|
|
Основы биохимиипереноса фосфата при непременном участии Mg2+. Выяснены и более тонкие детали этого процесса, в частности переход субъединицы из открытой конформации в момент сорбции субстратов в закрытую в процессе осуществления реакции (рис. 110). Рассмотрим еще несколько примеров действия киназ. Так, фруктокиназа ускоряет реакцию образования фруктозо-6-фосфата: но HOCHj/Ov он он О^Р^-О—СН ^н НоЬ H^wc>Hj0H он н + АТФ Фруктокиназа ^ (АТФ-- D-фруктоза-6-фосфотрансфераза) АДФ p-D-Фруктоза Фруктозо-6-фосфат Аналогично протекает взаимодействие между рибозой и АТФ: носн2 НО^ /ОН он он ^-D-Рибоза АТФ Рибокиназа (АТФ:0-рибоЗа 5-фосфотрансфераза) + АДФ НО ОН /?-0-Рибозо-5-фосфат Следовательно, практически любой моносахарид может быть переведен в фосфорный эфир. Именно в виде фосфорных эфиров и осуществляется дальнейший обмен моносахаридов. Важнейшей особенностью фосфорных эфиров моносахаридов является их Способность к изомеризации. Последняя может осуществляться как за счет стереоизомеризации (т. е. изменения пространственного расположения атомов и атомных групп в молекуле), так и в результате внутримолекулярного переноса атомов Н. Одним из примеров подобного рода превращений служит переход глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат, интенсивно осуществляемый в мышечной ткани и приводящий к установлению равновесия между этими двумя эфирами в отношении 2:1: Н Глюжоэофосфат-явомерава, сн,он Гл ю козо -6 -фосфат (a-D-Глюкопиранозо-6-фосфат) Фруктозо-6-фосфат (/J-D-фруктофуранозо-6-фосфат) Приведем еще некоторые характерные в этом смысле реакции. Так, рибозо-5-фосфат может превращаться в рибулозо-5-фосфат, а последний, в свою очередь,—в ксилулозо-5-фосфат: 338 /> < :-н сн,он 1 СН.ОН н-< .-он с=о с=о H-i ^ ой Ркбозофосфат-' юомераза н- -с—он Рнбулозофосфжт-З-эпимераза но-с-н H-i :-он он * н- с-он он н-с-он СН,-0-Р=0 СН,-0-Р=0 СН,-0-Р=0 ОН ОН ОН D-Рвбоао-б-фосфат D-Рнбулоао-Б-фосфат 0-Ксвлулоао-5-фосфат В первом случае происходит внутримолекулярный перенос водорода, во втором—изменение расположения в пространстве атома Н и ОН-группы при 3-м углеродном атоме. И тот и другой процессы ускоряются ферментами, принадлежащими к классу изомераз. Особенно легко процесс перестройки одного моносахарида в другой протекает, если фосфорный эфир моносахарида соединен с уридин-5'-фос-фатом. Примером может служить превращение галактозы в глюкозу и обратно: УрЯПиипафосфатглюкоза(УДФ-глюкоэа) Уридинднфосфатгалактоэа(УДФ-гал ктоза) Если учесть, что в организме не только фосфорные эфиры моносахаридов, но и свободные моносахариды могут превращаться друг в друга, то появляется возможность перехода от любой гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. Это имеет огромное значение. В природе и синтез и распад моносахаридов, как и весь процесс обмена углеводов, протекает через некоторые их формы, занимающие в данном процессе ключевые позиции. Это, в первую очередь, фосфорные эфиры двух моносахаридов: глюкозо-6-фосфат и рибулозо-5-фосфат. Обмен глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат образуется в организме разными путями. Во-первых, он может синтезироваться путем фосфорилирования глюкозы за счет ее взаимодействия с АТФ. Во-вторых, он образуется в результате реакции изомеризации фосфорных эфиров других изомерных ему гексозофосфорных эфиров. В-третьих, он получается из глю-козо-1-фосфата, который представляет собой продукт фосфоролиза олиго-и полисахаридов. Две первые реакции рассмотрены в предыдущем разделе. Что касается преобразования глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат, то эта реакция протекает в два этапа при участии фермента фосфоглюкомутазы. Молекулярная масса фермента из мышц кролика равна 62000; молекула фосфоглюкомутазы состоит из двух