Biokhimia_T2_Strayer_L_1984 (Л. Страйер - Биохимия в 3-х томах)

В 3-х томах Перевод с английского канд. биол. наук Р.Б.Капнер и канд. биол.наук А.М.Колчинского Под редакцией академика С.Е.Северина том Л.Страйер Москва «Мир» 1985 ББК 28.072 с-вз УДК 577.1 Страйер Л. С-83 Биохимия: В 3-х т. Т. 2. Пер. с англ.— М.: Мир, 1985.— Т. 2-3!2 с„ил. В книге ученого из ОША иа самом современном научном уровне рассмотрены основные проблемы биохимии н молекулярной биологии.

Во втором томе рассматриваются процессы генерирования. преврагцсния и хранения энергии в клетке, а также биосинтез анпилов, аминокислот и нуклсотидов. Предназначена для биохимиков, модекулярных биологов, физиологов, химиков, медиков. для студентов, аспирантов и преподавазечсй биологических, химических и медицинских специальностей. ББК 28.072 С 04 Ц01)-85 сп. пл. поди.

изд., 1984 Редакция лилгературы по биологии 8 С 1975, 1981 Ьу 1.пЬегг 51гуег Перевод ив русский язык, «Мир», 1985 Часть!! Генерирование и хранение иетаболической энергии Модель ацетилкофермента А, ключевого промежуточного продукта при генерировании метаболической энергии. ГПАВА И Метабол изм: основные положения и обозначения Концепции конформации и динамики, развитые в части 1, в особенности аспекты, касающиеся специфичности и каталитической мощности ферментов, регуляции их каталитической активности и образования компартментов (обособденных участков, отсеков) мембранами позволяют нам теперь обратиться к двум главным вопросам биохимии: 1, Каким ооризом клвт»и извлекают энергию и вогстаяовительссую сяосоояогть из окружающей среды? 2.

Кики.ч образолс клв>п»и синоюзируют гсяроительиыг блоксс своик .иакроэсо.секус? Эти процессы осуществляются высокоинтегрированной системой химических реакций, составляющих в совокупности .чеснабо,гизлс, или оомен веществ. Даже у такого простосо организма.

как Е. со(1, насчитывается по меныцей мере тысяча различных химических реакций, Упорядочение этих реакций может на первый взгляд показаться недостижимым. Однако при более глубоком анализе оказывается, что метаболизм представляет собой сог.гасовиияую систачс,чв.ювий со зсножвством оощих чоощвов. Число реакций ме.габолизма велико.

но число видов этих реакций озносительно мало. Их механизм обычно совсем прост. Например, двойная связь часто образуется в результате реакции дегидратации. Далее, пентральную роль во всех формах жизни играет группа молекул, общее число которых составляет примерно спь Более того. сусцествуют общие меха- Часть 11. Генерирование и храненве энергии низмы регуляции метаболических путей. Цель данной главы — описать некоторые общие принцицы и мотивы метаболизма.

11.1. Свободная энергия -самая полезная термодинамическая функция в биохимии Сначала вспомним некоторые положения термодинамики, имеющие важное значение для понимания процессов обмена вецзеств. В термолинамике система >то совокупность предметов внутри определенной области. Все остающееся за пределами этой области н нахолящееся в остальной части пространства обозначается как окружающая среди.

Первый закон тврмодичимики гласит, что общая энергия системы и окружающей среды — величини постоянная. Иными словами, энергия сохраняется. Мазематическое выражение первого закона термодинамики имеет следующий вид: ЛЕ = Ев — Е»= Д вЂ” И', где Е» — энергия системы в начале процесса. а Ев энергия в конце процесса; с) — тепло, поглощаемое системой; И'. работа, совершаемая системой. В уравнении (1) слелуес обратить внимание на тот важный факт, что из чеченов энергии систечы зависит только оос чичольяого и конечосыо состояний и че щвигит от пути превращения.

Первый закон термолинамики не дает возможности предсказать, может ли та или иная реакция протекать спонтанно. Некоторыс реакции все же идут спонтанно, несмотря на положи тельное значение ЛЕ. При этом система поглощает тепло из окружающей среды, так что суммарная энерс ия системы и окружающей среды остается постоянной. Очевидно. в этих случаях для предсказания спонтанности процесса требуется функция, отличная от ЬЕ. Одной из таких функций является энтропия (5).

косорая служит мерой гоюпени бсгпорчдоччогсои и си рщунорядочвияости системы. Энтропия системы возрастает (Лб го с (3! Л6 = дьН вЂ” Тбу, Рис. 11.1. (4) дьН = ЛЕ Ч- Рдь)г. Л6 ЛŠ— Т7з5. (5) (2) Примеры процессов, которые индуцируются при повышении энтропии системы; А — диффузия тепла; Б — лиффузия растворенных веществ. имеет положительное значение), когда увеличивается степень разупорядоченности. Второй закон термодинамики гласит, что процесс .может протекать спонтанно только нри условии увеличения суммы энтропий систе.иы и окружающей среды (бусппьмы ! бБ рьпч) ~ () для спонтанноэ о процесса.

Следует обратить внимание на следующий факт: во время спонтанного процесса энтропия системы может уменьшаться при условии, что энтропия окружающей среды увеличивается, так что их сумма оказывается положительной величиной. Например, образование высокоупорядоченной биологической структуры термодинамически возможно, поскольку снижение энтропии в такой системе более чем возмещается повышением энтропии окружающей среды. Одна из трулностей использования энтропии в качестве критерия возможности спонтанного протекания биохимического процесса состоит в том, что изменения энтропии при химических реакциях измерить нелегко. Кроме того, критерий спонтанности, даваемый уравнением (2), требует, чтобы было известно изменение энтропии и окружающей среды и исследуемой системы. Эти трудности устраняются при использовании другой термодинамической функции, называемой свободной энергией, которая обозначается символом 6 (или Р в более ранних источниках).

