Том 1 (1129743), страница 32
Текст из файла (страница 32)
2.48. Случайное блуждание. Молекулы в растворедвижутся случайным образом — в результате непрерывных ударов, полученных при столкновении с другимимолекулами. Такое движение позволяет маленьким молекулам быстро диффундировать из одной части клеткив другую, как описано в тексте.150Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.49. Структура цитоплазмы. Рисунок представлен в приближенном масштабе и акцентирует внимание на «загруженность» цитоплазмы. Показаны только макромолекулы: РНКпоказаны синим, рибосомы — зеленым, а белки — красным.Ферменты и другие макромолекулы диффундируют в цитоплазме относительно медленно, отчасти потому, что они взаимодействуют со многими другими макромолекулами; маленькиемолекулы, напротив, диффундируют почти так же быстро, какв воде.
(Переработано из D. S. Goodsell, Trends Biochem. Sci. 16:203–206, 1991. С разрешения издательства Elsevier.)нями. Частота столкновений молекулы фермента с ее субстратом будет зависетьот концентрации молекул субстрата. Например, некоторые субстраты, которымиизобилует клетка, присутствуют в концентрации 0,5 мМ (ммоль/литр). Посколькучистая вода имеет концентрацию 55,5 М (моль/литр), на каждые 105 молекул водыв клетке приходится лишь около одной такой молекулы субстрата.
Тем не менееактивный участок молекулы фермента, который связывает этот субстрат, будетотбомбардирован примерно 500 000 случаев столкновений с молекулой субстратавсекунду. (При снижении концентрации субстрата в десять раз число столкновенийуменьшается до 50 000 в секунду и так далее.) Случайное столкновение между поверхностью фермента и соответствующей поверхностью молекулы его субстратачасто незамедлительно ведет к образованию комплекса фермент–субстрат, готовоговступить в реакцию.
Теперь реакция, в ходе которой разрывается или образуетсяковалентная связь, может произойти чрезвычайно быстро. Если прикинуть, скольбыстро молекулы движутся и вступают в реакции, то наблюдаемые скорости ферментативного катализа не покажутся столь удивительными.Как только фермент и субстрат столкнулись и «прижались друг к другу»должным образом в активном участке, между ними формируются многочисленные слабые связи, которые сохраняются до тех пор, пока беспорядочное тепловоедвижение не вынуждает молекулы вновь разойтись.
Вообще, чем прочнее связьфермента с субстратом, тем медленнее скорость их диссоциации. Однако, когдадве сталкивающиеся молекулы имеют плохо подходящие друг другу поверхности,число образующихся между ними нековалентных связей невелико и их общаяэнергия незначительна по сравнению с энергией теплового движения. В этом случае две молекулы отделяются друг от друга столь же быстро, сколь быстро ониобъединились, что и предотвращает образование неправильных и нежелательныхкомплексов между несоответствующими друг другу молекулами, как например,между ферментом и молекулой, не являющейся его субстратом.2.2.8. Возможность протекания реакции определяетсясопряженным с ней изменением свободной энергииТеперь мы ненадолго отступим от основной темы, дабы напомнить читателюнекоторые начала химии.
Клетки суть химические системы, которые должны подчиняться всем химическим и физическим законам. Хотя ферменты и ускоряютреакции, они не могут сами по себе (своими силами, без посторонней помощи)сделать так, чтобы энергетически неблагоприятные реакции произошли. ПрибегнувГлава 2. Химия клетки и биосинтез 151к аналогии с водой, можно сказать, что ферменты не могут заставить воду течьвверх по руслу. Клетки, однако, чтобы расти и делиться, должны делать именноэто: строить высокоупорядоченные и богатые энергией молекулы из мелких и простых молекул. Мы увидим, что все это происходит благодаря ферментам, которыенепосредственно сопрягают энергетически благоприятные реакции, в ходе которыхвысвобождается энергия и выделяется теплота, с энергетически неблагоприятнымиреакциями, в ходе которых создается биологический порядок.Прежде чем мы изучим, за счет чего достигается такое сопряжение, нам следуетболее тщательно рассмотреть термин «энергетически благоприятный» («energeticallyfavorable»).
Согласно второму закону термодинамики, химическая реакция можетсамопроизвольно протекать лишь в том случае, если она ведет в итоге к возрастаниюбеспорядка во Вселенной (см. рис. 2.38). Критерий возрастания беспорядка во Вселенной наиболее удобно выразить в единицах величины, называемой свободнаяэнергия, G, системы. Значение G представляет интерес только тогда, когда системапретерпевает изменение, и изменение G, обозначаемое ΔG (дельта G), являетсяопределяюще важным. Предположим, что рассматриваемая нами система представляет собой сообщество молекул.
Как следует из приложения 2.7 (стр. 118–119),свободная энергия была определена таким образом, что ΔG – прямая мера количества беспорядка, создаваемого во Вселенной, когда имеет место реакция, в которой участвуют данные молекулы. Энергетически благоприятными реакциями,по определению, считаются те, что уменьшают свободную энергию; иначе говоря,они имеют отрицательную ΔG и дезорганизуют Вселенную (рис. 2.50).Примером энергетически благоприятной реакции в макроскопическом масштабе служит «реакция», в ходе которой сжатая пружина возвращается в растянутое состояние, высвобождая в окружающую среду запасенную в ней энергиюупругости в виде теплоты; в качестве примера в микроскопическом масштабе приведем процесс растворения солив воде.
