Регулфяция метаболизма - Ньюсхолм Э.
Скачать (прямая ссылка):
а не уравнение AG° = —^Пп/С. Если значение ЛG отрицательно, то реакция будет протекать слева направо, если же значение iAG положительно, реакция будет протекать в противоположном направлении. Таким образом, изменяя концентрации продуктов и субстратов, можно изменять направление реакции.
Однако для многих метаболических реакций нельзя рассчитать значения AG с помощью этих уравнений. Дело в том, что, хотя концентрации продуктов и субстратов и поддерживаются на довольно постоянном уровне, существует непрерывный поток вещества через метаболический путь (так называемое стационарное состояние). Указанные выше уравнения были выведены из положений равновесной термодинамики. Однако в условиях стационарного состояния положения равновесной термодинамики неприменимы. Поскольку термодинамика стационарного состояния — сложный предмет, она не будет рассматриваться в данной книге; заинтересованным чи-
2—1100
тателям мы советуем обратиться к работам [8, 9], чтобы получить некоторые сведения о термодинамике необратимого-(стационарного) состояния. Тем не менее важную качественную информацию можно все же получить, если для рассмотрения метаболических систем использовать положения равновесной термодинамики.
б) Тепловая энергия
Энергия химической связи может превращаться в тепло. Когда реакция
А—В+С—>В —С -f- A -f- Теп л о протекает слева направо, происходит высвобождение энергии некоторых химических связей системы (А—В + С) в виде тепла. Если потери тепла из системы предотвращены, то реакция описывается как закрытая адиабатическая система, т. е. в процессе реакции не происходит обмена компонентами между системой и окружающей средой. В конечном счете в такой системе реакция достигнет положения равновесия, и тогда скорость прямой реакции, в ходе которой происходит высвобождение тепла, станет равной скорости обратной реакции, сопровождающейся поглощением тепла. В случае если большая часть этого тепла теряется в окружающем пространстве, реакция описывается как открытая система и будет протекать до тех пор, пока не накопятся большие количества веществ В—С и А и не останутся малые количества веществ А—В и С. Таким образом, в случае химических реакций, протекающих с высвобождением большого количества тепла, отрицательное изменение стандартной свободной энергии (AG°) будет большим. Конечно, часть этой энергии, которая в одних условиях может освобождаться в виде тепла, может быть также использована для обеспечения энергией другой химической реакции. Если вся доступная энергия используется в ходе другой химической реакции, то в этом, так называемом сопряженном, процессе не происходит потери энергии в виде тепла и суммарная реакция находится в равновесии. (В этих рассуждениях изменения энтропии не рассматриваются.) Если часть доступной энергии высвобождается в виде тепла, которое рассеивается в окружающее пространство, реакция будет смещена от состояния равновесия. При этом чем больше будет теряться тепла, тем большим будет смещение от положения равновесия. В биохимических системах реакции, которые далеко смещены от состояния равновесия, рассматриваются как необратимые, или неравновесные, реакции.
Как станет ясно из приведенного ниже обсуждения механизмов метаболической регуляции, важность неравновесных
реакций заключается в том, что они отобраны клеткой для осуществления регуляции по принципу обратной связи. Таким образом, непрерывное превращение энергии химических связей в тепло абсолютно необходимо, чтобы .такие реакции поддерживались далеко от положения равновесия (см. ниже).
в) Энергия, используемая для совершения полезной работы Реакция
А—В + С *==* В—С + А
может быть организована таким образом, что вещество А переносится через мембрану против градиента концентрации. В этом случае часть энергии химических связей системы А—В + С используется для совершения осмотической работы, т. е. для обращения спонтанного движения вещества А в направлении концентрационного градиента. В этом случае энергия химических связей расходуется на увеличение химического потенциала вещества А. Аналогично если бы высвобождаемая в этой реакции энергия была использована для мышечного сокращения, то в результате могло бы произойти перемещение животного из одной точки пространства в другую, расположенную выше (например, с земли на ветку дерева). Животное совершило бы.работу против силы земного притяжения, а энергия химических связей превратилась бы в потенциальную энергию нового, более высокого положения животного' над землей. В таком случае количество совершенной животным работы можно рассчитать из уравнения
Совершенная работа =mght
где пг—: масса животного, g — ускорение силы тяжести и h — увеличение высоты. Энергия, конечно, расходуется и на движение по горизонтальной поверхности. Но в этом случае она расходуется на преодоление силы трения, а не силы земного притяжения.
2. РАВНОВЕСНОЕ, НЕРАВНОВЕСНОЕ И СТАЦИОНАРНОЕ
СОСТОЯНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МЕТАБОЛИЧЕСКИМ ПУТЯМ
Термины равновесное, неравновесное и стационарное состояния будут использоваться в различных главах этой книги, и поэтому целесообразно сразу же определить их точное значение.
