорить реакцию в 106 раз.
Ферменты ускоряют химические реакции обычно в 107-1014
раз. Например, уреаза, разрушающая мочевину,
уменьшает энергию активации ее гидролиза на 84 кДж · моль-1
и ускоряет его в 1014 раз.
До сих пор мы описывали взаимодействие фермента
с субстратом моделью «ключ-замок», в рамках которой
субстрат должен быть комплементарен жесткому
активному центру (рис. 1.2, а). Согласно современному
представлению об индуцированном соответствии,
активный центр фермента достаточно гибок и может изменять
свою конформацию при связывании субстрата. Такого
рода конформационные изменения были обнаружены,
ES
Гексокиназа Глюкоза
Рис. 1.2. Взаимодействие субстрата (S) и фермента (Е)
а - Модель «ключ-замок»; б - модель индуцированного
соответствия
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
19

например, при рентгеноструктурных исследованиях
гексокиназы, которая катализирует перенос фосфатного
остатка с АТР на глюкозу. В структуре этого фермента
можно выделить два «крыла», которые при связывании
глюкозы «складываются», образуя каталитический центр
(рис. 1.2, б). Этот конформационный переход определяет
специфичность гексокиназы к глюкозе. Структура,
которая связывает глюкозу, по-видимому, должна в какой-то
степени связывать и другие полиолы и даже молекулы
воды. В этом случае, исходя из модели «ключ-замок»,
можно ожидать от гексокиназы определенную активность
в отношении других молекул, отличных от глюкозы.
Применительно к воде это означало бы катализ гидролиза АТР,
каковой в действительности не имеет места.
Следовательно, каталитический центр возникает лишь при
связывании «правильного» субстрата - глюкозы. Другие
молекулы, если и связываются с ним, не способны вызвать
те конформационные изменения фермента, которые
обусловливают протекание ферментативной реакции.
Большинство молекул могут вступать в различные
химические реакции, каждой из которых отвечает свое
переходное состояние. В отсутствие катализа, когда
скорость превращения определяется лишь температурой,
молекулы соударяются непредсказуемым образом,
благодаря чему возникают самые разные переходные
состояния. Поэтому основная реакция обычно
сопровождается множеством побочных. Напротив, при
ферментативном катализе ускоряется только одна из возможных
реакций и образуются только определенные продукты
превращения.
Особую роль ферменты могут играть в ускорении
реакций посредством общего кислотно-основного
катализа, когда принадлежащие активному центру
протон-донорная или протон-акцепторная группы
расположены таким образом, что непосредственно участвуют
в переносе протона к переходному состоянию связанного
субстрата или от него. Точно так же (а иногда и
одновременно) ферменты ускоряют реакции благодаря тому, что
в их комплексах с субстратом «правильно»
относительно переходного состояния расположен каталитически
активный ион металла.
В ряде случаев ферменты выступают как участники
химической реакции, образуя промежуточное ковалент-
ное соединение с субстратом, которое, однако, далее
распадается, высвобождая исходную молекулу белка.
Примером здесь может служить важный класс
ферментов - сериновые протеиназы, названные так потому, что
их активные центры включают остаток аминокислоты
серина, ковалентно участвующий в протеолизе:
R-CO-NHR-R' + Н20 -> RCOCT + R'NH$ .
часть 1 Введение в химические реакции клетки
20
В ходе этой каталитической реакции ацильный
остаток, входящий в пептидную группу, сначала переносится
на реакционноспособный гидроксил серина - ОН, а
затем на молекулу воды
R-CO-NH-R" + Enz-OH + H+->Enz-0-CO-R + NH3+-R", (1)
Enz-O-CO-R + H20-> Enz-OH + R-COO" + H+. (2)
Разные сериновые протеиназы специфичны к разным
пептидам, но у всех каталитический центр содержит
реакционноспособный остаток серина. Механизм действия
этих ферментов детально изучен.
Скорость ферментативного катализа обычно
является «визитной карточкой» данного фермента. В целом, все
ферментативные реакции в клетке протекают
неизмеримо быстрее некатализируемых, вклад которых попросту
неощутим. Это ускорение, как уже отмечалось выше,
может составлять 1014 раз и даже больше. Реально в
ферментативные превращения вступает от нескольких до 107
молекул субстрата в секунду в расчете на одну молекулу
фермента. Как будет показано далее (см. с. 157), скорость
ферментативных реакций в определенном диапазоне
зависит от концентрации субстрата. Если принять ее
постоянной, то эта скорость будет определяться лишь
внутриклеточным содержанием соответствующего фермента.
Добавим, что многие ферменты обладают регуляторны-
ми механизмами, позволяющими изменять
каталитическую активность в соответствии с физиологическими
потребностями (см. главу 12, посвященную
метаболическому контролю).
Активность фермента зависит от многих факторов.
В их числе - степень ионизации его функциональных
групп, которая определяет устойчивость белковой
молекулы в целом и деятельность активного центра.
С другой стороны, имеет значение также ионизация
субстрата. Иными словами, скорость катализируемой
реакции обычно зависит от рН. Эта зависимость может
быть различной, но обычно она характеризуется
максимумом, расположенным в нейтральной области
значений рН (типичная кривая показана на рис. 1.3, а).
Случаются исключения. Так, пищеварительный фермент
пепсин работает в сильно кислой среде желудка; рН-оп-
тимум пепсина находится в области 2,0. Температура
тоже влияет на активность ферментов. С ее ростом
скорость катализируемых реакций сначала возрастает,
примерно вдвое на каждые 10° С, а далее начинает
падать из-за инактивации ферментов, поскольку они, как
и большинство белков, неустойчивы к нагреванию.
Типичная зависимость ферментативной активности
от температуры приведена на рис. 1.3, б, однако на
форму подобных кривых сильно влияют условий проведения

10 11
100
'К
20 30 40 50
Температура, °С
70
Рис. 1.3. Влияние рН (а) и температуры (б) на
относительную активность ферментов:
α -Кривая 1 с максимумом при физиологическом значении рН
характерна для большинства ферментов, кривая 2 отвечает
пепсину, функционирующему в сильно кислом содержимом
желудка;
б - резкое падение активности при высоких температурах
связано с денатурацией фермента (есть и термостойкие ферменты).
Положение максимума зависит от скорости нагревания
эксперимента: чем короче время пребывания
фермента при высокой температуре, тем меньше ее
повреждающее действие. Хотя некоторые ферменты выдерживают
нагревание, большинство из них инактивируется при
температурах выше 50° С, а некоторые и при более
низких. К этому следует добавить, что многие ферменты
активны лишь в присутствии определенных ионов
металлов, например, Mg2+, Zn2+, Fe2+ или Cu2+.
Активность ферментов изменяется также в
присутствии ингибиторов. Вещества, принадлежащие к клас-
су конкурентных ингибиторов, по строению подобны
субстрату и конкурируют с ним за активный центр
фермента. Неконкурентные ингибиторы уменьшают
активность фермента, вступая с ним в разного рода
специфические взаимодействия. Например, ион ртути
образует ковалентное соединение с тиоловой группой,
принимающей непосредственное участие в акте катализа.
В других случаях ингибитор необратимо ацилирует
фермент. Это происходит при действии аспирина на цикло-
оксигеназу, которая участвует в биосинтезе простаглан-
динов (подробности см. на с. 146).
СООН
Enz—ОН +
Циклооксигеназа Аспирин
О—С —Oh
СООН
Enz—О—С СН3 +
Ацилированный
фермент
2- Гидроксибензойная
кислота
Ацилируемая группа здесь принадлежит остатку сери-
на, который входит в состав активного центра циклоок-
сигеназы.
Как расщепление пищи в клетках
сопряжено с внутриклеточными
реакциями, потребляющими
энергию
Образование из низкомолекулярных предшественников
таких биополимеров, как белки и ДНК, не может быть
спонтанным, поскольку сопряжено со значительным
увеличением свободной энергии. В термодинамическом
контексте спонтанность означает отсутствие
потребности во внешнем источнике свободной энергии. Внешним
источником энергии является процесс окисления пищи.
Химические превращения, протекающие с
положительным изменением свободной энергии (синтетические, или
«строительные» процессы) в совокупности называют
анаболизмом, или анаболическими реакциями
(анаболические стероиды, которыми злоупотребляют
некоторые спортсмены, увеличивают массу тела - отсюда их
название). Остальная часть метаболических
превращений состоит из деструктивных процессов, протекающих
с отрицательным изменением свободной энергии. Их
называют катаболизмом, или катаболическими
реакциями. Таким образом, метаболизм включает в себя
анаболизм и катаболизм.
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
21

В результате катаболизма высвобождается свободная
энергия, которая используется для приведения в действие
энергопотребляющих анаболических реакций.
Химическое превращение, происходящее с положительным
изменением свободной энергии, требует ее притока извне,
но значение AG, характеризующее процесс в целом,
должно всегда быть отрицательным. Катаболические
реакции, при которых энергия высвобождается, часто
называют экзоэргоническими, а энергопотребляющие
анаболические реакции - эндоэргоническими. Следует
четко различать такие понятия, как химическая реакция
и химическое превращение, т. е. процесс, происходящий
в ходе ряда химических реакций. Так, соединение А
в клетке реально может превратиться в соединение X,
даже если для последнего характерна большая
стандартная свободная энергия и его образование требует
притока энергии извне. Однако это превращение протекает
как последовательность отдельных химических реакций,
каждая из которых имеет отрицательное значение AG.
Обсудим кратко, как это может произойти.
Такую совокупность реакций можно представить
общей схемой, изображенной на рис. 1.4. В результате
окисления пищи высвобождается энергия, которая
используется для приведения в действие энергетически
невыгодных процессов. Чтобы придать этой схеме глобальное
значение, рассмотрим фотосинтез, при котором световая
энергия используется для синтеза пищевых молекул
(глюкозы) из С02 и Н20. Глюкоза превращается в организмах
в другие пищевые молекулы, например в жир. Хотя
сборка крупных клеточных структур связана с уменьшением
энтропии (т.е. невыгодна), окисление пищевых молекул
сопровождается значительным увеличением энтропии
(и потому выгодно). При этом для системы в целом (клетка
и окружающая среда) изменение энтропии
положительно, так что второй закон термодинамики выполняется
в полной мере (согласно этому закону, общая энтропия
Вселенной может только возрастать).
1 Пищевые Упорядоченные
I молекуль ма!фомолекулы
τ Ι υ2 в клетке
Шкала Энергия {имическа;
свободной —►
энергии света энергия
I комолекупярныс
I неупорядоченные
I молекулы в
I СОо+НоО окружающей среде
Фотосинтез Катаболизм Анаболизм
Рис. 1.4 . Энергетический цикл жизни
часть 1 Введение в химические реакции клетки
22
Здесь можно усмотреть аналогию с автомобилем,
который поднимается в гору за счет сгорания бензина.
Однако засунув пылающее ведро с горючим под капот,
нужного эффекта не получишь, ибо должен
существовать некий механизм для передачи выделяющейся
энергии горения от ведра к колесам. Точно так же и клетка
должна уметь сопрягать экзоэргонические и эндоэрго-
нические реакции, чтобы разумным образом
использовать энергию, которой иначе суждено бесполезно
рассеяться в виде тепла.
Как это происходит? Использовать
высвобождающееся тепло невозможно потому, что в физиологических
условиях оно рассеивается. Энергия,
высвобождающаяся при расщеплении пищевых веществ, используется
в химических реакциях для совершения механической
(мускульной) работы, в осмотических и
электрофизиологических процессах. С другой стороны, для каждого
потребляющего энергию процесса организму было бы
слишком сложно создавать специфический
преобразователь энергии. Вместо этого в клетках есть общий
энергетический интермедиат, который принимает энергию от
всех реакций окисления пищи и доставляет ее туда, где
совершается работа и требуется энергия. Это более
гибкий способ передачи энергии. Снова прибегнув к
аналогии, уподобим его энергетике, опирающейся на
электричество. Свободную энергию, выделяющуюся при
сгорании угля, нефти, дерева или газа, превращают
в электроэнергию, последняя же легко может быть
передана туда, где она нужна, и использована так, как это
требуется. (Впрочем, эта аналогия не вполне верна, ибо
производство электроэнергии здесь опосредовано
использованием тепла, чего нет в клетках.) Так мы
приходим к мысли, что универсальный переносчик энергии
должен иметь химическую природу. И потому
закономерен вопрос: что же это за вещество?
Высокоэнергетический фосфат
Ответ на вопрос замечательно прост. Такое вещество
универсально для всех форм земной жизни (строго
говоря, исключения есть, но они столь экзотичны, что
лишь подчеркивают универсальность).
Общую концепцию можно изложить предельно ясно:
при распаде пищевых молекул неорганические
фосфатные ионы превращаются в фосфорильные группы
молекул так называемых макроэргических фосфатных
органических соединений (что это значит, см. ниже).
Эти молекулы в клетке транспортируются туда, где
нужно совершить полезную работу. Такая работа
совершается за счет энергии, запасенной в химических связях и
выделяющейся при обратном превращении фосфорильных
остатков в неорганические фосфатные ионы.

Тут крайне важно отметить, что ни_в коем случае
нельзя рассматривать обратное превращение фосфо-
рильных остатков как обычный гидролиз, ибо при гид-
ролизе вся выделяющаяся энергия превращается в
бесполезное тепло. Рассмотрим упрощенный механизм,
который позволяет «обуздать» энергию химических
связей и использовать ее для совершения полезной работы.
Что такое «макроэргический фосфат»?
Внутриклеточные соединения, содержащие фосфориль-
ные остатки, можно разделить на две группы.
«Низкоэнергетические», при гидролизе которых до
неорганического фосфата (Pf.) отрицательное изменение свободной
энергии AG0' лежит в пределах 9-20 кДж · моль1. И
«высокоэнергетические», или макроэргические, у которых
AG0' превышает 30 кДж · моль1. Понятие
высокоэнергетический фосфат иногда используют для описания не
самого соединения, а фосфатной связи. Однако это
противоречит принятым в химии представлениям, согласно
которым высокоэнергетическая связь - такая связь,
расщепление которой требует больших затрат энергии. По-
этому мы будем для ясности говорить о
высокоэнергетической фосфорильнои группе, подразумевая, что
присутствие такой группы придает высокую энергетичность
молекуле в целом. С этой важной оговоркой именно
высокоэнергетическую фосфорильную группу можно
рассматривать как энергетическую «валюту» живой клетки.
Концепцию иллюстрирует рис. 1.5, уточняющий рис. 1.4.
1
i
Шкала
свободной
энергии
Пищевые
шекуль
со2+н2с
02
МИР* '
энергия
Перенос внутри
клеткикместу
ыполнения работы
ρ, ρ
Перенос внутри
клеткикместу
нлработки энергии
Биологическая
работа
(химическая,
^ектр^кхкая,
осмотическая,
механическая)
Рис. 1.5. Участие фосфатных групп в энергетическом
хозяйстве клетки
-©-Фосфатная группа в молекулах, гидролиз которых
приводит к отщеплению Р. и сопряжен с высвобождением более
30 кДж ■ моль '
В чем главные структурные
особенности высокоэнергетических фосфатов?
Фосфорная кислота Н3Р04 является гидроксипроизвод-
ным фосфора, содержащим в молекуле 3 протона.
О О
II II
- - =^но-р-о- + н+
Р*а1=2,2 ^
но-р-сг ^
он
Р*а2 = 7,2
но-р-сг+н+
II
?
Р*а3=12,3
-о-р-сг+н+
0"
При физиологических значениях рН эта кислота в
растворе представлена главным образом одно- и двухза-
рядными анионами, равновесную смесь которых
биохимики обозначают сокращенно Р/, где индекс ι (от англ.
inorganic) указывает на неорганическую природу
вещества. Смеси анионов (Pf.) соответствует самый низкий
уровень свободной энергии фосфата, который условно
можно принять за исходный, или нулевой.
Степень ионизации фосфорной кислоты можно
вычислить, исходя из значений трех констант ее
диссоциации. Они могут быть представлены в виде параметров
рКа (напомним, что под рК понимают такое значение
рН, при котором в диссоциированном состоянии
находится половина соответствующих групп). Более
подробные разъяснения рКа даны в приложении к этой главе.
Его следует изучить, если вы еще не знакомы с такими
понятиями, как диссоциация, буферные растворы и т. п.
При физиологическом значении рН (скажем 7,4) группа
с рКа 2,2 полностью диссоциирована, а группа с рКа 12,3
полностью находится в недиссоциированном состоянии.
Группа с рКа 7,2 диссоциирована частично. Для
вычисления степени диссоциации химических групп можно
воспользоваться уравнением Гендерсона - Хассельбаха:
[Соль]
pH = pA:fl2 + lg
[Кислота]
7,4 = 7,2 + lg
[HPOJ]
[Η2Ρθ4]
Таким образом,
lgiH^r0'2-
Откуда следует, что
нро*-
н2ро;
1,58
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
23

Неорганический фосфат, этерифицированный
органическим спиртом, называют фосфоэфиром.
?
+ R-0-P-CT
0"
Фосфоэфир
-► R0. +
ч
-Го-
0"
Спирт Неорганический
фосфат (Pi)
При гидролизе такого фосфоэфира величина AG0'
составляет около -12,5 кДж · моль-1. Это означает, что
равновесие реакции сильно сдвинуто в сторону
образования продуктов гидролиза и обратная реакция внутри
клеток не происходит.
Точно так же, как фосфоэфиры образуются из
неорганического фосфата и спиртов, из 2 молекул фосфата
можно получить производное фосфорного ангидрида,
которое называют пирофосфатом и обозначают РР/
(пиро- означает огонь; пирофосфат может быть получен
отщеплением воды от Р, при высокой температуре).
Изменение свободной энергии при гидролизе этого
вещества значительно больше (AG0' = -33,5 кДж · моль1),
чем для фосфоэфиров.
? ?
но-р-о-р-сг
0" 0"
Неорганический
пирофосфат (РР/)
Н20
?
-**2Н0-Р-СГ+ Н+
0"
Неорганический
фосфат (Pi)
Столь значительное высвобождение свободной
энергии при гидролизе пирофосфата обусловлено
несколькими факторами.
1. Структура пирофосфата дестабилизирована
электростатическим отталкиванием двух отрицательно
заряженных фосфорильных групп. То же самое можно
представить иначе: при образовании пирофосфатной
связи нужно сблизить одноименно заряженные
остатки, преодолевая их отталкивание.
2. Продукты реакции гидролиза пирофосфатов (в
простейшем случае 2 Pf.) резонансно
стабилизированы, т.е. имеют большее число возможных
резонансных структур, чем структура пирофосфата.
Это происходит потому, что фосфорильные группы
в пирофосфатах конкурируют за электроны мости-
ковых атомов кислорода. Наличие таких электронов
необходимо для образования резонансных структур.
В результате конкуренции то одна, то другая фос-
форильная группа в РР, может резонировать, тогда
как два Pf. могут резонировать одновременно.
Кроме того, в неорганическом фосфате все Р-О связи
усреднены по свойствам, поэтому протон не связан
с каким-то определенным атомом кислорода, что
автоматически приводит к увеличению энтропии.
На приведенной ниже схеме d~ обозначает
частичный отрицательный заряд (d+ означал бы
частичный положительный заряд).
ч
О- р- 0"^
0"
δ-ο^— ρ-τ^οό
<ь-
Резонансная стабилизация фосфата
Все эти факторы способствуют протеканию реакции
гидролиза РР,, равновесие которой сдвинуто в сторону
образования Pf.. Эти рассуждения справедливы по
отношению не только к самому пирофосфату, но и к
любому соединению, содержащему фосфорноангидридную
группу, о которых речь пойдет далее. Отметим, что к
обычным сложным эфирам фосфата представленные
выше рассуждения неприложимы; именно поэтому при
их гидролизе вывобождается гораздо меньше энергии.
Пирофосфаты хотя и главные, но не единственные
биологические макроэргические производные
фосфорной кислоты. Известны еще три типа таких соединений.
К первому относятся смешанные ангидриды
фосфорной и карбоновых кислот, гидролиз которых
характеризуется величиной AG0' около -49 кДж · моль1. Столь
большое значение AG0' объясняется резонансной
стабилизацией обоих продуктов гидролиза: Pf. и карбоксилат-
ного аниона.
р
R-c' О
\ II _
О—Р-0
I
о
Ацетилфосфат
(ангидрид)
Н20
О О
// II _
— R—С +Н0—Р-0 +Н+
V А-
δ 0<->Όδ
I
R
Резонансная стабилизация
Ко второму типу соединений относятся гуанидино-
фосфаты, у которых величина AG0' благодаря
резонансной стабилизации обоих продуктов гидролиза
составляет около -АЪ кДж · моль1.
часть 1 Введение в химические реакции клетки
24

NH2^ /NH—P-0 + H20
I 0"
NH
Гуанидинофосфат
NH2^c/NH2
I
NH
I
R
+ HO—P-0
I
δ+ .
nh2;
δ+
:c>'nh2
:ΐδ+
NH
Резонансная стабилизация
К третьему типу соединений принадлежат енолфос-
фаты, имеющие совсем иное строение. Рассмотрим одно
из таких соединений - фосфоенолпируват На первый
взгляд в нем трудно угадать макроэргическое
соединение, однако при гидролитическом отщеплении
фосфатной группы образуется енольная форма пирувата,
которая спонтанно таутомеризуется в кетоформу При этом
равновесие сдвинуто в сторону образования последней,
благодаря чему суммарный процесс превращения фос-
фоенолпирувата в пируват и фосфат протекает с
выделением энергии AG0' = -61,9 кДж · моль1.
О'
СН2 О
С-
I
ч0"
-Р-
I
О"
Н20
Фосфоенолпируват
(енолфосфат)
СИ,
I
сн2
II
— с-он
I
o*Sr
'(неустойчив)
О
II
но—р—о
I
О"
(Г
(устойчив)
группу», которая далее транспортируется к месту
потребления энергии для совершения работы. Ясно, что такая
группа не существует сама по себе, а является частью
молекулы и перемещается вместе с ней. Возникает
нижеследующий вопрос...
Что в клетке служит переносчиком
фосфорильной группы?
Главным переносчиком фосфорильной группы
является аденозинмонофосфат - AMP, структура которого
изображена на рис. 1.6. AMP, несущий еще одну фосфо-
рильную группу, называют аденозиндифосфатом - ADP.
Если фосфорильных групп три, то соединение
называется аденозинтрифосфатом - АТР. Две концевые фос-
форильные группы в АТР связаны между собой точно
такой же фосфоангидридной связью, как и в пирофос-
фате. И точно так же, как пирофосфат, это соединение
гидролизуется с выделением большой свободной
энергии. Заметим, что этим АТР принципиально отличается
от AMP, который в цикле переноса энергии выступает
лишь как переносчик пирофосфатных остатков.
На рис. 1.6 показано, что гидролиз каждой из двух
концевых фосфатных групп в молекуле АТР характеризуется
величиной AG0', равной около -30,5 кДж · моль1:
следовательно, обе они могут рассматриваться как
высокоэнергетические.
НО
,. Аденин
Λдспочин
Рибоза
Низкоэнергетическая
фосфорильная
группа
Высокоэнергетические
фосфорильные
группы ,,-
А д с н о ч и н м оно φ () с φί» τ
(AMP)
AG0' гидролиза =
=-14,2 кДж-моль-1
Аде ночи ндифосфат
(ADP)
AG0' гидролиза =
=-30,5 кДж-моль-1
АдсночинтрифосфсП
(АТР)
AG0' гидролиза =
=-30,5 кДж-моль-1
В последующих главах этой книги вы еще не раз
будете встречаться с различными производными фосфорной
кислоты и обсуждать свойственные им значения AG0',
однако сейчас мы переходим к наиболее общему и
важному в этой проблеме.
До сих пор мы говорили о присутствии
фосфорильной группы в высокоэнергетических фосфатах. На рис. 1.5
показано, что неорганический фосфат преобразуется
в клетке в «высокоэнергетическую фосфорильную
Рис. 1.6 Аденозин и его фосфорилированные производные
Аденозин (изображен схематически) - это нуклеозид,
состоящий из аденина и рибозы
Окисление пищи сопряжено с превращением ADP
в АТР:
ADP + Р/
Энергия
+ АТР + Н20.
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
25

В каждый данный момент любая клетка содержит
небольшое количество АТР, которого ей хватает лишь на
короткое время. Ни АТР, ни ADP, ни AMP, молекулы
которых заряжены, не могут спонтанно диффундировать
через клеточную мембрану (см. главу 3). Поэтому
каждая клетка вынуждена сама вырабатывать АТР,
поддерживая его быстрый кругооборот, включающий гидролиз
АТР до ADP и фосфата и последующий ресинтез АТР из
этих соединений. С учетом изложенного, мы можем
модифицировать схему, представленную на рис. 1.5
(рис. 1.7). Яд цианид в основном блокирует
внутриклеточный ресинтез АТР, и смерть наступает почти
мгновенно из-за того, что энергопотребляющие процессы
останавливаются, как только резерв АТР будет исчерпан.
Шкала
свободной
энергии
1ищевые
молекул
^о2+н2о
о2

Химическая
энергия
Перенос внутри
клеткикместу
выполнения работы
ЛР АТР
Биологическая
работа
(химическая,
\dp+p, adp+p элеюрическая,
Переносвнутри осмотическая,
клеткикместу механическая)
вь ботки энергии
Рис. 1.7. Участие АТР в энергетическом хозяйстве клетки
На универсальности этого рисунка не сказываются отдельные
случаи, когда с выполнением работы сопряжен гидролиз АТР
до AMP
Как АТР подвергается
химическим превращениям?
Предположим, клетке требуется синтезировать
соединение X-Y из двух компонентов, Х-ОН и Y-H, причем для
этого процесса значение AG0' равно 12,5 кДж · моль1.
Прямая реакция Х-ОН + Y-H —» X-Y + Н20 не пойдет,
поскольку она эндоэргонична и равновесие сильно
смещено влево. Ниже показано, как решается эта проблема
путем сопряжения синтеза X-Y с гидролизом АТР.
Сопряженными будем называть те реакции, когда продукт одной
из них является исходным веществом для другой. При этом
речь идет только о системе реакций в чисто химическом
смысле. Все внутриклеточные реакции с участием АТР
катализируются ферментами. Тот факт, что гидролиз
каждой из двух фосфорноангидридных групп сильно экзоэр-
гоничен, не означает, что АТР является нестабильным или
высокореакционноспособным соединением (в виде
белого порошка его можно хранить неопределенно долго
в обычном холодильнике).
Реакция 1: ΧΟΗ + ΑΜΡ-(ΡΧΕ) —^ Χ"® + ΑΜΡ-®.
Реакция 2: X-(P) + YH —► X-Y + Ρ,-.
Сумма 1+2: ΧΟΗ + ΥΗ + ΑΜΡ-(Ρ}-® ►
► Χ-Υ + ΑΜΡ-(Ρ) + Ρ,·.
Результирующее значение AG0' здесь должно быть
арифметической суммой величин AG0',
соответствующих реакциям 1 и 2. Поскольку AG0' для реакции
Х-ОН + YH -^ X-Y + Н20 составляет 12,5 кДж · моль"1,
а для гидролиза АТР (АТР + Н20 -> ADP + Ρ.)
AG0' =-30,5 кДж · моль"1, результирующее значение
AG0'=-18,0 кДж · моль1. Это означает, что суммарный
процесс сильно экзоэргоничен и, следовательно,
протекает вплоть до практически полного завершения
(константа его равновесия ~103, т. е. в равновесных условиях
на 99,9% смещено в сторону X-Y; см. табл. 1.1).
Заметим, что здесь имеет место не прямой гидролиз АТР
до ADP и фосфата. Фосфатная группа сначала
переносится на молекулу одного из реагирующих компонентов
и лишь потом отщепляется в свободном виде.
В клетке реальное значение AG0 для любых
процессов гидролиза АТР до ADP и фосфата гораздо
больше стандартной величины AG0', поскольку
концентрации всех участвующих в реакции веществ
существенно меньше 1М. Если истинные
концентрации известны, свободную энергию можно вычислить
с помощью уравнения:
[Продукты реакции]
AG = AG° + /?77-2,3031g
[Исходные вещества]'
где R - газовая постоянная (8,315 Дж · моль1 · Кг1),
а Т - температура в градусах Кельвина (298 К = 25° С).
Хотя концентрации АТР, ADP и Pf. в различных
клетках неодинаковы, в среднем они близки к ΙΟ3 Μ для АТР
и Р1и 10^ Μ для ADP. Для простоты предположим, что
все эти концентрации равны 1 мМ. Подставляя это
значение в уравнение:
[ADP][Pf]
AG = AG°' + /?77-2,303lg
[АТР]
получаем:
AG = -30,5кДж · моль"1 +
+ (831,5-10-3)(298)2,303 lg [1°~ ][13°~ ] =
= -30,5 - 17,1= -47,6кДж · моль"1.
Описанная выше последовательность реакций
характерна для многих биосинтетических процессов,
сопряженных с расщеплением АТР. Однако при биосинтезе
таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты,
часть 1 Введение в химические реакции клетки
26

природа использует более эффективный энергетический
трюк: от АТР отщепляется не одна, а две фосфатные
группы. Благодаря чему отрицательное изменение AG столь
велико, что эти процессы протекают до полного
завершения и совершенно необратимы. Как это достигается,
мы покажем, опять-таки, на примере той же реакции
Χ-ΌΗ + ΥΗ->Χ-Υ + Η20.
Реакция 1: ΧΟΗ + АМР-®~® * Х-АМР + РР,.
Реакция 2: Х-АМР + ΥΗ ► Χ-Υ + AMP.
Сумма 1+2: ΧΟΗ + ΥΗ + АМР-<Р)-(Р) + Н2° ►
► Χ-Υ + AMP + 2Р,-.
Предположим, как и ранее, что для реакции
Х-ОН + ΥΗ -^ Χ-Υ + Н20 изменение AG0' составляет
12,5 кДжмоль1, AG0'для реакции АТР + Н20 -^
—> AMP + РР, равно -32,2 кДж · моль1, а для
гидролиза РР, AG0'равно -33,5 кДж · моль1.
Реакции АТР + Н20 —» AMP + 2Pf. соответствует
AG°=-65,7 кДж · моль1, а итоговому синтезу X-Y,
протекающему сопряженно с этой реакцией, будет отвечать
весьма значительная отрицательная величина
АСР=-65,7 - 12,5=-53,2 кДж · моль"1.
Эффективность суммарной реакции зависит от того,
насколько быстро в клетке расщепляется
неорганический пирофосфат РР,. Его гидролиз катализирует
специальный фермент пирофосфатаза, который можно
назвать движущей силой важнейших процессов
биосинтеза.
НО-Р-О-Р-0-0" ^—► ZHO-P-CT+H4.
I I I
О" О" 0"
Неорганический Неорганический
пирофосфат (РР/) фосфат (Pi)
Как с помощью АТР
совершаются другие виды работ?
Энергия, высвобождающаяся при расщеплении АТР,
помимо участия в химических реакциях обеспечивает
мышечное сокращение, генерацию электрических
сигналов, а также перекачку ионов и молекул против
градиентов их концентраций. Механизмы всех этих процессов,
которые подробнее будут рассмотрены позже,
принципиально сходны в том, что для их осуществления
используется свободная энергия, освобождающаяся при
расщеплении АТР.
Замечание о соотношении между AMP,
ADP и АТР
Выше было сказано о том, что во многих случаях
АТР-зависимый синтез химических соединений в клетке
приводит к образованию не ADP + Р/9 а АМР + РР,.
В то же время АМР, в отличие от ADP, не превращается
в АТР при окислении пищевых веществ (см. рис. 1.6).
Какова же судьба образующегося АМР? Ответ можно найти
в обратимой реакции переноса фосфатного остатка с АТР
на АМР: АМР + АТР <-> 2 ADP. Ее катализирует фермент
АМР-киназа. Киназами называют ферменты,
осуществляющие перенос фосфатного остатка с АТР на молекулу
акцептора. Термин АМР-киназа означает, что акцептором
фосфата является АМР (поскольку другое название АМР -
адениловая кислота; этот же фермент иногда называют
аденилаткиназой). Заметим, что фосфатный остаток при
этом переносится непосредственно от одной молекулы к
другой, а изменение свободной энергии относительно
невелико. Далее вы убедитесь, что такого рода «перетасовка»
энергетических ресурсов широко распространена.
Образующийся в данном случае ADP может быть вовлечен в
синтез АТР, сопряженный с окислением пищевых веществ.
Детальному рассмотрению механизмов, посредством
которых при окислении пищи из ADP и Р, образуется
АТР, будет уделено особое внимание в главах,
посвященных метаболизму. Здесь мы лишь в самом общем виде
затронули вопросы, касающиеся использования энергии
АТР для совершения полезной работы. Конкретные
механизмы утилизации энергии АТР будут подробно
рассмотрены в следующих главах.
А сейчас мы несколько изменим тему, хотя и
продолжим анализ изменений свободной энергии в химических
процессах.
Слабые связи
и изменения свободной энергии
До сих пор речь шла о явлениях, связанных с
образованием и расщеплением ковалентных связей. Теперь пора
перейти к рассмотрению нековалентных связей,
называемых также вторичными, или слабыми (два последних
эпитета не отражают их значимости для жизни).
В реакциях, катализируемых ферментами,
происходит перераспределение связей между атомами, однако
суммарное число связей при этом сохраняется. Когда два
атома соединяются посредством химической связи,
выделяется определенное количество энергии:
X + X -» X—X + энергия,
где X - свободный атом.
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
27

Два таких атома соединяются связью, которая ранее
не существовала. Мы не рассматриваем здесь обычные
химические реакции, в ходе которых число ковалентных
связей не увеличивается.
Чтобы обратить рассмотренное превращение и
разорвать химическую связь, нужно затратить столько же
энергии, сколько выделилось при образовании связи:
X—X + энергия —> X + X.
Образование обычной ковалентной связи происходит
с выделением значительной энергии; следовательно,
значительная энергия должна быть затрачена и на ее
расщепление. Такого рода расщепления в биохимических
системах не происходят, что можно проиллюстрировать
на примере кислорода, который существует в виде
молекул 02. Их образованию из атомарного кислорода
отвечает большое значение AG0', около -460 кДж · моль1,
поэтому равновесное содержание атомарного кислорода
исчезающе мало.
В обычных химических реакциях расщепление
одной химической связи сопровождается
одновременным образованием другой ковалентной связи через
переходное состояние. При этом суммарное
изменение энергии оказывается гораздо меньше, чем
необходимо для расщепления ковалентных связей. Однако
нековалентные слабые связи между отдельными
атомами или группами атомов в растворе непрерывно
возникают и исчезают. Они достаточно прочны, чтобы
участвовать в формировании структуры вещества, но
не настолько устойчивы, чтобы исключить
разрушение этой структуры. Иными словами, такие связи
определяют гибкость структуры молекулы. Их
основополагающее значение выявится при рассмотрении
мембран, белков и ДНК. В действительности эти связи
слабы и вторичны не по их значению, а лишь по
энергии их образования (AG0' = -4-^30 кДж ■ моль1),
которая достаточно мала для того, чтобы они легко
разрывались. Известны три типа слабых связей: ионные,
водородные и ван-дер-ваальсово притяжение.
Ионные связи возникают как следствие
электростатического притяжения между достаточно близко
расположенными группами, несущими постоянные по
величине заряды. Типичным примером таких связей
может служить взаимодействие между отрицательно
заряженной карбоксилатной и положительно
заряженной аммонийной группами:
-СОСГ
+NH,
Связи также возникают вследствие
электростатического притяжения между атомами полярных
молекул, однако здесь речь идет о гораздо менее выраженном
разделении зарядов, чем в случае ионных связей. А
именно - об электрическом дипольном моменте. Рассмотрим
в качестве примера распределение зарядов в молекуле
воды.
о-р-сг
0"
^ΟτΡτ-Ό6"
4 К
н+.
Резонансная стабилизация фосфата
Атом кислорода в молекуле воды
электроотрицателен. Это означает, что он оттягивает на себя электроны,
образующие связь более эффективно, чем атомы
водорода. В результате в молекуле воды атом кислорода
приобретает частичный отрицательный заряд, а атомы
водорода - соответствующие частичные положительные
заряды. Это приводит к возникновению между атомами
О и Η соседних молекул воды слабых притяжений,
называемых водородными связями. Каждая молекула
воды может быть связана с 4 другими молекулами,
поскольку атом кислорода участвует в образовании 2
водородных связей, а каждый атом водорода - в одной.
Не только в воде, но и в других молекулах атомы
водорода участвуют в образовании водородных связей, если
они ковалентно присоединены к электроотрицательным
атомам. В биохимических структурах роль последних
чаще всего выполняют атомы кислорода и азота. Кроме
водорода в образовании водородной связи участвует
и его партнер - электроотрицательный акцепторный
атом, обычно также кислород или азот.
Здесь показаны наиболее часто встречающиеся типы
водородных связей.
-0-Н..-0-
-0-Η---Ν-
-Ν-Η---0-
-Ν-Η---Ν-
Водородная связь характеризуется определенной
направленностью. Ее прочность максимальна, когда все
вовлеченные в нее атомы расположены на одной прямой.
О ван-дер-ваальсовых силах говорят при описании
слабых взаимодействий между тесно сближенными
атомами, когда флуктуации электронной плотности в таких
атомах индуцируют образование диполей. Эти силы
неспецифичны и являются единственным типом слабых
связей, возникающих между неполярными молекулами,
которые неспособны образовать ионные и водородные
связи. Ван-дер-ваальсовы силы действуют между любыми
часть 1 Введение в химические реакции клетки
28

двумя атомами, если они сближены настолько, что их
электронные оболочки почти соприкасаются. При этом
притяжение обратно пропорционально расстоянию между
атомами в шестой степени. Отсюда понятна
необходимость тесного сближения атомов. Однако, если
атомы заставить сблизиться еще больше, их электронные
оболочки начнут перекрываться, что приведет к
возникновению сил отталкивания. Таким образом, ван-дер-вааль-
совы силы эффективны лишь в узком диапазоне
межатомных расстояний.
Все три типа слабых связей объединяет то, что они
возникают как короткодействующее притяжение.
Различаются же они своей длиной и энергией образования: AG0'
для ионных связей составляет около 20 кДж · моль1, для
водородных - 12ч-19 кДж · моль-1, а для ван-дер-вааль-
совых - 4^-8 кДжмоль-1. Для сравнения: энергия
образования ковалентной связи составляет сотни кДжмоль1.
Значение слабых связей состоит в том, что именно
они ответственны за внутри- и межмолекулярную
ассоциацию молекул. Здесь необходимо вспомнить о
факторе, который также способствует ассоциации, хотя его
и нельзя отнести к подлинному связыванию: речь идет
о так называемом гидрофобном связывании, или
гидрофобном взаимодействии.
Полярные вещества вроде сахара растворимы в воде,
потому что их молекулы хотя и нарушают водородные
связи между молекулами воды, но и сами образуют с
ними такие связи, что в целом оказывается энергетически
предпочтительным. Соли, например NaCl, растворимы
в воде потому, что вокруг ионов Na+ и С1~ возникают гид-
ратные оболочки, которые взаимодействуют с ионами
сильнее, чем эти ионы между собой. В результате ионы
расходятся, а это, в свою очередь, приводит к
значительному росту энтропии при переходе от кристалла к
раствору. Что произойдет, если попытаться растворить в воде
неполярное вещество, скажем оливковое масло? Его
молекулы не могут образовать водородные связи с
окружающими молекулами воды. Это означает, что у
пограничных с маслом молекул воды некоторая доля потенциально
способных к связыванию атомов останется без
партнеров. Чтобы уменьшить число подобных атомов,
молекулы воды перестраиваются таким образом, что
приобретают упорядоченность большую, чем в обычной
воде (энтропия уменьшается). Это препятствует
растворению в воде масла и других неполярных веществ -
и одновременно вызывает слипание отдельных
неполярных молекул, поскольку при этом уменьшается
совокупная площадь их контакта с молекулами воды. Внешне
это выглядит как подталкивание неполярных молекул друг
к другу. Силы, действующие при этом, принято называть
гидрофобными. Гидрофобные группы присутствуют
и в белках, и в ДНК, и в других внутриклеточных
молекулах и потому играют важную роль в формировании их
структуры. Просто удивительно, сколь многое в живых
клетках определяется необходимостью «спрятать»
гидрофобные группы от воды!
Что вызывает образование и разрыв
слабых связей?
Образование слабых связей происходит с уменьшением
свободной энергии системы и не требует преодоления
сколько-нибудь заметного активационного барьера.
Поэтому такие связи возникают между подходящими и
притом достаточно сближенными атомами совершенно
спонтанно, без участия ферментов. Мы уже упоминали
о соотношении, связывающем константу равновесия
реакции с величиной AG0' (результаты соответствующих
вычислений представлены в табл. 1.1). Из них следует,
что даже в том случае, когда при образовании слабой
связи AG0' составляет всего -5,7 кДж - моль1,
соответствующее равновесие реакций сильно смещено в
сторону связывания. Если же AG°= -11,4 кДж · моль1,
степень связывания достигает 99%. Отсюда видно,
насколько образование слабых связей чувствительно
к величине изменения свободной энергии.
Нельзя забывать, что равновесие - динамический
процесс: отдельные связи постоянно разрываются
и образуются вновь. Что вызывает разрыв связи?
Для этого достаточно передать связанным атомам
такое же количество энергии, какое ранее высвободилось
при образовании данной связи. Эта энергия черпается
из кинетической энергии соседних молекул,
соударяющихся со связанными атомами благодаря тепловому
движению. Даже при физиологических значениях
температуры кинетической энергии наиболее быстрых
молекул вполне хватает, чтобы разорвать слабую связь.
Если слабые связи так легко рвутся,
каково их значение в биохимических
системах?
Возьмем, например, ван-дер-ваальсово притяжение.
Отвечающая ему свободная энергия едва превышает
тепловую энергию молекул в растворе, и соответствующие
связи постоянно образуются и разрываются. Неужели
столь эфемерное взаимодействие может иметь какое-
либо значение? Хотя и в меньшей степени, но это
относится и к другим типам слабых связей.
Как ни парадоксально, именно слабость таких
связей определяет их центральную роль в явлениях жизни.
Их главная особенность состоит в исключительной
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
29

специфичности. Взаимное узнавание биологических
молекул происходит с такой исключительной точностью, что
связываются лишь те из них, которые отобраны для этого
эволюцией.
Вот несколько примеров. Фермент избирательно
ускоряет только одну определенную реакцию: прежде всего
потому, что его активный центр связывает только один
или немногие из потенциально способных к
образованию такой связи субстратов. Гормон оказывает строго
определенное действие, поскольку он связывается не с
любым, а только с предназначенным для него белком-
рецептором. Функционирование генов зависит от
специальных белков, которые распознаются и связываются
с определенными участками ДНК. Антитело образует
комплекс только с соответствующим ему антигеном. Этот
список необъятен, и по мере изучения биохимии вы
будете встречать все новые и новые примеры
специфичности. Как же обеспечивается столь высокая
избирательность при межмолекулярных взаимодействиях?
Именно благодаря слабым связям. При этом важно
нижеследующее.
1. Объединение молекул в устойчивый нековалентный
комплекс возможно лишь при одновременном
образовании не одной, а многих слабых связей.
2. Слабые связи требуют тесного сближения
взаимодействующих атомов, а водородные связи, кроме того,
их определенной взаимной ориентации.
Поэтому связываются только те молекулы-партнеры,
которые по своей структуре комплементарны друг
другу. Это правило соблюдается настолько безукоризненно,
что иногда достаточно поменять всего один атом в
молекуле субстрата или активном центре фермента, чтобы они
перестали взаимодействовать.
Наряду со специфичностью важнейшей
особенностью взаимодействий в биологических системах
является их транзиторный характер. Связывание в
активном центре фермента не может быть очень прочным.
И функционирование гена, и контроль за ним также
предполагают легкую обратимость ответственных за это
взаимодействий. Это жестко ограничивает диапазон
допустимых для таких взаимодействий отрицательных
значений AG0' (т. е. констант равновесия): они должны
быть достаточно велики, чтобы слабые связи легко
образовывались, и вместе с тем достаточно малы, чтобы эти
связи легко нарушались, обеспечивая в целом
необходимую степень обратимости взаимодействия. В случае же
взаимодействия типа «антиген - антитело» большое
число слабых связей приводит к практически необратимому
связыванию. Итак, слабые связи позволяют точно
дозировать межмолекулярные взаимодействия и лежат в
основе биологической избирательности. Если таких связей
часть 1 Введение в химические реакции клетки
30
предусмотрено немного, то взаимодействие вполне
обратимо, в противном же случае образуются прочные
меж- или внутримолекулярные взаимодействия. Роль
слабых связей в биохимических системах станет выглядеть
еще более значимой при дальнейшем знакомстве
с мембранами, структурой белков, строением и
функционированием генов.
Таким образом, все изложенное выше можно
рассматривать как предисловие к двум последующим
главам о структуре белков и биологических мембранах. Обе
эти темы необходимы для понимания метаболизма,
которому посвящена первая половина книги.
Буферные растворы
и значения рКа
Биохимику совершенно необходимо понимать, что
такое буферные растворы и что такое рКа. Удобно
выделить эту тему в отдельный раздел, дабы она не
затерялась в основном тексте.
В живых клетках рН поддерживается в пределах
7,2 -7,4. Лишь в некоторых особых ситуациях рН
выходит за эти пределы, например в полости желудка,
где секретируется НС1, или в лизосомах, куда
специально закачиваются протоны. Постоянство рН
соблюдается несмотря на то, что при метаболических процессах
происходит, скажем, образование молочной и ацетоук-
сусной кислот или имеет место характерное для крови
превращение С02 в Н2СОэ.
В значительной мере постоянство рН обеспечивается
буферным действием слабых кислот. Термин слабая
означает, что в данных условиях такая кислота лишь
частично диссоциирована.
Карбоновая кислота диссоциирует, высвобождая
протон:
R-COOH <-> R-COCT+H+
Донор и акцептор протона в этом и подобных ему
уравнениях называют сопряженными кислотой и
основанием. В общем виде уравнение диссоциации кислот
можно записать так:
НА<->Н++А~
Кислоты различаются по склонности к диссоциации.
Говоря о том, что одна кислота более сильная, а другая -
более слабая, имеют в виду, что первая из них
диссоциирует легче. Так, в растворе 0,1 Μ муравьиной кислоты
(НСООН) рН меньше, чем в растворе уксусной кислоты
(СН3СООН): последняя является более слабой.
Способность кислоты к диссоциации можно количественно

выразить константой диссоциации Ка; чем она больше,
тем в большей степени кислота диссоциирует, т. е. тем
она сильнее:
К =
[Н+][А~]
[НА]
Для уксусной кислоты Ка= 1,74 · 10~5. Вместо
константы диссоциации биохимики гораздо чаще
используют родственный параметр рКа, который связан с ней
уравнением:
| рк„=-18л:а|
Таким образом, рКа уксусной кислоты равно 4,76,
а муравьиной - 3,75. Эти значения представляют собой
рН, при котором кислота наполовину диссоциирована.
С увеличением рН степень диссоциации кислоты
возрастает, а с уменьшением рН падает. О влиянии
концентрации Н+-ионов на положение равновесия реакции
диссоциации НА <-> Н+ + А~ можно судить по данным,
представленным на рис. 1.8.
Кислота R - СООН (рКа 4,2)
R - COO" %
рН
увеличивается
рН
уменьшается
99% при рН 6,2
90% при рН 5,2
50% при рН 4,2
50% при рН 4.2
90% при рН 3,2
99% при рН 2,2
Амины тоже имеют свои рКа, поскольку их протони-
рованная (аммонийная) форма может диссоциировать
с отщеплением протона и, соответственно,
рассматриваться как кислота.
R-NH^ <-> R-NH2 + Н+
В этом случае степень диссоциации уменьшается
с ростом рН, тогда как у карбоновых кислот она
возрастает. Увеличение концентрации Н+ приводит к
увеличению протонирования как карбоновых кислот, так и амин-
ных оснований, с той разницей, что в первом случае
количество ионизированных форм уменьшается, а во
втором - увеличивается (см. рис. 1.8).
Как связаны значения рКа
и буферные растворы
Если понемногу добавлять раствор 0,1 Μ NaOH к
раствору 0,1 Μ уксусной кислоты и после каждой такой добавки
измерять рН, то можно построить график, приведенный
на рис. 1.9. Такого рода эксперимент называется
титрованием. В начале титрования добавляемые ионы ОН
нейтрализуют присутствующие в растворе ионы Н+
(уксусная кислота слегка диссоциирована), а рН при этом
увеличивается быстро. Однако, по мере того как рН
приближается к рКа уксусной кислоты, в ответ на
каждую добавку щелочи все большая доля уксусной
кислоты диссоциирует с образованием ацетата и водородных
ионов. Последние все в большей степени нейтрализуют
добавляемые ионы гидроксила, так что в результате
изменения рН становятся все меньше. С учетом того, что
ацетат натрия полностью диссоциирован, реакцию
можно описать уравнением:
R-COOH, %
СН3СООН + ОН-
СН3СОСГ + Н20.
Амин R-NH2 (ρ/ς 9,2)
R - NH2, %
рН
увеличивается
рН
уменьшается
99% при рН 11,2
90% при рН 10,2
50% при рН 9,2
50% при рН 2,2
90% при рН 8,2
99% при рН 7,2
R - NH3, %
Рис. 1.8. Влияние рН на ионизацию -СООН и -NH2 групп
(данные любезно предоставлены R. Rogers)
NaOH
СН3СОО-
Максимальная
буферная емкость
4,76
рН
Рис. 1.9. Кривая титрования уксусной кислоты (рКа 4,76)
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
31

Точно так же по другую сторону pKfl по шкале рН
добавление в среду ионов Н+ вызывает относительно
небольшие изменения рН благодаря следующей реакции:
СН3СОСГ + Н+ -> СН3СООН.
В этом и заключается буферный эффект уксусной
кислоты. Он максимален вблизи рКа, где уксусная
кислота и ацетат присутствуют в эквимолярных количествах.
Биохимики пользуются таким эмпирическим
правилом: буфер эффективен в интервале единицы рН, центр
которого приходится на величину рКа. Для вычисления
рН раствора, содержащего смесь сопряженной пары
кислота-основание, можно использовать уравнение Гендер-
сона-Хассельбаха:
pH = p*e + lg
[Акцептор протона]
[Донор протона]
которое обычно записывают в виде:
[Соль]
pH = pKa + \g
[Кислота]
Оно применимо для любой смеси уксусной кислоты
и ацетата, что позволяет подобрать ацетатный буферный
раствор с нужным значением рН. Для раствора,
содержащего 0,1 Μ уксусной кислоты и 0,1 Μ ацетата натрия,
рН = 4,76 + lg ψΐ = 4,76 + 0 = 4,76.
Если же раствор содержит 0,1 Μ уксусной кислоты
и 0,2 Μ ацетата натрия, то
рН = 4,76 + lg ί^ = 4,76 + lg2 = 4,76 + 0,3 = 5,06.
Предположим, что к раствору 0,1 Μ уксусной
кислоты и 0,1Μ ацетата натрия добавлена щелочь до
концентрации 0,05 М. Тогда половина уксусной кислоты будет
превращена в ацетат. После этого величина рН составит:
рН = 4,76 + lg ^13 = 4,76 + lg3 = 4,76 + 0,48 = 5,24.
Смесь ацетат-уксусная кислота не обладает
буферным действием при физиологических значениях рН.
Однако в организмах есть вещества, рКа которых позволяет
им служить эффективными буферами при рН~7.
Важнейшими среди таких веществ являются фосфатный ион
и его производные. При диссоциации фосфорной
кислоты может отщепляться 3 протона, причем отщеплению
второго (Н2Р04 <-> НРО \+ Н+) соответствует рКа 6,86.
Поэтому фосфат служит превосходным
внутриклеточным буфером.
Буфером могут служить также имидазольные
радикалы в остатках аминокислоты гистидина, входящей
в состав белков. Протонированию этих радикалов
отвечает рА^~6.
H3N—CH-COO" H3N—CH-COO"
I I
сн2 ^ сн2
+ н+
ΝΗ^Ν+Η
ΝΗ^Ν
Вы можете наблюдать роль буфера, поставив
простейший опыт. Наполните пробирку дистиллированной водой,
доведя ее рН до 7 с помощью разбавленной щелочи
(дистиллированная вода обычно слегка кислая из-за
растворенного в ней С02). Если к воде прибавить несколько капель
разбавленной соляной кислоты, ее рН резко уменьшится.
Проделайте то же с децимолярным раствором фосфата
натрия: рН раствора почти не изменится. Вот это и есть
буферное действие фосфата.
Таким образом, буферное действие веществ с рКа~1
предохраняет клетки и межтканевые жидкости от
значительных изменений рН.
Дополнительная литература
Термодинамика
Newsholme Ε. Α., Leach A. R. II Biochemistry for medical
sciences. N. Y.: Wiley, 1983. P. 10-45.
(Изложение законов термодинамики применительно к
метаболизму.)
Nelsestuen G. L. IIA partial remedy for the non-relationship
between reversibility of a reaction in the cell and the value
of AG0'. Biochem. Education. 1989. Vol.17. P. 190-192.
(Обсуждается, почему реакция, катализируемая альдо-
лазой, обратима, хотя для нее характерно большое
значительное отрицательное значение AG0'.)
Ферментативный катализ
Steitz Т. A.t Shoham Μ., Bennett W. S. Jr. II Structural
dynamics of yeast hexokinase during catalysis. London: Phil.
Trans. Roy. Soc. Series B. 1981. Vol. 293. P. 43-52.
(Обсуждаются конформационные изменения в гексо-
киназе при связывании этим ферментом субстрата —
глюкозы.)
Srere P. А. II Why are enzymes so big? Trends Biochem. Sci.
1984. Vol. 9. P. 387-390.
(Вынужденно спекулятивная, но весьма интересная
статья.)
часть 1 Введение в химические реакции клетки
32

Koshland D. Ε. Jr. // Evolution of catalytic function. Cold
Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1987. Vol. 52.
P. 1-7.
(Четкое и лаконичное описание роли активных центров
и конформационных изменений фермента в
ферментативном катализе.)
Kraut J. II How do enzymes work? Science. 1988. Vol. 242,
P. 533-40.
(Ферментативный катализ описан исходя из принципа
стабилизации переходного состояния. В качестве
примеров использованы механизм действия цинк-содержащих
протеаз и получение каталитически активных антител,
специфичных к соединениям, являющимся
структурными аналогами истинных субстратов.)
Понятие макроэргического фосфата
Lipmann ΕII Metabolic generation and utilisation of
phosphate bond energy. Adv. Enzymol. 1941. Vol. 1. P. 99-162.
(Знаменитый обзор, в котором впервые изложена
концепция АТР-зависимых клеточных процессов. Обзор,
разумеется, устарел, но концепция эта жива и здравствует!)
Вопросы к главе 1
1. Представьте себе мужчину весом 70 кг, питание
которого позволяет удовлетворить его энергетические
затраты - 10 000 кДж в день. Допустим, что свободная
энергия, которую он получает с пищей, используется
для образования АТР из ADP и ?i с
эффективностью 50%. В клетке AG превращения ADP + Р,
приблизительно равно 55 кДж · моль1. Вычислите,
сколько весит АТР, синтезируемый этим человеком
за один день (количество выразить в граммах динат-
риевой соли АТР с молекулярной массой 551).
2. Стандартная величина изменения свободной энергии
гидролиза АТР до ADP и фосфата составляет
-0,5 кДж · моль1. Объясните, почему в предыдущем
вопросе значение 55 кДж · моль1 считается
количеством свободной энергии, необходимой для синтеза 1
моля АТР из ADP и Р, в клетке.
3. Почему AG0' гидролиза АТР в ADP + Р, и ADP
в AMP + Pf. составляет -30,5 кДж · моль1, тогда
как для гидролиза AMP до аденозина и Pf. величина
AG0' = -14,2 кДж · моль-1? В чем причина такого
большого различия?
4. Какую информацию можно извлечь из кривой
температурной зависимости ферментативной активности?
5. Объясните, почему:
а) бензол практически нерастворим в воде;
б) полярные молекулы глюкозы растворимы в воде;
в) NaCl растворим в воде.
6. Катаболизм пищи в клетке устроен так, что
обеспечивает превращение ADP в АТР, но не может
непосредственно превратить AMP в АТР. Между тем
многие ферментные системы превращают АТР
в AMP. Как организм справляется с накоплением
AMP?
7. Фермент катализирует синтез соединения X-Y из ΧΟΗ
и ΥΗ, сопряженный с расщеплением АТР до AMP и
неорганического пирофосфата. Стандартное
изменение свободной энергии при реакции
ΧΟΗ + ΥΗ -^Χ-Υ + Н20 составляет 10 кДж · моль1.
Вычислите AG0' ферментативной реакции в клетке, а
также при использовании очищенного фермента.
Объясните полученные результаты. (В расчетах
рекомендуем использовать для гидролиза АТР до AMP
и РР, величину AG0'= -33,2 кДж · моль1, а для
гидролиза РР/ AG0' = -33,4 кДж · моль-1.)
8. Какие типы слабых связей используются в
биологических системах и каковы их энергетические
характеристики? Почему для образования этих связей не
нужен ферментативный катализ? Каково значение
слабых связей?
9. Диссоциация фосфорной кислоты описывается
тремя рКа: 2,2; 7,2;12,3.
а) Какая из ионных форм доминирует при рН 0, рН 4,
рН9ирН 14?
б) Вычислите рН водного раствора эквимолярной
смеси NaH2P04 и ^НР04.
в) Какую аминокислоту из числа природных вы
выбрали бы в качестве буфера для поддержания
физиологического значения рН?
10. Окисление глюкозы до С02 и воды протекает с
выделением очень большого количества энергии. Как
объяснить тот факт, что глюкоза на воздухе вполне
устойчива к окислению?
11. Как ферменты катализируют химические реакции?
глава 1 Химия, энергия и метаболизм
33

глава
2
Структура белков
С полным правом можно утверждать, что нет другого
вещества с такими удивительными свойствами, как
белок. Ничего нельзя понять в биохимии, не оценив
всеобъемлющей роли белков в жизни. Если клетке нужно
совершить какую-либо работу, почти всегда ее
выполняет определенный белок. Жизнь зависит от тысяч
белков, которые устроены так, что их молекулы с
невероятной точностью распознают другие молекулы и
взаимодействуют с ними. Химические реакции в клетке
протекают благодаря связыванию ферментов с
субстратами, а скорость ферментативных реакций во многих
случаях определяется избирательным связыванием
аллостерических регуляторов со специфическими
участками фермента. Работа такой сложнейшей структуры,
как мышца, основана на белок-белковых
взаимодействиях. Действие генов управляется белками, которые
взаимодействуют с определенными участками ДНК. Точно
так же в основе гормонального контроля лежит
избирательное взаимодействие гормонов с белковыми
рецепторами. Распознавание молекул белками происходит при
трансмембранном транспорте, в том числе и при
генерации нервных импульсов. Белок-белковые
взаимодействия обеспечивают иммунитет путем образования
комплексов антиген-антитело. И таким избирательным
взаимодействиям нет конца.
Данная глава посвящена химическому строению
белков - гигантских молекул, которые выполняют
широкий спектр функций.
Первичная структура белков
Белки представляют собой полипептидные цепи. Их
молекулы могут состоять из нескольких цепей, но пока
ограничимся одноцепочечными белками. Полипептидная цепь
состоит из большого числа соединенных между собой
аминокислот. Природа использует в белках 20
аминокислот; если обозначить их буквами, то полипептидную
цепь можно представить как слово из сотен таких букв.
Самая длинная из известных полипептидных цепей
содержит около 5000 аминокислот, однако большинство
белковых цепей имеет менее 2000 аминокислотных
звеньев. В принципе аминокислотный «алфавит»
допускает существование практически бесконечного множества
различных белков - «слов».
Это означает, что эволюционный отбор не ограничен
числом белковых структур. Вероятно, именно поэтому
белки были избраны носителями столь большого числа
биологических функций. Будь число возможных цепей
ограниченным, из них нельзя было бы отобрать в ходе
эволюции оптимальные, поскольку шанс добиться
нужного результата при случайной сборке цепи крайне мал.
Ниже показана структура α-аминокислоты,
которая в нейтральных водных растворах находится в виде
цвиттер-иона.
H2N—СН—СООН
R
α-Аминокислота
+hUN-
-СН-
I
R
СОО"
Цвиттер-ион
Каждая из аминокислот, за исключением пролина,
содержит общий фрагмент H2N-CH-COOH, так что
различаются они только боковой группой R,
прикрепленной к α-углеродному атому. Все аминокислоты в белках
имеют L-конфигурацию (кроме глицина, в молекуле
которого нет асимметрического атома).
Две аминокислоты можно соединить вместе, если
отщепить от них молекулу воды (в клетке это достигается
не столь простым способом). При этом образуется ди-
пептид, его строение показано ниже (для простоты -
в неионизированном состоянии). Связь -СО-NH-
называют пептидной связью.
H2N—CH-COOH H2N—CH-COOH
R R'
Две аминокислоты
Пептидная связь
H2N—CH-C—NH-CH-COOH
R'
Дипептид
В дипептиде есть концевые амино- и карбоксильная
группы; поэтому к нему можно присоединять всё новые
аминокислоты, переходя таким образом к полипептиду.
О
О
HUN—CH-C—NH-CH—С-
R1
I
R2
I
R"
О
NH-CH-C4NH-CH-COOH
-1/7
I
R3
Пол и пептид
часть 2 Структура белков и мембран
36

Хотя четкого разграничения не существует,
короткие цепи принято называть пептидами, или олигопеп-
тидами (олиго- значит несколько), а под полипептидом
понимают обычно цепь из восьмидесяти и более
аминокислот. Белки могут состоять из нескольких
полипептидов, которые в этом случае называют субъединицами.
Субъединицы могут быть связаны в мультимерном
белке как исключительно слабыми связями, так и
посредством прочных ковалентных непептидных связей.
Немного терминологии. Участок цепи, на котором
находится концевая NH3+-rpynna, называют N-концевым,
а противоположный ему - С-концевым.
Собственно цепь без аминокислотных радикалов именуют
полипептидным скелетом.
(-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-)
I I I
Аминокислоту, включенную в белок, именуют
аминокислотным остатком, а аминокислотные радикалы
R - боковыми цепями аминокислот, боковыми цепями
белка или просто боковыми цепями.
Порядок расположения аминокислот в полипептиде
называют аминокислотной последовательностью.
Процедуру установления этой последовательности
называют секвенированием. Секвенирование играет
очень важную роль в химии белка. Аминокислотная
последовательность составляет первичную структуру
белка. Сэнгер в Кембридже первым определил
аминокислотную последовательность белка (инсулина)
и был за это удостоен в 1958 г. Нобелевской премии.
Впоследствии Эдману, используя чисто химический
подход, удалось автоматизировать эту работу.
Современным автоматам для этого требуется всего 0,001 мкг
белка. Кроме того, есть приборы - аминокислотные
анализаторы для определения аминокислотного состава
белка. Последний при этом предварительно подвергают
полному кислотному гидролизу.
Что такое нативный.белок?
Изображение на бумаге первичной структуры белка
создает впечатление, что его молекула имеет вытянутую,
нитевидную структуру. Это заблуждение, что можно
доказать на примере яичного альбумина - бесцветного
водорастворимого белка из куриного яйца. Его можно
очистить и получить в виде острых кристаллов. Способность
к кристаллизации определяется компактной трехмерной
структурой молекул. Для процесса кристаллизации
необходимо, чтобы все молекулы имели одинаковую
форму. Полипептидная цепь в глобулярных белках в
естественном состоянии свернута в компактную сферическую
структуру - глобулу; в отличие от фибриллярных
белков, длинные цепи которых вытянуты вдоль одной оси,
они имеют небольшое осевое отношение. Нет четкого
определения, что такое глобулярные белки, но очевидно,
что их трехмерная структура - плотная укладка
полипептидной цепи - обычно нарушается при нагревании.
Белок с исходной, природной укладкой цепи называют
нативным, белок с развернутой, беспорядочной
укладкой цепи - денатурированным, а превращение натив-
ного белка в денатурированный - денатурацией.
Когда яйцо варят, прозрачный яичный белок
сначала мутнеет, а затем превращается в нерастворимую
белую массу. Что это такое? Отдельные, определенным
образом сложенные белковые цепи при нагревании
раскручиваются и беспорядочно и необратимо
переплетаются между собой (рис. 2.1). Это явление
свидетельствует о том, что укладка цепи в нативном белке
осуществляется в значительной мере благодаря слабым
нековалентным связям, поскольку ковалентные связи не
разорвались бы при умеренном нагревании. Сама же по-
липептидная цепь в этих условиях остается интактной.
Тепловая денатурация - общее свойство белков.
Биологическая активность белков, например
ферментов, почти всегда нарушается при нагревании (хотя
известны немногие термостабильные белки). По этой
причине нагревание смертельно для клетки.
Тепловая
денатурация
Рис. 2.1. Денатурация яичного альбумина (гипотетическая
схема)
глава 2 Структура белков
37

