Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 2. Основы термодинамики

растает (∆S имеет положительное значение), когда увеличивается степень неупорядоченности.

Второй закон термодинамики налагает определенные огра ничения на возможные самопроизвольные превращения энергии (при физических изменениях системы или химических реакциях) и позволяет с большой вероятностью предсказать, в каком направ лении пойдет процесс. Второй закон термодинамики гласит, что процесс может протекать спонтанно только при условии увеличе ния суммы энтропий системы и окружающей среды. По этому за кону все процессы стремятся идти в направлении, соответствую щем возрастанию общей энтропии системы и окружающей среды. Эта тенденция сохраняется до тех пор, пока не наступает равнове сие, при котором энтропия будет иметь максимальное значение, со ответствующее данной температуре и данному давлению.

(∆Sсистемы + ∆Sсреды) > 0 для спонтанного процесса.

Равновесие определяется как состояние, при котором не про исходит суммарных изменений химических или физических ха рактеристик системы в условиях постоянства температуры, давления и концентрации составных частей. Система в состоянии равнове сия уже не может выполнять работу. После того как процесс, со провождающийся увеличением энтропии, достигает состояния равновесия, он уже не может самопроизвольно изменить направле ние и вернуться к исходному состоянию, потому что такое возвра щение потребовало бы уменьшения энтропии. Разупорядоченная система никогда самопроизвольно не превращается в упорядочен ную. Процессы, протекающие без изменения энтропии, называются обратимыми, а процессы, сопровождающиеся ростом энтропии, — необратимыми. Все реальные физические процессы, включая про цессы жизнедеятельности, являются необратимыми.

Необходимо обратить внимание на следующий факт: во время спонтанного процесса энтропия системы может уменьшаться при условии, что энтропия окружающей среды увеличивается, так что их сумма оказывается положительной величиной. Например, обра зование высокоупорядоченной биологической структуры термо

21

Тема 2. Основы термодинамики

динамически возможно, поскольку снижение энтропии в такой системе более чем возмещается повышением энтропии окружаю щей среды.

Измерить энтропию при химических реакциях сложно. Эти трудности устраняются при использовании другой термодинамиче ской функции, называемой свободной энергией, которая обозна чается символом G. Виллард Гиббс построил функцию свободной энергии путем сочетания первого и второго законов термодина мики. Основное уравнение при этом следующее:

∆G = ∆H – T∆S,

где ∆G — изменение свободной энергии системы, претерпеваю щей трансформацию при постоянном давлении (P) и темпе ратуре (T);

∆H — изменение энтальпии системы; ∆S — изменение энтропии этой системы. ∆H почти равно ∆E.

Изменение свободной энергии реакции в отличие от измене ния внутренней энергии служит ценным критерием возможности спонтанного протекания этой реакции.

Реакция может идти спонтанно только при отрицательном зна чении свободной энергии.

Система находится в равновесии и не претерпевает никаких изменений, когда свободная энергия равна 0.

Реакция не может идти спонтанно при положительном зна чении свободной энергии. Для индукции такой реакции требует ся приток свободной энергии.

Свободная энергия не зависит от пути превращения. Механизм реакции не оказывает влияния на свободную энергию. Например, значение свободной энергии для окисления глюкозы до СО2 и Н2О остается одним и тем же вне зависимости от того, осуществляется ли это превращение путем сгорания in vitro или в результате серии ферментативных реакций в клетке. Во вторых, свободная энергия не дает информации о скорости реакции. Отрицательное значение свободной энергии указывает, что данная реакция может проис

22

Тема 2. Основы термодинамики

ходить спонтанно, однако это еще не значит, что она будет идти

сзаметной скоростью. Скорость энергии активации зависит от свободной энергии активации, которая не связана со свободной энергией.

2.Изменение стандартной свободной энергии реакции и ее связь

сконстантой равновесия. Для упрощения расчетов по изменению свободной энергии при биохимических реакциях условно принято считать, что стандартное состояние — это состояние при рН 7. От сюда активность Н+, соответствующая рН 7, равна 1. В качестве единицы энергии используется килокалория.

