4.5. Принцип энергетического сопряжения биохимических реакций

Живая клетка для своего существования нуждается в энер­гии. При этом гетеротрофные клетки получают необходимую энергию в основном за счет окисления продуктов питания (разд. 9.3.6), а для прототрофных клеток источником энергии часто является солнечный свет (разд. 9.3.7). Полученная энер­гия переводится теми и другими клетками с довольно хорошим КПД = 40 % в химическую энергию за счет синтеза в них аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ):

Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его взаимодействии с водой, т. е. гидролизе, обра­зуются аденозиндифосфорная (АДФ) и фосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия. Поэтому АТФ называется макроэргическим соединением, а разрывающаяся при его гидролизе связь Р—О—Р - макроэргической. Макроэргической связью называет­ся химическая связь, при разрыве которой в результате реак­ции гидролиза выделяется значительная энергия:

Как известно, разрыв любой связи (в том числе и макроэр­гической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидро­лиза АТФ кроме процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого AG > 0, происходят процессы гидрата­ции, изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате всех этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение. Сле­довательно, макроэргическим является не разрыв связи, а энер­гетический результат ее гидролиза.

Аденозинтрифосфат функционирует в клетках как проме­жуточный продукт, обеспечивающий организм энергией, необ­ходимой для протекания жизненно важных эндэргонических процессов: синтеза метаболитов (химическая работа), сокраще­ния мышц (механическая работа), переноса вещества через мем­браны против градиента концентрации (активный транспорт) и передачи информации (в частности, для передачи нервных им­пульсов).

Для того чтобы в живых системах протекали эндэргониче­ские реакции ( G_p > 0), необходимо, чтобы они были сопряжены с экзэргоническими реакциями ( G_p < 0). Такое сопряжение воз­можно, если обе реакции имеют какое-либо общее промежуточ­ное соединение и на всех стадиях сопряженных реакций суммар­ный процесс характеризуется отрицательным значением измене­ния энергии Гиббса . Например, синтез сахарозы является эндэргонической реакцией и самопроизвольно проис­ходить не может:

Однако сопряжение этой реакции с экзэргонической реакцией гидролиза АТФ, сопровождающееся образованием общего про­межуточного соединения глюкозо-1-фосфата, приводит к тому,

ч то суммарный процесс имеет :

Наряду с АТФ в живых организмах имеются более эффективные макроэргические фосфорилированные соединения, гидролиз которых сопровождается выделением большей энергии. Так, стандартная энергия Гиббса для гидролиза креатинфосфата, 3-фосфоглицерилфосфата и фосфоенолпирувата равна со ответственно -43,1; -49,4 и -61,9 кДж/моль. С помощью этих соединений происходит синтез АТФ из АДФ.

Таким образом, внутренним источником энергии в живых системах являются фосфорилированные соединения, при взаи­модействии которых с биосубстратами, включая воду, выделя­ется энергия. В результате сопряжения этих реакций с други­ми (эндэргоническими) обеспечивается протекание в клетке не­обходимых эндэргонических процессов.

4.6. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ

БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАВНОВЕСНЫХ

И СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЯХ.

ПОНЯТИЕ О Г0МЕ0СТАЗЕ

Главная особенность протекания обратимых биохимических реакций заключается в стремлении достичь динамического рав­новесия, так как это состояние возникает и поддерживается вследствие протекания реакций в двух пгютивоположных направ­лениях с одинаковыми скоростями Такое состояние назы­вается химическим равновесием, о котором подробно пойдет разговор дальше, а сейчас рассмотрим, как изменяется энергия Гиббса системы, в которой устанавливается химическое равно­весие. В этом случае изменение энергии Гиббса в системе ха­рактеризуется наличием минимума, который соответствует со­стоянию химического равновесия (рис. 4.3, табл. 4.1). К этому равновесному состоянию возможен подход как со стороны ис­ходных веществ , так и со стороны продуктов реакции

Таким образом, в случае протекания обратимых реакций

система самопроизвольно приходит к состоянию хи­мического равновесия, из которого она без внешне­го воздействия не может выйти, поскольку это тре­бует увеличения энергии Гиббса.

Р ис. 4.3. Изменение энергии Гиббса в закрытой системе в обратимой химической ре­ акции (р, Т = const)

Химическое и биохимическое равновесное состояние сис­темы характеризуется:

1. равенством скоростей прямой и обратной реакций ;

2. энергетической выгодностью ;

3. отсутствием изменений величин параметров и функций

состояния системы: концентрации реагентов , энталь-

пии , энтропиии энергии Гиббса

Поскольку в состоянии химического равновесия система достигает минимально возможного значения энергии Гиббса, то реакция, которая приводит в данных условиях к состоянию равновесия, всегда протекает самопроизвольно. Благодаря этой особенности обратимых процессов большинство биохимических реакций, протекающих в организме, обратимы.

