Химическая энергия, особенности ее образования и утилизации в живых системах

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных биоэнергетических процессов в клетке вспомним, что в соответствии со вторым законом термодинамики энтропия любой замкнутой системы с течением времени может только возрастать. Энтропия - термодинамическая категория, характеризующая степень неупорядоченности системы. Поэтому, возрастание энтропии, по сути, есть увеличение степени неупорядоченности системы, т.е. переход от более упорядоченной структуры к менее упорядоченной и снижение доли полезной энергии (т.е. энергии, с помощью которой может быть совершена работа). Другими словами из второго закона следует, что в любой изолированной системе степень неупорядоченности может только возрастать, а величина полезной (свободной) энергии - уменьшаться. В тоже время живые организмы, по мере того как проходят развитие от оплодотворенной яйцеклетки до состояния взрослой особи, постоянно усложняют свою структуру. Казалось бы, в живых системах второй закон термодинамики не выполняется. Однако, следует иметь ввиду, что этот закон относится к замкнутой системе, а живой организм и составляющие его элементы являются открытыми системами, для которых характерен постоянный обмен с окружающей средой веществом и энергией и поддерживание относительно низкого уровня энтропии, за счет повышения ее в окружающей среде. Способность извлекать полезную энергию из окружающей среды является одним из тех замечательных свойств, которые отличают живые организмы от неживой природы. Потребляя растительную или животную пищу, живой организм превращает содержащиеся в ней высокоорганизованные молекулы в СО₂, Н₂О и низкомолекулярные азотсодержащие соединения, имеющие значительно более высокий уровень энтропии, а образующуюся при этом энергию использует, в том числе на развитие и рост собственного организма, сопровождающийся понижением энтропии. Первичным же источником энергии на земле для большинства организмов является солнце, энтропия которого постоянно повышается и только незначительная часть выделяемой при этом энергии улавливается биосферой и утилизируется растениями и некоторыми бактериями в реакциях фотосинтеза, а остальная безвозвратно теряется во Вселенной.

В процессе эволюции в организме животных и естественно человека сформировалось множество путей получения, транспорта и утилизации энергии, и в подавляющем большинстве из них для аккумуляции химической энергии используются специальные соединения – фосфагены, имеющие в своей структуре так называемую высокоэнергетическую или макроэргическую связь. Аденозин-5'-трифосфат (АТФ) представляет собой наиболее распространенный и важнейший представитель этой группы соединений. Кроме АТФ, высокоэнергетические связи имеют ряд других органических полифосфатов. Для обозначения макроэргической связи используется символ ~. Так молекулу АТФ сокращенно обозначают А-Р-Ф~Ф~Ф (А-аденин, Р-рибоза).

При рН=7,0 АТФ представляет анион с высоким зарядом. Трифосфатная группа содержит 4 ОН группы способные к ионизации. 3 из них имеют низкое значение рК и при рН=7 полностью диссоциируют, четвертая группа диссоциирует на 75%. Высокая концентрация отрицательных зарядов является важным фактором, обуславливающим высокоэнергетическую природу АТФ. Эти заряды располагаются близко друг к другу и между ними существует сильное отталкивание. При гидролитическом отщеплении концевой Ф группы силы отталкивания ослабевают. Образовавшиеся продукты не стремятся воссоединиться. Вторая важная особенность, обуславливающая большую отрицательную величину ΔG' гидролиза АТФ заключается в том, что оба продукта гиролиза стабилизированы за счет сопряжения. Понятие энергии фосфатной связи которым пользуются биохимики не следует путать с понятием энергии связи, под которой в физической химии понимают энергию необходимую для разрыва в молекуле связи между 2 атомами. Под энергией макроэргической фосфатной связи понимают разность между свободной энергией исходных веществ и свободной энергией продуктов реакции, в процессе которой фосфорилированное соединение гидролизуется с образованием неорганического фосфата.

