Физиология растений - Лебедев С.И.
ISBN 5-10-000574-2
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, понятие «свободная энергия Гиббса» дает практический критерий самопроизвольности данного процесса. Если известно изменение свободной энергии при постоянной температуре и постоянном давлении, то можно предсказать, будет ли самопроизвольно протекать реакция, или процесс. Эту информацию можно получить с помощью легкоизмеряемых величин.
Свободная энергия определяется уравнением G = H—ST, а приращение свободной энергии при постоянной температуре равно АО=АЯ—ГAS, В биологических системах обычно постоянны объем и давление, так что Atf = A?, Поэтому свободная энергия определяется как AG=E—TAS.
Исключительно велика во внутриклеточном энергетическом обмене роль аденозинтрифосфата (АТФ) и родственных ему соединении.
При гидролизе двух органических фосфатов — аденозинтрифосфата и глюкозо-6-фосфата .свободная энергия будет такой:
, АТФ+Н20 ЛДФ+НаР04>
ДG*»—32,9 кДж-моль-1; —22,6 кДж-моль-1 при 25°С и ц=0,25
(ц, — химический потенциал);
а-0-глюкозо-6-фосфат+Н20 .—*- глюкоза+НзР04, ДС=—16,4 кДжХ Хмоль”1 при 25 °С.
Следовательно, уменьшение свободной энергии в ходе гидролиза для АТФ вдвое больше, чем для глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфат термодинамически более устойчив, чем АТФ.
Уменьшение свободной энергии в процессе гидролиза АТФ служит количественной термодинамической характеристикой способности группы к переносу на другой нуклеофил, ее называют также потенциалом переноса. Так; фосфорильпая группа
/
—Р—0-
'чон
АТФ в процессе гидролиза переносится на гидроксил-ион воды с потенциалом переноса 32,9 кДж-моль-1, что играет важную роль в процессах энергообмена и биосинтеза биополимеров.
Как уменьшение внутренней энергии, так и увеличение энтропии приводит к уменьшению свободной энергии, увеличение внутренней энергии и уменьшение энтропии вызовет увеличение свободной энергии. Это четко выявляется в биологических системах, масса и энергия которых могут прибывать и убывать.
Пять миллиардов лет назад, до появления жйзии на Земле, вся свободная энергия, щедро изливаемая на нашу планету Солнцем, быстро рассеивалась в виде бесполезного тепла и излучалась в космическое пространство. Позднее, с появлением жизни, возникли мельчайшие живые системы, способные захватывать часть свободной энергии и использовать ее для поддержания своей организации и жизнедеятельности, а также для ее распространения. В результате стационарная система живого завладела частью свободной энергии Солнца и удерживает ее в форме вездесущей биосферы планеты Земля. Живая
природа способна сохранять свою индивидуальность только за счет обильного притока свободной энергии, поступающей из окружающей среды.
Аденилатная "система клетки. В энергообмене клеток всех типов центральная роль принадлежит аденилатной системе, которая включает трифосфат (АТФ), дифосфат (АДФ) и 5'-моно-фосфат (АМФ) аденозина, а также неорганический фосфат (Pi)* и ионы магния (Mg).
Аденозинтрифосфат — термодинамически неустойчивая молекула, гидролизуется с образованием АДФ или АМФ. Неустойчивость молекулы АТФ обладает высоким потенциалом переноса, что позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток.
В молекуле АТФ фосфоангидридная (пирофосфатная) связь образуется путем соединения АДФ и неорганического фосфата в ходе ряда специфических реакций фосфорилирования. Эти реакции, протекающие в мембранах хлоропластов, митохондрий и бактерий, сопровождаются потреблением кислорода.
Превращение АМФ в АДФ происходит путем переноса концевой фосфорильной группы
с АТФ на АМФ.
Эта реакция катализируется весьма активным ферментом аденилаткиназой, присутствующим во всех клетках.
Ниже приводится схема превращения молекулы АМФ в молекулу АТФ (по Д. Мецлеру):
* Через Рг обозначают смесь ионных форм фосфорной кислоты.
—О—Р—О-
фосфорилирующая
система
Для оценки потенциала фосфорилирования аденилатной системы внутри клетки может быть использовано соотношение, названное степенью фосфорилирования (Rp):
ЯР={АТ Ф]/[АДФ]- fPj}*.
Оно непосредственно связано со свободной энергией гидролиза АТФ. Величина Rp внутри клеток может достигать значения 105 М-1, что составляет в AG гидролиза АТФ — 22,8 кДжХ Хмоль-1.
Существует и другая величина, так называемый «энергетический заряд» клетки, представляющий собой мольную долю адениловой кислоты, «заряженной» путем превращения ее в АТФ:
[АТФ] + 1/21АДФ]
Энергетический заряд- ]аЩ'+ТАДФ] + [АМФ] •
Величина энергетического заряда может изменяться от нуля, когда присутствует только АМФ, до единицы, что означает превращение в АТФ всех молекул АМФ.
Энергетический заряд обычно находится в пределах от 0,75 до 0,90. Скорость реакций аденилатной системы зависит от концентраций ионов металлов. Значительна роль ионов магния для многих ферментов, катализирующих реакции с участием АТФ, образуя комплексы MgAT<52~ (Д. Мецлер).