субъединиц с М = 31 ООО каждая. Активный центр ее включает в свой состав остаток фосфосерина, с которого 339 остаток фосфорной кислоты передается на глюкозо-1-фосфат с образованием глюкозо-1,б-дифосфата и дефосфорилированного фермента. Последний, взаимодействуя с глюкозо-1,б-дифосфатом, снова превращается в фосфопроте-ин, однако получает остаток фосфорной кислоты, присоединённой к 1-му углеродному атому глюкозы с высвобождением соответственно глюкозо-б-фосфата: В цепь—СО В цепь—NH НО—СН2 ОН ^СН—СН2—О—Р=0 + ОН н< В цепь—СО В цепь—NH Фосфоглюкомутаза дефосфорилированная Н НО Глюкозо-1,6-дифосфат НО он но В цепь—СОч ХСН—СН2—О—Р=0 + В цепь—NH'' он Фосфоглюкомутаза 0=Р—О—CHj НО^вввшвГОН _ Н Or Глюкозо-б-фосфат Равновесие рассмотренной реакции сильно сдвинуто в сторону образования глюкозо-б-фосфата. Поэтому в тканях содержание глюкозо-1-фосфа-та не превышает 3—4% от общего количества гексозомонофосфатов в организме. Глюкозо-б-фосфат подвергается в организме разнообразным превращениям. Некоторая доля erq распадается в конечном счете до С02 и Н20. При этом многократно повторяются реакции окисления (дегидрогенизации) как самого глюкозо-б-фосфата, так и продуктов его дальнейшего распада. Сопряженно с передачей атомов водорода, снятых с глюкозо-6-фосфата и возникших из него субстратов, на кислород (с образованием молекул воды) осуществляется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е. запасается, аккумулируется энергия в составе макроэргических связей молекул АТФ. Кроме того, некоторое количество молекул АТФ синтезируется здесь же иным путем. Следовательно, распад глюкозо-б-фосфата служит энергетическим целям: является источником энергии для организма. Вместе с тем значительная часть промежуточных продуктов, возникающих в процессе обмена глюкозо-б-фосфата, используется для синтеза аминокислот (белков), нуклеотидов (нуклеиновых кислот), глицерина и высших жирных кислот (триглицеридов, фосфатидов), стеролов (стеридов) и т. п. В частности, как описано выше, для синтеза аланина используется пировино-градная кислота (см. с. 276), являющаяся непременным промежуточным продуктом при распаде глюкозо-6-фосфата по дихотомическому пути (см. следующий раздел). Другие промежуточные продукты распада глюкозо- 340 6-фОсфата: 3-фосфоглицериновая кислота и фосфоенолпировиноградная кислота (см. ниже) идут на синтез фенилаланина, тирозина, триптофана и сери-на! Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот (см. рис. 117), пировиноградная кислота, превращаясь в щавелевоуксусную и ос-кетоглута-ровую, дает начало аспарагиновой и глутаминовои кислотам, а из них— ряду других аминокислот. Рибозо-5-фосфат, образующийся при апотомиче-ском распаде глюкозо-б-фосфата (см. схему б), служит для синтеза гистидина и, в еще большей степени, для синтеза пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов (см. гл. VI). Таким образом, глюкозо-6-фосфат обеспечивает организм и энергией и строительным материалом для синтеза новых органических соединений, используемых в процессе жизнедеятельности. Распад глюкозо-б-фосфата осуществляется преимущественно двумя путями. В одном случае на определенной стадии происходит распад шестиуглерод-ной молекулы на две трехуглеродные, т. е. пополам. Этот путь получил название дихотомического распада. Второй путь состоит в потере глюкозо-6-фосфатом 1-го углеродного (головного) атома и именуется апотомическим распадом. Есть еще третий путь, содержащий элементы первого и второго. Рассмотрим каждый из них. Дихотомический путь распада глюкозо-6-фосфата. Вступая на дихотомический путь распада, глюкозо-б-фосфат прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-б-фосфат, который далее фосфорилируется по 1-му углеродному атому, образуя фруктозо-1,6-дифосфат: АТФ ч н н н он с-?