Перенос концевой фосфатной группы АТФ на воду сопровождается освобождением свободной энергии, примерно вдвое большей, чем при гидролизе обычной фосфоэфирной связи, например в аденозинмонофосфате. Свободная энергия характеризует ту долю полной энергии заключенной в веществе, с помощью которой может быть совершена работа в изотермических условиях, т.е. при постоянной температуре, а именно такие условия характерны для биологических систем. Изменение свободной энергии измеряется в ккал/моль и обозначается ΔG' если процесс протекает в стандартных условиях (рН=7, Т=25 ºС, субстраты и продукты реакции взяты в одинаковой концентрации равной 1 моль/л) и символом ΔG для реакции в конкретных условиях реальных биологических систем. В случае гидролиза АТФ, ΔG' = -7 ккал/моль, а ΔG = -11-13 ккал/моль Живые организмы используют энергию АТФ для выполнения механической работы мышц, создания концентрационных градиентов и трансмембранных электрических потенциалов.

Конкретные механизмы, обеспечивающие протекание данных процессов будут изложены в последующих лекциях, а теперь рассмотрим, общие принципы, обеспечивающие возможность использования энергии АТФ для совершения химической работы. Представим себе типичный биосинтетический, т.е. анаболический процесс, при котором два мономера -Х и Y- должны соединиться друг с другом в реакции дегидратации (называемой также конденсацией), сопровождающейся выделением воды:

Х-ОН + Y-Н X-Y + Н₂О + ΔG (3 ккал/моль)

Большинство таких реакций являются эндергоническими (не путать с эндотермическими) и сопровождаются возрастанием свободной энергии на величинуΔG, а движущей силой любой химической реакции является уменьшение свободной энергии и самопроизвольно протекают только экзергонические реакции и, следовательно, почти всегда предпочтительнее обратная катаболическая реакция (называемая гидролизом), поскольку в этом случае имеет место выделение свободной энергии равное по абсолютной величине ее потреблению в реакции конденсации. Поэтому в клетке такие реакции протекают в несколько стадий, в результате которых происходит сопряжение энергетически невыгодного синтеза с сильно экзергоническиой реакцией, протекающей с участием АТФ. Механизм сопряжения реализуется следующим образом. Реакции синтеза, приведенной выше и сопровождающейся возрастанием свободной энергии (предположим ΔG' = 3 ккал/моль), предшествует фосфорилирование одного из субстратов молекулой АТФ.

А-Р-Ф~Ф~Ф + ХОН → А-Р-Ф~Ф + Х-О-Ф - ΔG = 4 ккал/моль

ΔG' этой реакции значительно меньше (4 ккал/моль), чем реакции гидролиза АТФ и переноса фосфатной группы на воду (примерно 11 ккал/моль). Остальная энергия (7 ккал/моль) аккумулируется в молекуле активированного субстрата, который вовлекается в последующую синтетическую реакцию. Однако, теперь свободная энергия исходных веществ выше, чем свободная энергия продуктов реакции (7 - 3 = 4 ккал/моль) и, реакция протекает слева направо, т.е. в направлении синтеза, сопровождаясь уменьшением свободной энергии:

Х-О-Ф + Y-Н → X-Y + Ф_н - ΔG = ( 4 ккал/моль)

Таким образом, за счет накопленной в молекуле АТФ энергии эндергоническая реакция замещается двумя сопряженными экзергоническими реакциями.

Другой путь использования АТФ для совершения химической работы реализуется через последовательно сопряженные или как их называют тандемные реакции. В этом случае эндергоническая реакция протекает благодаря следующей за ней экзергонической реакции. Возможность протекания тандемных реакций обусловлена тем обстоятельством, что увеличение свободной энергии не исключает протекание химической реакции, а лишь указывает на то, что величина константы равновесия такой реакции меньше единицы, т.е. если имеет место реакция:

А + B C + D + ΔG'¹(1)

то К_eq = < 1

и, следовательно, равновесие реакции смещено влево и это смещение тем более выражено, чем больше по абсолютной величине ΔG'. Однако если за реакцией 1 следует реакция 2

С +X CX- ΔG'² (2)

и для этой реакции величина ΔG' сильно отрицательна, то промежуточный продукт реакции С будет потребляться, смещая при этом равновесие реакции 1 вправо. В том случае если суммарная свободная энергия двух реакций будет величиной отрицательной они будут протекать в направлении потребления субстратов А и В и образования продукта СХ.

Теперь рассмотрим где в клетке локализованы механизмы получения энергии и перевода фосфагенов из "незаряженной" формы (например АДФ) в "заряженную" (АТФ) и как они функционируют.