1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 85

10.2), Фосфат может быть легко отшеплен от нуклеозида путем энзиматического гидролиза илн с помощью минеральной кислоты, причем выделяется энергия в количестве 12 ккал/моль, из которых свободная энергия составляет Ь6 = — 11,5 ккал, в то время как ТЬ$ = 0,5 ккал/моль составляет прирост энтропии А — (Р) — (Р) — (Р)+ Н,О -» А — (Р)— — (Р)+ НтΠ— (Р); 56 = — 11,5 ккалгмоль. Таким же образом может быть отшеплена и вторая фосфзтная группа от аденозипдпфосфата АДФ: Л вЂ” (Р) — (Р)+ Н,О -» А — (Р)+ НтΠ— (Р): 56 =- — 11,5 ккал/моль.

Таблица !0.2 Структурные отношения менгду аденозннтрнфосфатом (АТФ), днфасфопнрнднннуклеотндам (ДПН) н трнфосфопнрнднннундеотндом (ТПН) — Рнбоаа— АТФ Аденан Фосфат Фосфаг Фосфат Фосфат Фосфат— — Рнбоза— Аденнн ДПН Амид никотиновой кислоты Рнбоаа— Фосфат Рнбоаа— ТПН: Адеднн Фосфах Фас фат Амид ннкотнновой — Рнбоаа-- кислоты В отличие от этих кмакроэргических» связей энергия связи третьего фосфатного остатка невелика. При расщеплении этой связи выделяется 2 — 3 ккал/моль, из которых около 2 ккал/моль освобождается в виде свободной энергии Л вЂ” (Р) + Н,Π— » Л + НтΠ— (Р); 56 = — — 2 ккал/моль.

В этом случае величина Л6 так же невелика, как и при гидролизе обыкновенных фосфорных эфиров, например фосфог глицерина, где Л6 составляет — 2,2 ккал/моль. Когда АТФ взаимодействует с другими молекулами организма, он отдаст свой фосфат (Р) и вместе с тем свободную энергию, и таким образом обеспечивается эндергоническая (особо эндотсрмическая) реакция за счет сопряжения с экзергонической (особо экзотермической) реакцией Богатый энергией фосфат может быть перенесен также на гуанидиновые основания, такие, как креатии, причем образуются фосфорные соединения,- Глава Х Суавнвмив тапливиыл злвпвмтав с живыпи сущвствалщ 469 которые в ряде тканей накапливаются в виде некоторого энергетического резерва. В случае надобности АТФ регенерируется из АДФ по схебте Лимпмана (фиг.

180), На схеме видны так- 0 70 7! 70 7« 7У же побочные реакции образования ЛТФ в процессе катаболизма из разнообразных субстратов, как то: углеводы, жиры и белки. Под «катаболитическими» процессами понимают такие экзергоничпые реакции, в которых сложные молекулы превращаются в более простые вешества. В противоположность этому «анаболитическим» синтезом обозначаются процессы воссоздания более сложных молекул из простых, требующие притока свободной энергии и расшепления АТФ. К таким процессам относится синтез ферментов и белков из аминокислот, синтез мочевины из СО2 и МНз, образование масел и жиров из спиртов, а также синтез углеводов в фотосинтезе (табл.

1О.З). Субстраты питания восстанавливают сначала ко- Таблица 703 Основной план биологического превращения энергии АДФ вЂ” аденозиндпфосфат: Р— фосфат ДПН и ТПН вЂ” дифссфо- и трифосфапиридиннуклеотиды ДПННл и ТПННз — восстановленные пириднннуклеотиды 1) Субстрат+ДПН нли ТПН СО,+ Н,О+ДПНН, и ТПНН, 2) ДПНН,+ ТПН ДПН+ ТПНН, (обратимый каталмтический перенос водорода) восстановительные синтезы ТПН +Ч О +3 АДФ+3 Р ДПН+3 АТФ Ф и г. 130. Схематическое изображение превращения и накопления энергии в биологических системах с полгощыо «энергодиналга» (по Лнпману). !†нлгеболнгнческна обмен; 2 — АТФ,' 3 в АДФ, 4- фосфегм; 5 — гуаннлнноеое осно.

неоне; б — енергнн, 7 в нереаос;  — хнмнческнл синтез; Р- мнознн; 15- мехлннческел рзбога; П вЂ” елекгрнческан рабата; 12 — гнлролнз; 13-теоло; 14 -осмотнческлн работе, 15-снег. ферменты дыхания, участвуюшие в окислении субстрата. Это сжигание протекает не путем прямого окисления кислородом воздуха, но через ферменты, как видно из следующей схемы: (1) СВН„О, (глюкоза)+ 6Н,О+!2 молекул кофермента — » 6СО,+12 восстановленных молекул кофермента, (2) 12 восстановленных молекул кофермента -1- 602 — » — »12 молекул кофермента+12Н,О, Итог: СбННОб+60,— »6СО2+6Н,О В приведенной схеме выражение молекул кофермента обозначает комплексную группу, обратимо присоединяюшую пару электронов нли водород.