Калория эквивалентна такому количеству тепла, которое тре буется для повышения температуры 1 г воды с 14,5 до 15,5 oС. Джоуль — количество энергии, необходимое для приложения си лы в 1 Н на расстоянии 1 м.

1 ккал = 4,184 кДж.

Стандартная свободная энергия и константа равновесия реак ции связаны между собой простым выражением, например конс танта равновесия 10 соответствует изменению стандартной сво бодной энергии — 1,36 ккал/моль при температуре 25 оC.

Термодинамически невыгодная реакция может быть индуци рована термодинамически выгодной реакцией.

АТФ — универсальный энергетический субстрат в биологи ческих системах.

Свободная энергия требуется для выполнения следующих задач:

1)для преобразования механической работы в мышечное со кращение и другие формы клеточных движений;

2)для активного транспорта молекул и ионов;

3)для синтеза макромолекул и других биомолекул из простых предшественников.

Используемая в этих процессах свободная энергия, которая поддерживает организм в состоянии, далеком от равновесия, по ступает из окружающей среды. Хемотрофы получают эту энергию

23

Тема 2. Основы термодинамики

путем окисления пищевых веществ, фототрофы получают ее, улав ливая световую энергию.

Свободная энергия, высвобождающаяся при окислении пи тательных веществ, прежде чем быть использованной в процессах движения, активного транспорта и биосинтеза частично преобра зуется в специальную форму. Таким специальным носителем сво бодной энергии является аденозинтрифосфат (АТР). Центральную роль АТФ в обмене энергии в биологических системах раскрыли Фриц Липман и Герман Калькар в 1941 г.

АТР — нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и триптофана. Активная форма АТР — комплекс АТР с Mg2+ или Mn2+. АТР — молекула, богатая энергией, поскольку ее трифосфат ный комплекс содержит две фосфоангидридные связи. При гидро лизе АТР до аденозиндифосфата (ADP) и ортофосфата (Pi) или до аденозинмонофосфата (AMP) и пирофосфата (PPi) высвобождает ся большое количество свободной энергии. Изменение стандарт ной свободной энергии для этих реакций зависит от ионной силы среды и от концентрации Mg2+ и Сa2+. Используют величину — 7,3 ккал/моль.

АТР + Н2О → ADP + Pi + Н+ (стандарт свободной энергии = –7,3 ккал/моль);

АТР + Н2О → АМР + PPi + Н+ (стандарт свободной энергии= –7,3 ккал/моль).

АТР, АМР и ADP могут превращаться друг в друга. Фермент аденилатциклаза катализирует реакцию АТР + АМР — ADP + ADP.

Свободная энергия, высвобождающаяся при гидролитическом расщеплении ангидридной связи АТР, используется для запуска ре ак ций, требующих притока свободной энергии. Цикл ATP–ADP пред ставляет собой основной механизм обмена энергии в биоло гических системах.

Некоторые биосинтетические реакции запускаются нуклео тидами — аналогами АТР, а именно: гуанозинтрифосфатом (GTP), уридинтрифосфатом (UTP) и цитидинтрифосфатом (CTP). Фер

24

Тема 2. Основы термодинамики

менты катализируют перенос концевой фосфорильной группы от одного нуклеотида к другому:

ATP + GDP → ADP + GTP,

ATP + GMP → ADP + GDP.

АТР постоянно образуется и потребляется.

АТР является главным непосредственно используемым доно ром свободной энергии в биологических системах, а не формой запаса свободной энергии.

В обычной клетке молекула АТР расходуется в течение 1 мин после ее образования. Оборот АТР очень высок: человек в покое расходует около 40 кг АТР за 24 ч. Движение, активный транспорт, усиление сигнала и процессы биосинтеза могут происходить только при условии непрерывного регенерирования ATP из ADP.

Структурная основа АТР, определяющая высокий потенциал переноса групп

АТР обладает высоким потенциалом переноса фосфатных групп за счет следующих факторов.

1.Электростатическое отталкивание. При рН 7 трифосфатный компонент АТР несет около 4 отрицательных зарядов, эти заряды сильно взаимоотталкиваются, поскольку они находятся в тесной близости друг к другу. Электростатическое отталкивание между указанными отрицательно заряженными группами ослабляется при гидролизе АТР.

