Конечно, это неэффективный способ. Для того, чтобы добиться того же эффекта, что при расщеплении одной молекулы глюкозы на воду и углекислоту, путем расщепления той же глюкозы на молочную кислоту, нужно потратить девятнадцать молекул против одной. Но в случае необходимости лучше неэффективно растратить запас глюкозы, чем оказаться в ситуации, когда какого-то мизерного количества энергии не хватает, чтобы спасти, скажем, собственную жизнь.
Этот процесс тоже имеет свои ограничения. Молочная кислота накапливается в мышцах по мере их работы, и, хотя она и не столь токсична, как спирт, все же и ее присутствие можно терпеть лишь до определенной концентрации. В мышцах, находящихся в состоянии покоя, концентрация молочной кислоты – 0,02%. В процессе работы она может доходить до 0,25%, но не более. Мы ощущаем возрастание молочной кислоты, как один из признаков усталости, и в итоге любая мышца, как ее ни стимулируй, должна прекратить свою деятельность. Она не выдержит большего количества молочной кислоты.
Что же далее происходит с молочной кислотой? Ведь в процессе отдыха мышца должна, очевидно, восстановиться? Британский физилолг Арчибальд Вивиан Хилл показал, что после насыщения молочной кислотой мышца начинает больше обычного потреблять кислород. Такое ощущение, что кислород, которого так не хватало для сжигания глюкозы, во время работы, теперь стремится наверстать упущенное. Получается нечто вроде возмещения «кислородного долга», и именно благодаря этому мы еще долго продолжаем тяжело дышать, а наше сердце – усиленно биться, уже после того, как работа завершена. Теперь кислород необходим нашим тканям уже не для совершения работы, а в качестве «возмещения долга».
Химически это «возмещение долга» выражается в расщеплении молочной кислоты на воду и углекислоту. При этом вырабатываются те самые оставшиеся восемнадцать девятнадцатых энергии, потенциально скрытые в расщеплении глюкозы:
2С3Н6О3 + 6О2 - > 6СО2 + 6Н2О ?F = -650 ккал
При этом вырабатывается гораздо больше энергии, чем требуется для того, чтобы снова собрать из двух молекул молочной кислоты молекулу глюкозы:
2С3Н6О3 - > С6Н12О6 ?F = +36 ккал
Если предположить, что вырабатываемую при катаболизме молочной кислоты энергию можно пустить на формирование глюкозы из других молекул молочной кислоты, то понятно, что катаболизма одной молекулы молочной кислоты хватит для анаболизма множества других молекул. Даже если эффективность передачи энергии при этом будет составлять процентов 50, все равно достаточно расщепить на воду и углекислоту одну молекулу молочной кислоты, чтобы десять других объединить в молекулы глюкозы.
В итоге, когда «кислородная задолженность» ликвидирована, большинство молекул молочной кислоты снова оказываются в составе гликогена, наготове для следующего этапа работы, а потери гликогеновых запасов компенсируются бесконечным притоком глюкозы из печени.
Катаболизм молочной кислоты, благодаря которому становится возможным анаболизм других ее же молекул, является примером «парной реакции» (см. рис. 46). В целом реакция сопровождается снижением уровня свободной энергии. То есть, несмотря на то, что при формировании глюкозы из молочной кислоты уровень свободной энергии повышается, это происходит не иначе, как в ответ на распад молочной кислоты на углекислоту и воду, а при этом процессе уровень свободной энергии снижается, причем общая величина снижения за счет реакций второго типа – больше, чем общая величина повышения за счет реакций первого, так что в целом мы наблюдаем снижение, как и всегда при любых других проявлениях жизнедеятельности.
Легко говорить о парности реакций катаболизма и анаболизма молочной кислоты, но как именно такая парность обеспечивается? Каким образом энергия, вырабатываемая при одной реакции, передается другой?