Обычно первичным акцептором водорода бывает ди- или трифосфопириднннуклеотид или флавопротеин. Реакция (1) в энергетическом отношении несушественна, более того, почти вся свободная энергия дыхания возникает в реакции (2), сопряженной с синтезом АТФ. Следовательно, восстановленные коферменты являются псрвоначальнымн продуктами биологического окисления, причем онн окисляются не полностью, но каждая молекула отдает 2 атома водорода. Разнообразные питательные вешества, поглошаемые живым организмом, служат при этом только для того, чтобы восстановить окисленный кофермент [3].

Здесь возникает другой вопрос, как регулируется подача энергии в клетки, которые при работе нуждаются в переменных количествах кислорода и АТФ. В процессе работы клетка расшепляет больше ЛТФ, чем в состоянии покоя и поставляет при этом болыпе фосфата и аденозиндифосфата (АДФ). Концентрация этих всшеств определяет потребление кислорода, так что по мере усиления работы клетки оно неизбежно увеличивается. Биологический механизм, таким образом, регулируется путем «обратной связи». В последние годы физиологи установили подобного рода регулирование по принципу «обратной связи» во многих процессах обмена вешеств, а после выяснения роли АТФ стали более понятны многие старые проблемы энергетического обмена в живых тканях. Дополнительные подробности изложены в обзоре Кребса [1). Вместо того чтобы продолжать разбор этих, безусловно, интересных деталей [4) органической химии, обратимся теперь к термодинамическим и кинетическим аспектам рассматриваемых реакций.

Имеется принципиальное различие между живыми и неорганическими машинами; в то время как инженеры стремятся предельно увеличить скорость реакций в своих 470 Глава Х бравнвние топливных элементов с живыми су>цества»и 47> конструкциях, чтобы получить максимальную мощность на единицу веса батарей или электромотора, в превращениях энергии биологическими системами имеется противоположная тенденция — стремление к контролированному торможению процессов.

И если бы этого не было, наш организм в короткое время превратился бы в углекислоту, воду и золу, Это было бы проявлением распада. Так мы приходим к выводу, что специфической особенностью существования живого организ. ма является длящаяся на протяжении всей жизни работа против создания химического равновесия, против достижения состояния максимальной энтропии. Такого торможения скоростей реакции живые клетки в значительной степени достигают вследствие электронейтральности углерода, которая способствует образованию гомеополярпых молекул, складывающихся в л>обом порядке, что облегчает создание макро- молекулярных структур, обладающих свойствами коллоида. Это приводит к желлатинированному состоянию клетки, обусловливаюшему умеренную диффузию.

Тонкая регулировка скоростей реакций достигается также благодаря узкому температурному пределу, в котором мокнут протекать те или иные реакции, что у животных контролируешься с большой точностью [5]. Прежде пытались объяснять такие особенности органического мира термодинамически путем недействительности второго основного закона, т. е, принципа максимальной неупорядоченности энтропии. Фактически уже Гельмгольц [6] обсуждал возможность того, что клетки живых организмов благодаря строгой организации их микроструктур могут разьединять наподобие клапанов быстрые и медленные молекулы и тем самым против статистической вероятности создавать разности температур.

Сомнения Гельмгольца в возможности существования таких «демонов Максвелла» 50 лет назад окончательно подтвердил Смолуховский [7], показав,что такие прямо направленные вентили либо должны поднергнуться броуновскому движению, либо вследствие своей относительной жесткости могут распадаться >уть ли ни сами по себе. Вопрос о том, как, несмотря на всеобщность второго закона, живые организмы могут избежать «тепловой емкости», объясняется двояко в зависимости от того, идет ли речь о зеленых растениях или о гетеротрофных организмах, нуждающихся в органической пи>це. Хотя обе группы не могут уменьшить энтропию окружающей среды и хотя в обоих группах все процессы протекают с понижением свободной энергии, все же хлорофиллоносные растения могут использовать световую энергию для фотосинтетичсской ассимилляции углекис- лоты и тем увеличить свою свободную энергию и свободну>о энергию окружающей их среды ').

Наоборот, все гетсротрофные организмы, по-видимому, ускоряют нарастание энтропии н только потому и могут избемсать достижения максимума энтропии ]т. е. тепловой смерти), что пополняют свободную энергию за счет растительной пищи, т. е, поглощают «отрицательную энтропию», как удачно назвал ее Шредингер [8].