Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 13
Текст из файла (страница 13)
° Реакция может нротскать самопроизвольно лишь в случае отрицательного значения ЬС (если своболная энергия в процессе высвобиж<)ается). Однако функционирование клетки в значительной степени зависит от таких ыолекчл, как белки и цуклеиновые кислоты, которые характеризуются положительной свободной энергией образования: они менее стабильны и гораздо более упорядочены, чем смесь их мономерцых звеньев. Для осуществления невыгодных с тсрмодицамической точки зрения (эндергонических) реакций клетка сопрягает нх с другими реакциями, которые протекают с высвобожленисм свободной энергии (экзергоничеекие реакции), так что суммарный процесс становится энергетически выгодным: общее изменение свободной энергии отрицательное.
Обычным источником свободной энсргии в сопряженных биологических реакциях является гидролиз фосфоангидридных связей, например в молекуле адснозинтрифосфата (АТР рис. 1-25) и 1уанозиптрифосфата (ОТР). Здесь буквой ® обозначены фосфорильныс группы: Аминокислоты — Белок АС,>О (энлергоннческнй процесс) А6,<0 (экзергоничсский процесс) АТР— АМР + Я вЂ” У ~нли АТР— АГ)Р+ Я При сопряжении этих двух реакций сумма ЬС, и АС, отрицательна, т.с. весь процесс в целом является экзергоническим. Используя такую стратегию сопряжения, ктетки синтезируют н поддерживают богатые информацией молекулы, необходимые для их жизни. Энергетическое сопрлжение в биологических реакциях При изучении биоэнергетики (науки о превращениях энергии в живых системах) основное внимание уделяется сопряженным процессам. в которых энергия, получаемая нри мстаболизме топливных молекул илн от солнечного света, расходуется на осуществление реакций, идущих в клетке с затратами энергии.
В связи с этим полезно рассмотреть простую механическую задачу (рис. 1-26,а). Предмет, находящийся на вершине наклонной плоскости, обладает определенной нотенциальной энергией, поскольку он поднят на некоторую высоту. Предмет скользит вниз по плоскости и при этом теряет свао потснциальную энергию. Если с помощью блока соединить этот скользящий предмет с меньшим но размеру нрелметом, то самопроизвольное скольжение Гюльшого предмета будет поднимать маленький, т. с. совершится определенная работа. Количество энергии, доступное для совершения работы, равно изменению свободной энергии Гиббса (ЬС).
1.3 Физические основы биохимии (45] НН ,(„ О О О НС !1 ! Π— Р— Π— РΠ— Р— Π— СНе )и С СН О О О О Н Н Н Н ОН ОН ( )-. Р, Р— ( Р Адепозин (адснознптлрифосфат, АТР) ΠΠ— Р— ОН + ~ Р ~Р г — Лденознн (здспознпдифосфзт, ЛВР) О Неорганический фосфат (Р, ) ОН О Г О вЂ” Р— Π— Р--ОН + ' Р ~ — Лдепознн (зденозипнопофосфзт, ЛМР) О О Неорганический пнрофосфаз (РР,) Химический пример Механический пример л(;-".: О аб< о '.,",Эззь(з ийз.н цой 14 ынтянп сг о сз и й Ь й < и с.
о о сз Рзтх)т 'нпдъ~ ЮЭндергонический а процесс Экзертоничесний 1йй процесс Координата реакции Рис. 1-26. Энергетическое сопряжение при меканических и химических процессах. а) Движение предмета вниз высвобождает потенциальную энергию, с помощью которой можно осуществить механическую работу. Потенциальная энергия, высвобождаемая в результате спонтанного движения вниз (экзергонический процесс, показан розовым цветом), может быть использована для подъема другого предмета (эндергонический процесс, показан голубым цветом). 6) Образование глюкозо-6-фосфата из глюкозы и неорганического фосфата (Р;) по реакции 1 приводит к образованию продукта, более богатого энергией.
чем исходные вещества. В этой зндергонической реакции Л6 > о. Экзергонический процесс гидролиза АТР (реакция г) характеризуется бОЛЬШИМ ОтрнцатЕЛЬНЫМ ЗНаЧЕНИЕМ Л6е СуММаркая рЕанцюя, СОСтааявииая ИЗ рЕаКцИй 1 И г, хаРакгеРизУетса изменением свободной энеРгии А6, = А6, + Л6е ПоскОлькУ 66, О, сУммаРнаЯ реакция является экзергонической и может протекать самопроизвольно. Рис. 1-25. Молекула аденозинтрифосфата (АТР) как источник энергии. Здесь буквой (Р обозначены фосфорильные группы.
