Принципи використання вільної енергії гідролізу нуклеозидтрифосфатів для здійснення енергетично невигідних молекулярних процесів у біологічних системах.
Джерелом енергії для всіх процесів, що її потребують, у живих системах є нуклеозидтрифосфати. Найчастіше використовується аденозинтрифосфат (adenosine triphosphate, ATP). Ця сполука, яка утворюється при перенесенні протонів через мембрану хлоропластів (фотосинтез) чи мітохондрій (окислювальне фосфорилювання),схематично показана на рис. 2.20.
Вона складається з азотистої основи (аденіну), пентозного цукру (рибози) та трьох залишків фосфорної кислоти. Гідроліз АТР приводить до відщеплення одного з них - залишається аденозиндифосфат (adenosine diphosphate, ADP) і неорганічний фосфат Р і . Звичайно, як будь-яка інша реакція, гідроліз АТР потребує каталізу (за участю досить широкого класу ферментів - АТРаз). Роль АТР як джерела енергії зумовлена тим, що ця реакція супроводжується досить великим зниженням вільної енергії. Зв'язок між фосфатними залишками, який руйнується при перетворенні АТР на ADP, іноді так і називають - макроергічним. Ця назва не має викликати помилкового уявлення, що цей зв'язок заощаджує надзвичайно велику енергію. По-перше, в цьому зв'язку немає нічого особливого. По-друге, загальна кількість ковалентних зв'язків не змінюється в ході реакції - фосфатний залишок переноситься на молекулу води. Змінюється тільки вільна енергія набору хімічних сполук. Причому головний внесок у цю зміну дають концентраційні (тобто ентропійні) ефекти, а не хімічні перебудови молекул.
Скориставшись рівнянням, різницю вільних енергій продуктів і субстратів реакції, зображеної на рис. 2.20, можна записати як
де у квадратних дужках - молярні концентрації відповідних компонентів, ∆G* - стандартна зміна вільної енергії, RT = 0,6 ккал/моль. Оцінки показують, що величина ∆G* = +4,8 ккал/моль
(тобто є позитивною - стандартна вільна енергія зростає). Проте, ця величина не має великого сенсу: енергетичний ефект реакції ∆G дорівнює ∆G* при концентраціях усіх компонентів 1 моль/л. Але концентрації води та протонів зберігаються постійними як у буферному розчині in vitro, так і в клітині; причому вони значно відрізняються від 1 моль/л (у розведеному розчині [H 2 O] = 55,5 моль/л, при рН 7,0 [Н + ] = 10 7 моль/л). Отже, відношення цих концентрацій - також постійна величина, і можна ввести іншу, більш змістовну, стандартну вільну енергію реакції
Підстановка значень концентрацій води й протонів дає ∆G 0 = -7,3 ккал/моль, що вказує на енергетичну вигідність реакції гідролізу. Головний внесок дає той факт, що в реакції народжується вільний протон: за законом діючих мас, підтримання на дуже низькому рівні загальної концентрації протонів має зсувати рівновагу в бік їхнього утворення. Але в клітинах концентрації усіх компонентів, що залишилися в останньому рівнянні, також підтримуються на певних рівнях: 3÷8 ммоль/л АТР; 0,2÷1 ммоль/л ADP; 2÷8 ммоль/л неорганічного фосфату. Підстановка цих значень дає реальний енергетичний ефект від гідролізу АТР: ∆G = -12 ÷ -16 ккал/моль. Ця енергія використовується двома шляхами: 1) для хімічної модифікації субстратів, які самі по собі не можуть вступити в певну реакцію (головним чином, маються на увазі реакції синтезу), оскільки вона супроводжувалась би зростанням вільної енергії; 2) для виконання механічної роботи молекулярними машинами.