Первая подсказка была получена в 1905 году. Английские химики Харден и Янг (те самые, первооткрыватели зимазы) обнаружили, что если скорость производства дрожжами углекислого газа падает, то ее можно вернуть на прежний уровень, если добавить в дрожжи неорганический фосфат (примером такого вещества может служить фосфат калиевой кислоты, КН2РО4). Более того, по мере выработки углекислого газа количество фосфата в растворе уменьшалось!
Харден и Янг решили, что единственное, куда мог деваться фосфат – это соединяться с каким-то органическим веществом. В этом случае он действительно перестал бы встречаться в виде простого иона и, соответственно, реагировать с тестовым реагентом. Они принялись анализировать смесь на предмет наличия в небольших количествах какого-нибудь органического вещества с содержанием фосфатной группы – и нашли такое вещество! Фосфатная группа оказалась связанной с молекулой сахара с помощью некоей связи, характерной для подобных соединений, именуемых «эфирами». Соответственно, данное вещество получило название «эфир Хардена-Янга». Со временем было установлено и точное строение этого вещества; оказалось, что это простой сахар, фруктоза, к которому крепятся две фосфатные группы. Теперь его так и называют –фруктозодифосфат.
Фруктозодифосфат является примером «метаболического посредника», вещества, встречающегося в схеме обмена веществ где-то посередине между известным исходным веществом (в данном случае это глюкоза) и легко определяемым итоговым веществом (в данном случае это этиловый спирт и углекислота). Определение и установление метаболических посредников крайне важно для правильного понимания процессов обмена веществ, происходящих в живой ткани, так что можно сказать, что с 1905 года начался отсчет систематического изучения метаболических посредников.
Вскоре были обнаружены и другие органические фосфаты, и, ко всеобщему изумлению, стало ясно, что именно фосфатные группы имеют непосредственное отношение практически к каждому шагу метаболизма. Ранее считалось, что фосфатные группы в живых организмах встречаются только в костях, как часть неорганического скелета, а об из присутствии в большом количестве в мягких тканях по большей части не подозревали, а если ученые их там и обнаруживали, то не придавали этому факту значения. Теперь же фосфаты вдруг оказались в центре всеобщего внимания, поэтому и нам не грех будет посвятить им целую главу.
Глава 21
Значение фосфатов
Перед тем, как обсуждать связь между фосфатными группами и метаболизмом, надо сначала немного поговорить о самом фосфоре.
В таблице Менделеева фосфор находится сразу же под азотом, что свидетельствует о сходстве атомного строения этих двух элементов. У атома азота две электронных оболочки, во внешней из которых находится пять электронов, а у атома фосфора – три оболочки, во внешней из которых тоже пять электронов. Соответственно, в электронном изображении фосфор можно
•
представить, как • Р •• - то есть, точно так же, как и азот.
•
Атом фосфора может принимать в совместное пользования три электрона других атомов, предоставляя при этом в совместное пользование и три своих, так, чтобы в целом достигать стабильного числа восемь. Так, например, с водородом фосфор образует соединение (фосфин, РН3) таким образом:
Н
••
Н •• Р ••
••
Н
то есть, так же, как образуется и аммиак (см. гл. 17).
Кроме трех электронов, которые фосфор может предоставлять в совместное пользование, у него есть еще два, которые он никуда предоставлять не собирается (к примеру, в фосфине они остаются в полном распоряжении фосфора). Однако эти два электрона вполне могут быть предоставлены в пользование атому, которому только их и не хватает для обретения заветных восьми электронов во внешней оболочке. Естественно, первым из такого рода атомов нам приходит в голову кислород, во внешней оболочке которого всего шесть атомов.
Если сосредоточиться только на фосфоре и кислороде, то можно представить «разделяемые» его атомы, как «просто связи», и рассматривать только «неразделяемые», таким вот образом:
| •• | ••
– Р •• + О •• - > Р •• О ••
| •• | ••
Как видите, теперь потребность атома кислорода в восьми электронах удовлетворена без каких-либо потерь для фосфора, который также сохраняет эти электроны в своей внешней оболочке.