Наоборот, энергетически неблагоприятные реакциис положительным ΔG — такиекак соединение двух аминокислот с образованием пептиднойсвязи — без привлечения силизвне порождают порядокво Вселенной. Поэтому такиереакции возможны только в томслучае, если будут сопряженыс какой-либо реакцией, характеризующейся столь большим отрицательным значением ΔG, чтозначение ΔG для всего процессав целом будет отрицательным(рис. 2.51).Рис. 2.50. Различие между энергетически благоприятной и энергетическинеблагоприятной реакциями.152Часть 1. Введение в мир клетки2.2.9. Концентрация реагентов влияет на изменение свободнойэнергии и на направление протекания реакцииКак только что было описано, реакция Y ↔ X протекает в направлении Y → X,когда этот процесс сопряжен с отрицательным значением изменения свободнойэнергии ΔG, — так же как и сжатая пружина, будучи предоставлена сама себе,разожмется и потеряет запасенную в ней энергию во внешней среде в виде выделившейся теплоты.
В случае химической реакции, однако, ΔG зависит не толькоот энергии, запасенной в каждой отдельной молекуле, но также и от концентрациимолекул в реакционной смеси. Вспомним, что ΔG отражает степень, с которой реакция создает более неупорядоченное — другими словами, более вероятное — состояние Вселенной. Если вспомнить приводимую нами ранее аналогию с монетами,то становится весьма вероятным такое событие, когда некоторая монета изменитсвою ориентацию с орла на решку, если во встряхиваемом ящике находится 90 орлов и 10 решек; однако это событие станет менее вероятным, если ящик будет содержать 10 орлов и 90 решек.То же самое верно и для химической реакции.
В случае обратимой реакцииY ↔ X при большом избытке Y над X реакция будет преимущественно проходитьв направлении Y → X; то есть система будет стремиться к такому состоянию,чтобы в ней было больше молекул, осуществляющих переход Y → X, чем молекул, совершающих переход X → Y. Если отношение Y к X увеличивается, то ΔGстановится более отрицательным для перехода Y → X (и более положительнымдля перехода X → Y).Какая разность концентраций необходима, чтобы компенсировать данное уменьшение энергии химических связей(и сопутствующее высвобождение теплоты)? Ответ интуитивно не очевиден, но эта разностьможет быть определена из термодинамического анализа, которыйпозволяет разделить зависимыеот концентрации и независимыеот концентрации части уравнения изменения свободной энергии.
Выражение ΔG для даннойреакции можно, таким образом,записать в виде суммы двух частей: первая, называемая изменением стандартной свободнойэнергии ΔG°, зависит от индивидуальных характеристик реаРис. 2.51. Принцип использования сопряженных реакций для осуществленияэнергетически неблагоприятных реакций.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 153гирующих молекул; вторая зависит от их концентраций.
Для простой реакцииY → X при 37° C,где ΔG выражено в килокалориях на моль, [Y] и [X] обозначают концентрациивеществ Y и X, ln — натуральный логарифм, а постоянный коэффициент 0,616равен RT: произведению универсальной газовой постоянной R и абсолютной температуры T.Обратите внимание, что в том случае, когда молярные концентрации Y и Xравны (lg 1 = 0), G равно величине ΔG°. Как и следовало ожидать, по мере уменьшения величины отношения X к Y ΔG становится более отрицательным (десятичныйлогарифм любого числа < 1 отрицателен).Из вышеприведенного уравнения видно, что ΔG равно величине ΔG°, когдаконцентрации Y и X равны.
Но по мере протекания благоприятной реакции Y → Xконцентрация продукта X возрастает, а концентрация субстрата Y снижается.В результате такого изменения относительных концентраций отношение [X]/[Y]становится все больше и больше, а изначально благоприятное ΔG — все менее и менее отрицательным. В конечном счете, когда ΔG = 0, будет достигнуто химическоеравновесие; здесь концентрационный эффект в точности уравновешивает тот импульс, которым «обеспечила» реакцию величина ΔG°, и соотношение концентрацийсубстрата и продукта достигает постоянного значения (рис.
2.52).Как долго будет протекать реакция, прежде чем она остановится, достигнувравновесия? Прежде чем обращаться к этому вопросу, нам следует ввести понятиеконстанты равновесия, K. Для различных реакций значение K разное, и оно отражает величину отношения кнцентраций продукта к субстрату в точке равновесия.Для реакции Y → X.Уравнение, которое связывает ΔG с отношением концентраций [X]/[Y], позволяет нам напрямую связать ΔG° с K. Поскольку в состоянии равновесия ΔG = 0,постольку концентрации Y и X в этой точке таковы, чтоили.Из последнего уравнения мы можем проследить зависимость равновесногосоотношения X к Y (выраженного в виде константы равновесия K) от природымолекул, которая выражается величиной ΔG° (таблица 2.4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