Удаление от АТР концевой фосфорильной группы (выделена розовым цветом) в результате расщепления фосфоангидридной связи приводит к образованию аденозиндифосфата (АВР) и неорганического фосфат-иона (НРО,'-). Этот зкзергонический процесс сопряжен со многими эндергоническими процессами в клетке (как в примере на рис. Ргб б). Кроме того, АТР является источником энергии для многих клеточных процессов в результате реакции расщепления, в которой АТР теряет две концевые фосфорильные группы, что приводит к образованию неорганического пирофосфата (Н,Р,О,'-), часто обозначаемого Ррн [461 1. Основы биохимии Эга величина всегда несколько меньше теоретического значения высвобождаемой энергии, поскольку часть ее рассеивается в виде тепла.
Чем выше поднят большой предмет, тем больше энергии (ЛС) высвобождается по мсрс его скольжения вниз, и тем больп1ую работу можно выполнить за счет этой энергии. Более крупный объект может поднять более мелкий объект лишь за счет того, что вначале белес крупный объект был далек от положения равновесия: в юкойто более ранний момент времени оп был поднят пад землей с затратой определенной энергии. Как все сказанное применить к химической реакции? В закрытых системах химические реакции протекают спонтанно до достижения состояния равновесия.
При равновесии скорость образования продуктов реакции в точности равна скорости их обратного превращения в исходныс вещества. Таким образом, не наблюдается изменений концентраций реагирующих веществ и продуктов реакции: достигается стационарное состояние. Изменение энергии системы от исходного состояния к равновесию (при постоянной температуре и давлении) определяется изменением свободной энергии (ЬС). Величина ЛС зависит от конкретной химической реакции и от удаленности исходной системы от состояния равновесия. Кажлое вещество, участвующее в реакции, обладает определенной потенциальной энергией, которая зависит от типа и числа имеющихся в нем связей. В спонтанных реакциях энергия образующихся продуктов меньше, чем у реагирующих веществ, так что в результате реакции энергия высвобождается, и ее можно использовать на совершение работы.
Это экзергопические реакции, в которых разность свободной энергии реагирующих веществ и продуктов — отрицательная величина. Для осуществления эпдергопических реакций необхолимо затратить энергию, ЛС— положительная величина. Аналогично тому, как это происходит в механическом процессе, только часть энергии, высвобождаемой в экзергонической химической реакции, может быть использована лля совершения работы.
В живых системах часть энергии излучается в ниде тепла или теряется с ростом энтропии. В живых организмах, как и в примере па рис. 1-26, а, для осуществления энергетически невыгодной реакции экзергоническая реакции может быть сопряжена с эндсргоничсской. На рис. 1-26, б в виде графиков, называемых энерге- тическими диаграммами, продемонстрировано превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат— первый этап метаболического пути окисления глюкозы.
Простейшим способом получения глюкозо-6-фосфата является следующий: Реакция 1: Глюкоза + Р; — глюкозо-6-фосфат (ЬС > О, зндергопический процесс). Здесь под Р, подразумевается неорганический фосфат НРО,г . Сейчас не будем останавливаться на вьисиении структуры участвующих в реакции соединений, мы подробно поговорим об атом позже. Данная реакция не может протекать самопроизвольно, поскольку ЛС > О. Напротив, вторая реакция является экзергопической и может протекать в любых клетках: Реакция 2: АТР— А(гР + Р, (ЛО < О, экзергонпческий процесс). Обе эти реакции протекшот с участием вещества Рь которое потребляется в первой реакции и выделяется во второй. Следовательно, эти две реакции можно объелипить в одну суммарную (вещество Р; вычитаем из обеих сторон уравнения): Реакция 3: Глюкоза+ АТР— глкжозо-6-фосфат + А ОР В реакции 2 выделяется больше энергии, чем расхолуется в реакции 1, поэтому изменение свободной энергии в реакции 3 (ЬСз) отрицательное, следовательно, синтез глюкозо-6-фосфата по этой реакции может протекать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