В !878 г. Джошуа Виллард Гиббс ()осйаЬ ьт'й)агс( О1ЬЬв) построил функцию свободной энергии путем сочетания первого и второго законов термодинамики. Основное уравнение при этом следующее; где Л6 — изменение своболной энергии системы, претерпевающей трансформацию при постоянных давлении (Р) н температуре (Т), ЛН вЂ” изменение энтальпии системы, а ЛБ — изменение энтропии этой системы. Следует отметить, что никакие параметры окружаюнзей среды не входят в это уравнение. Изменение энтальпии вычисляется из уравнения Изменение объема Ь('мало почти для всех биохимических реакций, а это значит, что АН почти равно ЬЕ. О~сюда Таким образом, Л6 реакции зависиг как от изменения внутренней энергии, так и от изменения энтропии системы. Изменение свободной энергии (Л6) реакции в отличие от изменения внутренней энергии (ЛЕ) служит ценным критерием возможности спонтанного протекания этой реакции.

!. Реакция может идти спонтанно только при отрицательном значении Л6. 2. Система находится в равновесии и не претерпевает никаких изменений, когда Л6 равно нулю. 3. Реакция не может идти спонтанно при положительном значении Л6. Для индукпии такой реакции требуется приток свободной энергии, Здесь необходимо подчеркнуть ецзе два лополнительных момента, Во-первых, б6 реакции зависит только от разности: свободная энергия продуктов (конечное со- 11. Метаболизм: основные положения и обозначении Единицы энергии— Калория (кал) эквивалентна такому количеству тепла, которое требуется для повышения температуры 1 г волы с 14,5 до 15,5'С.

Килокалорич (ккал) равна 1000 кал. Джоуль(Дж) †количест энергии, необходимое лля приложения силы в 1 Н ца расстоянии 1 м. Килодлсауль (кДж) равен 1000 Дж, 1 ккал = 4,184 кДж. 11,2, Изменение стандартной свободной энергии реакции и его связь с коистаптой равновесия и тогда Рассмотрим реакцию А+В С4О. Л6 этой реакции дается уравнением Л6в = — [С][ ) [А) [В) (8) Константа равновесия при стандартных условиях, К;, определяется следующим образом: Л6=Л6'+КТ]п [ )[ ), [А) [В] (6) [С) [О] [А] [В] где Л6 — изменение стандиртной свободной энергии, К вЂ” газовая постоянная, Т вЂ” абсолютная температура, [А), [В), [С) и [О) — молярные концентрации (точнее активности) реагирующих веществ. Л6ь — изменение свободной энергии реакции при стандартных условиях, когда каждое из реагирующих веществ А, В, С и О присутствует в концентрации 1,0 М. Таким образом, Л6 реакции зависит от природы реагирующих веществ [охарактеризо- (9] Вставляя уравнение (9) в уравнение (8), получаем Л60 = — КТ]п К', (10) Л6 = — 2,303КТ)8Кч.

(11) Преобразуя последнее уравнение, получаем 10 — ао'7(дзозят! ьч (12) Часть Н. Генерирование и хранение энергии стояние] минус свободная энергия реагирующих вешесгв (начальное состояние). Л6 реакции не зависит от лутц превращения. Механизм реакции не оказывает влияния на Л6. Например, значение Л6 для окисления глюкозы до СО, и Н,О остаемся одним н тем же вне зависимости от того, осуществляется ли это превращение путем сгорания ш чйто или же в результате серии многих фермеитативных реакций в клетке.

Во-вторых, Л6 нг дивт инцзормации о скорости реакции. Отрицательное значение Л6 указывает, что данная реакция может протекать спонтанно, однако это еще не значит, что она будет идти с заметной скоростью. Как обсужлалось ранее (разл. 6.6), скорость реакции зависит от свободной энергии активации (Л6~), которая не связана с Л6. ванной с помощью Л6в в уравнении (6)) и от их концентрации [выраженззой как логарифмическая функция в уравнении (6)). Для упрощения расчетов по изменению свободной энергии при биохимических реакциях условно принято считать, что стандартное состояние-это состояние при рН 7. Отсюда активность Н, соответствующая рН 7 в уравнениях (6) и (9), равна 1, Активность воды в этих уравнениях также принята равной 1, В данной книге будет фнз урировать понятие изменения стандартной свободной энергии нри рН 7, обозначаемое как Лбв', В качестве единицы энергии булет использоваться килокалория (ьл лй Можно легко вывести соотношение между стандартной свободной энергией и константой равновесия реакции.

В состоянии равновесия Л6 = О. Уравнение (6) тогда приобретае~ следующий вид: О= Лбь + ззТ1п— [СПО) [А][В] ' (7) Подставив вместо Я и Т их значения— соответственно 1,98. !О ' ккал моль ' х х град ' и Т = 298 К (25'С),-получим К !О-лбе л,эб е (13) где Лбл выражено в ккал/моль. Таким образом, стандартная свободная энергия и константа равновесия реакции связаны между собой простым выражением.

Например, константа равновесия 10 соответствует изменению стандартной свободной энергии — 1,36 ккал/моль при 25'С (табл. 11.1). В качестве примера вычислим Л6ь и Л6 для изомеризации дигидроксиацетонфосфата в глицеральлегид-3-фосфат. Эта реакция идет при гликолизе (гл. 12).