Регулфяция метаболизма - Ньюсхолм Э.
Скачать (прямая ссылка):
Для лучшего понимания некоторых проблем, связанных с биоэнергетикой, разделим перенос энергии на три класса: энергию химической связи, тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы.
а) Энергия химической связи
В реакции
А—В+С В—С+А
*2
энергия химической связи системы (А—В + С) перераспределяется с образованием определенного количества системы (В—С+А). Если концентрации (или, говоря более строго, термодинамические активности) вступающих в реакцию веществ и продуктов реакции таковы, что реакция не сопровождается потерей (или накапливанием) энергии в виде тепла и ни в процессе реакции, ни в результате реакции не происходит никакой работы, то в этом случае система находится в равновесии. В таких условиях скорости прямой и обратной реакций одинаковы, а концентрации вступающих в реакцию веществ и образующихся продуктов остаются постоянными, несмотря на то что соединения эти продолжают претерпевать быстрые взаимопревращения. Следует подчеркнуть, что в этом состоянйи, хотя и известном как установившееся, происходит разрыв и образование химических связей и постоянное перераспределение энергии. Поскольку система находится в равновесии, передача энергии химической связи происходит без каких-либо потерь, т. е. со 100%-ной эффективностью. Когда химическая реакция не находится в равновесии, приближение к равновесию происходит спонтанно и это сопровождается уменьшением свободной энергии Гиббса (AG). Это означает, что реакционная система теряет энергию, которая либо высвобождается в виде тепла, либо расходуется на совершение полезной работы, либо переносится в виде энергии химической связи в компоненты другой реакции, сопряженной с данной. Хранение энергии в форме специфических химических связей составляет основу механизма переноса энергии в живых организмах. Если реакция А—В + С^В—С+А смещена от положения равновесия, часть энергии, высвобождав-
мой по мере приближения к равновесию, может быть использована на образование АТФ путем фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Фн). Другими словами, две такие реакции являются сопряженными и с энергетической точки зрения могут рассматриваться как одна реакция
А-В + СдВ-С + а ФК+АД<Р АТФ
Если суммарная реакция находится в состоянии равновесия, перенос энергии в процессе фосфорилирования АДФ протекает со 100%-ной эффективностью, однако накопления АТФ в этих условиях не происходит.
Свободная энергия Гиббса (AG) любой химической реакции является показателем ее способности совершать работу. По мере спонтанного течения реакции и уменьшения свободной энергии способность к совершению полезной работы падает и при достижении равновесия становится равной нулю; дальнейшее течение реакции уже не сопровождается какими-либо изменениями свободной энергии. По-видимому, свободная энергия системы должна быть каким-то образом связана с концентрациями вступающих в реакцию веществ и продуктов реакции, так как при достижении равновесных концентраций дальнейшего изменения свободной энергии не происходит. Можно показать (см. работы Спенера [2], Линфорда [3] или любой учебный текст), что эта связь описывается следующим уравнением:
Д0 цji /Произведение равновесных концентраций продуктов \
(Произведение равиовесных концентраций субстратовJ ‘
_l_ „j, j /Произведение~начальных концентраций продуКтов\
' (Произведение начальных концентраций.субстратов)'
Следовательно,
д(j__ jyp In ft [ JYf fa ( Р-1рОДУКт]начальная концентрация^
\. [Субстрат]начальная концентрация ) *
где К—константа равновесия. (Когда начальные концентрации продуктов и субстратов равны 1 М, второе слагаемое
/ [ПрОДуКт]яачальная концентрация \
\ [Субстрат]на,шльная концентрация )
равно нулю, и тогда
AG°=—RT In /С.
AG° — константа, характеризующая изменение стандартной свободной энергии.) Чем выше начальные концентрации А—В
л С и чем ниже концентрации В—С и А, тем большее количество энергии высвобождается в процессе реакции. Приведенное выше уравнение позволяет оценить количество энергии, высвобождаемой в момент времени, ковда концентраций остаются постоянными. По мере превращения веществ А—В и С в вещества В—С и А реакция будет приближаться к положению равновесия. При этом член 7?Пп( [Продукты]/[Субстраты] ) будет приближаться по величине к члену (но
с противоположным знаком) и количество высвобождаемой энергии будет приближаться к нулю. Для того чтобы рассчитать количество энергии, высвобождаемой при протекании реакции от заданных концентраций реагирующих веществ А—В и С до состояния равновесия, необходимо проинтегрировать указанное уравнение в пределах от начальных и конечных концентраций веществ, вступающих в реакцию, и продуктов реакции.
Расчеты изменений свободной энергии для различных биохимических реакций, описанные в некоторых учебниках, основаны на значениях AG°. Следовательно, рассчитанные количества энергии действительны только для случая, когда концентрации всех компонентов реакции составляют 1 М. Однако для живой клетки такие концентрации веществ не характерны. Таким образом, чтобы рассчитать реальные изменения свободной энергии, следует учитывать действительные концентрации продуктов и субстратов в клетке и использовать уравнение
