В процессе биохимических превращений вещ-в происходит разрыв химической связи сопровождающихся выделением энергии. Это свободные потенциальные энергии, которые не могут использоваться живыми организмами, а должна быть преобразована в биологически усвояемую форму энергии. Существуют 2 универсальные формы энергии которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работы:
1. химическая энергия- энергия макроэргических связей химических соединений. Химические связи называются макроэргическими потому что при их разрыве восвобождается много энергии. Молекула АТФ обладает определенными свойствами которые обуславливают ее важную роль в энергетическом метаболизме клеток:
Термодинамическая нестабильность
Высокая химическая стабильность обеспечивает эффективное сохранение энергии т к препятствует рассеиванию энергии в виде тепла
Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки где необходим подвод энергии извне для выполнение химической осмотической механической работы
Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ имеет среднее значение что и дает ему возможность наилучшим образом выполнять энергетические функции, переносить энергию к низкоэнергетическим соединениям.
АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов. В молекулах АТФ энергия хранится совсем недолго (1/3 сек) и тут же расходуется на обеспечение энергии всех протекающих в данный момент процессы. Энергия, заключенная в молекуле АТФ может использоваться:
1. в реакции протекающих в цитоплазме
2. в некоторых мембрано-зависимых процессах.
Электрохимическая энергия- энергия трансмембранного потенциала ионного водорода. При переносе электронов по окисл-вост цепи расположенных в мембранах определенного типа, которые называются энерго-преобразующими или сопрягающими, происходит не равномерное распределение протонов в пространстве по обе стороны мембраны т е на мембране возникает градиент ионов водорода который измеряется в вольтах. При его разрядке происходит синтез молекулы АТФ. Электрохимическая энергия может использоваться в различных энергозависимых процессах лаколизованых на мембране. Относится: поглощение ДНК при трансформации, перенос белков через мембрану, активное движение в бактериях. Не вся свободная энергия окисления вещ-в переводится в доступную для клетки форму и аккумулируется в АТФ. Часть свободной энергии рассеивается в виде тепла, световой или электрической энергии. Если клетка запасает энергию больше чем может истратить не все энергопотребляющие процессы, тогда она синтезирует запасные вещ-ва.
Современное представление о процессе окислительного фосфорилирования ведет свое начало от пионерских работ Белицера и Калькара. Калькар установил, что аэробное фосфорилирование сопряжено с дыханием. Белицер подробно изучил стехиометрические отношения между сопряженным связыванием фосфата и поглощением кислорода и показал, что отношение числа молекул неорганического фосфата к числу атомов поглощенного кислорода
при дыхании равно не менее чем двум. Он же указал, что перепое электронов от субстрата к кислороду является возможным источником энергии для образования двух и более молекул АТФ на один атом поглощенного кислорода.
Донором электронов служит молекула НАД Н, и реакция фосфорилирования имеет вид
Кратко эту реакцию записывают в виде
Синтез трех молекул АТФ в реакции (15.11) происходит за счет переноса двух электронов молекулы НАД Н по цепи электронного транспорта к молекуле кислорода. При этом энергия каждого электрона понижается на 1,14 эВ.
В водной среде при участии специальных ферментов происходит гидролиз молекул АТФ
Структурные формулы молекул, входящих в реакции (15.12) и (15.13), приведены на рис. 31.
При физиологических условиях входящие в реакции (15.12) и (15.13) молекулы находятся в разных стадиях ионизации (АТФ, ). Поэтому химические символы в этих формулах следует понимать как условную запись реакций между молекулами, находящимися в разных стадиях ионизации. В связи с йтим увеличение свободной энергии AG в реакции (15.12) и ее уменьшение в реакции (15.13) зависит от температуры, концентрации ионов и от значения pH среды. При стандартных условиях эВ ккал/моль). Если ввести соответствующие поправки с учетом физиологических значений pH и концентрации ионов внутри клеток, а также обычные значения концентраций молекул АТФ и АДФ и неорганического фосфата в цитоплазме клеток, то для свободной энергии гидролиза молекул АТФ получим значение -0,54 эВ (-12,5 ккал/моль). Свободная энергия гидролиза молекул АТФ не является величиной постоянной. Она может быть неодинаковой даже в разных местах одной клетки, если эти места различаются по концентрации
Со времени появления пионерской работы Липмана (1941 г.) известно, что молекулы АТФ в клетке выполняют роль универсального кратковременного хранителя и переносчика химической энергии, используемой в большинстве процессов жизнедеятельности.
