9.2. Некоторые аспекты биоэнергетики

Чтобы понять сущность процессов обмена энергии, необходимо познакомиться с рядом общих положений термодинамики. Первый закон термодинамики - это закон о сохранении энергии. Этот закон утверждает, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Математически первый закон термодинамики можно выразить следующей формулой:

Q=ΔH+W,

где Q-энергия в виде теплоты; ΔН- изменение энтальпии (или теплосодержания системы) при постоянном давлении; W — полезная работа, выполненная благодаря введению определенного количества теплоты Q.

Данное уравнение справедливо для идеальной обратимой системы, т. е. такой системы, которая, будучи переведенной в новое состояние путем поглощения энергии, может вновь возвратиться в исходное состояние и освободить то же самое количество ранее поглощенной энергии. Последняя может быть использована для совершения новой работы. Однако в природе полностью обратимых систем не существует. Самопроизвольно химические процессы могут протекать лишь в одном направлении — в направлении состояния равновесия. Предсказать направление биохимических реакций позволяет второй закон термодинамики, согласно которому все самопроизвольные процессы протекают в направлении, соответствующем максимальной при данных условиях энтропии (S), до достижения состояния равновесия системы. Энтропия (S) - мера разупорядоченности системы. Увеличение энтропии системы препятствует возврату к исходному состоянию. Поэтому все реакции, которые сопровождаются возрастанием

энтропии, необратимы. Для обращения их затрачивают дополнительную энергию.

Существует также понятие -свободная энергия. Это та часть энергии системы, которую можно использовать для совершения работы при постоянных температуре и давлении. Ее изменение обозначают символом ΔС. Ту же часть энергии химического процесса, которая не может быть превращена в работу, называют связанной энергией и выражают произведением TΔS (где Т- абсолютная температура, a ΔS изменение энтропии системы при данном химическом превращении). Сумма изменений свободной и связанной энергий называется энтальпией (или теплосодержанием системы) и, как уже отмечалось, обозначается символом ΔН. Второй закон термодинамики может быть представлен следующей формулой:

ΔН = ΔG + TΔS или ΔG = ΔН - TΔS.

Если (например, в ходе реакции А—»В) величина ΔG имеет отрицательное значение, то это означает, что свободная энергия вещества В меньше, чем свободная энергия вещества А. В этом случае реакция может происходить самопроизвольно с выделением свободной энергии (экзергонический процесс). Наоборот, если ΔG - положительная величина, то свободная энергия у вещества В выше, чем у соединения А, и самопроизвольно реакция протекать не может. Она протекает с потреблением энергии извне (эндергонический процесс). Если система находится в состоянии равновесия, то количество свободной энергии (ΔG) paвно нулю.

Величины ΔG могут выражаться в джоулях на моль или калориях на моль.

Высокоэнергетические фосфаты.

В клетках освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ свободная энергия в дальнейшем может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии.

Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых является ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза фосфатной 'связи. Следовательно, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) фосфатную связь.

Когда говорят о богатых энергией связях, то в этом случае энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы (-ΔG) составляют более 21 кДж/моль (или более 5 ккал/моль).

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также нерганический фосфат (Ф_н) и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ или АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностеи клеток. К соединеням, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относятся также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бисфосфоглицерат и ряд других соединений. Однако образование этих соединений в большинстве случаев зависит от энергии, поставляемой АТФ.

Стандартные условия: 1,0 М концентрации исходных и конечных продуктов, рН 7,0, температура 37 °С и избыток ионов магния. В этих условиях при гидролизе АТФ (АТФ + Н₂О—»АДФ +Ф_Н) изменение свободной энергии

(-ΔG⁰) составляет -30,4 кДж/моль.

При физиологических условиях в клетке не имеется таких высоких концентраций исходных веществ и их продуктов, а также ионов магния. Кроме того, возможны отклонения и в значениях р-н. Поэтому в физиологических условиях реальная свободная энергия (–ΔGф) гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к —50,0 к Д ж/моль.

Величина -ΔGф для других соединений отличается от стандартной - ΔG , но не обязательно в сторону больших значений.

Заметим, что АТФ, хотя и служит ключевым энергетическим посредником в обмене веществ, не является веществом, наиболее «богатым» энергией. АТФ находится в середине энергетической шкалы.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант — это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ + Н₂О —» АДФ+ Н₃РО₄). Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ + Н₂О —» АМФ +Н₄Р₂О₇). Этот тип реакций значительно реже используется в биохимических процессах. Образующийся пирофосфат относится к «богатым энергией» веществам. Однако богатые энергией связи пирофосфата редко используются для синтеза других веществ, так как при его гидролизе энергия освобождается в виде теплоты.

При гидролизе концевой фосфатной связи АДФ высвобождается такое же количество энергии, как и при отщеплении концевой фосфатной связи АТФ. Казалось бы, что АДФ может во многих реакциях заменить АТФ, в частности в реакциях фосфорилирования. Однако эта возможность не реализуется в биохимических процессах. До сих пор реакции фосфорилирования при участии АДФ неизвестны. В действительности происходит гидролиз АДФ (АДФ + Н₂О —» АМФ + Н₃РО₄) до низкоэнергетических АМФ и фосфата с выделением теплоты.

Итак, накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать, что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ: в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электрической, механической и др.).

Поскольку основным энергетическим источником для человека является энергия, запасенная в химических связях компонентов пищевых продуктов, питание человека следует рассматривать как один из факторов окружающей среды, существенно влияющий на его здоровье и продолжительность жизни. Разработкой основ рационального питания здоровых людей занимается гигиена питания, питанием больных — диетология. Для взрослого человека при средней по утомляемости работе требуется суточный рацион в 3000 ккал (1 ккал=4,19 кДж). С увеличением энергозатрат возрастает и потребность в пищевых продуктах.

Существует понятие о сбалансированном рациональном питании, т. е. соотношении белков, жиров, углеводов — 1:1:4, за счет чего обеспечивается суточная энергетическая потребность организма. Белки обеспечивают 15 % суточной энергетической потребности, жиры ~ 30% и углеводы — 55%, причем белки животного происхождения должны составлять не менее половины общего количества белка, 75—80% общею количества жира должно приходиться на животные жиры и 20—25%—на растительные масла. Чтобы питание было полноценным, в пищевой рацион обязательно должны быть включены мясо, рыба, молочные продукты (основные источники белка и липидов), а также овощи, фрукты (источники углеводов), минеральные вещества, витамины.