Теперь, получив представление о первичной
структуре белков, мы можем перейти к обсуждению
трехмерной укладки полипептидных цепей.
Каковы основные факторы,
определяющие трехмерную
структуру белка?
Как уже отмечалось, большинство белков свернуто
в глобулы. Такие глобулы устойчивы в водных
системах благодаря тому, что их полярные группы находятся
на поверхности в контакте с водой, а неполярные
обращены вглубь молекулы таким образом, что их
соприкосновение с водой сведено к минимуму. Если какие-
либо группы в глубине глобулы потенциально могут
образовать ионные и водородные связи, но реально
лишены партнеров, - это дестабилизирует упаковку.
Таким образом, ионизованная группа, которая находится
в гидрофобном окружении, будет дестабилизировать
молекулу белка.
На первый взгляд, проблемы образования
функционально-активного глобулярного белка могут
показаться неразрешимыми. Ведь сотни аминокислотных
остатков должны быть уложены в плотно упакованную
глобулярную структуру с полярными группами на
поверхности и гидрофобными внутри. Более того, в
случае ферментов снаружи должны еще располагаться
карманы, идеально соответствующие по форме молекулам
субстратов, а также аллостерическим регуляторам
активности белков (см. главу 12).
Теперь вы понимаете, почему так медленно - в
масштабе миллионов лет - действует эволюция, главной
задачей которой, если вдуматься, как раз и является
конструирование новых белков. Бесконечно мал шанс
случайно набрести на такую аминокислотную
последовательность, которая не только удовлетворила бы условиям
устойчивой упаковки цепи, но и обеспечила выполнение
функциональных задач. Поэтому не следует удивляться,
встретив белки с различной функцией, но сходные по
структуре настолько, что может навести на мысль об их
происхождении от общего предка или друг от друга.
Похоже, что эволюция, столкнувшись с необходимостью
решить определенную задачу, предпочитает не
конструировать для этого белки de novo, а приспособить уже хорошо
отлаженные структуры, адаптируя их для новых целей.
Прежде чем перейти к укладке цепей в белках, нам
следует побольше узнать о строении тех 20
аминокислот, которые являются их строительными блоками.
Структура 20 белковых аминокислот
Изучение структуры 20 различных аминокислот будет
более познавательным, если помнить, для чего
предназначены их боковые группы. Именно различия в форме,
размерах и полярности позволяют аминокислотам
служить теми строительными блоками, которые
использует эволюция, чтобы удовлетворить многочисленные
и жесткие требования к структуре белков. Нетрудно
представить, как это происходит: вот здесь нужна
маленькая гидрофобная группа, чтобы заполнить
полость возле соседней группы, тут нужна сильная
полярная группа, а там более слабая. Когда в игре участвуют
20 разных игроков, у великого тренера - эволюции-
есть возможность гибкого конструирования.
В разных организмах было обнаружено множество
аминокислот, не входящих в состав белков (так
называемые небелковые аминокислоты), однако все известные
организмы для строительства своих белков используют
одни и те же 20 аминокислот. Ф. Крик назвал их
«магической двадцаткой». Только они шифруются генетическим
кодом. (Если это вам ни о чем не говорит, подождите до
следующих глав.) Начнем с алифатических гидрофобных
цепей, представленных в порядке увеличения их размера.
+H3N— CH-COO"
I
Η
Глицин
В глицине роль боковой группы играет атом
водорода. Это самая маленькая аминокислота; ее остаток в белке
не имеет ярко выраженных гидрофобных или
гидрофильных свойств. Далее следуют алифатические неполярные
боковые цепи по мере увеличения их гидрофобности,
причем последние три цепи являются разветвленными.
+Η3Ν—СН—СОО"
I
сн,
Алании
*H3N — CH-COO"
I
сн.
сн, сн
Лейцин
+H3N—СН—СОО"
I
СН3 ^СН3
Валин
+H3N—CH-COO"
I
-™
СН; СН3
СН-з
Изолейцин
Особняком среди гидрофобных алифатических
аминокислот стоит метионин. Не потому, что в его боковую
часть 2 Структура белков и мембран
38

цепь входит атом серы, а из-за того, что его концевая
метильная группа играет важную роль в метаболизме.
+H3N—CH-COO"
I
сн2
сн2
5
I
СН3
Метионин
Далее мы переходим к действительно крупным
боковым цепям ароматических аминокислот:
H3N—СН—COO" +H3N— СН—COO" +H3N — СН—СОО
+H3N-
Фенилаланин
Триптофан
Заметим, что гидроксильная группа в тирозине
может участвовать в образовании водородных связей ,
поэтому тирозин нельзя однозначно классифицировать
как гидрофобную аминокислоту.
Гидрофильные аминокислоты
Все ионизированные группы гидрофильны, а потому
к гидрофильным аминокислотам, безусловно,
относятся и те, которые содержат в боковой цепи
карбоксильную или аминогруппы. Обе эти группы при
физиологических значениях рН ионизированы. Аспарагиновая
и глутаминовая кислоты - кислые аминокислоты, лизин
и аргинин - сильно основные, а гистидин - слабо
основная аминокислота. Кольцевую структуру в молекуле
гистидина называют имидазольным кольцом.
-сн-соо-
I
сн2
сн2
сн2
NH
I
NH2 NH2
Аргинин
+H3N—CH-COO'
I
CHp
II *CH
HC^NH
Гистидин
Обе кислые аминокислоты - аспарагиновая и
глутаминовая - в белках представлены и своими амидами -
аспарагином и глутамином.
+H3N—CH-COO"
I
сн2
Αχ
NH2 О
Аспарагин
+H3N— CH-COO"
I
сн2
сн2
NH2 О
Глутамин
К гидрофильным относятся также гидроксилсодер-
жащие аминокислоты: серии и треонин.
+H3N—CH-COO"
I
СН2ОН
Серии
+H3N — CH-COO"
I
снон
I
СН3
Треонин
Аминокислоты, используемые
для особых целей
Цистеин похож на серии, но содержит тиольную
группу -SH вместо гидроксильной -ОН. Его специфическая
роль в белках двояка: благодаря цистеину в активные
центры белков могут быть введены тиольные группы;
кроме того, два остатка цистеина в белках могут быть
соединены ковалентной связью -S-S-.
+H?N—CH-COO"
сн2
СОО"
Аспарагиновая
кислота
+H3N— CH-COO
I
сн2
сн2
СОО"
Глутаминовая
кислота
+H3N
—сн-
1
сн2
сн2
сн2
1
+NH3
Лизин
СОО"
Пролин примечателен тем, что его остаток вызывает
излом пептидной цепи. В отличие от других аминокислот,
свободный пролин содержит не амино-, а иминогруппу.
+H3N-CH-COO" . +H2N CH-COO"
ι II
сн2 сн2,сн2
sh СНз
Цистеин Пролин
глава 2 Структура белков
39

Ионизация аминокислот
Как уже упоминалось, свободные аминокислоты в
водных растворах находятся в виде цвиттер-ионов, в
которых α-амино- и α-карбоксильные группы
ионизированы, поскольку у первых рКа 8-10, а у вторых рКа 2.
В пептидной цепи все эти диссоциирующие группы
блокированы (кроме концевых), поскольку участвуют
в образовании пептидных связей. Поэтому ионный
статус белков практически полностью определяется
диссоциацией групп в боковых цепях аспарагиновой и глута-
миновой кислот, лизина, аргинина и гистидина.
Ниже показаны заряженные аминокислотные
остатки в составе пептидной цепи:
—СО—NH—СН—СО—NH—СН— Полипептидная цепь
сн2
соо
Боковая цепь
глутаминовой
кислоты
сн2
^н2
сн2
CH2-NH3+
Боковая цепь
лизина
Карбоксильные группы в боковых цепях
аспарагиновой и глутаминовой кислот имеют рКа~4 и при рН 7,4
практически полностью диссоциированы; при этом
их боковые группы заряжены отрицательно.
Аминогруппы в боковых цепях основных аминокислот лизина
(рКа 10,5) и аргинина (рКа 12,5) при физиологических
значениях рН также полностью ионизированы (NH3+).
Третья основная аминокислота- гистидин с имида-
зольным кольцом в качестве боковой группы имеет
рКа 6,04, достаточно близкое к физиологическим
значениям рН. Благодаря этому имидазол часто входит
в активный центр ферментов, которые катализируют
реакции, связанные с переносом ионов водорода. В ходе
этих реакций имидазольный остаток - в зависимости
от своего ионного состояния - может выступать как
донор или акцептор протона.
Распределение заряженных остатков аминокислот
в полипептидной цепи сильно влияет на ее конфор-
мацию, ибо близкорасположенные одноименные
заряды, как известно, отталкиваются, а разноименные -
притягиваются. Для регуляции ферментативной
активности в клетке часто используется фосфорилирование,
в ходе которого в молекулу белка вводится сильный
отрицательный заряд, вызывающий изменение ее кон-
формации.
Уровни структурной организации
белка: от первичной структуры
к четвертичной
Последовательность аминокислот, ковалентно связанных
в полипептидную цепь, как вы уже знаете, называется
первичной структурой белка (рис. 2.2, а). Сама по себе
первичная структура ничего не говорит о том, как
полипептидная цепь уложена в трехмерном пространстве
Т"
R1
R2
"Т"
R3
R4
Т"
R5
Τ
R6 R7 и др.
Эта структура ниже представлена линией
Отдельные участки полипептидной цепи
существуют в виде α-спирали, β-складчатого
слоя или беспорядочного клубка
\\\
α-Спираль β-Складчатые слои Беспорядочный
клубок или петля
Вторичные структуры уложены в компактный
глобулярный белок
Молекулу такого белка
можно представить
таким образом:
Отдельные белковые молекулы (субъединицы),
объединенные нековалентным взаимодействием
в мультимерный белок
> /
Рис. 2.2. Схематическое изображение первичной(а),
вторичной (б), третичной(в) и четвертичной (г) структуры белков
часть 2 Структура белков и мембран
40

Полипептидная цепь принимает специфическую кон-
формацию, известную как вторичная структура
белка (см. рис. 2.2, б), которая, в свою очередь,
укладывается в компактное образование, именуемое третичной
структурой (см. рис. 2.2, в). Такое образование,
сформированное первичной, вторичной и третичной
структурами, может представлять собой либо
самостоятельный белок, либо же в качестве мономера (субьединицы)
ассоциироваться с такими же или другими мономерами,
образуя сложный мультимерный белок. Под
четвертичной структурой понимают расположение в
пространстве взаимодействующих между собой
субъединиц, образованных отдельными полипептидными
цепями белка (см. рис. 2.2, г).
Приняв эту терминологию, мы далее более
подробно рассмотрим различные уровни организации белковой
структуры.
Вторичная структура белков
Здесь речь пойдет об организации не столько боковых
цепей, сколько собственно полипептидного скелета.
Мы уже говорили о том, что в водорастворимых
глобулярных белках полярные боковые группы должны быть
по возможности расположены снаружи глобулы, а
гидрофобные - внутри нее. Но как быть с полипептидным
скелетом? Как его ни скручивай в компактную форму, все
равно часть скелета окажется погруженной в
центральную, т. е. гидрофобную область. Проблема здесь в том,
что этот скелет, т. е. собственно пептидная цепь,
содержит множество С=0- и N-H- групп пептидных связей,
каждая из которых потенциально способна участвовать
в образовании водородных связей. До тех пор, пока это
потенциальное связывание не произойдет (с
выделением свободной энергии), структура будет неустойчивой.
Кто же может послужить партнерами этим
многочисленным группам? Ответ простой: аналогичные группы из
той же или соседней полипептидной цепи.
Еще раз подчеркнем, что речь пока не идет об
упаковке боковых аминокислотных групп, которая
приобретает значение главным образом на уровне третичной
структуры. Пока мы ограничиваемся обсуждением
проблемы, как удовлетворить потребность С=0- и N-H-
групп полипептидной цепи в партнерах для образования
водородных связей. Существуют два главных типа
структур, позволяющих это осуществить: α-спираль, в
которую цепь свертывается, как шнур от телефонной
трубки, и складчатая β-структура, в которой бок о бок
уложены вытянутые участки одной или нескольких цепей.
Обе эти структуры весьма стабильны; они встречаются
на периферии белковых глобул (где расположены
гидрофильные боковые группы аминокислот) и в их
внутренней области (где расположены гидрофобные
боковые группы).
α-Спираль
Термин α-спираль был введен Л. Полингом, открывшим
укладку пептидной цепи в виде правосторонней
спирали в белке α-кератине. Для L-аминокислот
правосторонняя спираль устойчивей левосторонней. Вы
можете составить представление о правосторонней
спирали, вообразив траекторию точки на краю головки
завертываемого шурупа; форма такой спирали
приведена на рис. 2.3, а.
Естественно предположить, что в подобной спирали
на один виток приходится целое число аминокислотных
остатков. От этой заманчивой идеи пришлось, однако,
отказаться, когда Полинг показал, что в действительности
Рис. 2.3. Схематическое изображение укладки
полипептидной цепи в виде α-спирали
а - Примерное расположение водородных связей (штриховые
линии) между С=0- и N-H-группами (боковые группы не
показаны); б - вид с торца α-спирали. Проекции боковых
групп R ориентированы произвольно, а сами они размещены
вдоль цепи на равных расстояниях друг от друга (3,6 остатка
на виток, или через 100° на проекции 360°/100° - 3,6)
глава 2 Структура белков
41

на один виток α-спирали приходится 3,6
аминокислотных остатков. Это означает, что группа С=0- одной
пептидной связи образует водородную связь с группой
N-H другой пептидной связи, отстоящей от первой на-
четыре аминокислотных остатка. И С=0-, и N-H- связи
направлены параллельно оси спирали и попарно
противостоят друг другу; такое расположение оптимально для
образования водородной связи и, следовательно, для
стабилизации α-спирали. В поперечном сечении α-спираль
выглядит диском, от которого наружу смотрят боковые
цепи аминокислот (рис. 2.3, б). Ван-дер-ваальсовы
радиусы атомов таковы, что внутри спирали нет пустого
пространства; это способствует устойчивости
α-спирали. Не вся полипептидная цепь в глобулярном белке
спирализована. В среднем отдельные спиральные
участки включают 10 аминокислотных остатков, но в
разных белках длина спиралей может сильно отличаться
от этой величины.
Аминокислоты различаются по частоте
встречаемости спиральных участксв. Особую роль здесь играет про-
лин, остаток которого служит своего рода терминатором
для α-спиралей. Во всех других случаях полипептидная
цепь может свободно вращаться вокруг двух простых
связей на каждый аминокислотный остаток. Заметим,
что свободное вращение относительно самой пептидной
связи CO-NH не происходит, так как благодаря
электронному сопряжению она по своим свойствам близка
к двойной, представляя собой гибрид двух структур:
а) где связь между атомами углерода и кислорода
двойная; б) где эта связь одинарная.
Η
//
О
С—N
С —
— С Η
\ /
C=N+
/ \
0~ С-
Пептидная группа с участием N-атома пролина не
содержит водорода, необходимого для образования
водородной связи, а главное, в этом месте поворотная
изомерия ограничена, и пептидная цепь не может принять
конформацию, соответствующую α-спирали.
R—СН-
0
II
сн2/
сн—с-
I
сн2
сн2
-NH—
Иминный атом
азота у пролина не способен
к образованию водородной связи
Прежде чем обсудить, какую роль α-спирали играют
в структуре белков, следует познакомиться с
альтернативным типом упорядочения полипептидных цепей -
β-складчатым слоем. Обычно структура белка
представляет собой комбинацию обоих типов укладки, которые
занимают разные участки полипептидной цепи.
β-Складчатый слой
Это тоже стабильная структура, в которой полярные
группы полипептидной связи попарно соединены
водородными связями, что придает ей стабильность даже
в гидрофобной центральной части белковой глобулы.
Принцип организации здесь предельно прост.
Полипептидная цепь находится в растянутом состоянии (или
β-форме - по названию белка β-кератина, в котором она
впервые была обнаружена), а ее С=0- и N-H- группы
связаны водородными связями с такими же группами
соседней, параллельно ориентированной
полипептидной цепи (рис. 2.4). Обе цепи могут быть независимыми
или представлять фрагменты одной, общей для них
цепи.
Когда такую структуру образуют несколько
параллельных цепей, термин слой (англ. sheet) становится
вполне оправданным. Складчатым же (англ. pleated)
Η О
и > и
■ ХК /Nk /C^ JLH
Η
Ν
Η
I
С СН
О "О
НО Η
ι
>ιι /"\ ^С. ХН ^NL
Ν" X СН ^Ν" "^
I
н
"С
II
о
tH
.CH^/NU
II
н о
Участок параллельного ρ-складчатого слоя
Η
ι
Η
>L СН X >L
СН ^Г "NT XH" ^C'
0
Η
Η
о
Ν" ^C CH ^hT
I II I
но н
о
Η
■сн Λ
ιι
о
Участок антипараллельного β-складчатого слоя
Рис. 2.4. Структура β-складчатого слоя
а - Водородные связи между однонаправленными
полипептидными цепями в параллельном β-складчатом слое. Боковые
группы R, прикрепленные к остаткам -СН-, расположены
выше и ниже плоскости бумаги; б - водородные связи между
противоположно направленными полипептидными цепями
в антипараллельном β-складчатом слое. Такой слой может
образоваться в пределах одной полипептидной цепи,
уложенной в складки
часть 2 Структура белков и мембран
42

его называют потому, что α-углеродные атомы
аминокислотных остатков расположены попеременно по обе
стороны центральной плоскости слоя. Образующие
складчатый слой полипептидные цепи могут быть
направлены в одном и том же или в противоположном
направлениях: в первом случае складчатый слой
называют параллельным, а во втором - антипараллельным.
Антипараллельная β-структура обычно возникает,
когда пептидная цепь поворачивает вспять, образуя так
называемую шпильку. Место поворота называют β-изги-
бом (англ. β-turn).
Беспорядочный клубок,
или петли полипептидной цепи
Беспорядочный клубок на самом деле вовсе не
беспорядочный и не клубок. Так стали называть участки
полипептидной цепи, которые по конформации нельзя
отнести ни к α-спирали, ни к β-складчатому слою. Более
правильный термин - соединительные петли. Их
структура в основном определяется взаимодействиями
боковых цепей входящих в них аминокислотных
остатков; в молекулах любого конкретного белка она
фиксирована, а не беспорядочна, как можно ожидать
из названия. Да и слово «клубок» здесь не слишком
уместно, поскольку речь идет не о произвольной
конформации. В соединительных петлях не все пептидные С=0-
и N-H- группы могут участвовать в образовании
водородных связей, поэтому участки полипептидной цепи
чаще находятся на поверхности белковой глобулы, в
области ее контакта с водой.
Третичная структура белков
Итак, эволюция располагает 20 аминокислотами для кон-
струирования белков. Последовательность
аминокислотных звеньев в полипептидной цепи характерна и
постоянна для каждого белка, определяя его первичную
структуру. Полипептидная цепь может свертываться в
виде α-спирали или β-складчатого слоя, либо находится
в менее упорядоченных петлях, причем только в
α-спирали и β-структуре пептидные связи участвуют в
образовании водородных связей. Все эти три типа укладки
распределены вдоль полипептидной цепи, занимая
отдельные ее участки и составляя вторичную структуру
белка. Дальнейшая укладка вторичных структур в
компактную структуру глобулярного белка носит название
третичной структуры.
Чтобы упростить изображения белковых молекул,
используют условные обозначения вторичных структур.
Так, α-спираль изображают в виде цилиндра (иногда
с вписанной в него спиралью) или в виде свернутой
в спираль ленты (рис. 2.5, а), а участки цепи, входящие
в β-складчатые слои, - в виде стрел, указывающих
направления хода пептидных цепей (рис. 2.5, б). Иногда
их изображают несколько скрученными, чтобы отразить
таким образом реальное слабое правостороннее
скручивание цепи в β-структуре. В обоих случаях условное
обозначение относится к некоторому фиксированному
участку полипептидной цепи. В категорию петель
попадают участки цепи, которые разделяют спирали и
складчатые слои: их обозначают простой линией.
Рис. 2.5. Символы, применяемые для изображения
участков α-спирали (а) и р-складчатых листков (б)
Справа показано их правостороннее искривление,
характерное для антипараллельных слоев. Промежуточные петли и
неупорядоченные участки цепи изображаются простой
линией
Как строятся белки из α-спиралей,
β-складчатых слоев и соединительных
петель?
В принципе для построения белков может быть
использована любая комбинация спиралей, складчатых слоев и
петель, однако при этом не должно возникать затруднений,
глава 2 Структура белков
43

χ Χ
■^
<fl
Χ Ν
>
^ _ 0
V.
ν
\Ν . ν
Ν *-
12 3 4 5 6 7 8
Рис. 2.6. Строение различных белков
а - Миоглобин, в центре которого расположен гем, выделенный красным цветом; б - стафиллококковая нуклеаза; в - триозо-
фосфатизомераза (под ней показано расположение в цепи α-спиралей и β-складчатых слоев); г - пируваткиназа
часть 2 Структура белков и мембран
44

связанных с упаковкой боковых цепей аминокислот
и обусловленных их притяжением или отталкиванием.
Кроме того, на упаковку белковой молекулы может
влиять расположение на ее поверхности боковых полярных
групп аминокислотных остатков, образующих
соединительную петлю. В целом должны выполняться
следующие требования: усилено образование водородных
связей и сведены к минимуму контакты гидрофобных групп
с полярными группами и водой. Этим требованиям,
однако, могут удовлетворить лишь немногие
аминокислотные последовательности из бесчисленного множества
возможных.
Трехмерное строение довольно большого числа
белков было установлено на основании данных о
дифракции рентгеновских лучей. При этом выяснилось,
что некоторые структурные мотивы предпочтительнее,
поэтому число основных конструкций белков может
быть ограниченным.
Трехмерные белковые структуры вряд ли интересны
для биохимика, ими не занимающегося, однако их
знание часто бывает необходимо, например, при
обсуждении бихимических механизмов какого-нибудь
процесса. Некоторые из этих структур представлены на рис. 2.6.
Миоглобин (см. рис. 2.6, а) содержит только
α-спирали, соединенные петлями, и гем, погруженный в
глубокую щель. В молекуле стафилококковой нуклеа-
зы - фермента, гидролизующего нуклеиновые кислоты
(см. рис. 2.6, б), видна комбинация антипараллельных
β-складчатых слоев (1-4) и трех α-спиралей. Еще один
структурный мотив-так называемая α/β-бочка,
центральная часть которой образована β-участками (1-4),
расположенными наподобие клепок в деревянной бочке
(за исключением того, что они наклонены), а
периферия заполнена α-спиралями. Этот мотив иллюстрирует
структура триозофосфатизомеразы (см. рис. 2.6, в). Еще
один мотив упаковки, образованный чередующимися
спиралями и участками β-структуры, прослеживается
в структуре пируваткиназы (см. рис. 2.6, г).
Какие силы поддерживают третичную
структуру?
Мы уже говорили о том, что элементы вторичной
структуры - α-спирали и β-складчатые слои -
стабилизируются водородными связями. Теперь обсудим, что же
скрепляет эти элементы в единую третичную структуру.
Разумеется, определенный вклад вносят ионные и
водородные связи между боковыми цепями аминокислотных
остатков, однако главную роль играют гидрофобные
силы, которые определяют локализацию гидрофобных
цепей в центральной части молекулы, уменьшая, таким
образом, площадь их контакта с водой и увеличивая
ван-дер-ваальсово взаимодействие. В большинстве
глобулярных белков одних слабых взаимодействий
достаточно для поддержания третичной структуры.
Какое отношение к третичной структуре
имеют ковалентные S—S- связи?
Ранее упоминалось об особых функциях остатков цис-
теина. Одна из них состоит в том, что тиольные группы
этих остатков участвуют в образовании активных
центров ферментов, например гликолитического фермента -
глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (см. с. 112).
Однако у цистеина есть и другая функция. Третичная
структура белков своим существованием обязана в
основном слабым взаимодействиям между боковыми цепями.
Этого достаточно для защиты белков от повреждающих
воздействий внутри клетки, однако внеклеточным
белкам - инсулину в крови, пищеварительным
ферментам и т. п. - нужна дополнительная защита от более
жесткого внеклеточного окружения. И это достигается
попарным связыванием пространственно сближенных
остатков цистеина с образованием ковалентных
дисульфидных связей, которые действуют подобно
стальным скобам, скрепляющим бревенчатые
конструкции. Даже небольшого числа таких связей достаточно
для того, чтобы весьма эффективно стабилизировать
белковую структуру; например, в инсулине их всего три.
Дисульфидные связи, или S-S-мостики, как их иначе
называют, не разрушаются при умеренном нагревании,
а содержащие их белки часто отличаются большей
термоустойчивостью.
Простой опыт помогает понять, как образуются
дисульфидные связи. Если оставить на воздухе
нейтральный раствор цистеина, то через несколько часов
поверхность жидкости покроется слоем белых нерастворимых
кристаллов. Протекающую при этом химическую
реакцию можно представить в виде уравнения:
СОО" СОО"
ι ι
+H3N —CH +H3N —CH
3 ι ι
сн2 сн2
| г ., |
s:h h:s
ι I
Цистеин Цистеин
|о2
f
СОО " СОО"
I I
+H3N—CH +H3N—CH
I I + H202
CH2 CH2
I I
s s
Цистин
глава 2 Структура белков
45

Точно так же происходит образование дисульфидных
связей между остатками цистеина в белках.
Предельно наглядно стабилизирующая роль S-S-moc-
тиков прослеживается на примере кератина - основного
белка волос. Пучки кератиновых полипептидов
прошиты множеством S-S-мостиков, придающих волосу
жесткость. При так называемом химическом
перманенте S-S-связи разрушают восстановителем, придают
волосам иную конфигурацию, а затем вновь замыкают
S-S-связи, используя подходящий окислитель.
Количество S-S-связей после этих процедур может остаться
таким же, как прежде, однако теперь они образуются
между теми остатками цистеина, которые оказались
сближенными при механическом изменении конфигурации
волоса.
Четвертичная структура белков
Третичная структура завершает описание строения
молекулы белка. Есть, однако, довольно много белков,
молекулы которых представляют собой комплексы,
образованные из нескольких белковых молекул, соединенных
нековалентными связями. Такие комплексы называют
олигомерными, мультимерными или
субъединичными белками. Их состав и стехиометрия постоянны.
Это доказывает, что объединяющиеся белковые
субъединицы «узнают» друг друга благодаря присутствию
на их поверхности комплементарных по форме участков.
К числу таких олигомерных белков относится, например,
гемоглобин (см. главу 27) или аллостерически
регулируемые ферменты (см. с. 158). Укладку субъединиц
в функционально активном белковом комплексе
называют четвертичной структурой белка (см. рис. 2.2, г).
Мембранные белки
До сих пор речь шла о глобулярных белках, у которых
структура глобулы обеспечивает водорастворимость
молекулы в целом. Многие же белки, пронизывающие
биологические мембраны, устроены иначе: они состоят из
двух экспонированных на поверхности мембраны
«водорастворимых» частей, которые соединены спиральным
тяжем, расположенным внутри мембраны (см. с. 61).
Недостаток такой конструкции очевиден: контакты
полярных групп белка с внутренним углеводородным
слоем мембраны делают молекулу нестабильной.
Белковые конъюгаты
Очень многие белки - не сложнее вышеописанных.
Для нормального функционирования им достаточно
правильно уложенной полипептидной цепи и, в крайнем
случае, таких кофакторов, как ионы металлов или не-
ковалентно связанные коферменты. Однако некоторые
дополнительные компоненты могут быть присоединены
к белкам ковалентно. Их называют простетическими
группами, их активный комплекс - холоферментом,
а его белковую часть - апоферментом. Примерами
таких структур могут служить цитохромы, содержащие
в качестве простетической группы гем, либо дегидроге-
назы, содержащие флавинадениндинуклеотид (FAD).
Белки, ковалентно связанные с углеводными
компонентами, относят к гликопротеинам. К ним, в
частности, принадлежат многие белки плазматических
мембран, к молекулам которых с внешней стороны
прикреплены олигосахариды (см. с. 61). Их остатки
замещают атом водорода в гидроксильной группе серина или
треонина (О-гликозиды), а также амидный протон в
боковой цепи аспарагина (N-гликозиды). Строение таких
N-гликозидов схематически показано ниже:
цепь
1
NH
1 >
сн—сн2
1
NH
1 _
к
Боковая цепь
аспарагина
О
II Η
— С—N
с
\
г
Остаток
"" сахара
Гликопротеинами являются секреторные белки,
многие белки крови. Назначение углеводных компонентов
в гликопротеинах не всегда понятно. Иногда они,
по-видимому, обеспечивают стабильность белка, в других
случаях - его долговечность. Так, разрушение углеводных
компонентов белков сыворотки крови или эритроцитар-
ных мембран служит сигналом для клеток печени к
поглощению и уничтожению соответствующих белков.
Напротив, гликозилирование белков защищает их от
действия протеиназ. В некоторых случаях углеводные
компоненты используются для распознавания, поскольку
разнообразные комбинации моносахаридов в
углеводных цепях позволяют создавать уникальные «метки».
Такие «метки» используются, например, аппаратом Голь-
джи при сортировке белков (см. главу 22).
В случае гликопротеинов муцина (слизи),
защищающих ткани от повреждения, О-гликозиды
способствуют формированию растянутой конформации
полипептидной цепи, которая необходима для поддержания
сеточной структуры муцинов даже в очень
разбавленных растворах. Поддержание белковой цепи в
растянутом виде, по-видимому, является функцией О-глико-
зидов и в других случаях. У рецепторов липопротеинов
часть 2 Структура белков и мембран
46

низкой плотности в молекулах можно различить
область, ответственную за связь с мембраной, и
собственно рецепторный домен, вынесенный за ее пределы. Обе
эти части рецептора соединены длинным пептидным тя-
жем, покрытым множеством О-гликозидных остатков
(рис. 2.7). Существует обширное семейство протеогли-
канов, в которых углеводные компоненты богаты ами-
носахарами, сульфосахарами и карбоксильными
производными Сахаров. Считается, что эти вещества
выполняют важную роль в формировании межклеточного
матрикса, однако эта проблема лежит вне рамок данной
книги
Глобулярная часть белка
.. Гликозилированная часть белка
Ю нм Гликокаликс
Плазмати* кая
ь брана
Рис. 2.7. Строение белка-рецептора липопротеинов низкой
плотности (ЛПНП)
Гликозилированный участок полипептидной цепи
представляет собой тяж, поддерживающий функционально активную
белковую глобулу на расстоянии более 10 нм от поверхности
плазматической мембраны
Белковые модули, или домены
У белков, образованных одной полипептидной цепью,
нативная структура обычно представляет собой
компактное образование, каждая часть которого не может
существовать сама по себе, сохраняя структуру, присущую
ей в исходной глобуле. Но так бывает далеко не всегда,
особенно если белок содержит более 200
аминокислотных остатков. В трехмерной структуре больших белков
иногда обнаруживается не одна, а несколько в той или
иной степени независимо образованных компактных
областей, соединенных малоструктурированными
полипептидными участками. Такое впечатление, что эти
компактные области, если бы их удалось выделить по
отдельности в нативном виде, сохранили бы свою упаковку
неизменной. Действительно, в некоторых случаях так
и получалось. На основании этого было введено
понятие белковых модулей, или доменов, под которыми
понимают фрагменты полипептидной цепи, сходные
по своим свойствам с самостоятельными глобулярными
белками. Считается, что домену всегда должен
соответствовать непрерывный отрезок полипептида, поэтому
исключается ситуация, когда цепь выходит из
компактного домена, а потом, как-то извернувшись,
возвращается в него обратно. Домен должен быть автономен.
Здесь уместна аналогия с отдельными частями
симфонии: они являются законченными произведениями
и могут исполняться по отдельности, но, тем не менее,
подчинены общему замыслу, и только в его рамках
проясняется их истинное значение и взаимосвязь. Что
реально представляют собой домены, видно на рис. 2.6, г, где
представлена структура фермента пируваткиназы, в
которой легко обнаруживаются три компактные области.
Чем интересны домены?
Доменная структура часто ассоциируется с
возможностью представить функциональную активность белка как
совокупность отдельных элементарных процессов.
Пожалуй, наиболее ярким примером здесь может служить
фермент млекопитающих - синтаза жирных кислот,
единственная полипептидная цепь которой содержит все
необходимое для катализа семи реакций. Поскольку у
бактерий каждая из этих реакций катализируется
отдельным ферментом, то вполне возможно, что домены син-
тазы некогда объединились в один белок в результате
слияния генов. Многие ферменты, выполняющие
сходные функции, связывают по меньшей мере два
субстрата. Типичным примером служат никотинамидаденинди-
нуклеотиддегидрогеназы, или (NAD+) -дегидрогеназы,
катализирующие реакцию:
AH2+NAD+<->A+NADH + H+
Все они связывают NAD+, но окисляемые
субстраты для них различны.
Оказалось, что в молекулах дегидрогеназ есть два
домена, один из них связывает NAD+ и сходен по строению
у всех ферментов этого семейства, тогда как другой
связывает окисляемые субстраты АН2 и отличается по
структуре у разных дегидрогеназ. Эти данные можно
истолковать двояко. Можно предположить, что сущес-
вует уникальная белковая структура, способная
эффективно связывать NAD+, и в ходе эволюции каждый
раз отыскивается единственно верное решение (это
называют конвергентной эволюцией). Альтернативная
гипотеза состоит в том, что однажды найденную удачную
глава 2 Структура белков
47

конструкцию NAD+-CBA3biBaioiijero модуля эволюция
использует вновь и вновь, занимаясь чем-то вроде
тасования готовых модулей.
Идея модульной конструкции ферментов и других
белков допускает частое появление и быструю
эволюцию новых функциональных белков. Это чем-то
напоминает сборку электронного устройства путем перебора
готовых универсальных микросхем разного назначения,
вставляемых в общую материнскую плату. Поскольку
речь идет о микросхемах, а не о триодах или
сопротивлениях, вполне возможно получить разумно действующую
схему. Точно так же самые разные функции могут
возникнуть у новых белков, которые образуются в
результате ассоциации разных доменов из уже существующих
молекул.
Все это может показаться чистой фантазией,
основанной на сходстве между родственными по функции
белками, тем более что существует иное толкование
конвергентной эволюции. В главе 21 будет рассказано
о том, что домены иногда кодируются отдельными
фрагментами генов, именуемыми экзонами.
Это создает некую материальную основу для
размышлений о «перетасовке» экзонов, а вместе с ними и
доменов, как о возможном механизме эволюции белков.
Во всяком случае, подобный механизм мог бы
действовать куда быстрее, чем случайные точечные мутации.
Белки волос
и соединительных тканей
Удивительно, что белки составляют основу таких
нерастворимых в воде и прочных материалов, как рога,
копыта, шерсть, кожа и сухожилия. К подобным белкам
предъявляются различные биологические требования.
Волос - это всего лишь длинное, достаточно прочное
и нерастворимое волокно. Его основой является
структурный белок - (Х-кератин. Сухожилия, связывающие
мышцы с костями, должны быть прочнее стали и
лишены эластичности. Эти свойства обеспечивает другой
структурный белок - коллаген. Совсем иные
механические свойства должны быть у кожи, стенок артерий
или у легочных альвеол. Здесь требуется не только
прочность, но также эластичность и упругость, т. е.
способность обратимо изменять форму под воздействием
нагрузки. Неудивительно, что ответственный за эти
свойства белок называется эластин.
Далее мы рассмотрим структуру кератина, коллагена
и эластина. Общей особенностью этих белков является
участие ковалентных непептидных связей в формировании
часть 2 Структура белков и мембран
48
их пространственной структуры. Вспомним, что у
обычных белков главный вклад в стабилизацию трехмерной
структуры вносят слабые взаимодействия. Однако их
явно недостаточно для образования свойственных этим
белкам уникальных структур.
α-Кератины волос, шерсти, рогов
и копыт
Кератины волос и шерсти образуют так называемые
промежуточные филаменты. Они состоят из длинных
полипептидных цепей с крупными доменами,
образованными α-спиралями и содержащими повторяющиеся
последовательности из семи аминокислотных остатков
(гептапептиды). Так выглядит центральная часть
полипептидной цепи, а домены на ее концах не обладают
какой-либо предпочтительной регулярной структурой,
и она может различаться у разных кератинов. Две
одинаково направленных цепи кератина образуют
суперспираль, в которой остатки неполярных аминокислот
защищены от воды, будучи обращенными внутрь. Такая
структура дополнительно стабилизируется
многочисленными дисульфидными связями, образованными
остатками цистеина соседних цепей. Суперспиральные
димеры, в свою очередь, объединяются с образованием
тетрамеров, подобных четырехжильному канату. Есть
данные, свидетельствующие о том, что в
промежуточных филаментах тетрамеры могут агрегировать,
образуя октамерные структуры.
Структура коллагенов
Коллаген образуется вне клеток из секретируемого
ими белка - проколлагена, который превращается
в собственно коллаген в результате воздействия
соответствующих ферментов. Молекула проколлагена
представляет собой тройную суперспираль, образованную тремя
скрученными вместе спирализованными полипептидами
(рис. 2.8).
Превращения проколлагена начинаются с
отщепления концевых пептидов. После этого белок, называемый
теперь уже тропоколлагеном, упаковывается в колла-
геновые волокна. Каждый из трех полипептидов в
молекуле тропоколлагена находится в виде левосторонней
спирали (напомним, что обычная для белков α-спираль -
правосторонняя). Примерно треть аминокислотных
остатков в тропоколлагене представлена пролином, а
каждый третий остаток - глицином.
В ходе образования коллагена многие остатки про-
лина и лизина гидроксилируются, превращаясь
соответственно в гидроксипролин и гидроксилизин. Заметим,
что этих аминокислот нет в «магической двадцатке»,

и они оказываются включенными в белок не в ходе его
матричного синтеза, а в результате химического
посттрансляционного превращения входящих в его состав
аминокислот. Гидроксилирование пролина требует в
качестве кофактора аскорбиновую кислоту (витамин С),
которая нужна для поддержания в восстановленном
состоянии иона Fe2+ в активном центре фермента про-
лил-гидроксилазы.Вот почему при недостатке
витамина С нарушается образование соединительных тканей,
это вызывает заболевание - цингу
-N
I I
СН2,СН2
СН2
О
п о2
С Η С Аскорбиновая кислота , "
О
II
-СН—С —
Остаток пролина
в полипептиде
.- .. ,,,: сн2,сн2
чсн
I
он
Остаток гидроксипролина
в полипептиде
(на самом деле гидроксилирование протекает сложнее
и в нем участвует а-кетоглуторат)
Конструкция коллагеновой суперспирали -
прекрасный пример того, как эффективно использует эволюция
возможности белковой инженерии. Три спирально
навитые друг на друга молекулы тропоколлагена ковалентно
связаны между собой, образуя очень прочную структуру.
Такая ассоциация невозможна в обычной белковой
спирали, поскольку ей препятствовали бы объемные
боковые цепи. В коллагене спирали более вытянуты - на один
виток приходится три остатка. Поскольку каждый
третий из них - глицин, у которого боковой цепи нет,
спирали в этих точках максимально приближены друг
к другу. Дополнительная стабилизация осуществляется
благодаря участию гидроксилированных остатков
лизина и пролина в образовании водородных связей.
Молекулы тропоколлагена содержат около 1000
аминокислотных остатков. Они собираются в коллагеновые
фибриллы, стыкуясь «голова к хвосту» (см. рис. 2.8, а).
Пустоты в этой структуре при необходимости могут
служить местом первоначального отложения кристаллов
гидроксиапатита Са5(ОН)(Р04)3, играющего важную
гУ
Молекула
тропоколлагена
**··· Поперечные
сшивки
Коллагеновая
фибрилла
Одна из левосторонних
спиралей, входящих в
правостороннюю тройную
спираль тропоколлагена
Часть молекулы Часть коллагеновой Строение
тропоколлагена фибриллы сухожилия
Полипептидные цепи
с=о с=о
ι ι
ΝΗ ΝΗ
I I
CH-(CH2)4-NH-(CH2)4-CH
I г I
С = О С = О
I / I
Сшивка между двумя боковыми
цепями лизиновых остатков
Рис. 2.8. Модели фибриллярных белков
а - Укладка фибрилл в коллагеновых волокнах
(цветом выделены сшивки между остатками лизина,
которые есть и в тройной спирали); б - структура
сшивок между близлежащими лизиновыми
остатками. Структура разных типов коллагена зависит
от выполняемых ими функций
глава 2 Структура белков
49

роль в минерализации костей. Для приобретения
необходимых механических свойств, например в
сухожилиях, коллаген подвергается ферментативной
модификации. При этом в концевых частях тропоколлаге-
новых цепей ковалентно .сшиваются остатки лизина
(см. рис. 2.8, б). Таким образом, сухожилия
представляют собой пучки параллельно ориентированных фибрилл
зрелого (т. е. прошедшего все этапы
посттрансляционной модификации) коллагена. В отличие от
сухожилий, в коже коллагеновые фибриллы образуют подобие
неупорядоченной двумерной сетки. Известно несколько
типов коллагенов, различающихся структурой
полипептидных цепей. Эти различия определяются как
содержанием гидроксипролина и гидроксилизина, так
и степенью их гликозилирования. Генетически
обусловленные нарушения созревания коллагена приводят к
тяжелым наследственным заболеваниям - коллагенозам.
Структура эластина
Эластин по своему строению совершенно отличен
от коллагена или α-кератина. Он содержит обычные
α-спирали, но благодаря некоторым особенностям
строения молекулы обладает упругостью большей, чем у
резины. Эластин образует поперечно-сшитую сеть,
которая своими необычными механическими свойствами
обязана уникальному способу ковалентного связывания
боковых цепей лизина: четыре сближенных лизиновых
остатка формируют так называемую десмозиновую
структуру (рис. 2.9), объединяющую в один узел четыре
участка пептидных цепей.
Тайна укладки белка
Полипептидные
цепи
Рис. 2.9. Десмозиновая сшивка между четырьмя
полипептидными цепями эластина. Такие сшивки возникают в
результате ферментативной модификации четырех
лизиновых остатков
некоторые из этих конформаций могут быть метаста-
бильными, и их переход в правильную конформацию
был бы сопряжен с преодолением значительного
энергетического барьера. Природа сумела решить эту
сложнейшую проблему.
Дополнительная литература
Как белки укладываются во вторичную и третичную
структуру? Это тема главы 21, однако здесь стоит
подчеркнуть, что аминокислотная последовательность лишь
определяет, какая трехмерная структура возможна
для полипептидной цепи, но отнюдь не диктует, каким
образом возникает эта структура. Последнее - одна из
величайших нерешенных проблем современной биологии.
Известно, что «плохая» последовательность
препятствует образованию «хорошей» структуры, но пока
неизвестно, как «хорошая» последовательность приводит к
образованию «хорошей» структуры.
В процессе биосинтеза белка в клетке укладка
полипептидных цепей в глобулы занимает время порядка
нескольких минут. Если бы при такой укладке
случайным образом перебирались все мыслимые конформаций
цепи, это потребовало бы миллионы лет. Более того,
Branden С, Tooze J. Introduction to protein structure.
Garland Publ., 1991.
(Иллюстрированное изложение всех аспектов
структуры белка, включающее рассмотрение основных
особенностей строения мембранных белков. Сверх того,
описаны ДНК-связывающие белки, антитела и рецепторы.)
Размер белка и структура
Chothia С. Principles that determine the structure of
proteins // Annu. Rev. Biochem. 1984. Vol. 53. P. 537-572.
(Превосходное введение в проблему структуры белка.)
Goodsell D. S. Inside a living cell // Trends Biochem. Sci.
1991. Vol. 16. P. 203-206.
(Предпринята попытка описать распределение
биологических молекул в клетках Е. coli)
часть 2 Структура белков и мембран
50

Goodsell D. S. Soluble proteins: size, shape and function //
Trends Biochem. Sci. 1993. Vol. 18. P. 65-68.
(Обзор, посвященный структуре белков - их размеру
и форме. Почему они такие большие? Почему они олиго-
мерны?)
Белковые модули или домены
Doolittle R. Ε The multiplicity of domains in proteins //
Annu. Rev. Biochem. 1995. Vol. 64. P. 287-314.
(Обсуждение доменной структуры белков и ее роли в
эволюции - перетасовка доменов, экзоны и интроны.)
Белки волос и соединительной ткани
Francis Μ. J. О., Duksin D. Heritable disorders of
collagen metabolism // Trends Biochem. Sci. 1983. Vol. 8.
P. 231-234.
(Сравнительно простое изложение очень сложной
проблемы, имеющей важное значение для медицины.)
Hulmes D. J. S. The collagen superfamily - diverse
structures and assemblies // Essays in Biochem. 1992. Vol. 27.
P. 49-67.
(Описание и классификация очень сложных структур,
обнаруженных у различных коллагенов. Медицинские
аспекты вопроса.)
Вопросы к главе 2
1. Что такое первичная структура белка?
2. Что такое денатурация белка?
3. Изобразите структуру аминокислоты, у которой
боковая цепь:
а) атом водорода;
б) алифатическая гидрофобная;
в) ароматическая гидрофобная;
г) кислая;
д) основная.
4. Приведите примерные значения рКа
функциональных групп боковых цепей:
а) кислых аминокислот;
б) основных аминокислот;
в) гистидина.
5. От каких аминокислотных остатков зависит
суммарный заряд белковой молекулы, содержащей все
20 аминокислот?
6. Опишите четыре уровня организации молекулы
белка.
7. Какую функциональную роль в структуре белка
играют α-спирали и β-слои?
8. Каким образом белкам, которые так чувствительны
к различного рода воздействиям, удается образовать
сухожилия, невероятно прочные при растяжении?
9. Какие свойства эластина определяют его эластичность?
глава 2 Структура белков
51

3 Молекулярная организация клеточных
мембран
В главе 1 мы вкратце рассмотрели роль трех типов
слабых нековалентных связей, а также гидрофобных
взаимодействий, возникающих при выталкивании
молекулами воды неполярных молекул, мешающих
водородному связыванию. Образование слабых связей
уменьшает свободную энергию структуры, поэтому чем их
больше, тем структура устойчивей. Это рассуждение
можно рассматривать как введение к данной главе,
посвященной структуре и функциям клеточной мембраны.
Нам еще предстоит познакомиться с клеточным
метаболизмом. Вспомним, что прежде чем вещества пищи
начнут усваиваться, они должны попасть в кровь,
разнестись по организму и добраться до всех его тканей.
И уже в начале своего пути им нужно пройти через
мембраны клеток пищеварительного тракта. Одного этого
достаточно, чтобы с биохимией мембран
познакомиться раньше, чем с процессом усвоения пищи. Кроме того,
компоненты клеточных мембран участвуют в
транспорте жиров в организме, так что заодно мы получим
некоторое представление и об этом
Зачем клетке нужна мембрана?
Ответ очевиден: содержимое клетки должно быть
отделено от окружающей среды. Мы пока не знаем, как
возникла жизнь, хотя предложено несколько гипотез,
пытающихся объяснить возможные механизмы этого
процесса. Одно из необходимых условий возникновения
жизни - наличие примитивной системы молекулярной
ауторепликации. Такая система должна
функционировать в небольшом замкнутом пространстве, иначе ее
компоненты рассеются благодаря диффузии.
Это требование на первый взгляд кажется
невыполнимым, потому что клеточная мембрана слишком
сложна по своей структуре, чтобы примитивная система
ауторепликации могла ее воспроизводить. Конечно, условия,
при которых возникла жизнь на Земле, существенно
отличаются от современных, однако есть вещества,
которые спонтанно образуют замкнутые мембраноподоб-
ные структуры при простом встряхивании их с водой.
Если бы при этом в воде присутствовали аутореплици-
рующиеся системы, то часть их оказалась бы
включенной в крохотные пузырьки, или везикулы,
ограниченные мембранами, которые очень похожи по своей
структуре на мембраны современных живых клеток.
Иными словами, сборка первых мембран могла
происходить спонтанно, без участия специализированных
механизмов ауторепликации.
Что же это за вещества, обладающие столь
необычными свойствами? Одно из них можно извлечь с
помощью органических растворителей из яичного желтка.
Такой экстракт содержит смесь полярных липидов.
Полярные липиды (рис. 3.1) называются амфипатичес-
кими (т. е. обладающими двумя противоположными
свойствами), поскольку их молекулы включают как
полярные (полярная головка), так и неполярные
гидрофобные (гидрофобный хвост) группы.
Полярные
-" " гидрофильные
головки
Неполярные
гидрофобные
хвосты
Рис. 3.1. Структурная организация амфипатических
молекул, входящих в состав биологических мембран
Молекулы, которые могли бы сформировать
примитивную мембрану в далеком прошлом, не обязательно
были похожи на современные полярные липиды.
Важно, что они обладали амфипатическими свойствами.
В присутствии воды такие молекулы образуют
структуры, в которых полярные головки обращены к воде,
а контакт гидрофобных хвостов с водой сводится к
минимуму. Взаимодействие между гидрофобными
хвостами до предела усиливается ван-дер-ваальсовыми
взаимодействиями, что существенно уменьшает свободную
энергию структуры и, следовательно, резко повышает
ее стабильность.
После встряхивания полярных липидов в водной
среде образуются липосомы - пузырьки, окруженные ли-
пидным бислоем. Последний образован двумя рядами
полярных липидов, гидрофобные концы которых
спрятаны внутрь, а гидрофильные головки обращены
наружу, контактируя с водой и друг с другом, как показано
на рис. 3.2, а.
часть 2 Структура белков и мембран
52

Полярная головка.
ΑΛΛΛΛ^νν
/4/VVN/4/W
Углеводородный слой
Если сделать срез липосомы и обработать его
тяжелым металлом, который взаимодействует с полярными
головками, в электронном микроскопе липидный бис-
лой будет выглядеть как темные рельсы
железнодорожных путей. Мембрана живой клетки после аналогичной
процедуры имеет сходный вид, так как липидный бис-
лой выступает в качестве ее основной структуры.
Другим возможным типом структур, образуемых ам-
фипатическими молекулами в воде, является плотная
цилиндрической формы мицелла (см. рис. 3.2, б).
Однако двойные гидрофобные хвосты полярных липидов
способствуют образованию бислойной, а не мицелляр-
ной структуры.
Липидный бислой
Каковы липидные компоненты
клеточных мембран?
Существует много полярных липидов, структуры
которых, если их записать в виде формулы, будут сильно
различаться. Однако схематически все они могут быть
представлены так, как это показано на рис. 3.1: с полярной
головкой и двумя гидрофобными хвостами. Рассмотрим
сначала для сравнения структуру неполярных липидов.
Рис. 3.2. Строене липосомы и мицеллы
а - Поперечный разрез синтетической липосомы,
образованной липидным бислоем;
б - поперечный разрез плотной цилиндрической формы
мицеллы.
Для образования бислоя предпочтительнее участие липидов
с двумя гидрофобными цепями, а для образования мицеллы -
с одной
Жиры - это неполярные липиды, которые можно
рассматривать как производные жирных кислот.
Свободные жирные кислоты никогда не встречаются в
мембранах. Жирная кислота имеет структуру RCOOH, где R -
длинная углеводородная цепь. Среди жирных кислот
наиболее часто встречаются гексадеканоевая (С16) и ок-
тадеканоевая (С18) кислоты, которые обычно называют
соответственно пальмитиновой и стеариновой
кислотой. Их также обозначают как 16:0 или 18:0, что
указывает на число углеродных атомов и количество
ненасыщенных двойных связей. Стеариновая кислота (С18)
имеет структуру СН3(СН2)16СООН, или
Нр Н2 Н2 Н2 Н2 Н2 Н2 П2 /О
h,c'VCYCYCYCYCVCYCY<oh
Н2 Н2 Н2 Н2 Н2 Н2 Н2 Н2
Для простоты углеводородную цепь жирных кислот
изображают зигзагообразной линией, не всегда заботясь
о том, чтобы число зигзагов отвечало числу углеродных
атомов.
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
53

Соли жирных кислот называют мылами. Твердое
мыло, которым мы моемся, представляет собой смесь
натриевых солей длинноцепочечных жирных кислот.
О Na+
В состав пищи человека жирные кислоты входят в
виде жиров, которые составляют заметную долю нашей
диеты. В основном это нейтральные жиры -
производные трехатомного спирта глицерина, который этерифи-
цирован жирными кислотами по всем трем своим гидро-
ксильным группам. Такие сложные эфиры глицерина
называют триацилглицеринами, или триглицеридами.
сн2-он
сн—он
сн2-он
Глицерин
0
II
0—С —R
0
II
0—С—R
0
II
0—С—R
Три молекулы
жирной кислоты
/'"Эфирная
/ 0 связь
i II
СН2-0—С —R
1 о
1 и
СН—0—С —R
1 о
1 м
СН2—0—С —R
Одна молекула
нейтрального жира
(триаци л глицерин,
или триглицерид)
Если нейтральные жиры кипятить в водном
растворе щелочи (NaOH или КОН), сложноэфирные связи гид-
ролизуются и образуются глицерин и мыла. Люди
научились варить мыло гораздо раньше, чем узнали, что такое
сложные эфиры. Неудивительно, что термин омыление
часто используют, имея в виду гидролиз любых
сложных эфиров, а не только нейтральных жиров.
Нейтральные жиры съедобны и не являются детергентами. Они
не встречаются в биологических мембранах и не
способны образовывать бислойные структуры в воде. Здесь
мы рассматриваем их лишь для того, чтобы сравнить
с полярными липидами.
Наиболее распространенными мембранными
липидами являются производные глицерин-3-фосфата,
называемые глицерофосфолипидами (или фосфогли-
церидами).
НО-
КИ2~
-2с-н
он
о
3сн2-о-р-он
он
sw-Глицерин-З -фосфат
Центральный углеродный атом (С-2) в глице-
рин-3-фосфате асимметричен, поэтому он может
находиться в двух изомерных формах. В природных
фосфоглицеридах встречается только изомер,
относящийся к L-ряду; для указания на это используется
приставка sn. Две остальные гидроксильные группы
замещены обычно остатками жирных кислот. Простейшим
представителем фосфоглицеридов является фосфатид-
ная кислота:
О
II
СН2—О—С—R
I о
СН—0-С—R
I О
СН.-О-
-0"
Фосфатидная кислота
Стоит запомнить это название, чтобы потом легче
было усвоить названия более сложных соединений. Дело
в том, что в мембранах часто встречаются производные
фосфатидной кислоты, в которых к фосфорильному
остатку присоединены различные полярные радикалы.
Если, например, речь идет о радикале X, то
соответствующее соединение называется фосфатидил-Х:
О
II
СН2 —О—С—R
СН—0-
0
II
-с-
0
II
СН2—О—Р-О-Х
0~
Чем более полярен радикал X, тем полярнее будет
«головка» фосфолипидной молекулы. Распределение
полярности в ней станет более наглядным, если изобразить
молекулу иначе:
Полярная
головка
Неполярные
хвосты
Фосфоглицерид
часть 2 Структура белков и мембран
54

В таком виде в фосфоглицеридах можно узнать ам-
фипатический мембранный липид, способный
образовать бислои: он содержит полярную головку и два
гидрофобных хвоста.
Какие полярные группы связаны
в фосфолипидах с остатком
фосфатидной кислоты?
Бислои могут быть образованы одним типом полярных
липидов. Однако для строительства своих мембран
живые клетки обычно используют разные липиды, подчас
весьма сложные по структуре, но сходные по форме
и амфипатичности молекулы. У фосфоглицеридов это
проявляется в разнообразии полярных групп, связанных
с фосфатидной кислотой.
В качестве такой группы может выступать остаток
этаноламина HOCH2CH2NH3+, фосфатидильное
производное которого называют фосфатидилэтаноламином,
или кефалином:
О—CH2-CH2NH3
0=Р-СГ
I
о
I
сн2-сн—сн2
о о
Кефалин
Трижды метилированный по азоту этаноламин
HOCH2CH2N+(CH3)3 называют холином, а холинсо-
держащий фосфолипид - фосфатидилхолином, или
лецитином.
Карбоксилированный этаноламин есть не что иное,
как аминокислота серии HOCH2CHNH3+COO".
Соответствующий фосфолипид, фрагмент структуры
которого показан ниже, называют фосфатидилсерином.
о-сн2-сн;
о=р-сг
I
о
.NH3+
чсоо"
К другому типу полярных групп относится остаток
шестиатомного спирта инозита, который присутствует
в фосфатидилинозите (PI).
снон—снон
снон чснон
чснон—снон
Прикрепляется
так:

ΟΙ
0=Р-
I
о
о
снон—снон
сн хснон
чснон—снон
Инозит
Фосфатидилинозит
Особняком в этом ряду стоит дифосфатидил глицерин,
или кардиолипин, который представляет собой
глицерин, связанный с двумя остатками фосфатидной
кислоты. Кардиолипин также обладает амфипатическими
свойствами и присутствует во внутренней мембране
митохондрий и в мембранах бактериальных клеток.
-сн2-
V
0~
-снон—сн2—о

οι
-Р=0
I
о
I
сн2-сн—сн2
I I
о о
Ос
Центральный остаток
глицерина, связывающий
две молекулы
фосфатидной кислоты
Кардиолипин
Все перечисленные полярные липиды являются
производными глицерина. Однако эволюция с
непостижимым мастерством создавала полярные липиды с иной
структурой. Тем не менее их молекулы обладают сходной
формой и свойствами. Речь идет о производных
многоатомного аминоспирта сфингозина, который по
своему строению довольно сильно отличается от глицерина:
НО-СН—СН-СН2ОН
НЧн "н+
Н2С<
н2сч
н2сч
н2сч
Н2С<
Н2С<
сн2
сн2
сн2
сн2
:СН2
:СН2
Сфингозин
В отличие от глицерина, сфингозин содержит одну
из двух требующихся углеводородных цепей (как
правило, в ней 15 углеродных атомов). Вторая углеводородная
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
55

цепь в полярных липидах этого типа связана со сфин-
гозином амидной связью, как это показано на примере
церамида, молекула которого по форме близка к ди-
ацилглицерину.
Фосфорилхолиновым производным церамида
является сфингомиелин - природный фосфолипид, главный
компонент миелиновой оболочки нервных клеток.
+/СНз
CH2-CH2-N-CH3
■О" ЧсНз
Церамид
Сфингомиелин
Эволюции свойственно, обнаружив удачное
решение, применять его снова и снова. Например, церамид
используется в различных полярных липидах в
сочетании с различными полярными заместителями по
свободной гидроксильной группе. В качестве таких
заместителей обычно выступают сахара.
Моносахариды глюкоза и галактоза типичны для
цереброзидов, которые присутствуют в мембранах
мозговых клеток. Напомним, что галактоза является стерео-
изомером глюкозы по С-4-атому
О— Пиактош
I
0=Р-0"
I
о
I
но—сн—сн—сн2
NH
Цереброзид
Известно много моносахаридов и их производных,
в том числе аминосахаров. Структура одного из них -
глюкозамина - изображена ниже:
СН2ОН
-О
Η ΝΗ2
Глюкозамин
Соединяя в разных комбинациях даже небольшой
набор моносахаридов, природа получает много разных
олигосахаридов (в них от 3 до 20 моносахаридных
остатков, тогда как в полисахаридах - сотни или даже
тысячи), в том числе с разветвленной структурой. Оли-
госахаридные производные церамида называются
ганглиозидами. В этих липидах полярные головки
особенно велики и разнообразны по строению.
Моносахарид
Олигосахарид
Схема строения ганглиозида
Трудно запомнить структуру Сахаров, однако
строение N-ацетилглюкозамина и сиаловой кислоты
необходимо знать.
СН2ОН
НзС-
СОО"
СН3
N-Ацетилглюкозамин
СНОН
Сиаловая кислота J-uqu
(N-Ацетилнейраминовая |
кислота) СН2ОН
часть 2 Структура белков и мембран
56

Оба эти соединения входят в состав углеводных
компонентов ганглиозидов и мембранных гликопротеинов.
Сиаловая кислота представляет особый интерес в связи
с тем, что участвует в инфицировании клеток вирусом
гриппа (см. с. 312). Ганглиозиды являются
производными сфингозина, они определяют группу крови у людей
(О, А, В). Углеводные части ганглиозидов обладают
антигенными свойствами и различаются концевыми
остатками в олигосахаридных цепях.
О номенклатуре мембранных липидов
Наряду с индивидуальными названиями полярных
липидов, часто используют их собирательные (групповые)
названия. Так, термины мембранные или полярные
относятся к липидам, встречающимся во всех
биологических мембранах. К фосфолипидам относят все
фосфорсодержащие липиды. Среди них выделяют фос-
фоглицериды, в основе структуры которых лежит
глицерин, и сфингомиелины - производные сфингозина.
Производные церамида, лишенные фосфорильных групп
и содержащие углеводные компоненты, называются гли-
колипидами, или гликосфинголипидами. Плазмалоген -
глицерофосфолипид, в котором один из углеводородных
радикалов связан с остатком глицерина не сложноэфир-
ной, а простой эфирной связью. Еще один важный
компонент мембран - холестерин, по своей структуре он
не имеет ничего общего с полярными липидами.
Почему существует так много типов
мембранных липидов?
Ответа на этот вопрос пока нет. Разные мембранные
липиды определяют различные свойства поверхности
мембран. Так, молекулы лецитина несут положительно
заряженные полярные группы, молекулы фосфатидил-
серина - отрицательно заряженные, а цереброзиды -
нейтральные. У разных клеток состав мембранных
липидов может существенно различаться. Мембраны клеток
мозга, например, богаты цереброзидами и ганглиози-
дами, а мембраны миелиновых оболочек нервных
клеток - гликосфинголипидами. Но липиды различаются
по составу не только в мембранах разных типов клеток.
Во всех изученных плазматических мембранах внешняя
и внутренняя поверхности бислоя сильно различаются
по липидному составу. Например, гликолипиды всегда
расположены во внешнем слое, и их углеводная часть
экспонирована в окружающую среду. Липидные
молекулы практически не могут самопроизвольно
перемещаться из одного слоя в другой (такой переход
называют флип-флоп), так как при этом полярные головки
должны пройти через гидрофобную центральную часть
мембраны, а это термодинамически невыгодно.
Известны ферменты, катализирующие этот процесс; вероятно,
они участвуют в создании и поддержании асимметрии
в биологических мембранах.
Напротив, липиды легко, свободно и быстро могут
перемещаться в пределах монослоя (латеральная
подвижность), так как практически не взаимодействуют
друг с другом.
Один из мембранных липидов - фосфатидилинозит,
служит переносчиком двух различных химических
сигналов, регулирующих функции клетки (см. главу 26).
Это, однако, особый случай. Пока нет разумных
объяснений, почему мембраны содержат так много разных
полярных липидов, чем обусловлено своеобразие липид-
ного состава у разных клеток и для чего нужна
асимметрия липидного состава внешнего и внутреннего
монослоев. Некоторые мембранные липиды, особенно
ганглиозиды, представляют интерес с медицинской
точки зрения. Так, при детских заболеваниях, относящихся
к группе гликосфинголипидозов (болезни Тея-Сакса
и Гоше), нарушается обмен гликосфинголипидов, и
накопление продуктов их частичного расщепления
вызывает тяжелое поражение нервной системы.
Подводя итог, можно сказать, что клетки используют
много разных полярных липидов, создавая свои
мембраны, однако причины такой вариабельности пока не ясны.
Каков жирнокислотный состав
мембранных липидов?
Остатки жирных кислот, образующих гидрофобный
хвост мембранных липидов, разнообразны по структуре.
Как правило, они имеют неразветвленную цепь и
содержат четное число атомов углерода - от С,4 до С24 (в
основном - от С14 до С18). (Причины четности числа
углеродных атомов обсуждаются в главе 9.) Два жирно-
кислотных остатка в одной молекуле фосфолипида
могут быть одинаковыми или разными, причем в фосфо-
глицеридах гидроксил в первом положении обычно
этерифицирован кислотой с насыщенной цепью,
а во втором - с ненасыщенной. Степень ненасыщенос-
ти жирнокислотных хвостов играет важную роль,
поскольку центральная гидрофобная область мембраны
должна быть по своим свойствам близка к жидкости,
а не к твердому телу. Чем выше ненасыщенность, тем
ниже температура соответствующего фазового перехода
у мембранных липидов.
Как правило, двойные связи в жирнокислотных
хвостах имеют ^мс-конфигурацию, благодаря чему
содержащие их хвосты (в отличие от насыщенных) имеют
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
57

не прямую, а изломанную форму Такого рода изломы
препятствуют плотной упаковке молекул.
ХООН /СООН ХООН
\
Насыщенная Ненасыщенная Ненасыщеная
жирная кислота жирная кислота с жирная кислота
ipc-двойной связью с трянс...двойной
связью
Влияние степени ненасыщенности на фазовое
состояние липида наглядно видно при сравнении бараньего
жира с оливковым маслом. В обоих случаях мы имеем
дело с триглицеридами, но в липидах оливкового масла
много ненасыщенных жирнокислотных хвостов.
Однако в мембранах триглицериды отсутствуют, и
правильнее сравнивать жирнокислотный состав мембранных ли-
пидов теплолюбивых и холодоустойчивых организмов
близких видов: у первых преобладают полностью
насыщенные кислоты.
Важность поддержания «текучести» мембран
иллюстрируется тем, что бактерии регулируют
жирнокислотный состав своих мембран таким образом, чтобы
температура фазового перехода мембранных липидов была
близка к температуре среды культивации. У
теплокровных животных, впадающих в зимнюю спячку, степень
насыщенности жирных кислот мембранных липидов
также варьирует в зависимости от сезонных изменений
температуры тела.
Наиболее распространены мононенасыщенные
олеиновая (18:1) и пальмитолеиновая (16:1) кислоты,
достаточно часто встречаются линолевая (18:2) и арахи-
доновая (20:4) кислоты с двумя и четырьмя двойными
связями соответственно. О номенклатуре таких кислот
подробнее будет сказано в главе 10.
Какую роль играет холестерин
в мембранах?
При взгляде на структурную формулу холестерина
(рис. 3.3, а), возникает вопрос: почему это вещество
является компонентом биологических мембран? Однако
часть 2 Структура белков и мембран
58
Рис. 3.3. Молекула холестерина
а - Плоскостное изображение;
б - пространственное изображение
все становится на свои места, если ознакомиться с кон-
формацией его молекулы (рис. 3.3, б). Холестерин
представляет собой вытянутую молекулу с жестким
стероидным ядром и гибкой углеводородной цепью. Молекула
холестерина амфипатична, поскольку на одном из ее
концов находится полярная гидроксильная группа.
Встраиваясь между молекулами липидов (гидроксил
располагается в зоне полярных головок), холестерин
участвует в регуляции текучести мембраны, препятствуя
плотной упаковке углеводородных цепей и тем самым
снижая температуру плавления липидов. Внешне это
проявляется в «расплывании» области фазового
перехода в липидном бислое. Иными словами, в отсутствие
холестерина этот переход происходит в более узком
интервале температуры. Подобным образом на температуру
плавления кристаллических веществ влияет присутствие
в них примесей. Мембрана эритроцитов может
содержать до 25% холестерина, в бактериальных мембранах
его нет вообще, а в митохондриальных мембранах
животных холестерина очень мало. В растительных
клетках роль холестерина выполняют родственные ему
соединения - фитостерины.
Слияние липидных бислоев
Липидный бислой в некотором роде подобен двумерной
жидкости, в которой отдельные молекулы липидов
свободно перемещаются в пределах своего монослоя.
Липидные бислой обычно замыкаются сами на себя,
устраняя свободные края. По этой причине они
способны самопроизвольно восстанавливаться при
повреждениях, смыкая края разорванных участков; при тесном
контакте бислой сливаются. Такие свойства бислоев

придают клеткам гибкость и способствуют ликвидации
перетяжек, что особенно важно при клеточном делении
(рис. 3.4, а).
Подобные процессы происходят при эндоцитозе -
процессе поглощения клеткой частиц (или крупных
молекул), которые не могут пройти через мембранный бис-
лой. Поглощаемая частица постепенно окружается
небольшим участком плазматической мембраны, который
сначала впячивается, а затем отщепляется, образуя
внутриклеточный пузырек, или вакуоль (рис. 3.4, б).
Возможно и обратное явление. Так, перенос секре-
тируемых клеткой молекул белков осуществляется
путем упаковки их в окруженные мембраной пузырьки,
которые затем сливаются с плазматической мембраной,
высвобождая содержимое в окружающую клетку среду
(рис. 3.4, в).
Такой процесс называется экзоцитозом. Он имеет
место, например, при секреции пищеварительных
ферментов клетками поджелудочной железы.
а
б
Частица
^^ Плазматическая мембрана
— О -
Цитоплазма
в
Окружающая среда
ф. Плазматическая мембрана
Рис. 3.4. Деление клетки (а), эндоцитоз (б) и экзоцитоз (в)
Экзоцитоз используется для секреции пищеварительных
ферментов
Проницаемость липидных бислоев
Способность веществ диффундировать через липидный
бислой в основном определяется его растворимостью
в жирах. Жирорастворимые молекулы легко
преодолевают бислой, а для большинства полярных молекул
и ионов он почти непроницаем. Крупные незаряженные
полярные молекулы типа глюкозы проникают через
бислой хуже, чем более мелкие, такие как этанол и глицерин.
Заряженные группы полярных молекул и
неорганические ионы в водном растворе окружены сольватными
оболочками из определенным образом ориентированных
молекул воды. Для того чтобы пересечь гидрофобный
слой мембраны, им нужно избавиться от этих оболочек,
что энергетически крайне невыгодно. Поэтому
проницаемость липидных бислоев для таких молекул и ионов
ничтожно мала.
Большинство молекул, участвующих в
биохимических процессах, достаточно полярны и потому не могут
диффундировать через липидный бислой со скоростью,
соизмеримой с потребностями клетки. Отсюда следует,
что: во-первых, бислойная структура биологических
мембран идеально удовлетворяет требованию оградить
цитоплазму от окружающей среды; во-вторых, мембрана
должна обладать механизмами, позволяющими клетке
быстро и избирательно пропускать потоки молекул и
ионов в соответствии с метаболическими потребностями.
Удивительно, что молекулы воды, хотя они и
полярны, легко пересекают липидный бислой. Безусловно,
сказываются малые размеры молекулы воды и
отсутствие у нее заряда, но этого недостаточно; вероятно,
здесь действуют какие-то дополнительные факторы.
В мембранах клеток почечных канальцев и секреторных
эпителиальных клеток, где транспорт воды особенно
интенсивен, присутствует особый белок - аквапорин,
который обеспечивает свободное движение воды через
мембрану. Липидный бислой проницаем также для
растворенных газов, в частности для кислорода.
Суммируя сказанное, отметим, что клетки должны
быть окружены барьером, который препятствует утечке
их компонентов, представленных главным образом
полярными соединениями. Эта цель достигается благодаря
использованию липидного бислоя - структуры,
образование и стабильность которой определяются слабыми
взаимодействиями между различными амфипатичес-
кими полярными липидами.
Монослои, составляющие бислойную мембрану,
отличаются липидным составом. Это различие
появляется в ходе сборки мембраны и сохраняется вследствие
энергетической нецелесообразности обмена липидами
между монослоями. Латеральное движение липидов (в
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
59

пределах каждого из монослоев) происходит вполне
свободно. Разные типы клеток различаются липидным
составом своих мембран. Непонятно, зачем природе
понадобился такой обширный набор липидов для
биомембран, тем более что только один из них - фосфа-
тидилинозит имеет специфическое предназначение,
выступая в качестве химического сигнала.
Углеводородный слой мембран находится в «жидком» состоянии.
В животных клетках это достигается поддержанием
баланса между насыщенными и ненасыщенными
остатками жирных кислот. Последние снижают температуру
фазового перехода в бислоях: их изломанные ^модвой-
ной связью цепи препятствуют плотной упаковке липид-
ных молекул. Для регуляции температуры фазового
перехода используется холестерин. В бактериальных
мембранах тот же эффект достигается с помощью
жирных кислот с разветвленными цепями. Липидный бис-
лой практически непроницаем для сильно полярных
молекул, однако через него относительно легко
диффундируют небольшие слабополярные молекулы. Эти
свойства позволяют бислою осуществлять свою главную
функцию - служить барьером, препятствующим утечке
компонентов цитоплазмы. Способность бислоев к
слиянию обеспечивает возможность протекания таких
процессов, как клеточное деление, эндоцитоз и экзоцитоз.
Липидный бислой является конструкционной
основой биологических мембран, однако сам по себе не спо-
способен осуществить все выполняемые ими функции,
в том числе избирательный трансмембранный перенос
молекул. За это ответственны мембранные белки.
Мембранные белки и структура
биологических мембран
Благодаря своей удивительной структуре биологическая
мембрана обладает разнообразными свойствами. Разные
клетки выполняют различные функции, и каждая из этих
функций может быть реализована с помощью
специализированного мембранного белка, который
синтезируется для выполнения определенной задачи, а затем
попадает в мембрану (о том, как это происходит, см. главу 22).
При этом необходимо, чтобы белок мог встроиться в эту
мембрану. Экспериментально доказано, что
функциональные белки, выделенные из биомембран, способны
встраиваться в искусственные липидные мембраны
(липосомы) и осуществлять там те же функции, что
и в исходной мембране.
Структуру биомембран часто называют жидкомоза-
ичной (рис. 3.5). Ее уподобляют двумерному морю
липидов, в котором плавают «айсберги» - интегральные
белки, частично погруженные в мембрану или
пронизывающие ее насквозь Кроме того, выделяют так
называемые периферические белки, молекулы которых
не встроены в мембрану, а удерживаются на ее
поверхности за счет слабых взаимодействий.

