Энергетический обмен

ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Клетка, как простейший представитель живого мира, и многоклеточные живые организмы состоят из химических веществ, которые по своим свойствам сходны с аналогичными соединениями неживой природы. Вместе с тем живую материю отличают от неживой качественно новые признаки. К ним относят: 1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность); 2) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии; 3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений; 4) способность к самовоспроизведению.

Все химические реакции живой клетки, из которых складывается обмен веществ, подчиняются законам термодинамики. Первый закон термодинамики утверждает, что энергия химических реакций не исчезает и не возникает из ничего, она лишь может переходить из одной формы в другую. Самопроизвольно химические процессы могут протекать лишь в одном направлении – в направлении состояния равновесия, по мере достижения которого они прекращаются. Предсказать направление биохимических процессов позволяет второй закон термодинамики, согласно которому все спонтанные процессы протекают в направлении, соответствующем максимальной при данных условиях энтропии (меры неупорядоченности системы) или минимальной свободной энергии. Свободная энергия (G) – это та часть энергии системы, которую можно использовать для совершения работы при постоянных температуре и давлении. Реакции, при которых происходит уменьшение свободной энергии (самопроизвольные реакции), называют экзергоническими, т. е. протекающими с высвобождением энергии. Эти реакции поставляют клетке энергию. Процессы, идущие с увеличением свободной энергии, не могут протекать самопроизвольно. Они требуют притока энергии извне и называются эндергоническими, т. е. идущими с потреблением энергии.

На первый взгляд упорядоченность структуры живых организмов противоречит второму закону термодинамики, согласно которому процессы, происходящие в любой изолированной системе, направлены в сторону увеличения ее беспорядка, или энтропии. Иначе говоря, живые организмы в отличие от неживой природы «антиэнтропийны». Однако, эта уникальность живой материи не исключает ее подчинения законам термодинамики, так как живые организмы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, т.е. являются открытыми системами, характерной особенностью которых является отсутствие равновесия с внешней средой. Они получают из окружающей среды энергию в форме питательных веществ, частично используют свободную энергию последних и возвращают в окружающую среду энергию в форме тепла и других форм энергии. В результате этого энтропия среды увеличивается, а живые организмы создают и поддерживают характерную для них упорядоченность. Так, клетки, получая из внешней среды энергию в виде квантов света (фотосинтезирующие организмы) или химическую энергию органических веществ, преобразуют ее в электрическую или химическую энергию макроэргических фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ), которые используются для совершения различных видов работы. Кроме того, поглощая питательные вещества из внешней среды, живые организмы получают не только энергию, но и строительный материал, выводя конечные продукты обмена веществ в среду. Следовательно, живой природе не чужды законы термодинамики и для решения возникших противоречий с последними клетка находится в постоянном обмене веществ с окружающей средой.

Между поступлением питательных веществ в организм и выделением отработанных продуктов и тепловой энергии существует сложная, разветвленная система реакций, определяемых как промежуточный обмен веществ или метаболизм. В процессе метаболизма осуществляются 4 специфические метаболические функции: 1) снабжение организма химической энергией (либо в форме энергии органических веществ, либо в форме энергии солнечного света); 2) превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», т.е. в предшественники биополимеров; 3) сборка макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов) из этих строительных блоков; 4) разрушение «устаревших» биомолекул, уже выполнивших в клетке свои функции.

Цепи химических реакций образуют метаболические пути, каждый из которых выполняет определенную функцию. Принято выделять центральные (общие) и специфические метаболические пути. Центральные пути являются общими для распада и синтеза основных макромолекул (цикл трикарбоновых кислот Кребса). Специфические пути характерны для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул, коферментов, гормонов и т.д. (гликолиз, глюконеогенез, -окисление жирных кислот и др.).