2.Резонансная стабилизация — большая для ADP и Pi, чем для АТР, обусловливает высокий потенциал переноса групп.

Различные другие соединения в биологических системах имеют высокий потенциал переноса фосфатной группы. Фосфоэнолпи руват, ацетилфосфат и креатинфосфат обладают более высоким потенциалом переноса фосфатной группы, чем АТР. По потен циалу переноса фосфатной группы АТР занимает промежуточное положение в ряду биологически важных фосфорилированных молекул. Величина свободной энергии некоторых органических соединений приведена в таблице 4.

25

Тема 2. Основы термодинамики

Таблица 4

Величина свободной энергии некоторых органических соединений

Термодинамическая сущность роли АТР — это функционирова ние в качестве энергосопрягающего агента. Клетки поддерживают содержание АТР на высоком уровне, используя окисляемые субст раты в качестве источников свободной энергии. Гидролиз 1 моле кулы АТР резко сдвигает равновесное отношение концентрации продуктов к концентрации реагирующих веществ в сопряженной реакции примерно в 108 раз.

Таким образом, термодинамически невыгодная последователь ность реакций может быть превращена в термодинамически вы годную путем сопряжения с гидролизом достаточно большого ко личества молекул АТР.

Основные переносчики электронов при окислении топлив ных молекул — NADH и FADH2.

Хемотрофы получают свободную энергию в результате окис ления молекул, выполняющих роль топлива, таких как глюкоза и жирные кислоты. У аэробных организмов единственным акцеп тором электронов является О2. Однако электроны не переносятся прямо на О2 от топливных молекул и продуктов их распада. Эти

26

Тема 2. Основы термодинамики

соединения переносят электроны к специальным переносчикам — пиридиннуклеотидам или флавинам. Восстановленные формы пе реносчиков доставляют затем свои обладающие высоким энергети ческим потенциалом электроны к О2 по цепи переноса электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электронов по цепи сопровождается образованием АТР из ADP и Pi. Этот процесс, называемый окислительным фосфорилирова нием, служит основным источником АТР у аэробных организмов. Кроме того, электроны с высоким энергетическим потенциалом, возникающие при окислении топливных молекул, могут быть ис пользованы в процессах биосинтеза, для осуществления которых помимо АТР требуются восстановительные эквиваленты.

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) — главный акцептор электронов при окислении топливных молекул. Реактивноспо собная часть NAD+ — его никотинамидное кольцо. При окислении субстрата никотинамидное кольцо присоединяет ион водорода и два электрона, которые являются эквивалентами гидридиона. Восста новленная форма этого переносчика — NADH.

В ходе дегидрирования один атом водорода субстрата прямо переносится на NAD+, тогда как второй переходит в раствори тель.

Второй основной переносчик электронов при окислении топ ливных молекул — флавинадениндинуклеотид FAD и FADH2.

FAD в отличие от NAD+ присоединяет оба теряемых атома во дорода.

NADPH — главный донор электронов в восстановительном биосинтезе.

Соединения, играющие в биосинтетических путях роль пред шественников, бывают, как правило, окислены сильнее, чем про дукты реакции. Поэтому для осуществления процессов биосинтеза, кроме АТР, необходимо наличие восстановительного эквивалента. Роль донора электронов в большинстве процессов восстанови тельного биосинтеза выполняет никотинамидадениндинуклео тидфосфат (NADPH). NADPH используется почти исключитель но в процессах восстановительного биосинтеза, тогда как NADH используется преимущественно для генерирования АТР.

27

Тема 2. Основы термодинамики

Кофермент А как универсальный переносчик ацильных групп

Кофермент А — другая молекула, занимающая центральное место в метаболизме. В 1945 г. Н. Д. Лицман установил, что для многих процессов ацетилирования, катализируемых ферментами, требуется термостабильный кофактор, который был назван кофер ментом А. СоА является переносчиком активированных ацетиль ных групп, подобно тому как АТР служит переносчиком активиро ванных фосфорильных групп.