Связь, образуемая подобным образом – когда оба электрона предоставляются одним и тем же атомом – так же сильна, как и образуемая обычным способом, когда каждый атом предоставляет по одному электрону для образования пары. В химии она именуется «координационной связью», и ее часто изображают на схемах в виде маленькой стрелочки, указывающей от того атома, который предоставляет электроны, на тот, который их принимает. Таким образом, фосфор имеет три ковалентных и одну координационную связь, что можно изобразить так:
|
– Р – >
|
Зачастую, как в случае с фосфином, задействованными оказываются только три ковалентные связи. Однако, особенно в тех случаях, когда речь заходит об атомах кислорода, для координационной связи тоже находится работа. (1) Кстати, все вышесказанное в равной степени относится и к атомам азота.
(1) Поскольку валентность кислорода – два, то и координационная связь до обретения четкого представления об электронном строении атомов, рассматривалась, как двойная:
|
– Р =
|
Именно благодаря этому представлению считалось, что валентность фосфора (как и азота) равна пяти.
Самым важным фосфорсодержащим соединением является ортофосфорная кислота, которую часто называют просто «фосфорной кислотой» (Н3РО4), в которой всеми четырьмя связями фосфор соединен с атомами кислорода. Ее можно представить таким образом:
О – Н
|
Н – О – Р – > О
|
О – Н
Где бы в живой ткани ни появлялся атом фосфора, он всегда оказывается входящим в состав соединения, родственного фосфорной кислоте. К примеру, фосфорная кислота может ионизироваться, сначала за счет ионизации одного атома водорода (Н+), в результате чего получается «первичный фосфат-ион» Н2РО4-, с отрицательным зарядом -1, а затем – второго и третьего атомов водорода с образованием вторичного и третичного фосфат-ионов: НРО42- и РО43-. Первые два из этих ионов обнаруживаются и в крови, и в тканях.
Кроме того, фосфорная кислота, или получаемые из нее ионы, могут вступать в соединение с другими веществами. В таких соединениях участвуют (иногда и более одной) гидроксильные (содержащие и водород, и кислород) группы, присутствующие в молекуле. Мы сосредоточимся именно на этой части молекулы фосфорной кислоты, и, краткости и удобства ради, обозначим оставшуюся часть, как (Р). В таком виде краткая запись молекулы фосфорной кислоты будет выглядеть, как Н – О – (Р). В тех случаях, когда речь будет идти более, чем об одной гидроксильной группе, к центральной (Р) будут обозначены присоединенными вторая и третья гидроксильные группы.
При вступлении в соединение, фосфорная кислота, или ее ионы, обычно непосредственно соединяются с гидроксильной группой другого вещества, что можно изобразить так: R – О – Н, где R – любая углеродосодержащая группа. Таким образом, запись R – О – Н может обозначать и спирт, и сахар, или другие соединения, о которых мы не упоминали, в общем – любое вещество, в состав которого входит гидроксильная группа.
Таким образом, реакцию фосфорной кислоты, скажем, с сахаром, можно представить на рис. 47. В процессе присоединения отщепляется молекула воды, то есть, мы имеем дело с реакцией конденсации, значит, реакцию, обратную данной, следует признать реакцией гидролиза.
Обычно уменьшение свободной энергии связано именно с гидролизом, так что точка равновесия данной реакции смещена далеко в сторону смеси сахара и фосфорной кислоты. При гидролизе сахарофосфата (примером такого вещества является упомянутый в предыдущей главе эфир Хардена-Янга) высвобождается от 2 до 4 килокалорий на моль вещества, в зависимости от конкретного вещества. То есть, при гидролизе эфирной связи сахарофосфата высвобождается примерно столько же свободной энергии, сколько и при гидролизе пептидной связи белковой молекулы.
Естественно, для того, чтобы сформировать эфир путем конденсации сахара и фосфорной кислоты, необходимо те же 2-4 килокалории на моль затратить. Значит, чтобы создать такого рода эфирную связь, надо потратить столько же энергии, сколько на создание пептидной связи.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
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 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
|