Периферический белок
t
интегральный белок
Интег-
альный
белок ^
Интегра
ный белок
Рис. 3.5. Жидкомозаичная модель строения биологических
мембран
Что удерживает интегральные белки
в липидном бислое?
Интегральные мембранные белки удерживаются в
липидном бислое благодаря особенностям своей
структуры, которые обеспечивают возможность слабых
взаимодействий между ними и липидным окружением.
Как известно, белки представляют собой
полипептиды, состоящие из ковалентно связанных аминокислот.
Если все аминокислотные остатки в полипептиде
содержат гидрофобные боковые цепи, то полипептид в целом
будет гидрофобен и т. д. У интегральных мембранных
белков концевые участки полипептидной цепи состоят
из остатков гидрофильных аминокислот, а центральная
часть цепи - из гидрофобных (рис. 3.6, а).
На рис. 3.6, б схематически показано строение гли-
кофорина - главного белкового компонента мембраны
эритроцитов. На внешней стороне мембраны
расположен N-концевой участок этого белка, богатый
гидрофильными аминокислотами. Гидрофильность этого
фрагмента усиливается благодаря наличию большого
числа остатков серина, треонина и аспарагина,
ковалентно связанных с углеводными радикалами. С-кон-
цевой участок полипептидной цепи, расположенный
часть 2 Структура белков и мембран
60

с внутренней стороны мембраны, также богат
гидрофильными аминокислотами, но не содержит углеводных
компонентов (углеводные остатки всегда расположены
на поверхности клетки). Оба гидрофильных фрагмента
молекулы гликофорина разделены участком
полипептидной цепи, расположенным внутри мембраны и
обладающим гидрофобными свойствами (участок не
содержит ни одной сильно гидрофильной аминокислоты). Он
состоит из 19 аминокислотных остатков, свернутых
в α-спираль.
Размеры центрального гидрофобного участка
молекулы гликофорина соответствуют толщине
гидрофобной зоны липидного бислоя, а внешние гидрофильные
участки локализованы на противоположных сторонах
мембраны и способны взаимодействовать как с водой,
так и с полярными головками мембранных липидов
(см. рис. 3.6, б). Белки, в молекулах которых четко
выделяются гидрофильные и гидрофобные участки,
называют амфипатическими.
Полипептидная
цепь белка
Гидрофильные Гидрофобные Гидрофильные
аминокислоты аминокислоты аминокислоты
N-концевой участок с
прикрепленными к нему
16 олигосахаридными
цепями
Гидрофобная α-спираль,
погруженная в мембрану
В некоторых мембранных белках полипептидная
цепь многократно изгибается таким образом, что
пересекает мембрану не один, а несколько раз (рис. 3.7).
Соответственно, гидрофильные участки в них
перемежаются с гидрофобными; последние спирализованы
и состоят из 15 -20 аминокислотных остатков. Среди
таких белков наиболее изучен бактериородопсин -
пигмент пурпурных бактерий Halobacterium halobium.
Он улавливает световую энергию и использует ее для
перекачивания протонов из бактериальной клетки в
окружающую среду, создавая протонный градиент,
энергия которого затем используется клеткой для синтеза
АТР (этот механизм описан в главе 7).
Расположение мембранных белков отвечает
максимально эффективному их взаимодействию с липидным
бислоем. При любой попытке белка покинуть мембрану
его гидрофобные участки войдут в соприкосновение с
водой, а гидрофильные - с углеводородным слоем
мембраны. И то, и другое энергетически невыгодно, так что
трансмембранные перемещения интегральных белков
исключены. Иное дело их латеральная диффузия в пределах
монослоя. Механизмы попадания белков в биомембраны
и их начальная ориентация будут обсуждаться в главе 22.
NH3 Окружающая
среда
ЫНз
, Липидный
бислой
соо-
Цитоплазма
С-концевой^часток, гпп-
содержащии гидро- —LUU
фильные
аминокислотные остатки,
экспонирован в цитоплазму
Рис. 3.6. Структурная организация интегральных белков
(а), и строение молекулы гликофорина (б)
Спиральный участок гликофорина, включающий 19
аминокислотных остатков, имеет длину около 3 нм, что соответствует
толщине гидрофобной части липидного бислоя
Рис. 3.7. Топография полипептидной цепи бактериородоп-
сина в мембране
Семь плотно упакованых α-спиральных участков
пронизывают липидный бислой
Заякоривание периферических белков
в мембране
Периферические водорастворимые мембранные белки
могут удерживаться на поверхности мембраны за счет
водородных связей и ионных взаимодействий.
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
61

Однако существуют и другие способы. Так, белок
может содержать ковалентно связанный остаток длинно-
цепочечной жирной кислоты, который внедряется в ли-
пидный бислой и служит своего рода якорем (рис. 3.8).
В одних белках N-концевые остатки глицина связаны
с жирной миристиновой кислотой:
R-CO-NH-CH2-CO- полипептид f
в других - жирные кислоты С14, С16 и С18 этерифициру-
ют гидроксильные группы остатков серина и треонина
или тиольную группу цистеина. Используются кислоты
и более сложного строения, остатки которых
прикреплены к белку простыми эфирными связями.
Примером более усовершенствованного способа заякоривания
периферических белков в мембране является кова-
лентное связывание фосфатидилинозита с олигоса-
харидной частью мембранного гликопротеина. Такой
остаток фосфатидилинозита включается в мембрану
и ведет себя там как свободная липидная молекула.
Мембранные гликопротеины
Многие мембранные гликопротеины так же, как и глико-
липиды - цереброзиды и ганглиозиды, содержат
разветвленные олигосахариды с внешней стороны мембраны.
Эти олигосахариды, ковалентно связанные с боковыми
цепями остатков серина или аспарагина, состоят из фу-
козы, маннозы, галактозы, N-ацетилгалактозамина,
Белок, связанный
с жирной кислотой
с помощью ЫН2-группы
О HN
Якорный
" - гидрофобный
хвост
Плазматическая
мембрана
Рис. 3.8. Якорный остаток жирной кислоты,
прикрепленный амидной связью к молекуле белка
Иногда остатки жирных кислот прикреплены к белкам
сложноэфирной или тиоэфирной связями
часть 2 Структура белков и мембран
62
N-ацетилглюкозамина и сиаловой кислоты. В гликопроте-
ине эритроцитарной мембраны - гликофорине
углеводная часть составляет по массе половину молекулы.
Точно неизвестно, зачем нужны эти олигосахариды, хотя
в некоторых случаях они, по-видимому, играют роль
маркеров при распознавании клеточной поверхности.
Итак, разнообразие мембранных белков
определяется множественностью функций биологических мембран.
Интегральные белки погружены в мембраны, тогда как
периферические удерживаются на поверхности
благодаря нековалентным взаимодействиям с полярными
группами липидов. Интегральные белки амфипатичны:
в их структуре четко различаются центральная
гидрофобная область, соприкасающаяся с углеводородным
слоем липидной мембраны, и гидрофильные
фрагменты на С- и N-концевых участках цепи, экспонированные
в водное окружение по разные стороны мембраны.
Мембранные белки часто гликозилированы, т. е. содержат
ковалентно связанные остатки Сахаров, причем эти
сахара всегда находятся на внешней стороне клеточной
мембраны. В принципе в липидную мембрану может
быть встроено большое число типов белков. Это
придает ей функциональную гибкость.
Функции мембран
Мембраны выполняют множество разнообразных
функций. Мы ограничимся рассмотрением функций
плазматической мембраны, окружающей клетку, а о
внутриклеточных мембранах поговорим в следующих
главах. Кроме основной задачи - сохранить содержимое
клетки, плазматические мембраны выполняют и
множество других. В этом разделе будет рассмотрено их
участие в транспорте веществ в клетку и из клетки, передаче
сигналов, поддержании формы клеток, а также в
межклеточных взаимодействиях.
Транспорт веществ в клетку и из клетки
Уже говорилось о том, что если не большинство, то
многие из веществ, которые клетка должна получать из
окружающей среды, не способны проникать через
плазматическую мембрану со скоростью, соизмеримой с ее
метаболическими потребностями. (Заметим, что есть
внутриклеточные мембраны, например внешние
мембраны митохондрий и хлоропластов, у которых поры так
велики, что через них свободно проходят любые
молекулы с массой менее 600 Да.) Поэтому для переноса через
мембрану полярных структур - Сахаров, аминокислот,
неорганических ионов и т. п. - требуются специально

предназначенные для этой цели белки. Только они
могут обеспечить должную избирательность и управление
клеточными процессами извне. Требование
избирательности объясняет необходимость существования
множества специализированных транспортных систем и,
следовательно, транспортных белков.
Пассивный транспорт,
или облегченная диффузия
Транспортные системы подразделяют на пассивные
и активные. Первые осуществляют перенос веществ
через мембрану, не требуя притока энергии извне,
поскольку он совершается за счет концентрационного
градиента. Именно поэтому пассивный транспорт называют
также облегченной диффузией. Хорошим примером
здесь может служить белок, обеспечивающий
двунаправленное движение анионов (СГ и НСО 3) через эрит-
роцитарную мембрану (рис. 3.9). Физиологическое
значение этого процесса обсуждается в главе 27. Другим
примером облегченной диффузии может служить
перенос глюкозы через мембраны животных клеток -
необходимый и важный этап усвоения этого вещества,
разносимого кровью.
Важными элементами в системе пассивного
транспорта являются регулируемые поры, обычно
именуемые каналами. К их числу относятся структуры,
обеспечивающие трансмембранные ионные потоки,
пропускная способность которых зависит от внешнего
сигнала. Одни каналы открываются в ответ на
деполяризацию (см. главу 26), другие - под действием
определенных химических веществ, в частности ацетилхо-
лина. Структурные элементы каналов, непосредственно
отвечающие за их пропускную способность, называют
воротами, а структурные элементы, распознающие
сигнальную молекулу (химический сигнал), - рецепторами.
Каналы имеют важное физиологическое значение для
ионов Са2+, Na+ и К+.
Активный транспорт
Этот вид трансмембранного переноса веществ
совершается за счет внешнего источника энергии. Во всех
клетках (кроме бактериальных) таким источником
служит гидролиз АТР. При активном транспорте
перемещение вещества происходит против его
концентрационного градиента.Чтобы определить количество энергии,
необходимой для перемещения вещества в клетку
против концентрационного градиента, можно использовать
уравнение, приведенное в главе 1 для описания
химических реакций:
[Продукты]
Белок, ответственный
за транспорт анионов
СГ
л
НСО*
J
Мембрана
СГ
cr
ν
НСОз
НСО",
V
А
сг
НСО",
Рис. 3.9. Анионный канал в мембране эритроцита
Ионы СГ и НСО~ могут двигаться через канал в обоих, но
противоположных направлениях в соответствии с
концентрационными градиентами. Противоток этих анионов
обеспечивает сохранение электронейтральности
Для веществ, чья структура при переносе не
изменяется (AG0' = 0), это уравнение упрощается:
[С2]
AG = /?r-2,3031g-T-
где Cj - концентрация вещества вне клетки; С2 -
концентрация вещества внутри клетки. Если С2/С] = 10,
а Т= 298 К, то:
10
АО=8,315кДж · моль"1 ■ 1^X298К)-2,303 lg- =
AG = AG°' + /?r-2,303 1g
1
[Исходные вещества]
=5706кДж-моль-1.
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
63

Итак, в принятых условиях перенос одного моля
вещества требует 5706 Дж (при 25° С). Неудивительно,
что нервные клетки, мембранный потенциал которых
в значительной мере определяется градиентом
концентрации ионов калия и натрия, расходуют на его
поддержание большую часть производимого в них АТР.
Примером системы активного транспорта может
служить так называемый Na~7K+-Hacoc в клеточных
мембранах животных клеток. В этих клетках поддерживается
высокая концентрация ионов калия (140 мМ) и низкая -
ионов натрия (12 мМ), тогда как в крови и
межклеточной жидкости соотношение этих концентраций
обратное: соответственно 4 и 145 мМ. Ионная проницаемость
плазматических мембран клеток такова, что
концентрационным градиентам калия и натрия соответствует
разность электрических потенциалов 50-70мВ
(положительный - снаружи мембраны, отрицательный -
внутри). За это приходится платить: на поддержание
ионных градиентов животные тратят около трети
расходуемой ими энергии. Но тратится она не впустую. Эти
градиенты необходимы для генерации и проведения
электрических сигналов в возбудимых мембранах, а
кроме того, запасенная в виде градиентов энергия
расходуется на транспорт веществ через мембрану.
Устройство Na7K+-Hacoca
Этот насос иначе называют NaVIC-АТРазой, поскольку
выкачивание из клетки натрия и закачивание в нее
калия сопряжено с гидролизом АТР до ADP + Pf..
Ыа+/К+-АТРаза представляет собой белок, состоящий
из двух пар субъединиц (αα и ββ). Некоторые белки
способны изменять свою форму при связывании
специфических лигандов (лигандами называют
соединения, которые связываются с другими соединениями
в строго определенных местах). Эти изменения
происходят в результате конформационных превращений в
отдельной белковой молекуле или вследствие упаковки
субъединиц в белковые комплексы (например в
гемоглобине). В Na+/K+-ATPa3e такие изменения могут быть
вызваны фосфорилированием белка, в ходе которого
может измениться его сродство к ионам натрия и калия.
Согласно модели, представленной на рис. 3.10,
Na+/K+ -АТРаза может существовать в двух конформа-
циях. Связывание Na+ и последующее фосфорилирова-
ние АТРазы со стороны цитоплазмы (см. рис. 3.10, а)
приводят к конформационным изменениям в белке,
в результате которых Na4" проходит через мембрану и
высвобождается в межклеточное пространство.
Одновременно с этим происходит связывание К+ на внешней
поверхности мембраны (см. рис. 3.10, б), а
последующее дефосфорилирование возвращает белок в перво-
часть 2 Структура белков и мембран
64
начальное состояние; при этом К+, пройдя через
мембрану, поступает в цитоплазму (см. рис. 3.10, в). Таким
образом, фосфорилирование фермента приводит к
выбросу иона натрия из клетки и к связыванию им иона
калия из окружающей среды. Если при дефосфорилиро-
вании фермент возвращается в первоначальную форму,
то процесс становится циклическим и выражается в
гидролизе АТР, сопряженном с трансмембранным
противотоком ионов натрия и калия. Действительно, один цикл
Ыа+/К+-АТРазы сопровождается встречным переносом
трех ионов натрия и двух ионов калия. Все
происходящее при этом можно описать уравнением:
ЗЫа+(внутри) + 2К+(снаружи) + АТР + Н20 ->
-> ЗЫа+(снаружи) + 2К+(внутри) + ADP + Р,- + Н\
Здесь интересен медицинский аспект. Существует
группа соединений, называемых сердечными гликози-
дами, которые представляют собой углеводные
производные стероидов (по структуре сходные с
холестерином). Они содержатся в наперстянке и близких к ней
видах растений.
Эти соединения ингибируют Na+/K+-ATPa3y,
препятствуя удалению фосфорильного остатка, и тем
самым останавливают транспорт ионов на стадии б
(см. рис. 3.10). В малых дозах они уже давно
используются в медицине при лечении сердечной
недостаточности, а в больших дозах - смертельно опасны.
Терапевтический эффект сердечных гликозидов обусловлен тем,
что они, ингибируя Ыа+/К+-АТРазу, увеличивают
концентрацию ионов натрия в клетках сердечной мышцы,
вследствие чего уменьшается натриевый градиент. Это
приводит к увеличению содержания в цитоплазме ионов
Са2+, поскольку существует другая система, которая
обеспечивает транспорт Na+ внутрь клетки, а Са2+
наружу, т. е. выход Са2+ из мышечных клеток происходит
путем его обмена на натрий и зависит от натриевого
градиента. Вызванное сердечными гликозидами снижение
градиента Na+ способствует снижению выхода Са2+
наружу и увеличению его внутриклеточного уровня. Это
в итоге стимулирует сокращение сердечной мышцы.
Сходным эффектом обладает уабаин - вещество
растительного происхождения, которым африканцы
отравляли наконечники своих стрел.
Совместный перенос молекул
через мембраны (симпорт)
Трансмембранный №+-градиент, создаваемый
Na+/K+-ATPa3oft, есть не что иное, как форма запасания
энергии. Эта потенциальная энергия рассеется в виде
тепла, если ионам натрия дать возможность просто так

Окружающая среда
+ АТР
Цитоплазма
3Na+
Окружающая среда
\ 2К+
3Na+
+ ADP
Цитоплазма
Окружающая среда
з
+ h
2К+
3Na+ \
Цитоплазма
Рис. 3.10. Гипотетический мех анизм работы Na7K+-Hacoca
а-в - Последовательные состояния №7К+-АТРазы
вернуться в клетку. Представим, однако, что они это
сделают вместе с другими молекулами. Такой совместный
перенос называется симпортом. Существует, например,
белок, ответственный за симпорт ионов натрия и
глюкозы, при котором переносятся их строго эквимолярные
количества. В результате глюкоза может двигаться
внутрь клетки против собственного концентрационного
градиента за счет градиента ионов натрия. А поскольку
последний возникает за счет гидролиза АТР, то АТР
косвенно является движущей силой транспорта глюкозы.
Подобный механизм функционирует при всасывании
аминокислот и глюкозы в кишечнике (рис. 3.11), причем
в переносе разных веществ участвуют разные
транспортные белки.
Симпорт №+/К+АТРаза
\
Глюкоза \
^.
Na+
(высокая
концентрация)
Глюкоза
S
\
Na+
(низкая
концентрация)
АТР
\
Na+
К+
ADP + Р/
/
-'
Na
К+
Рис. 3.11. Симпорт - система совместного транспорта
глюкозы и ионов натрия
Антипорт
В связи с действием сердечных гликозидов мы уже
упоминали о том, что вход ионов натрия в клетки
сердечной мышцы сопряжен с выкачиванием наружу ионов
кальция. Такой жестко связанный противоток называют
антипортом (рис. 3.12). И в этом случае кальций может
транспортироваться против собственного
концентрационного градиента за счет энергии натриевого
градиента, который, в свою очередь, возникает благодаря
гидролизу АТР. Когда мы подойдем к рассмотрению
мышечного сокращения, вы увидите, что встречаются
и Са2+-насосы (Са2+-АТРазы), которые
непосредственно используют гидролиз АТР как источник энергии для
трансмембранного переноса ионов кальция.
Антипорт Ыа+/К+-АТРаза
Са*
Na+
Са2+
Na4
АТР
Na+
К+
/
' -^Na
К+
ADP + Pj
Рис. 3.12. Антипорт - система жестко связанного
противотока ионов натрия и кальция
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
65

Унипорт
Термином унипорт обозначают перенос любых
растворенных веществ или ионов с одной стороны мембраны
на другую с участием специализированных
транспортных белков, например Са2+-АТРазы из саркоплазматичес-
кого ретикулума.
Итак, большинство веществ переносится через
плазматическую мембрану с помощью специфического для
каждого вещества транспортного белка, что позволяет
понять, почему таких белков очень много.· Транспорт
называют пассивным, когда его движущей силой является
только градиент концентрации (перенос анионов в эритроцитах
или глюкозы в животных клетках). Однако так бывает
не всегда, и вещества могут двигаться через мембрану
против собственного градиента. Животные клетки обладают
Ыа7К+-АТРазой, которая создает на плазматической
мембране встречные градиенты концентраций ионов калия
и натрия. Ингибирование этого фермента сердечными
гликозидами используется в медицине при лечении
сердечной недостаточности. Натриевый градиент, возникающий
на плазматической мембране, может использоваться как
источник энергии для переноса других молекул (симпорт
натрия и аминокислот или глюкозы в кишечнике) или
выведения их в окружающую среду (антипорт ионов натрия
и кальция). И при симпорте, и при антипорте с участием
ионов натрия источником энергии для создания всех
градиентов является гидролиз АТР. Наряду с NaVIC-АТРазой
существуют и другие транспортные АТРазы.
Преобразование сигналов
Все клетки животного должны работать согласованно,
в соответствии с нуждами целого организма, о которых
они узнают из посылаемых им сигналов. Жизнь - это
химический процесс, и потому неудивительно, что
сигналы посылаются в виде химических соединений, будь
то гормоны, продуцируемые железами, или нейромеди-
аторы, выделяемые нервными окончаниями.
Среди сигнальных соединений есть неполярные
вещества, такие как стероидные гормоны, которые
проникают в клетки, диффундируя через липидный бислой, и
полярные, которые в клетку проникнуть не могут, а
связываются на ее поверхности со специализированными
белками-рецепторами, каковые и отвечают за передачу
сигнала. Связывание сигнальной молекулы с
мембранным белком-рецептором инициирует цепь
последовательно протекающих событий внутри клетки. Именно это
имеют в виду, когда говорят о плазматической мембране как
о преобразователе сигнала. Биохимические аспекты
преобразования сигналов будут рассмотрены в главах 12 и 26.
часть 2 Структура белков и мембран
66
Роль плазматической мембраны
в поддержании формы клеток
и их подвижности
Эукариотические клетки обладают своего рода каркасом,
который, с одной стороны, придает им определенную
форму, а с другой - допускает возможность ее
изменения, позволяя клеткам двигаться и перемещать свои ор-
ганеллы с одного места на другое. Этот каркас,
называемый цитоскелетом (см. главу 29), в отличие от костного
скелета животных, не жесткий и не имеет
фиксированной структуры. Он образован белковыми волокнами,
которые пронизывают цитоплазму и во множестве точек
связаны с белками плазматической мембраны.
Естественно, эти белки не способны к латеральной диффузии,
свойственной обычным мембранным белкам.
Наиболее наглядным примером, демонстрирующим
связь цитоскелета с мембранными белками, служит
эритроцит. Он имеет форму двояковогнутого диска, что
позволяет увеличить поверхность газообмена между
цитоплазмой и внешней средой. При движении сквозь тончайшие
капилляры эритроцит испытывает значительные
механические нагрузки и благодаря гибкости и упругости
претерпевает значительные, но обратимые изменения
формы. Эритроцит обладает этими свойствами из-за наличия
в нем плотного примембранного каркаса из волокон,
образованных белком спектрином. Название этого белка
происходит от английского слова spectre (тень, призрак),
которое является синонимом другого английского слова
ghost Так называют эритроциты, сохранившие форму,
но утратившие содержимое. Спектрин связан с белком
анкирином (англ. anchor - якорь), который, в свою
очередь, удерживается на внутренней поверхности
мембраны благодаря связыванию с белком, ответственным
за транспорт анионов. Другие якорные белки
прикрепляют спектрин к гликофорину (рис. 3.13).
Известны больные, у которых цитоскелет
эритроцитов нарушен из-за дефектов структуры спектрина или
анкирина. При этом эритроциты имеют необычную
форму и разрушаются в селезенке. Болезни, вызванные
такими нарушениями, называют наследственным сферо-
цитозом или наследственным эллиптоцитозом.
Межклеточные взаимодействия:
плотные соединения, контактные поры,
ответственные за клеточную адгезию
белки
Клетки эпителия, выстилающего пищеварительный тракт,
служат посредниками при переносе продуктов
расщепления пищи в кровь. Последние проникают в
эпителиальную клетку через обращенную в кишечный тракт

Окружающая среда Белок,
транспортирующий
... анионы -..
Гликофорин
··
Цитоплазма
Анкирин
Спектриновые Белки, связывающие
волокна гликофорин с цитоскелетом
Рис. 3.13. Взаимодействие с цитоскелетом белка, транспортирующего анионы, и гликофорина
плазматическую мембрану, переносятся к
противоположной стороне клетки и затем выходят через мембрану
наружу, попадая в кровеносный капилляр. Именно так
происходит всасывание, а не через промежутки между
клетками, что в принципе невозможно, ибо клетки
тесно прилегают друг к другу. Плотные соединения -
общее название непроницаемых белковых конструкций,
которые опоясывают прилегающие друг к другу клетки
и связывают их между собой. В области плотного
соединения не происходит даже латерального движения
мембранных белков. Это имеет важное функциональное
значение. Участки плазматической мембраны
эпителиальной клетки, обращенные в просвет кишки и в
кровеносный капилляр, содержат разные транспортные
белки, которые в отсутствие латеральной диффузии могут
переходить из одного участка в другой. В то же время
было бы разумно обеспечить перемещение молекул
между клетками для того, чтобы сделать их деятельность
синхронной в пределах всей ткани. Это и в самом деле
имеет место благодаря особым белкам, образующим
межклеточные туннели, или контактные поры,
способные пропустить такие молекулы, как АТР, но
задерживающие крупные молекулы, например белки. Важность
такого межклеточного контакта не вызывает сомнений.
Он необходим, например, для согласованного
сокращения клеток сердечной мышцы.
Специальные тканеспецифичные адгезионные белки
обеспечивают объединение однотипных клеток в ткань.
Если смешать эмбриональные клетки различных типов,
они образуют агрегаты из одинаковых клеток: печеночные
объединяются с печеночными, почечные с почечными
и т.д. Общее название белков, ответственных за адгезию, -
кадхерины. Среди них выделяют отдельные группы,
например NCAMS (от англ. Nerve Cell Adhesive MoleculeS -
адгезивные молекулы нервных клеток), играющие важную
роль в формировании нервной ткани.
Внутриклеточные мембраны
До сих пор в этой главе речь шла только о наружной,
или плазматической, клеточной мембране. Однако
внутри эукариотических клеток находится много разных
мембранных структур. Все они в основе имеют липидный
бислой, но различаются липидным составом и набором
входящих в мембраны функциональных белков.
Внутренние мембранные структуры разбивают клетку на
отдельные компартменты. Главные компоненты
животной клетки показаны на рис. 3.14.
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
67

Плазматическая мембрана
итохондрия
Пероксисома
^
<&
Ядро
: Лизосома
Аппарат Гольджи
ядоплазматический
ретикулум
3.14. Мембранные органеллы типичной животной
не
1етки
Перечислим наиболее существенные
внутриклеточные органеллы и их функции.
1. Ядро, которое содержит ДНК и является местом
синтеза ДНК и РНК.
2. Эндоплазматический ретикулум (ЭР) - сеть
мембранных трубочек и цистерн, занимающих
половину объема клетки. Здесь синтезируются все
мембранные белки, а также белки, подлежащие секреции или
требующие доставки к определенным участкам
клетки. Часть ретикулума усеяна рибосомами -
структурами, ответственными за синтез белков. Эти области
называют шероховатым ретикулумом, в отличие от
гладкого, где рибосом нет.
3. Аппарат Гольджи - стопки уплощенных цистерн;
здесь сортируются синтезированные в ретикулуме
белки и рассылаются по назначению. И ретикулум,
и аппарат Гольджи - полностью замкнутые структу-
Клетка, секретирующая стероиды
Макрофаг
Ядро
Ядерная
оболочка
- t
4fi
4,
Плазматическая
мембрана
Клатриновый
участок
Лизосома Ядерная
пора ι
Шероховатый
эндоплазма- |
Гладкий тический
эндоплазма- ретикулум
тический
ретикулум
Ядерная Ядро
оболочка!
Эухроматин
Митохондрия
Гетерохроматин
Пузырьки, сливающиеся
или отпочковывающиеся
от аппарата Гольджи
Мембраны аппарата Гольджи
Рис. 3.15. Электронные микрофотографии срезов яичка
а - Клетка, секретирующая стероиды (обратите внимание на гладкий эндоплазматический ретикулум и макрофаг);
б - та же клетка при большом увеличении: хорошо виден аппарат Гольджи
часть 2 Структура белков и мембран
68

ры, все выходящее из них заключено в
отпочковывающиеся, окруженные мембранами пузырьки.
4. Митохондрии - место окислительного
метаболизма, где образуется большинство молекул АТР (во
внутренней митохондриальной мембране),
необходимых для различных энергетических нужд клетки.
5. Лизосомы содержат гидролитические ферменты,
разрушающие нежелательные для клетки вещества.
6. Пероксисомы - пузырьки с ферментами,
катализирующими различные окислительные реакции.
Разные клетки в разной мере нуждаются в тех или
иных органеллах. На электронной микрофотографии
среза яичка (рис. 3.15, а, б) видны участки гладкого рети-
кулума, где сосредоточены ферменты, участвующие
в синтезе стероидов. Особенно развит ретикулум в
клетках, секретирующих белки, например пищеварительные
ферменты или антитела. Клетки, которые нуждаются
в большом количестве АТР (например мышечные),
богаты митохондриями. Большой редкостью являются
клетки, которые вообще лишены органелл. Примером могут
служить зрелые эритроциты.
Дополнительная литература
Строение и подвижность мембранных
липидов
Higgins С. Ε Flip-flop: the transmembrane translocation of
lipids // Cell. 1994. Vol. 79. P. 393-395.
(Обсуждается, как молекулы липидов попадают в
отведенное для них место и как достигается асимметрия
распределения липидов между двумя слоями,
составляющими липидную мембрану.)
Rooney S. Α., Young S. L., MendelsonC. R. Molecular
and cellular processing of lung surfactant // FASEB J. 1994.
Vol. 8. P. 957-967.
(Рассматривается физиологическое значение липидов,
выстилающих альвеолы легких.)
Мембранные белки
Macdonald С. Gap junctions and cell-cell
communication//Essays Biochem. 1985. Vol. 21. P. 86-118.
(Представлен полный обзор данной проблемы.)
Neher E., Sakmann В. The patch clamp technique // Sci.
Amer. 1992. Vol. 266(3). P. 44-51.
(Современные методы изучения электрически и
химически управляемых ионных каналов.)
Von Heijne G. Membrane proteins: from sequence to
structure //Annu. Rev. Biophys. Biomolec. Struct. 1994. Vol. 23.
P. 167-192.
(Обзор, посвященный изучению структуры
интегральных мембранных белков.)
Von Heijne G Membrane protein assembly: rules of the
game // BioEssays. 1995. Vol. 17. P. 25-30.
(Рассуждения о том, как белки удерживаются в
мембранах за счет множественных трансмембранных
α-спиралей.)
Вопросы к главе 3
1. Какие структурные особенности амфипатических
соединений определяют их способность к образованию
в воде мицелл или липосом?
2. Входят ли триглицериды в состав биологических
мембран?
3. Могут ли белки пройти через липидный бислой?
4. Какова функция холестерина в мембранах эукарио-
тических клеток?
5. Изобразите строение фосфатидной кислоты.
6. Назовите три фосфолипида - производных
фосфатидной кислоты, и те группы, которыми они
различаются.
7. Опишите строение сфингомиелина.
8. Чем цереброзид и ганглиозид отличаются от
сфингомиелина?
9. Что такое сиаловая кислота? Какова ее структура?
10. В чем состоит функциональная роль ^моненасыщен-
ных жирнокислотных хвостов в фосфолипидах
мембран?
11. Почему липидные мембраны плохо проницаемы для
полярных молекул?
12. Чем облегченная диффузия через мембраны
отличается от обыкновенной? Приведите пример.
13. Объясните, как вычислить энергию, которая
требуется для переноса вещества в клетку. Сколько нужно
затратить энергии для переноса одного моля
вещества, если снаружи его концентрация в десять раз
меньше, чем внутри?
14. Как удается клеткам поддерживать внутреннюю
концентрацию ионов калия на высоком уровне, а
концентрацию ионов натрия на уровне гораздо
меньшем, чем в окружающей среде?
глава 3 Молекулярная организация клеточных мембран
69

__ Переваривание и
глава
4
В этой главе мы рассмотрим вопросы, связанные с
перевариванием и всасыванием пищи (именно с этого
начинается метаболизм), обсудим, что представляет собой
пища с химической точки зрения, как она
трансформируется, прежде чем попасть в кровь, и каким образом она
туда попадает.
Химический состав пищи
Пища содержит три главных компонента: белки,
углеводы и липиды.
Белки представляют собой высокомолекулярные
полимеры, образованные двадцатью видами аминокислот,
соединенных пептидными связями.
Углеводы - это сахара и их производные. Термин
своим происхождением обязан общей формуле обычных
Сахаров - Сп(Н20)п, из которой следует, что они
состоят из углерода и воды. Хотя пища и содержит
моносахариды, например глюкозу, но большая часть углеводов,
присутствующих в ней, встречается в виде дисахаридов,
в том числе сахарозы и полисахаридов типа крахмала.
Липиды представлены главным образом триглице-
ридами или нейтральными жирами. Их типичными
примерами могут служить сливочное и оливковое масло,
жировые прослойки говядины или баранины. Полярные
липиды также присутствуют в пище, но обычно их
гораздо меньше.
Переваривание и всасывание
За исключением моносахаридов типа глюкозы, вся пища
подвергается в кишечнике гидролитическому
расщеплению, распадаясь на элементарные строительные блоки,
из которых они состоят: белки - до аминокислот,
углеводы - до моносахаридов, нейтральные жиры - до
жирных кислот и моноглицеридов. Ни в каком ином виде
компоненты пищи не могут проникать в эпителиальные
клетки, выстилающие пищеварительный тракт.
Анатомия пищеварительного тракта
Рассмотрим отдельные участки пищеварительного тракта.
В ротовой полости пища разжевывается и
смачивается, что облегчает ее проглатывание. В незначительной
степени здесь происходит расщепление крахмала.
всасывание пищи
Желудок содержит соляную кислоту, которая
«стерилизует» пищу и денатурирует белки; здесь же
начинается расщепление белков.
Основной вклад в переваривание и усвоение всех
компонентов пищи вносит тонкий кишечник. Его
внутренняя поверхность образована крохотными
пальцеобразными выростами, или ворсинками, которые
покрыты эпителиальными клетками. На обращенной в
просвет кишки поверхности эпителиальных клеток имеется
множество микроворсинок, образующих вместе с
клетками так называемую щеточную каемку. Благодаря
микроворсинкам происходит существенное увеличение
площади контакта кишечника с его содержимым (рис. 4.1).
В толстом кишечнике из остатков пищи удаляется
избыток воды.
Что такое переваривание и всасывание
с энергетической точки зрения
Гидролитическое расщепление белков до аминокислот,
углеводов до моносахаридов, триглицеридов до
глицерина и жирных кислот представляет собой экзоэргони-
ческий процесс, при котором значительные
отрицательные величины AG полностью сдвигают равновесие
в сторону образования продуктов гидролиза.
Всасывание часто связано с перемещением веществ
против их концентрационных градиентов и потому
требует затрат энергии.
Почему организм сам себя
не переваривает?
По своему составу пища мало чем отличается от тканей
поедающих ее животных. Ферменты, расщепляющие
пищу, образуются внутри клеток, которые при этом сами
не подвергаются их разрушительному действию. Здесь
наблюдаются две линии защиты.
Образование проферментов зимогенов
Многие пищеварительные ферменты синтезируются
в виде неактивных белков-предшественников,
называемых зимогенами, или проферментами. Именно в
таком виде они секретируются клетками, и поэтому их
цитоплазма защищена от контакта с активной формой
фермента. Амилаза, разрушающая крахмал, секретируется
часть 3 Метаболизм
72

Просвет кишки
Ворсинки, покрытые
эпителиальными клетками
Лимфатический сосуд
Сеть капилляров
t f
Микроворсинки
Вена -
Артерия-

Лимфатический сосуд
Эпителиальные клетки
щеточной каемки
Рис. 4.1. Строение внутренней поверхности тонкого кишечника (схематично)
в активном состоянии, возможно потому, что внутри
клеток-продуцентов крахмал отсутствует. Вопросы
синтеза пищеварительных ферментов и их секреции не
имеют прямого отношения к пищеварению и будут
рассмотрены в главе 22.
Защита эпителиальных клеток
с помощью слизи
Слой слизи, покрывающий внутреннюю поверхность
кишечника, - основная защита эпителиальных клеток
от активных форм пищеварительных ферментов.
Основными компонентами слизи являются муцины. Это гли-
копротеины с большой молекулярной массой,
значительная доля которой приходится на олигосахариды,
состоящие из остатков фукозы, глюкозамина, сиаловой кислоты
и т. п. Благодаря межмолекулярному взаимодействию
муцины в воде создают трехмерные молекулярные сети;
вследствие этого образуется гель, защищающий
эпителиальные клетки. Белковая часть муцинов относительно
устойчива к перевариванию благодаря защитному
действию углеводов. Муцины синтезируются и секретиру-
ются особыми бокаловидными клетками кишечного
эпителия в соответствии с потребностями пищеварения.
Переваривание белков
В нативных белках полипептидная цепь плотно
уложена в компактную глобулу, так что значительная часть
пептидных связей не доступна для гидролитических
ферментов. Отсюда возникает необходимость в
предварительной денатурации белка. Она происходит
в желудке, содержимое которого благодаря секреции
НС1 имеет рН~2. В такой среде разрываются многие
слабые связи, стабилизирующие белковую глобулу,
и она разворачивается, открывая внутренние участки
полипептидной цепи для протеолиза -
ферментативного гидролиза белков. Кроме того, соляная кислота
убивает попадающие с пищей микроорганизмы.
Образование HCI в желудке
Соляную кислоту секретируют париетальные клетки
эпителия желудка. В основе этого процесса лежит
выкачивание из клеток ионов водорода против их
концентрационного градиента. Оно происходит в результате
трансмембранного Н+/К+-обмена, источником энергии для
которого служит гидролиз АТР (сравните Na"7K+- обмен,
глава 4 Переваривание и всасывание пищи
73

описанный на с. 65). Клетки, секретирующие кислоту,
содержат Н+/К+-АТРазу. Используя энергию гидролиза
АТР, они выкачивают Н+ в обмен на входящий внутрь
клетки К+, который впоследствии выводится из клетки
(рис. 4.2). Откуда берутся протоны? Двуокись углерода
(С02), попадающая в клетку из крови, под действием
фермента карбоангидразы превращается в угольную
кислоту, которая затем диссоциирует с образованием
бикарбонатиона.
С02
Н20
— н2со3
Карбоанг™ драза
Н+
HCOi
Бикарбонатные ионы при помощи анионтранспорт-
ного белка обмениваются на ионы С1~ в крови (см
рис. 4.2), затем выходят в полость желудка, образуя НС1.
Анионный канал
α
НСОз
Просвет желудка
Электронейтральный
совместный К+/С1~ -транспорт
С02
со2^М.н2со3
из крови Карбоангидраза
АТР
Н+ г^Н+
Н+/К+-АТРаза
Апикальная мембрана
Рис. 4.2. Механизм образования НС1 в желудке
Базолатеральная мембрана,
обращенная к крови
Пепсин - протеолитический фермент
желудка
В название ферментов обычно включается суффикс -аза,
однако пищеварительные ферменты традиционно
называют: пепсин, химотрипсин, трипсин.
Названия их неактивных предшественников получают
добавлением суффикса -оген: пепсиноген, химотрипсиноген,
трипсиноген.
Эпителиальные клетки желудка секретируют
пепсиноген. Эта секреция стимулируется гормоном гастри-
ном, который клетки желудка выделяют в кровь в ответ
на поступление в него пищи. Пепсиноген превращается
в пепсин после отщепления от его полипептидной цепи
фрагмента из 44 аминокислотных остатков, который
экранирует и тем самым блокирует активный центр. При
попадании в сильно кислую среду пепсиноген
претерпевает конформационные изменения, достаточные для
того, чтобы разблокировать активный центр и
«отщепить» дополнительный фрагмент цепи. Такая активация
фермента носит аутокаталитический характер,
поскольку, как только появляется небольшое количество
пепсина, он также вступает в процесс активации, превращая
пепсиноген в активный фермент.
Сильно кислая среда является оптимальной для
работы пепсина. Этим он отличается от подавляющего
большинства ферментов, которые активны в
нейтральных условиях (см. рис. 1.3, а). Пепсин гидролизует
пептидные связи, расположенные внутри полипептидной
цепи белка-мишени, поэтому его действие приводит
к образованию смеси пептидов. Такого рода ферменты
называют эндо пептид азам и, в отличие от экзопепти-
даз, расщепляющих только пептидные связи концевых
аминокислот.
Протеолитические ферменты (протеиназы, или про-
теазы) обычно обладают избирательностью, расщепляя
пептидные связи, образованные лишь определенными
аминокислотами. Это справедливо и для пепсина,
поэтому в желудке происходит только частичное
переваривание белков. Пепсин наиболее легко разрывает
пептидные связи, NH-группы которых принадлежат
ароматическим аминокислотам: тирозину, фенилаланину или
триптофану.
Детеныши млекопитающих большую часть белков
потребляют в виде материнского молока. В их
желудках оно створаживается под действием фермента рен-
нина. Образование сгустка задерживает продвижение
нерастворимого казеина в желудочно-кишечном
тракте, в результате чего он дольше подвергается действию
протеаз.
Переваривание белков
в тонком отделе кишечника
Частично переваренная в желудке пища (химус) далее
попадает в двенадцатиперстную кишку. Кислый химус
стимулирует выделение клетками кишечника в кровь
гормонов (секретина и холецистокинина), благодаря
которым поджелудочная железа начинает секретировать
панкреатический сок. Сок имеет щелочную реакцию (как
и желчь) и нейтрализует химус, останавливая тем самым
действие пепсина и способствуя деятельности
панкреатических ферментов, которые наиболее активны
в слабощелочной среде.
Клетки поджелудочной железы секретируют целый
ряд протеиназ. В составе панкреотического сока они
поступают в мелкие протоки, сливающиеся в один
часть 3 Метаболизм
74

главный, который соединен с двенадцатиперстной
кишкой. Среди панкреатических протеиназ имеются три
эндопептидазы: трипсин, химотрипсин и эластаза.
Они поступают в кишечник в виде неактивных
предшественников: трипсиногена, химотрипсиногена и про-
эластазы. В виде неактивного предшественника
выделяется и карбоксипептидаза - экзопептидаза,
последовательно отщепляющая аминокислоты с С-конца
полипептидной цепи.
H2N—СН—CO-NH-CH—CO-NH NH-CH—СООН
I I I
R R' 4 R"
N- концевая
аминокислота
Ка боксипептидаза
С- концевая
аминокислота
Активация
панкреатических проферментов
Как и пепсиноген, панкреатические проферменты
активируются благодаря их ограниченному протеолизу. Это
тоже аутокаталитический процесс, запускаемый особым
протеолитическим ферментом - энтеропептидазой,
которая в активной форме вырабатывается клетками
тонкого кишечника. Энтеропептидаза расщепляет в трип-
синогене единственную пептидную связь, а
образующийся при этом трипсин способен уже активировать
не только трипсиноген, но и другие проферменты, что
делает активацию лавинообразной (рис. 4.3). Вся эта
тонкая и вместе с тем достаточно сложная система
преследует единственную цель - избежать активации протеаз
до их попадания в просвет кишечника. Если это
происходит, то развивается болезнь - панкреатит. Ее причиной
Трипсиноген
Трипсин
Прокарбоксипептидаза
Химотрипсиноген
Химотрипсин
Проэластаза
Карбоксипептидаза
Эластаза
Рис. 4.3. Активация панкреатических протеиназ
Активные протеиназы выделены цветом
может быть закупорка протоков или воспалительное
поражение самой поджелудочной железы. Проферменты
после их синтеза в экзокринных клетках поджелудочной
железы оказываются включенными в окруженные
мембраной пузырьки. Под влиянием гормонов или нервной
стимуляции мембраны этих пузырьков сливаются
с плазматической мембраной, и их содержимое
выводится из клетки. В случае попадания проферментов из
пузырьков в цитоплазму начинает действовать
специальный клеточный белок - ингибитор трипсина. Он
образует с трипсином настолько прочный нековалентный
комплекс, что ингибирование становится практически
необратимым.
Кроме панкреатических протеиназ в тонком
кишечнике присутствует аминопептидаза, относящаяся к эк-
зопептидазам. Этот фермент осуществляет
последовательное отщепление N-концевых аминокислот
от пептидов, образовавшихся после частичного
гидролиза белков другими протеиназами. Таким образом,
в переваривании белков в кишечнике участвуют три
эндопептидазы, расщепляющие пептидные связи внутри
белковой молекулы, и две экзопептидазы, отщепляющие
от пептидов концевые аминокислоты. Совместное
действие всех этих ферментов приводит к полному
расщеплению белков пищи до свободных аминокислот.
Перенос аминокислот
из кишечника в кровяное русло
Чтобы попасть в кровь, аминокислоты, образующиеся
в кишечнике в результате гидролиза белков, должны
сначала пройти через мембрану щеточной каймы внутрь
эпителиальных клеток (см. рис. 4.1), а после этого
проникнуть в кровеносные капилляры ворсинок
На первой стадии этого процесса происходит
накопление аминокислот внутри клеток, которое
осуществляется как симпорт аминокислот и ионов натрия (см.
главу 3). На рис. 3.11 показан механизм симпорта ионов
натрия и Сахаров; он применим и к аминокислотам, хотя
в их переносе принимают участие совсем другие
транспортные белки.
Переваривание углеводов
Основные углеводы пищи - это крахмал и другие
полисахариды, а также дисахариды - сахароза и лактоза.
Из моносахаридов встречаются лишь глюкоза и
фруктоза. Установлено, что в кишечнике всасываются
только моносахариды, поэтому при переваривании пищи все
углеводные компоненты должны быть расщеплены
до свободных моносахаридов.
глава 4 Переваривание и всасывание пищи
75

Полисахариды состоят из остатков моносахаридов,
соединенных гликозидными связями. Строение
глюкозы может быть описано двумя формулами.
α-D-Глюкоза
Р-Л-Глюкоза
В a-D-глюкозе гидроксильная группа у атома С-1
располагается ниже плоскости кольца, а в β-Ζ)-πιο-
козе - выше. Обычно в растворах обе эти формы
находятся в состоянии равновесия, которое достигается
последовательным размыканием и замыканием пирано-
вого кольца (явление, называемое мутаротацией).
Допустим, мы имеем две молекулы глюкозы, которые в
ходе химической реакции соединяются гликозидной
связью.
Гликозидная связь
(α-конфигурация)
Гликозидная связь фиксирует атом С-1 первого
остатка в определенном положении, что исключает мута-
ротацию. Из приведенной структуры следует, что
гликозидная связь между атомами С-1 и С-4 двух остатков
глюкозы находится в α-конфигурации. Образованное
таким образом соединение можно записать как глюкозо-
сс-(1—>4)-глюкоза. Это - дисахарид, тривиальное
название которого мальтоза. Существуют также дисахариды
с β-гликозидной связью.
Переваривание крахмала
Из структуры мальтозы следует, что с помощью глюко-
зидных связей могут быть образованы длинные поли-
сахаридные цепи. Такой цепью, содержащей от 100
до нескольких тысяч остатков глюкозы (глюкозильных
остатков), является амилоза - основной компонент
крахмала. Если мы обозначим один a-глюкозильный
остаток как Оч, то амилозу можно изобразить в виде цепи:
f> Х^> ^>
^-^ о ч-^ о ^-^ о
о
и т. д.,
где η соответствует числу глюкозильных остатков.
Другой компонент крахмала - амилопектин также
является полимером глюкозы. Он образует сильно
разветвленные структуры и состоит из множества коротких
цепей (каждая содержит около 30 остатков),
образованных с помощью а-(1—>4)-гликозидных связей и
соединенных между собой а-(1—>6)-гликозидными связями.
а-(1 -> 6)-Гликозидная связь между
концевым моносахаридным остатком
в одной цепи и С -6-атомом остатка
в другой цепи
-О
4 а-( 1 -> 4)-Гликозидная связь
Пользуясь теми же обозначениями, что и для
амилозы, строение амилопектина можно представить
схематически:
Переваривание крахмала осуществляется ферментом
α-амилазой, которая присутствует в слюне и в
панкреатическом соке. Она атакует гликозидные связи,
расположенные внутри цепи, поэтому может быть
отнесена к эндоферментам. α-Амилаза не расщепляет
(1—> 6)-гликозидные связи, поэтому при действии ее
на амилопектин значительная часть молекулы остается
нетронутой. Такой частично переваренный амилопектин
(его называют декстрином) расщепляется в тонком
часть 3 Метаболизм
76

кишечнике ферментом амило-а-(1—»6)-глюкозидазой.
В результате гидролизуются (1—»6)-связи и образуются
ди- и трисахариды. В свою очередь, они атакуются
другим ферментом - α-глюкозидазой, или мальтазой,
с образованием свободной глюкозы. Амилаза слюны
действует на крахмал непродолжительное время, так как
после проглатывания пищи она инактивируется кислым
содержимым желудка. Поэтому основное переваривание
крахмала происходит в тонком кишечнике. Там же
расщепляются и дисахариды: лактоза и сахароза.
Лактоза-это галактозо-р-( 1 —>4)-глюкоза. Она
является основным углеводом молока. Напомним, что
галактоза отличается от глюкозы только оптической
конфигурацией С-4-атома.
На представленной ниже структурной формуле
лактозы изломы на связях не имеют определенного
смысла, а лишь упрощают понимание структуры.