Метаболизм складывается в основном из двух потоков реакций – катаболических и анаболических. Катаболизм – это процессы деградации, при которых крупные органические молекулы (углеводы, жиры, белки и др.) расщепляются до конечных продуктов обмена веществ (СО₂ и Н₂О) с одновременным выделением содержащейся в них свободной химической энергии. Энергия запасается организмом в форме АТФ и других соединений (креатинфосфат), а затем используется на различные процессы жизнедеятельности. Благодаря разветвленности обмена веществ при катаболизме макромолекул и их мономеров образуются метаболиты, которые могут быть использованы как исходный материал для биосинтеза мономеров и макромолекул, т.е. в процессе анаболизма. Анаболизм включает процессы синтеза сложных органических соединений из простых молекул. Анаболические пути осуществляются с затратой энергии и часто включают в себя восстановительные реакции. Благодаря разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма эти метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, амфиболические (двойственные) процессы, примером которых служит цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Например, при снижении концентрации глюкозы в крови (гипогликемии) в гепатоцитах одновременно протекают процессы катаболизма аминокислот с образованием промежуточных продуктов ЦТК и использование последних в анаболических реакциях синтеза глюкозы (глюконеогенезе

Необходимо остановиться на энергетических посредниках, которые являются связующим звеном между процессами, поставляющими и потребляющими энергию. Таким универсальным энергетическим посредником в живых организмах является аденозинтрифосфат (АТФ), в фосфатных связях которого аккумулируется энергия, освобождающаяся при распаде веществ, и затем расходуется на различные процессы (выполнение электрической, механической, осмотической и химической работ).

Все живые организмы улавливают энергию внешних энергетических ресурсов с помощью систем аккумуляции энергии и преобразуют ее в энергию высокоэнергетических соединений. Системы аккумуляции энергии делятся на два типа, отличающиеся принципами энергетического сопряжения. Первый тип – реакции фосфорилирования, не требующие нерастворимых мембранных структур, - субстратное фосфорилирование. Образование АТФ при этом происходит путем переноса активного фосфорила с продукта окисления субстрата на АДФ. Второй тип – реакции фосфорилирования, протекающие в сопрягающих мембранах, - окислительное (мембранное) фосфорилирование. Образование АТФ происходит путем фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом за счет энергии электрохимического потенциала на мембране. Мембранное фосфорилирование протекает во внутренней мембране митохондрий, несущей ферменты переноса электронов и сопряженного с ним фосфорилирования и называющейся сопрягающей.

Основная масса свободной энергии выделяется в реакциях окисления субстрата при катаболизме в виде макроэргических соединений (1,3-бисфосфоглицерат, фосфоенолпируват, сукцинил-КоА и др.) и/или высокоэнергетических электронов (НАДН+Н⁺, ФАДН₂). Дальнейшие преобразования этих химических соединений, обладающих значительным запасом свободной энергии, в основном связано с образованием АТФ, которое осуществляется двумя перечисленными выше путями.

Субстратное фосфорилирование является ведущим при гипоксии и протекает как в матриксе митохондрий, так и в цитоплазме клеток, так как этот путь образования АТФ не требует целостности митохондриальной мембраны и работы встроенных в нее ферментов-переносчиков дыхательной цепи. При окислении субстрата энергия, ранее накопленная в виде макроэргической связи, переносится на адениловую кислоту, образуя АТФ в реакциях перефосфорилирования (деацилирования), катализируемых специфическими киназами (фосфоглицераткиназа, пируваткиназа, сукцинил-КоА-тиокиназа, креатинкиназа и др.).

Принято делить все соединения организма человека на высокоэнергетические и низкоэнергетические. Условной границей для этих двух групп соединений является значение свободной энергии гидролиза фосфатной связи около 20 кДж/моль или 5 ккал/моль (таблица 4).

Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых соединений

Соединение	-G, кДж/моль
Фосфоенолпируват	61,7
1,3-дифосфоглицерат	49,2
Креатинфосфат	42,5
АТФ	30,4
Ацетил-КоА	30,4
АДФ	28,3
Неорганический пирофосфат	28,3
УФД-глюкоза	24,2
Глюкозо-1-фосфат	20,8
Фруктозо-6-фосфат	15,8
АМФ	14,1
Глюкозо-6-фосфат	13,8
-глицеролфосфат	9,2

Различают шесть основных типов макроэргических соединений: рибонуклеозид-5-ди- и трифосфаты (АТФ, ГТФ и др.), карбоксилфосфаты (например, 1,3-бисфосфоглицерат), ацилтиоловые эфиры (например, сукцинил-КоА), фосфорамидные соединения, называемые также фосфагенами (креатинфосфат), енолфосфаты (фосфоенолпируват) и неорганический пирофосфат

Первично возникающие в ходе реакций биологического окисления макроэргические соединения отличаются высокой нестабильностью в водной среде. Они легко подвержены гидролизу, что ведет к рассеиванию энергии окисления в виде тепла. Поэтому для того, чтобы сохранить энергию и использовать ее в процессах, идущих с потреблением энергии, первично возникшая макроэргическая связь должна быть перенесена на молекулу соединения, обладающего достаточно высокой устойчивостью в водной среде. В большинстве случаев макроэргические вещества переносят фосфорильную группу на АДФ в ходе реакции субстратного фосфорилирования.

Таким образом, основная функция макроэргических соединений сводится к образованию АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, хотя не исчерпывается только этим. Энергия этих соединений может быть либо использована в реакциях без предварительного образования АТФ (например, реакции конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом), либо является депонированной формой энергии. Так, хотя непосредственным источником энергии работающей мышцы служит АТФ, ее содержание в ней невелико. Запасным высокоэнергетическим соединением в мышцах является креатинфосфат, который, вступая в реакции субстратного фосфорилирования, способствует ресинтезу АТФ из АДФ в мышцах

Окислительным фосфорилированием называется синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом электронов по дыхательной цепи. Дыхательная (электронтранспортная) цепь – это своеобразный конвейер по переносу электронов от восстановленного НАДН+Н⁺ или ФАДН₂, образующихся при окислении субстрата, к кислороду. Компоненты дыхательной цепи, осуществляющие перенос электронов и окислительное фосфорилирование, слиты в единое целое с внутренней мембраной мито-хондрий и функционируют в форме полиферментных комплексов или ансамблей. Она включает в себя большое число переносчиков электронов, объединенных в три комплекса: НАДН-дегидрогеназа (в состав которой входят флавопротеин с простетической группой ФМН и железосерные белки); цитохром-с-редуктаза (включает цитохромы b, с₁ и железосерные белки); цитохром-с-оксидаза (содержащая цитохромы а и а₃). Следует отметить, что при окислении некоторых субстратов, протекающее с участием флавинзависимых дегидрогеназ (например янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой), в дыхательной цепи действуют только два последних комплекса, поэтому функционирующую в данном случае электронтранспортную цепь называют укороченной. Кроме того, в состав цепи переноса электронов (ЦПЭ) входит небелковый переносчик – убихинон, который участвует в транспорте электронов от НАДН-дегидрогеназы или сукцинатдегидрогеназы на систему цитохромов. Все компоненты ЦПЭ участвуют в последовательной передаче электронов от субстрата на кислород и располагаются согласно увеличению их окислительно-восстановительных потенциалов.

При переносе двух электронов от субстрата на кислород за счет энергии окисления происходит «перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство (ММП). Таким образом, химическая энергия окисления трансформируется в электрическую и накапливается в форме трансмембранного электрохимического потенциала (Н⁺). Диффузия протонов обратно через мембрану сопряжена с фосфорилированием, которое осуществляется Н⁺-зависимой АТФ-азой или АТФ-синтетазой. Таким образом, дыхание совершает осмотическую (концентрирует протоны во внешней среде митохондрий) и электрическую (создает разность электрических потенциалов на внутренней мембране) работу, которая используется АТФ-синтетазой на синтез АТФ.