>-Плюкопиранозо- p-D-Фруктофуранозо 6-фосфат 6-фосфат Фосфофрукто СНаОН ииваза АДФ Фруктозо-1,6-дифосфат Фосфофруктокиназа, представляющая собой белок с М = 140000 у бактерий и от 360000—400000 (во всех случаях—тетрамер) до 800000 (гек-самер или октамер) у эукариот, является самым «медленным» из всех ферментов, обслуживающих дихотомический распад углеводов. Эта практически необратимая реакция лимитирует весь процесс. В то же время активность глюкозофосфатизомеразы, например, в дрожжах, в 500 раз превышает активность фосфофруктокиназы и на 1—2 порядка выше, чем у других ферментов дихотомического распада, т. е. это один из самых «быстрых» ферментов обмена глюкозо-6-фосфата. Строение и механизм действия фосфофруктокиназы из термофильной бактерии детально изучены (рис. 111). 341 Рис. 111. Строение половины молекулы фосфофруктокиназы из термофильной бактерии (3-я и 4-я субъединицы не показаны) Молекулярная масса субъединицы, составленной из 316 аминокислотных остатков, равна 33900; третичная структура характеризуется наличием Р-слоев (обозначены А—К) и а-спиралей (обозначены 1—13), а также существованием двух доменов (I и II); на границе доменов располагается активный центр, связывающий фруктозо-6-фосфат, АТФ и Mg2+, вблизи С-концевой аминокислоты II домена находится аллостерический центр (АДФ—активатор, фосфо-енолпировиноградная кислота—иигибнтор) обеспечивающий регуляцию активности фосфофруктокиназы при посредстве ряда эффекторов, что является важнейшей особенностью этого фермента. В эпимолекуле между субъединицами есть полость диаметром 0,7 нм, т. е. тетрамерный фермент имеет трубчатую структуру. Ф6Р—фруктозо-6- фосфат Концентрация фруктозо-1,6-дифосфата поддерживается на строго определенном уровне при посредстве сложного комплекса регуляторных процессов: снижается под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы (М = 140000, 4 х 35 000) и возрастает под влиянием фосфофруктокиназы. Однако активность первой тормозится, а второй—побуждается в присутствии фруктозо-2,6-дифосфата, который, в свою очередь, синтезируется в печени при посредстве 6-фосфофрукто-2-фосфокиназы. Более того, последняя реакция цАМФ-зависима, а сам этот фермент в печени бифункционален: один его домен ускоряет синтез, а другой—распад фруктозо-2,б-дифосфата (рис. 112). В дрожжах б-фосфофрукто-2-фосфокиназа и фруктозо-2,б-дифос-фатаза не образуют бифункционального фермента и являются самостоятельными энзимами. Последнее соединение (фруктозо-1,6-дифосфат) и подвергается далее дихотомическому распаду на две фосфотриозы, превращающиеся друг в друга: 342 он i н,—О—Р=0 он i Н,—О—Р=0 Альдолаза (фруктозо-1,6-дифосфат-триозофосфат-лиаза) С=0 i сн2он Триозофосфат-изомераза он i н,—О—Р=0 он т снон с он Диоксиацетон- Глицеральдегид-фосфат (95%) 3-фосфат (5%) Оба фермента, ускоряющие приведенные выше реакции, получены в кристаллическом состоянии. Альдолаза из мышц кролика характеризуется М = 160 ООО (4 х 40 ООО), а триозофосфат-изомераза—53 ООО (2 х 26 500). Выяснена первичная структура последней и параметры ее вторичной структуры ФбР АДФ Ф1,6Р2 Рис. 112. Регуляция содержания ключевого метаболита дихотомического распада углеводов—фруктозо-1,б-дифосфата (Ф1,бР2): 6РФ-1-киназа—фруктозо-6-фосфат-1 -киназа; 6РФ-2-кинаэа—фруктозо-б-фосфат-2-киназа; ФбР—фруктозо-б-фосфат; Ф2,6Р2—фруктозо-2,6-дифосфат' Ф1,6Р2-фосфатаза—фруктозо-1,6-дифосфатаза (Остальные пояснения в тексте) 343 (52% а-спиралей и 24% Р-слоев). Хотя при дихотомическом расщеплении фруктозо-1,6-дифосфата (видимо, расщепляется его открытая форма) получается равное количество обеих фосфотриоз, в состоянии равновесия между ними преобладает фосфодиоксиацетон. В дальнейший обмен вступает только 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере