Что такое Нуклеотиды и нуклеозиды
Среди того набора биологически важных веществ, о котором мы говорили, пока еще не было особенно сложных частиц; наиболее крупные молекулы — это молекулы белков, но они представляют собой сочетание фрагментов, близких по типу соединений α-аминокислот.
Молекулы, являющиеся продуктом соединения частиц разной природы, выполняют биологические функции в самых ответственных узлах обмена веществ и «линиях передачи» электронов. Сложных частиц не так уж много, по «конструкция» их своеобразна. Особенно часто встречается сочетание органического основания (например, аденина), углевода из группы пентоз (например, рибозы) и остатка фосфорной кислоты. Основание соединяется с одним концом молекулы углевода, а фосфорная кислота — с другим; схематически частица может быть представлена так: основание — углевод — фосфорная кислота. Такое соединение относится к классу нуклеотидов: соединение основания с углеводом называют пуклеозидом. Замечательно, что это сочетание встречается в различных веществах, выполняющих, казалось бы, совсем несходные функции.
Мы обнаружим нуклеотиды и нуклеозиды эту комбинацию и в составе молекул — аккумуляторов, и в тех частицах, которые образуют матрицы для синтеза белков и молекул некоторых ферментов. Природа снова демонстрирует нам принцип экономии в выборе исходных веществ. Вещества подобраны так, что каждое из них выполняет несколько «обязанностей», и, чем больше, тем лучше. Конечно, было бы интересно выяснить, почему же именно сочетание основание — углевод — фосфат оказалось удобным с этой точки зрения. Кое-что прояснилось, когда загадочные сочетания были изучены методами квантовой механики. Пока, однако, мы ограничимся химической стороной вопроса и посмотрим, какие же конкретно основания и углеводы входят в состав нуклеозидов и нуклеотидов и что способны делать эти частицы.
Начнем с простого сочетания: основание — углевод, т. е. с нуклеозидов. Основаниями служат уже знакомые нам пурины и пиримидины; углевод — это D-рибоза смотрим рис. выше., или дезоксирибоза, в молекуле которой одним гидроксилом меньше, чем в рибозе. Если в состав нуклеозида входит аденин, то нуклеозид называют аденозином, если цитозин — цитидином, если гуанин — гуанозином:
Аденин—Рибоза=Аденозин
Цитозин—Рибоэа=Цитидин
Гуанин—Рибоза = Гуанозин
Если теперь заместить водород в одной из групп ОН рибозы аденозина на остаток фосфорной кислоты, то получится нуклеотид аденозин-3-фосфат или аденозин-5-фосфат. В остатке
один из атомов водорода можно тоже заменить на группу — Н2РО3, тогда образуется аденозин-дифосфат:
Введение третьего остатка дает аденозинтрифосфат:
Эти соединения сравнительно легко превращаются друг в друга.
Так, гидролиз аденозинтрифосфата дает дифосфат и фосфорную кислоту (фосфат в общем случае); соединение фосфата и днфосфата аденозина, протекающее совместно с процессами окисления пищевых веществ (как говорят: сопряженное с ними), приводит к синтезу трифосфата; монофосфат аналогичным путем может превращаться в дифосфат и т. д. Сокращенные обозначения моно-, ди-, и трифосфатов аденозина состоят из трех больших букв:
АМФ, ЛДФ и АТФ
Нуклеотиды действительно можно назвать веществами жизни— так многочисленны и важны функции, выполняемые этими соединениями.
Трифосфат:
— аденозинтрифосфорная кислота — является аккумулятором энергии (известны и другие аналогичные соединения — креатинфосфат, гуанидинфосфат), но роль АТФ особенно велика.
АТФ под влиянием ферментов подвергается гидролизу: АТФ + Н2О = АДФ + Ф
Максимальная полезная работа — ∆G0298, которую можно совершить, если при постоянных давлении и температуре обратимо провести гидролиз, составляет около 30,6 кдж/моль. При образовании АТФ из АДФ и Ф эта же энергия поглощается; АТФ «запасает» ее и в этом смысле является аккумулятором энергии
Связи, при гидролизе которых выделяется много энергии, часто называют макроэргическими и обозначают волнистой чертой:
Когда АТФ реагирует с какой-либо другой молекулой, то под влиянием специфичного ферментного белка АТФ может перенести фосфатную группу вместе с энергией макроэргической связи на эту молекулу (сама АТФ при этом переходит в АДФ или АМФ). Тогда молекула, получив макроэргическую связь, в свою очередь «заряжается» энергией.
Разумеется, вполне может случиться, что при реакции между АТФ и какой-то молекулой значительная доля энергии будет просто рассеяна и тогда получившаяся молекула хотя и будет содержать фосфатную группу, но значительного избытка энергии мы уже в ней не найдем. Такова, например, реакция между глюкозой и АТФ.