Действие протонной АТФ-азы обратимо. Синтез АТФ за счет переноса протонов на внутреннюю сторону мембраны при участии АТФ-азы происходит только в том случае, если величина Н⁺, генерируемого в результате переноса электронов по дыхательной цепи, превышает Н⁺, который может быть достигнут в результате гидролиза АТФ. При уменьшении величины Н⁺ на мембране ферменту выгоднее расщеплять АТФ и перемещать протоны из матрикса митохондрий в ММП, создавая этим протонный градиент за счет энергии гидролиза АТФ. Как и все ферменты, АТФ-синтетаза контролирует только скорость реакции, а направление ее определяется изменением свободной энергии в системе. Таким образом, перенос электронов по ЦПЭ не мембраны отсутствуют АДФ и неорганический фосфат, при взаимодействии которых образуется АТФ. Если на внутренней стороне сопрягающей мембраны АТФ находится в избытке, то обратимая АТФ-аза будет обеспечивать Н⁺ за счет гидролиза АТФ. Перенос электронов в этой ситуации также не будет осуществляться, так как окислительно-восстановительные превращения переносчиков дыхательной цепи обязательно сопровождаются переносом Н⁺ через мембрану в ММП. Следовательно, скорость функционирования переносчиков дыхательной цепи контролируется отношением АТФ и АДФ в клетке. При увеличении концентрации АТФ скорость переноса электронов по ЦПЭ падает, напротив, при возрастании уровня АДФ - возрастает. Зависимость скорости функционирования ЦПЭ от наличия в клетке субстрата фосфорилирования – АДФ, называется акцепторным контролем дыхания.

Следует заметить, что при добавлении в среду инкубации митохондрий веществ разобщителей дыхания и фосфорилирования окисление продолжается с повышенной скоростью, а синтез АТФ прекращается. Энергия окисления субстратов при этом рассеивается в форме тепла. К таким веществам относят 2,4-динитрофенол, салицилаты, тироксин, ненасыщенные жирные кислоты, основной механизм действия которых сводится к повышению проницаемости сопрягающей мембраны для протонов, в результате чего снижается Н⁺, генерируемый дыхательной цепью. Разобщение окисления и фосфорилирования может наблюдаться при действии экстремальных температур, радиации и других воздействий.

Количественное определение АТФ и креатинфосфата в мышцах

В мышечной ткани содержится два макроэргических соединения – АТФ и креатинфосфат, которые обеспечивают по мере надобности мышцу энергией. Метод их определения в мышечной ткани основан на том, что два последних остатка фосфорной кислоты в АТФ, богатые энергией, как и фосфатный остаток в креатинфосфате, легко отщепляются при непродолжительном гидролизе в кислой среде – это так называемый лабильно связанный фосфор. Сравнение содержания неорганического фосфора в пробах до и после гидролиза дает представление о количестве лабильно связанного фосфата, которое приходится на макроэргические соединения мышечной ткани. Количество неорганического фосфора определяют по цветной реакции с молибдатом аммония в присутствии аскорбиновой кислоты.

Контрольные вопросы

1. Какие термодинамические параметры системы определяют направление протекания химической реакции? Как они изменяются при самопроизвольном течении процесса?

2. Что такое открытая система? Основное условие существования открытых систем?

3. Что такое метаболизм? Из каких процессов он складывается?

4. Какие биологические функции выполняет метаболизм?

5. Что такое общие и специфические пути метаболизма?

6. Какие пути образования АТФ Вам известны? В чем их отличие друг от друга?

7. Какие соединения называются макроэргическими? Дайте понятие макроэргической связи.

8. Какие типы макроэргических соединений Вы знаете? Приведите примеры макроэргических соединений.

9. Что такое субстратное фосфорилирование? Какая форма свободной энергии используется в реакциях субстратного фосфорилирования?

10. Что такое окислительное фосфорилирование? Где в клетке оно имеет место?

11. Какие макроэргические соединения образуются в мышцах?

На чем основан метод определения лабильно связанного фосфата в мышечной ткани