Выделение энергии в процессе гидролиза молекулы АТФ сопровождается преобразованием молекул
При этом разрыв связи, обозначенной символом приводит к отщеплению остатка фосфорной кислоты. По предложению Липмана такую связь стали называть «фосфатной связью, богатой энергией» или «макроэргической связью». Это название крайне неудачно. Оно совершенно не отражает энергетики процессов, происходящих при гидролизе. Выделение свободной энергии обусловлено не разрывом одной связи (такой разрыв всегда требует затраты энергии), а перестройкой всех молекул, участвующих в реакциях, образованием новых связей и перестройкой сольватных оболочек при реакции.
При растворении молекулы NaCl в воде образуются гидратированные ионы Выигрыш энергии при гидратации перекрывает затрату энергии при разрыве связи в молекуле NaCl. Было бы странным приписывать этот выигрыш энергии «высоко-эргичности связи» в молекуле NaCl.
Как известно, при делении тяжелых атомных ядер выделяется большая энергия, что не связано с разрывом каких-либо высоко-эргических связей, а обусловлено перестройкой осколков деления и уменьшением энергии кулоповского отталкивания между нуклонами в каждом осколке.
Справедливая критика представления о «макроэргических связях» высказывалась неоднократно . Тем не менее это представление широко внедрилось в научную литературу. Большой
Таблица 8
Структурные формулы фосфорилированных соединений: а - фосфоэноллируват; б - 1,3-дифосфоглицерат; в - креатинфосфат; - глюкозо-I-фосфат; - глюкозо-6-фосфат.
беды в этом нет, если выражение «высокоэргическая фосфатная связь» испольаовать условно, как краткое описание всего цикла преобразований, происходящих в водном растворе при соответствующем наличии других ионов, pH и т. д.
Итак, понятие энергия фосфатной связи, испольауемое биохимиками, условно характеризует разность между свободной энергией исходных веществ и свободной энергией продуктов реакций гидролиза, при которых отщепляются фосфатные группы. Это понятие нельзя путать с понятием энергии химической связи между двумя группами атомов в свободной молекуле. Последняя характеризует энергию, необходимую для разрыва свяэи.
В клетках содержится ряд фосфорилированных соединений, гидролиз которых в цитоплазме связан с выделением свободной анергии. Значения стандартных свободных энергий гидролиза некоторых из этих соединений приведены в табл. 8. Структурные формулы этих соединений изображены на рис. 31 и 35.
Большие отрицательные величины стандартных свободных анергий гидролиза обусловлены энергией гидратации отрицательно заряженных продуктов гидролиза и перестройкой их электронных оболочек. Из табл. 8 следует, что значение стандартной свободной энергии гидролиза молекулы АТФ занимает промежуточное положение между «высокоэнергетическими» (фосфоэнолпиру-нат) и «низкоэнергетическими» (глюкозо-6-фосфат) соединениями. Это одна из причин того, что молекула АТФ является удобным универсальным переносчиком фосфатных групп.
С помощью специальных ферментов молекулы АТФ и АДФ осуществляют связь между высоко- и низкоэнергетическими
фосфатными соединениями. Например, фермент пируваткиназа переносит фосфат с фосфоэнолпирувата на АДФ. В результате реакции образуется пируват и молекула АТФ. Далее с помощью фермента гексокиназа молекула АТФ может передать фосфатную группу D-глюкозе, превратив ее в глюкозо-6-фосфат. Суммарный продукт этих двух реакций сведется к преобразованию
Весьма важно, что реакции этого типа могут проходить только через промежуточный этап, в котором обязательно участвуют молекулы АТФ и АДФ.
Энергетический обмен. Цепь переноса протонов и электронов – 5 ферментативных комплексов. Окислительное фосфорилирование. Окислительные процессы, не связанные с запасанием энергии – микросомальное окисление, свободно-радикальное окисление, активные формы кислорода. Антиоксидантная система
Введение в биоэнергетику
Биоэнергетика , или биохимическая термодинамика , занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.
Изменение свободной энергии (∆G) – это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу. Иначе говоря, это полезная энергия и выражается уравнением
∆G = ∆Н - Т∆S,
где ∆Н – изменение энтальпии (теплоты), Т – абсолютная температура, ∆S – изменение энтропии. Энтропия служит мерой неупорядоченности, хаотичности системы и возрастает при самопроизвольных процессах.
