Энергетическое сопряжений биохимических реакций
Химические реакции, протекающие в клетках, могут иметь различные значения DGo: положительные или отрицательные. Большинство катаболических реакций имеет отрицательные значения DGо, т.е. являются экзэргоническими и могут идти самопроизвольно. В то же время реакции клеточного анаболизма часто являются эндэргоническими и самопроизвольно идти не могут для их осуществления необходима энергия, поступающая извне. Откуда же клетке взять эту энергию? Ответ очевиден нужно использовать свободную энергию, выделяющуюся в экзэргонических реакциях катаболизма. Это использование свободной энергии экзэргонических реакция для осуществления эндэргонических реакций есть энергетическое сопряжение реакций.
а).
б).
Единственным условием эффективности энергетического сопряжения является: (DGа) + (+ DGб) < 0, т.е. суммарное изменение DG в двух сопряженных реакциях должно быть отрицательным.
1.3. Механизм энергетического сопряжения
Сразу же возникает вопрос а каков же механизм энергетического сопряжения. Известно, что клетка не способна использовать теплоту для обеспечения своих эндэргонических процессов. Это обусловлено тем, что в клетках нет градиента температуры. В то же время живые объекты эффективно используют энергию, заключенную в химических связях тех или иных соединений. Именно в виде химической энергии и передается энергия в системе сопряженных химических реакций.
|
|
|
Соединения, выступающие в качестве переносчиков энергии в сопряженных реакциях, содержат в одной из своих связей большой запас химической энергии, которая высвобождается при их разрыве. Эти соединения обычно называют «макроэргическими соединениями» или просто «макроэргами», а химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество свободной энергии, получили название «макроэргических связей»; они обычно обозначаются знаком «~» Химическая связь в том или ином соединении считается макроэргической, если при её разрыве выделяется не менее 5 ккал (20 кДж) в расчете на 1 моль связи. Естественно, что для образования такой связи требуется эквивалентное количество свободной энергии.
Тогда механизм энергетического сопряжения реакций, протекающих в клетках может быть изображен в виде следующей принципиальной схемы:
Из приведенной схемы следует, что свободная энергия, выделяющаяся в ходе катаболической экзэргонической реакции первоначально накапливается (аккумулируется) в виде энергии макроэргической связи соединения переносчика энергии, а затем эта аккумулированная энергия высвобождается при разрыве макроэргической связи и используется в ходе анаболической эндэргонической реакции.
|
|
|
1.4. Общая характеристика макроэргических соединений
К настоящему времени известно несколько десятков разнообразных по своей химической природе соединений, имеющих в своей структуре макроэргические связи, такие как ацетилфосфат, сукцинилКоА, креатинфосфат, аминоациладенилаты или аминоацилтРНК. Наиболее часто мы будем встречаться с макроэргами, относящимися к 4 классам:
1. Полифосфаты нуклеотидов (АТФ, ЦТФ, УТФ и др.) Макроэргическими связями в их составе являются фосфоангидридные пирофосфатные связи:
2. Ацилфосфата или карбонилфосфаты (ацетилфосфат, 1,3ди фосфоглицерат). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислотного остатка и остатком фосфорной кислоты:
3. Тиоэфиры (ацетилКоА, сукцинилКоА). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислоты и HSгруппой тиоспирта, входящего в состав КоА):
4. Гуанидинфосфаты (креатинфосфат, аргининфосфат). Макроэргической связью является ангидридная связь между гуанидиновой группой и остатком фосфорной кислоты: NH» Энергия разрыва связи R NH C N ~ PO3H2 составляет 10,3 ккал/моль
Несмотря на высокие значения DGo для процессов разрыва макроэргических связей богатые энергией соединения представляют собой достаточно стабильные в условиях живых систем вещества. Кроме того, это низкомолекулярные соединения, поэтому они могут сравнительно легко перемещаться в клетке. Совокупность их свойств: способность аккумулировать энергию и способность диффундировать в клетке и позволяет им выполнять функцию переносчиков энергии.
|
|
|
Важно также, что макроэрги позволяют разобщить во времени процессы экзэргонические и эндэргонические. Так, накопление АТФ в клетке может происходить в митохондриях, когда клетка находится в состоянии покоя, тогда как использование АТФ будет идти в цитозоле спустя некоторое время, когда клетке потребуется энергия, например. для биосинтетических процессов.
Центральное место в системе клеточных макроэргов принадлежит аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), поскольку она, вопервых, выступает первичным аккумулятором большей части энергии, выделяющейся при распаде питательных веществ; вовторых, АТФ выступает в качестве источника свободной энергии для большинства внутриклеточных эндэргонических реакций и процессов, тогда как остальные макроэрги принимают участие в узком круге реакций; в третьих, большинство других макроэргов или сами образуются за счет энергии АТФ (креатинфосфат, ЦТФ и др.) или сами служат промежуточными продуктами при синтезе АТФ (1,3ДФГК или ФЭП).
|
|
|
1.5. Пути высвобождения энергии питательных веществ
Синезеленые водоросли и растения способны для своих нужд использовать энергию солнечного излучения, аккумулируя ее в химических связях резервных питательных веществ в ходе фотосинтеза. Эти организмы называются автотрофами. Накопленные автотрофами питательные вещества используются другими организмами, причем это использование представляет собой расщепление питательных веществ с разрывом их химических связей. Разрыв связей сопровождается выделением энергии, используемой организмами для своих нужд. Организмы, покрывающие свои потребности в веществе и энергии за счет расщепления синтезированных автотрофами соединений, получили название гетеротрофов. К ним относятся микроорганизмы, насекомые, птицы, млекопитающие, в том числе и человек.
Химическая энергия, накопленная в питательных веществах, высвобождается в результате разрыва определенных химических связей в этих соединениях. Основные способы расщепления химических связей в клетках:
1.Гидролиз, т.е. разрыв связей с участием молекул воды.
2.Фосфоролиз разрыв связей с участием фосфорной кислоты.
3.Тиолиз, т.е. разрыв связей с участием соединений, содержащих в своем составе HSгруппы (главным образом с участием HSKoA).
4.Лиазное расщепление, т.е. разрыв связей с участием ферментов лиаз.
5.Расщепление путем окисления.
В первых четырех типах процессов суммарное выделение энергии составляет не более 35% от ее общего запаса в питательных веществах, т.к. разрывается лишь небольшое количество связей. Так, при гидролизе белка расщепляются только пептидные связи в молекуле. Следует отметить также, что почти вся энергия, выделяющаяся в процессах этих 4 типов, рассеивается в виде теплоты и используется лишь для поержания температуры тела. Основным же путем выделения энергии служит окислительное расщепление, поскольку именно при окислительном расщеплении разрывается основная масса химических связей питательных веществ. Так, полученные при гидролизе белков аминокислоты в ходе последующего окисления расщепляются до СО2, Н2О и NH3.
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 31; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!