3. Регуляция процессов обмена веществ. Даже в простейшей бактериальной клетке может протекать более тысячи взаимозависи мых реакций, эта сложная система должна строго регулироваться; более того, регуляция обмена веществ должна быть гибкой в силу непостоянства условий внешней среды.

Механизмы регуляции метаболизма — контроль количества некоторых ферментов, регуляция скорости синтеза белков, регу

28

Тема 2. Основы термодинамики

ляция скорости расщепления некоторых ферментов, контроль ката литической активности ферментов, обратимый аллостерический контроль. Во многих биосинтетических процессах имеет место ал лостерическое ингибирование первой реакции конечным продук том процесса; это взаимодействие называют ингибированием по типу обратной связи. Активность некоторых ферментов модули руется также путем ковалентных модификаций.

Общий принцип метаболизма таков: пути биосинтеза и распа да почти всегда разобщены. Это разобщение необходимо по энер гетическим причинам, оно также способствует регуляции метабо лизма.

У эукариот возможности метаболической регуляции и ее гиб кость усиливаются благодаря наличию компартментации. Напри мер, окисление жирных кислот протекает в митохондриях, а их синтез — в цитозоле. Компартментация пространственно разоб щает эти противоположно направленные реакции.

Многие метаболические реакции отчасти регулируются энер гетическим статусом клетки. Показателем энергетического стату са служит энергетический заряд, который пропорционален сумме молярной фракции АТР и половине молярной фракции ADP. Значение энергетического заряда может колебаться от 0 (в систе ме присутствует только AMP) до 1 (в системе присутствует только АТР). Доказано, что метаболические пути, ведущие к синтезу АТР, ингибируются высоким энергетическим зарядом, тогда как пути использования АТР стимулируются высоким энергетиче ским зарядом. Энергетический заряд, так же как и рН клетки, за буферен, его значение в большинстве клеток находится в диапа зоне 0,8–0,95.

Другой показатель энергетического статуса — потенциал фос форилирования, который определяется уравнением:

АТР = ADP ° Pi.

Потенциал фосфорилирования АТР в противоположность энер гетическому заряду зависит от концентрации Рi и прямо связан со свободной энергией, высвобождаемой при расщеплении АТР.

29

Тема 3. Белки

БЕЛКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ

Тема 3. И АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ

1.Функции белков, содержание белков в органах и тканях. Белки (протеины) — это высокомолекулярные органические вещества, по строенные из остатков аминокислот. Белки представляют собой основу структуры и функции всех живых организмов. Белки мо гут выполнять самые разнообразные функции.

К основным функциям белков относятся следующие.

1.Каталитическая функция. В настоящее время большинство ферментов, или биологических катализаторов, являются белка ми. От этой функция белков зависит скорость химических реакций

вбиологических системах.

2.Транспортная функция. Перенос кислорода крови осуществ ляется молекулами гемоглобина, являющегося белком эритроци тов. Альбумины сыворотки крови принимают участие в транспорте липидов, образуют комплексы с органическими и неорганически ми веществами и обеспечивают их доставку к органам мишеням.

3.Защитная функция. В ответ на поступление в организм ве ществ, несущих на себе отпечаток генетической чужеродности, син тезируются специфические защитные белки антитела. Защитная функция белков проявляется также в способности их к свертыва нию (фибриноген), что защищает организм от потери крови при ра нениях.

4.Сократительная функция. Специфические белки мышечной ткани (актин и миозин) играют главную роль в акте мышечного со кращения и расслабления. Сократительной способностью обладают также белки цитоскелета, обеспечивающие расхождение хромосом

впроцессе митоза.

5.Структурная функция. Первое место по количеству среди бел ков тела человека занимают структурные белки (коллаген, кератин, эластин и др.). Белки участвуют в образовании клеточных мемб ран, межуточного вещества соединительной ткани, в комплексе с углеводами входят в состав ряда секретов (муцина, мукоидов и др.).

6.Гормональная функция. Гормональная регуляция занимает важное место в регуляции обмена веществ, а ряд гормонов пред ставлен белками, полипептидами или производными аминокислот.

30