Реакция между глюкозой и фосфатом, т. е. процесс образования глюкозофосфата, сама по себе не идет, так как для се протекания слева направо требуется приток энергии (+12 кдж/моль), т. е. изменение изобарного потенциала положительно при стандартных условиях. Однако если в реакции принимает участие АТФ, то картина меняется. Гидролиз АТФ: АТФ +Н2О=АДФ + Ф — доставляет энергию (около 30 кдж/моль).
Вся суть биохимического механизма действия АТФ в том, что обе эти реакции сопряжены и из 30 кдж/моль, отвечающих полной работе, которую может дать гидролиз АТФ, 12,6 кдж/моль расходуются на то, чтобы обеспечить энергией реакцию фосфилирования глюкозы. Энергетический баланс в целом получается такой, что обе эти реакции (в сопряжении) могут одновременно протекать слева направо.
Глюкозо-фосфат относительно беден энергией. Из всего того, что может дать гидролиз АТФ, глюкозо-фосфат поглощает только 12,6 кдж/моль. Ясно, что если бы с АТФ реагировало другое вещество, способное поглотить и сохранить большое количество энергии, то произошел бы перенос макроэргической связи, т. е. продукт реакции был бы «заряжен» энергией подобно АТФ. Поэтому запас энергии в продуктах реакции данного вещества с АТФ зависит от природы этого вещества, а не только от АТФ. Причины, по которым АТФ, в отличие от других сложных эфиров, гидролизуется с большим выделением энергии, заключаются в особенностях его строения. В цепочке атомов фосфора и кислорода фосфатного конца молекулы АТФ плотность электронного заряда велика, и часть электронов находится на высоких энергетических уровнях. В результате гидролиза получаются анионы фосфорной (Ф-2, т. е. НРО4-2) и аденозиндисфосфорной (АДФ-3) кислот, которые, имея отрицательные заряды, отталкиваются друг от друга; электроны в анионах размещаются на менее высоких уровнях. Оба эти фактора способствуют протеканию реакции гидролиза в сторону образования Ф и АДФ и освобождению энергии.
Характерной чертой биоэнергетики является необыкновенно широкое использование АТФ для покрытия расходов энергии, производимых организмом. АТФ «питает» энергией механизмы синтеза белков (для соединения аминокислот в полипептидную цепочку необходимы затраты энергии); АТФ отдает энергию для движений протоплазмы — недавно доказана ее роль в слабых, но закономерных потоках протоплазмы в клетке.
АТФ обуславливает способность организмов совершать механическую работу. В мышцах содержание АТФ невелико, но зато в них имеется другое фосфорное соединение — креатинфосфат, которое в процессе работы мышц отдает остаток фосфорной кислоты АДФ, поддерживает концентрацию АТФ:
креатинфосфат + АДФ= креатин + АТФ.
Способность организма превращать энергию АТФ в другие формы может вызвать восхищение у любого инженера. Ведь получается так, что одно и то же топливо пригодно и для машин, воспроизводящих движения, и для химического производства, и для электростанции (АТФ отдает энергию при работе электрических органов рыб, например угря пли ската), и для получения света (свечение ночных насекомых тоже обусловлено деятельностью АТФ), и для передачи нервных импульсов. Но ведь и техника располагает топливом — углем или нефтепродуктами и энергию их окисления тоже можно при помощи специальных устройств превращать в разнообразные виды энергии. В чем, собственно, выражается преимущество биологических машин по сравнению с обычными, сделанными из металла и пластмасс?
Дело в том, что запасы АТФ в организме вовсе не так велики, чтобы ими можно было, например, поддерживать темп физической работы в течение сколько-нибудь длительного времени. Настоящим аккумулятором энергии в организме являются запасы жира и гликогена (гликоген накапливается главным образом в печени). Но для быстрого и регулируемого расхода этого топливного резерва необходимо участие АТФ. АТФ отдает энергию, распадается на АДФ и Ф, снова синтезируется за счет энергии окисления жира или углевода и вновь отдает энергию. Так это вещество совершает круговорот, разлагаясь и образуясь бесчисленное множество раз и направляя поток энергии к тем частям биологических машин, в которых собственно и происходит превращение энергии в требуемые формы.
Отсюда следует, что процесс образования АТФ — фосфорилирование — должен быть связан или сопряжен с процессом окисления, с процессом перехода электронов от окисляемых веществ к кислороду. Это и происходит на самом деле: обе реакции — окисление и фосфорилирование— действительно связаны. Комплекс этих реакций так и называется: процесс сопряженного фосфорилирования. Сопряжение реакций, ускоряемых особыми ферментами, дает возможность, во-первых, повысить к. п. д. биологической машины и свести к минимуму потери энергии на рассеяние (вспомним, что к. п. д. паровой машины составляет 8—11%; в то же время к. п. д. мышцы достигает 30%) и, во-вторых, увеличивает возможности регулирования скоростей реакций.
Вопрос о конкретных механизмах сопряженного фосфорилирования, о том, каким путем химическая энергия может превращаться в другие формы, в частности в энергию движения при работе мышц, мы получим, рассмотрев структурную организацию клетки.
Статья на тему Нуклеотиды и нуклеозиды