§ 7. Биологические системы и ac0'

Стандартные состояния растворов в физической химии и биохимии различны. В физической химии в качестве стан­дартного принимается состояние раствора при T = 298 К, P — 101,3 кПа и концентрациях всех компонентов,"Травных 1 моль. Поскольку большая часть биохимических реакций идет с участием ионов водорода, а физиологическое значение рН близко к 7, стандартное состояние в биохимии учитывает по­мимо указанных условий и концентрацию ионов водорода, равную 1СГ⁷ моль/л, т. е. рН = 7. В связи с этим стандартная свободная энергия в биохимии обозначается AG⁰'. Разность между AG⁰ и AG⁰' составляет 39,95 кДж: ~~"

AG»' = AG⁰ ± 39,95 кДж/моль. (1.19)

В биохимии процессы, для которых AG⁰' < 0. называются f зкзэргоническими, AG⁰' >0—эндэргошческими.\ *- Рассмотрим, как при изучении биохимических процессов можно использовать величину AG⁰' для определения возмож­ности или невозможности протекания тех или иных реакций в живых организмах.

Как указывалось выше, необходимая для различных био­химических реакций энергия выделяется при расщеплении макроэргических связей (табл. 4), например, при гидролизе АТФ:

АТФ + H₃O -> АДФ + Ф_в — AG⁰', где АДФ — аденозиндифосфат; Ф_н—неорганический фосфат.

Таблица 4. Стандартные свободные энергии ДО⁰* гидролиза некоторых фосфорсодержащих соединений

Соединение

AG⁰', кДж/моль

Фосфоенолпировиноградная кислота Ацетилфосфат Креатинфосфат Пирофосфат

АТФ

Глюкозо-1 -фосфат Глюкозо-6-фосфат Глицеро-1-фосфат

-61,9

-43,1 —43,1 —33,5 —33,5 —20,9 -13,8 -9,2

Эта реакция сопровождается понижением стандартной свободной энергии. Так, для гидролиза комплекса Mg — АТФ при рН=7,0 и Г=298 К получено AG⁰'= —33,5 кДж/моль.

Реакция гидролиза может идти и дальше:

АДФ + H₂O АМФ + Ф_н; AG"' = —30 кДж/моль; АМФ + H₂O -*■ Аденозин + Ф_н; AG⁰' = —14 кДж/моль,

где АМФ — аденозинмонофосфат.

Важное значение сопряженных реакций в организме можно проследить на примере изучения процесса гликолиза или от­дельных его стадий. Первая стадия гликолитического обмена состоит в превращении глюкозы в глюкозо-6-фосфаті

Глюкоза -j- НРО| -»■ Глюкозо-6-фосфат -J- H₂O; AG"' = 13,4 кДж/моль.

Поскольку эта реакция эндэр гони ческа я, она не могла бы протекать в обычных условиях. Однако реакция осуществля­ется, если сопряжена g другой, экзэргонической реакцией — гидролизом АТФ:

Глюкоза -J- АТФ ->- Глюкозо-6-фосфат + АДФ; &G°^e =—17,2 кДж/моль.

Эта реакция идет самопроизвольно, поскольку AG⁰'— от­рицательная величина.

Таким образом, энергетически невыгодная, но необходи­мая для метаболизма реакция реализуется за счет сопряже­ния с другой реакцией, в ходе которой освобождается энергия. В организме эти две реакции не могут происходить в отдельно-

сти, их сопряжение возможно благодаря Наличию специального фермента, объединяющего оба процесса в один.

Последовательно рассматривая все стадии гликолиза, мож­но увидеть, что расход молекул АТФ на одних стадиях ком­пенсируется их образованием на других. Полное окисление 1 моль глюкозы дает в целом 38 моль АТФ. Одна из причин, по которой АТФ играет столь уникальную роль в биологи­ческих реакциях, несомненно, состоит в том, что изменение свободной энергии AG⁰' гидролиза имеет умеренное значение. Большее значение AG⁰' означало бы, что для синтеза АТФ требуется большая энергия, если же значение AG⁰' было бы мало, то АТФ не могла бы играть своей основной роли как ис­точник энергии в живых организмах.