HOMO,
Н0-
-0
ОН
ОН
ОН
он
Галактоза
* +
Глюкоза
Глюкоза поглощается эпителиальными клетками
вместе с ионами натрия (рис. 4.4). Движущей силой
переноса глюкозы при этом служит градиент
концентрации Ыа+-ионов, создаваемый №+/К+-АТРазой.
Дальнейшая судьба глюкозы такова: она покидает
эпителиальную клетку через мембрану, обращенную
к кровеносному капилляру, и переносится кровью через
воротную вену в печень. Выход глюкозы из клетки
происходит в сторону уменьшения ее концентрации и
представляет собой облегченную диффузию, которая
обеспечивается специальным транспортным белком (см.
рис. 4.4). Фруктоза, в отличие от глюкозы, поглощается
клетками пассивно, без участия ионов натрия.
Глюкоза и остальные моносахариды, а также
аминокислоты и другие молекулы (кроме липидов),
всасывающиеся в тонком кишечнике, с помощью воротной
системы кровообращения доставляются непосредственно
в печень. Тем самым достигается защита организма
не только от избытка первичных продуктов
переваривания, которые далее перерабатываются в печени, но
также и от всасываемых в кишечнике токсических
соединений, которые в печени обезвреживаются.
ОН
В кишечнике лактоза расщепляется до
моносахаридов ферментом лактазой, локализованной на
внешней мембране эпителиальных клеток. Так как лактоза
является β-галактозидом, лактазу называют также
β-галактозидазой. Многие взрослые люди, особенно
выходцы из Азии, с возрастом утрачивают способность
синтезировать лактазу. В результате поглощаемая ими
с молоком лактоза не усваивается в тонком кишечнике,
а попадая в толстую кишку, подвергается там распаду
в результате действия бактерий. Это сопровождается
такими неприятными явлениями, как неумеренная жажда
и понос. Другой важный пищевой дисахарид - сахароза
расщепляется в кишечнике на глюкозу и фруктозу с
помощью фермента сахаразы.
ОН ОН
Сахароза
СН20Н
б
Сахараза
Н20
но-
4
но
5
он
но-И-
ΌΗ
о
он
но
А
он
он
сн2он
Пассивный Совместный транспорт
транспорт глюкозы за счет Ма+-градиента
***- Глюкоза
АТР
*с .
к+ Na-
ADP + Ρ,
Глюкоза
Na+
Плотное
соединение
Просвет
кишечника
Глюкоза
Фруктоза
NaVK^-АТРаза Эпителиальные клетки
щеточной каемки
Капилляр
Рис. 4.4. Совместный транспорт глюкозы и ионов натрия
при всасывании глюкозы иэ просвета тонкого кишечника
глава 4 Переваривание и всасывание пищи
11

Переваривание и всасывание жиров
Пищевые липиды представляют собой в основном
нейтральные жиры, или триглицериды (см. главу 3). Они
нерастворимы в воде и образуют в ней более или менее
крупные капли. В таком виде они не могут быть
усвоены, поскольку недоступны для ферментов.
Переваривание жиров происходит главным образом
в тонком кишечнике благодаря действию
панкреатического фермента-липазы, которая гидролизует в тригли-
церидах сложноэфирные связи, преимущественно
образованные первичными гидроксильными группами
глицерина.
\ О
CH2-0-C-R
I О
I it
СН—0-С—R + 2Н20
I о
I и
СН2—О—С—R
/
Триглицерид
ИП '
СН2ОН
I О
I и
СН—0-С—R + 2R-C00 +2Н+.
Жирная
СН2ОН кислота
Моноглицерид
Скорость расщепления триглицеридов ограничена
их доступностью для липазы. Она увеличивается
по мере уменьшения размера капелек жира и,
соответственно, роста поверхности его соприкосновения
с водным окружением. Эмульгированию жиров
способствуют как моноглицериды и свободные жирные
кислоты, образующиеся в результате расщепления
триглицеридов липазой, так и соли желчных кислот.
Моноглицериды, кроме того, уже достаточно
растворимы в воде, чтобы свободно всасываться
эпителиальными клетками. Их растворимости также
способствуют желчные кислоты и их соли.
Желчные кислоты образуются в печени и
накапливаются в желчном пузыре, откуда затем поступают
в двенадцатиперстную кишку. Они образуются из
холестерина, в молекулу которого вводятся гидроксильные
и карбоксильная группы.
часть 3 Метаболизм
78
Холестерин
Холевая кислота
В желчи человека в основном преобладает холевая
кислота; другие кислоты отличаются от нее числом и
положением гидроксильных групп. Значительная доля хо-
левой кислоты в желчи представлена в виде ее амидов,
образованных глицином (гликохолевая кислота) или его
сульфоаналогом - таурином (таурохолевая кислота). Их
называют конъюгатами, или парными желчными
кислотами, так как они состоят из двух компонентов - холе-
вой кислоты и глицина или таурина.
Формула глицина в ионной форме NH+3CH2COO~,
а таурина - NH+CH2CH2S03.
Если остаток холевой кислоты представить как
RCOO", то строение гликохолевой и таурохолевой
кислот будет RCONHCH2COO" и RCONHCH2CH2S03
соответственно. Оба эти конъюгата обладают меньшими
рКа(3,1 и 1,5) по сравнению с холевой кислотой (5,5).
Весьма вероятно, что конъюгированию способствует
полная ионизация желчных кислот в кишечике.
В присутствии желчных кислот моноглицериды
и жирные кислоты образуют смешанные мицеллы -
дископодобные частицы, края которых заполнены
молекулами желчных кислот, а более гидрофобная
сердцевина образована продуктами расщепления жиров,
холестерином и фосфолипидами. Мицелла по размерам
гораздо меньше самой маленькой жировой капли.
Концентрация продуктов распада жиров в мицеллярном
растворе может быть весьма велика, но несмотря на это
они сохраняют гомогенность и даже прозрачность. Нет
единого мнения в отношении механизма всасывания
жировых мицелл Продукты переваривания жиров
могут проникать в эпителиальные клетки либо в составе

мицелл, либо эти мицеллы распадаются на клеточной
поверхности, освобождая жирные кислоты и моногли-
цериды в виде отдельных, легко диффундирующих
внутрь клеток молекул. Желчные кислоты также
частично всасываются и транспортируются обратно в печень.
Что происходит с жирными кислотами
и моноглицеридами внутри
эпителиальных клеток щеточной каемки?
Ресинтез нейтральных липидов
Из моноглицеридов и жирных кислот в эпителиальных
клетках вновь синтезируются триглицериды.
О
СН2ОН
О
СН—0-С—R
СН2ОН
Жирные
кислоты
»■
Энергия АТР
СН2—О—С—R
I О
I и
СН—0-С—R
I О
I и
СН2—О—С—R
Ресинтез триглицеридов порождает проблему: как
их (а заодно и холестерин) вывести из эпителиальных
клеток и доставить к другим тканям организма? В
эпителиальных клетках нейтральные жиры и холестерин
собираются в мелкие частицы, называемые хиломикро-
нами. Они окружены мембранной оболочкой и
выводятся из клеток посредством экзоцитоза.
Что представляют собой хиломикроны?
Хиломикроны - сферические частицы, сердцевина
которых заполнена гидрофобными молекулами
нейтральных жиров и эфиров холестерина (рис. 4.5).
Гидрофобная сердцевинь
из триглицеридов и
эфиров холестерина
"ν Белки
Гидрофильная оболочка
из фосфолипидов и холестерина
Рис. 4.5. Строение хиломикрона
Последние отличаются от холестерина тем, что в них
гидроксильная группа этерифицирована жирными
кислотами.
О
II
R—С—(Г
Эфир холестерина
Такая модификация обеспечивает упаковку
холестерина в гидрофобную внутреннюю часть хиломикрона.
Поверхность хиломикрона формируется молекулами
фосфолипидов, холестерина и особыми белками.
Таких белков известно несколько. Главным и
необходимым для образования хиломикрона является глико-
протеин аполипопротеин В. Приставка апо- означает,
что этот белок в его естественном состоянии является
компонентом липопротеина. В данном случае таким
липопротеином служит хиломикрон. Гидрофильная
оболочка стабилизирует хиломикроны настолько, что они
разносятся кровью и лимфой по организму как целые
частицы. Более чем на 90% они состоят из жиров,
благодаря чему отличаются малой плотностью.
В отличие от моносахаридов и аминокислот,
хиломикроны попадают из эпителиальных клеток не в кровь,
а в лимфатические капилляры, также пронизывающие
клеточные ворсинки. Здесь полезно рассказать немного
о лимфе. Когда кровь проходит по капиллярам,
происходит фильтрация прозрачной лимфатической
жидкости, содержащей белки, электролиты и другие вещества,
в тканевую (интерстициальную) жидкость. Все ткани
пронизаны сетью лимфатических капилляров, которые
своими окончаниями собирают лимфу из
межклеточного пространства. Система лимфатических капилляров
и сосудов завершается грудным протоком, через
который лимфа поступает в вены шеи. Благодаря высокому
содержанию хиломикронов после смешивания с
лимфой кровь мутнеет и начинает опалесцировать.
глава 4 Переваривание и всасывание пищи
79

Переваривание других компонентов
пищи
Пищеварение - это процесс ферментативного
гидролитического расщепления, и ему подвергаются почти все
компоненты пищи.Так, фосфолипиды пищи
расщепляются фосфолипазами, а нуклеиновые кислоты - нукле-
азами. Растительная пища содержит целлюлозу -
полисахарид, который не поддается пищеварительным
ферментам животных. Однако травоядные животные
все же могут использовать целлюлозу благодаря тому,
что ее расщепляют обитающие в их пищеварительном
тракте микроорганизмы. Для человека целлюлоза в
пище - всего лишь волокнистый наполнитель, полезный
для нормальной работы кишечника.
Дополнительная литература
Переваривание и всасывание жиров
Riddihough G. Picture of an enzyme at work //Nature. 1993.
Vol. 362. P. 793.
(Рассказ о том, как активируется при переваривании
жиров панкреатическая липаза.)
Вопросы к главе 4
1. Какие пищеварительные ферменты синтезируются
в виде неактивных предшественников?
2. Для чего это нужно? Почему амилаза синтезируется
сразу в активной форме? Почему активные
ферменты не действуют на стенки тонкого кишечника?
3. Как происходит активация проферментов в тонком
кишечнике?
4. Какими последствиями для организма чревата
преждевременная активация панкреатических
проферментов?
5. Почему нужно переваривать пищу?
6. Сахара и многие аминокислоты транспортируются
в эпителиальные клетки против своего
концентрационного градиента, однако при этом не используются
специальные транспортные системы, АТР или
другие макроэргические фосфаты. Как объяснить это
внешне парадоксальное явление?
7. Отчего многие люди, особенно выходцы из Азии,
плохо переносят молоко и молочные продукты?
8. Что представляют собой нейтральные жиры?
9. Пищевые жиры нерастворимы в воде. Как при этом
с ними справляются пищеварительные ферменты?
10. Аминокислоты и сахара, поглощенные в тонком
кишечнике, далее переносятся кровотоком в печень.
Какова судьба продуктов расщепления жиров?
часть 3 Метаболизм
80

5 Предварительные сведения
^^^^^ о распределении и утилизации источников
энергии в различных тканях организма
Эта глава посвящена собственно метаболизму. Прежде
всего будет рассмотрен обмен молекулами между
кровью и тканями, а также между различными тканями.
Затем мы обсудим механизмы регуляции этих
процессов, обеспечивающих физиологические потребности
организма, имея в виду распределение источников
энергии среди его потребителей.
Главная задача метаболизма - обеспечить организм
за счет окисления пищевых веществ энергией,
запасенной в виде АТР. Пищевые молекулы используются
как сырье для создания компонентов клеток и других
необходимых для организма соединений. Отходы, т. е.
ненужные организму вещества, преобразуются в
соединения, которые могут быть выведены с мочой.
Некоторые специализированные клетки новорожденных
используют окисление пищевых веществ для
образования тепла. Выделение тепла - это побочное явление
при метаболизме.
Запасание пищи
в теле животного
Как известно, животные принимают пищу через
определенные промежутки времени, а не постоянно. Многим
из них свойственны циклически повторяющиеся
периоды насыщения и голодания. У людей приемы пищи
могут быть разделены малыми интервалами времени (в
течение дня), большими перерывами (во время ночного
сна) или значительными сроками (при голодании).
Биохимические машины должны как-то приспосабливаться
к этим ситуациям.
Сразу после еды кровь насыщается пищевыми
продуктами, поступающими в нее из кишечника. Однако они
не сохраняются там долго, а быстро переходят в ткани,
так что их содержание в крови вскоре снижается до
прежнего низкого уровня. Например, после приема
жирной пищи развивается липемия (плазма крови
становится похожей на молоко), но это состояние проходит уже
через несколько часов. После еды концентрация глюкозы
в крови возрастает в течение часа от 5 до 7,8 мМ, но уже
через два часа (если человек не болен диабетом) она
возвращается к норме. Хотя ткани быстро поглощают
пищевые вещества из крови, используют они их не
сразу. Большая часть поглощенных тканями веществ
запасается впрок.
Как различные виды пищевых веществ
хранятся в клетках?
Глюкоза запасается в виде гликогена
Для клеток непрактично накапливать и сохранять
глюкозу в свободном виде, поскольку при этом
внутриклеточное осмотическое давление достигло бы
недопустимо высоких значений. Напомним, что осмотическое
давление пропорционально молярной концентрации
растворенного вещества. Но если множество отдельных
растворенных молекул объединяются в один полимер,
то накопление глюкозы не приведет к заметному росту
осмотического давления. Образующиеся при этом
полимеры не всегда остаются в растворе, они могут
выпадать из него в виде гранул. У животных глюкоза по-
лимеризуется в гликоген, или .-животный крахмал,
который по своему строению сходен с амилопектином, но
отличается большей разветвленностью цепей (см. с. 76).
Синтез гликогена требует расхода энергии. При
необходимости гликоген расщепляется в клетке с
высвобождением глюкозы. Следует подчеркнуть, что запасы
гликогена у животных крайне ограничены. Так, у человека
гликоген хранится в печени, из которой глюкоза,
образующаяся после расщепления гликогена доставляется
к другим органам и тканям. Весь запас гликогена
исчерпывается после суточного голодания. Это обстоятельство
имеет существенное значение для биохимии животных.
Что касается других пищевых моносахаридов -
галактозы и фруктозы, то в организме они превращаются
в глюкозу (либо гликоген) или в соединения,
являющиеся метаболитами глюкозы.
Хранение жиров
Основная часть жиров (триглицеридов) хранится в
жировой ткани или жировых клетках, рассредоточенных
по разным участкам тела. Эти клетки под микроскопом
часто выглядят как жировые капли, окаймленные
тонким слоем цитоплазмы и мембраной (рис. 5.1).
глава 5 Распределение и утилизация источников энергии в организме
81

Ядро —
Цитоплазма
Капли
/ жира
5 мкм
Рис. 5.1. Жировая клетка (схематично)
В отличие от гликогена, жиры могут накапливаться
в организме в неограниченном количестве. В норме
человек запасает в виде жиров в 50 раз больше энергии,
чем в виде гликогена. Чем же объясняется такое
соотношение, особенно если учесть важную метаболическую
роль глюкозы? Жиры представляют собой гораздо
более восстановленные соединения, чем глюкоза, а
следовательно, при окислении равных весовых количеств
жиров и глюкозы в первом случае выделится гораздо
больше энергии. Таким образом, жиры - наиболее
компактная форма запасания энергии. Парадоксально, но
мы выглядели бы куда более толстыми, если бы в нашем
теле накапливался не жир, а гликоген.
Поскольку глюкоза запасается в небольшом
количестве, а поступает ее в составе пищи довольно много,
избыток перерабатывается в жир. Схема создания
энергетических резервов в форме гликогена и жиров показана
на рис. 5.2.
Глюкоза в организме легко перерабатывается в
жиры, однако не существует метаболического пути
превращения жирных кислот в глюкозу Вклад глицерина
в клеточную энергетику несоизмеримо меньше, чем
от длинноцепочечных жирных кислот.
Другие сахара
из пищи „
Глюкоза ^^
из пищи
Гликоген
Нейтральные жиры
в жировых клетках
Запасаются ли аминокислоты
в организме?
Семена растений содержат белки, единственная
функция которых - служить источником аминокислот для
развивающегося зародыша. У животных только белки
яиц и молока можно рассматривать как форму
резервирования аминокислот. Пищевые аминокислоты,
поступающие в кровь животных, расходуются на синтез
белков, нейромедиаторов и т. п., а неиспользованные
аминокислоты подвергаются расщеплению. При этом
азот, входящий в состав аминокислот, оказывается
включенным в молекулу мочевины (нейтрального,
водорастворимого и нетоксичного соединения) и выводится
из организма животного с мочой. Лишенная азота
молекула в зависимости от ее строения перерабатывается
в жиры или в гликоген, либо окисляется в соответствии
с энергетическими нуждами организма (рис. 5.3).
Белки и другие
компоненты тканей
Аминокислоты
из пищи
Избыточные
аминокислоты
>'л ал с пни
Nib груши,ι
Мочевина
Моча
С—Η-остовы молекул
Жиры и их
производные
Глюкоза
Н20 + С02
> Л\НЛ \\ i :
Рис. 5.3. Судьба аминокислот, поступающих в организм
с пищей
Выбор одного из метаболических путей (я, б или в) зависит
от строения аминокислоты, физиологического состояния
организма и способа регуляции
В то же время все клеточные белки можно
рассматривать как форму хранения аминокислот. Особенно это
относится к сократительным белкам мышечных клеток,
которые расщепляются в условиях, когда организму
не хватает пищевых аминокислот.
Энергетический метаболизм
в различных тканях
Рис. 5.2. Запасание Сахаров и жиров после приема пищи
Гликогена запасается немного, а жиры накапливаются в
неограниченных количествах, главным образом в жировых клетках
Все ткани организма различаются по своим
биохимическим характеристикам. Мы остановимся на тех
тканях, которые имеют первостепенное значение при
часть 3 Метаболизм
82

распределении и усвоении пищевых веществ. Речь
пойдет о печени, скелетных мышцах, мозге, жировых
клетках и эритроцитах. Органы, выполняющие регуляторную
функцию, вроде поджелудочной железы и
надпочечников, здесь рассматриваться не будут.
1. Печень играет центральную роль в обеспечении
постоянства концентрации глюкозы в крови. Когда
уровень глюкозы в крови высок (после приема пищи), ее
избыток откладывается в печени в виде гликогена.
Когда появляется потребность в ней, гликоген в печени
распадается и глюкоза поступает в кровь.
Когда голодание длится более суток, запасы
гликогена в печени исчерпываются, и если ничего не
предпринять, содержание глюкозы в крови может упасть до
столь низкого уровня, что возникнет опасность для
жизни организма. В таком случае организм мобилизует
запасы жиров, которые выбрасываются в кровь клетками
жировой ткани. Однако с их помощью можно
поддержать мышечные и другие ткани, но не мозг и
эритроциты, которые нуждаются только в глюкозе и не
способны усваивать жирные кислоты. Печень справляется
с этой проблемой, превращая аминокислоты в глюкозу.
Этот процесс называют глюконеогенезом. Главным
источником аминокислот при этом служат
расщепляемые мышечные белки. Разумеется, мышцы страдают, но
все же это предпочтительней, чем смерть от нехватки
глюкозы.
Не менее важную роль печень играет и в
метаболизме жиров. Когда при длительном голодании в кровь
выбрасываются жирные кислоты, они усваиваются
всеми тканями (за исключением мозга и эритроцитов).
Если же мобилизация жиров достигает значительного
уровня, печень превращает жирные кислоты в
соединения, называемые кетоновыми телами. Они поступают
в кровь и также усваиваются тканями (исключая
эритроциты). Кетоновые тела могут обеспечить до
половины энергетических потребностей мозга, уменьшая тем
самым его зависимость от глюкозы. Печень способна
не только расщеплять, но и синтезировать жирные
кислоты, которые затем в виде триглицеридов
переносятся в другие ткани.
Таким образом, печень запасает глюкозу в виде
гликогена и освобождает ее, если в этом есть потребность
и не исчерпан запас гликогена. При голодании она
превращает аминокислоты в глюкозу, а жиры - в
кетоновые тела, снабжая ими другие ткани через кровоток
(рис. 5.4). Печень способна не только синтезировать
и экспортировать жирные кислоты, но и окислять их для
энергетических нужд. И это только те функции печени,
которые связаны непосредственно с энергоснабжением
организма.
2. Мозг не имеет собственных энергетических
резервов и должен непрерывно снабжаться глюкозой.
Транспорт глюкозы в нейроны носит пассивный
характер, а потому при уменьшении ее концентрации в крови
(гипогликемия) он прекращается, что приводит к
судорогам и коме. Тем не менее, хотя глюкоза абсолютно
необходима для работы мозга, до половины своих
энергетических потребностей он может удовлетворить за счет
кетоновых тел, экономя глюкозу для тех случаев, когда
она незаменима.
3. Скелетные мышцы расходуют много энергии
в ходе сокращения. Эта энергия черпается из различных
источников. Мышцы поглощают глюкозу из крови и
могут запасать ее в виде гликогена. Однако, в отличие от
печени, глюкоза, высвобождающаяся из гликогена мышц
не поступает в кровь. Помимо глюкозы, в мышцах
окисляются жирные кислоты, кетоновые тела и
аминокислоты. Более того, если уровень жирных кислот и
кетоновых тел в крови достаточно велик, они становятся
главными субстратами окисления. При голодании
мышцы «жертвуют» своими белками ради того, чтобы
снабдить печень аминокислотами для нужд глюконеогенеза.
4. Роль жировых клеток относительно проста.
После еды они поглощают из крови жирные кислоты
и глюкозу и преобразуют эти вещества в триглицериды.
V
Жирные
кислоты
мозгом не
используются
Печень
Мозг
Производство
энергии
Жирные
кислоты
Кетоновые
тела
Гликоген
(резерв на сутки)
лг

Аминокислоты
Мышца
г- щ
Производство
энергии
Мышечный
белок

Аминокислоты
L
Глицерин
Жирные
Триглице идь
Жировые клетки
Рис. 5.4. Потокои биологического топлива в голодающем
организме
глава 5 Распределение и утилизация источников энергии в организме
83

Напротив, при уменьшении уровня глюкозы в крови,
указывающем на голод, жировые клетки используют
запас триглицеридов для того, чтобы выделять в кровь
жирные кислоты с целью удовлетворения потребности
в них других тканей. Жировые клетки и печень -
основные производители триглицеридов. Жирные
кислоты либо поступают с пищей, либо синтезируются
в печени, а глицерин образуется из глюкозы.
5. Эритроциты способны усваивать только
глюкозу, превращая ее в молочную кислоту. У них
отсутствуют митохондрии, поэтому, в отличие от других клеток,
они не могут окислять пищевые вещества. Таким
образом, глюкоза обеспечивает все их энергетические
потребности, включая работу Na+/K+-ATPa3bi.
Роль гормонов в координации
распределения пищевых
веществ
После рассмотрения роли отдельных органов и тканей
в усвоении пищевых веществ целесообразно обсудить,
как осуществляется координация их деятельности,
позволяющая организму справиться с различными
физиологическими ситуациями. Вот наиболее типичные из них.
1. Избыток пищи после плотного обеда.
2. Легкий голод после некоторого перерыва между
приемами пищи, например, утром перед завтраком.
3. Голод - состояние, наступающее после отсутствия
пищи в течение одного-двух дней.
5. Аномальные условия (например, при диабете
глюкоза не усваивается из крови.)
6. Экстремальная ситуация (под воздействием стресса
в кровь выбрасывается огромное количество
адреналина).
После всасывания пищевых веществ
Все компоненты пищи в значительных концентрациях
присутствуют в крови. Глюкоза поглощается печенью,
мышцами и жировыми клетками и используется для
пополнения запасов гликогена. Наряду с этим часть
глюкозы в печени, жировых клетках и других тканях
превращается в нейтральные жиры.
Сама печень не накапливает синтезированные жиры
в значительных количествах, а отдает их другим тканям
(ожирение печени - патология).
Аминокислоты поглощаются всеми тканями и
используются для синтеза белков и других компонентов
клеток. Жиры поступают из хиломикронов и поглощаются
часть 3 Метаболизм
84
разными тканями, в том числе жировыми клетками, где
они откладываются для хранения, и клетками молочных
желез, которые используют их при образовании молока.
В период накопления гликогена и жиров расщепления
этих веществ в клетках не происходит.
Главным сигналом, побуждающим все ткани
организма перейти в режим накопления, служит гормон
поджелудочной железы инсулин, выброс которого в кровь
«извещает» все клетки о повышении в ней
концентрации глюкозы: ситуация благоприятна для синтеза
гликогена и жиров. В то же время высокое содержание
глюкозы в крови приводит к снижению уровня другого
панкреатического гормона - глюкагона, чье действие
противоположно инсулину. Глюкагон извещает клетки
о недостатке пищевых веществ и побуждает их
мобилизовать накопленные запасы: гликоген и нейтральные
жиры. Заметим, что мозг не чувствителен к инсулину; он
нуждается в непрерывном поступлении глюкозы.
Легкий голод
Стимулированное инсулином запасание приводит к
постепенному снижению содержания в крови глюкозы,
аминокислот и жиров в виде хиломикронов.
Параллельно с уменьшением концентрации глюкозы уменьшается
и секреция инсулина. Этот белковый гормон в крови
быстро расщепляется протеиназами, и потому торможение
секреции приводит к практически полному его
исчезновению в крови. С другой стороны, уменьшение
концентрации глюкозы побуждает поджелудочную железу сек-
ретировать глюкагон. Этот гормон служит сигналом для
печени и жировых клеток к мобилизации запасов
гликогена и жиров, чтобы обеспечить поступление в кровь
глюкозы и жирных кислот. Последние используются
в качестве топлива мышцами, печенью и другими
тканями, что позволяет сберечь глюкозу для нужд мозга.
Одновременно низкий уровень инсулина в сочетании с
высоким уровнем глюкагона подавляет синтез гликогена
и жиров из глюкозы.
Продолжительное голодание
Уже после суточного голодания запасы гликогена в
печени иссякают, и она далее не может поддерживать
на должном уровне концентрацию глюкозы в крови
(на большее время хватает гликогена в почках, но их
вклад в этот процесс незначителен) Уровень инсулина
низок, а глюкагона - высок. В этих условиях жировые
клетки начинают выделять в кровь жирные кислоты,
которые становятся главным источником энергии для
тканей. Запаса жиров в этих клетках хватает не на одну

неделю. В мышцах происходит распад белков до
аминокислот, из которых в печени под влиянием глюкагона
синтезируется глюкоза. Чем дальше, тем интенсивней
побуждает глюкагон жировые клетки увеличивать
содержание жирных кислот в крови, и в печени включается
механизм образования кетоновых тел. Под этим давно
используемым и неправильным термином понимают два
соединения - ацетоацетат (СН3СОСН2СОО~) и β-гид-
роксибутират (СН3СНОНСН2СОО ). Второе
вещество - не кетон, и оба не являются «телами». Раньше
полагали, что наличие кетоновых тел свидетельствует
о развитии патологических состояний, однако в
действительности их синтез происходит в процессе
нормального метаболизма.
Диабет
В отсутствие инсулина мышцы не могут использовать
глюкозу, как бы много ее ни было в крови. Именно так
обстоит дело у диабетиков, чью жизнь спасает только
то, что мозг и эритроциты усваивают глюкозу
независимо от действия инсулина. Состояние организма при
диабете напоминает длительное голодание, при котором
отношение концентраций инсулин/глюкагон крайне
мало, а жировые клетки продуцируют много жирных
кислот, часть которых перерабатывается печенью в
кетоновые тела. Содержание последних становится
значительно выше нормы, что легко обнаружить по характерному
сладковатому «органическому» запаху изо рта. Это
запах ацетона, который появляется путем спонтанного де-
карбоксилирования ацетоацетата:
сн3сосн2соо-
СН3СОСН3 + С02.
Экстремальная ситуация
Когда человеку грозит опасность, его надпочечники,
повинуясь нервному сигналу из мозга, выбрасывают в кровь
адреналин. Жировая ткань иннервирована, и ее
активность также стимулируется адреналином,
высвобождаемым нервными окончаниями. Адреналин
действует на организм подобно нажатию кнопки «Тревога!».
Он побуждает печень и жировые клетки выделять в кровь
глюкозу и жирные кислоты в таких количествах, чтобы
мышцы не испытывали недостатка в «топливе». Кроме
того, он вызывает распад гликогена в самих мышцах,
чтобы их клетки могли производить АТР с
максимальной скоростью. В совокупности все эти меры приводят
мышцы в рабочее состояние, позволяющее их хозяину
избежать опасности.
Вопросы к главе 5
1. Почему клетки запасают глюкозу в виде гликогена?
2. Почему триглицеридов запасается гораздо больше,
чем гликогена?
3. Может ли глюкоза перерабатываться в организме
в жиры и наоборот? Существуют ли какие-либо
специальные формы запасания аминокислот?
4. Опишите роль печени в преобразовании и
распределении питательных веществ.
5. Использует ли мозг в качестве источника энергии
жирные кислоты?
6. Перечислите основные метаболические свойства
жировых клеток.
7. Что служит источником энергии в эритроцитах?
8. Какие гормоны несут главную ответственность за
утилизацию пищевых веществ?
глава 5 Распределение и утилизация источников энергии в организме
85

глава
6 Биохимические механизмы транспорта,
хранения и мобилизации пищи
Превращение глюкозы
в организме
Механизм синтеза гликогена
Прежде всего отметим, что синтез гликогена из
глюкозы - процесс эндоэргонический, т. е. требующий затрат
энергии. AG0' гидролиза гликозидной связи составляет
—16 кДж · моль1, так что равновесному состоянию
отвечает практически полное гидролитическое
расщепление гликогена до глюкозы (гликоген + Н20 —> глюкоза).
Образование гликозидной связи протекает в организме
сопряженно с гидролизом макроэргического
фосфатного производного.
Синтез гликогена происходит путем увеличения
существующей затравки молекулы гликогена (именуемой
праймером) за счет последовательного присоединения
отдельных молекул глюкозы. Таким праймером служит
белок гликогенин, к одному из тирозиновых остатков
которого с помощью О-гликозидной связи
присоединена олигосахаридная цепочка из 8 остатков глюкозы.
Этот белок так и остается включенным в гранулу
гликогена. Молекулы глюкозы всегда присоединяются к не-
восстанавливающему (нередуцирующему) концу
полисахарида. Глюкоза принадлежит к классу Сахаров,
называемых альдозами. В водных растворах ее
циклическая (преобладающая) форма находится в равновесии
с открытой формой, которая содержит альдегидную
группу.
Альдегидная группа
Н0-
Н0-
НСУ
ч*ОН
ОН
но
Ч*0Н
-он
τ
iCHO
он
он
Невосстанавливающий Восстанавливающий
конец цепи конец цепи
Глюкоза Глюкоза
(циклическая форма) (открытая форма)
Альдегидная группа - это восстанавливающий агент,
так что С-1 -конец кольцевой формы называется
восстанавливающим, а С-4-конец - ^восстанавливающим.
Цепь гликогена поэтому всегда имеет
невосстанавливающий конец.
Итак, молекула гликогена схематически может быть
представлена в ел едущем виде:

Невосстанавливающий
конец цепи
й |£jX ХТ^Х ХГ^Х ХГУ- ,
t>
ОН
остаток глюкозы.
О
а ее биосинтез с участием АТР можно описать схемой:
он ^o^V^V™
Глюкоза ν/ Праймер гликогена
<— Энергия АТР
0>Ο0Ο0Ονитл·
Этот процесс повторяется многократно, что и
приводит к образованию длинной полисахаридной цепи.
Как синтез гликогена обеспечивается
необходимой энергией?
Когда глюкоза входит в клетку, она подвергается
фосфорилированию посредством АТР. Эту реакцию
в мозге и мышцах катализирует фермент гексокиназа.
+ АТР
ОН
Глюкоза
Гексокиназа
(глюкокиназа в печени)
Δ60 =-16,7кДж-моль1
ADP
ОН
Глюкозо-6-фосфат
часть 3 Метаболизм
86

Киназы - семейство ферментов, переносящих фосфо-
оильный остаток с АТР на различные молекулы, а глю-
ко3а - один из представителей моносахаридов - гексоз;
отсюда и название гексокиназа. В печени эту же
реакцию катализирует другой фермент - глюкокиназа.
фосфорилирование - экзоэргоническая и поэтому
практически необратимая реакция. Образующийся глю-
козо-6-фосфат в отличие от самой глюкозы является
сильно заряженной молекулой, из-за чего она не может
дйффундировать через плазматическую мембрану. В то
же время фосфорилирование сопровождается
уменьшением концентрации свободной глюкозы в
цитоплазме. Оба эти фактора способствуют диффузии глюкозы
в клетки из окружающей среды в соответствии с ее
концентрационным градиентом. Фосфорильный остаток
в молекуле глюкозофосфата под влиянием фермента
фосфоглюкомутазы может обратимо мигрировать
между гидроксильными группами при С-6- и С-1-атомах.
23ОРО-
нсг
.он
он
он
Глюкозо-6-фосфат (G-6-P)
Фосфоглюкомутаза
AG0' = -7,3 кДж· моль-1
Глюкозо-1-фосфат (G-1-P)
Величины свободной энергии гидролиза
глюкозо-1-фосфата и гидролиза а-(1—>4)-гли-
козидной связи гликогена одинаковы и равны
-А.0 кДж · моль-1. Свободная энергия
гидролиза щ 1 ->4)-гликозидной связи в дисахариде
мальтозе равна -15,5 кДж · моль-1. Поэтому вполне
естественно предположить, что наращивание
цепи гликогена происходит в результате реакции
между глюкозо-1-фосфатом и праймером
гликогена. Но это ошибочное мнение. Биохимические
реакции комбинируются таким образом, чтобы
суммарный процесс оказался термодинамически
необратимым. Между тем прямой синтез гликогена
из глюкозо-1-фосфата оказался бы реакцией обратимой
и, следовательно, не контролируемой.
Чтобы придать синтезу гликогена
термодинамическую необратимость, в него введена дополнительная
стадия. Чтобы разобраться в ней, вспомним структуру АТР
(см. рис. 1.6). Его аналогом является уридинтрифосфат
(UTP), в молекуле которого место аденина занимает ура-
цил. Клетка синтезирует UTP, используя АТР в качестве
источника энергии. Оказалось, что при синтезе
гликогена промежуточным продуктом является уридиндифос-
фоглюкоза (UDP-глюкоза), образующаяся из UTP и
глюкозо-1-фосфата (рис. 6.1)
По чисто формальной причине (так требуют правила
номенклатуры) фермент, катализирующий эту реакцию,
назван по обратной реакции, реально в клетке не
протекающей - UDP-глюкозопирофосфорилазой.
Необратимость этой реакции достигается тем, что
неорганический пирофосфат (продукт прямой реакции) в клетке
чрезвычайно быстро гидролизуется пирофосфатазой.
Именно UDP-глюкоза, а не глюкозо-1-фосфат,
выступает как донор остатка глюкозы при синтезе гликогена.
Ее можно рассматривать как активированный сахар,
и в таком качестве UDP-производные Сахаров
участвуют в биосинтетических реакциях у животных. Почему
Уридильный остаток
О
II
он о-
Гл юкозо-1 -фосфат
ОН
UDP-глюкоза
~0—Р—О—Р—О—Р—О—Урндин
I I I
О" О" О
UTP
UDP-глюкозопирофосфорилаза
О О
II II
-Уридии + "О— Р—О— Р—ОН
ι ι
о о-
Неорганический пирофосфат
/ (ΡΡί)
/ н2о
2Ό— Р— 0Н + Н+
I
0"
Неорганический фосфат (Р;)
Рис. 6.1. Образование UDP-глюкозы из UTP и глюкозо-1-фосфата
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
87

он
UDP-глюкоза
О О
I I т кон
О—Ρ—Ο—Ρ—О —Уридин НО
о- о-
ит.д.
ОН 'ОН ■ ОН
Праймер гликогена
(п звеньев глюкозы)
UDP +
и т.д.
Гликоген
(п + 1 звеньев глюкозы)
Рис. 6.2. Синтез гликогена путем удлинения затравки
именно они - загадка, вторую еще предстоит разгадать.
Во всяком случае, в растениях синтез крахмала
происходит с участием не урацильных, а адениновых
соединений. Схема синтеза гликогена с участием UDP-глюкозы
в качестве донора глюкозного остатка представлена на
рис. 6.2. Эту реакцию катализирует фермент гликоген-
синтаза (синтазами называют ферменты,
катализирующие синтетическую реакцию без использования АТР;
в противном случае используют термин синтетазы).
Еще раз вернемся к вопросу о необратимости реакции
Гексокиназа
Глюкоза + АТР ► Глюкозо-6-фосфат
(глюкокиназг
в печени
Фосфоглюкомутаза
UTP + Глюкозо-1 -фосфат
UDP-
глюкозопи ^ ol ^ илаза
UDPG + РР
ГликогеН(л+1ч
+ UDP
1 ликоген-
синтаза
Праймер гликогена
Рис. 63. Синтез гликогена из глюкозы
образования UDP-глюкозы из UTP и глюкозо-1-фосфата.
В ходе этой реакции (см. рис. 6.1) образуется
неорганический пирофосфат, гидролиз которого протекает
необратимо (AG°= -33,5 кДж · моль1). Именно это
обстоятельство придает необратимость всей совокупности
реакций, включенных в биосинтез гликогена (рис. 6.3).
Этим же объясняется невозможность распада гликогена
простым обращением реакций его синтеза.
Эта схема не отражает полностью процесса синтеза
гликогена, поскольку он должен представлять собой
неопределенно длинную олигосахаридную цепь, наподобие
той, которая встречается у амилозы - линейного
компонента растительного крахмала. Между тем гликоген,
также как и другой компонент крахмала - амилопектин,
имеет разветвленную структуру. Такую структуру ему
придает специальный фермент, который называют
разветвляющим ферментом. Как только синтаза
изготовила очередной линейный участок цепи длиной
примерно в 11 глюкозных остатков, разветвляющий фермент
переносит ее концевой фрагмент, содержащий в
среднем 7 остатков глюкозы, на гидроксильную группу
С-6-атома глюкозы этой или другой цепи (рис. 6.4).
Энергия образования а-(1—>6) связи примерно такая же,
что и связи а-(1—>4). Следовательно, это - реакция
простого переноса, не требующая затрат энергии. По мере
синтеза в гликогене лавинообразно возрастает число
концов цепей, являющихся как точками роста
молекулы, так и местами ее последующей фрагментации.
Итак, после еды глюкоза из крови поступает в тка- %
ни и превращается в ходе рассмотренных реакций
в гликоген.
часть 3 Метаболизм
88

но Ό ο ο ο 'ρΑΑ,ΑΑ^
гликогена
ос-(1—4)-связь
Разветвляющий фермент
ос-(1-* 6)-точка ветвления
1
НО
0 0
Рис. 6.4. Действие разветвляющего фермента при синтезе гликогена
Ядро
гликогена
Как в печени образуется глюкоза?
Печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для
своих собственных нужд, сколько для обеспечения
постоянного поступления глюкозы к другим тканям,
особенно к мозгу и эритроцитам. В перерывах между
приемами пищи печень расщепляет накопленный в ней
гликоген с такой скоростью, чтобы по возможности
удержать на постоянном уровне концентрацию глюкозы
в крови. Эта скорость обусловлена внешним сигналом,
который определяется соотношением глюкагон/инсулин.
Так же, как и синтез, расщепление гликогена
происходит с невосстанавливающего конца полисахарид-
ных цепей. При этом гликозидная связь атакуется не
водой, а фосфатным анионом; такого рода реакции по
аналогии с гидролизом называют фосфоролизом.
Соответственно и катализирующий эту реакцию фермент
носит название гликогенфосфорилазы.
О- Гликоген
(п-\ остатков)
Образующийся при фосфоролизе глюкозо-1-фосфат
далее изомеризуется фосфоглюкомутазой в глюко-
зо-6-фосфат (реакция, обратная описанной выше),
который гидролизуется до глюкозы, и последняя
выделяется в кровь (такой гидролиз, катализируемый глюкозо-
6-фосфатазой, происходит только в печени и почках):
Глюкозо-1 -фосфат ^ Гпюкозо-6-фосфат
Глюкозо-6-фосфат + Н20 -^ Глюкоза + Р,.
Общая схема образования глюкозы из гликогена
представлена на рис. 6.5.
Глюкозо-6-фосфатаза локализована на мембране эн-
доплазматического ретикулума. Этот фермент
примечателен тем, что его активный центр обращен не в
цитоплазму, а в просвет ретикулума. Чтобы связаться с ним,
глюкозо-6-фосфат с помощью особого транспортного
белка пересекает мембрану и только после этого
гидролизуется. В свою очередь, продукты гидролиза -
глюкоза и фосфат - с помощью специальных транспортных
систем возвращаются обратно в цитоплазму.
Цепь гликогена (п остатков глюкозы)
>] Гликогенфосфорилаза
Глюкозо-1-фосфат + цепь гликогена
(остатки глюкозы^ _ j
Фосфоглюкомутаза
Глюкозо-6-фосфат
Глюкозо-6-фосфатаза
Глюкоза + Ρ,
Рис. 6.5. Расщепление гликогена путем фосфоролиза,
завершающееся высвобождением глюкозы в кровь
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
89

Точки ветвления в гликогене затрудняют работу
фосфорилазы, видимо, из-за ее размера и
особенностей строения активного центра. Она не может
справиться со своей задачей, если конец цепи и точка
ветвления разделены четырьмя или меньшим числом гли-
козидных остатков. Эта проблема преодолевается в два
этапа. На первом этапе три концевых остатка
переносятся под действием деветвящего фермента на гид-
роксильную группу С-4-концевого остатка другой
короткой цепи, что удлиняет последнюю и тем самым
делает ее доступной для фосфорилазы. Второй этап
заключается в гидролитическом отщеплении
оставшегося бокового а-(1—>6)-гликозильного остатка
(рис. 6.6). Примечательно, что оба эти процесса
катализирует один и тот же белок - деветвящий фермент,
который, следовательно, обладает двумя разными
ферментативными активностями.
Общая схема поглощения, хранения и
высвобождения глюкозы из печени показана на рис. 6.7.
Перенос
Отметим некоторые принципиально важные
особенности процессов, отображенных на этой схеме.
1. Синтез и распад гликогена проходят разными
путями, а потому оба процесса могут регулироваться
независимо друг от друга.
2. Только в печени и почках глюкозо-6-фосфат,
образующийся из гликогена, превращается в глюкозу,
которая далее высвобождается в кровь, становясь
доступной другим тканям.
3. И в печени, и в других тканях глюкозо-6-фосфат
служит субстратом окисления (см. главу 8).
4. Инсулин побуждает клетки накапливать гликоген,
одновременно блокируя его распад. Глюкагон действует
наоборот.
Таким образом, инсулин вызывает синтез гликогена,
тогда как глюкагон стимулирует выход глюкозы из
печени. Механизм действия этих гормонов будет
рассматриваться в последующих главах, посвященных
молекулярным сигналам, которые управляют жизнью клеток.
НО
НО
гликогена
wo
-ex
Трансферазная активность деветвящего
фермента, удаляющего разветвления
<A<ix-
Новая ос-(1 — 4)-связь
^U j Гидролиз Ъ^-Х S~\
..^ χ)6 Ov
но
у\
гликогена
Рис. 6.6. Удаление разветвлений в молекуле гликогена
Инсулин активирует Глюкагон активирует
UDP ^ ^* ^^ Гликоген ^ \^ р.*
Гликоген- λ/^Глкжагон Инсулин^/
/ ингибирует ингибирует
ADP
UDP-глюкозо-
пирофосфорилаза
ι ликоген-
ос о илаза J фосфоглюкомутаза
АТР
Глюкозо-6-фосфат
Глюкокиназа Глюкозо-6-фосфатаза
Н70
UTP
Глюкозо-1 -фосфат>
Глюкоза + Р,-
Поглощение Г ) Выход
Глюкоза в крови
Рис. 6.7. Поглощение, хранение и высвобождение глюкозы в печени
Инсулин и глюкагон непосредственно не влияют на ферменты метаболизма гликогена
часть 3 Метаболизм
90

Почему в печени работает глюкокиназа,
а в других тканях - гексокиназа?
Что происходит с другими сахарами,
поглощенными в тонком кишечнике?
Как только глюкоза поступает в клетку, она немедленно
фосфорилируется в глюкозо-6-фосфат. Эту реакцию в
печени катализирует глюкокиназа, а в мозгу и других
тканях - гексокиназа. В условиях голода, когда
поступление глюкозы в кровь становится первоочередной
задачей, ее использование мышечными и другими
клетками ограничено уровнем инсулина, тогда как
потребление глюкозы мозгом, эритроцитами и печенью
не зависит от инсулина. Это кажется нелогичным.
Получается, что мышцы жертвуют своими белками ради
того, чтобы печень из аминокислот синтезировала
глюкозу для поддержания жизнеспособности клеток мозга, и в
то же время сама печень конкурирует с мозгом за эту
глюкозу. Этого, однако, не происходит! Дело в том, что
глюкокиназа печени обладает значительно меньшим
сродством к глюкозе по сравнению с гексокиназой
мозга (рис. 6.8). Это означает, что в условиях голода печень
поглощает гораздо меньше глюкозы, чем мозг,
поскольку пассивный транспорт глюкозы в клетки
определяется скоростью ее внутриклеточного фосфорилирования.
100 г-
&
о
О
Я
<
Концентрация глюкозы, мМ
Рис. 6.8. Влияние концентрации глюкозы на активность
гексокиназы (/) и глюкокиназы (2)
После еды, когда уровень глюкозы в крови высок,
а инсулин побуждает печень синтезировать гликоген,
глюкокиназа работает с максимально возможной
скоростью. Есть еще одно различие между гексокиназой
и глюкокиназой: последняя не ингибируется продуктом
реакции - глюкозо-6-фосфатом. Благодаря этому синтез
гликогена в печени может происходить при высоком
внутриклеточном содержании глюкозо-6-фосфата.
Кроме того, у транспортного белка, ответственного за
поступление глюкозы в клетки печени, константа Михаэ-
лиса (Км) выше, чем в других клетках. Аналогичная
ситуация наблюдается в тех клетках поджелудочной
железы, которые секретируют инсулин и координируют его
секрецию с уровнем глюкозы в крови.
При переваривании животными пищи в портальную
вену из кишечника наряду с глюкозой поступает
много других Сахаров. К их числу относится галактоза,
образующаяся из молочного сахара - лактозы, и
фруктоза - продукт гидролиза другого пищевого дисаха-
рида - сахарозы. Для энергообеспечения организма
необходимо превратить галактозу и фруктозу либо в
глюкозу, либо в продукты ее метаболизма в печени. Тогда
эти сахара вместе с глюкозой в конечном итоге будут
преобразованы в гликоген и жир либо же подвергнутся
окислению до С02 и Н20.
Чтобы превратить галактозу в глюкозу, необходимо
изменить оптическую конфигурацию С-4-атома
сахарного остатка (в химии этот процесс называют эпимери-
зацией).
ОН
Глюкоза
ОН
Галактоза
Эпимеризовать галактозу клетки не могут, но в них
есть фермент эпимераза, который превращает UDP-ra-
лактозу в UDP-глюкозу. Последняя является
промежуточным соединением при синтезе гликогена. Сначала
галактоза фосфорилируется галактокиназой в галакто-
зо-1 -фосфат:
НО-
-О
ОН
+ АТР
ОН
он
Галактоза
1 алактокиназа
HO-
HO,
ОН
+ ADP
ОРО^
он
Галактозо-1 -фосфат
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
91

Теперь, казалось бы, галактозо-1-фосфат должен,
по аналогии с глюкозо-1-фосфатом, вступить в реакцию
с UTP. Однако вместо этого галактозо-1 -фосфат
замещает глюкозо-1-фосфат в UDP-глюкозе, в результате чего
и образуется UDP-галактоза:
О
0-Р-0-Р-0-Уридин+ |\Он |/\)РОГ
UDP-глюкоза
ОН
Галактозо-1 -фосфат
У идил анс )е аза
О О
II II
Ό-Ρ-0-Ρ-0-
СГ
UDP-галактоза
СГ
- Уридин н£
ОН
Глюкозо-1 -фосфат
Поскольку эту реакцию можно рассматривать как
перенос уридинфосфатного (уридильного) остатка
с UDP-глюкозы, катализирующий ее фермент называют
уридилтрансферазой. Лишь после образования
UDP-галактозы происходит реакция эпимеризации.
Н0-
-0— Уридин
ОН
UDP-галактоза
UDP-галактозо-
эпимераза
НО-
НО
ОН
0 О
II II
О—Р—О—Р—О—Уридин
1 I
О" О"
1 ОН
UDP-глюкоза
Если все эти реакции собрать вместе, можно
представить следующую схему превращений галактозы, конечным
продуктом которых является глюкозо-1-фосфат (рис.6.9).
Известен генетический дефект, который
проявляется у детей в форме заболевания, называемого галак-
тоземией. У таких больных нет уридилтрансферазы,
вследствие чего в организме накапливается галактоза
Галактоза
АТР
N
А
ADP
Галактозо-1 -фосфат
UDP-глюкоза
Уридил-
т анссЬе аз
UDP-галактоза
Глюкозо-1 -фосфат
UDP-галактозо-
эпиме аза
Рис. 6.9. Вхождение галактозы в главные метаболические
пути посредством ее превращения в глюкозо-1-фосфат
и продукты ее метаболизма. Это приводит к
нарушениям развития мозга и слепоте. Чтобы избежать столь
тяжелых последствий, достаточно исключить галактозу
из пищевых продуктов. Потребности организма таких
больных в галактозе для синтеза собственных гликоли-
пидов и гликопротеинов удовлетворяются благодаря
тому, что эпимеризация UDP-галактозы в UDP-глюкозу
обратима, а указанные синтетические процессы
требуют как раз UDP-галактозу в качестве донора галакто-
зильных остатков.
Пути превращения аминокислот
в организме (в рамках проблемы
энергоснабжения)
Хотя для аминокислот не предусмотрено таких
специализированных способов запасания, как для глюкозы
и жира, тем не менее и они участвуют в
энергоснабжении. Особенно важна их роль при голодании: в этих
условиях расщепляются мышечные белки, а
образующиеся аминокислоты переносятся в печень и становятся там
субстратами для синтеза глюкозы.
Пути превращения жиров
и холестерина в организме
Следует пояснить, почему мы говорим о холестерине при
анализе энергоснабжения, хотя он не вносит в него
никакого вклада. Дело в том, что холестерин после пище-
частъ 3 Метаболизм
92

варения вместе с жирами транспортируется в составе
липопротеинов. Отсюда и целесообразность
совместного рассмотрения судьбы этих веществ.
Поглощение жира клетками
из хиломикронов
После приема жирной пищи кровь насыщается хило-
микронами - частицами, оболочка которых
образована фосфолипидами, холестерином и белками, а ядро
состоит из нейтральных жиров (триглицеридов) и эфиров
холестерина (см. рис. 4.5).
Триглицериды откладываются про запас в жировых
клетках, в молочных железах млекопитающих
(выделяются при секреции с молоком), а также в мышцах и
других тканях, где используются для производства энергии.
В отличие от триглицеридов свободные жирные
кислоты легко проходят через мембраны. Видимо,
именно поэтому триглицериды в хиломикронах гидро-
лизуются в кровотоке липазой, расположенной на
поверхности клеток, выстилающих капилляры.
Продуктами гидролиза являются жирные кислоты и глицерин,
которые тут же поглощаются близлежащими клетками.
О
II
СН2—О—С—Ra
I О
I II
СН—О—С—R2 + 3H20
I О
I и
СН2—О—С—R3
Триглицерид
СН2ОН
СНОН +
СН2ОН
Глицерин
V
+ зн*
Жирные
кислоты
Количество жирных кислот, поступающих при этом
из крови в ткань, определяется суммарной активностью
липазы в пронизывающих ткань капиллярах. Эта
активность особенно велика в жировой ткани и в молочных
Впячивание Захваченный остаток
мембраны в клетке печени
клетки печени (рецепторный белок
Аполипопротеин Ε возвращается в мембрану)
Клетка
печени

Рецепторный белок
Остаток
хиломикрона
Рис. 6.10. Поглощение остатка хиломикрона клеткой
печени путем эндоцитоза, управляемого рецептором, который
специфичен к аполипопротеину Ε в хиломикроне
железах в период лактации. Содержание липазы
зависит от физиологических потребностей организма. Оно,
например, возрастает с увеличением соотношения ин-
сулин/глюкагон. Поскольку хиломикрон можно
рассматривать как липопротеин (комплекс липида с белком),
липазу в капиллярах называют липопротеинлипазой,
чтобы отличать ее от других липаз. Видимо, эта липаза
может служить своего рода мостиком, временно
скрепляющим хиломикрон с поверхностью клетки.
По мере удаления триглицеридов из хиломикронов
последние уменьшаются в размерах и превращаются
в так называемые остатки, содержащие исходные
количества холестерина и его эфиров, а также около 10%
исходного количества триглицеридов. Эти остатки
поглощаются печенью в ходе рецептор-опосредованного
эндоцитоза (рис. 6.10) и заканчивают свое
существование внутри печеночных клеток, доставляя туда
триглицериды и холестерин. Полностью судьба хиломикронов
отражена на рис. 6.11.
Жиры и
холестерин
из пищи
_^ Хиломикрон
~*" в крови
Жиры в ткани
Остаток
хиломикрона
Доставка в печень
холестерина и некоторого
количества жира путем
эндоцитоза
Хиломикрон
в лимфе
Липиды]
в пище
Жирные Клетки (кроме
кислоты клеток печени)
t
Клетка печени
Холестерин
жирные
кислоты
t
Ж!
Эндоцитоз
Рецептор
аполипопротеина Ε
Липопротеинлипаза
на стенках капилляров
Остаток хиломикрона,
содержащий 10%
исходных триглицеридов,
а также холестерин и его
эфиры
Рис. 6.11. Транспорт жира и холестерина с помощью
хиломикронов (ХМ)
а - Общее изображение;
б - детальное изображение
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
93

Судьба жиров и холестерина
Кроме хиломикронов, переносящих жир и холестерин
непосредственно из кишечника, существенный вклад
в транспорт этих веществ вносят липопротеины, в виде
которых жир и холестерин поступают в кровь из печени.
Печень сама способна синтезировать триглицериды
из глюкозы и других метаболитов, а некоторое
количество триглицеридов она получает извне вместе с
остатками хиломикронов. Тем не менее печень никак нельзя
рассматривать как место хранения липидов (ожирение
печени - патология). Триглицериды экспортируются
из печени в другие ткани в виде так называемых липо-
протеинов очень низкой плотности (ЛПОНП), которые
по своему строению напоминают хиломикроны. В
результате именно печень оказывается главным
поставщиком жиров, снабжающим основных потребителей:
мышцы, где жиры окисляются, и жировые клетки,
где происходит их запасание.
Печень не только собирает холестерин пищи,
поступающий в нее в составе остатков хиломикронов, но
является основным местом синтеза холестерина в
организме. Из печени холестерин вместе с триглицеридами
разносится по всему телу в составе ЛПОНП. Вместе с тем
существует и встречный поток холестерина из
периферических тканей в печень (рис. 6.12). Смысл такого
встречного движения пока не вполне ясен, тем более что
большинство клеток сами способны синтезировать
холестерин. Одно из возможных объяснений заключается
в том, что таким образом достигается наиболее гибкая
регуляция общего содержания холестерина в организме,
поскольку печень способна удалить его избыток в виде
желчных кислот. Другая гипотеза предполагает, что
выход холестерина из печени - необходимое следствие
Глюкоза и др.
Остатки
хиломикронов
\ Выходящий поток
Три_ триглицеридов
(глицериды и холестерина
[холестерин Входящий поток
холестерина
Печень Периферические
w клетки
Желчные кислоты
Рис. 6.12. Движение триглицеридов и холестерина в печень
и из печени (схематично)
В печени эти вещества синтезируются из метаболитов и
включаются в составе остатков хиломикронов. Там же холестерин
превращается в желчные кислоты
часть 3 Метаболизм
94
«секреции» триглицеридов, поскольку холестерин
является непременным компонентом переносящих их
ЛПОНП. Согласно этой гипотезе, встречный поток
холестерина в печень есть не что иное, как способ
замкнуть транспортный цикл, вернув переносчик
(холестерин) назад. Решение этой проблемы имеет важное
значение для медицины, ибо оно тесно связано с
пониманием природы атеросклероза.
Использование холестерина
в организме
Холестерин - важный компонент плазматической
мембраны животных клеток. В то же время его избыток в
организме служит причиной сердечно-сосудистых
заболеваний. Вот почему важное значение имеют механизмы
выведения холестерина из организма.
Главным из этих механизмов является переработка
холестерина в желчные кислоты в печени. Таким способом
у человека выделяется примерно около 0,5 г холестерина
за сутки. Из печени желчные кислоты в составе желчи
поступают в тонкий кишечник, затем всасываются его
стенками вместе с жиром. Поэтому одна из терапевтических
задач - снижение содержания холестерина -
заключается в подавлении обратного всасывания желчных кислот.
Это достигается введением в пищу веществ, образующих
в кишечнике прочные комплексы с желчными кислотами,
которые не могут быть поглощены эпителиальными
клетками. Другой, более современный подход состоит в
регуляции синтеза желчных кислот. В надпочечниках и в
половых органах из холестерина синтезируются не только
желчные кислоты, но и стероидные гормоны. В форме
эфиров холестерин хранится в клетках и в составе липоп-
ротеинов транспортируется в организме.
Липопротеины, участвующие
в транспорте жира и холестерина
Печень производит липопротеины двух типов: ЛПОНП
и ЛПВП (липопротеины высокой плотности). В этом
процессе принимают участие эндоплазматический рети-
кулум и аппарат Гольджи, где липопротеины
упаковываются в покрытые мембраной пузырьки, которые
выводятся с помощью экзоцитоза. У крыс около 80% липо-
протеинов (не хиломикронов) образуется в печени,
а остальная часть - в клетках кишечника. Далее мы
коснемся превращения ЛПОНП в ЛППП (липопротеины
промежуточной плотности) и ЛПНП (липопротеины
низкой плотности). Так что вместе с хил омикронами речь
идет о пяти типах липопротеинов. Электронные
микрофотографии некоторых из них представлены на рис. 6.13.

a
б
v. -x. ** ~'Γ'
* 7»
.41
V"
Рис. 6.13. Электронные микрофотографии хиломикронов и липопротеинов
а - Хиломикроны; б - липопротеины очень низкой плотности ; в - липопротеины низкой плотности; г - липопротеины
высокой плотности. Масштаб, указанный жирной чертой на каждой фотографии, соответствует 100 нм. Фотографии предоставлены
доктором Т. Forte (Lawrence Berkeley Laboratory, University of California)
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
95

Аполипопротеины
Каждому из пяти липопротеинов отвечает свой набор
аполипопротеинов, т. е. входящих в их состав чисто
белковых компонентов. Известно более двенадцати
таких белков. Функция каждого из них точно не
определена, но в целом роль этих белков сводится к следующему.
1. Некоторые аполипопротеины необходимы для
образования липопротеинов. Таковы белки ароВ48 в хи-
ломикронах и ароВЮО в ЛПОНП.
2. Другие апобелки отвечают за распознавание липо-
протеина рецепторами на поверхности клеток-мишеней.
Такое распознавание, в свою очередь, является сигналом
к запуску эндоцитоза (см. рис. 6.10). Избирательное
распознавание позволяет отдельным липопротеинам
связываться только с предназначенными для них
клетками. Примерами адресных аполипопротеинов могут
служить ароВ 100 в ЛПНП, который связывается с ЛПНП-
рецепторами, и ароЕ, позволяющий клеткам печени
распознавать остатки хиломикронов.
3.Часть аполипопротеинов служит активаторами
ферментов. Так, ароСП в хиломикронах активирует ли-
попротеинлипазу, которая отщепляет жирные кислоты
от триглицеридов. Не все апобелки изначально
присутствуют в липопротеинах. Некоторые включаются в них
в процессе внеклеточного транспорта. Тот же ароСП
синтезируется в печени, но встраивается в хиломикроны
уже после их образования.
Механизм транспорта триглицеридов
и холестерина из печени к другим
тканям и обратный перенос
холестерина в печень
Начнем с выхода из печени триглицеридов и
холестерина в составе ЛПОНП. У больных с нарушениями
синтеза ЛПОНП происходит накопление триглицеридов
в печени.
Как только ЛПОНП попадают в кровоток, они
постепенно теряют триглицериды благодаря действию липо-
протеинлипазы. При этом в них возрастает
относительное содержание холестерина и его эфиров (табл. 6.1),
Таблица 6.1
Содержание (в % от сухой массы) триглицеридов и
холестерина в различных липопротеинах
Показатель
Триглицериды
Холестерин
и его эфиры
Хиламикроны
80
8
ЛПОНП
50
20
ЛППП
30
30
ЛПНП
10
50
ЛПВП
8
30
часть 3 Метаболизм
96
увеличивается их плотность и уменьшаются линейные
размеры. В результате ЛПОНП превращаются сначала
в ЛППП, а затем в ЛПНП. Именно ЛПНП распознаются
рецепторами клеток периферических тканей и далее
поглощаются ими путем эндоцитоза, снабжая эти клетки
остатками триглицеридов и холестерином.
Интенсивность такого поглощения регулируется изменением
числа рецепторов на поверхности клеток-мишеней.
Выход холестерина из печени компенсируется его
встречным потоком из периферических тканей. Это
происходит благодаря ЛПВП. Они образуются в основном
в печени и представляют собой дископодобную
структуру, состоящую из апобелков, фосфолипидов и
относительно малого количества триглицеридов и
холестерина. В периферических тканях ЛПВП обогащаются
холестерином, предположительно благодаря диффузии
последнего из плазматических мембран в
прикрепившийся к ним липопротеин. Исходно гидроксильные
группы молекул холестерина экспонированы в водное
окружение ЛПВП и доступны для этерификации.
Преобразование амфипатического холестерина в
полностью гидрофобные эфиры сопровождается изменением
формы ЛПВП: из диска он превращается в сферу.
Внутри клеток для этерификации холестерина
(CHOL) требуется энергия АТР, в отличие от
внеклеточной этерификации; поэтому для этерификации
холестерина в ЛПВП используется другая стратегия.
Особый фермент лецитин-холестерин-ацилтрансфераза
(ЛХАТ) катализирует перенос остатков жирных кислот
с лецитина, присутствующего в ЛПВП, на холестерин
О
II
СН2-0—С—Ra
I °
СН—0-C-R2 + CHOL—ОН
I О
I и
СН-, — О—Р—О—Холин
1 ι
0"
Лецитин + Холестерин
(фосфатидилхолин)
I
О
II
СН2—О—С—Ra
I О
I и
СНОН + R2 —С-О—CHOL
I о
I и
СН-,—О—Р— Холин
I
0"
Лизолецитин + Эфир
холестерина

Эта реакция не требует внешнего источника энергии,
поскольку исходный и образующийся сложные эфиры
энергетически почти эквивалентны.
Эфиры холестерина, заключенные в ЛПВП,
переносятся на хиломикроны, ЛПОНП, ЛППП и ЛПНП с
помощью особого белка-переносчика (белок-переносчик
эфиров холестерина). Хотя главная функция ЛППП
и ЛПНП состоит в транспорте их содержимого в
периферические ткани, некоторая доля возвращается в
клетки печени. Таким образом, механизм встречного
потока холестерина может быть описан в виде нескольких
стадий.
1. Холестерин переносится из мембран
периферических клеток в ЛПВП.
2. Холестерин ЛПВП этерифицируется;
образующиеся при этом эфиры мигрируют с периферии липоп-
ротеина к центру.
3. Эфиры холестерина переносятся из ЛПВП в
хиломикроны, ЛПОНП, ЛППП и ЛПНП.
4. Некоторая доля ЛППП и ЛПНП (а после еды - и хи-
ломикронов) передает эфиры холестерина клеткам
печени, обусловливая перенос холестерина из
периферических клеток в печень (рис. 6.14).
В действительности все обстоит гораздо сложнее,
поскольку параллельно с описанными здесь процессами
осуществляется обмен между разными липопротеина-
ми, триглицеридами и эфирами холестерина, обмен
триглицеридов на эфиры холестерина и т.п. Все эти
явления в деталях пока не изучены.
Медики рассматривают ЛПНП как «плохой
холестерин», потому что избыток холестерина в организме,
повышающий вероятность атеросклероза, коррелирует
с долей липопротеинов этого типа. Атеросклероз прояв-
Псрснос эфиров лпвп Перенос
холестерина холестерина
лппп —-· лпнп
I i \ I
Печень Удаление триглице- Периферичес
ридов в виде жирных Жирные кие ткани
кислот липопротеин- кислоты
липазой
Рис. 6.14. Роль липопротеинов в переносе холестерина в
печень и из печени
Жирными линиями показано перемещение эфиров холестерина
между липопротеинами. Все его этапы обратимы, а сам
рисунок упрощен
ляется в образовании специфических бляшек внутри
кровеносных сосудов, в значительной степени
состоящих из холестерина. Такие бляшки закупоривают
сосуды. В коронарных сосудах это приводит к сердечным
приступам. Известен генетический дефект, при котором
в клетках мало рецепторов ЛПНП. В результате
ослабляется «откачка» содержащих холестерин ЛПНП из
крови, вследствие чего в ней увеличивается уровень
ЛПНП-связанного холестерина. Это заболевание,
называемое семейной гиперхолестеринемией,
сопровождается поражениями сердечно-сосудистой системы.
Напротив, ЛПВП врачи называют «хорошим
холестерином», поскольку высокое содержание ЛПВП связано
с уменьшением риска заболеть атеросклерозом.
Благодаря ЛПВП ускоряется поток холестерина в печень,
однако механизм их защитного действия до конца еще не
ясен. Возможно (хотя это и не доказано), что ЛПВП
способны остановить развитие атеросклероза, извлекая
холестерин из атеросклеротических бляшек в
кровеносных сосудах.
Как жиры покидают жировые клетки?
Липаза высвобождает свободные жирные кислоты,
хранящиеся в виде нейтральных жиров. Однако липаза,
функционирующая внутри жировых клеток,
принципиально отличается от липазы кровяных капилляров. Это
отличие состоит в том, что внутриклеточная липаза
регулируется гормонами: ее активирует глюкагон и инги-
бирует инсулин (см. главу 12). После еды, когда
инсулина много, а глюкагона мало, жировые клетки поглощают
глюкозу из плазмы крови и жирные кислоты из хиломик-
ронов, превращая их в триглицериды; гидролиз
последних заторможен. При голоде ситуация
противоположная: образуются жирные кислоты, которые затем выходят
из жировых клеток в кровь и доставляются к другим
тканям. При юношеском диабете, когда у больных очень
низкое соотношение инсулин/глюкагон, гормончувстви-
тельная липаза обеспечивает поступление в кровь
большого количества жирных кислот, которые улавливаются
печенью и перерабатываются ею в кетоновые тела, что
приводит к сильной кетонемии (избыток кетоновых тел
в крови) - дополнительному тяжелому осложнению
сахарного диабета
Гормончувствительную липазу активирует не
только глюкагон, но и адреналин. После «адреналинового»
сигнала жировые клетки выбрасывают жирные
кислоты, которые доставляются мышцам и позволяют им
развить максимальную активность (см. главу 12). Жировые
клетки иннервированы симпатическими нервными
глава 6 Транспорт пищи, ее хранение и мобилизация
97

волокнами, окончания которых при возбуждении секре-
тируют норадреналин. Этот нейромедиатор также
активирует гормончувствительную липазу.
Как жирные кислоты переносятся
кровью?
Если бы жирные кислоты присутствовали в крови
в свободном виде, она была бы похожа на мыльный
раствор, потому что в нейтральной среде'эти кислоты
полностью диссоциированы. В действительности жирные
кислоты в крови адсорбированы на поверхности белка -
сывороточного альбумина (СА). На его молекуле
имеются гидрофобные участки, к которым прилипают
различные гидрофобные молекулы. Образующиеся некова-
лентные комплексы не слишком прочны, что делает
связывание обратимым.
Дополнительная литература
Синтез гликогена
Alonso М. D., LomakoJ., Lomako W. M., Whelan W. J.
A new look at the biogenesis of glycogen // FASEB J. 1995.
Vol. 9. P. 1126-1137.
(Превосходная статья о роли гликогена, в которой
обобщены новые концепции.)
Van Schaftingen E., Detheux M, Da Cunha Μ. V. Short-term
control of glucokinase activity: role of a regulatory protein //
FASEB J. 1994. Vol. 8. P. 414-419.
(Описана локализация, свойства и регуляция глюко-
киназы.)
Транспорт липидов и липопротеины
Nilsson-Ehle P., Garfinkel A. S., Schotz M. С. Lipolytic
enzymes and plasma lipoprotein metabolism // Annu. Rev.
Biochem. 1980. Vol. 49. P. 667-693.
(Общее резюме о липопротеинах, в том числе об их
физиологических функциях.)
Cannon В., NedergaardJ. The biochemistry of a inefficient
tissue // Essays Biochem. 1985. Vol. 20. P. 110-164.
(Обзор знакомит с проблемой генерации тепла
клетками бурого жира.)
часть 3 Метаболизм
98
Angelin В., Gibbons G. Lipid metabolism // Curr. Opin. Li-
pidology. 1993. Vol. 4. P. 171-176.
(Прекрасный обзор о липопротеинах.)
Flier J. S. The adipocyte: storage deposit or node on the
energy information superhighway?// Cell. 1995. Vol. 80.
P. 15-18.
(В обзоре приведены данные о том, что адипоциты
выполняют эндокринную функцию и являются
элементами регуляторной системы, защищающей организм
от ожирения.)
Tall A. Plasma lipid transfer proteins // Annu. Rev. Biochem.
1995. Vol.64. P. 235-257.
(Обзор посвящен транспорту липидов и холестерина.
Особое внимание уделено белку, который обеспечивает
перенос эфиров холестерина.)
Вопросы к главе 6
1. Объясните, как достигается термодинамическая
необратимость синтеза гликогена из
глюкозо-1-фосфата.
2. Как вы истолкуете название UDP-глюкозопирофос-
форилаза?
3. Какие ткани способны выделять в кровь глюкозу,
образующуюся при расщеплении гликогена, и
почему?
4. Какую реакцию катализируют ферменты глюкокина-
за и гексокиназа? Почему печень содержит глюкоки-
назу, а мозг и другие ткани - гексокиназу?
5. Детскую галактоземию предотвращают диетой,
лишенной галактозы. Это возможно благодаря UDP-ra-
лактозоэпимеразе. Почему?
6. Как триглицериды покидают хил омикроны и
усваиваются тканями?
7. Что такое ЛПОНП и для чего они нужны?
8. Что имеется в виду под встречным переносом
холестерина?
9. Каким образом большая часть холестерина
выводится из организма?
10. Этерификация холестерина - эндоэргоническая
реакция. Каким образом тогда в ЛПВП холестерин эте-
рифицируется без участия АТР?
11. Как и при каких условиях жировые клетки
освобождаются от жира?