Другая особенность биохимических процессов, протекающих в организме, заключается в их многостадийности, так как ве­роятность обратимого протекания отдельной стадии значитель­но выше, чем всего процесса в целом (рис. 4.4). Это объясняет­ся тем, что разница между величинами G_нач и G_K0H для каждой отдельной стадии обычно невелика (| G_p| < 10 кДж/моль). Об­ратимость отдельных стадий биохимических процессов позволя­ет живому организму легко регулировать синтез тех или иных соединений в зависимости от потребности и тем самым поддер­живать стационарное состояние.

Стационарное состояние для живого организма характери­зуется постоянством его термодинамических величин и неиз­менностью во времени скоростей поступления и удаления ве­ществ и энергии. Несмотря на постоянство термодинамических величин, они не имеют равновесных значений в этом состоянии. Биологическое развитие организма возможно только в системе, находящейся в стационарном состоянии, но далеком от равнове­сия. Именно стационарное неравновесное состояние живой ма­терии позволяет ей опти­мизировать свои характе­ристики и эволюциониро­вать во времени.

Термодинамическая осо­бенность стационарного со­стояния открытых систем впервые сформулирована И. Р. Пригожиным (1946).

Р ис. 4.4. Изменение энергии Гиббса в многостадийном био­химическом процессе (р, Т = = const)

В открытой системе в стационарном состоянии при­рост энтропии в единицу времени принимает ми­нимальное положительное значение для данных условий, т. е. -> min.

Поскольку энтропия является мерой деградации, или рас­сеяния энергии, принцип Пригожина приводит к важнейшему заключению: при стационарном состоянии рассеяние энергии Гиббса открытой системой оказывается минимальным.

Термодинамические особенности открытых систем, харак­терные для живого организма, объясняют его устойчивость, по­зволяющую ему в течение многих лет сохранять определенный уровень работоспособности, а также относительное постоянство внутренней среды, называемое в биологии гомеостазом.

Гомеостаз — относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма, обуслав­ливающее устойчивость его физиологических функций.

В формировании и поддержании состояния гомеостаза боль­шую роль играет обратимость большинства биохимических про­цессов. Эти процессы всегда протекают самопроизвольно в на­правлении достижения равновесия, но, как правило, в орга­низме они его не достигают, а только приводят к достижению необходимого соотношения между конечными и исходными про­дуктами реакции, протекающей самопроизвольно при данных условиях. Это происходит или за счет использования продуктов реакции, протекающей самопроизвольно, в других процессах, или за счет изменения условий в данной системе. Так, система, приближающаяся к химическому равновесию, переносится ор­ганизмом в другие условия, при которых к состоянию химиче­ского равновесия приводит обратная реакция (разд. 5.5.1). На­пример, в легких, где концентрация кислорода большая, гемо­глобин крови соединяется с кислородом (разд. 10.4), но, не дос­тигнув состояния равновесия в насыщении кислородом, кровь переносится из легких к тканям, и там гемоглобин отдает ки­слород, поскольку при переходе от легких к тканям в крови из­меняются условия для процесса взаимодействия гемоглобина с кислородом. Другой пример: формирование и рост костной тка­ни происходит в одних клетках - остеобластах, а ее растворение в других клетках - остеокластах (разд. 11.3), в то же время ра­бота тех и других клеток регулируется организмом, что позволя­ет ему поддерживать содержание костной ткани на определен­ном уровне.

Таким образом, организм использует в своей жизнедеятель­ности обратимые биохимические процессы и их стремление к состоянию химического равновесия, но не допускает наступле­ния устойчивого во времени химического равновесия, так как это состояние приведет к гибели организма. В то же время со стояние гомеостаза поддерживается за счет баланса, т. е. необхо­димого соотношения между компонентами с противоположными (антагонистическими) свойствами. Так, в основе гомеостаза орга­низма находятся следующие химические и физико-химические балансы: кислотно-основный (гл. 8), окислительно-восстанови­тельный (гл. 9), металло-лигандный (гл. 10), гидрофильно-липофильный (разд. 26.6), водно-электролитный (разд. 7.6). В совре­менной литературе понятия "баланс" и "гомеостаз" часто исполь­зуются как синонимы.

В заключение отметим основные положения, следующие из законов термодинамики:

• развитие системы происходит под влиянием двух тенден­ций - стремления к минимуму энергии и к максимуму энтро­пии;

• экзэргонические реакции в организме протекают самопро­извольно, так как G_P < 0;

• эндэргонические реакции требуют подвода энергии, так как G_P > 0;

• состояние равновесия в обратимых процессах с позиции

термодинамики характеризуется и является энергетически самым выгодным, так как ;

- биологические системы в стационарном состоянии характеризуются , а в соответствии с законом сохранения S + I = const для живых систем должна быть справедлива зако­номерность (в пределах соблюдения приведенного закона сохранения). При этом биологические системы организма далеки от состояния равновесия, что позволяет им оптимизиро­вать свои характеристики и эволюционировать во времени.

О бщие законы биохимической термодинамики дают биологу, врачу и экологу ключ к пониманию энергетической стороны биохимических реакций в организме, процессов эмбриогенеза, регенерации и старения тканей, аналогичных процессов, проте­кающих в биосфере, а также дают возможность регулировать эти процессы осуществлением профилактических или исправляю­щих (лечебных) мероприятий.