расходования убыль этого соединения восполняется за счет фосфодиок-сиацетона, который практически нацело в него превращается. Следовательно, из каждой молекулы фруктозо-1,6-дифосфата фактически возникает две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, претерпевающего далее распад в соответствии со следующей схемой: он chj-o-p=o I он choh+hs-фермент (глицеральдегид-3- z I ^г. J I фосфатдегидрогеназа) Глицеральдегид-3-фосфат -р=0 он снон Фосфс-1 АДФ CHj-0-P=0 он -Р=С он но снон CHj-0-P=o н3ро4| h^/J) АТФ снон надн+н+ З-Фосфоглнцерн-воваа кнслота I^o он HS-фер- L=° "\v~P=0 "ент "^S-фермент он 1,3-Днфосфо-глнцернновая кнслота u ch-oh о ¦ * ,1" ?н \ НС-О-Р=0 | Ан "Njh Еаоаааа (2-фосфогаа перат-гвлро-аивва) Г с-о АДФ он ЧЧ он Паруват-кимаав АТФ ¦и V—1 г.—nri-T"*- С=0 он чон 2-Фосфоглнце-ривовая кислота 2-Фосфоенол-пироввноград-вая кнслотв Еноллнро- Пнровнио-внноградвая градная кнслота кислота (пируват) Схема 5. Обмен 3-фосфоглицеринового альдегида Все реакции, происходящие при обмене 3-фосфоглицеринового альдегида, осуществляются ферментативным путем. Характерная их особенность состоит в том, что на каждую молекулу распадающегося 3-фосфоглицеринового альдегида синтезируются две молекулы АТФ из АДФ и остатков фосфорной кислоты, поступающих сначала от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, а затем от 2-фосфоенолпировиноградной кислоты (схема 5). Таким образом, уже здесь запасается энергия, вьщеляющаяся в процессе постепенного окисления фосфо- 344 Рис. ИЗ. Структура субъединицы глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы: а-спиралн обозначены цилиндрами; фрагменты полипептидной цепи в (3-слоях—стрелками; в верхней части рисунка нумерация их числовая (а,, а2 и т д, рЧ. р2 и т. д), а в нижней, в области нуклеотидсвязывающего домена и активного центра—буквенная (оА, Ов и т. д.; [Зд, рв и т. д.); здесь же толстыми линиями показан кофермент—никотинамидаде-ниндинуклеотид (НАД), причем его восстанавливаемая никотинамидная часть сближена с uuclA9l к которому присоединяется субстрат, что создает необходимые условия для окисления последнего глицеринового альдегида. Конечным продуктом распада глюкозо-б-фосфата является пировиноградная кислота (ПВК). В зависимости от объекта и условий, в которых идет обмен углеводов, дальнейшая ее судьба различна (см. ниже). Наиболее сложной из всех приведенных выше реакций на пути от 3-фосфоглицеринового альдегида до ПВК является реакция окисления фосфо-глицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту. Остановимся на ней 345 Рис. 114. Механизм пируваткиназной реакции при сопряжении окисления с фосфорилированием на уровне субстрата Ион металла участвует в образовании тройного мостикового комплекса (фосфо-енолпируват—металл—АДФ), обеспечивающего фосфорилирование АДФ; в активном центре фермента координирующей функции иона металла способствует радикал гис, а превращению енолпировиноградной кислоты в пировиноградную— донор протонов ХН ион металла закрепляется в активном центре также радикалом У и гидратируется Препараты пируваткиназы, выделенные из разных источников, существенно не отличаются по молекулярной массе (она близка к 200000); молекула фермента в подавляющем большинстве случаев тетрамерна Третичная структура субъединицы мышечной пируваткиназы характеризуется наличием трех доменов, на границе двух из них расположен активный центр несколько подробнее. Реакция ускоряется глицеральдегвд-З-фосфатдегвдроге-назой, полученной в кристаллическом состоянии из дрожжей, термофильных бактерий и мышц кролика, омара и свиньи. Молекулярная масса фермента в |
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 |
Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb) |
[каталог] [статьи] [доска объявлений] [обратная связь] |