Глава 1.Основы биоэнергетики
Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их функционирования необходимо постоянное поступление энергии в форме, пригодной для использования клеткой. Поскольку временной масштаб биохимических процессов таков, что за время их протекания изменения внешнего давления и температуры незначительны, то с достаточной степенью точности биохимические процессы в живых организмах можно рассматривать как изобарно-изотермические. Поэтому для выполнения механической работы мышечного сокращения или химической работы биосинтеза клетка не может использовать ни тепловую энергию (требуется передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому), ни электрическую энергию (требуется разность электрических потенциалов). Единственный вид энергии, который может быть использован для выполнения работы при постоянных температуре и давлении является свободная энергия Гиббса G (изобарно-изотермический потенциал).
Клетка получает свободную энергию в результате окисления («сгорания») клеточного «топлива» (как правило, углеводородов и жирных кислот). Если выделяющаяся при этом свободная энергия не будет каким-либо образом улавливаться и сохраняться то она перейдет в тепло и будет потеряна. Очевидно, что в условиях существования клетки единственным способом сохранения свободной энергии является превращение ее в химическую энергию (энергию химических связей). В клетках свободная энергия сохраняется благодаря сопряженному синтезу аденозинтрифосфата (АТР).
Интегрально любой процесс при постоянных температуре и давлении может идти только в сторону уменьшения свободной энергии. Поэтому все процессы, идущие с увеличением G, должны быть сопряжены с процессами, протекающими с уменьшением G, так что суммарный итог G < 0.
Количественной термодинамической характеристикой химического процесса является разность стандартных свободных энергий (G°), т.е. изменение свободной энергии в стандартных условиях. Обычно в качестве таковых для растворителя принимают активность равную единице, для остальных компонентов реакции — концентрации 1 М, при давлении 1 атм. и температуре 25°С (298К). Следует иметь в виду, что сама по себе величина G° еще не характеризует направление процесса, которое определяется знаком G, связанной с G° соотношением
( 8.0)
Здесь П — так называемое произведение реакции, равное отношению произведения концентраций (активностей) всех продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам этих продуктов в уравнении процесса, к такому же произведению для исходных веществ. Например, для реакции гидролиза аденозинтрифосфата до аденозиндифосфата и ортофосфата
( 8.0)
в разбавленном растворе, принимая активность воды равной единице, можно записать
( 8.0)
Стоящая под знаком логарифма величина является функцией активности ионов водорода, т.е. рН раствора, поскольку в биологических условиях (рН, близких к 7) все три компонента находятся в частично ионизованном состоянии и степень ионизации для каждого из компонентом по-разному меняется при изменении рН.
Относительный вклад изменений рН в величину G можно наглядно продемонстрировать на примере окисления этанола
Слагаемое RTln[H+] при рН 7 составляет приблизительно –9.7 ккал/моль. Это довольно значительная величина. Поэтому, что бы иметь дело со значениями, более адекватно отражающими преимущественное направление процесса в биологических условиях, в биохимии принято пользоваться величиной G°, которая соответствует стандартному состоянию с концентрацией всех растворенных веществ 1 М, а ионов водорода — 10–7 М.
Значение G° достаточно хорошо описывает направление процесса, если соотношение компонентов незначительно отличается от стехиометрического и если реакция без участия ионов Н+ и молекул воды идет без изменения числа частиц (отмечу, что если реакция идет без изменения числа частиц, константа равновесия безразмерна и изменение концентрации всех исходных веществ в одинаковое число раз не меняет положение равновесия).
Например, для изомеризации глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат G°0.4 ккал/моль и, следовательно, при 25°С (298К)
K = exp[G°/(RT)] = 0.5,
( 8.0)
т.е. в равновесной смеси концентрация глюкозо-6-фосфата примерно вдвое превышает концентрацию фруктозо-6-фосфата.
Если число частиц в реакции возрастает, то уменьшение концентраций компонентов будет сдвигать равновесие в сторону продуктов реакции (константа равновесия в этом случае имеет размерность). Так, реакция превращения фруктозо-1,6-дифосфата в смесь глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата характеризуется довольно высоким положительным значением G°5.6 ккал/моль). Однако при концентрациях компонентов 10–4 М в стехиометрической смеси всех трех компонентов G составит
G = 5.6 + RTln(10–4) = 5.6 – 5.4 = 0.2 ккал/моль,
( 8.0)
т.е. в равновесной смеси будут присутствовать соизмеримые количества исходного вещества и продуктов реакции.
Многие процессы биоэнергетического цикла являются окислительно-восстановительными. Для таких процессов наряду со значением G° можно использовать величину Е° — разность стандартных окислительно-восстановительных потенциалов для двух пар окислитель–восстановитель, участвующих в превращении.
Е° = G°/(nF),
( 8.0)
где n — число электронов, переносимых от восстановителя к окислителю, а F — постоянная Фарадея.
Удобство такого представления состоит в том, что появляется возможность характеризовать относительные окислительные (или восстановительные) свойства каждой сопряженной пары, а следовательно, расположить их в ряд в порядке убывания потенциала Е°. Величина Е° для любого процесса получается как разность Е° для каждой из двух участвующих в процессе пар.
Так же как и для значений G°, в биохимии принято пользоваться величинами Е°, полученными для стандартного состояния , соответствующего рН 7.