Общие принципы организации катаболизма в организме
Источником свободной энергии в организмах гетеротрофов является распад питательных веществ, иначе говоря, катаболические процессы, протекающие в клетках и тканях. Катаболизм включает сотни химических реакций, десятки метаболических путей. В то же время в организации катаболических процессов прослеживается определенная логика.
Весь катаболизм питательных веществ в организме можно разделить на три этапа или, как принято называть, три фазы. В первой фазе происходит расщепление полимерных молекул на мономеры: белки расщепляются до аминокислот, олиго и полисахариды на моносахариды и их производные, липиды на высшие жирные кислоты, глицерол, аминоспирты и др. Следует заметить, что речь идет не только о расщеплении компонентов пищи в желудочнокишечном тракте, но и распаде биополимеров непосредственно в клетках. В этой фазе нет окислительных процессов, преобладают гидролиз и фосфоролиз. Выделение энергии не превышает 12% от её общего содержания в питательных веществах, причем вся энергия рассеивается в виде теплоты.
Однако в этой фазе происходит одно важное событие резкое уменьшение числа соединений, которые поступают затем во вторую фазу катаболизма. Так, с разнообразными пищевыми продуктами продуктами в желудочнокишечный тракт поступают миллионы различных белков и все они расщепляются до 2025 мономероваминокислот, а несколько сотен различных липидов при расщеплении дают полтора десятка различных высших жирных кислот и спиртов; несколько сотен различных олигосахаридов и полисахаридов при распаде дают, в свою очередь, полтора десятка моносахаридов и их производных. Таким образом, вместо миллионов различных соединений, вступающих в первую фазу, на выходе из нее образуется около 50 соединений.
|
|
|
Во второй фазе эти пять десятков соединений подвергаются дальнейшему расщеплению, так что на выходе из этой фазы остается всего пять соединений: ацетилКоА, сукцинилКоА, фумарат, оксалоацетат и 2оксоглутарат. Таким образом, продолжающееся во второй фазе расщепление питательных веществ сопровождается еще большей унификацией промежуточных продуктов. Катаболические процессы, идущие во второй фазе, носят смешанный характер, т.к. в ней идут и фосфоролиз, и лиазное расщепление, и тиолиз и окислительные реакции. Во второй фазе выделяется до 1/3 всей заключенной в питательных веществах энергии, причем часть ее аккумулируется. В этой фазе катаболизма образуются все азотсодержащие конечные продукты катаболизма, а также часть СО2 и Н2О.
Внутренняя логика такой организации катаболических процессов заключается в том, что по мере углубления распада питательных веществ количество промежуточных продуктов метаболизма уменьшается. Такой принцип построения катаболических процессов получил название принцип конвергенции.
|
|
|
Метаболические пути первой и второй фазы катаболизма обычно индивидуальны для отдельных соединений или групп родственных по структуре веществ одного класса. Поэтому метаболические пути первой и второй фазы катаболизма получили название специфических путей катаболизма. В то же время метаболические процессы третьей фазы катаболизма одинаковы вне зависимости от того, какое соединение расщепляется. В связи с этим метаболические пути третьей фазы получили название общих путей катаболизма.
Наличие общих метаболических путей в третьей фазе катаболизма, в которой выделяется 2/3 всей свободной энергии, повышает адаптационные возможности живых организмов, т.к. позволяет сравнительно легко переключаться с одного типа питательных веществ на другой. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе позволяет также уменьшить количество различных ферментов, необходимых клеткам и тканям для переработки разных питательных веществ. Все это помогает организмам в борьбе за выживание и является результатом длительной эволюции живых организмов.
|
|
|
При изучении обменных процессов мы в первую очередь и рассмотрим метаболические пути третьей фазы катаболизма: цикл трикарбоновых кислот Кребса и цепь дыхательных ферментов.
1.1. Общие принципы термодинамики живых систем
Живые организмы представляют собой объекты материального мира, в связи с чем они, естественно, подчиняются общим законам природы, в том числе и законам термодинамики.
Согласно первому закону термодинамики энергия неуничтожима, она лишь может превращаться из одной формы в другую. В соответствии с этим законом живые организмы не могут создавать энергию из ничего, они лишь могут извлекать энергию из окружающей среды, трансформировать ее из одного вида в другой, например, химическую энергию в механическую, возвращая в конечном итоге в окружающую среду эквивалентное количество энергии главным образом в виде теплоты, так что в конечном итоге:
Есистемыя + Есреды = 0
Второй закон термодинамики важен для нашего рассмотрения тем, что он накладывает определенные ограничения на направление самопроизвольных процессов. Согласно этому закону все самопроизвольные процессы идут в направлении, соответствующем возрастанию энтропии системы, т.е. ее разупорядоченности.
