2. Принцип энергетического сопряжения биохимических реакций

В живых системах эндэргонические реакции (G_р-ции  0) сопряжены с экзэргоническими (G_р-ции  0). Для сопряжения энд- и экзэргонических процессов необходимо наличие общего промежуточного соединения и чтобы на всех стадиях сопряженных реакций суммарный процесс характеризовался :

 0.

Пример энергетического сопряжения.

1. глюкоза + фруктозасахароза + Н₂О; =+20,9 кДж/моль

II. АТФ + Н₂О  АДФ + Ф; = 30,5 кДж/моль.

Эти две реакции I и II сопряжены за счет образования при совместном протекании общего промежуточного соединения глюкозо-1-фосфат - интермедиата.

Суммарный процесс:

АТФ + глюкоза + фруктоза  сахароза + АДФ + Ф

= 29,2 кДж/моль;  0.

Обратите внимание! Связи, по которым гидролиз проходит с большой убылью энергии Гиббса, в биохимии принято называть макроэргическими. Этот термин нельзя трактовать как «богатую энергией связь». Для разрыва химической связи всегда требуется затрата энергии. Представление о том, что процесс расщепления связи поставляет энергию для химической работы, не имеет физического смысла. Необходимая для энергетического сопряжения энергия высвобождается в результате перегруппировки атомов в реагентах, среди которых имеется один с макроэргической связью.

Внутренним источником энергии в живых системах являются фосфорилированные соединения (АТФ, креатинфосфат и другие), при взаимодействии которых с биосубстратами, включая воду, выделяется энергия, необходимая для протекания важных для организма эндэргонических процессов.

Термодинамические особенности живых организмов объясняют его устойчивость, позволяющую много лет сохранять работоспособность на определенном уровне, а также относительное постоянство внутренней среды – гомеостаз.

3. Многостадийность, обратимость

Другая особенность биохимических процессов, протекающих в организме, заключается в их многостадийности, так как вероятность обратимого протекания отдельной стадии значительно выше, чем всего процесса в целом (рис. 2). Это объясняется тем, что разница между величинами G_нач и G_кон для каждой отдельной стадии обычно невелика (|G_р|  10 Дж/моль). Обратимость отдельных стадий биохимических процессов позволяет живому организму легко регулировать синтез тех или иных соединений в зависимости от потребности и тем самым поддерживать стационарное состояние. Вероятность прямой реакции тем больше, чем больше уменьшение энергии Гиббса.

Рис. 3. Изменение энергии Гиббса в многостадийном биохимическом процессе (р, Т = const)

4. Гомеостаз

В живых организмах некоторые процессы и реакции протекают в условиях, близких к равновесным (например, протолитические, гетерогенные, лигандообменные, окислительно-восстано-вительные, адсорбционные). В связи с этим в организме поддерживаются различные балансы: кислотно-основной, гетерогенный, лигандообменный, окислительно-восстановительный, что в целом и определяет гомеостаз.

С амое замечательное свойство химических реакций, протекающих в живых клетках, которое в конечном итоге и делает возможным успешное функционирование клеток в качестве химических машин, состоит в том, что реакции катализируемые ферментами, протекают со 100%-ным выходом и не сопровождаются образованием побочных продуктов.