Если значение ∆G отрицательное, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзэргоническими . Если значение ∆G положительное, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется эндэргонической. При ∆G равном нулю система находится в равновесии. Величина ∆G при стандартных условиях протекания химической реакции (концентрация веществ-участников 1,0 М, температура 25 ºС, рН 7,0) обозначается DG 0 ¢ и называется стандартной свободной энергией реакции.
Жизненно важные процессы в организме – реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, транспорт через мембраны – получают энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями, в результате которых происходит высвобождение энергии. Т.е. эндэргонические реакции в организме сопряжены с экзэргоническими (рис.1).
|
|||
Рис.1. Сопряжение экзэргонических процессов с эндэргоническими.
Для сопряжения эндэргонических реакций с экзэргоническими реакциями необходимы аккумуляторы энергии в организме, в которых запасается примерно 50% энергии.
Аккумуляторы энергии в организме
1. Внутренняя мембрана митохондрий – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. За счет энергии окисления веществ происходит «выталкивание» протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате создается электрохимический потенциал (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий. При разрядке мембраны энергия электрохимического потенциала трансформируется в энергию АТФ: Е окисл. ® Е эхп ® Е АТФ. Для реализации этого механизма внутренняя мембрана митохондрий содержит ферментативную цепь переноса электронов на кислород и АТФ-синтазу (протонзависимую синтазу АТФ).
2. АТФ и другие макроэргические соединения . Материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами. Обычным энергетическим уровнем возникновения или распада химической связи является ~ 12,5 кДж/моль. Однако имеется ряд молекул, при гидролизе связей которых выделяется более 21 кДж/моль энергии (табл.1). К ним относятся соединения с макроэргической фосфоангидридной связью (АТФ), а также ацилфосфаты (ацетил-фосфат, 1,3-бисфосфоглицерат), енол-фосфаты (фосфоенолпируват) и фосфогуанидины (фосфокреатин, фосфоаргинин).
Таблица 1.
Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых фосфорилированных соединений
Основным макроэргическим соединением в организме человека является АТФ.
В АТФ цепочка из трех фосфатных остатков связана с 5’-ОН группой аденозина. Фосфатные (фосфорильные) группы обозначаются как a, b и g. Два остатка фосфорной кислоты соединены между собой фосфоангидридными связями, а a-остаток фосфорной кислоты – фосфоэфирной связью. При гидролизе АТФ в стандартных условиях выделяется -30,5 кДж/моль энергии.
При физиологических значениях рН АТФ несет четыре отрицательных заряда. Одной из причин относительной нестабильности фосфоангидридных связей является сильное отталкивание отрицательно заряженных атомов кислорода, которое ослабевает при гидролитическом отщеплении концевой фосфатной группы. Поэтому такие реакции являются высоко экзэргоническими.
В клетках АТФ находится в комплексе с ионами Mg 2+ или Mn 2+ , координационно связанными с a- и b-фосфатом, что увеличивает изменение свободной энергии при гидролизе АТФ до 52,5 кДж/моль.
Центральное место в приведенной шкале (табл. 8.3) занимает цикл АТФ « АДФ + Рн. Это позволяет АТФ быть как универсальным аккумулятором, так и универсальным источником энергии для живых организмов .
В клетках теплокровных АТФ как универсальный аккумулятор энергии возникает двумя путями:
1) аккумулирует энергию более энергоемких соединений, стоящих выше АТФ в термодинамической шкале без участия О 2 – субстратноефосфорилирование : S ~ Р + АДФ ® S + АТФ;
2) аккумулирует энергию электрохимического потенциала при разрядке внутренней мембраны митохондрии – окислительное фосфорилирование .
АТФ является универсальным источником энергии для совершения основных видов работы клетки (передача наследственной информации, мышечное сокращение, трансмембранный перенос веществ, биосинтезы): 1) АТФ+Н 2 О®АДФ+Рн; 2) АTФ + Н 2 О ® АМФ + РРн.
Во время интенсивных упражнений скорость использования АТФ может достигать 0,5 кг/мин.
Если ферментативная реакция термодинамически невыгодна, то она может осуществиться при сопряжении с реакцией гидролиза АТФ. Гидролиз молекулы АТФ изменяет равновесное отношение субстратов и продуктов в сопряженной реакции в 10 8 раз.