|
|
|
Но тогда встает вопрос как же быть с живыми объектами, например, с детьми или с растениями? Рост растения или ребенка сопровождается накоплением в их организмах большого количества макромолекул, что связано с уменьшением энтропии, и вместе с тем их рост процесс самопроизвольный. Казалось бы в живых системах нарушается второй закон термодинамики. Однако при более глубоком рассмотрении это противоречие оказывается вымышленным. Да, рост любого живого существа сопровождается извлечением из окружающей среды низкомолекулярных соединений с высоким уровнем энтропии и синтезом из них макромолекул, т.е. высокоупорядоченных систем с низким уровнем энтропии. Но этот рост сопровождается еще и большими объемами переработки поступающих в организм питательных веществ с расщеплением их до С02, Н2О, NH3 и некоторых других соединений, уровень энтропии которых неизмеримо выше, чем уровень энтропии используемых питательных веществ. Эти конечные продукты обмена поступают из организма во внешнюю среду, увеличивая ее энтропию. И это увеличение энтропии окружающей среды в значительной мере перекрывает уменьшение энтропии в растущем организме, обусловленное синтезом макромолекул в его клетках. Таким образом, существование живых организмов не противоречит второму закону термодинамики, поскольку:
Sсистемы + Sсреды > 0
Изменение энтропии (S) системы может быть связано с изменением общей энергии системы (Е) через изменение третьей функции свободной энергии (G) с помощью уравнения, объединяющего первый и второй законы термодинамики:
DН =DG + TDS, где
DН изменение энтальпии (теплосодержания) системы; DG изменение свободной энергии системы;
Т абсолютная температура; DS изменение энтропии системы.
В свою очередь, изменение теплосодержания системы (Н) определяется по уравнению:
DН = DЕ + DРV, где
DЕ изменение общей энергии в системе DР изменение давления в системе;
V объем системы.
Но биологические процессы, в особенности химические реакции в клетках не сопровождаются существенными изменениями давления в системе или ее объема; тогда:
DН = DЕ.
С учетом этого обстоятельства основное уравнение термодинамики, используемое при анализе живых систем приобретает вид:
DЕ = DG + T DS т.е. при постоянном давлении и объеме изменение общей энергии системы равно сумме изменений свободной энергии системы и произведения изменения энтропии на абсолютную температуру системы.
В этом уравнении нас особенно интересует изменение свободной энергии системы, т.к. свободная энергия это та часть общей энергии системы, которая может быть использована для совершения работы.
Изменение свободной энергии в любой системе, в том числе и в химической реакции, может быть охарактеризовано количественно.
Для реакции:А + В <> С + D
может быть рассчитано значение DG0, т.е. изменение свободной энергии системы в стандартных условиях: давление 1 атм., температура 25oС, рН 7,0, исходная концентрация каждого из реагирующих соединений 1М по уравнению:
DGo = 2,303.R.T.lgKравн
где: R газовая постоянная, равная 1,987 кал/М.К; Т абсолютная температура в градусах Кельвина; Кравн константа равновесия химической реакции.
В зависимости от значения константы равновесия значение DGо может быть положительным, отрицательным или равным 0.
Если значение Кравн > 1, то DG0<0, иначе говоря, DG0 имеет отрицательное значение. Это означает, что часть свободной энергии покидает реагирующую систему. Такие реакции носят название экзэргонических, они могут протекать самопроизвольно. Если значение Кравн < 1, то DG0>0, иначе говоря, DG0 имеет положительное значение. Это означает, что в ходе реакции происходит потребление свободной энергии, т.е. она не может идти без внешнего источника энергии. Такие реакции носят название эндэргонических и самопроизвольно идти не могут.
Наконец, значение Кравн может быть равно 1, тогда DG0=0. Это означает, что реакция находится в состоянии равновесия и тогда за ее счет невозможно совершить никакой работы. Кстати, именно поэтому живой организм является неравновесной системой, ибо он постоянно нуждается в энергии для совершения химической, осмотической, механической и др. работы.
Экспериментальное определение значений DG0 проводят в ранее указанных стандартных условиях, измеряя концентрации реагентов и продуктов реакции после установления равновесия в системе. Встает вопрос, соответствует ли стандартное значение изменения свободной энергии той или иной реакции, полученное в таком эксперименте, этому же показателю для реакции, протекающей в клетке. К сожалению приходится констатировать, что в условиях клетки изменение свободной энергии в ходе реакции может значительно отличаться от экспериментально найденной величины, причем наибольший вклад в это отклонение вносят концентрации реагирующих соединений и продуктов реакции, т.к. в клетках реакции обычно далеки от состояния равновесия (организм система неравновесная). Однако, если эти концентрации известны, то истинное значение изменения свободной энергии в ходе реакции может быть рассчитано с небольшой погрешностью по уравнению:
C. D
DGI = DGo + 2,303.R.T.lg Д
A. B
где, С, D, A, B истинные концентрации соединений в клетке.
Так, стандартное значение изменения свободной энергии в ходе гидролиза АТФ по реакции:
АТФ + Н2О <> АДФ + Н3РО4 составляет 7,3 ккал/моль. В то же время в условиях клетки оно может составлять до 12 ккал/моль и зависит от соотношения концентраций АТФ, АДФ и ортофосфата.
Тем не менее, значение DGo очень часто используют для оценки изменений свободной энергии в биохимических реакциях, т.к. определить точно концентрации реагирующих веществ в клетках часто не представляется возможным. Далее мы, как правило, будем оперрировать именно значениями DG0 для тех или иных реакций.
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!