Биохимические реакции

Биохимические реакции сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса (G_р < 0), называют экзэргоническими реак­циями; они могут совершаться самопроизвольно. Если в течение экзэргонической реакции энер­гия Гиббса только понижается, как показано на рис. 1, то та­кая реакция протекает самопроизвольно и не­обратимо. Чем больше значение энергии Гиббса биохимической системы в начальном состоянии по сравнению с её значени­ем в конечном состоянии, тем больше химическое сродство между реагентами в рассматри­ваемой системе, то есть их реакци­онная способность.

Рис. 1. Изменение энергии Гиб­бса в закрытой системе

в необ­ратимых экзэргонических реакци­ях,

совершаемых самопроизвольно (р, Т = const)

Критерий G_p < 0 свиде­тельствует только о термодина­мической возможности протека­ния данного процесса и ничего не говорит о скорости процесса и необходимых условиях для его начала.

Например, горение гра­фита:

С + O₂ СО₂

по законам термодинамики может происхо­дить при стандартных условиях, так как =393,5 кДж/моль. Но графит при 298 К с молекулярным кислородом не реагирует, а чтобы реак­ция пошла, необходимо создать определённые условия (запал, катализатор) для увеличения её скорости.

Биохимические реакции, сопровождающиеся увеличением энер­гии Гиббса (рис. 2), называются эндэргоническими (G_p > 0), и они невозможны без внешнего подвода энергии. Для того чтобы подобная реакция происходила, надо постоянно подво­дить энергию.

Рис. 2. Изменение энергии Гиббса в закрытой системе

в необра­тимых эндэргонических реакциях

(р, Т = const).

Например, процесс фотосинтеза в растениях идёт только под воздействием солнечной энергии:

6СО₂ + 6Н₂О C₆H₁₂O₆ + 6О₂. G_p = +2870 кДж/моль.

В живых системах эндэргонические реакции происходят за счёт их сопряжения с экзэргоническими реакциями.

Таблица

р, Т = const Взаимосвязь термодинамических величин

Химическое равновесие Кинетический критерий Термодинамический критерий Δ= 0 Исходные вещества Равновесный состав смеси исходных веществ и продуктов реакции Δ= 0; Δ= 0; Δ= О Продукты реакции

5. Принцип энергетического сопряжения биохимических реакций

Живая клетка для своего существования нуждается в энер­гии. При этом некоторые (гетеротрофные) клетки получают необходимую энергию в основном за счёт окисления продуктов питания, а для некоторых (прототрофныхклеток источником энергии часто является солнечный свет. Полученная энер­гия переводится клетками обоих типов с довольно хорошим КПД (~40 %) в химическую энергию за счёт синтеза в них аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ):

АТФ выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его гидролизе (расщеплении водой), обра­зуются аденозиндифосфорная (АДФ) и ортофосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия. Поэтому АТФ называется макроэргическим соединением, а разрывающаяся при его гидролизе связь О–Р  макроэргической.

Макроэргической связью называет­ся химическая связь, при гидролизе которой выделяется значительная энергия:

АТФ + Н₂О  АДФ + Ф G_р = 30,5 кДж/моль;

АДФ + Н₂О  АМФ + Ф =30,5 кДж/моль;

АТФ + 2Н₂О  АМФ + 2Ф, =61,0 кДж/моль.

Разрыв любой химической связи (в том числе и макроэр­гической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидро­лиза АТФ кроме процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого G > 0, происходят процессы гидрата­ции (присоединение воды), изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение (∑∆G < 0). Сле­довательно, макроэргическим является не разрыв связи, а энер­гетический результат реакции гидролиза.

АТФ 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 протекания в живых системах эндэргониче­ских реакций (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 химическое соединение и на всех стадиях сопряжённых реакций суммар­ный процесс характеризуется отрицательным значением измене­ния энергии Гиббса (Σ∆Gconp. p 0).

Например, синтез сахарозы является эндэргонической реакцией и самопроизвольно проис­ходить не может:

Глюкоза + Фруктоза → Сахароза + Н₂О, = +20,9 кДж/моль

Однако сопряжение этой реакции с экзэргонической реакцией гидролиза АТФ, сопровождающееся образованием общего про­межуточного соединения глюкозо-1-фосфата, приводит к тому, что суммарный процесс имеет ∑G_р < 0:

АТФ + Глюкоза + Фруктоза → Сахароза + АДФ + Ф,

= 29,2 кДж/моль.

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 со­ответственно 43,1, 49,4 и 61,9 кДж/моль. С помощью этих соединений происходит синтез АТФ из АДФ, а АДФ из АМФ.

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