Для количественной оценки энергетического состояния клетки используют показатель – энергетический заряд . Многие реакции метаболизма контролируются энергетическим обеспечением клеток, который контролируется энергетическим зарядом клетки. Энергетический заряд может колебаться от 0 (все АМФ) до 1 (все АТФ). Согласно Д.Аткинсону, образующие АТФ катаболические пути ингибируются высоким энергетическим зарядом клетки, а утилизирующие АТФ анаболические пути стимулируются высоким энергетическим зарядом клетки. Оба пути функционируют одинаково при энергетическом заряде, близком к 0,9 (точка перекреста на рисунке 8.3). Следовательно, энергетический заряд, подобно рН, является буферным регулятором метаболизма (соотношения катаболизма и анаболизма). В большинстве клеток энергетический заряд колеблется в пределах 0,80-0,95.
Энергетический заряд = 
К макроэргическим соединениям относят также нуклеозидтрифосфаты, которые обеспечивают энергией ряд биосинтезов: УТФ – углеводов; ЦТФ – липидов; ГТФ – белков. В биоэнергетике мышц важное место занимает креатинфосфат.
3. НАДФН+Н + – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный. Это специальный аккумулятор с высокой энергией, который используется в клетке (цитозоль) для биосинтезов. R-CH 3 + НАДФН 2 + О 2 ® R-CH 2 ОН + Н 2 О + НАДФ + (здесь показано создание ОН-группы в молекуле).
Пути потребления кислорода (биологическое окисление)
В основе биологического окисления лежат окислительно-восстановительные процессы, определяемые переносом электронов . Вещество окисляется, если теряет электроны или одновременно электроны и протоны (водородные атомы, дегидрирование) или присоединяет кислород (оксигенирование). Противоположные превращения – восстановление.
Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом, Е 0 ¢, или ОВП). Редокс-потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах. В качестве стандарта принят редокс-потенциал реакции при рН 7,0: Н 2 « 2Н + + 2е - , равный -0,42 В. Чем меньше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем легче она отдает электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны. Это правило лежит в основе последовательности расположения промежуточных переносчиков электронов от водородов субстратов до кислорода.
При изучении окислительных процессов в клетках целесообразно придерживаться следующей схемы использования кислорода (табл. 2).
Таблица 2
Основные пути использования кислорода в клетках
Здесь рассматриваются три основных пути: 1) окисление субстрата путем дегидрирования с переносом двух атомов водорода на атом кислорода с образованием Н 2 О (энергия окисления аккумулируется в форме АТФ, на этот процесс расходуется более 90% кислорода) или молекулу кислорода с образованием Н 2 О 2 ; 2) присоединение атома кислорода с образованием гидроксильной группы (повышение растворимости субстрата) или молекулы кислорода (метаболизм и обезвреживание устойчивых ароматических молекул); 3) образование кислородных свободных радикалов, служащих как для защиты внутренней среды организма от чужеродных макромолекул, так и для повреждения мембран в механизмах окислительного стресса.
В биохимии и клеточной биологии под тканевым (клеточным) дыханием понимают молекулярные процессы, в результате которых происходит поглощение клеткой кислорода и выделение углекислого газа. Клеточное дыхание включает 3 стадии. На первой стадии органические молекулы – глюкоза, жирные кислоты и некоторые аминокислоты – окисляются с образованием ацетил-КоА. На второй стадии ацетил-КоА вступает в ЦТК, где его ацетильная группа ферментативно окисляется до СО 2 и выделяется HS-КоА. Энергия, высвобождающаяся при окислении, накапливается в восстановленных переносчиках электронов НАДН и ФАДН 2 . На третьей стадии электроны переносятся к О 2 , как конечному акцептору, через цепь переносчиков электронов, которая называется дыхательная цепь или цепь переноса электронов (ЦПЭ). При переносе электронов по дыхательной цепи выделяется большое количество энергии, которая используется для синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования.
Процесс тканевого дыхания оценивают с помощью дыхательного коэффициента:
RQ = число молей образованного СО 2 /число молей поглощенного О 2 .
Этот показатель позволяет оценить тип топливных молекул, используемых организмом: при полном окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, белков – 0,80, жиров – 0,71; при смешанном питании величина RQ=0,85. Газометрическим методом Варбурга изучают тканевое дыхание в срезах органов: при окислении углеводных субстратов коэффициент СО 2 /О 2 стремится к 1, а при окислении липидных субстратов – 04-07.