глава
7
Получение энергии из пищи. Введение
Генерация энергии в форме АТР осуществляется
сложными и переплетенными путями, рассмотрение которых
лучше всего начать с превращения глюкозы.
Образование энергии
из глюкозы
Основные этапы окисления глюкозы
Окисление глюкозы можно описать суммарным
уравнением:
С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20.
Изменение свободной энергии AG0' этой реакции
равно-2820 кДж ■ моль1. В клетках окисление
молекулы глюкозы сопряжено с синтезом более 30 молекул
АТР из ADP и Pf.. Окисление глюкозы до С02 и Н20
можно разделить на три этапа.
1. Гликолиз - процесс расщепления глюкозы на два
трехуглеродных фрагмента (молекулы пировиног-
радной кислоты), сопряженный с восстановлением
переносчика электронов; протекает в цитоплазме
клетки.
2. Цикл Кребса (синонимы: цикл лимонной кислоты,
цикл трикарбоновых кислот) - совокупность
реакций, в результате которых второй и третий атомы
углерода пировиноградной кислоты превращаются
в С02, с восстановлением переносчиков электронов.
В этом процессе, проходящем внутри митохондрий,
молекулярный кислород не участвует.
3. Электронтранспортная цепь- это цепь переноса
электронов на 02, после чего он, забирая из
окружающей среды водород в виде протонов, превращается
в Н20. У эукариот эта стадия происходит во
внутренней мембране митохондрий, и именно она
сопровождается образованием наибольшего количества АТР.
Прежде чем подойти к более детальному
рассмотрению окисления глюкозы, необходимо поговорить о
природе биологического окисления.
Биологическое окисление и системы
переноса водорода
Окисление совсем не обязательно должно быть связано
с участием кислорода. Этот термин в общем случае
отражает не что иное, как потерю электронов. Окисление
может реализоваться либо в виде переноса электронов,
как при превращении феррикатиона в феррокатион:
ре2+ _> рез+ + е 9 либо в виде переноса электронов,
сопровождаемого отщеплением водорода (протона) от
окисляемой молекулы: АН2 —> А + 2е~ + 2Н+.
В химических системах окисление можно
рассматривать как перенос электронов от молекулы-донора
к молекуле-акцептору. Протоны могут высвобождаться
в окружающий раствор или переноситься вместе с
электронами на акцептор, что эквивалентно переносу
атомов водорода.
В аэробных клетках конечным окислителем служит
кислород. Кислород электрофилен, т. е. может
приобретать электроны; при этом образуется вода, причем
требующиеся для этого протоны забираются из раствора:
02 +4е" +4Н+ ^2Н20.
Между кислородом (конечным окислителем) и
окисляемым метаболитом расположены промежуточные
акцепторы электронов. Связывая электроны, они
передают их следующему акцептору, образуя цепь, по которой
электроны переносятся с исходного метаболита на
кислород. Каждый из таких переносчиков попеременно
выступает то акцептором электронов, то донором. Именно
это позволяет рассматривать каждого из участников
цепи в качестве переносчика электронов. С цепью
переноса электронов связан синтез основного количества
АТР. Общая схема устройства такой цепи изображена
на рис. 7.1. Два участника этой цепи играют особенно
важную роль, и их свойства нужно очень хорошо знать.
NAD+ - важный переносчик электронов
Первым переносчиком электронов, который
непосредственно встречается с большинством окисляемых
метаболитов, является никотинамидадениндинуклеотид,
или NAD+. На примере AMP (см. рис. 1.6) мы уже
встречались с нуклеотидами - соединениями,
имеющими строение типа азотистое основание-сахар-фосфат.
глава 7 Получение энергии из пищи
99

Η ► Электроны + Протоны (Н+) (могут
(из пищи) (далее перемещаются связываться с
по цепи переносчиков) переносчиками или
высвобождаться в
раствор)
Выделение
свободной энергии
ADP + Р,·
Рис. 7.1. Общая концепция переноса электронов на
кислород и генерации АТР
В молекуле AMP нуклеиновым основанием служит аде-
нин (строение аденина и других оснований см. в
главе 18). В случае NAD+ мы имеем дело с двумя нуклео-
тидами, которые связаны друг с другом своими
фосфатными группами. Поэтому данное соединение
и называют динуклеотидом. По своей структуре NAD+
отличается от динуклеотидных элементов нуклеиновых
кислот, в которых мононуклеотиды также соединены
фосфоэфирной связью. Строение NAD+ можно
представить следующим образом: основание-сахар-фосфат-
фосфат-сахар-основание. Одно из этих оснований -
аденин, как и в АТР, а другое - никотинамид (амид
никотиновой кислоты); сахара одинаковые - рибоза. Итак,
строение NAD+ можно изобразить следующим образом:
Аденин
I
Рибоза
ι
Фосфат
Никотинамид
Рибоза
Фосфат
NAD+ является коферментом: так называют
низкомолекулярные органические соединения, которые
принимают участие в ферментативных реакциях. От обычного
субстрата NAD+ отличается тем, что, будучи
восстановленным, он покидает один фермент и тут же
окисляется другим ферментом. Оба фермента - «всего лишь»
катализаторы, так что в действительности NAD+
восстанавливается субстратом первого фермента, а окисляется
субстратом второго, выполняя функцию переносчика
электронов, постоянно окисляясь и восстанавливаясь.
«Рабочим участком» этого кофермента служит
остаток никотинамида; никотиновая кислота (другое
название - ниацин) - витамин. Для некоторых животных он
является необходимым компонентом пищи, однако
организм человека способен синтезировать его
самостоятельно из аминокислоты триптофана. Остальная часть
молекулы NAD+ служит для связывания с ферментами
и не подвергается химическим превращениям в ходе
каталитического цикла.
Никотинамид имеет следующее строение:
.У
Строение NAD+ можно представить так:
Н CONH,
где R - остальная часть молекулы NAD+
Восстановление NAD+ можно рассматривать как
присоединение двух электронов и протона или, что
эквивалентно, так называемого гидрид-иона (Н~).
Восстановленный продукт (NADH) имеет следующее строение:
Η Η
(J -Η-
I
R
Восстановленный NADH + H4
NAD+ служит коферментом различных дегидрогеназ,
осуществляющих реакции типа:
АН2 + NAD+ ~ А 4- NADH + Н+
Восстановленный NAD+ затем диффундирует к
другому ферменту, где подвергается окислению:
В + NADH + Н+ *-+ ВН2 + NAD+
Таким образом, NAD+ действует в качестве
переносчика двух атомов водорода от субстрата А к субстрату В:
АН2 + В -* А + ВН2.
часть 3 Метаболизм
100

В биохимии такие реакции часто изображают в виде
карусели:
АН2Х х NAD+X rBH2
NADH
+ Н+
Хотя формально происходящее можно представить
как перенос двух атомов водорода, в действительности
один из них «путешествует» с восстановленным NAD+,
тогда как движение другого реализуется в виде двух
последовательно протекающих и разнесенных в
пространстве событий: отщепления протона с его выходом
в окружающую среду и связывания протона из
окружающей среды. Поэтому при использовании аббревиатуры
NADH всегда подразумевается комбинация NADH + Н+.
FAD - важный переносчик электронов
FAD - флавинадениндинуклеотид - служит важным
переносчиком электрона (водорода). Он является
производным витамина В2 (рибофлавина). Восстанавливаясь,
FAD присоединяет два атома водорода и превращается
в FADH2. В отличие от NAD+, который перемещается
от одной дегидрогеназы к другой, FAD прикреплен
к апоферменту, являясь его простетической группой.
FAD имеет следующее строение: циклическая
система изоаллоксазина-рибит-фосфат-фосфат-рибоза-
аденин. Изоаллоксазин - это химическое название
системы циклов в рибофлавине; рибит - пятиатомный
спирт, остаток которого также входит в структуру
рибофлавина. Термин «динуклеотид» еще менее применим
к FAD, чем к NAD, поскольку рибит не является
сахаром. Структурные изменения при восстановлении FAD,
точнее изоаллоксазинового остатка, приведены ниже:
О
й н
/С. ^NL /С. /СН3
1 1 II 1
* н
FAD
(окисленная форма)
Η
II
Η
FADH2
Vвосстановленная форма)
Еще одним переносчиком электронов является фла-
винмононуклеотид, или FMN. Он имеет следующее
строение: циклическая система изоаллоксазина-рибит-
фосфат и отличается от витамина В2 (рибофлавина)
только наличием фосфата.
И окисленные, и полностью восстановленные
формы FMN и FAD имеют тождественные структуры
изоаллоксазинового остатка. Оба флавиновых кофермента
могут существовать и в форме так называемых семихи-
нонов. На полное восстановление флавина расходуется
два электрона, а на частичное - один. Это позволяет
флавинам участвовать в реакциях как одноэлектронно-
го, так и двухэлектронного переноса.
Гликолиз - первый этап окисления
глюкозы
Окисление глюкозы происходит в три стадии, первой
из которых является гликолиз. Это - бескислородный
процесс, в ходе которого синтезируется всего две
молекулы АТР на молекулу глюкозы. Как показано на рис. 7.2,
конечными продуктами гликолиза являются пируват (т.е.
анион пировиноградной кислоты) и NADH. Если
гликолиз протекает в аэробных условиях (в присутствии
кислорода), оба эти вещества поступают в митохондрии,
где пируват окисляется до С02 и Н20, a NADH - в NAD+.
2NAD+ 2(NADH + Н+)
1 Глюкоза (С$)
■ -en,- -
2ADP 2АТР
+2Р,
2 Пируват (2 х Сз)
сн3сосоо-
Рис. 7.2. Аэробный гликолиз глюкозы (общая схема)
Однако обеспечение организма кислородом не
всегда соответствует потребности в нем. Например, на
начальных фазах реакции тревоги, когда частота
сердечных сокращений возросла еще не очень сильно, резко
повышается скорость гликолиза, чтобы обеспечить
мышечное сокращение необходимым количеством АТР.
Поскольку NAD+ - это своего рода катализатор,
присутствующий в клетках в малых количествах, очень важно,
чтобы NADH успевал окисляться обратно в NAD+: ведь
если нет NAD+, то нет и гликолиза. Никак нельзя
допустить торможения гликолиза, который остается
единственным источником энергообеспечения мышц, если
митохондрии не справляются с этой задачей. На этот
случай предусмотрена запасная система регенерации
NAD+ из NADH, которая основана на окислении NADH
пируватом. Эту реакцию катализирует лактатдегидро-
геназа, которая в достаточном количестве присутствует
в мышечных клетках.
СН3СОСОО"
Пируват
NADH + Н+ -СН СНОНСОО" + NAD+
Лактат- Лактат
цегидрогеназа
глава 7 Получение энергии из пищи
101

Образование лактата (т.е. аниона молочной кислоты)
из глюкозы называют анаэробным гликолизом, чтобы
отличить его от аэробного гликолиза, при котором
образуется пиру ват и окисляемый в митохондриях NADH.
Подчеркнем, что смысл анаэробного гликолиза вовсе
не в образовании лактата. Это лишь способ поддержать
синтез АТР в условиях, когда блокирован нормальный
путь реокисления NADH (рис. 7.3). Анаэробный
гликолиз - экономически крайне невыгодный способ
производства АТР, поскольку на каждую израсходованную
молекулу глюкозы синтезируются всего лишь две молекулы
АТР. Когда сердце переключится на ускоренный ритм
и снабжение мышц кислородом станет адекватным их
нагрузке, возобновляется реокисление NADH, и
гликолиз становится аэробным. Накопившийся в мышцах
лактат не является бесполезным шлаком, он выводится
в кровь и утилизируется печенью (см. с. 151).
Заметим, что, используя аналогичный подход,
дрожжи могут существовать в отсутствие кислорода сколь
угодно долго только за счет анаэробного гликолиза. В их
Глюкоза(С^)
2ADP
+2Р,
2АТР
3
2NAD+
Лактат рогеназа
2 Пируват
2 Лактат
Рис. 7.3. Анаэробный гликолиз глюкозы (общая схема)
клетках пируват декарбоксилируется (т.е. теряет С02)
с образованием ацетальдегида. Последний же
расходуется на окисление NADH, катализируемое алкогольде-
гидрогеназой. Из-за низкого выхода АТР огромное
количество глюкозы расщепляется с образованием спирта
иС00.
сн3сосоо
+ Н+->СН3СНО + С02.
ι ируватдекарооксилаза
СН3СНО + NADH + Н+ — СН СН2ОН + NAD".
А к голь ги рогеназа
Приведенное описание гликолиза упрощено, чтобы
выделить его главные особенности. Так, основное
количество глюкозы в мышцах сосредоточено в гликогене.
Если продукцию АТР относить не к свободной глюкозе,
а к одному из ее остатков в гликогене, то гликолиз
приводит к образованию не двух, а трех молекул АТР на
молекулу глюкозы.
Цикл лимонной кислоты - второй этап
окисления глюкозы
Митохондрии - небольшие внутриклеточные
мембранные органеллы (см. рис. 3.15). Их можно считать
главными электростанциями клеток, так как в них
синтезируется основное количество АТР. Митохондрии окружены
двумя мембранами. Внешняя мембрана проницаема для
многих соединений и особой роли в производстве
энергии не играет. Внутренняя мембрана обладает крайне
низкой проницаемостью для большинства веществ,
кроме тех, для которых в ней предусмотрены
специализированные транспортные системы. Внутренняя
мембрана образует складки, или кристы,
увеличивающие ее площадь. Чем больше энергии образуется в
ткани, тем больше крист в митохондриях и тем плотнее они
упакованы (рис. 7.4). Внутри митохондрия заполнена
Межмембранное
пространство
Митохондриальный
матрикс
Внешняя мембрана
Внутренняя мембрана
"" Кристы
Рис. 7.4. Митохондрии печени (а) и сердечной мышцы (б)
Число крист отражает потребности клеток в АТР
"*" Кристы
часть 3 Метаболизм
102

концентрированным раствором ферментов: его
называют матриксом. Вторая стадия метаболизма
глюкозы - цикл лимонной кислоты - протекает в матриксе,
и лишь одна из реакций цикла происходит во
внутренней мембране.
Как уже отмечалось, аэробный гликолиз,
протекающий в цитоплазме, приводит к образованию пирувата
и NADH. Пируват попадает в митохондриальный мат-
рикс с помощью специальной транспортной системы,
a NADH туда проникнуть не может. Вместо него
посредством особого челночного механизма через внутреннюю
мембрану переносится его «восстановительный
эквивалент», который внутри митохондрий передается NAD+-
и FAD-ферментам. В конечном итоге NADH,
образовавшийся в ходе гликолиза, реокисляется митохондриями.
NAD+ остается в цитоплазме для дальнейшего участия
в гликолизе. Внутри митохондрий NADH и FADH2
окисляются электронтранспортной системой.
Необходимо отметить, что в некоторых клетках,
например эритроцитах, нет митохондрий, и у них
гликолиз является единственным источником АТР.
Естественно, что существование таких клеток полностью зависит
от поступления глюкозы.
Рассмотрим ферментативную реакцию, посредством
которой поступивший в митохондрии пируват
превращается в соединение, играющее ключевую роль во
многих метаболических превращениях - ацетил-кофер-
мент А, или ацетил-СоА. Ацетил-кофермент А в
биохимических реакциях часто обозначают как CoA-SH,
потому что тиольная группа представляет собой
реакционный центр его молекулы. В отличие от NAD+ и FAD,
кофермент А служит для переноса не электронов, а
ацильных остатков. Он является динуклеотидом, в
состав которого входит остаток водорастворимого
витамина - пантотеновой кислоты.
СН3 Η О
I I II //
но—сн2—с—с—c-nh-ch2—сн2—с
II ii.
сн3 он
Пантотеновая кислота
О
ОН
Любопытно, что пантотеновая кислота в кофермен-
те А играет иную роль по сравнению с другими
витаминами - ниацином в NAD+ и рибофлавином в FAD,
которые принимают непосредственное участие в
химических реакциях. Остаток пантотеновой кислоты,
по-видимому, нужен для распознавания кофермента А
белками, хотя совершенно непонятно, почему эволюция для
этого избрала столь уникальную в биохимии структуру.
Строение кофермента А можно описать следующей
схемой:
Аденин β-Меркаптоэтиламин
I I
Фосфат Рибоза Пантеноновая кислота
I I
Фосфат Фосфат
β-Меркаптоэтиламин - главная «рабочая» группа
молекулы:
RCO—NHCH2CH2-SH.
Остаток
β-меркаптоэтиламина
Молекула кофермента А переносит ацильные
остатки в виде тиоэфиров, например ацетил-СоА, который
имеет строение: CH3CO-S-CoA. В отличие от обычных
сложных эфиров, тиоэфиры являются макроэргичес-
кими соединениями. Величина AG0' их гидролиза равна
~ -31 кДж · моль1, тогда как при гидролизе эфиров кар-
боновых кислот AG0'—20 кДж · моль-1. Разницу в
значении AG0' можно объяснить тем, что эфиры карбоно-
вых кислот резонансно стабилизированы и,
следовательно, характеризуются более низким содержанием
свободной энергии, чем тиоловые эфиры, резонансно
не стабилизированные. Эта особенность тиоэфиров
используется в разных биохимических системах.
Пируват в митохондриях подвергается
окислительному декарбоксилированию, которое включает
отщепление С02 (декарбоксилирование), перенос двух
электронов на NAD+ (окисление) и перенос
образовавшейся ацетильной группы на кофермент А. В
дрожжах тоже происходит декарбоксилирование пирувата,
катализируемое пируватдекарбоксилазой, однако оно
не сопровождается окислением (NAD+ не участвует
в реакции) и приводит к образованию не ацетильного
остатка, а ацетальдегида. Большое отрицательное
изменение свободной энергии свидетельствует о том, что
окислительное декарбоксилирование пирувата
необратимо:
Пируват + СоА—SH + NAD+ ->
-> Ацетил—S—СоА + NADH + Н+ + С02
AG°' = - 33,5 кДж · моль"1.
Ацетильный остаток в ацетил-СоА - это та форма,
в которой пируват вводится в цикл лимонной кислоты.
Иначе этот цикл называют циклом Кребса (по имени
первооткрывателя), или циклом трикарбоновых
кислот (поскольку ряд участвующих в нем метаболитов
глава 7 Получение энергии из пищи
103

содержит три карбоксильные группы). Ацетильные
углеродные атомы в ацетил-СоА, которые ранее
принадлежали пирувату, превращаются в С02, и параллельно
с этим 3 молекулы NAD+ восстанавливаются в NADH,
а I молекула FAD - в FADH2. Кроме того, следствием
всех этих превращений является синтез одной
«высокоэнергетической» фосфорильной группы из Р, на
каждую исчезнувшую ацетильную группу (рис. 7.5).
Итак, молекула пирувата, поступившая из
цитоплазмы в митохондрию, превратилась в 3 молекулы С02;
при этом восстановились 3 молекулы NAD+ и I
молекула FAD, а также образовалась одна молекула АТР.
Учитывая, что 1 молекула глюкозы расщепляется на 2
молекулы пирувата, гликолиз вместе с циклом лимонной
кислоты позволяет получить 4 моля АТР на моль
глюкозы. Но еще 30 молекул АТР будет образовано потом.
Перенос электронов на кислород -
третий этап окисления глюкозы
Речь пойдет об окислении NADH и FADH2, которое
происходит во внутренней мембране митохондрий, где
осуществляется последовательная передача электронов
специальными переносчиками.
Иерархия переносчиков электронов
в электронтранспортной цепи
Напомним, что задача состоит в переносе электронов от
NADH и FADH2 к кислороду с образованием воды:
NADH + Н+ + У202 -> NAD+ + Н20.
Изменение свободной энергии этого процесса AG0'
составляет -220 кДж · моль1. Чтобы разобраться в том,
как он протекает, нужно воспользоваться данными об
окислительно-восстановительных потенциалах
участвующих в нем соединений (их часто называют
редокс-потенциалами). В любой
окислительно-восстановительной реакции участвуют акцептор электронов
(окислитель) и донор электронов (восстановитель).
Суммарную реакцию:
X" + Υ <-> Χ + Υ
можно условно разделить на две полуреакции:
Х"<->Х + е (1)
Υ + е <-> Υ (2)
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
Цитоплазма
СН3СОСОО
Пируват
Перенос
восстановите *ых
эквиваленте:
\ NAD+
\ пи FAD
CH3COCOO
_NAD+
CoA-SH
NsJ "NADH
CH3CO-S-CoA + C02
NADH
NAD+
1---4
NADH
ли FADH9
FADH2
CoA SH
Цикл \
?i [лимонной ] *-2C02
FAD
3NAD+
3NADH
Рис. 7.5. Упрощенное изображение, показывающее, что
происходит с NADH, образовавшимся при гликолизе, и как
осуществляется генерация NADH и FADH2 в митохондриях
В каждой из них участвуют окисленная и
восстановленная формы одного соединения; их называют
сопряженной парой, окислительно-восстановительной
парой, или редокс-парой. Здесь такими парами
являются X и Х~, а также Υ и Υ". Ясно, что в
действительности в реакции участвуют обе редокс-пары, одна из
которых отдает электрон, а другая его принимает.
Разные редокс-пары обладают различным сродством
к электрону. Те, у которых это сродство меньше, отдают
электрон тем, у кого оно больше. Мерой сродства
редокс-пары к электрону служит так называемый
окислительно-восстановительный потенциал (или ре-
докс-потенциал) EQ. Значение этого параметра позволяет
предугадать направление переноса электрона между ре-
актантами. Не менее важно и то, что величина Е^
непосредственно связана с изменениями свободной энергии.
Величину Eq выражают в вольтах.Чем она меньше
(отрицательнее), тем меньше сродство вещества к
электронам, тем выше способность их отдавать, тем
значительнее восстановительный потенциал и тем выше энергия
электронов.
Причина, по которой, казалось бы, чисто химическое
свойство веществ выражается в вольтах, объясняется
способом измерения редокс-потенциала. В
окислительно-восстановительной реакции должны участвовать две
редокс-пары, между которыми осуществляется перенос
часть 3 Метаболизм
104

электронов. Они могут быть разнесены по разным
сосудам (полуэлементам). Если соединить такие
полуэлементы медным проводом (проводником электронов),
можно направлять электронный поток. При измерении
Е'0 в качестве одной из редокс-пар используют реакцию
2Н++2е~ «-» Н2, катализируемую платиновой чернью (так
называемый водородный электрод), тогда как другой
сопряженной парой служит смесь окисленной и
восстановленной форм интересующего нас соединения.
Помимо положительных ионов в каждом полуэлементе
присутствуют еще и анионы. Электроны перетекают
по проводу в направлении, зависящем от величины их
потенциалов (от сродства двух систем к электрону).
Допустим, что водородный электрод соединен с
полуэлементом, содержащим ионы Fe2+ и Fe3+.
Перераспределение электронов приведет в этом случае к изменению
количества катионов в обоих сосудах. Чтобы ток
продолжал идти по проводу, нужно сохранить
электронейтральность каждого раствора, обеспечив поток анионов
для выравнивания заряда. С этой целью сосуды
соединяют трубкой, заполненной агар-агаровым гелем (чтобы
совместить ионную проводимость с отсутствием потока
жидкости). Такое устройство называют агаро-солевым
или агаровым мостиком (рис. 7.6). Разность
электрических потенциалов полуэлементов измеряют
вольтметром, врезанным в соединительный провод. Потенциал
водородного электрода принято считать равным нулю.
Таким образом, все экспериментальные значения Е'0
рассчитываются исходя из этого стандарта, и потому они
являются относительными величинами. У физиков
принято считать, что электрический ток направлен
навстречу движению электронов. Поэтому полуэлемент,
отдающий электроны, находится под более отрицательным
напряжением.
Величина Е0 (без штриха) - стандартная величина
окислительно-восстановительного потенциала, которая
определяется в стандартных условиях, когда
концентрации всех веществ равны 1 М, а давление водорода
составляет 1 атмосферу. В биохимии обычно используют
значения потенциала Е^, отвечающее рН 7 (вместо рН 0).
При этом потенциал электрода сравнения (т. е.
водородного электрода) равен -0,42 В. Для реакции
NAD++2H++2e--> NADH + Н+ величина Ё0= -0,32 В,
а для 1/Ю2+2Н++2е~-> Н20 значение Е'0= +0,82 В. Столь
большая разница значений редокс-потенциалов
указывает на то, что NADH способен восстановить кислород
до воды, а обратная реакция невозможна.
Редокс-потенциалы ^связаны с изменением
свободной энергии AG0' уравнением Нернста:
AG°' = -nFAE^
Вольтметр
-О
Солевой
мостик
с агар-
агаровым I
Полуэлемент А- Полуэлемент Б-
водородный исследуемая
электрод редокс-пара
Рис. 7.6. Схема прибора для измерения редокс-потенциалов
Водородный электрод сравнения (А) содержит редокс-пару
Н2/2Н+, окислительно-восстановительная реакция которой
катализируется платиновой чернью, нанесенной на электрод.
Второй полуэлемент (Б) содержит редокс-пару, потенциал
которой должен быть измерен. Если Б более восстановлен (Е'0 имеет
более отрицательное значение, чем Е'0 водородного
электрода), чем А, электроны будут двигаться от Б к А и
восстанавливать 2Н+ до Η (если полуэлементы соединены медным
проводом), а анионы будут перемещаться от А к Б по агар-солевому
мостику, чтобы нейтрализовать заряд. Если Б менее
восстановлен, чем А (величина Е'0 более положительна, чем Е'0
водородного электрода), весь процесс будет протекать в
противоположном направлении
где η - число перенесенных в реакции электронов; F -
постоянная Фарадея (96,5 кДж · В-1 · моль-1); ΔΖ^-
разность редокс-потенциалов электронодонорной и элект-
роноакцепторной пар.
Реакцию окисления NADH:
NADH + Н+ + УгОг -> NAD+ + Н20
можно представить как комбинацию двух полуреакций:
NADH + Н+ -> NAD+ + 2Н+ + 2е Е'п= -0,320 В;
Уг07 + 2Н+ + 2е- -> Н20 Е'0 = -0,816 В.
Для суммарной реакции:
Щ= - 0,320 - 0,816 = 1,136 В,
поэтому:
AG0' = -2(96,5 кДж · В1 · моль »)(—1,136 В) =
= -219,25 кДж · моль"1.
глава 7 Получение энергии из пищи
105

-0,32-
Редокс-
потенциал
(Eb)B
Уровень
свободной
энергии
+0,82-^
NADH
[Переносчик а
[Переносчик б
[Переносчик в
АТР
/i
|Переносчик г
Кислород
^-Н+в
Н+ в растворе
2с
ADP + Р/
Рис. 7.7. Цепь переноса электронов (принципиальная схема)
Некоторые переносчики принимают только электроны, а протоны высвобождаются в воду. Другие переносчики передают и
электроны, и протоны. Конечная стадия - перенос электронов на молекулу кислорода. FADH9 расположен в цепи переноса ниже,
чем NADH. (Число переносчиков выбрано произвольно)
Стадия 1. Стадия 3. Цепь переноса Стадия 2. Цикл лимонной
Гликолиз электронов в митохондриальной кислоты в матриксе и внутрен-
в цитоплазме мембране
ней мембране митохондрий
Глюкоза
-NADH
Транспорт электронов к
кислороду происходит не в один этап.
Система транспорта электронов в
митохондриях представляет собой
цепочку из переносчиков электронов,
у которых по мере приближения
к кислороду возрастает редокс-потен-
циал (и соответственно уменьшается
восстановительный потенциал).
Движение электронов от NADH и FADH2
к кислороду можно уподобить
скатыванию с лестницы, ступеньками
которой служат переносчики электронов.
При каждом прыжке со ступеньки на
ступеньку высвобождается порция
свободной энергии (рис. 7.7),
которая не пропадает впустую,
рассеиваясь в виде тепла, как при горении
глюкозы, а с помощью особых
механизмов используется для синтеза
АТР из ADP и Pf.. Вот почему этот
сложный процесс называют
окислительным фосфорилированием
При окислении 1 моля глюкозы
образуется более 30 молей АТР. Схемы
всех трех рассмотренных выше
этапов окисления глюкозы объединены
на рис. 7.8.
Челночный перенос
восстановительных эквивалентов
NADH
Источники электронов ^_
для дыхательной цепи ^_
2 Пируват-
Транспорт
электронов
переносчиками
Окислительное
фосфорилирование
НПГируват
С02 -— I -
Ацетил- СоА
N
NADH +
FADH2
Цикл
лимонной
кислоты
со2
о2 н+
к
Н20
Обмен
Рис. 7.8. Окисление глюкозы
Для простоты показаны только продукты превращений (очевидно, что
восстановленный NADH образуется из NAD+). При окислении гликогена на каждый остаток
глюкозы при гликолизе образуются три молекулы АТР. В цикле лимонной кислоты
в качестве макроэргического соединения образуется не АТР, a GTP. АТР из
митохондрий поступает в цитоплазму в обмен на ADP. NADH и FADH2
вырабатываются не только при окислении глюкозы, но также при окислении жирных кислот и др.
NADH и FADH2 передают электроны дыхательной цепи в разных ее участках
часть 3 Метаболизм
106

Генерация энергии
при окислении жиров
и аминокислот
Для обеспечения себя энергией в виде АТР организм
окисляет не только глюкозу и гликоген, но также жиры
и избыточные количества аминокислот. В случае три-
глицеридов с точки зрения энергообеспечения главное
значение имеет окисление не глицеринового остатка,
а жирной кислоты. Химическое строение жирных
кислот ничего общего не имеет со строением глюкозы, и
естественно ожидать, что механизм их окисления
совершенно иной. Именно поэтому так поражает магическая
простота, с которой увязаны воедино метаболические
пути самых разных веществ. В ходе превращений
глюкозы образуется ацетил-СоА, который вступает в цикл
лимонной кислоты. Жирные кислоты подвергаются
последовательному расщеплению, в результате
каждого из них пара углеродных атомов также превращается
в ацетильную группу ацетил-СоА, поступающего в цикл
лимонной кислоты. Поэтому метаболизм жирных
кислот и глюкозы различается только до момента
образования ацетил-СоА. Более того, на первых стадиях
превращения глюкозы и жирных кислот образуются
восстановленные формы NAD (NADH) и FAD (FADH2),
которые далее окисляются в митохондриальной цепи
переноса электронов (рис. 7.9).
Окисление аминокислот сходно с окислением
глюкозы и жирных кислот, хотя и сложней в деталях. Все
20 аминокислот могут использоваться для генерации
энергии, если их количество превышает сиюминутные
потребности организма в синтезе белков. Схема их
метаболизма, несмотря на различия в строении,
универсальна: они дезаминируются, а лишенная азота
углеводородная часть молекулы используется в конечном итоге на
образование пирувата и/или ацетил-СоА,
вовлекающихся в цикл лимонной кислоты (рис. 7.10). Таким образом,
этот цикл играет центральную роль в метаболизме.
Взаимозаменяемость разных
видов «топлива»
Избыток глюкозы может перерабатываться в жиры. Это
происходит благодаря тому, что жирные кислоты
синтезируются из ацетил-СоА:
Глюкоза —» пируват —» ацетил-СоА —» жирные кислоты.
i ЛЮКО ίίΐ
Гликолиз
Пируват
е
/KlIpHiMiJ
KllLVliM "Ы
Ацетил-СоА
I
Цикл
лимонной
кислоты
ADP + Pi
Д ι л\ател ι
ним нет»
АТР^|
2 .Н+
Н20
Рис. 7.9. Окисление жиров и глюкозы
На рисунке показано, как формируется поток электронов,
поступающий в дыхательную цепь
Гликолиз

Аминокислоты
Αΐΐρϊϊϊ.Κ1 а
KIICIU'I Ы
Амино- ^
кислоты
Амино- <*
кислоты
Пируват
е
Ацетил-СоА
L
Цикл
лимонной
кислоты
ADP + Р,·
АТР
,Ί.Ι.ΐν.ΊΊΓ'Ί..
пая п.сп:.
?2 .Н+
Н20
Рис. 7.10. Окисление глюкозы, жиров и аминокислот для
генерации энергии
глава 7 Получение энергии из пищи
107

Однако у животных жирные кислоты не могут быть
переработаны в глюкозу, поскольку ее синтез протекает
с непременным участием пирувата, а его нельзя
получить из ацетил-СоА из-за необратимости реакции,
катализируемой пируватдегидрогеназой. Поэтому жирные
кислоты не могут превращаться в глюкозу (рис. 7.11),
но глюкоза может превращаться в триглицериды.
Глюкоза ^
Гликолиз
Пируват>;
Расщепление
Жирные
Глюконеогенез
Реакция
невозможна
кислоты
Ацетил-СоА-
Синтез
I
Цикл
лимонной
кислоты
Рис. 7.11. Упрощенное изображение, показывающее,
почему у животных глюкоза превращается в жиры, но жиры
не могут быть превращены в глюкозу
Обратные пути превращений не полностью совпадают с
прямыми. Растения и бактерии могут превращать жиры в
глюкозу, не прибегая к обращению пируватдегидрогеназной реакции
Те аминокислоты, которые при распаде поставляют
пируват или карбоновые кислоты для цикла лимонной
кислоты, могут перерабатываться животными в
глюкозу (их называют глюкогенными). В условиях голода
мышечные белки расщепляются, а образующиеся при-
этом аминокислоты утилизируются печенью для
образования глюкозы. Растения и бактерии умеют
превращать в глюкозу жир и двухуглеродные соединения вроде
ацетата, однако они используют для этого особый, так
называемый глиоксилатный цикл (разновидность
цикла лимонной кислоты), которого нет у животных.
Вопросы к главе 7
1. Что представляют собой три этапа окисления
глюкозы и где они протекают?
2. Опишите строение NAD+. Изобразите его электро-
ноакцепторную группу в окисленной и
восстановленной форме. Каким образом NAD+ переносит
водород между субстратами?
3. Расскажите о строении и функции FAD.
4. В чем разница между аэробным и анаэробным
гликолизом в мышцах? Когда используется анаэробный
гликолиз?
5. Опишите строение кофермента А. Какая часть его
молекулы используется в качестве акцептора ациль-
ных остатков? Каково AG0' гидролиза тиолового
эфира? Сравните эту величину с AG0' гидролиза
карбоксильного эфира.
6. Опишите реакцию, катализируемую
пируватдегидрогеназой, и приведите значения AG0'.
7. Какова в норме судьба образующегося в
пируватдегидрогеназной реакции ацетил-СоА?
8. В результате гликолиза и цикла лимонной кислоты
образуются NADH и FADH2. Какова дальнейшая
судьба этих соединений?
9. Редокс-пара FAD+2H++2e~-> FADH2
характеризуется Eq= -0,219 В, а редокс-пара V2 02+2H+ + 2е~->
-> Н20 имеет Е^= +0,816 В. Вычислите AG0'
при окислении FADH2 кислородом до воды.
10. Как помимо пируватдегидрогеназной реакции в
организме может синтезироваться ацетил-СоА?
1 \.А. Может ли глюкоза превращаться в жиры?
Объясните ваш ответ
Б. Могут ли жирные кислоты у животных
превращаться в глюкозу? Объясните ваш ответ.
В. Могут ли жирные кислоты у Е. coli превращаться
в глюкозу? Объясните ваш ответ.
часть 3 Метаболизм
108

глава
О Гликолиз, цикл лимонной кислоты,
система транспорта электронов:
реакции этих метаболических путей
Стадия 1. Гликолиз
Гликолизом называют расщепление молекулы глюкозы
или глюкозильного остатка гликогена на две молекулы
пирувата.
Глюкоза или гликоген?
До сих пор мы обсуждали главным образом метаболизм
глюкозы. Однако в обычных условиях большинство
тканей обладает запасом гликогена, и он подвергается
гликолизу в большей степени, чем глюкоза. Между этими
процессами есть разница. В случае расщепления гликогена
из него образуется глюкозо-1 -фосфат, который далее
превращается в глюкозо-6-фосфат (см. с. 86). Последний
в печени гидролизуется с образованием глюкозы,
которая поступает в кровь. Однако глюкозо-6-фосфат также
НОСН2
подвергается гликолитическому превращению и во всех
тканях расщепляется до пирувата. Заметим, что глюко-
зо-6-фосфат образуется не только из гликогена, но
также и из глюкозы в результате ее фосфорилирования АТР.
Эта реакция является одной из стадий синтеза
гликогена (см. с. 86). Будет ли использован глюкозо-6-фосфат
для получения гликогена, пирувата или для насыщения
крови глюкозой (в случае печени), зависит от
физиологических потребностей организма и систем регуляции.
Взаимосвязь между гликолизом, глюкозой и гликогеном
показана на рис. 8.1. На фосфорилирование молекулы
глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата
затрачивается одна молекула АТР. В то же время АТР не
расходуется при образовании глюкозо-6-фосфата из гликогена,
поскольку энергия глюкозильной группы в гликогене
(AG0' гидролиза гликозильной группы) эквивалентна
энергии фосфоэфирной связи.
НОСН2
■ /+ р' т
О Гликоген-
ОН
Невосстанавливающий
конец молекулы
гликогена (п остатков)
фосФо илаза
ОН
Глюкозо-1 -фосфат
ОРОз + Гликоген
(/2-1 остатков)
Фосфоглюком таза
НОСН2
АТР ADP
ОН Гексокиназа НО
гчюкокиназа в печени)
зОРОСН2
ОН
Глюкозо-6-фосфат
Глюкозо-6
фосфатаза
в π чени
(все ткани)
Гликолитический
путь
ОН
Глюкоза в крови
Рис. 8.1. Образование глюкозо-6-фосфата из гликогена или глюкозы и его превращения
О регуляторных механизмах этих процессов см. в главе 12
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
109

Почему на начальном этапе гликолиза
расходуется АТР?
Может показаться странным, что метаболический путь,
рассчитанный на производство АТР, начинается с его
потребления. На что расходуется АТР? Дело в том, что
в гликолизе участвуют фосфорилированные соединения,
а чтобы профосфорилировать глюкозу, необходимо
пожертвовать макроэргическим фосфатом. Однако в
дальнейшем эта затрата компенсируется, так как в ходе
гликолиза образуются две молекулы АТР.
Зачем глюкозо-6-фосфат превращается
во фруктозо-6-фосфат?
Следующий этап гликолиза состоит в изомеризации
производного альдозы - глюкозо-6-фосфата, в производное
кетозы - фруктозо-6-фосфат. Конечной целью
гликолиза является расщепление глюкозы на два С3-фрагмента.
Реакция альдольной конденсации протекает между
альдегидом и кетоном (или между двумя альдегидами),
которые конденсируются в ос-кетоспирт, называемый
альдолем, или β-гидроксикарбонильным соединением
(рис. 8.2). Образование альдолей обратимо, и поэтому
обратная реакция может быть использована для их
расщепления. Вернемся к гликолизу. В отличие от глюко-
зо-6-фосфата, фруктозо-6-фосфат обладает альдольной
структурой; это хорошо видно на линейных формулах
данных соединений, представленных на рис. 8.3.
Глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фрукто-
зо-6-фосфат в реакции, катализируемой глюкозофос-
фатизомеразой. Затем другой фермент - фосфофрук-
токиназа с помощью АТР превращает фруктозо-6-фос-
фат во фруктозо-1,6-дифосфат. После этого альдолаза
R
С О
С R"
Η
+
Кетон
R
С -О
R" -C-R"
Альдегид
н^о
н-с-он
I
R
Альдоль
(β-гидроксикарбонильное
соединение)
Рис. 8.2. Альдольная конденсация: реакция альдегида с
кетоном или альдегидом
сно
снон
снон
снон
снон
СН2ОРОз
Глюкозо-6-фосфат
(альдоза - не альдоль)
СН2ОН
г°
снон
снон
снон
СН2ОРОз
Фруктозо-6-фосфат
(кетоза - альдоль)
Рис. 8.3. Линейные формулы изомеров моносахаридов:
альдозы и кетозы
Глюкозо-6-фосфат в растворе находится в равновесии с
циклической пиранозной (шестичленной) формой, а фрук-
тозо-6-фосфат - с фуранозной (пятичленной)
катализирует расщепление гексозодифосфата на два
триозофосфата: глицеральдегид-3-фосфат и дигидрок-
сиацетонфосфат (рис. 8.4).
На рис. 8.5 представлена та же реакция, но
приведены не линейные, а циклические структуры
Сахаров; фруктозо-6-фосфат показан в виде пятичленно-
го кольца (фуранозная форма). Изменение свободной
энергии при альдолазном расщеплении составляет
AG0'= +24,3 кДж · моль1. Казалось бы, такая реакция
не должна протекать; возможна лишь обратная реакция.
Но здесь есть тонкость: одна молекула фруктозо-1,6-ди-
фосфата превращается в две, и потому не стандартное,
а реальное изменение свободной энергии (AG) сильно
зависит от концентраций участников реакции В
условиях клетки величина AG мала, так что реакция вполне
обратима.
Изменения свободной энергии AG0' и AG
при альдолазном расщеплении
Несмотря на то, что изменение стандартной свободной
энергии при альдолазном расщеплении составляет
AG0' = +24,3 кДж · моль ], эта реакция легко протекает,
хотя гораздо менее эндоэргонические реакции в клетке
невозможны. Мы знаем, что величина AG0' соответствует
стандартным условиям, когда концентрации исходных
веществ и продуктов равны I M. Так как
внутриклеточная концентрация метаболитов обычно находится в
пределах 10~4-10"3 М, величина AG всегда отличается
от значений AG0'. Знание величины AG0 позволяет
оценить возможность протекания той или иной реакции.
В случае альдолазы это не так, поскольку величины AG
прямой и обратной реакции в клетке отличаются мало.
Это и является причиной необычного поведения альдо-
лазной реакции.
часть 3 Метаболизм
ПО

оч н
ν
I
снон
I
снон
I
снон
I
снон
AG0' = + 1,7 кДж · моль-1
Глюкозофосфат-
изомераза
СН20
Глюкозо-6-фосфат
(фосфат альдозы)
СН2ОН
С = 0
I
СНОН
I
снон
I
снон
I
сн2о ^;
Фруктозо-6-фосфат
(фосфат кетозы)
СН2Ог
I
с=о +
I
СН2ОН
Дигидроксиацетон-
фосфат
AT
ADP
N
Л
Фосфофруктокиназа
AG0' = -14.2 кДж · моль"1
сно
| AG0' = +24,3 кДж · моль-
снон ■
CH2Oi:
I
с=о
I
снон
I
сн2о
Глицеральдегид-
3-фосфат
(триозофосфат)
СНОН
Альдолаза |
СНОН
I
сн2о
Фруктозо-1,6-дифосфат
Рис. 8.4. Превращение глюкозо-6-фосфата в два С3-соединения
Сахара для ясности представлены в виде цепочек
3ОРОСН2
ОН
Глюкозо-6-фосфат
Глюкозофосфат-
изомераза
3ОРОСН2 о СН2ОН
НО/
он
он
Фруктозо-6-фосфат
АТР\|
ADP-^I

Фосфофруктокиназа
СН2ОРОз
С=0
I
СН2ОН
Дигидроксиацетон-
фосфат
СНО
I
снон
I
Альдолаза
сн2оро;
Глицеральдегид-
3-фосфат
;оросн2 о сн2орОз
но/]
он
он
Фруктозо-1,6-дифосфат
Рис. 8.5. Превращение глюкозо-6-фосфата в два С3-соединения
Приведены наиболее часто встречающиеся циклические структуры Сахаров
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
111

Дело в том, что в ходе прямой реакции число
молекул удваивается. Реальное изменение свободной энергии
AG связано со стандартным значением AG0' следующим
уравнением (см. главу 1):
[Продукт]
AG° + RT\g-
AG-
или в данном случае:
' [Исходные вещества]'
+iW-lg
AG = AG°' +
[глицеральдегидфосфат][гидроксиацетонфосфат]
[фруктозо-6-фосфат]
Поскольку концентрация продуктов невелика,
величина RT ■ lg {[продукты]/[реактанты]} имеет большое
отрицательное значение, за счет чего реакция в клетке
становится обратимой. Предположим, что концентрации
всех реактантов в клетке равна 10-4 М, тогда
AG = + 24,3 кДж · моль"1 + (8,315 · 10"3)(298)χ
(1(Н)(1(Н)
χ 2,30 ■ lg-
(1(H)
= + 24,3 - 22,8 = 1,5 кДж ■ моль"1.
Значение AG при выбранных концентрациях
реактантов допускает свободное обращение реакции.
Взаимопревращение
дигидроксиацетонфосфата
и глицеральдегид-3-фосфата
Глицеральдегид-З-фосфат и дигидроксиацетонфосфат
являются молекулами-изомерами. Их
взаимопревращение катализирует фермент триозофосфатизомераза.
сно
ι
снон
I
СН20Н
I
со
СН2ОРОз СН2ОР05
AG0' = +7,6 кДж-моль1
Глицеральдегид- Дигидроксиацетон-
3-фосфат 3-фосфат
Два вещества находятся в равновесии, но поскольку
глицеральдегид-3-фосфат постоянно используется
в последующей стадии гликолиза, весь
дигидроксиацетонфосфат постепенно превращается в глицераль-
дегид-3 -фосфат.
Глицеральдегид-3-фосфатдегидро-
геназа. Образование макроэргического
фосфата
Альдегидная группа в глицеральдегид-3-фосфате
подвергается окислению с помощью NAD+. Для обычной
реакции окисления группы -СНО в группу -СОО
характерно большое отрицательное значение AG, вполне
соизмеримое со свободной энергией образования макро-
эргической фосфорильной группы. Поэтому в данном
случае главная задача катализирующего реакцию фермента
заключается в том, чтобы свободную энергию окисления
использовать для получения макроэргического фосфата.
В активном центре глицеральдегид-3-фосфатде-
гидрогеназы расположен остаток аминокислоты цисте-
ина, содержащий в боковой цепи тиольную (сульф-
гидрильную) группу, которая реагирует с альдегидной
группой субстрата, образуя тиополуацеталь:
Е—SH +
Фермент с
тиольной
группой
Η
/^
О
Глицеральдегид-
3-фосфат
R
I
E-S-Cx
Η ОН
Тиополуацеталь
Это соединение подвергается окислению, отдавая
электроны молекуле NAD+. При этом тиополуацеталь
превращается в тиоэфир:
R
I
E-S-C4
Η ОН
+ NAD+
Ε—S—С
'*,
NADH
О
Ε—S—С + НО
чЧо
Как и ацетил-СоА, тиоэфир (R-CO-S-) является мак-
роэргическим соединением, которое при фосфоролизе
превращается в смешанный ангидрид фосфоглицерино-
вой и фосфорной кислот:
D О 0 0
II II II
Р-0 τ—^ R—С-0—Р-0 + Е—SH
I I
0" 0"
Высокоэнергетическая группа R-CO-PO|" может
переносить фосфорильный остаток на ADP с
образованием АТР. По чисто номенклатурным соображениям
фермент, катализирующий такой перенос, назван не по
прямой, а по обратной реакции фосфоглицераткина-
зой. Киназы всегда получают свое название по
соединению, находящемуся по одну сторону с АТР в уравнении
реакции (рис. 8.6.).
Образовавшаяся в ходе этого процесса фосфориль-
ная группа остается прикрепленной к истинному
субстрату фермента. Поэтому процесс получил название
субстратного фосфорилирования. З-Фосфоглицерат -
низкоэнергетическое соединение фосфата, которое не
может фосфорилировать ADP. Однако на следующих
этапах гликолиза внутримолекулярные перестановки
приводят к тому, что низкоэнергический фосфоэфир
становится высокоэнергетической фосфорильной
группой, переносимой на ADP с образованием АТР.
часть 3 Метаболизм
112

AG0' = +6,3 кДж · моль"1 I ЧОРОз"
= СНОН + NADH + Н+
Глицеральдегид- I 2.
3-фосфатдегидрогеназа ^r^uruj
1,3-Дифосфоглицерат
(13-ДФГ)
1ЧН
СНОН + NAD+ + Ρ,
I 2
СН2ОРОз
Глицеральдегид-
3-фосфат
З-Фосфоглицерат-
киназа //. ^о' ι ο η ττ -ι
"AGU = -18,9 кДж· моль 1

росной
I 2
СН2ОРОз
З-Фосфоглицерат
(3-ФГА)
Рис. 8.6. Превращение глицеральдегид-3-фосфата в 3-фосфоглицерат
Заключительные стадии гликолиза
Сначала фосфорильная группа 3-фосфоглицерата
переносится из положения 3 в положение 2 фосфоглицерат-
мутазой.
С00"
I
СНОН
I 7
СН2ОРОз
С00"
СНОРО^
СН2ОН
AG0' = +4,4 кДж · моль'1
З-Фосфоглицерат
2-Фосфоглицерат
В таком виде реакция внутримолекулярного
переноса фосфатной группы протекает лишь в растениях.
В мышцах кролика, например, все происходит сложнее.
Фермент содержит фосфатный остаток, который
переносится на 2-ОН-группу 3-фосфоглицерата,
превращающегося при этом в 2,3-дифосфоглицерат. После
этого с 2,3-дифосфоглицерата 3-фосфорильная группа
переносится на фермент, чтобы восполнить отданный
фосфат, и в результате из 3-фосфоглицерата образуется
2-фосфоглицерат. Следующая стадия гликолиза
заключается в отщеплении молекулы воды от 2-фосфоглице-
рата. Обычно дегидратирующие ферменты так и
называют дегидратазами, однако в данном случае
используется историческое название енолаза, которое отражает
химический смысл реакции - образование
замещенного енола.
С00"
1 2"
СНОРОз
I
СН2ОН
2-Фосфоглицерат
Енолаза
-Н20
С00"
1 2
С-0—Р0§
II
СН2
Пируват-
киназа
ADP
С00
I
с
ОН
Фосфоенолпируват
СН2
+ АТР
Енолпируват
С00"
I
с=о
I
СН3
Пируват
Хотя изменение свободной энергии реакции,
катализируемой енолазой, составляет всего AG®= +1,8 кДж · моль-1,
но фосфоенолпируват, в отличие от фосфоглицерата,
является макроэргическим соединением; его гидролизу
соответствует AG0' = -62,2 кДж · моль-1. Причина такой
разницы величин AG0' кроется в том, что продукт
реакции - енольная форма пирувата - спонтанно
превращается в кетоформу в реакции, которой соответствует
большое отрицательное значение AG0'. Кето-енольная
изомерия хорошо изучена. Кетоформа (в данном
случае - пируват) обычно термодинамически выгоднее
енольной. Поэтому значительное по величине
отрицательное изменение свободной энергии суммарной
реакции есть следствие вклада изомеризации. Фосфатная
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
ИЗ

группа с фосфоенолпирувата переносится на ADP
ферментом пируваткиназой (опять-таки по номенклатуре
киназы называют по обратной реакции фосфорилирова-
ния субстрата, даже если сама реакция в таком виде
не имеет места). Необратимость превращения
фосфоенолпирувата в пируват имеет важное значение для глю-
конеогенеза. Интересно, что в растениях и
микроорганизмах пируват превращается в фосфоенолпируват,
но происходит это под действием другого фермента,
а главное, при этом расходуется не эквимолярное, а
вдвое большее количество АТР.
Полностью метаболические превращения при
гликолизе представлены на рис. 8.7.
Гексокиназа
Глюкоза ДО0'. кДж · моль-1
L^ATP
Ρ ADP
Глюкозо-6-фосфат
-16,7
Глюкозофосфат-
изоме аза
+ 1,7
Фруктозо-6-фосфат
tATP
-14,2
ADP
Глицеральдегид
3-фосфат
Глицеральдегид-3-
фогфатдег др геназа
Фруктозо-1,6-дифосфат
+24,3
+7,5
Гриозофосфат-
изомераза
Дигидрокси-
ацетонфосфат
NAD+
+6,3
-NADH + Н+
1,3-Дифосфоглицерат
З-Фосфоглицерат- ][ -18.5
1ГАТР
З-Фосфоглицерат
Фосфоглицерат-
м таза
+4,4
2-Фосфоглицерат
Енолаза
U
Пируваткиназа
Н20
Фосфоенолпируват
Uadp
f^ATP
Пируват
1,8
-31,4
Рис. 8.7. Гликолитический путь
Красной стрелкой помечены необратимые реакции
Баланс АТР при гликолизе
Если гликолиз начинается с глюкозы, то на образование
глюкозо-1-фосфата и фруктозо-1,6-дифосфата
расходуются 2 молекулы АТР. Однако в результате фосфогли-
цераткиназной и пируваткиназной реакций образуются
2 молекулы АТР (см. рис. 8.7). А если учесть, что 1
молекула фруктозо-1,6-дифосфата расщепляется на 2
молекулы глицеральдегид-3-фосфата, то их последующее
превращение в пируват сопровождается образованием
4 молекул АТР. Следовательно, суммарный выход мак-
роэргических соединений в результате гликолитическо-
го расщепления 1 молекулы глюкозы равен 2
молекулам АТР. Если же гликолиз начинается с гликогена, то
на образование фпуктозо-1,6-цифосфата расходуется
всего 1 молекула АТР, а синтезируются те же 4
молекулы, и, следовательно, в этом случае образуется 3
молекулы АТР.
Реокисление цитоплазматического
NADH челночными системами
переноса электронов
В аэробных условиях NADH, образующийся при
гликолизе, подвергается реокислению путем переноса
электронов внутрь митохондрий. Сам NADH не может
проникнуть внутрь митохондрий. Для переноса электронов
предусмотрены две системы.
Первая из них использует дигидроксиацетонфос-
фат (ДГАФ), образующийся при расщеплении
фруктозо-1,6-дифосфата альдолазой. В цитоплазме
электроны от NADH передаются на ДГАФ с образованием
глицерин-3-фосфата. Это происходит при участии
фермента глицерин-3-фосфатдегидрогеназы (здесь
фермент также назван по обратной реакции). Схема
глицеро-фосфатной челночной системы представлена
на рис. 8.8.
Глицерин-3-фосфат достигает внутренней мембраны
митохондрий (вспомним, что внешняя мембрана
для большинства низкомолекулярных веществ не
является преградой), где глицерин-3-фосфатдегидрогена-
за, встроенная в мембрану (простетической группой
фермента служит FAD), передает электроны с глице-
рин-3-фосфата в митохондриальную электронтранс-
портную цепь. Образующийся при этом ДГАФ
возвращается в цитоплазму, замыкая таким образом
челночный цикл. Необходимо отметить, что переносчик
электронов глицерин-3-фосфат не проникает в матрикс
митохондрий. Его задача - перенести электроны с
цитоплазматического NADH на митохондриальную элек-
тронтранспортную цепь.
часть 3 Метаболизм
114

Цитоплазма
Проницаемая внешняя
митохондриальная
мембрана "*--.._
Дигидроксиацетонфосфат
СН2ОН
С=0
I 2-
СН2ОР03
NADH + Н+
Цитоплазматическая
глицерин-3-
фосфатдегидрогеназа
NAD+
СН2ОН
НОСН
2-
СН2ОР03
Глицерин-3-фосфат
Внутренняя

митохондриальная
мембрана
Дыхательная
цепь переноса
электронов
Митохондриальная
глицерин-3-фосфат-
дегидрогеназа
Рис. 8.8. Схема глицерофосфатной челночной системы, передающей электроны от цитоплазматического NADH
на митохондриальную дыхательную цепь
Другая челночная система - малат-аспартатная -
переносит электроны от цитоплазматического NADH
к митохондриальному NAD+. Это приводит к
образованию митохондриального NADH, который далее
окисляется в электронтранспортной цепи. В цитоплазме NADH
восстанавливает оксалоацетат до малата. Последний
с помощью специального переносчика попадает в
митохондрии, где реокисляется в оксалоацетат с
восстановлением NAD+. Сам оксалоацетат выйти из митохондрий
не может, поэтому он сначала превращается в аспартат,
который и транспортируется переносчиком в
цитоплазму. В цитоплазме аспартат дезаминируется, превращаясь
в оксалоацетат и замыкая тем самым челночный цикл
(рис. 8.9). Результатом этого цикла является окисление
цитоплазматического NADH митохондриальным NAD+.
В различных тканях глицерофосфатный и малат-ас-
партатный челночные механизмы, по-видимому,
работают с разной интенсивностью. Они существенно
отличаются. Первый с помощью цитоплазматического NADH
обеспечивает восстановление митохондриального FAD,
являющегося простетической группой флавопротеина -
глицерин-3-фосфатдегидрогеназы. Редокс-потенциал
у FADH2 выше, чем у NADH. FADH2 передает
электроны далее по цепи переноса. Чем дальше в этой цепи
кислород расположен от переносчика, тем больше АТР
будет синтезировано при движении электронов к
кислороду. При окислении молекулы цитоплазматического
NADH и реокислении митохондриального FADH2
образуется 1,5 молекулы АТР. Начинаясь с молекулы
цитоплазматического NADH, малат-аспартатный челночный
цикл завершается восстановлением молекулы
митохондриального NAD+, при реокислении которой
образуется 2,5 молекулы АТР.
Транспорт пирувата в митохондрии
Наряду с NADH продуктом гликолиза является пиру ват.
Если он не восстанавливается до лактата, то попадает
внутрь митохондрий благодаря транспортной системе,
обеспечивающей его антипорт с ионами ОН .
Стадия 2.
Цикл лимонной кислоты
Продукт гликолиза пируват вступает в метаболические
превращения, относящиеся к циклу лимонной кислоты,
не сам по себе, а будучи предварительно
переработанным в ацетил-СоА. Поэтому мы и начнем этот раздел
с рассмотрения механизмов образования ацетил-СоА
из пирувата.
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
115

Проницаемая внешняя
митохондриальная
мембрана "*---..
Цитоплазма
ДХГ
CHNH3 Аспартат
СН2
СОО"
сосг
I Оксалоацетат
ι 2
СОСГ
Внутренняя
митохондриальная
-"' мембрана
NADH
Η
NAD+
Малат-
дегидрогеназа
СОО
I
онсн
I
сн2
СОО"
Малат
L_ J
Митохондриальный матрикс
СОО
Аспартат CHNH3
сн2
СОО"
Оксалоацетат
СОО"
I
с=о
I
сн2
СОО"
Малат-
дегидрогеназа
NADH
Н+
NAD+
Малат
СОО"
I
онсн
I
сн2
СОСГ
Реакция превращения пирувата в ацетил-СоА
необратима (AG°'= -33,5 кДж · моль1). Это означает, что
жирные кислоты в организме животных не могут
превращаться прямо в глюкозу, хотя бактерии и растения
делают это с помощью специального механизма.
Пируватдегидрогеназа устроена довольно сложно.
Она состоит из множества полипептидных цепей и
объединяет в одной молекуле три различные
ферментативные активности, каждая из них ответственна за
протекание одной из стадий реакции. Первая стадия - де-
карбоксилирование, в результате которого от пирувата
отщепляется С02, а остаток молекулы превращается
в гидроксиэтильную группу
Η
сн3с-,
он
которая присоединяется к кофактору тиаминпирофос-
фату. Этот кофактор образуется в организме из
витамина В j (тиамина), недостаток которого приводит к
нарушениям метаболизма углеводов.
CH2V/Hf о О
\ I и и
Х=С-СН2-СН2-0—Р-0—Р-0"
3 СН3 О О"
Тиаминпирофосфат
Рис. 8.9. Малат-аспартатная челночная система для
переноса электронов от цитоплазматического NADH к митохон-
дриальному NAD*
Механизм взаимопревращения оксалоацетата и аспартата, в
отличие от глицерофосфатного, обратим и поставляет NADH
в митохондрии лишь при условии, что отношение NADH/
NAD+ в цитоплазме выше,чем в митохондриальном матриксе
Превращение пирувата вацетил-СоА-
предварительный этап цикла лимонной
кислоты
В матриксе митохондрий пируват превращается в аце-
тил-СоА, после чего ацетильная группа пирувата
включается в цикл лимонной кислоты. Суммарно реакцию,
катализируемую пируватдегидрогеназой, можно описать
следующим уравнением:
Пируват + NAD+ + CoA-SH ->
-> Ацетил-S-CoA + NADH + Н+ + С02.
Гидроксиэтильная группа пирувата в несколько
стадий преобразуется в ацетильный остаток ацетил-СоА,
причем такое превращение сопровождается
восстановлением NAD+. По понятным причинам этот процесс
называется окислительным декарбоксилированием.
В окислительно-восстановительных реакциях здесь
участвует еще один важный кофактор - липоевая
кислота, которая может существовать в двух формах:
ациклической (восстановленной) и циклической (окисленной).
5Н
SH
I
СН2 ^СН-СНз-СНз-СНз-СНз-СОО"
чсн2
Липоевая кислота
(восстановленная)
S S
ί !
СН2 СН-СН2-СН2-СН2-СН2-СОО"
сн2
Липоевая кислота
(окисленная)
часть 3 Метаболизм
116

Остаток липоевой кислоты входит в состав
фермента в качестве простетической группы: он прикреплен
к боковой цепи одного из лизиновых остатков
посредством амидной связи -CO-NH-. На рис. 8.10, который
иллюстрирует участие липоевой кислоты в синтезе аце-
тил-СоА, липоиллизиновые остатки изображены в виде
дисульфидного фрагмента, а символами Е,, Е2 и Е3
обозначены три фермента, входящих в состав единого
ферментного комплекса.
В чем истинная магия цикла?
Цикл лимонной кислоты, на первый взгляд
представляющий серию обычных химических реакций, является
примером удивительной изобретательности природы,
придумавшей, как получить универсальное топливо
в форме восстановительных эквивалентов NADH
и FADH2, часть которых образуется при расщеплении
воды. Это топливо далее используется митохондриаль-
ной цепью переносчиков электронов для генерации АТР
из ADP и Pf.. Расщепление воды не является здесь
стартовым процессом накопления энергии, как при
фотосинтезе (см. главу 14), а кислород высвобождается не
в свободном виде, а в составе С02. Для управления
процессом используется энергия превращения
ацетильной группы ацетил-СоА. Необходимо
последовательно разобраться в деталях цикла, чтобы понять его
суть и значение.
Ацетил-СоА вступает в цикл, взаимодействуя с окса-
лоацетатом, в результате чего образуется цитрат (анион
лимонной кислоты). В ходе этой реакции поглощается
молекула воды. Когда цикл замыкается, вновь
образуется оксалоацетат, а ацетильная группа ацетил-СоА
исчезает. В результате одного оборота цикла (рис. 8.11)
образуются 2 молекулы С02; 3 молекулы NAD+
восстанавливаются до NADH; 1 молекула FAD
восстанавливается до FADH2; синтезируется 1 молекула GTP из
GDP и Pf.; ацетил-СоА теряет ацетильную группу и
превращается в CoA-SH.
Если сложить все образующиеся восстановительные
эквиваленты в трех NADH и одном FADH2, то всего
их будет восемь, поскольку в обоих случаях
восстановление является двухэлектронным. К этому числу
надо прибавить единицу, поскольку еще один эквивалент
выделяется в виде образовавшейся тиольной группы
в СоА—SH. Итак, на один оборот цикла выделяется
9 восстановительных эквивалентов, что равносильно
9 атомам водорода.
ТРР
ТРР
ТРР
NADH + Н+
NAD4
О
СН^С-
Липоевая кислота
FAD
1 СН^СОСОО"
он X
FADH7
СН3С
н ι
ТРР
FAD
S-CoA
О SH'
jppCH3C—S~
CoA-SH
FAD
Ei
E2 E3
FAD
_l
Рис. 8.10. Механизм пируватдегидрогеназной реакции
ТРР - тиаминпирофосфат; Е,, Е2, Е3 - ферменты в составе комплекса
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
117

сн3со-
S-CoA CoA-SH
Оксалоацетат
Цикл
Н20
\
Цитрат
GDP + Р/
3NADH + Н+
1FADH2
2С02
Упрощенное описание
цикла лимонной кислоты
Изучая одну за другой множество химических реакций,
составляющих цикл, можно потерять представление
о его «архитектуре» в целом. Поэтому имеет смысл
сначала рассмотреть упрощенную версию цикла.
Оксалоацетат - вещество, с которого все
начинается и которым все завершается. Ацетат - это СН3СОО~,
оксалильная группа (ацильный остаток щавелевой
кислоты) - это "ООС-СО- , а оксалоацетат имеет
структуру*
Рис. 8.11. Включение в цикл и вывод веществ из цикла
лимонной кислоты
Отдельные реакции цикла не показаны
Три атома водорода и один атом кислорода
поставляются ацетильной группой CH3CO-S-CoA. Остается
понять, откуда берутся остальные шесть атомов
водорода и три атома кислорода. Кислород не участвует
в цикле, поэтому нужно выявить источник трех атомов
кислорода, необходимых для образования двух молекул
С02 (четвёртый - из ацетильной группы). Их, как,
впрочем, и атомы водорода, могут поставлять молекулы
воды. Одна из них используется при синтезе цитрата,
другая - при образовании оксалоацетата. Остается
объяснить происхождение еще двух атомов водорода
и одного атома кислорода, однако это удобнее будет
сделать несколько позже (см. с. 120).
Получается удивительный результат. Внешне все
выглядит так, будто электроны воды сами собой
поднимаются по энергетической шкале, с
достигая уровня
восстановительных эквивалентов NADH и FADH2
(это же справедливо для
электронов ацетильной группы аце-
тил-СоА). Однако речь идет
не о орямом переносе атомов
водорода воды на NADH и FADH2,
а лишь о химическом балансе,
в соответствии с которым водород
из воды восстанавливает NAD+
и FAD, а кислород воды
расходуется на образование С02.
Разумеется, это эндоэргонические
процессы, которые требуют затрат
свободной энергии. Источником
этой энергии является
превращение ацетильной группы пирува-
та в ацетил-СоА и последующие
продукты.
V
I
н2с-
СОО"
-сект
Ацетильная группа ацетил-СоА присоединяется к окса-
лоацетату, который при этом превращается в цитрат.
Глядя на формулу последнего, можно понять, где идет
присоединение:
СН2С00"
ι
но -с
Н;С-
соо~
-соо
Цитрат - анион оптически симметричной трикарбо-
новой С6-кислоты - изомеризуется в анион другой три-
карбоновой кислоты - изоцитрат, в молекуле которого
есть один центр асимметрии. Изоцитрат далее
последовательно превращается в ос-кетоглутарат (С5), сукцинат
(С4), фумарат (С4), малат (С4) и, наконец, в исходный
оксалоацетат (рис. 8.12).
СН2-СОО"
I
но-с-сосг
I
сн2-сосг
с2
Ацетильная,
группа ^
ацетил-СоА
к Цитрат
С6
сн2-сосг
НС-СОО"
I
НС*-СОО"
он
Изоцитрат
со2
^.
-сосг
-сосг
н2с-
Оксалоацетат
С4
ОН
I
нс-сосг
I
Н2С-СОО"
Малат
Η СОО
V
оос н
Фумарат
СН2-СОО"
I
сн2
I
С-СОО"
а-Кетоглутарат
со7
СН2-СОО"
I
СН2-СОО"
Сукцинат
Рис. 8.12. Реакции цикла лимонной кислоты
Рисунок знакомит со структурой кислот, участвующих в цикле, и их взаимосвязью
часть 3 Метаболизм
118

