Лев Николаев - Металлы в живых организмах

В качестве субстратов особенно важны креатин и глюкоза (хотя изучены и другие реакции, например перенос РО 3 2-на пируват, аргинин и др.).

Креатин, содержащийся главным образом в мышечной ткани, выполняет функции, аналогичные функциям АТФ. Он запасает энергию, образуя креатинфосфат; именно эта энергия и расходуется, например, при мышечной работе. Поэтому образование креатинфосфата

Образование креатинфосфата

представляет с точки зрения биохимика большой интерес. В реакции

В реакции равновесие смещено влево

равновесие смещено влево.

Таким образом, ионы металлов (особенно магний) необходимы для нормального использования химической энергии фосфорных соединений, в частности для нормальной работы мышц.

Фермент, катализирующий образование креатинфосфата, называется креатинкиназой. Другой фермент — гексокиназа — катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе:

Гексокиназа катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе

Фермент содержится в мышечной ткани, а также в мозге и дрожжевых клетках. Для его работы необходим ион магния. Вероятно, магний образует комплекс с АТФ: Mg*АТФ2-, присоединяющийся к белку-ферменту; ион магния, как полагают, с белком непосредственно не связан.

Характерной особенностью киназ является то, что их белковая часть испытывает определенные изменения формы при взаимодействии с субстратами. Фермент приспособляется к структуре той молекулы, на которую он действует.

Число различных ферментов, активизируемых теми или иными ионами металлов, очень велико. Ограничимся сведениями о киназах, но следует иметь в виду, что, изучая действие иона металла (не только двухзарядного!) на организм или клетку, всегда надо помнить о возможности активации ферментов этим ионом.

Мы рассмотрим, конечно, не все пути обмена веществ в организме — это составляет содержание биохимии, а ограничимся некоторыми важнейшими отрезками путей, связанных с участием металлов.

В качестве примера проанализируем путь превращений глюкозы в организме — так называемый гликолиз.

Для удобства разделим весь процесс на отдельные стадии и представим его схематически (рис. 6). Глюкоза из пищи (или получившаяся из запасов гликогена в печени) прежде всего подвергается в клетках действию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая переводит ее в глюкозо-6-фосфат. Эта реакция, как и последующие, катализируется специальными ферментами, о которых речь пойдет дальше. Пока отметим только химическую сторону превращений глюкозы.

Рис. 6. Последовательные стадии гликолиза (брожения). Ионы магния, кальция и калия активируют ферменты гликолиза и ускоряют реакции

Полученный глюкозо-6-фосфат химически более активен, чем исходная глюкоза, — в этом, собственно, и заключается биохимический смысл фосфорилирования — превращения углевода в его фосфорильное производное. Затем происходит перегруппировка атомов, и получается уже не глюкозо-, а фруктозо-6-фосфат; далее следует вторичное фосфорилирование, и образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Снова действует фермент (альдолаза), и цепочка из шести углеродных атомов фруктозодифосфата разрывается. Получается два трехуглеродных соединения: 3-фосфоглицеринальдегид и фосфодиоксиацетон. Эти родственные триозофосфаты могут взаимопревращаться. Фосфоглицеринальдегид подвергается действию фермента (дегидрогеназы) и кофермента — окислителя, сокращенное название которого НАД, а полное — никотин-амидадениндинуклеотид. НАД присоединяет к себе от окисляемого вещества (т. е. от фосфоглицеринальдегида) ион водорода, несущий отрицательный заряд, так называемый гидридный ион Н -. (Столь необычное состояние иона водорода характерно для гидридов некоторых металлов, например калия или натрия.) Молекула НАД действует в форме положительного иона НАД+ и переходит в нейтральное состояние. Второй ион водорода отщепляется от фосфоглицеринальдегида в виде Н+ и поступает в окружающую среду.

В реакцию вступает неорганический фосфат, и в результате образуется богатая энергией 1,3-дифосфоглицериновая кислота (ее соль — 1,3-дифосфоглицерат).

Отдавая один фосфорильный остаток АДФ и превращая ее в АТФ, эта кислота сама переходит в 3-, а затем 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя теряет воду (дегидратация) и превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту и ее соль — фосфоенолпируват, которые восстанавливаются с помощью НАД*Н до молочной кислоты (точнее — лактата, так как получается не свободная кислота, а ее соль, имеющая такое название).

Несмотря на разнообразие стадий гликолиза, реакции совершаются согласованно во всех его частях благодаря действию специфических катализаторов — ферментов и ионов металлов, стимулирующих работу ферментативных механизмов. Ионы магния способствуют образованию фосфата глюкозы и дифосфата фруктозы. Ионы кальция и калия облегчают восстановление фруктозодифосфата до фосфоглицеринового альдегида. Ионы калия и магния облегчают образование пировиноградной кислоты. Образование АТФ из АДФ также ускоряется ионами магния.

На пирувате и лактате дело, однако, не кончается. Лактат является конечным продуктом лишь в отсутствие кислорода, в анаэробных условиях (например, в мышцах человека). При большой мышечной нагрузке он поступает с током крови в печень, где частично окисляется до диоксида углерода и большей частью до пирувата.

Клетка располагает еще одним замечательным аппаратом, который позволяет извлекать из углеводов гораздо больше энергии (сжигая их до конца — до СО 2и Н 2О), чем это можно сделать с помощью только гликолиза. Этот аппарат — цикл Кребса, сопряженный с дыхательной цепью.

Рис. 7. Упрощенная схема цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот). Указаны ионы металлов, ускоряющие отдельные реакции цикла

Цикл Кребса называется так по имени ученого, открывшего его. Другое его название — цикл трикарбоновых кислот, которые играют здесь важную роль (рис. 7). В этот цикл вовлекается пировиноградная кислота, теряющая сначала водород и СO 2; реакция имеет сложный характер и связана с участием системы ферментов. При этом от молекулы пировиноградной кислоты остается группа СН 3СО — ацетил [4] Ацетил действует не в свободном состоянии, а в виде ацетил-кофермента А (АцКоА) — соединения его с коферментом А (КоА). Сам кофермент А состоит из аденин-нуклеотида, двух остатков фосфорной кислоты, пантотеновой кислоты (пант. к.) и аминоэтантиола: . Ацетил реагирует со щавелевоуксусной кислотой (четырехуглеродной двухосновной карбоновой кислотой), образуя лимонную (шестиуглеродную трехосновную) кислоту. С этого, собственно, и начинается работа цикла. Затем следуют реакции образования цисаконитовой и изолимонной кислот, в молекулах которых имеется по шести атомов углеродов. Под влиянием фермента дегидрогеназы от изолимонной кислоты отщепляются два атома водорода, в результате чего она превращается в щавелевоянтарную кислоту (на схеме не показана), которая под действием декарбоксилазы отщепляет углекислый газ; при этом число атомов углерода в продукте реакции — кетоглутаровой кислоте — становится равным пяти. Кетоглутаровая кислота интересна тем, что в том месте, где она образуется, цикл пересекается с еще одним путем метаболизма. Так, при ее взаимодействии с аммиаком или ионами аммония образуется глутаминовая кислота, которая в дальнейших реакциях может превращаться и в другие аминокислоты; таким путем, в частности, в корневой системе растений аммиак вовлекается в синтез аминокислот.