ЦПЭ встроена во внутреннюю мембрану митохондрий . Электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду: от НАДН (-0,32 В) до кислорода (+0,82 В).
ЦПЭ – это универсальный конвейер по переносу электронов от субстратов окисления к кислороду, построенный в соответствии с градиентом окислительно-восстановительного потенциала. Главные компоненты дыхательной цепи расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала. В процессе переноса электронов по градиенту окислительно-восстановительного потенциала высвобождается свободная энергия.
Строение митохондрий
Митохондрииявляются органеллами клеток.Наружная мембрана проницаема для многих малых молекул и ионов, поскольку содержит много митохондриальных поринов – белков с молекулярной массой 30-35 кДа (называются также VDAC). Электрозависимые анионные каналы VDAC регулируют поток анионов (фосфаты, хлориды, органические анионы и адениловые нуклеотиды) через мембрану. Внутренняя мембрана митохондрий не проницаема для большинства ионов и полярных молекул. Имеется ряд специальных переносчиков для АТФ, пирувата и цитрата через внутреннюю мембрану митохондрий. Во внутренней мембране митохондрий выделяют матриксную (N) поверхность и цитозольную (Р) поверхность.
Митохондрии содержат собственную кольцевую ДНК, которая кодирует синтез ряда РНК и белков. Человеческая митохондриальная ДНК содержит 16569 пар оснований и кодирует 13 белков цепей переноса электронов. Митохондрии также содержат также ряд белков, которые кодируются ядерной ДНК.
Похожая информация.
АТФ - универсальный накопитель биологической энергии. Ее роль для всего живого была сформулирована академиком АМН СССР В. А. Энгельгардтом в 1940 г. следующим образом: «Любой клеточный накопитель энергии образует АТФ, любой расход энергии в клетке оплачивается АТФ». Это правило справедливо и для мышечных клеток и клеток мозга, где энергия накапливается дополнительно.
В китайской традиции существует понятие четырех биграмм или четырех фундаментальных энергий : трансцендентная энергия , энергия начала, о ней никогда не говорится в книгах, поскольку, она вездесуща и без нее ничего бы не существовало; ...Молекула АТФ содержит три остатка фосфорной кислоты. Связи между ними (в присутствии фермента АТФазы) легко разрываемы. При отщеплении от одной молекулы АТФ одной молекулы фосфорной кислоты выделяется 40 кДж энергии, поэтому связи называют макроэргическими (несущими большое количество энергии).
Преобразование химически связанной в АТФ энергии в механическую (необходимую для осуществления мышечного сокращения), электрическую, световую, звуковую энергию осмоса и другие ее виды, обеспечивающие синтез пластических веществ в клетке, рост , развитие , возможность передачи наследственных признаков, осуществляется в головке элементарных частиц дыхательных ансамблей благодаря присутствию в них, т. е. в тех же частицах, где происходит ее синтез. Выделяющаяся при распаде АТФ энергия непосредственно переходит в биологическую, необходимую для синтеза белков, нуклеотидов и других органических соединений, без которого рост и развитие организма невозможны. Запасы энергии в АТФ используются для осуществления движений, генерации электричества, света, для выполнения любой функции клетки и ее органелл.
Запасы АТФ в клетке ограничены. В мышечных волокнах они могут обеспечить энергией всего лишь 30-40 сокращений, а в клетках других тканей их еще меньше. Для пополнения запасов АТФ должен постоянно происходить ее синтез - из (АДФ) и неорганического фосфата, который осуществляется с участием фермента АТФсинтетазы. Поэтому большое значение для управления процессом синтеза АТФ имеет соотношение между концентрациями АТФ и АДФ (активностью АТФсинтетазы). При недостатке АДФ благодаря наличию АТФазы в активном центре будет ускоряться гидролиз АТФ, который, как отмечалось, связан с процессом окислительного, зависит от состояния переносчиков водорода и кислорода.
Чем больше НАД и меньше восстановленной его формы, чем больше окисленного цитохрома с и АДФ, тем скорость синтеза АТФ выше. Наряду с другими ферментами и коферментами в качестве основных регуляторов работы дыхательных ансамблей выступают на первом этапе переноса водорода от субстрата НАД - НАД на втором - переносчик электронов на кислород , цитохромы, и на заключительном этапе - соотношение между АТФ и АДФ.