Цикл завершился, а ацетильный остаток исчез.
Теперь перейдем к более подробному рассмотрению
химических превращений всех веществ, участвующих
в цикле.
Механизмы реакций
цикла лимонной кислоты
Для удобства эти реакции можно разбить на три группы:
1) синтез цитрата- реакция, благодаря которой в цикл
вводится ацетильная группа; 2) превращение цитрата
(С6) в α-кетоглутарат (С5); 3) превращения
(^-соединений - сукцината в оксалоацетат.
Синтез цитрата
Фермент, ответственный за синтез цитрата, называют
цитратсинтазой (заметим, не синтетазой, поскольку
в реакции не участвует АТР). Он катализирует
реакцию конденсации ацетил-СоА с оксалоацетатом,
приводящую к образованию цитрил-СоА, который
неустойчив и быстро гидролизуется до цитрата и
свободного СоА. Суммарная реакция необратима, поскольку
AG0' = -32 кДж ■ моль1.
О 0=С—С00"
II I
СН3 —С—S—СоА Н2С—С00"
Ацетил-СоА
Оксалоацетат
Цитратсинтаза
СН2-С—S—СоА
НО-С —С00"
I
СН2-СОО"
Цитрил-СоА
СН2-СОО
Н20
I
НО-С—COO" + CoA-SH
I
СН2-СОО"
Цитрат
Превращение цитрата в а-кетоглутарат
Суть реакции Цитрат—> Изоцитрат состоит в
перемещении гидроксильной группы симметричной молекулы
цитрата из положения 3 в положение 2 с образованием
асимметричной молекулы изоцитрата. Механизм
реакции заключается в одновременной обратимой
дегидратации цитрата и изоцитрата в общий для них продукт -
г/мс-аконитат (аконитовую кислоту впервые нашли в
растениях рода Aconitum).
1 но I
Н—С-ОН н2и Н—С
I
н—с—н
Н20
н—с
Обе реакции катализирует фермент аконитаза. Это
название - дань традиции, поскольку ферменты этого
класса принято называть дегидратазами.
СН2-СОО"
НО—С—С00"
I
СН2-СОО"
Цитрат
-н2о сн2-соо- Нг0 сн2-соо
н2о ин_
С—С00"
I
1С—С00"
-н2о ι
-С00" 2 СНОН-СОО"
г/м>Аконитат
Изоцитрат
В клетке изоцитрат легко превращается в
а-кетоглутарат, поэтому равновесие реакции сдвинуто в сторону
образования изоцитрата:
Цитрат -> цис-Аконитат -^ Изоцитрат.
На примере лактатдегидрогеназы мы уже познакомились
с ЫАО+-зависимыми дегидрогеназами. Реакция
окисления изоцитрата и лактата принадлежит к одному типу
реакций:
Н—С—Η
I
NAD+
Η—С-
I
с=
NADH + Н+
Н—С-ОН
I I
В цикле изоцитратдегидрогеназа катализирует
реакцию образования ос-кетоглутарата:
СН2—С00"
I
сн-соо-
I
СНОН-СОО"
Изоцитрат
NAD
СН2—COO"
I
аСН—С00~
I
ВС—С00"
II
о
Оксалосукцинат
+ NADH + Н+
СН2—С00"
I
сн2
С—С00"
+ со?
а- Кетоглутарат
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
119

Промежуточным продуктом окисления изоцитрата
является оксалосукцинат, который, как и все β-кетокис-
лоты (кетогруппа здесь в β-положении по отношению
к центральному карбоксилу), нестабилен и легко теряет
карбоксильную группу в виде С02. Декарбоксилирова-
ние происходит на поверхности изоцитратдегидрогена-
зы с образованием α-кетоглутарата (С5).
Четырехуглеродные кислоты
α-Кетоглутарат является аналогом пирувата, и оба эти
соединения имеют общую формулу:
R
C-COO"
II
о
в которой пирувату соответствует R= -CH3, а а-кетоглу-
тарату - R= -CH2CH2COO~. Ранее мы встречались
с превращением пирувата в ацетил-СоА и С02, которое
катализирует пируватдегидрогеназа:
С—С00~ + NAD+ + CoA—SH
II
о
R
I
C-S-
-СоА + С02 + NADH + Н+
Подобно пируватдегидрогеназному комплексу,
α-кетоглутаратдегидрогеназа (также ферментный
комплекс) катализирует образование сукцинил-СоА
из а-кетоглутарата:
СН2—С00"
I
снг
С—S—СоА
II
о
Сукцинил-СоА
Однако, если ацетил-СоА в цикле используется
для синтеза цитрата, то сукцинил-СоА гидролизуется
до сукцината и свободного CoA-SH. Изменение
свободной энергии гидролиза этого тиоэфира составляет
AG0' = -35,5 кДж · моль-1. Этого достаточно для
синтеза макроэргического фосфата, что и происходит на
следующем этапе.
Сопряжение гидролиза сукцинил-СоД
с синтезом GTP
Суммарное уравнение для сопряженных реакций
выглядит так:
Сукцинил-СоА + GDP + Р, <-> Сукцинат + GTP + CoA-SH
д£°'=-2,9кДж моль"1.
Фермент, катализирующий эту реакцию, называется
сукцинил-СоА-синтетаза (и здесь по номенклатурным
соображениям фермент назван по обратной реакции,
которая в клетке не протекает). У растений, в отличие от
животных, аналогичный фермент синтезирует не GTP,
аАТР.
Сукцинил-СоА-синтетазная реакция начинается
с фосфоролиза тиоэфирной группы в сукцинил-СоА:
сн2—соо о
ι и
сн2 + но—р-о"
I
C-S—СоА
II
о
Сукцинил-СоА
О"
СН2 — СОО"
СН2 О + СоА—SH.
С-0—Р-0"
II I
о о"
Сукцинил-фосфат
Далее фосфатный остаток переносится на GDP с
образованием GTP и сукцината:
СН2—СОО"
ι о
сн2 о _ и
I 2 и + О—P-0-GMP
С-0—Р-0" !_
II I О
О О"
Сукцинил-фосфат
GDP
СН2—СОО"
СН2—СОО"
О О
II II
"О—Р-0—P-0-GMP,
1_ 1_
о о
Ранее (см. с. 118) мы подводили баланс атомов
водорода и кислорода в цикле, и для сведения этого баланса
не хватило двух атомов водорода и одного - кислорода.
Теперь можно указать причину этого дисбаланса:
участие неорганического фосфата в расщеплении сукцинил-
СоА. Для ясности представим истинную реакцию в
виде эквивалентной комбинации двух реакций:
GDP + Р,-> GTP + Н20,
Сукцинил-СоА + Н20 -> Сукцинат + CoA-SH.
часть 3 Метаболизм
120

Подчеркнем, что такая комбинация двух реакций
не отражает истинного механизма процесса, но зато
позволяет разобраться, откуда берется недостающая
молекула воды.
Превращение сукцината в оксалоацетат
На первом этапе этого превращения FAD-содежащий
фермент сукцинатдегидрогеназа окисляет сукцинат
до фумарата. Это окисление сопровождается
отщеплением двух атомов водорода:
I
н—с—н
I
н—с—н
I
I
2H
сн
II
сн
Почему для окисления сукцината здесь
используется FAD, а не NAD+? Дело в величине редокс-потенци-
ала пары сукцинат-фумарат. По термодинамическим
причинам электроны перетекают от пары с меньшим ре-
докс-потенциалом к паре с большим редокс-потенци-
алом. Сукцинат оказывается слишком слабым
восстановительным агентом для NAD+, однако он может
восстановить FAD. Эта реакция описывается уравнением:
СН2-СОО"
I + Enz-FAD-
СН2-СОСГ _
Сукцинат-
К .COO
+ Enz-FADH2.
Сукцинат
дегидргеназа
"ООС"" ^Н
Фумарат
Последний этап, который замыкает цикл, состоит
в превращении фумарата в оксалоацетат. Сначала из
фумарата в результате присоединения молекулы воды
образуется малат (малат - анион яблочной кислоты).
Фермент, осуществляющий эту реакцию, логично было бы
назвать фумаратгидратазой, однако за ним
закрепилось традиционное название - фумараза.
К .COO
ОН
I
"ООС
Фумарат
Фумараза Н-С—С00
+ Н20 . - I
\н Н2С-СОО"
Малат
Малат далее окисляется в оксалоацетат с помощью
ЫАО+-зависимого фермента малатдегидрогеназы:
ОН
Малат-
н_(2 С00— дегидрогеназа
+NAD =^ Г "~ + NADH+H+
Н2С—COO Н2С—СОСГ
0
II
С-СОО"
Малат
Оксалоацетат
Это эндоэргоничная реакция (AG°= +29,7 кДж · моль1),
и сама по себе она бы не протекала Однако
образование оксалоацетата замыкает цикл, и дальше следует
первая из рассмотренных нами реакций - превращение
оксалоацетата в цитрат. Это очень экзоэргоничный
процесс, вследствие чего концентрация оксалоацетата мала.
Равновесие реакции Малат «-> Оксалоацетат смещается
в сторону образования оксалоацетата. Иными словами,
реальная величина AG гораздо меньше, чем
стандартная AG0', благодаря чему малат окисляется.
Полностью цикл лимонной кислоты представлен на
рис. 8.13.
Что определяет общее направление
реакций в цикле?
Из рис. 8.13 следует, что все реакции в цикле протекают
согласованно в одном направлении. Это обусловлено
тем, что трем из всех реакций отвечают столь большие
по абсолютной величине отрицательные значения AG0',
что они являются практически необратимыми. Одна
из таких реакций - это синтез цитрата из ацетил-СоА
и оксалоацетата (AG°'=-32,2 кДж · моль-1), другая -
декарбоксилирование изоцитрата в а-кетоглутарат
(AG0'= -20,9 кДж · моль1), третья - образование сукци-
нил-СоА из α-кетоглутарата (AG°'= -33,5 кДж · моль1).
Это приводит к тому, что цикл работает в одном
направлении, несмотря даже на то, что равновесие малат-
дегидрогеназной реакции сдвинуто в противоположную
сторону (AG°'= +29,7 кДж · моль1). Суммарная
величина изменений свободной энергии всех реакций цикла
отрицательна, что и обеспечивает его протекание в
одном направлении.
Стехиометрия цикла
Суммарное уравнение, подводящее итоги работы
цикла, имеет следующий вид:
CH3CO-S-CoA + 2Н20 + 3NAD+ + FAD + GDP + Р,->
-> 2C02 + 3NADH + 3Η+ + FADH2 + CoA-SH + GTP
ЛО0' = ^ЮкДж· моль"1.
Если попытаться подвести в этом уравнении баланс
атомов водорода и кислорода, обнаружится нехватка
одного моля Н20. Причина этого была рассмотрена
нас. 120.
Субстратное обеспечение
цикла лимонной кислоты
Цикл начинается с реакции конденсации оксалоацетата
и ацетил-СоА и заканчивается образованием
оксалоацетата. Цикл существует не изолированно от других
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
121

Аконитаза
СН2-СОО"
I
но-с-coo-
I
сн2-соо
Цитрат
сн2-соо
I
с-соо
СН2-С00"
1_
Аконитаза НС СОО
НС-СОО"
Изоцитрат-
дегид огеназа
а-Кетоглутарат
+ Н20
НС-СОО"
«{мс-Аконитат
CoA-SH
CH^-C-S-CoA
Н70
^
С-СОО"
I
н2с-соо~
Оксалоацетат
NAD+
Малат-
егидрогеназг
ОН
Изоцитрат
CoA-SH
3(NADH + Н+)
1 FADH2
α-Кетоглутарат-
цегидрогеназа
со2
Малат
^укцинат-
цегидрогеназа
Сукцинил-СоА
/^ GDP + Р,
У? Сукцинил-
сн2-соо- [ \тр
сн2-соо- CoA_SH
Сукцинат
Фумарат
Рис. 8.13. Полный цикл лимонной кислоты
Цветом помечено образование восстановительных эквивалентов. FAD - простетическая группа сукцинатдегидрогеназы
процессов метаболизма, и некоторые из участвующих
в нем кислот используются для других целей. Однако они
не поступают в организм с пищей в достаточных
количествах. Метаболизм пищевых углеводов сопровождается
образованием большого количества С3-соединений
в форме пирувата, превращением липидов - появлением
С2-соединений в виде ацетильных групп. Характерные
для цикла С4-, С5- и С6-кислоты могут образовываться
из аминокислот, но они и расходуются для синтеза
некоторых из них (см. главу 15), да и других метаболитов,
в силу чего их содержание в клетке ограничено. В
действительности между разными метаболическими
системами устанавливаются сложные стационарные
состояния. Главной задачей цикла является бесперебойное
обеспечение «топливом» процесса генерации энергии
в митохондриях, поэтому особое значение имеет так
называемая анаплеротическая реакция,
заключающаяся в синтезе оксалоацетата из пирувата и С02:
СОО"
I
О
АТР + С=0 + HCOf — С-СОО" + ADP + Р; + Н+.
II
СН3 Н2С—СОО"
Реакцию катализирует фермент пируваткарбокси-
лаза (не надо путать с пируватдекарбоксилазой
дрожжей!). Особенность анаплеротической реакции
заключается в том, что она является уникальным процессом
превращения С3-кислоты в С4-кислоту. Рабочим
элементом пируваткарбоксилазы служит биотин. Он является
кофактором синтетических реакций карбоксилирования,
в которых используется так называемый активный С02.
Биотин представляет собой водорастворимый витамин
группы В. Будучи ковалентно связанным с ферментом,
он реагирует с бикарбонатом, образуя карбоксибиотин.
Эта реакция энергетически сопряжена с гидролизом
АТР. Карбоксибиотин является реакционноспособным,
но достаточно устойчивым соединением; он может кар-
боксилировать другие вещества, перенося на них
карбоксильный остаток. Движущей силой таких реакций
служит значительная отрицательная величина
изменения свободной энергии при отщеплении С02 от карбок-
сибиотина (AG°'=-19,7 кДж· моль1). В данном случае
субстратом фермента служит пируват, но и другие кар-
боксилазные ферментные системы используют биотин
в качестве кофактора.
часть 3 Метаболизм
122

о
ϊ
ΗΝ ΝΗ
\S^^(CH2)4-C—Enz
Биотин
♦ \-o-
но
ATP
О f^ADP
- if Л
О—С—N ΝΗ
W- if
^sy^{CH2)A-C—Enz
Карбоксибиотин
Пируваткарбоксилаза содержит два каталитических
центра: один для карбоксилирования биотина, а
другой - для переноса карбоксильной группы с биотина
на пиру ват (у некоторых бактерий эти функции
выполняют два разных фермента). Биотин образует амидную
связь с одним из белковых остатков лизина. Таким
образом, он оказывается связанным с белком как бы
длинной гибкой «ножкой». Полагают, что изгиб этой ножки
позволяет биотину перемещаться из одного
каталитического центра фермента в другой (рис. 8.14).
Биотин у Фрагмент
''' пируваткарбоксилазы
■ Центр
карбоксилирования
пирувата
Центр /
карбоксилирования
биотина
Рис. 8.14. Биотин в активном центре пируваткарбоксилазы
Рабочий элемент биотина прикреплен к белку с помощью
длинной «ножки». Она позволяет биотину перемещаться от одного
активного центра к другому
Стадия 3. Цепь переноса
электронов от NADH и FADH2
на кислород
Окисление глюкозы (или гликогена) включает три
основных этапа. Первым^ является гликолиз, вторым - цикл
лимонной кислоты. Теперь мы подошли к рассмотрению
конечного этапа. С точки зрения генерации энергии,
на первых двух этапах результат весьма скромен: всего
2 молекулы АТР на 1 молекулу глюкозы образуется
в процессе гликолиза и столько же - в цикле лимонной
кислоты (с учетом энергетической эквивалентности GTP
и АТР); еще одна молекула АТР образуется, если
источником глюкозы служит гликоген. Весьма важно, что
большая часть энергии после первых двух этапов запасается
в виде 10 молекул NADH (две из гликолиза, две из пи-
руватдегидрогеназной реакции и шесть из цикла
лимонной кислоты) и 2 молекул FADH2 (из цикла лимонной
кислоты). Следует помнить, что из глюкозы образуется
2 молекулы пирувата, которые обеспечивают 2 оборота
цикла.
Итак, основное количество АТР, синтезируемого
из ADP и Pf. в ходе окисления глюкозы, образуется в
результате окисления NADH и FADH2.
Цепь переноса электронов
Переносчики электронов размещены на поверхности или
в глубине внутренней митохондриальной мембраны. Она
уложена в кристы (см. рис. 7.4), число и плотность
упаковки которых коррелирует с энергетическими
потребностями клетки.
Что представляют собой
переносчики электронов?
Многие переносчики электронов - это белки,
содержащие в качестве простетической группы гем.
Переносчики электронов называют цитохромами, так как они
окрашены в красный цвет. Разные цитохромы
обозначаются буквенными индексами: сх, с, а и аъ - в порядке
их расположения в цепи (роль двух цитохромов Ъ
обсудим позже). Главная часть структуры гема показана на-
рис. 8.15, а полностью она изображена на рис. 27.3.
Основное, что нужно знать о геме как о
простетической группе цитохромов-переносчиков, это изменение
валентности его атома железа при их
функционировании: Fe2+ при получении электрона от предыдущего
\ : / -е- \ : /
N Fe2+ N , N Fe3+ Ν
/ ! \ +р- / ! \
Восстановленный гем Окисленный гем
Рис. 8.15. Схематическое изображение структуры гема
\ /
N
1
1
1
Fe2+—
1
1
1
/\
/
-N _
\
-е~
+е~
\
"* N-
/
\ /
N
1
1
— Fe3+
1
1
1
/N\
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
123

переносчика цепи и Fe3+ - после передачи электрона
последующему. Свойства самой молекулы гема зависят
от белка, к которому он присоединен. Кроме того, гемы
в разных цитохромах могут отличаться строением
боковых групп и способом прикрепления к апобелку.
Поэтому нет никакого противоречия в том, что цитохромы
отличаются редокс-потенциалами, хотя у них всех про-
стетические группы почти одинаковы.
К другому типу негемовых железосодержащих
переносчиков электронов относятся белки, в которых атомы
железа связаны с сульфгидрильными группами остатков
цистеина белка, а также с сульфидными анионами,
образуя железо-серные комплексы, или центры.
Простейший из них показан на рис. 8.16.
Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах
могут принимать и отдавать электроны, поочередно
переходя в ферро(Ре2+)- и ферри(Ре3+)-состояния.
Железо-серные центры функционируют совместно с фла-
винсодержащими ферментами, принимая электроны
от сукцинатдегидрогеназы и дегидрогеназ,
участвующих в окислении жиров (см. главу 9). Еще одним типом
переносчиков является FMN-содержащий белок. FMN
(флавинаденин-мононуклеотид) - соединение, которое
представляет собой флавиновую половину молекулы
FAD (см. с. 101). FMN переносит электроны otNADH
на железо-серные центры.
Единственный небелковый переносчик электронов -
убихинон (рис. 8.17), названный так потому, что, с
одной стороны, он - хинон, а с другой - встречается
повсеместно (англ. ubiquitous — вездесущий). Сокращенно его
обозначают CoQ, UQ или просто Q. Все железо-серные
центры отдают электроны убихинону.
Убихинон при восстановлении приобретает не
только электроны, но и протоны. При одноэлектронном
восстановлении он превращается в семихинон
(органический свободный радикал), а при двухэлектронном -
в гидрохинон. Именно промежуточное образование
свободного радикала позволяет убихинону служить
переносчиком не двух, а одного электрона. Очень длинный
гидрофобный «хвост» (40 углеродных атомов в десяти
последовательно соединенных изопреноидных
остатках) придает убихинону способность легко внедряться
и свободно перемещаться в неполярном слое
внутренней митохондриальной мембраны.
О
Cys
\
С s
Fe-
Cys"
Полипептидная
цепь белка
Атом железа
координирован
. атомами серы,
принадлежащими
четырем остаткам
цистеина
Рис. 8.16. Строение простейшего железо-серного центра
В более сложных центрах больше атомов железа и серы
б
СНз
СНз
(сн2-сн=с-сн2)-сн2-сн=с-сн3
(л=5*9)
Убихинон (кофермент Q)
Итак, митохондриальная электронтранспортная цепь
содержит:
• FMN-белок;
• белки, имеющие негемовые железо-серные центры;
• убихинон, не связанный с белком и свободно
перемещающийся в мембране;
• цитохромы - белки, содержащие гем.
R3
R2
Длинный
гидрофобный
остаток
Окисленная форма
QH" QH2
Семихинон Восстановленная форма
(форма свободного радикала)
Рис. 8.17. Убихинон - кофермент Q (а) и его окислительно-восстановительные превращения (б)
R, -длинный гидрофобный остаток; R2=CH3; R3=OCH3. Семихинон может находиться в форме аниона (Q~)
часть 3 Метаболизм
124

Важный момент заключается в том, что один из ци-
тохромов - цитохром с (небольшой водорастворимый
белок с молекулярной массой —12,5 кДа, содержащий
чуть больше 100 аминокислотных остатков), непрочно
связан с внешней поверхностью внутренней митохон-
дриальной мембраны и легко покидает ее. Все другие
белковые переносчики - интегральные белки,
занимающие в мембране строго фиксированное положение
и ориентированные определенным образом.
Расположение
переносчиков электронов
В главе 7 говорилось о редокс-потенциалах акцепторов
электронов, в частности о том, что поток электронов
между переносчиками направлен от переносчика с
более высоким восстановительным потенциалом (т.е.
меньшим редокс-потенциалом) к переносчику с более низким
восстановительным потенциалом (т.е. более
окисленному, с большим редокс-потенциалом). В митохондриаль-
ной цепи переносчики обладают разными редокс-потен-
циалами.
Значения редокс-потенциалов непосредственно
связаны с изменениями свободной энергии (AG0).
Переносчики электронов расположены в цепи так, что AG0'
постепенно уменьшается, а редокс-потенциал
соответственно возрастает. Таким образом, на каждом этапе
передачи электрона соседнему по цепи переносчику
высвобождается свободная энергия (рис. 8.18).
Применительно к окислению глюкозы, задача,
стоящая перед электронтранспортной цепью, заключается
в переносе электронов от NADH и FADH2 на кислород.
В этом процессе участвует очень много переносчиков,
-0,4
Редокс
потенциал
да», в
Уровень
свободной \
энергии
ОН
+0,4 Η
+0,8 4
однако их можно сгруппировать в четыре комплекса,
которые встроены во внутреннюю митохондриальную
мембрану (рис. 8.19). Между комплексами электроны
перемещаются вместе с подвижными переносчиками:
убихиноном и цитохромом с. Убихинон получает
электроны от комплексов 1 и II и передает их комплексу III.
Цитохром с служит посредником между комплексами III
и IV. Комплекс I переносит электроны от NADH на Q;
комплекс II - от сукцината через FADH2 на Q;
комплекс III использует QH2 для восстановления цитохро-
ма с, а комплекс IV передает электроны с цитохрома с
на кислород. Комплексы I, III и IV называют
соответственно NADH-CoQ-редуктазой, СоС>Н2-цитохром с-ре-
дуктазой и цитохромоксидазой.
Цитохром с
^ ^ *- \е
Цитозоль
Внутренняя ]
митохондриальн
мембрата
-k
PQ
I
t
III
IV
Матрикс
NADH FADH2
ч
о2
Рис. 8.19. Четыре комплекса электронных переносчиков
в митохондриальной дыхательной цепи
Комплекс I - NADH-CoQ-редуктаза; комплекс II - сукцинат-
CoQ-редуктаза; комплекс III - Со(ЗН2-цитохром с-редуктаза;
комплекс IV - цитохромоксидаза. Q - убихинон, или кофер-
мент Q. FADH2 образуется в цикле лимонной кислоты из
сукцината в сукцинатдегидрогеназной реакции. Все комплексы
встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану.
Кофермент Q и цитохром с - подвижные переносчики
электронов. FADH2 входит в состав флавопротеинов - дегидрогеназ,
окисляющих сукцинат и жирнокислотные производные СоА
Цитохром с >ч е-
| Цитохром а ~^
Цитохром д3
f H+ в растворе
[Кислород—*- НзО
Рис. 8.18. Редокс-потенциалы некоторых главных компонентов цепи переноса электронов в митохондриях
(дыхательной цепи)
Стрелки указывают направление переноса электронов
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
125

Комплекс IV - цитохромоксидаза - состоит из
нескольких белков. Он получает электроны от цитохрома с
с внешней стороны внутренней митохондриальной
мембраны. На пути к кислороду эти электроны проходят
через цитохромы а и av содержащие атомы меди,
которые поочередно переходят в состояния Си+ и Си2+.
Цитохромоксидаза осуществляет восстановление
свободного кислорода:
02 + 4е"+4Н+ -^2Н20.
Позже (см. главу 17) мы объясним, почему так
важно, чтобы цитохромоксидаза передала кислороду все
четыре электрона, необходимые для его восстановления
именно в воду, а не в какие-либо частично
восстановленные продукты: перекись водорода или реакцион-
носпособные свободные радикалы.
Как свободная энергия,
высвобождающаяся при переносе электронов,
используется для синтеза АТР?
Механизм синтеза АТР из ADP и Р|5 сопряженный
с транспортом электронов, принципиально отличается
от субстратного фосфорилирования в процессе
гликолиза (см. с. 112). В последнем случае синтез АТР
неотделим от собственно гликолитических реакций. Реакция
не протекает без образования АТР, который является ее
неотъемлемым компонентом. Точно так же обстоит дело
с синтезом GTP в цикле лимонной кислоты.
При рассмотрении движения электронов по цепи
переносчиков мы даже не упоминали о синтезе АТР.
Хотя именно ради синтеза АТР функционирует цепь,
транспорт электронов происходит и в поврежденных
митохондриях, которые вообще не способны
синтезировать АТР. Эта ситуация десятилетиями ставила
биохимиков в тупик. Если в клетках или интактных
митохондриях транспорт электронов приводит к генерации
АТР, то почему же в поврежденных митохондриях, где
успешно осуществляется передача электронов, АТР
не образуется? Ответить на этот вопрос с точки зрения
хорошо известного по гликолизу субстратного
фосфорилирования не представлялось возможным. Решение
этой проблемы нашел английский биохимик Питер
Митчелл, который в 1961 г., работая в своей домашней
лаборатории, придумал принципиально новую концепцию
механизма сопряжения транспорта электронов с
синтезом АТР. Эта концепция оказалась столь оригинальной,
что поначалу ее никто не принял всерьез, и прошло
немало времени, прежде чем она была признана всеми
(только в 1978 г. Митчеллу присудили Нобелевскую
премию). Идея Митчелла предельно проста: источником
часть 3 Метаболизм
126
энергии для совершения работы служат градиенты. Так,
перепад уровня воды приводит в действие
турбогенераторы гидростанций, разница атмосферного
давления порождает воздушный поток, заставляющий
работать ветряные мельницы, и т. д. Химические
градиенты не могут быть исключением. Молекулы движутся
по концентрационному градиенту (от высокой
концентрации к низкой), и если на их пути разместить
подходящее устройство, этот поток можно использовать для
выполнения полезной работы.
Исходя из своей концепции, Митчелл пришел к
выводу, что для сопряжения транспорта электронов с
синтезом АТР необходимо выполнение трех условий.
Во-первых, транспорт электронов должен создавать
некий градиент; во-вторых, обратный поток против
градиента может осуществляться лишь через устройство,
использующее энергию градиента для синтеза АТР
из ADP и Pf.. Третье условие концепции Митчелла
заключается в том, что биохимическая машина, работающая
на этих принципах, должна представлять собой
замкнутый пузырек, целостная мембрана которого позволяет
создать градиент. Однако градиент может существовать
лишь в том случае, если мембрана пузырька
непроницаема для создающего его вещества. Так просто и
изящно был получен ответ на вопрос: почему при
повреждении митохондриальной мембраны, когда все градиенты
исчезают, синтез АТР прекращается - но ничто не
препятствует транспорту электронов?
Митчелл обнаружил, что поток электронов
вызывает выкачивание протонов из митохондрий в
окружающую среду, создавая градиент протонов через мембрану
(рН внешнего раствора уменьшается). Поскольку
протоны являются положительно заряженными частицами,
вследствие их выкачивания из митохондрий на
мембране возникает разность электрического потенциала
(минус - внутри) и разность рН (выше - внутри). В
совокупности электрический и концентрационный градиенты
составляют то, что Митчелл назвал протондвижущей
силой, которая и является источником энергии для
синтеза АТР. Ясно, что нативная мембрана при этом
должна быть непроницаема для протонов. С другой стороны,
в такой мембране должны существовать специальные
каналы: проходя через них из окружающей среды
обратно в матрикс, протоны отдают свою энергию на синтез
АТР.
Такими специализированными протонными
каналами являются грибовидные выросты, которыми покрыта
внутренняя поверхность крист (рис. 8.20). Эти выросты
представляют собой АТР-синтазные комплексы,
использующие поток протонов для синтеза АТР из ADP и Pf..
Такой комплекс представлен двумя связанными между

Матрикс
митохондрий
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
Цитозоль
АТР
АТР-синтаза
Меньше [Н+]
чПротонный *ч Мембраннь
/ градиент /* потенциал
Больше [Н+]
Н+
ADP + Р/
Н+
Дыхательные
/ комплексы
+ + + + + +
Протонный канал
1_1+ го н+ Протоны, транспортируемые
за счет потока электронов через
дыхательные комплексы
Рис. 8.20. Система синтеза АТР во внутренней митохондриальной мембране
F, состоит из девяти субъединиц. F0 также включает несколько субъединиц
собой компонентами F0 и F,, каждый из которых
состоит из нескольких белковых молекул. F0 утоплен в
мембране, a Fj расположен на ее поверхности. Именно в ¥{
синтезируется АТР, тогда как F0 выполняет функцию
собственно протонного канала. Под словом канал здесь
следует понимать упорядоченную в пространстве
последовательность заряженных боковых групп
аминокислотных остатков. Протоны, перемещаясь вдоль этой
последовательности, «перескакивают» с одной группы
на другую.
Общая схема, иллюстрирующая хемиосмотический
механизм (так называют концепцию Митчелла),
представлена на рис. 8.21.
Возникают два вопроса.
1. Каким образом восстановление кислорода
посредством NADH и FADH2 вызывает выкачивание
протонов из матрикса митохондрий в окружающую среду?
2. Как встречный поток протонов из окружающей
среды в матрикс становится движущей силой для
синтеза АТР из ADP и Р/?
Как выкачиваются протоны?
Механизм транслокации протонов в результате потока
электронов через комплексы I и IV пока не вполне ясен.
Иная ситуация складывается с комплексом III. Идея,
выдвинутая в свое время Митчеллом для сопряжения
потоков протонов и электронов, столь же проста, сколь
остроумна. Она состоит в том, что на поверхности
мембраны, обращенной к матриксу, атомы водорода
формируются из протонов, забираемых из матрикса, и
электронов, поставляемых цепью. Эти атомы образуются
Внутренняя митохондриальная мембрана,
непроницаемая для протонов
Больше [Н+] -
Протонный
градиент
Дыхательные
комплексы,
транспортирующие
протоны «%в
NADH Меньше [Н+]
FADH2
Матрикс митохондрий
— н+
АТР I ADP + Р,
Ч I / '
.АТР-синтаза
+ + + + --Мембранный
потенциал
Рис. 8.21. Синтез АТР в митохондриях по хемиосмотичес-
кому механизму
FADH2, получаемый при окислении сукцината и жирных
кислот, используется одинаково
на молекуле убихинона Q, который превращается в
восстановленную форму QH2. Последняя диффундирует
к противоположной стороне мембраны, где события
протекают в обратном направлении: электроны
отщепляются от атомов водорода, а образующиеся протоны уходят
наружу. Иными словами, Q восстанавливается на одной
стороне мембраны, движется в виде QH2 к другой, там
окисляется до Q и возвращается обратно. Дело в том, что
Q участвует в двух редокс-парах, разнесенных по обе
стороны мембраны и способных передавать атомы
водорода через мембрану с одной поверхности на другую.
Как восстановление Q, так и окисление QH2
катализируют специализированные белки. Вся эта система
получила название Q-цикла (рис. 8.22).
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
127

Цитозоль
2£"из
комплекса
I или II
4Н+ 2е~
QH2
Q
2Н+
Матрикс
2QH2 2Q· —Г— 2Q
2е~\
U,UTbL
QH2
Цит^//
К мил kcIIL
Цитохром с
ι
Комплекс 1У
2Н+
Рис. 8.22. Сопряжение переноса электронов через
дыхательный комплекс III с транспортом протонов через мембрану
Цветом помечены траектории подвижных переносчиков
электронов убихинона и его производных; черным -
химические превращения; прерывистой черной линией -транспорт
электронов
Его схема, на первый взгляд, кажется сложной, но
в действительности она очень проста.
Полная схема Q-цикла включает два разных
циклических процесса, каждый из которых приводит к
выбросу из мембраны 2 протонов. В мембране существует
стационарный общий фонд Q и QH2. В левой части
рис. 8.22 показано, что восстановление Q до QH2
комплексами I и II сопровождается поглощением 2 протонов
из матрикса митохондрий. Образовавшийся QH2
мигрирует к внешней поверхности мембраны, где отдает
1 электрон на восстановление цитохрома с,
переносящего его к комплексу IV (цитохром с, подобно убихи-
нону, подвижен, но не в мембране, а в воде и
располагается с наружной стороны мембраны, как и участок
комплекса IV, акцептирующий электрон).
Одновременно с потерей электрона QH2 отдает во внешнюю среду
2 протона и превращается в анион-радикал семихино-
на СГ- Последний далее снова отдает 1 электрон, но уже
не цитохрому с, а цитохрому Ъ. Этими событиями
заканчивается первая половина рассказа о Q-цикле. Молекула
QH2, покинувшая комплекс II, была окислена, 2
электрона (по одному) были переданы от нее цитохромам с
и Ь, а 2 атома водорода в виде протонов вышли наружу
во внемитохондриальное пространство. Убихинон
поступает в общий фонд этого вещества в мембране.
Другая половина истории начинается с того, что вторая
молекула QH2 подвергается точно такому же
окислению, что и первая, отдавая 2 протона в окружающую
среду. Таким образом, после окисления 2 молекул QH2
2 электрона передаются комплексу IV через цитохром с,
а еще 2 электрона - цитохрому Ъ. Далее электроны
с одного гема, входящего в состав цитохрома Ь,
переходят на другой гем, связанный с тем же белком, но
обладающий большим редокс-потенциалом (или, что то же
самое, меньшей энергией). Этот перенос эквивалентен
переходу электронов на другую, обращенную к матрик-
су сторону мембраны. Здесь они расходуются на
восстановление Q в QH2, при этом атомы водорода в виде
протонов извлекаются из матрикса. Далее QH2
возвращается к внешней стороне мембраны, цикл замыкается, и эта
«карусель» готова к очередному обороту. (Для простоты
и ясности на рис. 8.22 показано, будто каждая из
изображенных молекул последовательно обегает цикл,
подобно детали, движущейся по автоматической линии
станков. В действительности же каждая из
окислительно-восстановительных реакций протекает с молекулой,
произвольно выбранной из общего фонда.) Если
рассматривать только процессы, протекающие в пределах
комплекса III, то их можно описать уравнением,
согласно которому окисление одного QH2 сопровождается
выбросом из мембраны не двух, а четырех протонов:
QH2 + 2Н+(матрикс) + 2 Цит с (Fe3+) ->
-> Q + 4Н+(цитозоль) + 2 Цит с (Fe2+).
Анализ Q-цикла наглядно демонстрирует, что на
работу, совершаемую при выкачивании протонов,
расходуется свободная энергия, которая освобождается при
переносе электронов по градиенту редокс-потенциала
Перенос протонов через внутреннюю
NADH митохондриальную мембрану
-0,4 Ч
И
1*3
К
Я"
Я
о
о
с
I
υ
О
С£
О
ОН
+0,4 Η
+0,8 Η
II е~ Q^
111 е Цитс\
е Цит с
IV
е~ 4Н+
о2-
2Н70
200
о
Moog
ι-Ο
Рис. 8.23. Примерное расположение главных переносчиков
электронов относительно шкалы редокс-потенциала
Справа - шкала, позволяющая оценить, сколько энергии
высвобождается при переносе пары электронов от данного
переносчика на кислород. Q - убихинон
часть 3 Метаболизм
128

Как поток протонов может привести
к синтезу АТР?
Грибовидные выросты F, в пробирке обладают АТРаз-
ной активностью (гидролизуют АТР до АДР и Pf.),
но в митохондриях они осуществляют обратную
реакцию - синтезируют АТР.
Вопрос заключается в том, как поток протонов
делает возможной реакцию ADP + Р/—> АТР + Н20?
Наиболее примечательная особенность синтеза АТР ми-
тоходриальной синтазой ¥{ состоит в том, что не
удалось обнаружить никаких признаков промежуточных
продуктов, в которых ADP или фосфат были бы кова-
лентно связаны с белком. Создается впечатление, что
происходит прямая конденсация этих двух молекул. По-
видимому, когда ADP и Pf. связаны с каталитическим
центром, для образования АТР (тоже связанного с
каталитическим центром) достаточно небольшого
изменения свободной энергии; а вот для высвобождения АТР
из каталитического центра необходимы существенные
затраты энергии. Полагают, что свободная энергия,
высвобождаемая при переносе электронов по дыхательной
цепи, вызывает конформационные изменения в
молекуле белка. Конформационные переходы, вероятно,
требуют затрат энергии того же порядка, что и синтез АТР
в растворе.
До сих пор мы встречались с транспортом веществ
через мембрану, движущей силой которого является
гидролиз АТР. АТР-синтазу можно рассматривать как
протонный насос, движимый АТР, но работающий в
обратном направлении.
Есть нечто магическое в концепции Митчелла.
Миллионы лет все аэробные формы жизни на Земле
существуют благодаря созданию градиента рН и
заряда через липидный бислой мембраны. Воистину, это
одна из самых великих и замечательных концепций
в биологии!
Транспорт ADP в митохондрии и АТР
из митохондрий
В большинстве эукариотических клеток синтез
основного количества АТР происходит внутри
митохондрий, но основные потребители АТР расположены
вне ее. Следовательно, должны существовать
механизмы, обеспечивающие поступление ADP и фосфата
в матрикс митохондрий и выведение АТР из него
наружу. Эти заряженные молекулы пересечь липидный
бислой сами никак не могут. Существует так называемая
ATP-ADP-транслоказа, которая обменивает внутри-
митохондриальный АТР HaADP, находящийся вне
митохондрии (рис. 8.24).
Откуда берется энергия для ADP-ATP обмена? Мы
уже упоминали о том, что выкачивание протонов из
митохондрий создает на внутренней мембране не только
градиент рН, но и разность электрических потенциалов
(минус - внутри). Молекула АТР несет четыре
отрицательных заряда, a ADP - только три. Нетрудно видеть, что
ADP-ATP обмен эквивалентен переносу одного
отрицательного заряда из митохондрии наружу, т. е. по
градиенту потенциала. Другими словами, движущей силой
такого обмена является мембранный потенциал,
возникающий в результате переноса электронов. Расчет
показывает, что на ADP-ATP-обмен расходуется около
четверти свободной энергии, высвобождающейся при
транспорте электронов по цепи. Другие транспортные системы
также могут приводиться в действие электрохимическим
Н+
Н+
АТР-синтаза
ATP-ADP-
транслоказа
Транслоказа
фосфата
Матрикс
митохондрий
Внутренняя
митохондриальная
мембрана
Цитозоль
\ АТР4" ADP3
Р/
Дыхательные
/ комплексы
АТР4" ADP3" P/ Н+
Антипорт Симпорт
Н+
Рис. 8.24. Трансмембранный транспорт в митохондриях, связанный с синтезом АТР
Все потоки проходят через специализированные белковые транслоказы
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
129

градиентом. К их числу, например, относится транслоказа,
обеспечивающая поступление в митохондрии фосфата,
необходимого для синтеза АТР (см. рис. 8.24).
Баланс между синтезом АТР
и транспортом электронов
Если исходить из допущения, что ADP и фосфат уже
находятся в матриксе, то каждой синтезированной
молекуле АТР соответствует прохождение через синтазу
3 протонов. ADP-ATP-обмен в чистом виде создает
на мембране электрический потенциал, поскольку
заряды у этих молекул отличаются на единицу Чтобы такой
обмен стал электронейтральным, в митохондрию
должно поступать эквимолярное количество протонов,
которые затем предстоит выкачать обратно. Поэтому, с
учетом «транспортных расходов», синтез 1 молекулы АТР
(доступной для использования в цитоплазме) сопряжен
с переносом 4 протонов из матрикса наружу.
Каждой паре электронов, перенесенных от NADH
на кислород, соответствует 10 протонов, перекачанных
из митохондриального матрикса. Таким образом,
окисление 1 молекулы NADH, уже находящейся внутри
митохондрии, должно привести к синтезу 2,5 молекул АТР,
а окисление 1 молекулы FADH2 (что эквивалентно
молекуле сукцината) - к синтезу 1,5 молекул АТР. Раньше
полагали, что синтезируются соответственно, три и две
молекулы АТР. Эти величины принято называть
отношениями Р/О, поскольку перенос 2 электронов
эквивалентен восстановлению 1 атома кислорода.
Молекулы NADH, образовавшиеся в ходе гликолиза,
находятся в цитозоле. Они отдают свои пары
электронов либо внутримитохондриальному NAD+, либо мито-
хондриальному FAD, в зависимости от того, какой
челночный механизм преобладает в данной клетке (см.
с. 114). Благодаря этой неопределенности одной цитоп-
лазматической молекуле NADH отвечает синтез от 1,5
до 2,5 молекул АТР.
Выход АТР при окислении
молекулы глюкозы до С02 и Н20
Если в процесс окисления вступает молекула глюкозы,
а не гликогена, валовый выход АТР из расчета на
полностью окисленную молекулу субстрата составляет от 30
до 32 молекул в зависимости от того, какой тип челнока
используется для цитоплазматического NADH.
Откуда берутся эти значения?
Некоторое количество АТР синтезируется в ходе
субстратного фосфорилирования: 2 молекулы АТР
поставляет гликолиз (продуцируются 4, но 2 расходуются)
и еще 2 молекулы АТР (у млекопитающих это GTP)
образуются в цикле лимонной кислоты (из 1 молекулы
часть 3 Метаболизм
130
глюкозы образуются 2 молекулы ацетил-СоА,
запускающие два оборота цикла). Итак, в процессе
субстратного фосфорилирования синтезируются всего 4
молекулы АТР, а все остальные образуются в митохондриях
с участием цепи переноса электронов.
При гликолизе в цитоплазме образуется также 2
молекулы NADH на 1 молекулу глюкозы. Их окисление
увеличит выход АТР на 3-5 молекул в зависимости от
типа используемого челнока. Кроме того, в расчете на
1 молекулу глюкозы пируватдегидрогеназа производит
2 молекулы NADH, а цикл лимонной кислоты - 6
молекул NADH. Их окисление приводит к синтезу 20
молекул АТР. Еще 3 молекулы АТР образуются за счет
окисления FADH2 при превращении сукцината в фумарат.
Суммируя все эти числа (в скобках - значения для
глицерин-3-фосфатного челнока), получаем:
2 + 5(3) + 2 + 20 + 3 = 32 (30).
Заметим, что эта величина приблизительна. Точно
оценить выход АТР можно только при субстратном фос-
форилировании, а соотношение между выбросом
протонов и синтезом АТР не является фиксированным.
Клетка кишечной палочки Escherichia coli в
известном смысле подобна митохондрии. Ее плазматическая
мембрана выполняет функцию внутренней мембраны
митохондрии, а цитоплазма - матрикса. В такой клетке
не нужно прибегать к челнокам для доставки NADH
к дыхательной цепи. Она не нуждается в транспортных
системах для ADP и АТР, поэтому выход АТР на
молекулу окисленной глюкозы у Е. coli заметно выше.
Используется ли потенциальная
энергия в виде π ротон движу щей силы
для выполнения других задач,
не связанных с синтезом АТР?
У новорожденных детей поддержание температуры тела
на постоянном уровне требует усиленного производства
тепла, которое обеспечивают клетки бурого жира.
Своим цветом они обязаны обилию митохондрий,
содержащих окрашенные цитохромы. Уровень синтеза АТР
в митохондриях зависит от проницаемости внутренней
мембраны для протонов; если она ничтожна, обратный
поток протонов вынужден проходить через АТР-синтазу.
При увеличении проницаемости мембраны происходит
«короткое замыкание»: АТР не вырабатывается и вся
энергия рассеивается в виде тепла. В митохондриях
клеток бурого жира есть специальный белок термогенин,
благодаря которому во внутренней мембране появляются
протонные каналы. Такой же эффект можно получить
и на обычных митохондриях, используя соединения,

увеличивающие протонную проницаемость липидных
бислоев (самое популярное из них - 2,4-динитро-
фенол). Все вещества, действующие подобным
образом, называют разобщителями окислительного
фосфорилирования, ибо они нарушают передачу
энергии от окислительных систем к фосфорилирующим.
Бактерии также используют протонные насосы для
создания протонного градиента на плазматической
мембране и протонные АТР-синтазы для синтеза АТР (мы
уже отмечали, что бактериальная клетка во многом
напоминает митохондрию). Однако у бактериальных
клеток есть своя специфика: они используют мембранные
градиенты для закачивания в цитоплазму различных
веществ из окружающей среды. Примером может служить
симпорт протонов и лактозы, протекающий подобно
симпорту Na+-HOHOB и метаболитов в животных клетках.
Удивительно, что протонный градиент служит
движущей силой для вращения бактериальных жгутиков.
Дополнительная литература
Гликолиз
Boiteux Α., Hess В. Design of glycolysis // Phil. Trans. Roy.
Soc. Series B. 1981. Vol. 293. P. 5-22.
(Обширный обзор о гликолизе и его регуляции.)
Цепь переноса электронов
BoyerR D., Chance В., ErnsterL, Mitchell P., Racker Ε.,
Slater E. С. Oxidative phosphorylation and photophospho-
rylation // Annu. Rev. Biochem. 1977. Vol. 46. P. 955-1026.
(Каждый раздел обзора автономен и написан корифеем
в своей области. Устарев в деталях, он сохраняет
научную ценность, поскольку в нем изложены исторические
аспекты и основные принципы изучения механизмов
окислительного фосфорилирования.)
Slater Ε. С. The Q cycle, an ubiquitous mechanism of
electron transport.// Trends Biochem. Sci. 1983. Vol. 8.
P. 239-242.
(Описание протонных насосов в митохондриях и хло-
ропластах.)
Mitchell P. Chemiosmosis: A term of abuse // Trends
Biochem Sci. 1984. Vol. 9. P. 205.
(Создатель хемиосмотической теории объясняет,
почему неудачен термин «хемиосмос».)
ВаЪсоск G. Т., Wikstrom M. Oxygen activation and the
conservation of energy in cell respiration// Nature. 1992.
Vol.356. P. 301-309.
(Детальный обзор данных о цитохромоксидазах и их
роли в перекачивании протонов.)
Capaldi R. Α., Aggeler R., Turina P., Wilkens S. Coupling
between catalytic sites and the proton channel in F,F0-type
ATPases// Trends Biochem. Sci. 1994. Vol.19.
P. 284-289.
(Обзор, посвященный исследованию комплекса, который
синтезирует АТР из АДР и Pf. и управляется потоком
протонов.)
Вопросы к главе 8
1. Дайте химическое обоснование глюкозофосфатизо-
меразной реакции.
2. Что подразумевается под субстратным фосфорили-
рованием? Приведите примеры.
3. Реакция, давшая название пируваткиназе, в
действительности никогда не протекает. Почему ферменту
дали такое название и почему не протекает эта реакция?
4. Сколько молекул АТР образуется при расщеплении
в гликолитическом пути 1 молекулы глюкозы
и 1 глюкозильного остатка гликогена?
5. Почему нельзя однозначно ответить на вопрос:
сколько молекул АТР образуется при окислении
молекулы цитоплазматического NADH митохондриями
эукариотических клеток?
6. В цикле лимонной кислоты превращению каждой
ацетильной группы соответствует образование 9
восстановительных эквивалентов (или, что то же самое,
9 атомов водорода) и 2 молекул С02 (4 атомов
кислорода). Откуда они взялись? 3 атома водорода и 1 атом
кислорода - из ацетильной группы, еще 4 водорода
и 2 кислорода принадлежат 2 молекулам воды,
вступающим в цикл. Итак, всего 7 атомов водорода
и 3 атома кислорода. Для баланса элементов не
хватает 1 молекулы Н20. Откуда она берется?
7. Почему продукт окисления изоцитрата декарбокси-
лируется, а сам он - нет?
8. Объясните, какое значение для цикла лимонной
кислоты имеет анаплеротическая реакция.
9. Какой кофактор участвует в реакции декарбоксили-
рования? Объясните, как он работает.
10. Как дыхательные комплексы складываются в единую
цепь переноса электронов?
11. Что общего у убихинона и цитохрома с и чем они
различаются как переносчики электронов? Где они
локализованы в клетке?
12. Для чего нужна митохондриям цепь переноса
электронов?
13. Выход АТР при окислении глюкозы в
эукариотических клетках составляет 30 или 32 молекулы. В
случае бактериальных клеток выход больше. Чем это
вызвано?
глава 8 Гликолиз, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
131

9 Энергетическая
Жиры - основной источник энергии для синтеза
АТР. Они обеспечивают образование примерно
половины энергии, потребляемой сердцем и покоящимися
скелетными мышцами. Количество энергии, запасенной
организмом в виде нейтральных жиров, хранящихся
в жировых клетках, практически ничем не
ограничивается, в отличие от ее лимитированных запасов в виде
гликогена. Кроме того, жиры - более компактная форма
хранения энергии, поскольку они менее окислены и гид-
ратированы по сравнению с гликогеном.
АТР образуется как при окислении жиров, так и при
окислении глюкозы. В обоих процессах участвуют цикл
лимонной кислоты и электронтранспортная цепь.
Сходство этих двух метаболических путей объясняется тем,
что как при окислении глюкозы, так и при окислении
жиров образуется ацетил-СоА. Кроме того, распад
жиров отличает универсальный механизм окисления
жирных кислот путем последовательного отщепления от
углеводородной цепи двух углеродных атомов в виде
ацетил-СоА. При этом образуются NADH и FADH2,
которые затем окисляются. Нельзя не подивиться
эффективности использования одной и той же биохимической
машины для получения энергии из самых разных
пищевых веществ. Пути их окисления различаются лишь
начальными стадиями, а в цикле лимонной кислоты они
сливаются в общий поток.
В первую очередь необходимо обратить внимание
на следующие замечания.
1. Прежде чем начнется окисление, жиры должны
подвергнуться гидролизу для высвобождения жирных
кислот. При этом из триглицеридов образуется
также и глицерин, метаболическая судьба которого иная,
чем у жирных кислот: он фосфорилируется
окисляется в дигидроксиацетонфосфат. Таким образом,
при голодании глицериновый остаток триглицеридов
может использоваться печенью при глюконеогенезе
(см. главу 11).
2. Периферические ткани извлекают жирные кислоты
из крови, куда они экскретируются жировыми
клетками в ответ на повышение уровня глюкагона. Эти
кислоты попадают в клетки также и из хиломик-
ронов и ЛПОНП, атакуемых липопротеинлипазой
(см. с. 93).
3. Свободные жирные кислоты разносятся кровью в
виде анионов, обратимо связанных с сывороточным
частьЗ Метаболизм
132
ценность жиров
альбумином. Они легко проникают в клетки,
поэтому их концентрация там находится в прямой
зависимости от уровня в крови. По мере того как свободные
жирные кислоты поглощаются из крови, их
постоянная концентрация поддерживается благодаря
диссоциации альбуминовых комплексов.
4. Жирные кислоты расщепляются путем
последовательного отщепления двух углеродных атомов в
виде ацетил-СоА.
5. В ходе превращения в ацетил-СоА жирные кислоты
постоянно находятся в форме ацил-СоА. Поэтому
первая стадия их метаболизма, известная как
активация жирных кислот, заключается в синтезе ацил-
СоА-производного жирной кислоты.
Механизм образования
ацетил-СоА из жирных кислот
Активация жирных кислот путем синтеза
их ацил-СоА-производных
Термин активация отражает тот факт, что тиоэфиры
жирных кислот являются макроэргическими реакцион-
носпособными соединениями. Реакция активации
выглядит следующим образом:
RCOCT + АТР + CoA-SH -> RCO-S-CoA + AMP + РР;
AG°'= -0,9 кДж ■ моль1.
Изменение свободной энергии при этом невелико
(из-за высокой энергии тиоэфира), однако действие
пирофосфатазы приводит к тому, что суммарный
процесс оказывается сильно экзоэргоничным и
необратимым (AG°'=-32,5 кДж ■ моль ').
Реакцию активации жирных кислот катализируют
три родственных фермента - ацил-СоА-синтетазы
жирных кислот, специализирующиеся на кислотах
с короткими, средними и длинными цепями.
Транспорт СоА-производных жирных
кислот в митохондрии
Жирные кислоты активируются на внешней мембране
митохондрий, которую топологически можно отождествить
с цитоплазмой, однако их превращение в ацетил-СоА

происходит только в митохондриальном матриксе.
Ацильная группа переносится в митохондрии без СоА
при помощи специальной транспортной системы и уже
внутри митохондрий вновь взаимодействует с CoA-SH
с образованием ацил-СоА. В ходе транспорта
сохраняется макроэргическая природа ацильного остатка, так
что по другую сторону мембраны его не надо повторно
активировать. Это возможно потому, что перенос жир-
нокислотного остатка в митохондрии осуществляет
молекула карнитина:
СИ,
Η
+1 I //
Н3С—Ν—СН2-С—СН2-С
1 ' О"
СН3 ОН и
Карнитин
Хотя сложные эфиры обычно не являются
макроэргами, структура карнитина такова, что связь ацил-кар-
нитин является макроэргической. Возможно, именно
поэтому эволюция остановила свой выбор на карнитине
как на ацилтранспортирующем соединении. Ацильные
производные карнитина проникают в матрикс, где
протекает обратная реакция: ацильный остаток
переносится с карнитина на тиольную группу свободного СоА,
а карнитин возвращается назад за очередным остатком
жирной кислоты.
СН3
Η
ι '/
Н3С—Ν—СН2—С—СН2-С
О
СН3
О
I
с=о
Ацилкарнитин
Схема трансмембранного переноса жирных кислот
в митохондриях представлена на рис. 9.1. Две реакции
переноса ацильных групп - на карнитин и на митохон-
дриальный СоА - катализируют два фермента: первую,
протекающую на внешней стороне митохондрии, -
карнитин-ацилтрансфераза I, а вторую, имеющую
место в матриксе, - карнитин-ацилтрансфераза И.
При некоторых генетических дефектах ощущается
нехватка карнитина или карнитин-ацилтрансферазы, что
приводит к мышечным болям и к ожирению мышц
Превращение ацил-СоА в ацетил-СоА
внутри митохондрии
Этот процесс включает четыре последовательно
протекающие реакции, три из которых похожи на уже
встречавшиеся нам в цикле лимонной кислоты стадии
Связана с внешней стороны
митохондриальной мембраны
RCH7CO-S-CoA Карнитин-ацил- CoA-SH
трансфераза I
Цитоплазма
Внутренняя
щтохондриальная
мембрана
Матрикс
Карнитин
RCH2C0-KapHHTHH
КСНгСО-Карнитин
RCH2CO - S - СоА Карнитин-ацил £0д _ $н
трансфераза II
Расположена на внутренней стороне
митохондриальной мембраны
(со стороны матрикса)
Рис. 9.1. Механизм транспорта длинноцепочечных жирно-
кислотных остатков в митохондрии: там они окисляются
Перенос ацильных остатков с ацилкарнитина на СоА не
требует затрат энергии
превращения сукцината (Сп) в оксалоацетат:
дегидрогенизация с помощью FAD-зависимого фермента,
гидратация и ЫАО+-зависимая дегидрогенизация. Вспомните
последовательные превращения Сукцинат—> Фумарат—>
—>Малат—Юксалоацетат в цикле лимонной кислоты.
Соответствующие реакции с производными ацил-СоА
представлены на рис. 9.2.
Ключевой реакцией в метаболизме жиров служит
реакция взаимодействия CoA-SH с β-кетоацил-СоА,
в ходе которой разрывается углеводородная цепь остатка
жирной кислоты. Ее двухуглеродный фрагмент
отщепляется в виде ацетил-СоА, и остается укороченный на два
атома углерода остаток жирной кислоты (ацил-СоА).
Фермент, осуществляющий эту реакцию, называют
тиолазой, поскольку молекула исходного ацил-СоА
атакуется тиольной группой свободного СоА.
Природные длинноцепочечные жирные кислоты содержат
четное число атомов углерода, поэтому последовательное
отщепление двухуглеродных фрагментов рано или
поздно приводит к образованию бутирил-СоА, который
превращается затем в β-ацетоацетил-СоА. Расщепление
этого соединения на два ацетил-СоА завершает процесс
укорачивания жирнокислотной цепи:
CH3COCH2CO-S-CoA + CoA-SH — 2CH3CO-S-CoA .
Ацетоацетил-СоА Ацетил-СоА
Итак, на каждом этапе расщепления жирных кислот
образуется β-кетоацил-СоА со все более укороченной
глава 9 Энергетическая ценность жиров
133

Η Η О
I I II
R—СН2—С—С —С—S—СоА (Ацил-СоА)
I I
н н
L-FAD
|^FADH2
Η О
\цил-СоА-дегидрогеназа
R—СН2—С=С—С—S—СоА (гарднс-Л2-еноил-
| СоА)
Η
Н.,0 Ьноил-Соа-
гидратаза
Г1
он н о ,_ ГлАЧ
ι ι и (Гидроксиацил-СоА)
R—СН2—С—С—С—S—СоА
Η Η
L-NAD+
Гидроксиацил-LoA-
дегид огеназа
j^NADH + Н+
ОНО
I I II
R—СН2—С—С—С—S—СоА (β-Кетоацил-СоА)
Η
СоА - SH Кетоацил-СоА-тиолаза
О
II
R—СН2—С—S—СоА + СН3—С—S—СоА
Cn-Ацил-СоА Ацетил-СоА
Рис. 9.2. Четыре последовательные реакции, посредством
которых укорачивается углеводородная цепь жирн окислот-
ных производных СоА
Цепь укорачивается на два атома углерода,
высвобождающихся в виде ацетильной группы ацетил-СоА
углеводородной цепью. Это дает основание весь
рассмотренный выше процесс в целом назвать
β-окислением жирных кислот. NADH и FADH2,
образующиеся при β-окислении, отдают затем свои
электроны митохондриальной электронтранспорт-
ной цепи (см. рис. 8.19).
Энергетический выход при окислении
жирных кислот
Молекула пальмитиновой кислоты (С16) превращается
в 8 молекул ацетил-СоА, при этом дополнительно
образуются 7 молекул NADH и столько же FADH2. Ацетил-
СоА далее окисляется в цикле лимонной кислоты,
a NADH и FADH2 - в митохондриальной электрон-
транспортной цепи (см. главу 8). При окислении NADH
синтезируются 2,5 молекулы АТР, а при окислении
FADH2- 1,5 молекулы (поскольку NADH образуется
в матриксе, челночный механизм не задействован в его
переносе внутрь митохондрий).
Таким образом, окисление 1 молекулы
пальмитиновой кислоты приводит к синтезу 106 моль АТР из ADP
и РДс учетом затраты двух молекул АТР на образование
пальмитоил-СоА и синтеза одной молекулы GTP на
каждый ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты). Это
означает, что КПД процесса равен 33%; такая доля
свободной энергии преобразуется в полезную работу в виде
синтеза АТР. Результаты нашего расчета можно
представить и по-другому: окисление 256 г пальмитиновой
кислоты дает 45 кг АТР. Разумеется, такого количества АТР
никогда не бывает, он быстро гидролизуется,
обеспечивая энергетические потребности организма.
Окисление
ненасыщенных жиров
Оливковое масло - жидкое, потому что в нем
высокое содержание мононенасыщенных жиров - тригли-
церидов и фосфолипидов, в состав которых входят
ненасыщенные жирные кислоты с одной и более двойными
связями в углеводородной цепи. Примером может
служить пальмитоолеиновая кислота с двойной связью
между девятым и десятым атомами углерода. Вплоть до
двойной связи цепь такой кислоты укорачивается
обычным окислением с образованием г/м>А3-еноил-СоА:
Η Η м
R—С=С—СН2—С—S-CoA
(4) (3) (2) (1)
Двойная связь в этом соединении не позволяет
ацил-СоА-дегидрогеназе ввести еще одну, соседнюю
двойную связь между вторым и третим С-атомами. На
этом β-окисление могло бы закончиться, однако
фермент изомераза сдвигает двойную связь в нужное
положение и образует транс-изомер, который становится
субстратом еноил-СоА-гидратазы (см. рис. 9.2).
Η Η м
R—С=С—СН2—С—S—СоА г/г/с-Д3-еноил-СоА
Μ (3)
Изомераза
н 8
R—СН2—С=С—С—S—СоА транс-А2-еноил-СоА
Η
частъЗ Метаболизм
134

Это ухищрение решает проблему биологического
окисления мононенасыщенных жирных кислот.
Полиненасыщенные жирные кислоты создают
дополнительные трудности. Возьмем, например, линолевую кислоту
с двумя двойными связями (Δ9 и Δ12). Судьба одной из
них (Δ9) при окислении такова, как описано выше.
Другая связь (Δ12) восстанавливается в нужный момент
особым ферментом, благодаря чему гидролиз линолевой
кислоты осуществляется по механизму β-окисления (на
самом деле все обстоит несколько сложнее).
Всегда ли ацетил-СоА,
образующийся при β-окислении,
поступает в цикл лимонной
кислоты?
До сих пор рассматривалась ситуация, когда весь
синтезированный ацетил-СоА поступает в цикл лимонной
кислоты. Так обычно и бывает во всех тканях, однако
случаются чрезвычайные ситуации, когда в печени этого
не происходит.
Иногда метаболизм жиров становится для
организма основным источником энергии (см. главу 5). Это
состояние наступает, например, при голоде, когда
исчерпаны все запасы гликогена. У диабетиков глюкозный голод
возникает не из-за недостатка глюкозы, а вследствие
невозможности ее превращения. Как бы то ни было,
торможение гликолиза побуждает жировые клетки
высвобождать жирные кислоты, а печень - использовать их
для синтеза избыточного количества ацетил-Со А.
Избыточного в том смысле, что оно превышает потребности
цикла лимонной кислоты. Ситуация усугубляется еще
и тем, что прекращение углеводного метаболизма
приводит к недостатку оксалоацетата, необходимого для
производства цитрата из ацетил-СоА (см. с. 121).
В этой ситуации в клетках печени два ацетильных
остатка соединяются в ацетоацетат (СН3СОСН2СОО~),
который частично восстанавливается в β-гидрокси-
бутират (СН3СНОНСН2СОО ). Эти два вещества -
кетоновые тела - поступают в кровь.
Как ацетоацетат образуется
из ацетил-СоА?
Ацетоацетил-СоА образуется из ацетил-СоА в
результате обращения реакции, катализируемой кето-
ацил-Со А-тиол азой:
2CH3CO-S-CoA <- CH3COCH2CO-S-CoA + CoA-SH
Казалось бы, свободный ацетоацетат должен был
образоваться в результате гидролиза ацетоацетил-СоА (что
сдвигало бы равновесие приведенной реакции в сторону
образования продукта). Вместо этого ацетоацетил-СоА
взаимодействует с третьей молекулой ацетил-СоА
с образованием 3-гидрокси-З-метилглутарил-СоА
(ГМГ-СоА), который расщепляется до ацетоацетата
и ацетил-СоА (рис. 9.3).
Почему синтез ацетоацетата происходит таким
образом, непонятно. Гидроксиметилглутарил-СоА,
синтезируемый многими животными клетками, является
предшественником холестерина - важного компонента ци-
топлазматической мембраны (см. с. 58). Образование
кетоновых тел происходит в митохондриях (именно там
жиры превращаются в ацетил-СоА). Более того,
образование гидроксиметилглутарил-СоА, необходимого
для синтеза холестерина, сосредоточено в цитоплазме,
где находится специальный фермент - гидроксиметил-
глутарил-СоА-синтаза, прикрепленная к мембране
эндоплазматического ретикулума.
О
II
с-
-S—СоА
СН2
I
о=с—сн3
Ацетоацетил-СоА
СН3
I
с=о
I
S—СоА
Ацетил-СоА
ГМГ-СоА-
синтаза
О
II
С—S—СоА
I
сн2
I
но—с—сн3
ГМГ-СоА
NADH
+ Н
СН2
I
соо-
З-Гидрокси-3-метил-
глутарил - СоА
+ CoA-SH
О
II
СН3—С—S—СоА
Ацетил-СоА
+
о=с—сн3
ГМГ-СоА
лиаза
Η
I
но— с— сн3
? У
сн2
сн2
I
соо-
β-Гидроксибутират
NAD+ J/ COO
^^^~/ Ацетоацетат
β-Гидроксибутират-
дегидрогеназа
(Спонтанно)
СН3
I
с=о + со:
I
сн3
Ацетон
Рис. 9.3. Образование кетоновых тел в митохондриях
печени при избыточном окислении жиров (голодание,
диабет)
3-Гидрокси-З-метилглутарил-СоА (ГМГ-СоА) служит
предшественником холестерина и в этом случае синтезируется в
цитоплазме в результате реакции, катализируемой гидроксиме-
тилглутарил-СоА-синтазой
глава 9 Энергетическая ценность жиров
135

Периферические ткани могут использовать ацетоа-
цетат для генерации энергии. В митохондриях в
результате реакции обмена ацильным остатком с сукцинил-
СоА он превращается в ацетоацетил-СоА:
Ацетояцетят
Ацетоацетил-СоА
+ сукцинил-СоА
CoA-SH
Ацетоацетил-СоА —-^
+ сукцинат
—- 2-Ацетил-СоА
Тиолаза
Ацетоацетил-СоА далее расщепляется тиолазой (с
участием свободного СоА) на две молекулы ацетил-
СоА β-Гидроксибутират после предварительной
дегидрогенизации также превращается в ацетоацетат.
Окисление жирных кислот
с нечетным числом углеродных
атомов
Небольшая доля жирных кислот в пищевых продуктах
(например, растительного происхождения) имеет
нечетное число углеродных атомов. При β-окислении таких
кислот в качестве предпоследнего продукта образуется
не ацетоацетил-СоА, а пятиуглеродный β-кетоацил-СоА.
Расщепление такого остатка тиолазой приводит к
появлению ацетил-СоА и трехуглеродного пропионил-СоА:
CH3-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA-SH —
-> CH3-CH2-CO-S-CoA + CH3-CO-S-C0A.
Пропионил-СоА Ацетил-СоА
Пропионил-СоА превращается в сукцинил-СоА и
вовлекается в цикл лимонной кислоты. Соответствующие
реакции приведены ниже. Эпимераза катализирует
превращение D-конфигурации метилмалонил-СоА в L-koh-
фигурацию:
11ропионил-Со-А-
ка боксилаза
СН3—СН2—CO-S—СоА + НС03~ +А Р-
Пропионил-СоА
Метилмалонил-СоА-
7 эпиме аза ,
Последняя реакция (изомеризация метилмалонил-
СоА) интересна тем, что в ней участвует наиболее
сложно устроенный кофермент - дезоксиаденозилкобала-
мин, производное витамина В12 (рис. 9.4).
Пропионат также образуется при расщеплении
четырех аминокислот (валина, изолейцина, метионина и
треонина), а еще из боковой цепи холестерина.
Если не хватает метилмалонил-СоА-мутазы или
нарушен синтез кофермента из витамина В12, развивается
смертельно опасный ацидоз.
ОН
СН
СН2
ОН
I I
с —с
^н н^
/
СН
СН
/N\C
/
СН
NH2—СО—СН2-
Н3С СН3 СН2—С0-
I
NH2
-NH2
СН2
nh2 - со- сн2 cVrAhr/4
^c If ι сн-сн2-сн2-со-
< CH3>Nn l^\
CH3 Co+ CH
CH—μ . n—c CH3
CH CH3
νη2-<:ο—сн2-
V ΐ
со-сн2-сн2сн3/£н
-СН
NH
I
сн2
сн—сн3
I
CH2— CH2— CO—NH2
>
но-
СН II
Η
ли*
но
с-
/н
СН
ιν-
сн2
-с
н\
'^Чн,
.сн
AMP + РР/ Рис. 9.4. Структура дезоксиаденозилкобаламина
►СН3—С—CO-S—СоА -СН3—С—CO-S—Со—
I I
Η COO"
D-Метилмалонил-СоА L-Метилмалонил-СоА
Метилмалонил-Co-A-
— " OOC—CH2—CH2—CO-S—СоА
Сукцинил-СоА
Окисление жирных кислот
в пероксисомах
Пероксисомы - небольшие, окруженные мембраной
пузырьки, обнаруженные во многих животных клетках.
Подробнее о них рассказано в главе 16. Заметим лишь,
частьЗ Метаболизм
136

что они также окисляют жирные кислоты, хотя основная
масса последних подвергается окислению в
митохондриях. При пероксисомальном β-окислении жирных
кислот также образуется FADH2, который затем окисляется
не в митохондриях, а в самих пероксисомах, при
непосредственном участии кислорода и с образованием
перекиси водорода и тепла. Функции пероксисом менее
изучены, чем функции других внутриклеточных органелл.
Можно предположить, что одной из них является
метаболизм жирных кислот, содержащих более 18
углеродных атомов, которые не окисляются митохондриальной
системой.
До сих пор мы имели дело с образованием энергии
из глюкозы и жиров. Остается третий главный
компонент пищи - аминокислоты, и логично было бы теперь
рассмотреть их превращения. Однако целесообразнее от
метаболизма глюкозы и жиров перейти
непосредственно к их синтезу и его регуляции в организме, тем более
что при генерации энергии из аминокислот уже на
начальных стадиях метаболизма образуются вещества,
участвующие либо в гликолизе, либо в цикле лимонной
кислоты, так что особым своеобразием эти
превращения не отличаются. Наиболее важные аспекты
метаболизма аминокислот не имеют отношения к производству
энергии.
Дополнительная литература
McGarryJ. D., Foster D. W. Regulation of hepatic fatty
acid oxidation and ketone body production // Annu. Rev.
fiiochem. 1980. Vol. 49. P. 395-420.
(Обзор данных об образовании кетоновых тел.)
Lardy Η., Shrago E. Biochemical aspects of obesity // Annu.
Rev. Biochem. 1990. Vol. 59. P. 689-710.
(Сведения об ожирении, гормонах и метаболизме.)
Вопросы к главе 9
1. Периферические ткани получают жирные кислоты
из крови. Расскажите о трех возможных способах их
доставки.
2. Какие клетки организма не используют жирные
кислоты как источник энергии?
3. Что является первой стадией расщепления жирных
кислот? Где она происходит? Где в клетках эукариот
жирные кислоты превращаются в ацетил-СоА? Как
жирные кислоты туда попадают?
4. Что общего между реакциями окисления жирных
кислот до ацетил-СоА и некоторыми
превращениями в цикле лимонной кислоты?
5. Каков выход АТР при окислении пальмитиновой
кислоты? Поясните ответ.
6. Объясните, как мононенасыщенный жир (Δ9)
окисляется в ацетил-СоА.
7. Всегда ли ацетил-СоА, образовавшийся при
расщеплении жирных кислот, попадает в цикл лимонной
кислоты?
8. Гидроксиметилглутарил-СоА - промежуточный
продукт, образующийся при синтезе ацетоацетата и
холестерина. Где протекают эти процессы?
глава 9 Энергетическая ценность жиров
137

глава
10
Переход от катаболизма к анаболизму.
Синтез в организме жиров
и родственных им соединений
В предыдущих главах, посвященных метаболизму, речь
шла о катаболических реакциях, в ходе которых
происходит расщепление жиров и углеводов. Другая задача
метаболизма - синтез молекул, или анаболизм. Начать
изучение анаболизма лучше всего с синтеза жиров.
Синтез жиров осуществляется главным образом из
углеводов, поступающих в избыточном количестве и
не используемых для пополнения запаса гликогена.
Кроме того, в синтезе участвуют и некоторые
аминокислоты. Накоплению жиров способствует и избыток пищи.
Жир - наиболее компактная форма запасания энергии
организмом. Нам пришлось бы сильно увеличить свои
размеры, если бы мы запасали энергию исключительно
в виде гликогена.
Механизм синтеза жиров
Общие принципы
В процессе метаболизма жирные кислоты
превращаются в ацетил-СоА. В свою очередь, и ацетил-СоА
превращается снова в жирные кислоты (тот факт, что жирные
кислоты синтезируются из ацетил-СоА - двухуглеродного
соединения, приводит к тому, что число углеродных
атомов в природных жирных кислотах почти всегда четное).
Избыточное поглощение углеводов сопровождается
отложением жиров, так как глюкоза расщепляется до пиру-
вата, который превращается в ацетил-СоА. Эта последняя
реакция, катализируемая пируватдегидрогеназой,
необратима. Поэтому в животных клетках ацетил-СоА не может
превращаться в пируват и, соответственно, жиры не
могут превращаться в глюкозу, в отличие от бактерий и
растений, осуществляющих подобные превращения.
Любой метаболический путь включает по меньшей
мере одну стадию, которая в прямом и обратном
направлениях реализуется разными биохимическими
реакциями. Это справедливо для расщепления и синтеза жиров.
Соответствующие им метаболические пути местами
совпадают, а местами - нет. Благодаря этому оба
процесса термодинамически выгодны, необратимы и
регулируются по-разному.
Чтобы синтез жирных кислот из ацетил-СоА стал
термодинамически выгодным, он должен включать
необратимую стадию, для которой требуется дополнительная
энергия. Уже на первом этапе синтеза жирных кислот -
образовании малонил-СоА из ацетил-СоА и С02 -
используется энергия гидролиза АТР. Позже молекула
жирной кислоты теряет С02.
Это выглядит, на первый взгляд, бессмысленно,
однако таким путем превращению придается
термодинамическая необратимость; решается не столько химическая,
сколько энергетическая проблема. Малоновая кислота
имеет структуру НООС-СН2-СООН, а малонил-СоА -
HOOC-CH2-CO-S-CoA. Приведенную ниже реакцию
катализирует ацетил-СоА-карбоксилаза:
О
II
СН3—С—S—СоА + АТР + НС03"
Ацетил-СоА
О
О
С—СН2 —С—S—СоА + ADP + Р/ + Н+
Малонил-СоА
Простетической группой этого фермента является
биотин. Как вы уже знаете, все карбоксил азы
используют энергию гидролиза АТР для введения в субстраты
С02. В качестве промежуточного продукта в этой
реакции образуется «активированный С02» - карбоксибио-
тин (см. с. 123).
Таким образом, чтобы синтезировать жирные
кислоты, нужно последовательно присоединять к ацетил-СоА
двухуглеродные единицы. Активным донором таких
единиц является малонил-СоА, хотя малонильный
остаток сам по себе содержит не два, а три С-атома. Но
прежде чем остановиться на синтезе жирных кислот
подробнее, нужно пояснить, что такое ацилпереносящий
белок, или АПБ.
Ацилпереносящий белок
и β-кетоацил-синтаза
Все катаболические превращения происходят не с
самими жирными кислотами, а с тиоэфирами, которые они
образуют с СоА. Во всех реакциях синтеза жирных
кислот также участвуют тиоэфиры, но не СоА, а более
простой молекулы, которую можно рассматривать как
половину СоА. Напоминаем, как выглядит структура СоА.
часть 3 Метаболизм
138

I Фосфат—пантотенат—NHCH2CH2—SH !
-аденин \
фосфат
Фосфат—рибоза—аденин
В рамке
остаток фосфопантотеина
Выделенная часть молекулы и есть тиолсодержащий
«носитель» - 4-фосфопантотеин, который используется
при синтезе жирных кислот. В отличие от ацетил-СоА,
он функционирует не в свободном виде, а будучи
связанным с АПБ. Можно рассматривать АПБ как белок,
встроенный в СоА, или наоборот, как гигантскую
молекулу СоА, в которой АМР-фрагмент заменен белком.
Другой фермент, или точнее, функциональный
домен - β-кетоацил-синтаза, также содержит реакци-
онноспособную тиольную группу. Она принадлежит
остатку цистеина, который входит в активный центр
фермента. И АПБ, и β-кетоацил-синтаза у
млекопитающих являются компонентами большого мультифункци-
онального комплекса.
Механизм синтеза СоА-производных
жирных кислот
Рассмотрим случай, когда обе тиольные группы
в СоА-синтазном комплексе свободны (рис. 10.1, а).
β-Кетоацил-синтаза СН3СО—S—СоА СоА—SH
а АПБ б
SHH
АПБ-ацети -тр^нсс^^ра^а
Эта стадия наблюдается лишь
в начале синтеза жирной кислоты.
На последующих этапах синтеза
ацетил-СоА не используется
SHS
I
со
I
Ацетил-АПБ
СН3
\
SHS
I
со
I
сн2
I
сн2
I
сн3
Пунктирной стрелкой показано,что
состояния жив тождественны,
если не считать, что место
ацетильного остатка занял
бутирильный. Повторяя
наращивание цепи, можно
получить С ^-кислоту
S—СоА
СО
I
сн2—соо
СоА—SH
N
SH
I
со
I
сн3
АПБ-малонил-
7
—SH
со
L.X
сн2
I
сн2
I
сн3
Бутирил-АПБ
Восстановление
β-кетоацил-СоА
SHS
I
со
I
сн2
I
со
I
со2
β-Кетоацил-
АПБ-синтаза
(необратимая
реакция)
S S
I I
со со
I I
сн3сн2
соо-
Малонил-АПБ
СН β-Кетоацил-АПБ
Рис. 10.1. Синтез жирных кислот
Хотя β-кетоацил-синтаза у животных является одним из доменов большой белковой молекулы, здесь мы изображаем ее как
отдельный белок. После семи успешных оборотов цикла образуется пальмитил-АПБ, который гидролизуется с образованием
свободного пальмитата
глава 10 Переход от катаболизма к анаболизму
139

Ацетильная группа (СН3СО-) переносится с аце-
тил-СоА на тиольную группу АПБ специальной транс-
феразой (рис. 10.1, б). Далее она передается на
тиольную группу β-кетоацил-синтазы, в результате чего
место ее посадки в АПБ снова становится вакантным
(рис. 10.1, в). Его занимает малонильный остаток,
перенесенный другой трансферазой с малонил-СоА;
образуется малонил-АПБ (рис. 10.1, г). После этого синтаза
катализирует реакцию переноса ацетильной группы
на малонильную группу, что приводит к образованию
β-кетоацил-АПБ и С02 В данном случае речь идет
о β-кетобутирил-АПБ (рис. 10.1, д). Последний,
оставаясь в составе белкового комплекса, восстанавливается
в бутирил-АПБ (рис. 10.1, е). В конечном итоге система
переходит в состояние (рис. 10.1, ж\ аналогичное
изображенному на рис. 10.1, в: тиольная группа АПБ
свободна, а в синтазе она ацилирована остатком насыщенной
жирной кислоты. Единственное различие состоит в том,
что место ацетильного остатка (см. рис. 10.1, в) теперь
занимает бутирильный (см. рис. 10.1, ж). Если все
описанные выше реакции пройдут еще раз, бутирильный
остаток превратится в гексаноильный. Еще пять оборотов
цикла приведут к образованию пальмитоил-АПБ; затем
под действием фермента гидролазы происходит
высвобождение в раствор пальмитиновой кислоты (С16):
CH3(CH2)14CO-S-AnB + Н20 -^
-^ СН3(СН2)14СОСГ + АПБ-SH.
Реакция, катализируемая β-кетоацил-АПБ-синтазой,
необратима, так как имеет место процесс декарбокси-
лирования. Благодаря этой стадии весь путь синтеза
жирных кислот становится подобен дороге с
односторонним движением.
Если требуется синтезировать жирную кислоту,
содержащую более 16 углеродных атомов, например
стеариновую (С18), удлинением цепи пальмитиновой
кислоты будут заниматься другие ферментные системы.
Организация процесса
синтеза жирных кислот
Описанная последовательность реакций кому-то
покажется простой, а кому-то сложной, но несомненно одно:
этот свойственный животным ансамбль ферментов
организован удивительно. В клетках Е. coli ту же
последовательность реакций катализируют отдельные
ферменты, так что после каждой реакции продукты
диссоциируют в раствор и диффундируют к следующему ферменту.
У животных все стадии синтеза жирных кислот,
следующие за образованием малонил-СоА, реализуются
часть 3 Метаболизм
140
внутри одного гигантского белкового комплекса,
состоящего из нескольких субъединиц. Каждая из них
обладает ферментативной активностью, но функционирует
обычно только в составе комплекса (на самом деле два
таких мультифермента объединены в димер). Растущий
жирнокислотный остаток поочередно связывается
с тиольными группами АПБ и β-кетоацил-синтазы,
ни разу не покидая комплекс, пока синтез не
завершится образованием пальмитата. И удлинение цепи, и
восстановление кетогрупп происходит, когда субстраты
связаны с АПБ. Длинная гибкая ножка 4-фосфопантотеина,
вероятно, нужна, чтобы позволить различным
промежуточным соединениям взаимодействовать с нужными
каталитическими центрами мультиферментного
комплекса. Такая организация ускоряет синтез, так как
позволяет избежать многократной диссоциации и
диффузии продукта и способствует его связыванию с другим
ферментом.
Стадии восстановления в ходе
синтеза жирных кислот
В последовательности событий, приводящих к
удлинению жирнокислотной цепи, присоединенной к АПБ,
важное место занимает восстановление β-кетоацильных
остатков, которое проходит в три стадии (рис. 10.2).
Восстановителем здесь служит NADPH (не NADH!) -
переносчик электронов.
0 О
II II
R—С—СН2—С—S—АПБ β-Кетоацил-АПБ
\^ NADPH + Н+
К β-Кетоацил-АПБ
|Ч NADP+ ^дуктаза
Η О
1 II
R—С—СН2 —С—S—АПБ β-Гидроксиацил-АПБ
ОН
к β-Гидроксиацил-АПБ-
t^ Н20 цегидратаза
Η О
I II
R—С=С—С—S—АПБ
А
\^ NADPH + Н+
К Еноил-АПБ-
N NADP+ Редуктаза
О
II
R—СН2—СН2 —С—S—АПБ Ацил-АПБ
Рис. 10.2. Восстановительные стадии синтеза жирных
кислот

Что такое NADP+?
NAD+ имеет следующую структуру:
Р—рибоза—никотина!
Р—рибоза—аденин
А структура NADP+ выглядит так:
Р—рибоза—никотинамид
Р—рибоза—аденин
Ρ
Дополнительная фосфатная группа в молекуле
NADPH присоединена к 2'-гидроксильной группе рибо-
зы, связанной с аденином:
ΧΟΝΗ2
О—Ρ
I
о
I
О—Ρ
I
о
=0
ζ0 . ОН ОН
^0
Аденин
ОН
ОРОз"
Эта фосфатная группа практически не
сказывается на редокс-потенциале молекулы и фактически
используется в качестве сигнала при идентификации
и распознавании этой молекулы белками. ΝΑΟ+-φερ-
менты не реагируют с NADP+ и наоборот (за редкими
исключениями).
Долгое время думали, что использование NADPH
в процессе синтеза жирных кислот - не более чем
прихоть природы, своего рода курьез. Однако постепенно
стало ясно, что параллельное существование двух
пиридиновых коферментов играет важную роль при
разделении путей метаболизма. Чтобы в этом разобраться,
необходимо вспомнить, что производство энергии можно
представить как окисление восстановительных
эквивалентов, а синтез жира - как потребление
восстановительных эквивалентов. Цели диаметрально
противоположные! Клетка разделяет эти задачи, не разводя их
в пространстве: окислительные ветви метаболизма
используют NAD+ в качестве переносчика электронов,
а восстановительные ветви метаболизма для этих целей
используют NADP+. По-разному протекает
восстановление этих химически сходных соединений. NAD+
восстанавливается в ходе гликолиза, в пируватдегидро-
геназной реакции, в цикле лимонной кислоты, при
окислении жира. А как восстанавливается NADP+? Об этом -
в следующем разделе.
Где синтезируются жирные кислоты?
Основным местом синтеза жирных кислот является
печень и в меньшей степени жировые клетки, хотя жиры
образуют и многие другие органы, например молочные
железы в период лактации.
Внутри клетки синтез пальмитата из ацетил-СоА
сосредоточен в цитозоле, в то время как окисляются
жирные кислоты в митохондриях. Главным источником
ацетил-СоА для синтеза жирных кислот служит пиру-
ватдегидрогеназная реакция, протекающая в митохонд-
риальном матриксе (см. с. 116). Ацетил-СоА не может
самостоятельно пройти через митохондриальную
мембрану, поэтому должен существовать механизм переноса
ацетильных остатков из митохондрий в цитозоль, к
месту синтеза жирных кислот. В митохондриях ацетил-СоА
превращается в цитрат (см. с. 119), который
переносится из митохондрий в цитозоль особой транспортной
системой. В цитозоле цитрат расщепляется ферментом
цитратлиазой на ацетил-СоА и оксалоацетат. Эта
реакция сопряжена с гидролизом АТР, благодаря чему
практически необратима
Цитрат + ATP + CoA-SH + Н20 ->
—> Ацетил-СоА + Оксалоацетат +ADΡ +Pf.
Оксалоацетат не может вернуться в митохондрию
сам, так как митохондриальная мембрана для него
непроницаема, а переносчиков не существует. Он
восстанавливается в малат посредством NADH (заметим,
не NADPH!). Малат же подвергается окислительному
декарбоксилированию в пируват с помощью особого
«малик»-фермента, использующего в качестве кофер-
мента NADP+ (не NAD+). Образующийся NADPH
участвует в синтезе жирных кислот (рис. 10.3).
Пируват может теперь транспортироваться назад
в митохондрии, где он снова превращается в
оксалоацетат с помощью пируваткарбоксилазы (см. с. 120):
Пируват + НС03" + АТР
Пируват-
карбоксилаза
Оксалоацетат + ADP + Р,- + Н+
глава 10 Переход от катаболизма к анаболизму
141

Реально цитрат покидает митохондрии лишь тогда,
когда его концентрация в матриксе достаточно высока.
Так бывает при избытке углеводов, в противном случае
он не поступает в цитозоль.
COO-NADH + Н+ NAD+ rnn- NADP+ NADPH + Н+
\ /IV / С0°"
V У СНОН W, I ,
* ^ ' > ι —^~*-—·* СО + (
СО
сн7
Малат-
| " дегидрогеназа [
coo- Cl
Оксалоацетат
ςχχ Малик-фермент
Малат
со+со2
I
сн3
Пируват
Рис. 10.3. Восстановление NADP* для синтеза жирных
кислот
Суммарный эффект обеих реакций состоит в переносе
восстановительных эквивалентов с NADH на NADP+.
Образующийся в цитоплазме пируват поступает в митохондрии. Источник
оксалоацетата представлен на рис. 10.4
Таким образом, цитратный механизм не только
выводит ацетильные группы из митохондрий, но и
обеспечивает образование NADPH, который используется при
Митохондрия
Оксалоацетат
Цитрат
аза
С02^/Пируват- \
/карбоксилаза \
Пируват У-+~ Цитрат
X /
Ацетил СоА
С02
/ Пальмитат^ (*-) — Ма^онил--^Ацетил-СоА\
СоА w \
Ацетил-СоА- \ ^
Восстановительные / ЦитРат
эквиваленты
Малат -
NAD* NADH +
Малат-
"· П
Цитрат-
лиаза
Оксалоацетат
Малик-фермент
Цитозоль
Пируват + С02
Рис. 10.4. Изображение, объясняющее происхождение
ацетильных групп (ацетил-СоА) и восстановительных эквивалентов
(NADPH + Н+), необходимых для синтеза жирных кислот
Действие цитратлиазы сопряжено с расщеплением АТР
до ADP и Ρ
синтезе жирных кислот. Восстановление в цитоплазме
оксалоацетата в малат с помощью NADH и окисление
малата в пируват посредством NADP+ в совокупности
представляют собой изящный механизм переноса
электронов из фонда NADH в фонд NADPH, используемый
в реакциях «восстановительного» синтеза. In vitro
цитрат способен активировать начальную реакцию синтеза
жиров, катализируемую ацетил-СоА-карбоксилазой,
в результате которой образуется малонил-СоА. Однако
физиологическое значение такой активации пока
остается неопределенным. Регуляция активности этого
фермента обсуждается в главе 12.
Из приведенной схемы видно, что на каждую
молекулу ацетил-СоА, образующуюся в цитозоле из
цитрата, приходится одна молекула NADPH. Однако
каждый цикл работы синтазы жирных кислот требует две
молекулы NADPH (см. рис. 10.2). Процесс,
восполняющий недостаток NADPH, будет описан в главе 13, так
как он относится к другой ветви метаболизма -
превращениям пентозофосфатов.
Синтез ненасыщенных
жирных кислот
Ненасыщенные жирные кислоты нужны организму как
для синтеза полярных липидов, входящих в состав
мембран, так и для некоторых других целей. В печени есть
специальная ферментная система, которая может
внедрить одну двойную связь в середину цепи стеариновой
кислоты, превращая ее в олеиновую кислоту.
СН3СН(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН.
Олеиновая кислота. 18:1(Δ9)
Однако эта ферментная система не может образовать
еще одну двойную связь между центральной двойной
связью и метильным концом молекулы. Поэтому ее
нельзя использовать для синтеза в животном организме
линолевой кислоты с двумя двойными связями и лино-
леновой кислоты с тремя двойными связями.
СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН.
Линолевая кислота, 18:2(А912)
СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН.
α-Линоленовая кислота. 18:3(Δ9"12"15)
Поскольку эти кислоты необходимы для синтеза
мембранных липидов и эйкозаноидов, их
единственным источником служит пища (у растений есть
ферменты, синтезирующие полиненасыщенные жирные
часть 3 Метаболизм
142

кислоты с двойной связью в концевой части молекулы).
В печени же могут происходить дальнейшее удлинение
линолевой кислоты и образование в ней
дополнительных двойных связей. Таким способом синтезируется
арахидоновая С20-кислота (20:4, Δ5-8-11'14) с четырьмя
двойными связями, а также С22- и С24-кислоты,
входящие в состав липидов нервных тканей. Все эти
превращения совершаются с ацильными производными Со А.
Синтез триглицеридов
и мембранных липидов
из жирных кислот
Организм синтезирует нейтральные жиры с целью
пополнения запасов. Для образования эфирной связи
между глицерином и жирными кислотами последние нужно
активировать путем присоединения ацил-СоА; эту
реакцию катализирует ацил-СоА-синтетаза:
RCOOH + CoA-SH-ATP -^ RCO-S-CoA + AMP + РР,.
У обычных эфиров карбоновых кислот свободная
энергия гидролиза меньше, чем у соответствующих тио-
эфиров, поэтому такая активация жирных кислот делает
синтез триглицеридов экзэргоническим процессом.
Обратите внимание, что акцептором ацильных групп
выступает не глицерин, а глицерин-3-фосфат, который
образуется в результате восстановления дигидроксиаце-
тонфосфата - промежуточного продукта гликолиза.
СН20Н
I
NADH
+ Н+
NAD+
S^L
СН20Н
I
снон
СН2ОРО3 |ίιη *лрофг>сфа'гпегицрогеназа СН2ОРОз
Дигидрокси-
ацетонфосфат
Глицерин-3-фосфш
В печени (но не в жировых клетках) глицерин-3-фос-
фат образуется также в реакции прямого фосфорилиро-
вания глицерина. Все этапы синтеза триглицеридов
представлены на рис. 10.5.
Синтез глицерофосфолипидов
В состав мембраны входят фосфолипиды, основу
структуры которых составляет остаток глицерина.
2R-
0
II
-с-
сн2он
I
снон о
I II
сн2—о—р—о-
о-
Глицерин-3-фосфат
S—СоА 2СоА-
-SH CH2-0-C-R
сн
-о—с-
0
СН2—О—С—R
I о
СоА—SH R-
СН2—О—Р— 0-
Фосфатидная '
кислота
Н20^|
р А
о
JLc-rnA CH2-0^C-R
-S—СоА
СН
-0—С—R
0
СН
0
II
-О—С—R
СН2—О—Р—R
Триглицерид
СН20Н
Диглицерид
Рис. 10.5. Синтез триглицеридов (нейтральных жиров)
из глицерин-3-фосфата
Фосфоглицериды различаются лишь природой
спиртового остатка, связанного фосфоэфирной связью с фос-
фатидной кислотой.
СН2—0-
СН—0—С—R2
I 0
I II

СН2—0—Ρ—ΟΙ
0"
Фосфатидная
кислота
СН2—О—С-
I °
I м
сн—о—с-
I о
R2
СН2—О—Р-0—R3
I
О"
Фосфолипид
В роли R3 может выступать остаток серина, этанол-
амина, холина, инозита или диацилглицерина. В
мембранах эукариот преобладают фосфатидилэтаноламин
и фосфатидилхолин, поэтому рассмотрим сначала их
синтез. Этаноламин и холин имеют следующее строение:
NH2CH2CH2OH
Этаноламин
СНзч
СН3—N+CH2CH2OH
СН,
Холин
Оба эти соединения - спирты и могут быть
обозначены как R-OH. Для участия в синтезе фосфолипидов
эти спирты предварительно «активируются» в ходе
двухстадийного процесса. На первой стадии они фос-
форилируются с помощью АТР:
глава 10 Переход от катаболизма к анаболизму
143

R-OH + ATP
R-O—P-O"
I
0"
ADP
На второй стадии фосфорилированные спирты
реагируют с цитидинтрифосфатом (СТР), который
является аналогом АТР. В нем адениновый остаток заменен
на цитозиновый (цитидином называют цитозилрибозу).
СТР присутствует во всех клетках, поскольку он
необходим для синтеза РНК и ДНК (см. главу 21). Почему
при фосфорилировании спиртов используется именно
СТР, а не АТР, остается только гадать. То ли это
«причуда» эволюции, то ли нам пока не известен ее замысел.
Во всяком случае, реакция СТР с фосфоэфирами очень
похожа на образование UDP-глюкозы из глюкозо-1
-фосфата и UTP (см. с. 87):
О
II
о о
II II
О—Р—О—Р—О—Р—О— Цитидин
I I I
О" О" О"
R—О—Р—О—Р—О— Цитидин + PP.·
I I
О" О"
CDP-холин или CDP-этаноламин
Н20
2Р/
Гидролиз пирофосфата делает эту реакцию
необратимой и сильно экзоэргоничной. В конечной реакции
синтеза фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина
участвует 1,2-диглицерид, образующийся под
действием фосфатазы на фосфатидную кислоту (см. с. 54).
СН2-
СН—0-C-R2
-O-C-Ri
О
СН20Н
1,2-Диглицерил
0 О
II II
О—Р—О—Р—О—Цитидин
1 I
О" 0"
+ СМР
-Р-0—R3
I
0"
Фосфатидилхолин или фосфатидилэтаноламин
Таким образом, описанный путь синтеза фосфо-
глицеридов сводится к активации спиртовой полярной
головки СТР с последующим переносом фосфорилиро-
ванного спирта на другой спирт - диглицерид.
Энергетически возможен и другой путь - активация дигли-
церида и перенос остатка диглицеридфосфата на холин
или этаноламин. Так в клетках эукариот синтезируются
фосфатидилинозит и кардиолипин (см. с. 55). В
последнем случае роль спирта играет вторая молекула дигли-
церида.
0
II
СН2-0-С—Rx
1 о
1 и
СН—0-С—R2+CTP—
1 о
1 м
СН2-0-Р-СГ
0"
Фосфат идная
кислота
СН
-СН
СН
0
II
2-0-С—
Ri
0
II
—0-С—R2 + РР,-
0 0
II II
j—0—Ρ—0—Ρ—О-Цитидин
ι ι
Ι Ι
0" 0"
'
Инозит
1
0
II
СН2—0—С—Rx
Ι о
1 и
СН—0—С—R2 + CMP
1 и
CH2—0—Ρ—0— Инозит
ι
0"
Фосфатидилинозит
Схема обоих путей синтеза глицерофосфолипидов
представлена на рис. 10.6. В действительности все
обстоит значительно сложнее из-за различных
взаимопревращений фосфолипидов. Например, они могут
обмениваться остатками серина и этаноламина, фос-
фатидилсерин декарбоксилируется с образованием
фосфатидилэтаноламина, а последний метилируется
до фосфатидилхолина. Все эти процессы в разной
степени представлены у различных организмов.
Место синтеза мембранных липидов
В животных клетках синтез мембранных липидов
осуществляется на поверхности гладкого эндоплазмати-
ческого ретикулума. Синтезированные липиды
транспортируются по назначению либо в виде мембранных
пузырьков, которые отпочковываются от мембран
аппарата Гольджи, либо с помощью белков-переносчиков
(механизм такого переноса до конца не выяснен).
часть 3 Метаболизм
144

а Фосфатидная б
кислота
Путь активации у ч Путь активации
диглицерида / \^ спиртовой головки
ROH
СТР
рр,
CDP-Диглицерид
ROH
t
CMP
Фосфатидил-R
Диглицерид
ATP
К
ADP + Ρ,
R— 0-®
t
СТР
РР/
CDR—R
Фосфатидил-R + CMP
Рис. 10.6. Два пути синтеза фосфоглицеридов
ROH - спирт, остаток которого служит полярной головкой
в синтезируемом фосфолипиде. У млекопитающих кардиоли-
пин и фосфатидилинозит синтезируются по пути я, а фосфати-
дилхолин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин - по
пути б. Синтез фосфолипидов в бактериях протекает по пути а
указывает на число двойных связей в боковых цепях,
прикрепленных к циклопентановому кольцу. В качестве
примера на рис. 10.7, б показана структура PGE2. У
человека основную роль играют соединения с двумя
двойными связями, которые синтезируются из арахидоновой
кислоты (рис. 10.7, а). Остальные простагландины
образуются из других полиненасыщенных жирных кислот.
Арахидоновая кислота присутствует в организме
главным образом в виде жирнокислотного остатка
фосфолипидов. Для синтеза простагландинов она
предварительно отщепляется фосфолипазой.
Первая стадия синтеза простагландинов
осуществляется циклооксигеназой, которая превращает арахидоно-
вую кислоту в циклическое соединение (см. рис. 10.7, а).
Этот фермент ингибируется аспирином
(ацетилсалициловой кислотой), который ацетилирует гидроксильную
группу серинового остатка в активном центре фермента.
соон
Синтез простагландинов
и родственных им соединений
Название этой группы соединений - эйкозаноиды -
происходит от греческого числительного «двадцать».
Именно столько углеродных атомов содержится в их
молекулах, биосинтез которых начинается с
полиненасыщенных жирных кислот. Хотя эйкозаноиды
присутствуют в организме в незначительных количествах, диапазон
их физиологических функций очень широк.
Эйкозаноиды делятся на три основные группы по
названию клеток, в которых они впервые были открыты:
простагландины, тромбоксаны и лейкотриены.
Простагландины были обнаружены в семенной жидкости.
Сначала думали, что они попадают туда из
предстательной железы (простаты), но позже оказалось - из
семенных пузырьков. Теперь известно, что простагландины
синтезируются во многих тканях. Тромбоксаны были
найдены в кровяных пластинках (тромбоцитах), а
лейкотриены - в белых кровяных тельцах (лейкоцитах).
Простагландины и тромбоксаны
Известно много простагландинов, различающихся
деталями структуры. Их делят на подклассы,
обозначаемые как PGA, PGE и PGF. Цифровой индекс при них
СООН
НО
ОН
СООН
ОН
СООН
Рис. 10.7. Структура простагландинов и родственных им
соединений
а - Арахидоновая кислота;
б - простагландин Е2 (PGE2);
в - тромбоксан А2 (ТХА2);
г - лейкотриен A (LTA )
глава 10 Переход от катаболизма к анаболизму
145

Поскольку тромбоксаны (рис. 10.7, в) образуются путем
модификации некоторых простагландинов, аспирин
блокирует и их синтез.
Простагландины выполняют множество
физиологических функций. Сразу после синтеза они
выбрасываются из клеток и служат в качестве местных гормонов,
воздействуя на рецепторы соседних клеток. Они
вызывают боль, воспаление и жар, стимулируют сокращение
гладкой мускулатуры, участвуют в регуляции давления
крови, подавляют секрецию соляной кислоты в
желудке. Тромбоксаны вызывают агрегацию тромбоцитов, тем
самым стимулируя свертывание крови.
Ингибируя циклооксигеназу, аспирин подавляет
многие из перечисленных эффектов. В частности, в малых
дозах (100 мг в день) он блокирует синтез тромбоксанов,
уменьшая агрегацию тромбоцитов. Такая
профилактическая терапия предотвращает инфаркт, поскольку
снижает вероятность образования сгустков в
коронарных артериях.
Лейкотриены
Строение одного лейкотриена показано на рис. 10.7, г.
Лейкотриены также синтезируются из арахидоновой
кислоты, но другим ферментом - липоксигеназой.
Вызывая продолжительное сокращение гладкой мускулатуры,
они сужают дыхательные пути, участвуя тем самым в
развитии астматических приступов. Кроме того,
лейкотриены играют роль в регуляции деятельности лейкоцитов.
Синтез холестерина и его регуляция
Считается, что большинство клеток нашего тела может
синтезировать холестерин. Он является необходимым
компонентом плазматических мембран и служит пред-
0
шественником желчных кислот и стероидных гормонов.
Печень и в меньшей степени тонкий кишечник -
наиболее активные продуценты холестерина. В главе 6
рассказывалось о двух механизмах, посредством которых
холестерин в печени и других тканях образует единый
сбалансированный фонд.
Удивительно, что при синтезе большой сложной
молекулы холестерина единственным исходным
материалом служит ацетил-СоА. Путь этого синтеза очень
сложен. Наиболее интересны первые этапы синтеза,
поскольку именно на этом уровне определяется количество
продуцируемого холестерина. Речь идет о биосинтезе
мевалоновой кислоты - первого метаболита,
предназначенного исключительно для синтеза холестерина.
Соответствующие реакции, показанные на рис. 10.8,
протекают в цитозоле. Гидроксиметилглутарил-СоА служит
также предшественником ацетоацетата при образовании
кетоновых тел, однако для этой цели он синтезируется
внутри митохондрий.
На уровне гидроксиметилглутарил-СоА-редуктазы
синтез холестерина регулируется посредством трех
механизмов. По механизму обратной связи холестерин:
1) подавляет синтез редуктазы на уровне гена; 2)
вызывает деструкцию фермента; 3) инактивирует фермент
с помощью фосфорилирования (о последнем см. с. 161).
Для снижения в терапевтических целях уровня
холестерина в крови разработаны специальные лекарственные
препараты. Напоминая по структуре мевалоновую
кислоту, они при взаимодействии с гидроксиметилглута-
рил-СоА-редуктазой выступают как аналоги
переходного состояния, что обеспечивает их прочную ассоциацию
с активным центром фермента. Два таких лекарства
известны под названиями ловастатин и симвастатин.
2CH3-C-S-CoA
Ацетил-СоА
СН3 Η
1 1
2СН3—С—С
Н2—С—S—СоА+С
Тиолаза Ацетоацетил-СоА
Ацетил-СоА \
+ Н20 \
)
ГМГ-СоА-
редуктаза
Г-С А-синтаза
СН3 0
1 II
00С-СН2-С-СН2-С-0Н s V
I I ' \
ОН Η 2NADP+ 2NADPH
Мевалонат + 2Н+
00С-СН2-С—СН2—С—S-CoA
I
он
Гидроксиметилглутарил-СоА
+ СоА—SH
Рис. 10.8. Синтез мевалоната из ацетил-СоА
часть 3 Метаболизм
146

Дополнительная литература
Вопросы к главе 10
Синтаза жирных кислот
Smith S. The animal fatty acid synthase: one gene,
one polypeptide, seven enzymes // FASEB J. 1994. Vol. 8.
P. 1248-1259.
(Статья посвящена описанию структуры и функции
замечательного белка - синтазы жирных кислот.
Обсуждается роль каждого компонента и димерная
организация комплекса.)
Синтез мембранных липидов
Dawidowicz Ε. A. Dynamics of membrane lipid metabolism
and turnover //Annu. Rev. Biochem. 1987. Vol. 56. P. 43-61.
(Хорошо написанный обзор данных о мембранных липи-
дах, их синтезе, транспорте и формировании мембраны.)
Rooney S. Α., Young S. L., Mendelson C. R. Molecular
and cellular processing of lung surfactant // FASEB J. 1994.
Vol. 8. P. 957-967.
(Обзор данных о физиологической функции фосфоли-
пида, покрывающего изнутри легочные альвеолы.)
Kent С. Eukaryotic phospholipid biosynthesis // Annu. Rev.
Biochem. 1995. Vol. 64. P. 315-343.
(Описаны пути биосинтеза различных мембранных фос-
фолипидов.)
1. На ранних этапах синтеза жирных кислот аце-
тил-СоА сначала карбоксилируется, затем почти
сразу декарбоксилируется. Для чего это нужно?
2. Изобразите с помощью диаграммы основные этапы
цикла удлинения жирнокислотной цепи, опуская
при этом восстановительные реакции.
3. Как устроена синтаза жирных кислот у эукариот?
Чем она отличается от фермента Е. colP. Где более
эффективно протекает синтез жирных кислот -
у бактерий или у животных?
4. Изобразите структуру NAD+ и NADP+. В чем причина
одновременного существования обоих коферментов?
5. В каких тканях сосредоточен синтез жирных кислот
у эукариот?
6. Синтез пальмитата из ацетил-СоА сосредоточен в
цитоплазме, а главный производитель ацетил-СоА -
пируватдекарбоксилаза - в митохондриях. Ацетил-
СоА не проникает через мембрану. Как он попадает
из митохондрий в цитоплазму?
7. Откуда берется NADPH, необходимый для синтеза
жирных кислот?
8. Опишите, как из жирных кислот синтезируются
триглицериды.
9. Какую роль в метаболизме липидов играет СТР?
10. Что такое эйкозаноиды? Из чего они образуются?
Каково их физиологическое значение? Какое
отношение к ним имеет аспирин?
11. Как действуют лекарственные препараты,
подавляющие синтез холестерина?
глава 10 Переход от катаболизма к анаболизму
147

глава
11
Синтез глюкозы в организме
(глюконеогенез)
Организм может синтезировать глюкозу из соединений,
способных предварительно превратиться в пируват, т. е.
из большинства аминокислот и лактата,
поступающего в кровь из работающих мышц. Совокупность таких
превращений называют глюконеогенезом. Глюкоза
не может быть синтезирована из ацетил-СоА и жирных
кислот. Глюконеогенез позволяет как бы сохранить
энергию превращений в виде гликогена. Однако
помимо этого глюконеогенез в ряде случаев спасает
организм от гибели.
Мозг требует непрерывного обеспечения глюкозой.
Это означает, что во избежание комы или смерти
уровень глюкозы в крови должен поддерживаться в
пределах нормы. Между тем запасы гликогена в печени
невелики и полностью исчерпываются после суточного
голодания.
Люди, однако, остаются живы и при более
продолжительном отсутствии пищи. В этом случае поступление
глюкозы в кровь обеспечивается печенью. Ни один
другой орган (кроме почек, вклад которых невелик) не
способен выполнить эту задачу. После суточного голодания
печень должна удовлетворить потребность человека
в глюкозе (около 100 г в день).
На удовлетворение основных энергетических
потребностей организма запаса жиров хватает на
недели, но жирные кислоты не проникают через ге-
матоэнцефалический барьер и потому не могут
использоваться мозгом. Мобилизация жиров приводит
к образованию кетоновых тел, чье присутствие в
крови в какой-то мере уменьшает потребность в глюкозе
(см. с. 84), однако необходимость ее синтеза при этом
не исчезает. Потребность мозга в глюкозе при
голодании остается прежней. К тому же мозг лишь один
из основных ее потребителей. В глюкозе нуждаются
клетки сетчатки, мозгового слоя почек, эритроциты,
т. е. все ткани и клетки, жизнедеятельность которых
в значительной мере или полностью (эритроциты
вообще лишены митохондрий!) поддерживается
анаэробным метаболизмом.
Глюконеогенез в печени начинается с пирувата,
который служит исходным соединением и при синтезе
жирных кислот. Казалось бы, он может связать две ветви
метаболизма. Однако превращение пирувата в ацетил-СоА
у животных необратимо, поэтому они не могут
переработать жирные кислоты в глюкозу.
Механизм синтеза глюкозы из пирувата
Среди реакций гликолиза три термодинамически
необратимы (см. рис. 8.7):
1) АТР-зависимое фосфорилирование глюкозы гексо-
киназой (или глюкокиназой);
2) фосфорилирование фруктозо-6-фосфата фосфоф-
руктокиназой;
3) превращение фосфоенолпирувата в пируват.
Глюкоза синтезируется из пирувата с образованием
тех же промежуточных соединений, что и при
гликолизе, но для того, чтобы обойти необратимые реакции,
приходится избирать иные пути.
Первый термодинамический барьер нужно
преодолеть в ходе превращения пирувата в фосфоенолпируват.
Поскольку спонтанное превращение енольной формы
пирувата в кетоформу сильно экзоэргонично (большая
отрицательная величина AG0), реакция
Фосфоенолпируват—» Пируват необратима (см. с. ИЗ). Поэтому
у животных превращение пирувата в фосфоенолпируват
происходит обходным путем, в две стадии с
использованием двух макроэргических фосфатов, делающих это
превращение термодинамически выгодным:
Пируват-
Пируват + ATP + HCOf
(1)
► Оксалоацетат + ADP + Рг + Н+ ;
Фоссроенолпируват-
карбоксикиназа
Оксалоацетат + GTP ~* ►
Фосфоенолируват 4- GDP + С02
(2)
Суммируя реакции (1) и (2), получаем:
Пируват + ATP + GTP + Н20 ->
—» Фосфоенолпируват + ADP + GDP + р. + 2Н+.
Схема этих превращений представлена на рис. 11.1.
Почему на второй стадии используется GTP, а не АТР,
непонятно. Энергетически оба эти вещества
совершенно эквивалентны. Заметим, что реакция (1) - синтез ок-
салоацетата, катализируемый пируваткарбоксилазой,
играет важную роль в регуляции цикла лимонной
кислоты. Однако это не имеет отношения к глюконеогенезу.
глава 10 Метаболизм
148

Оксалоацетат
ФЕП-к оксикиназа
атка оксилазг
GTP ADP
+ Р/ ] \^~ С02
GDP ATP
ФЕП |-J ► Пируват
(Фосфоенолпируват) Ингибирование в печени
| Г„„Ко„ео„„„
Глюкоза
Рис. 11.1. Глюконеогенез в печени: образование фосфо-
енолпирувата из пирувата (ФЕП - фосфоенолпируват)
Обратите внимание, что эти реакции образуют холостой цикл,
если не блокировать обратное превращение ФЕП в пируват.
О том, как это достигается, см. в главе 12
Вторая реакция осуществляется фосфоенолпиру-
ват-карбоксикиназой. Такое название фермента
объясняется тем, что обратную реакцию можно
рассматривать как карбоксилирование фосфоенолпирувата,
сопряженное с переносом фосфатной группы.
После образования фосфоенолпирувата все гликоли-
тические реакции обратимы вплоть до реакции
образования фруктозо-1,6-дифосфата, превращение которого
из фруктозо-6-фосфата в ходе гликолиза необратимо.
Это препятствие легко преодолевается, поскольку
удаление фосфатной группы путем обычного гидролиза
не требует затрат энергии.
Аналогичная реакция гидролиза в процессе глюко-
неогенеза имеет место при превращении глюко-
зо-6-фосфата в глюкозу (при гликолизе образование глю-
козо-6-фосфата, катализируемое гексокиназой или глю-
кокиназой, необратимо).
В печени присутствует глюкозо-6-фосфатаза,
которая гидролизует глюкозо-6-фосфат, после чего
свободная глюкоза выходит из клетки. Совокупность
реакций глюконеогенеза представлена на рис. 11.2. О том,
как регулируется уровень глюкозы крови, рассказано
в главе 12.
Итак, существуют четыре фермента, ответственные
за глюконеогенез и не принимающие участия в
гликолизе: пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируват-кар-
боксикиназа, фруктозо-1,6-дифосфатаза и глюко-
зо-6-фосфатаза. Естественно, они сосредоточены
преимущественно в печени. У крыс концентрация этих
ферментов в печени в 20-50 раз больше, чем в
скелетных мышцах.
О О
II II
о—р—о—сн2 ^о сн2—о—р—о"
он
он
Фруктозо-1,6-дифосфат
|н2о
Фруктозо-1,6-
дифосфотаза
О
II
"О—Р—О—СН2 О СН20Н
О" \Г .>J + Р/·
ч
но
он
он
Фруктозо-6-фосфат
Откуда печень получает пируват
для глюконеогенеза?
Когда при голодании истощается запас гликогена,
главным источником пирувата становится гидролитическое
расщепление мышечных белков, в ходе которого
образуются все 20 аминокислот. Хотя аланин - всего лишь
одна из них, более 30% всех аминокислот, поступающих
в печень, приходится на него. Аланин - одна из глюко-
генных аминокислот; его углеводородный скелет
используется печенью для строительства молекулы
глюкозы (метаболизм аминокислот будет рассмотрен
в главе 15).
Почему при расщеплении мышечных белков
образуется так много аланина? В результате метаболизма
многих аминокислот и цикла лимонной кислоты
накапливается оксалоацетат, который превращается в пируват
(см. рис. 11.1). Последний преобразуется в аланин;
аминогруппа достается ему от других аминокислот.
Заметим, что при голодании для производства
энергии мышцы используют в основном жирные кислоты
и кетоновые тела; поэтому они располагают
достаточным количеством ацетил-СоА, и для его получения им
не нужно окисление пирувата. Как будет показано в
главе 12, высокое соотношение концентраций ацетил-СоА/
СоА приводит к инактивации пируватдегидрогеназы.
Благодаря этому пируват, образующийся из аминокислот,
используется для синтеза аланина. При расщеплении
мышечных белков образуются различные аминокислоты,
глава Π Синтез глюкозы в организме (глюконеогенез)
149

11счсмь
Глюкозо-6-фосфат r·
Гексозофосфатизомераза
Фруктозо-1,6-дифосфатаза
Альдолаза
Дигидрок-
сиацетон-
фосфат
^ Глицеральдегид-3-
фосфат
р.-*^ NAD+ Глицеральдегид-3-
Т4 NADH + Н+ ФосФатДегиДрогеназа
(2х) 1,3-Дифосфоглицерат
γ ADP
(2х) З-Фосфоглицерат
З-Фосфоглицераткиназа
Фосфоглицератмутаза
(2х) 2-Фосфоглицерат
Ь-НгО
(2х)
Фосфоенолпируват
соАг GDP
S- GTP
(2х) Оксалоацетат
t^ADP+Pj
HCOj-^KaTP
(2х)
ируват
Енолаза
Фосфоенолпируват-
карбоксикиназа
Пируваткарбоксилаза
Рис. 11.2. Глюконеогенез в печени: синтез глюкозы из
пирувата
Реакции, отличающиеся от соответствующих гликолитичес-
ких превращений, выделены цветом
многие из которых превращаются в аланин; он
переносится кровью в печень. (Кроме аланина в мышцах
синтезируется и доставляется в печень для синтеза
глюкозы также и глутамин; принцип его превращения тот же.)
В печени аланин преобразуется снова в пируват, а
затем - в глюкозу Схема участия аланина в глюконеоге-
незе представлена на рис. 11.3.
По мере того как при голодании в крови
увеличивается содержание кетоновых тел, мозг более активно
начинает использовать их вместо глюкозы для
производства энергии. Это снижает (хотя и не устраняет)
потребность в глюконеогенезе. Поскольку на производство 1 г
Мышца
Мышечные белки
ι
20 аминокислот
Глюкоза
Некоторые
аминокислоты
Кислоты цикла лимонной кислоты
Оксалоацетат
Ит попрованпс
при голодании
Ацетил-СоА
Пируват
Аланин ·♦
Рис. 11.3. Механизм, посредством которого при голодании
мышечные белки обеспечивают печень пируватом для глю-
конеогенеза
Схема предполагает, что пируват не превращается в
ацетил-СоА в ходе пируватдегидрогеназной реакции. Наряду
с аланином из мышц поступает другой субстрат глкжонеоге-
неза — глутамин
глюкозы расходуется 2 г мышечных белков, замедление
процесса их расщепления благотворно отражается на
выживании голодающего организма.
В главе 15 подробно обсуждается схема глюкозо-ала-
нинового цикла (см. рис. 15.9). На ней показано, как
аланин, синтезированный в мышцах и доставленный в
печень, перерабатывается там в глюкозу. Однако в рамках
этой схемы пируват, необходимый для синтеза аланина,
образуется в результате гликолиза. При этом имеет
место следующая последовательность событий:
глюкоза в печени —> глюкоза в мышцах —> аланин в
мышцах —> аланин в печени —» глюкоза в печени.
Понятно, что такой цикл не приводит к увеличению
количества глюкозы и не решает проблемы снабжения
ею тканей, а является лишь формой транспорта амин-
ного азота из мышц в печень.
Другой источник пирувата для глюконеогенеза важен
не столько при голодании, сколько при нормальной
жизнедеятельности организма. Речь идет о лактате,
образующемся при анаэробном гликолитическом
расщеплении глюкозы или гликогена (см. с. 101). Некоторые
клетки, в частности мозгового вещества почек и
сетчатки, фактически анаэробы, а в зрелых эритроцитах
вообще нет митохондрий, и они не способны, следовательно,
глава 10 Метаболизм
150

к окислительному фосфорилированию. При
нормальном поступлении пищи главным источником лактата
является гликолиз в интенсивно работающих мышцах.
В таких условиях митохондрии не успевают реокислять
накапливающийся NADH. В результате
восстановительные эквиваленты переносятся на пируват, который
Печень
Гликоген
Глюкоза
Глюкоза _
в крови
Мышцы
Гликоген
Анаэробный
гликолиз
Глюконеогенез
Лактат -*
Лактат
в крови
— Лактат
Рис. 11.4. Цикл Кори - физиологический цикл, который
протекает в мышцах и печени
В мышцах очень невелико содержание трех ферментов,
необходимых для глюконеогенеза, поэтому для переработки в
глюкозу накопленный в мышцах лактат должен быть перенесен
в печень. Избыток лактата образуется в мышцах при их
активном сокращении в процессе анаэробного гликолиза
превращается в лактат. Последний переносится кровью
в печень, а там перерабатывается снова в пируват, а
затем в глюкозу и гликоген. Этот физиологический цикл
по имени его первооткрывателя называют циклом Кори
(рис. 11.4).
У цикла Кори есть две важнейшие функции: сберечь
лактат для последующего использования и
предотвратить так называемый лактат-ацидоз. При поступлении
больших количеств молочной кислоты в кровь ее
буферная емкость может быть исчерпана, что приведет к
опасному снижению рН. Этому препятствует превращение
лактата в глюкозу, которое сопровождается
поглощением двух протонов (на восстановление 1,3-дифосфогли-
церата расходуется 1 протон (Н+) и 1 молекула NADH).
Синтез глюкозы из глицерина
Еще одним источником углеродных соединений для
глюконеогенеза служит глицерин, образующийся при
гидролизе триглицеридов главным образом в жировой ткани.
Он поглощается печенью и превращается там в глюкозу
в соответствии со схемой, представленной на рис. 11.5.
Первый этап - фосфорилирование глицерина
осуществляется глицеринкиназой, которой в жировой ткани
гораздо меньше, чем в печени. Все последующие
превращения также сосредоточены в печени. Это вполне
СН2ОН ATP ADP СН2ОН
NAD+
СНОН
I
Х^
I
снон
NADH СН2ОН Триозофосфат- СНО
^ ^ ^ с=о
изомераза
Глицерин
киназа
Глицерин Глицерин-3-фосфат
ι
снон
I
СНгОН киназа СН2ОРОз деги огеназа
^ Глицерин-3-фосфат- ^^2- Альдолаза ^^г-
Дигидрокси-
ацетонфосфат
/
/
Глюкозо-6-фосфат
Глицеральдегид-3-
фосфат
Глюкоза
Рис. 11.5. Превращение глицерина, высвобождающегося при гидролизе нейтральных жиров, в глюкозу
Основное количество глицерина образуется в жировых клетках, но поскольку в них нет глицеринкиназы, глюконеогенез из
глицерина протекает в печени. Этот процесс обеспечивает образование глюкозы из глицерина при голодании
глава И Синтез глюкозы в организме (глюконеогенез)
151

логично, поскольку в ситуации, когда образование
глюкозы становится жизненно необходимым, эту задачу
решает печень. Поэтому жировые клетки сами не
используют глицерин.
При продолжительном голодании после небольшого
начального снижения уровень глюкозы в крови
поддерживается неизменным в течение нескольких недель
благодаря постоянному поступлению жирных кислот
из жировых клеток. Удивительно, однако, что животным,
в отличие от растений и бактерий, не был дарован
природой более простой способ, не связанный с
«поеданием» собственных мышц. Видимо, у эволюции на этот счет
были какие-то неведомые нам соображения.
Синтез глюкозы посредством
глиоксилатного цикла
Е. coli прекрасно существует, используя в качестве
единственного источника углерода ацетат. В отличие от
животных, бактерии способны превращать ацетил-СоА
в С4-кислоты, задействованные в цикле лимонной
кислоты, и использовать их для синтеза глюкозы и других
необходимых компонентов клетки. В прорастающих
семенах растений для синтеза глюкозы также
используются запасенные триглицериды. Как же это удается
бактериям и растениям?
Эти организмы обладают обычным циклом
лимонной кислоты, но часть образующихся в нем
соединений они могут использовать в других превращениях,
не свойственных животным. Так, в цикле лимонной
кислоты 2 углеродных атома ацетил-СоА вводятся
сначала в молекулу оксалоацетата (С4) с образованием
цитрата (С6), а затем 2 углеродных атома выводятся в виде
2 молекул С02 (переход от С6- к С4-кислотам) с
образованием сукцината. Этой безвозвратной потери удается
избежать благодаря так называемому глиоксилатному
пути, который позволяет вывести из цикла лимонной
кислоты 2 атома углерода не в виде С02, а в виде глиок-.
силата, который образуется непосредственно при
расщеплении изоцитрата на сукцинат и глиоксилат:
С00"
I
снон
I
СНСОО"
I
СН2СОО~
Изоцитрат
Изоцитра -
\ а
СН2СОО" СОСГ
I +1
СН2СОО" СНО
Сукцинат Глиоксилат
Глиоксилат (С2) далее реагирует с ацетил-СоА,
превращаясь в малат - обычный компонент цикла
лимонной кислоты.
СН-СОО"
II
0
Глиоксилат
+
сн3—c-s-
Ацетил-СоА
СоА
Н20
Малатсинтаза
ОН
I
СН—С00 + СоА—SH
I
сн2-соо~
Малат
Общая схема, иллюстрирующая взаимосвязь всех
рассмотренных процессов, представлена на рис. 11.6.
Их суммарный эффект сводится к тому, что ацетил-
СоА плюс оксалоацетат превращаются в малат плюс
сукцинат. И малат, и сукцинат могут быть
преобразованы в оксалоацетат, одна молекула которого без ущерба
для цикла может быть направлена на синтез глюкозы.
В растениях эти реакции протекают в мембранах орга-
нелл, называемых глиоксисомами.
Ацетил-СоА
Оксалоацетат
1(мс-Аконитат
Глиоксилат
/
Ацетил-СоА
ФЕП \ СоА-SH
/
^ г >п Малат
/
Глюкозо-6-фосфат ^>умарат"
Изоцитрат
\^С02
а-Кетоглутарат
I
Ы С02
г
Сукцинил-СоА
Сукцинат
Рис. 11.6. Глиоксилатный цикл, с помощью которого
растения и бактерии (у животных он отсутствует)
осуществляют синтез углеводов из ацетил-СоА
Специфичные для этого цикла реакции выделены цветом.
Штриховой линией отмечены реакции цикла лимонной
кислоты, которые не задействованы в глиоксилатном цикле. Таким
образом удается сохранить 2 молекулы С02, необходимые для
превращения цитрата в 2 молекулы оксалоацетата, одна из
которых опять используется для синтеза цитрата, а другая
превращается в фосфоенолпируват
глава 10 Метаболизм
152

В заключение можно напомнить, что подавляющая
доля углеводов на Земле образуется благодаря
фотосинтезу, в ходе которого энергия солнечного света
используется для фиксации С02 в виде дифосфоглицерата -
соединения, знакомого нам по гликолизу. Механизмы
этого процесса и дальнейшего превращения
дифосфоглицерата в глюкозу будут рассмотрены в главе 14
как составные части фотосинтеза.
Итак, мы познакомились с использованием жиров
и глюкозы в качестве источников энергии, а также с
механизмами синтеза этих веществ. Следует напомнить,
что эти метаболические процессы не существуют
изолированно, а образуют интегрированную
метаболическую систему, все части которой взаимозависимы и
нуждаются в регуляции.
Дополнительная литература
Felig P. Amino acid metabolism in man // Annu. Rev. Bio-
chem. 1975. Vol. 44. P. 933-955.
(Очень полезный обзор, в котором обсуждается
метаболизм аминокислот на уровне органов и
рассматриваются проблемы, связанные с голоданием, диабетом и
ожирением с точки зрения глюконеогенеза.)
Snell К. Alanine as a gluconeogenic carrier // Trends Bio-
chem. Sci. 1979. Vol. 4. P. 124-128.
(Обзор, в котором анализируется роль мышц в снабжении
печени веществами, необходимыми для глюконеогенеза.)
Pilkis S. J., El-Maghrabi Μ. R.. Claus Τ. Η. Hormonal
regulation of hepatic gluconeogenesis and glycogen // Annu.
Rev. Biochem. 1988. Vol. 57. P. 755-783.
(Исчерпывающий обзор.)
Вопросы к главе 11
1. После суточного голодания запасы гликогена в
печени истощаются, но в организме имеются довольно
большие запасы жиров. Зачем при голодании
протекает процесс глюконеогенеза, когда в организме есть
практически безграничные запасы ацетил-СоА (из
жирных кислот), которых вполне хватает для
производства энергии?
2. Почему фосфоенолпируват, необходимый для
протекания глюконеогенеза, не может быть получен путем
фосфорилирования пирувата с помощью пируват-
киназы?
3. Начиная от фосфоенолпирувата, глюконеогенез
в печени осуществляется путем обращения реакций
гликолиза. Какие два гликолитических фермента
катализируют необратимые реакции? Как
существование этих реакций сказывается на механизме
глюконеогенеза?
4. Есть ли в мышцах глюкозо-6-фосфатаза? Поясните
ответ.
5. Что такое цикл Кори и какова его физиологическая
роль?
6. В жировых клетках практически нет глицеринки-
назы - фермента, катализирующего превращение
глицерина в глицерин-3-фосфат, хотя там образуется
глицерин (путем гидролиза триглицеридов). В
печени же этот фермент есть. Логично ли это? А если да,
то почему?
7. Как бактериям и растениям, в отличие от животных,
удается превратить ацетил-СоА в углеводы?
глава 11 Синтез глюкозы в организме (глюконеогенез)
153

А О Регуляция метаболизма
глава I £л углеводов и жиров
Эта глава логически завершает все то, что было ранее
изложено о метаболизме, в ней будет показано как
отдельные метаболические пути пересекаются и
функционируют вместе. До сих пор мы в основном изучали
каждый их них отдельно. Первоначальное рассмотрение
индивидуальных метаболических путей, на наш взгляд,
оправданно, поскольку: 1) каждый из метаболических
путей достаточно сложен, чтобы отягощать знакомство
с ним еще и проблемами регуляции; 2) гораздо
эффективнее изучать вопросы регуляции применительно ко
всему ансамблю метаболических процессов; 3) всегда
можно вернуться к уже прочитанным, изученным главам.
Хотя в регуляции нуждаются все звенья
метаболизма, интеграция и управление превращениями углеводов
и жиров имеют особое значение, поскольку по этим
метаболическим путям идут особенно мощные потоки
веществ, интенсивность и направление которых часто
изменяются. Это связано с тем, что у животных периоды
насыщения сменяются голодом, периоды отдыха -
различными видами деятельности. Все это требует
изменения направления потоков веществ, участвующих в
метаболических превращениях. В то же время на примере
обмена углеводов и жиров можно рассмотреть все
основные принципы регуляции.
Поскольку все биохимические реакции
катализируются ферментами, регуляция метаболизма в конечном
итоге представляет собой регуляцию ферментативной
активности. Поэтому основное внимание уделяется
именно способам регуляции активности ферментов.
После этого мы покажем, как регуляторные ферменты,
активность которых зависит от уровня различных
метаболитов, поддерживают баланс между
метаболическими превращениями. Это далеко не все аспекты
регуляции, ибо метаболическая активность отдельных клеток
зависит от гормональных и нервных сигналов,
поступающих в соответствии с нуждами всего организма.
Поэтому в заключение мы разберем, как внешний по
отношению к клетке сигнал регулирует метаболизм.
Зачем необходима регуляция?
Совершенно ясно, что все метаболические процессы,
с которыми мы познакомились - синтез и распад
гликогена, гликолиз и глюконеогенез, синтез и расщепление
жиров, цикл лимонной кислоты, транспорт электронов
и т. п. не могут одновременно протекать с максимальной
для каждого из них скоростью. Если метаболические
превращения протекают в одном направлении, то
обратные превращения не должны иметь места. Скорость
реакций каждого метаболического пути должна
изменяться в широких пределах, в зависимости от текущих
потребностей организма в энергии. Так, скорость
основных реакций метаболизма у человека, играющего
в теннис, увеличивается шестикратно, а при еще более
тяжелой физической нагрузке - в пятнадцать раз.
Укажем на два наиболее важных момента, связанных
с регуляцией реакций, ответственных за производство
энергии:
• производство энергии должно согласовываться с
постоянно меняющимися в ней потребностями;
• скорость и направление превращений должны
подчиняться нуждам и жизненному ритму всего
организма, который периодически принимает пищу
и голодает, временами кормит детенышей молоком,
а иногда болеет.
Еще одна, не столь очевидная необходимость
регуляции - потенциальная опасность возникновения
«холостых» (или субстратных) циклов.
Потенциальная опасность «холостых»
циклов в метаболизме
Данную проблему обсудим на примере глюконеогенеза
и гликолиза. При гликолизе фруктозо-6-фосфат фосфо-
рилируется фосфофруктокиназой во фруктозо-1,6-ди-
фосфат, тогда как при глюконеогенезе дифосфатаза
гидролизует фруктозо-1,6-дифосфат до исходного фрук-
тозо-6-фосфата (рис. 12.1). Такая неуправляемая
последовательность событий не приведет ни к чему, кроме
бессмысленного перевода энергии АТР в тепло,
подобно короткому электрическому замыканию (этим приемом
пользуются шмели, чтобы холодным утром перед
вылетом разогреть летательные мышцы).
Аналогичный гигантский «холостой» цикл, занятый
уничтожением АТР, мог бы объединить весь гликолиз
и глюконеогенез, замыкая их друг на друга (рис. 12.2).
В такие же циклы потенциально могут объединиться
реакции, связанные с образованием и распадом гликогена
и жиров, т. е. любые парные комбинации процессов
синтеза и распада отдельных метаболитов.
часть 3 Метаболизм
154

Глюконеогенез
Фруктозо-6-фосфат
Фруктозо-1,6-
дифосфатаза
Гликолиз
АТР
Фосфофруктокиназа
ADP
Фруктозо-1,6-дифосфат
Рис. 12.1. «Холостой» цикл на уровне гликолитичес-
кой фосфофруктокиназы, который может возникнуть
в отсутствие регуляторных механизмов
Понятно, что расщепление и синтез метаболитов
должны регулироваться противоположным образом:
когда активируется один из этих процессов, другой
должен ингибироваться. Такая регуляция возможна лишь
в том случае, если синтез и расщепление протекают
по разным метаболическим путям. Как мы уже
отмечали, для этого оба пути должны включать по меньшей
мере по одной необратимой стадии, которые
катализируются разными ферментами и, следовательно, могут
по-разному регулироваться. В случае же обратимых
процессов прямые и обратные реакции катализируются
одними и теми же ферментами, так что их раздельная
регуляция невозможна.
«Холостые» циклы называют также субстратными
циклами, что отражает их сущность: «объединение
реакций» синтеза и распада субстрата. Хотя
возникновение таких больших циклов в принципе неразумно, они,
тем не менее, могут функционировать как элементы
Глюкозо-6-фосфат
Глюконеогенез [ ) Гликолиз
(потребляет АТР) V J (производит АТР)
^"^ Пируват
Гликоген ■
_ , λ Расщепление
Синтез гликогена ( J гликогеНа
* Гл юкозо-1 -фосфат
Жирная
s^ кислота **\
Синтез жира
к.
) Расщепление жира
Ацетил-СоА
^ -ле"^
Рис. 12.2. Крупномасштабные «холостые» циклы,
потенциально возможные в отсутствие регуляции
регуляторных систем. Предположим, например, что
вещество А превращается в вещество С через
промежуточное вещество В, причем возможна реакция В <-> А.
Фермент 1
Фермент 2
Скорость образования С можно снизить, либо ин-
гибируя фермент 1, либо активируя фермент 2.
Наибольший эффект будет достигнут, если одновременно
произойдет и то, и другое. При этом для полной
остановки реакции В —» С понадобится значительно меньше
ингибитора фермента 1. Как будет показано ниже,
именно такой тип регуляции характерен для реакции фрукто-
зо-6-фосфат <-> фруктозо-1,6-дифосфат.
Как регулируется активность
ферментов?
Метаболическая регуляция есть не что иное, как
регуляция скорости по меньшей мере одной из
последовательных каталитических реакций, образующих в
совокупности метаболический путь. При этом реакция
необязательно должна быть химической, например,
транспортные белки являются катализаторами
переноса метаболитов через мембраны. Существуют два
главных способа обратимо влиять на скорость
ферментативных процессов в клетке.
1. Изменить количество фермента.
2. Изменить его каталитическую активность.
Разумеется, существуют способы необратимой
активации фермента. К ним можно отнести протеолити-
ческое превращение трипсиногена в активный трипсин
(см. с. 75). Однако в этой главе мы будем касаться
только таких регуляторных механизмов, которые полностью
обратимы, поскольку только они имеют существенное
значение для эффективного управления метаболизмом.
Управление метаболизмом путем
изменения количества ферментов
Уровень белка в клетке можно изменить, воздействуя
либо на скорость его синтеза, либо на скорость его
распада. Белки - короткоживущие компоненты клетки;
время полураспада ферментов печени - от часа до
нескольких дней.
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
155

У животных изменение количества ферментов
вносит заметный вклад в регуляцию метаболизма. Такая
долгосрочная регуляция реализуется в шкале часов и
дней, но никак не секунд. Она используется при
адаптации к новым физиологическим нуждам. Здесь можно
привести множество примеров. Вспомним липопроте-
инлипазу кровеносных капилляров (см. с. 93). Ее
количество коррелирует с потребностью ткани в липидах,
увеличиваясь, к примеру, в молочных железах на
период лактации. В ответ на смену диеты содержание
ферментов в печени меняется в течение часов (если надо
справиться с непривычной, очень жирной или
изобилующей углеводами пищей). При богатом рационе в
печени возрастает количество ферментов, участвующих
в синтезе жиров, тогда как при голодании уже через
несколько часов этот процесс обращается. При
попадании в организм чужеродных химических веществ,
например лекарств, в печени быстро нарастает количество
окисляющих их ферментов (см. с. 210). Еще раз
подчеркнем, что у животных уровень ферментов в клетке
меняется в течение нескольких часов, а то и дней, а для ко-
роткоживущих ферментов этот срок бывает меньшим.
В общем случае такой способ регуляции (изменение
количества фермента) используется животными лишь
в тех случаях, когда возможное время ответа системы
на внешнее воздействие достаточно велико.
У бактерий уровень ферментов изменяется гораздо
быстрее. Если клетки Е. coli поместить в среду, где
единственным источником углерода служит лактоза, то
синтез фермента β-галактозидазы, гидролизующего этот
сахар, начинается немедленно. Его количество
становится ощутимым уже через несколько минут, а через
несколько часов возрастает тысячекратно. Тем не менее
это не самый быстрый ответ.
После того как потребность в ферменте пропадает, его
концентрация в клетке уменьшается. Время ответа
системы при этом определяется скоростью распада белков (у
бактерий также разбавлением при делении), коррелируя
со временем их полураспада в организме. Для
оперативной автоматической регуляции метаболизма изменение
количества ферментов - неподходящий способ,
поскольку этот тип регуляции имеет дело только с теми
ферментами, которые в данный момент присутствуют в клетке.
Управление метаболическими
процессами путем изменения
активности ферментов
При регуляции активности фермента изменяется не его
количество, а скорость его работы. Главное в этом
способе управления - его быстрота. Чтобы понять основные
часть 3 Метаболизм
156
принципы такой регуляции, необходимо разобраться,
какие факторы влияют на каталитические свойства
фермента.
Основные сведения
о ферментативной кинетике
Гиперболическая кинетика
«классического» фермента
При ферментативном катализе субстрат (S) обратимо
связывается в активном центре фермента (Е) с
образованием фермент-субстратного комплекса (ES). После того
как в пределах этого комплекса произошла химическая
реакция, образовавшийся продукт (продукты, Р)
высвобождается из активного центра фермента, оставляя его
свободным для нового взаимодействия и реакционного
цикла. Такое представление о работе фермента лежит
в основе модели, предложенной Михаэлисом и Ментен
для описания кинетики ферментативного катализа:
E + S<->ES->E + P.
При низкой концентрации субстрата [S] скорость
ферментативной реакции определяется лишь частотой
столкновений молекул субстрата S и свободного
фермента Е. В этой ситуации концентрация
фермент-субстратных комплексов [ES] и скорость ферментативной
реакции малы. Однако с ростом [S] количество молекул
фермент-субстратного комплекса возрастает, а вместе
с этим увеличивается и скорость реакции. Наступит
момент, когда увеличение концентрации субстрата
приведет к тому, что практически все молекулы фермента
будут насыщены субстратом и превратятся в
комплексы ES, после чего дальнейший рост [S] уже не будет
сказываться на скорости ферментативной реакции. В
этом случае говорят о насыщении фермента, а
максимальную скорость реакции обозначают Vmax.
Графически такая зависимость описывается гиперболической
кривой (рис. 12.3). Такого рода кинетику называют
кинетикой Михаэлиса-Ментен, а подчиняющиеся этой
модели ферменты - ферментами Михаэлиса-Ментен.
Долгое время они были единственными известными
науке и потому получили название классических ферментов.
До сих пор мы использовали понятие низкая
концентрация субстрата, что не вполне корректно,
поскольку при одном и том же значении [S] один фермент
будет насыщен субстратом, а другой - нет. Это зависит
от прочности связывания субстрата ферментом или,

как говорят, от степени сродства фермента к субстрату.
Сродство может быть количественно выражено
константой диссоциации фермент-субстратного комплекса или
изменением свободной энергии при его образовании
и зависит от природы реагирующих веществ и числа
слабых связей, образующихся между ними.
Относительное сродство фермента к субстрату в
большинстве случаев можно оценить, зная константу
Михаэлиса Км. Этот параметр определяется как
концентрация субстрата, при которой скорость
ферментативной реакции составляет половину максимально
возможной (см. рис. 12.3) и, как нетрудно понять,
не зависит от количества фермента. (Заметим, однако,
что истинное значение Км можно определить, когда
скорость диссоциации комплекса ES на Ε + S
значительно выше, чем скорость распада ES на Ε 4- Р.)
Известно много графических методов преобразования
модели Михаэлиса-Ментен, позволяющих просто и точно
оценить величину Км, однако здесь мы ограничимся
самым простым изложением основных принципов
ферментативной кинетики, необходимых для понимания ре-
гуляторных механизмов.
Чем больше величина Км, тем ниже сродство
фермента к своему субстрату. Следовательно, значения Км
могут быть использованы для сравнения сродства
различных ферментов к их субстратам. Величины Км могут
о §■
8 еЗ
U Он
У Область насыщения
фермента субстратом
У * * * * Некатал изируемая
реакция
Км Концентрация субстрата [S]
(для некатализируемой реакции -
исходного вещества)
Рис. 12.3. Влияние концентрации субстрата на скорость
реакции (V). катализируемой ферментом, кинетика
которого описывается моделью Михаэлиса-Ментен
Км - константа Михаэлиса. Пунктирная линия отражает
свойства некатализируемой реакции, однако следует обратить
внимание только на форму этой зависимости, но не на абсолютные
значения скорости. Скорости реакций, протекающих в клетке,
были бы ничтожно малыми, если бы их не катализировали
ферменты
варьировать в диапазоне от наномолярных до миллимо-
лярных концентраций, но в целом они лежат в пределах
ΙΟ^-ΙΟ-4 М. Внутриклеточная концентрация субстрата
обычно соизмерима по порядку величины с Км, т. е.
фермент полностью субстратом в клетке не насыщен.
Какие ферменты метаболического
пути нужно регулировать?
Прямой ответ на данный вопрос таков: те ферменты,
которым эволюция придала это свойство. Любой
метаболический путь включает реакции, катализируемые
специфическими регулируемыми ферментами. Обычно они
расположены в стратегически важных местах, например,
на необратимой стадии в целом обратимого процесса.
Как правило, стратегическим пунктом контроля
является первый фермент метаболического пути. Рассмотрим
такую последовательность реакций: А—> В—> С—> D—> Е,
в которой метаболический путь заканчивается
образованием нужного клетке вещества Е. Важно, чтобы Ε
не производился в количестве, превышающем текущие
потребности в нем. Простейшей схемой автоматической
регуляции этого каскада реакций будет торможение
первого фермента, катализирующего превращение А—> В,
конечным продуктом (Е):
Ингибированис
Такой эффект достигается двумя путями: ингиби-
рованием фермента и/или уменьшением его количества.
Торможение именно первой стадии превращений
позволяет избежать накопления промежуточных продуктов В,
С и D, образующихся на последующих стадиях. Когда
метаболит Ε исчезает или его концентрация снижается,
ингибирование прекращается, в результате чего
синтез Ε возобновится с новой силой. Такой тип регуляции
в биохимии называется регуляцией по принципу
обратной связи, или ингибированием конечным продуктом. Он
часто встречается у бактерий (например, при синтезе
аминокислот) и осуществляется у них с
необыкновенной точностью. Однако этот тип регуляции слишком
примитивен для таких сложных процессов, как
метаболизм жиров или углеводов, где далеко не просто даже
назвать конечный продукт. Тем не менее он позволяет
регулировать метаболически разнесенные
ферментативные реакции ключевыми интермедиатами (продуктами
промежуточных реакций).
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
157

В ряде случаев регуляция осуществляется не
конечным продуктом (по принципу отрицательной обратной
связи), а исходным соединением (положительная прямая
связь), которое активирует ферменты, участвующие в его
превращении в данном метаболическом пути.
Природа регуляторных ферментов
Известны два основных способа регуляции
каталитической активности ферментов (изменение их количества
не рассматривается).
1. Аллостерическая регуляция.
2. Ковалентная модификация белка - обычно фос-
форилирование и дефосфорилирование.
Рассмотрим оба эти способа.
Аллостерическая регуляция
ферментов
Аллостерическая регуляция ферментов особенно важна
при управлении метаболизмом. Приставка алло-
означает другой. Она подразумевает, что на ферменте кроме
участка связывания субстрата есть по меньшей мере еще
один (их может быть несколько) участок связывания
другого соединения (или соединений).
Низкомолекулярные соединения, связываемые белком, принято называть
лигандами; этот термин часто распространяют и на
небольшие белки. Лиганды, связывающиеся с аллостери-
ческими участками, называют аллостерическими
эффекторами, или аллостерическими регуляторами.
Они обычно не похожи на субстрат. Действие
эффекторов, как правило, наблюдают при определенной
концентрации субстрата. Положительные эффекторы при
связывании с аллостерическим участком фермента
увеличивают его активность, отрицательные - ее
понижают. Иными словами, аллостерические эффекторы
можно подразделить на активаторы и ингибиторы.
В некоторых случаях аллостерические ингибиторы
снижают скорость ферментативной реакции, уменьшая
Vmax. Чаще, однако, их действие проявляется в
уменьшении сродства фермента к субстрату. Выше
отмечалось, что ферменты в клетке обычно работают, когда
концентрация субстратов ниже насыщающей. Поэтому
уменьшение сродства субстрата к ферменту приводит
к снижению активности последнего, а увеличение
сродства, наоборот, к его активации. При насыщающих
фермент концентрациях субстрата аллостерические
эффекторы не изменяют Утах, даже если сродство фермента
к субстрату изменяется. Однако в реальных условиях,
часть 3 Метаболизм
158
когда концентрации субстратов в клетке по большей
части далеки от насыщающих, эффекторы могут влиять
на величину скорости реакции.
Механизм аллостерической регуляции
ферментов
Мы обсудим сейчас природу аллостерических
ферментов, для которых связывание эффектора отражается
на сродстве фермента к субстрату (это основной тип
аллостерической регуляции ферментов). Такие
аллостерические ферменты состоят из нескольких каталитически
активных белков, которые посредством нековалентных
связей объединены в единый ферментный комплекс.
Компоненты такого комплекса называют белковыми
субъединицами, протомерами или мономерами. Хотя
каждая из субъединиц обладает каталитической
активностью, общая активность фермента зависит от их
взаимодействия друг с другом. Типичные кривые
зависимости скорости ферментативной реакции от
концентрации субстрата представлены на рис. 12.4. Аллостери-
ческий фермент отличается от «классического» тем, что
его кривая имеет не гиперболическую, а сигмоидную
форму (ее также называют S-образной). Что из этого
следует и почему так получается?
Ответим на первый вопрос. Когда аллостерический
активатор связывается ферментом, сигмоидная кривая
сдвигается влево, тогда как аллостерический ингибитор
сдвигает ее вправо (рис. 12.5). Сдвиг кривой влево
V l
v max χ- .
t* я
о< 5 /ι
^ α /ι
/fM K{) ^ Концентрация субстрата [S]
Рис. 12.4. Влияние концентрации субстрата на скорость
реакции (К), катализируемой типичным аллостерическим
ферментом
Пунктирной линией для сравнения показана соответствующая
кривая для «классического» фермента, подчиняющегося
кинетике Михаэлиса-Ментен. Поскольку понятие Км не имеет
физического смысла вне модели Михаэлиса-Ментен, здесь
используется обозначение К{) 5

свидетельствует об увеличении сродства фермента к
субстрату, а сдвиг вправо - о его уменьшении. Сигмоидная
форма кривой, отражающей зависимость скорости
ферментативной реакции от концентрации субстрата,
указывает на то, что скорость реакции более чувствительна
к изменению концентрации субстрата, чем при
гиперболической зависимости, особенно в области скоростей,
близких к 0,5 Vmax.
Почему зависимость скорости реакции от
концентрации субстрата приобретает сигмоидную форму?
Взаимодействие одной из субъединиц аллостерического
фермента с субстратом способствует лучшему
связыванию молекул субстрата другими субьединицами.
Такой эффект называют гомотропным кооперативным
связыванием субстрата. Термин гомотропный
отражает то обстоятельство, что все субьединицы связывают
один и тот же лиганд - субстрат. Поскольку в данном
случае сигмоидная форма кривой обусловлена только
связыванием субстрата, такую регуляцию не совсем
верно интерпретировать как результат аллостерического
конформационного изменения (предполагающего
взаимодействие эффектора с участком, отличным от
каталитического). Однако кооперативность часто относят
к аллостерическим эффектам несмотря на то, что
участки связывания лиганда и субстрата идентичны.
По-видимому, кооперативное взаимодействие можно считать
аллостерическим, так как связывание субстрата каждой
из субъединиц зависит от присутствия лиганда на
соседней субъединице.
0,5VWi
Аллостерическии
активатор
Аллостерическим
ингибитор
^0,5" ^0,5' К из"
Концентрация субстрата [S]
Рис. 12.5. Влияние концентрации субстрата на скорость
реакции (V), катализируемой типичным аллостерическим
ферментом
Vv V2 и Уъ- скорости реакции соответственно без лиганда,
в присутствии аллостерического активатора и
аллостерического ингибитора при фиксированной концентрации субстра-
xaSitfJ
Каков механизм взаимного влияния участков
связывания различных субъединиц? Предложены две
теоретические модели, согласно которым участок связывания
субстрата может находиться в двух состояниях,
различающихся по сродству к субстрату. Назовем их
состояниями с высоким и низким сродством. Предполагается,
что связывание субстрата увеличивает долю субъединиц
с высоким сродством к субстрату. Обе модели
различаются деталями распространения взаимовлияния
субъединиц в пределах единого белкового комплекса.
В рамках согласованной модели, предложенной
Моно, Уайменом и Шанже (рис. 12.6), все субъединицы
могут одновременно находится либо в состоянии с
высоким сродством, либо с низким. Обе формы белкового
комплекса при этом находятся в динамическом
равновесии, которое сдвинуто в сторону белка с низким
сродством субъединиц. Связывание субстрата с любой
субъединицей сдвигает это равновесие в противоположную
сторону - к образованию белка с высоким сродством.
Таким образом, с ростом концентрации субстрата все
большее число молекул фермента переходит в
состояние с высоким сродством.
Заметим, что все сказанное относится к
кооперативному связыванию субстрата, а не к аллостерическим
модификаторам или эффекторам, регулирующим
фермент. Это особый вопрос. Согласно данной модели,
аллостерические регуляторы изменяют положение
равновесия между состояниями молекулы с низким
сродством (его обозначают буквой Т, от англ. tense -
напряжение, т. е. напряженное состояние) и высоким
сродством (обозначаемым буквой R, от англ. relaxed, т. е.
расслабленное состояние). Если аллостерическии
регулятор более прочно связывается с ферментом в
состоянии R, он будет смещать равновесие T<->R вправо.
Спонтанное
равновесие
сильно
сдвинуто влево
Рис. 12.6. Модель «согласованного» кооперативного
связывания субстрата
Согласно этой модели, фермент существует в двух
состояниях - Τ и R, находящихся в равновесии, которое, однако, в
отсутствие субстрата сдвинуто в сторону формы Т. В случае
связывания молекул субстрата с формой R равновесие
сдвигается вправо, что увеличивает сродство к субстрату всех
субъединиц в этой молекуле. Обозначения Η (High) и L (Low)
указывают на сродство фермента к субстрату
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
159

Это приведет к активации фермента, так как большее
число его молекул при данной концентрации субстрата
будет в форме R. По мере увеличения концентрации
положительного аллостерического регулятора все больше
молекул фермента перейдет в состояние R (с высоким
сродством), а кривая зависимости скорости реакции
от концентрации субстрата станет гиперболической.
Обратная ситуация возникает, когда регулятор
отрицательного типа более прочно связывается с молекулами
фермента в состоянии Τ и переводит другие молекулы
в это же состояние, уменьшая скорость ферментативной
реакции в целом.
Последовательную модель разработали Кошланд,
Немети и Филмер. Они предположили, что в отсутствие
субстрата все молекулы фермента находятся в
состоянии Τ с низким сродством. Равновесия между
состояниями Τ и R нет (поскольку нет состояния R).
Связывание молекулы субстрата с одной субьединицей
вызывает изменение ее конформации (от Τ к R), а также
конформации соседней субъединицы, увеличивая ее
сродство к молекуле субстрата, которому теперь легче с
ней связаться. Связывание второй молекулы субстрата
будет способствовать переходу третьей субъединицы
в состояние R, и этот процесс будет повторяться до тех
пор, пока все субъединицы фермента не перейдут в
состояние R с высоким сродством (рис. 12.7).
Обе модели удовлетворительно объясняют
наблюдаемые эффекты, их нельзя рассматривать как
взаимоисключающие. Истинный механизм аллостерической
регуляции вполне может оказаться промежуточным.
Некоторые ферменты, например глицеральдегид-
3-фосфатдегидрогеназа (см. с. 112), проявляют
^оперативность при связывании субстрата, однако для них
неизвестны аллостерические регуляторы. Такие
ферменты более чувствительны к изменениям концентрации
субстратов, чем классические, и, возможно, именно это
служит причиной кооперативного связывания. В
дальнейшем мы встретимся с более сложным вариантом
аллостерической регуляции, когда участок связывания
регулятора расположен на отдельной регуляторнои
субъединице, лишенной каталитических свойств.
Связывание аллостерического регулятора с этим участком
приводит к тому, что регуляторная субъединица покидает
комплекс, а каталитические субъединицы изменяют
сродство к субстрату. Такое управление ферментативной
реакцией может показаться чрезмерно громоздким,
но эволюция прежде всего заботится о надежности и
работоспособности системы.
Обратимость
аллостерической регуляции
Наиболее важной особенностью аллостерической
регуляции является ее мгновенное действие. Аллостеричес-
кий лиганд практически мгновенно связывается с регуля-
торным центром за счет нековалентных взаимодействий.
Регулятор диссоциирует из комплекса с ферментом,
когда его концентрация в среде уменьшается; при этом
фермент возвращается в исходное состояние.
Аллостерическая регуляция -
метаболическая концепция
огромной мощности
Существенным в аллостерической регуляции
является тот факт, что эффектор по своему строению может
не иметь ничего общего ни с субстратом данного
фермента, ни с любым другим веществом, образующимся
в процессе метаболических превращений. Это
означает, что любой метаболический путь может быть регуля-
торно связан с любым другим. Метаболит(ы) одного
из каскадов биохимических превращений может(гут)
быть регулятором(ами) другого. Более того, фермент
может управляться не одним, а несколькими
регуляторами, каждому из которых отведен специфический
участок связывания, и получать таким образом регулятор-
ные сигналы от нескольких метаболических путей, что
увеличивает гибкость регуляции.
+S
S S S S
+S +S S +s
S S
S S
Рис. 12.7. Модель «последовательного» кооперативного связывания субстрата аллостерическим ферментом
Связывание одной молекулы субстрата с субъединицей вызывает конформационное изменение последней. Это облегчает кон-
формационную перестройку второй субъединицы при взаимодействии её со следующей молекулой субстрата и т. д. Суммарный
эффект заключается в изменении общей конформации белка
часть 3 Метаболизм
160

Мы уже познакомились с тем, как сложны и
взаимозависимы метаболические пути, так или иначе связанные
с производством и хранением энергии. В такой сложной
системе каждый отдел должен «знать», как дела у
«соседей», оценивая уровень ключевых метаболитов.
Достаточно АТР или нет? Поставляется ли циклу лимонной
кислоты нужное количество ацетил-СоА? Протекает ли
гликолиз слишком быстро или недопустимо медленно?
Представьте, какой химический хаос воцарится, если
каждый метаболический путь не будет ежесекундно
подстраиваться к текущей ситуации, исходя из информации,
поступающей от других метаболических путей или
различных участков собственного пути! Принцип аллостери-
ческой регуляции открыл для эволюции возможность
создавать множество информационных каналов, которые
позволяют ферментам получать сигналы из любой точки
на метаболической карте. Как заметил Моно, один из
первооткрывателей аллостерической регуляции, без нее
просто невозможно существование столь сложной
системы, как клетка. Он называл аллостерическую регуляцию
«вторым секретом жизни» (первый - ДНК).
Роль фосфорилирования в регуляции
ферментативной активности
Теперь приступим к рассмотрению второго метода
регуляции ферментов - фосфорилирования. Строго
говоря, следовало бы посвятить этот раздел более общей
проблеме регуляции за счет ковалентной модификации
ферментов. Однако фосфорилирование имеет
настолько важное значение, что обсуждение этого процесса
отдельно вполне оправданно.
Принцип предельно прост. Существуют ферменты,
называемые протеинкиназами, которые переносят
остаток фосфата с АТР на соответствующий белок. При
этом изменяется конформация фосфорилированного
белка и, как следствие, его каталитические свойства.
Мишенью для фосфорилирования может быть не
только фермент, но и регуляторный белок - ингибитор или
активатор фермента. В этом случае фосфорилирование
влияет на его регуляторные свойства. Нет ничего
удивительного в том, что введение сильно заряженной
группы отражается на структуре белковой молекулы. С
другой стороны, фосфатные остатки легко отщепляются
протеинфосфатазами (рис. 12.8).
Фосфорилированию подвергаются гидроксильные
группы отдельных остатков серина и треонина в
полипептидной цепи фермента, которые киназа различает
по их аминокислотному окружению (в главе 26 описано
фосфорилирование тирозина, в данном разделе мы
этого вопроса касаться не будем).
е ос рилированный
dbe мент
Фо
-о-®
АТР
Про инкиназ'
ADP
Фосфорилированный
фермент
Рис. 12.8. Регуляция активности фермента посредством его
фосфорилирования
В разных случаях фосфорилированный фермент может быть
либо более, либо менее активным, чем нефосфорилированный.
Возможна также регуляция фермента с помощью ингиби-
торного белка, активность которого меняется при его фосфо-
рилировании
На схеме показана гидроксильная группа серина,
подвергающаяся фосфорилированию:
ι ι Я
СН—СН2ОН + АТР СН—СН2—О—Р-СГ + ADP.
I II
со со ο-
Ι I
Остаток серина
в полипептиде
Итак, мы познакомились с двумя основными
механизмами, регулирующими активность ферментов -
аллостерической регуляцией и обратимым фосфорилиро-
ванием. Теперь следует рассмотреть, как эти механизмы
используются для регуляции метаболизма.
Регуляция отдельных
метаболических путей
Два типа управления - внутреннее
и внешнее, или внеклеточное
Аллостерическая регуляция ферментов осуществляется
при непосредственном участии фермента и субстрата,
тогда как при регуляции с помощью фосфорилирования
активность фермента-мишени зависит от соотношения
киназ и фосфатаз. Чем же определяется это
соотношение? В большинстве случаев (хотя и не всегда) оно
определяется гормональным сигналом, поступающим с
наружной стороны клетки.
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
161

Управление метаболизмом - сложный комплексный
процесс. Чтобы сделать его рассмотрение более
доступным, разделим материал на два обширных раздела.
Сначала мы расскажем о внутриклеточной регуляции,
которая координирует взаимодействие метаболических
путей и отдельных их участков внутри отдельной
клетки, чтобы избежать дефицита или перепроизводства
необходимых веществ. На этом уровне регуляторными
сигналами служат сами метаболиты, а управление
обычно (хотя далеко не всегда) осуществляется посредством
аллостерической регуляции. В одних случаях при этом
используется принцип обратной связи, который,
например, не позволяет гликолизу производить больше пиру-
вата, чем его способен переработать цикл лимонной
кислоты. В других случаях, напротив, регуляция по
принципу положительной связи позволяет удаленным
по цепи превращений метаболическим звеньям
справиться с нарастающим потоком субстратов.
Полностью изолированная клетка могла бы
довольствоваться внутренним управлением метаболическими
процессами. Однако в организме функционируют
системы внешнего управления жизнедеятельностью клеток
(разумеется, внешнего в отношении клеток, но не
организма). Сигналы поступают к клеткам от гормонов или
нейромедиаторов, заставляя их подчинять основные
метаболические превращения интересам всего организма,
например запасать или сжигать топливо. Такая регуляция
особенно необходима, если работа клетки важна для
организма в целом. Клетки не могут сами принять решение
о том, что нужно организму. Они должны получить
сигнал извне, и лишь после этого внутриклеточная
регуляция включится в поддержание необходимых процессов.
Основные моменты
внутренней регуляции метаболизма
углеводов и липидов
Внутриклеточная регуляция
метаболизма гликогена
Метаболизм гликогена включает синтез этого полимера
гликогенсинтазой и его расщепление гликогенфосфори-
лазой. Гликоген синтезируется в период хорошего
питания, и этот синтез регулируется внешними сигналами
(см. с. 169). Расщепление гликогена преследует две
физиологические цели. Общей для всех тканей задачей
является поставка гликолизу исходного материала - глю-
козо-6-фосфата. Именно в него с помощью фосфоглю-
комутазы превращается первичный продукт распада
гликогена - глюкозо-1-фосфат, а гликогенфосфорилаза
часть 3 Метаболизм
162
(фермент, расщепляющий гликоген) занимает ключевое
место в метаболизме. Энергия, образующаяся в процессе
гликолиза в виде АТР, необходима для всех тканей,
но особое значение она имеет для мышц, сокращение
которых сопровождается интенсивным потреблением
АТР (см. главу 28). В печени распад гликогена
происходит с целью поддержать на должном уровне
концентрацию глюкозы в крови.
Механизмы регуляции гликогенфосфорилазы,
которая является примером «классического» регуляторного
фермента, подробно изучены (это особенно касается
фермента из мышц). В покоящейся мышце она
находится в виде неактивной фосфорилазы Ь, которая
частично активируется AMP, действующим в качестве ал-
лостерического эффектора (максимальную активацию
вызывают внешние сигналы). Почему именно AMP
выступает в данном случае в роли аллостерического
сигнала? Гликогенфосфорилаза должна быть
активирована, когда резерв энергии в клетке достаточно мал, т. е.
в клетке мало АТР. Поскольку аденилаткиназа
катализирует реакцию:
2ADP<->AMP + ATP,
AMP служит индикатором накопления ADP, который
образуется при гидролизе АТР и, следовательно,
отражает уменьшение концентрации последнего. Расчеты
показывают, что даже незначительный расход АТР
приводит к относительно большому увеличению
концентрации AMP, активирующего гликогенфосфорилазу,
чтобы обеспечить производство дополнительной энергии.
С другой стороны, АТР и глюкозо-6-фосфат являются ал-
лостерическими ингибиторами гликогенфосфорилазы
(рис. 12.9). Если их достаточно, зачем производить еще?
Простая внутриклеточная регуляция контролируется
извне и зависит от физиологического режима всего
организма (см. с. 169).
В печени ситуация та же: AMP активирует фосфо-
рилазу Ъ до -20% от максимального уровня, а внешние
сигналы имеют приоритет над внутренними, хотя здесь
они преследуют достижение иных физиологических
целей (см. с. 169).
Итак, и в мышцах, и в печени в отсутствие
внеклеточных регуляторов (о них мы поговорим чуть позже)
фосфорилаза находится в неактивной форме Ъ. AMP
акивирует фермент, а АТР и глюкозо-6-фосфат ингиби-
руют активность фосфорилазы.
Гликолиз и глюконеогенез
Из общей схемы регуляторных путей, изображенных
на рис. 12.9, следует, что:

• рост концентрации AMP указывает на увеличение
отношения ADP/ATP;
• AMP активирует гликогенфосфорилазу и фосфоф-
руктокиназу;
• AMP ингибирует фруктозо-1,6-дифосфатазу;
• активация распада гликогена сопровождается
увеличением уровня фруктозо-6-фосфата;
• фруктозо-6-фосфат активирует фосфофруктокиназу;
• активация фосфофруктокиназы приводит к
увеличению концентрации фруктозо-1,6-дифосфата;
• фруктозо-1,6-дифосфат активирует пируваткиназу.
Из перечисленного видно, что система аллостеричес-
кой регуляции гликолиза включает как отрицательные
и положительные обратные связи, так и положительные
прямые связи. Эволюция редко ограничивается каким-то
одним способом регуляции. Так, в данной системе фос-
фофруктокиназа активируется AMP, но ингибируется
АТР. Это позволяет гликолизу точно реагировать на
изменения соотношения ATP/ADP (через концентрацию
AMP).
С ростом уровня АТР замедляется цикл лимонной
кислоты и происходит накопление цитрата. Последний
выходит из митохондрий в цитоплазму и аллостери-
чески ингибирует фосфофруктокиназу. Таким способом
процесс гликолиза приостанавливается. Та же цель
достигается и другим путем: ацетил-СоА аллостерически
ингибирует пируваткиназу.
Особо следует остановиться на активации пируват-
карбоксилазы посредством ацетил-СоА, в результате
чего образуется оксалоацетат (см. рис. 12.9). Накопление
ацетил-СоА происходит при торможении цикла
лимонной кислоты (вследствие дефицита оксалоацетата).
Вполне естественно, что при этом автоматически
запускается анаплеротическая реакция (см. с. 122). Эта регу-
ляторная связь существенна также для глюконеогенеза.
Внутриклеточная регуляция
пируватдегидрогеназы,
цикла лимонной кислоты
и окислительного фосфорилирования
Пируватдегидрогеназа (см. с. 116) занимает
стратегически важное положение в метаболизме, катализируя
необратимую реакцию превращения пирувата в аце-
тил-СоА, который поступает в цикл лимонной кислоты,
а также используется при синтезе жиров. Разные
способы регуляции этого фермента показаны на рис. 12.10.
Оба его продукта - ацетил-СоА и NADH, являются ал-
лостерическими ингибиторами фермента, а субстраты -
CoA-SH и NAD+ - активаторами. Таким образом,
активность пируватдегидрогеназы определяется
соотношениями ацетил-СоА/СоА и NADH/NAD+. Логика
Гликоген
LJDPG
Глюкозо-1 -фосфат *
1 ликогенфосфс илаз
+ AMP
- АТР
Глюкозо-6-фосфат^
Фруктозо-6-фосфат
Фруктозо-1 6
дифосфатаза
AMP -
) ос о τ
+ ^
+ AMP
- - АТР
- -« Цитрат
Фруктозо-1,6-дифосфатч
Оксалоацетат
г Фосфоенолпируват
Пи ваткиназа
- - АТР
- -· Ацетил-СоА
Шруваткар- \ Пируват
юксилаза |
Ацетил-СоА
Рис. 12.9. Главные пути аллостерической регуляции
метаболизма гликогена, гликолиза и глюконеогенеза
Цветом выделены активирующие звенья регуляции, а
пунктиром - ингибирующие. UDPG - уридиндифосфатглюкоза
очевидна. Если существует значительный избыток аце-
тил-СоА и NADH, значит их образование с помощью
пируватдегидрогеназы должно быть приостановлено.
И наоборот, если высока концентрация CoA-SH и NAD+,
то фермент должен активно работать.
Особое значение имеет отрицательная регуляция
фермента высокими концентрациями АТР. Накопление АТР
свидетельствует о необходимости замедлить его
производство. Регуляция активности фермента с помощью
АТР - не прямой процесс. При увеличении молярного
отношения ATP/ADP активируется протеинкиназа
пируватдегидрогеназы, которая фосфорилирует фермент, тем
самым ингибируя его (напомним, что фосфорилированию
всегда противостоит дефосфорилирование,
катализируемое фосфатазами) (см. рис. 12.10). Киназа входит в
состав пируватдегидрогеназного комплекса. Помимо АТР
она активируется также ацетил-СоА и NADH. Все эти ре-
гуляторные эффекты сводятся к одному: прикрыть
«топливный кран», если вырабатывается избыток энергии.
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
163

Прямая аллостерическая регуляция ПДГ:
ингибирование продуктами (ацетил-СоА, NADH)
Регуляция
фосфатазы
(Са2+-зависимая)
Н70
Активная]
пдг У_он
Пируват Ацетил -СоАл
+ C0A-SH +NADH
+ NAD+

Неактивная ПДГ" _0-Гр)
АТР
иротеинкиназа
Регуляция протеинкиназы:
актвация продуктами ПДГ
(ацетил-СоА, NADH, АТР),
ингибирование субстратами
ПДГ (пируват. CoA-SH, NAD+)
ADP
Рис. 12.10. Аллостерическая регуляция и обратимое фосфорилирование как способы управления активностью пируват-
дегидрогеназного ферментного комплекса млекопитающих (ПДГ)
Множественность способов контроля обусловлена стратегическим положением этого комплекса в общем метаболизме, так
как ацетил-СоА далее поступает в цикл лимонной кислоты и используется для синтеза жиров. Все способы регуляции
фактически призваны обеспечить ингибирование ПДГ продуктами его активности и активацию субстратами (АТР можно
рассматривать как отдаленный продукт превращения ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты). Регуляция посредством обратимого фос-
форилирования обычно сопряжена с гормональной регуляцией, а ионы кальция, стимулирующие активность фосфатазы,
накапливаются под действием катехоламинов
Аллостерическая регуляция ферментов
осуществляется также и в цикле лимонной кислоты, и в цепи
переноса электронов. Однако в этих системах,
расположенных в митохондриях, основные регуляторные
механизмы связаны с изменениями концентрации таких
ключевых субстратов, как NAD+ и ADP. Если большая часть
NAD представлена восстановленной формой NADH,
активность дегидрогеназ в цикле лимонной кислоты
снижается. Поскольку NADH накапливается в том
случае, когда не успевает окислиться в цепи переноса
электронов (например, из-за недостатка кислорода),
ингибирование некоторых реакций цикла лимонной кислоты
можно рассматривать как регуляторный ответ. Точно
также при малом молярном соотношении ADP/ATP
тормозится перенос электронов по митохондриальной
цепи, поскольку процессы фосфорилирования и
окисления в митохондриях тесно взаимосвязаны. Эта
взаимосвязь носит специальное название - дыхательный
контроль - и имеет огромное значение.
Наряду с NAD+ и ADP цикл лимонной кислоты
регулируется на уровне цитратсинтазы (ингибируется АТР),
изоцитратдегидрогеназы (ингибируется АТР,
активируется ADP) и сх-кетоглутаратдегидрогеназы
(ингибируется NADH и сукцинил-СоА).
Все эти регуляторные звенья вполне логичны и
помогают поддерживать баланс метаболитов в цикле
лимонной кислоты, чтобы избежать их избытка или
дефицита.
Внутриклеточная регуляция процессов
окисления и синтеза жирных кислот
Схема регуляции этих процессов представлена на
рис. 12.11. Смысл ее в том, чтобы избежать
одновременного протекания в одной клетке окисления и синтеза
жирных кислот.
Эти два метаболических пути всячески подавляют
друг друга. Исходные вещества окисления - СоА-про-
изводные жирных кислот (см. с. 132) - аллостерически
ингибируют первый фермент синтеза жирных кислот -
ацетил-СоА-карбоксилазу. Напротив, ключевой
метаболит системы синтеза жиров - малонил-СоА (см. с. 138) —
аллостерически ингибирует перенос ацильных остатков
на карнитин (см. с. 133). Из-за этого жирнокислотные
остатки не могут попасть внутрь митохондрий и
подвергнуться там окислению: если вы синтезируете жиры,
вряд ли стоит одновременно сжигать их в
митохондриальной топке. Ацетил-СоА-карбоксилаза in vitro
активируется цитратом, превращение которого приводит
к образованию ацетил-СоА - субстрата этого же
фермента (см. с. 141). Цитрат выходит из митохондрий лишь
в том случае, если его там много, т. е. при изобилии
пищи, когда самое время накапливать жиры. Нет
сомнений, что в пробирке цитрат активирует ацетил-СоА-кар-
боксилазу, однако пока не установлено, имеет ли место
такая активация в клетке. В то же время бесспорно, что
часть 3 Метаболизм
164

Нейтральные жиры Нейтральные жиры
Синтез Τ J Окисление
Свободная жирная кислота
I
Малонил-СоА -..
АМР-
-V --- Ацил-СоА
Ацетил-СоА
Ацилкарнитин
Цитрат в цитоплазме
Цитоплазма
Цитрат в цикле цил~ ° Матрикс
лимонной кислоты
* Митохондриаль-
Окисление ная мембрана
Рис. 12.11. Основные места внутриклеточной регуляции
при окислении и синтезе жиров
Поскольку при окислении жиров образуется ацетил-СоА,
скорость его последующих превращений зависит от регуляции
реакций цикла лимонной кислоты и т. д. Пунктиром показаны
аллостерические воздействия. Цитрат активирует аце-
тил-СоА-карбоксилазу in vitro, однако пока не ясно, имеет ли
это какое-то физиологическое значение
ацетил-СоА-карбоксилаза ингибируется при фосфори-
лировании. Оно осуществляется протеинкиназой,
активность которой зависит от присутствия AMP, тогда как
обратная фосфатазная реакция контролируется на
гормональном уровне (см. с. 176).
Все, что было сказано выше о внутриклеточной
регуляции метаболизма углеводов и жиров, разумеется,
не претендует на исчерпывающее изложение
накопленных сведений. Но этих данных более чем достаточно
для понимания того, что метаболизм не является
суммой последовательно протекающих реакций. Это
сложный, вполне упорядоченный процесс, в котором все
метаболические пути тесно взаимосвязаны между собой.
Чтобы понять, как клеточный метаболизм
согласуется с физиологическими потребностями организма
в целом, необходимо уяснить внеклеточную регуляцию
гормонами и другими соединениями. Они часто
контролируют те же реакции, что и внутриклеточные
соединения, поэтому некоторые реакции подвергаются как
внутри-, так и внеклеточной регуляции.
Регуляция метаболизма углеводов
и жиров внеклеточными агентами
Особую роль среди внеклеточных агентов, участвующих
в регуляции углеводного и жирового обмена, играют
гормоны глюкагон, инсулин, адреналин и норадрена-
лин. Гормоны действуют мгновенно, вызывая подчас
сильный эффект. Они помогают организму
приспособиться к периодическим чередованиям состояний
насыщения и голода (см. с. 84).
В целом гормональная регуляция чрезвычайно
сложна. Гормоны гипофиза, надпочечников, щитовидной
железы и др. (см. табл. 26.1) воздействуют на
метаболизм далеко не всегда понятным образом. Обычно их
действие опосредовано множеством событий и
растянуто во времени. Например, при избытке тироксина люди
постепенно худеют и становятся легко возбудимыми,
а его недостаток вызывает обратные и тоже медленно
развивающиеся эффекты. Однако есть гормоны,
которые проявляют себя направленно и быстро.
Как вы помните, глюкагон - это «гормон голода»,
который вырабатывается поджелудочной железой в
ответ на снижение уровня глюкозы в крови. И наоборот,
при повышении содержания глюкозы выделяется
инсулин (см. с. 84). Адреналин и норадреналин образуются
в мозговом слое надпочечников и вызывают активацию
процессов, связанных с превращением пищевых
веществ. Норадреналин выделяется также
симпатическими нервными окончаниями. Симпатическая нервная
система управляет непроизвольными сокращениями
гладких мышц внутренних органов, а также иннер-
вирует жировую ткань. Ее можно рассматривать как
способ быстрой доставки дозированного количества
гормона непосредственно к регулируемым клеткам
и органам.
Как регулируется содержание в крови
инсулина, глюкагона и адреналина?
Инсулин - небольшой белок, синтезируемый и секрети-
руемый в кровь β-клетками островков Лангерганса
поджелудочной железы. Время жизни инсулина в крови
невелико, поэтому его действие затухает, как только
прекращается секреция. β-Клетки очень чувствительны
к изменениям концентрации глюкозы и начинают секре-
тировать инсулин не позже чем через минуту после
увеличения содержания глюкозы в крови в результате
приема пищи. Важно отметить, что сродство глюкозы
к транспортному белку, обеспечивающему ее
поступление в клетки, очень мало, поэтому белок начинает
функционировать лишь после того, как содержание
глюкозы в крови превысит нормальный уровень - 90 мг
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
165

в 100 мл, или 5 мМ. Зависимость скорости секреции
инсулина от концентрации глюкозы описывается сигмо-
идной кривой; отсюда высокая чувствительность
ответа на изменения ее содержания.
Глюкагон, напротив, секретируется поджелудочной
железой при снижении концентрации глюкозы в
крови. Адреналин же выделяется надпочечниками в ответ
на нервный сигнал.
Как работают гормоны
глюкагон, адреналин и инсулин?
Гормоны представлены веществами различной
химической природы, поступающими в кровь. Они
передают химические сигналы и доступны всем тканям.
Избирательность их действия достигается тем, что не все
клетки, а лишь клетки-мишени воспринимают эти
сигналы.
Жирорастворимые гормоны (стероиды, тироксин)
беспрепятственно проникают через плазматическую
мембрану, тогда как водорастворимые гормоны
(глюкагон, адреналин, инсулин) через нее пройти не могут. Их
молекулы связываются рецепторными белками,
специфичными для каждого гормона и расположенными
на поверхности клеток. Избирательность связывания
гормона с рецепторным белком имеет ту же природу, что
и специфичность взаимодействия фермента с
субстратами. Только клетки, предназначенные быть мишенью
для гормона, имеют «настроенные» на него рецепторы.
Остальные клетки присутствия гормона не ощущают,
они как бы слепы по отношению к нему.
Гормоны быстро выводятся из крови, поэтому как
только железа перестает выделять гормон, его
концентрация падает, гормон-рецепторные комплексы
диссоциируют и сигнал исчезает. Однако, пока гормон связан
с рецептором, его присутствие вызывает определенные
химические изменения внутри клетки, которые и
составляют гормональный ответ (рис. 12.12).
Клеточный рецептор
Гормон
Рис. 12.12. Гормон, инициирующий химические реакции
в цитоплазме, связывается рецептором на поверхности
клетки
В основе современных представлений о природе
гормонального ответа лежит концепция вторичного
мессенджера (англ. messenger - гонец, посредник,
посланец).
Что такое вторичный мессенджер?
Гормон можно рассматривать как первичный
мессенджер: связываясь со своим клеточным рецептором, он
передает гуморальный сигнал клетке. При этом
изменяется уровень вторичного мессенджера -
внутриклеточной молекулы, запускающей в клетке те или иные
химические превращения в ответ на связывание
гормона с рецептором.
Что служит вторичным мессенджером
для глюкагона, адреналина
и норадреналина?
В случае глюкагона и адреналина вторичным
мессенджером служит циклический аденозин-3',5'-монофосфат,
или циклический AMP (cAMP), который синтезируется
из АТР ферментом аденилатциклазой (рис. 12.13).
В свою очередь, с AMP аллостерически активирует
сАМР-зависимую протеинкиназу, которая фосфори-
лирует гидроксильные группы серина или треонина
белков-мишеней, изменяя активность последних. Каскад
регуляторных реакций, передающих гормональный
сигнал, представлен на рис. 12.14.
Механизм, посредством которого сАМР
активирует протеинкиназу, показан на рис. 12.15. В отсутствие
сАМР киназа представляет собой тетрамер,
образованный двумя каталитическими и двумя регуляторными
субъединицами. В составе тетрамера каталитические
субъединицы неактивны. Когда сАМР связывается с
регуляторными субъединицами, тетрамер распадается
на мономеры с высвобождением каталитически
активных субъединиц.
Фермент сАМР-фосфодиэстераза гидролизует
сАМР до AMP (рис. 12.16). Поэтому активация проте-
инкиназы зависит от постоянного образования сАМР,
которое прекращается, как только гормон покидает
рецептор. Как уже упоминалось, гормоны в крови тоже
постоянно разрушаются или удаляются, так что их
присутствие в ней зависит от секреции. Таким образом,
каждый этап передачи гормонального сигнала
включает механизм его торможения. Когда уровень гормона
падает, образование сАМР прекращается, фосфорили-
рованные белки дефосфорилируются протеинфосфата-
зами и все возвращается в исходное состояние.
В этой главе мы не обсуждаем, как гормон запускает
синтез с AMP и как этот синтез прекращается, когда
гормон покидает рецептор. Вопросы передачи сигналов
часть 3 Метаболизм
166

NH7
NH2
А енила иклаза
0 0 0
II II II
ο — ρ—ο—ρ—ο—ρ—о—сн2
ill н н
οο-ο- . Η Η
Η Η
он он
Τ"
ΡΡ, О—СН2
Ι η η ι
й 3. η
ο=ρ — о он
ο
Аденозинтрифосфат (АТР)
Рис. 12.13. Синтез циклического AMP из АТР, катализируемый аденилатциклазой
Циклический аденозин-3\5'-монофосфат
(с AMP)
Гормон
(адреналин, глюкагон)
Связывание с
рецептором клетки-мишени
ι
Увеличение концентрации
сАМР внутри клетки
г
R
R
С
Неактивная
протеинкиназа А
R
R
сАМР
Регуляторные субъединицы,
связавшие сАМР
с
сАМР активирует
протеинкиназу
Протеинкиназа фосфорилирует
специфические белки
\\\
Фосфорилирование белков приводит к
изменению их ферментативной активности
и метаболическому ответу
Рис. 12.14. Этапы гормональной регуляции метаболизма
Здесь не показано, что с AM Ρ постоянно разрушается и дефос-
форилирование белков осуществляется фосфатазами.
Метаболический ответ поддерживается до тех пор, пока гормон
связан с рецептором
через клеточные мембраны детально рассматриваются
в главе 26. Пока достаточно понять, что связывание глю-
кагона и адреналина клеточными рецепторами приводит
к увеличению внутриклеточной концентрации сАМР
Управление числом рецепторов
Число специфических рецепторов на поверхности
клетки может регулироваться. Продолжительный контакт
клетки с агонистом (так называют любое соединение,
которое связывается с рецептором и активизирует его) может
привести к обратимому уменьшению числа рецепторов
Активные каталитические
субъединицы протеинкиназы А
Рис. 12.15. Активация сАМР-зависимой протеинкиназы
под действием сАМР
R и С - соответственно регуляторные и каталитические
субъединицы протеинкиназы
и к снижению чувствительности клетки к данному аго-
нисту, а следовательно, к более слабому ответу. Это
явление называют даунрегуляцией (англ. downregulation).
Кроме того, рецептор может быть инактивирован в
результате его фосфорилирования цитоплазматической
киназой, после чего связывание его с гормоном не
будет приводить к синтезу сАМР. Поскольку такого рода
фосфорилирование стимулируется сАМР, интенсивность
клеточного ответа регулируется им по принципу
отрицательной обратной связи.
Все эти виды регуляции имеют место в случае
рецепторов адреналина, инсулина и глюкагона.
Как инсулин управляет
метаболизмом?
Инсулин влияет на энергетический метаболизм
диаметрально противоположно глюкагону (см. главу 5).
Инсулин - белковый гормон, который известен довольно
давно и изучен, пожалуй, тщательнее, чем какой-либо
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
167

NH2
NH2
сАМР-фосфодиэстераза
0-СН2
+ H20
0 = Р
I
0"
Н Η η
Η |3. Η
— о он
4 Гидролизуемая связь
О
II
о-—р—о—сн2
I ! н н
Η Ι Η
+ н+
он он
Аденозинмонофосфат (AMP)
Циклический аденозин-3\5'-
монофосфат (сАМР)
Рис. 12.16. Реакция, катализируемая сАМР-фосфодиэстеразой
Это название фермент получил за то, что он гидролизует фосфодиэфирную связь в молекуле сАМР
другой белок или гормон. Причиной тому является
не только его ключевая роль в углеводном и жировом
обмене, но и терапевтическое применение при лечении
диабета. К сожалению, несмотря на все усилия, механизм
действия инсулина еще во многом неясен. Установлено
присутствие инсулиновых рецепторов на внешней
поверхности клеток. Совсем недавно стало известно, что
его рецепторы пронизывают плазматическую
мембрану, а цитоплазматический домен является тирозиновой
протеинкиназой. Она отличается от ранее описанных
протеинкиназ и стимулируется при связывании с
инсулином (см. главу 26). Эту киназу характеризует то, что
она фосфорилируеттирозиновые остатки. Более
подробно механизм действия инсулина обсуждается в главе 26.
Регуляция поглощения клетками
глюкозы и жиров
Глюкоза не может пройти через липидный бислой,
поэтому в клеточных мембранах присутствует специальный
мембранный транспортный белок, ответственный
за ее перенос. В пищеварительном тракте глюкоза
всасывается за счет активного транспорта, во всех других
тканях она поступает в клетки путем пассивного
переноса. Такой тип трансмембранного переноса
сводится к тому, что молекулы преодолевают мембранный
барьер благодаря наличию градиента концентраций,
и называется облегченной диффузией (см. с. 63).
В мозге и в печени поглощение глюкозы клетками
не зависит от инсулина, но в мышечных и жировых
клетках оно ускоряется этим гормоном. Судя по всему,
в цитоплазме таких клеток имеются неактивные
транспортные белки. Инсулин стимулирует их переход
в активную форму и встраивание в мембрану, что
увеличивает пропускную способность мембраны для
глюкозы (рис. 12.17). На жировых клетках было показано,
.. Рецептор инсулина
Жировая клетка
Внутриклеточные мембранные
пузырьки со встроенным в
них переносчиками глюкозы
Инсулин
Пузырек сливается с
клеточной мембраной,
и переносчики
глюкозы начинают
функционировать
Глюкоза
Пузырек, готовый
к слиянию с клеточной
мембраной
Рис. 12.17. Мобилизация переносчиков глюкозы под
действием инсулина в жировых и некоторых других клетках
В клетках печени и мозга этого не происходит. Транспорт
глюкозы через плазматическую мембрану осуществляется по типу
облегченной диффузии
часть 3 Метаболизм
168

что встраивание транспортного белка завершается уже
через 7 минут после связывания инсулина с рецептором.
После удаления инсулина процесс обращается, и через
20-30 минут транспортные белки выходят из мембраны
в цитоплазму.
Механизм этого удивительного явления пока
неизвестен. Возможно, инсулин стимулирует движение
транспортного белка и встраивание его в мембрану или
вызывает смещение динамического равновесия между
мембранным и цитоплазматическим фондами этого белка.
Облегченная диффузия может лишь выровнять
концентрации глюкозы в крови и клетках. Однако внутри
клеток глюкоза быстро исчезает, либо превращаясь
в гликоген, либо расходуясь на метаболические нужды.
Это препятствует выравниванию концентрационного
градиента глюкозы и служит движущей силой ее
транспорта внутрь клетки.
Первый этап внутриклеточных превращений
глюкозы - ее фосфорилирование. Он осуществляется в
печени глюкокиназой, а в других тканях - гексокиназой:
Глюкоза + АТР -» глюкозо-6-фосфат + ADP.
Величина Км (для глюкозы) глюкокиназы по
сравнению с гексокиназой гораздо выше, т. е. сродство
первого фермента к субстрату меньше (см. с. 91). Глубокий
смысл этого различия становится понятным, если
вспомнить о глюкостатической функции печени. Ей
не нужно поглощать глюкозу, если последняя в крови
не присутствует в избытке. Если глюкозы в крови мало,
печень ее производит и направляет в кровоток. Было бы
нелогично одновременно выводить глюкозу в кровоток
и поглощать ее оттуда. Этого и не происходит,
поскольку глюкокиназа не фосфорилирует глюкозу, если
концентрация последней мала по сравнению с Км.
Для глюкокиназы предусмотрен еще один регуля-
торный механизм. Этот фермент индуцируется
инсулином. Под термином индукция понимают ускорение
биосинтеза под влиянием индуктора, в данном случае
инсулина. Механизм, посредством которого инсулин это
делает, пока неизвестен.
Метаболизм жиров начинается с поступления в
клетки не самих триглицеридов, а жирных кислот.
Последние легко проходят через мембраны без участия
каких бы то ни было транспортных систем, поскольку
липидный бислой не служит для них барьером.
Поэтому необходимо контролировать поступление жирных
кислот в клетку. При этом следует регулировать их
содержание в крови. Такая регуляция осуществляется
глюкагоном, адреналином, норадреналином и
инсулином, действующими на жировые клетки.
Получив общие представления о внеклеточной
регуляции, мы можем перейти к рассмотрению действия
гормонов на отдельные метаболические пути.
Регуляция синтеза и расщепления
гликогена внеклеточными агентами
Регуляция расщепления гликогена
Мы уже познакомились с регуляцией гликогенфосфори-
лазы Ъ в покоящихся мышцах и в печени, в основе
которой лежит активация фермента под действием AMP. Эта
регуляция обеспечивает постоянный контроль уровня
глюкозы на фоне стабильного режима ее расходования.
Существует, однако, совершенно иная регуляторная
система, основанная на превращении фосфорилазы Ъ
в фосфорилазу а, чья активность не зависит от AMP.
Такое превращение происходит в результате фосфори-
лирования фермента протеинкиназой, которая
переносит фосфатный остаток АТР на гидроксильную группу
одного из сериновых остатков, вызывая тем самым кон-
формационные изменения молекулы фермента и его
активацию. Важно помнить о разнице между фосфори-
лированием, когда на гидроксильную группу серина
протеинкиназой переносится фосфатный остаток АТР,
и фосфоролизом - катализируемым фосфорилазой
процессом расщепления гликогена с участием
неорганического фосфата. В мышечных клетках протеинкиназа
активируется адреналином. Этот гормон, циркулирующий
в крови, распознается и связывается рецепторами на
поверхности мышечной клетки, запуская при этом
внутриклеточный синтез сАМР. Мы еще вернемся к
рассмотрению механизма, посредством которого сАМР
стимулирует фосфорилирование фосфорилазы Ь, а
пока обсудим физиологические аспекты всего процесса.
Адреналин образуется в надпочечниках в ответ на
нервный сигнал, идущий из мозга при возникновении
экстремальной ситуации, требующей мгновенной и
активной мышечной деятельности (в англоязычной
литературе такую ситуацию называют fight or flight-
бегство или борьба). Адреналин как бы нажимает кнопку
«тревога». Мышечной клетке некогда дожидаться,
когда в ней накопится индикатор сниженной
концентрации АТР-АМР - и сработает внутриклеточная
положительная обратная связь. Клетка должна мгновенно
обеспечить неограниченный поток топлива для
генерации АТР, чтобы организм успел справиться с грозящей
опасностью. Далее мы поясним, почему в такой
ситуации оптимальным топливом является глюкозо-6-фос-
фат, образующийся из продукта фосфоролиза
гликогена- глюкозо-1-фосфата. Здесь отметим только, что
из-за низкого выхода АТР для продолжения гликолиза
глава 12 Регуляция метаболизма углеводов и жиров
169

нужно иметь про запас большое количество топлива.
Эту задачу решает мгновенная активация гликогенфос-
форилазы.
Адреналин также стимулирует высвобождение
глюкозы из печени в кровь. Его цель - быстро снабдить
мышцы топливом в экстремальной ситуации. И здесь
эффект адреналина обусловлен быстрым фосфорилиро-
ванием гликогенфосфорилазы.
Любопытно, что в картофельных клубнях тоже есть
фосфорилаза, расщепляющая крахмал. Степень
гомологии растительной и мышечной фоефорилазы очень
высока: их аминокислотные последовательности
наполовину идентичны. Тем не менее картофельная
фосфорилаза не активируется фосфорилированием,
возможно потому, что картофелю не нужен ответ типа
«бегство или борьба» и не нужно контролировать
уровень глюкозы в крови.
Добавим, что печень выбрасывает в кровь глюкозу
также в ответ на связывание глюкагона рецепторами.
Этот гормон выделяется поджелудочной железой при
снижении уровня глюкозы в крови и, подобно
адреналину, вызывает увеличение содержания
внутриклеточного сАМР и активацию гликогенфосфорилазы.
Мышечные клетки не реагируют на присутствие глюкагона,
поскольку на их поверхности нет специфичных к нему
рецепторов.
Механизм регуляции синтеза и
расщепления гликогена с помощью сАМР
Гликогенфосфорилаза существует в двух формах: в
форме а сериновый гидроксил фосфорилирован, а в форме Ъ
нет. Схема взаимопревращений обеих форм
представлена на рис. 12.18.
Гликогенфосфорилаза Ъ
(неактивная)
Фосфопротеин
фо таза
сАМР
АТР
Киназа
фоефорилазы
сАМР
_0-(р) ADP
Гликогенфосфорилаза а
(активная)
Рис. 12.18. Взаимопревращения гликогенфосфорилаз а и Ъ
под действием киназы и фосфатазы
сАМР влияет на эти превращения лишь опосредованно. Гид-
роксильная группа принадлежит сериновому остатку белка
Активация под действием сАМР киназы
фоефорилазы, осуществляющей фосфорилирование
гликогенфосфорилазы, не является прямой. сАМР сначала активирует
протеинкиназу А (ПКА; А - от сАМР), которая, в свою
очередь, фосфорилирует киназу фоефорилазы, переводя
ее в активное состояние. А та уже фосфорилирует глико-
генфосфорилазу Ъ. Полная последовательность событий,
разворачивающихся после контакта клетки с гормоном,
представлена на схеме:
Гормон
(глюкагон и адреналин в печени, адреналин - в мышцах)
ι
Связывание гормона с рецептором
ι
Активация аденилатциклазы
ι
Образование сАМР из АТР
Аллостерическая активация протеинкиназы А (ПКА)
ΙΙΚΛ
N1/
(неактивная)
-> ПКА
(активная)
АТР
ADP
Киназа
фоефорилазы в
(неактивная)
Фосфорилаза б'
(неактивная в
отсутствие сАМР)
^ν] Фосфорилирование
λ киназы фоефорилазы в
Ψ
-> Киназа
фоефорилазы в
(активная)
АТР I
^^ Фосфорилирование
] фоефорилазы в
ADP^|
^ \ Фосфорилаза а
(активная в отсутствие сАМР)
ι
Расщепление гликогена
ι
Глюкозо-1 -фосфат
ι
Глюкозо-6-фосфат
Печень Мышцы
Глюкоза крови Гликолиз
К чему такой сложный механизм регуляции? Каждая
клетка связывает небольшое число молекул гормона.
Между тем ее ответ, особенно в экстремальной
ситуации, должен быть быстрым и мощным. Напомним, что
клетка печени содержит примерно 1 мкмоль остатков
глюкозы (180 мкг), т. е. ~ 6,02 ■ 1017 молекул.
Связывание нескольких молекул гормона с рецепторами
должно заставить клетку переработать астрономическое
число молекул глюкозы, при этом очень быстро. Так же
часть 3 Метаболизм
170

обстоит дело и с образованием глюкозо-6-фосфата в
ходе генерации энергии в мышцах.
Следовательно, слабый сигнал - связывание
гормона с рецептором - должен быть усилен до такой
степени, чтобы вовлечь в ответ максимально возможное
число исполнителей команды - молекул фермента. Таким
образом, рассмотренная выше схема есть не что иное,
как мощный регуляторный каскад. Предположим,
1 молекула гормона активирует 1 молекулу аденилат-
циклазы, которая образует 100 молекул сАМР в минуту.
Это уже стократное усиление. Если каждая молекула
сАМР активирует 1 молекулу протеинкиназы А, которая
с такой же производительностью фосфорилирует кина-
зу фосфорилазы Ь, то усиление составит 100 · 100 и т. д.
В действительности гормональная активация гликоген-
фосфорилазы включает четыре ступеньки усиления.
Каскадное усиление сигнала - общий принцип действия
гормонов.
Каждая молекула гликогенфосфорилазы атакует
конец одной из олигосахаридных цепей гликогена.
Если бы гликоген, подобно амилозе, представлял собой
длинные линейные цепи, гормональная стимуляция
стала бы бессмысленной, поскольку множеству молекул
активированной гликогенфосфорилазы не хватило бы
мишеней. Видимо, именно в этом причина крайней раз-
ветвленности гликогена (по сравнению с крахмалом),
позволяющей в критической ситуации подвергнуться
быстрому расщеплению. Неторопливые растения в этом
не нуждаются и могут позволить себе хранить глюкозу
в виде амилозы.
Обращение активации фосфорилазы
Все регуляторные метаболические процессы должны
быть обратимыми. «Включение» и «выключение»
открывает дополнительную возможность управления
регулируемым процессом. В случае фосфорилазы форма а
превращается обратно в форму Ъ с помощью особой
фосфатазы (так называемой протеинфосфатазы I),
которая отщепляет фосфат от фосфорилированного
остатка серина:
Е-О-Р + Н20-> Е-ОН + Ру + Н+.
Форма а Форма b
В печени эта реакция стимулируется свободной
глюкозой благодаря ее аллостерическому действию,
оказываемому на форму а.
На время развития гормонального ответа -
превращения фосфорилазы Ъ в фосфорилазу а -
целесообразно подавить деятельность фосфатазы, чтобы она не
препятствовала быстрому нарастанию числа активных
молекул гликогенфосфорилазы. Оказывается, во многих
клетках присутствует белок, который называют
ингибитором фосфатазы I. Он фосфорилируется той же самой
протеинкиназой А, что и киназа фосфорилазы, и инги-
бирует фосфатазу. Таким образом, в конечном итоге
сАМР не только «включает рубильник», но и не дает его
сразу «выключить».
При нормальном мышечном сокращении (т. е. в
ситуации, не требующей участия сАМР в регуляции)
киназа фосфорилазы аллостерически активируется
ионами Са2+, концентрация которых при сокращении мышц
в ответ на сигнал от двигательного нерва резко
возрастает (см. главу 28). Поскольку такая активация киназы
фосфорилазы никак не связана с фосфорилированием,
она исчезает, как только поступает первый сигнал к
расслаблению. Активация фермента с помощью ионов Са2+
опосредована регуляторным белком кальмодулином,
который присутствует почти во всех эукариотических
клетках. Этот небольшой растворимый белок в случае
киназы фосфорилазы является прочносвязанной
субъединицей фермента. Кальмодулин действует как детектор
концентрации Са2+: связывание кальмодулином этих
ионов вызывает в нем конформационные изменения,
благодаря которым он взаимодействует с большим числом
белков-мишеней, в том числе и с ферментами, активируя их.
Подведем итог основным фактам, изложенным
выше, чтобы закрепить в памяти главные элементы этой
сложной регуляторной системы (рис.