ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ее ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ

1.4. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ее ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ

Биохимические реакции обычно происходят при изобарно-изотермических условиях. В этих условиях энергетическое состояние системы характеризуется энтальпией, а мерой неупорядоченности системы является произведение энтропии и температуры этой системы. Функцией, учитывающей обе эти характеристики и тенденции их изменения при самопроизвольных процессах, является энергия Гиббса G, которую называют также изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией:
G = H - TS

Подобно другим термодинамическим параметрам и функциям, характеризующим состояние системы, изменение энергии Гиббса в результате любого процесса определяется только конечным и начальным состоянием системы, независимо от пути процесса:

Gр = Gкон Gнач

Биохимические реакции, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса ( Gр 0), называют экзэргоническими реакциями, они могут совершаться самопроизвольно и необратимо. Чем больше значение энергии Гиббса биохимической системы в начальном состоянии (Gнач) по сравнению с ее значением в конечном состоянии (Gкон), тем больше химическое сродство между реагентами в рассматриваемой системе, т.е. их реакционная способность.

Биохимические реакции, сопровождающиеся увеличением энергии Гиббса, называются эндэргоническими ( Gр 0), и они невозможны без внешнего подвода энергии. Для протекания подобных реакций необходим постоянный подвод энергии.


16

В живых системах эндергонические реакции происходят за счет их сопряжения с экзэргоническими реакциями. Такое сопряжение возможно только в том случае, если обе реакции имеют какое-либо общее промежуточное соединение и на всех стадиях сопряженных реакций суммарный процесс характеризуется отрицательным значением энергии
Гиббса ( Gсопр.р 0).

Гетеротрофные клетки получают необходимую энергию в основном за счет окисления продуктов питания, а для автотрофных (прототрофных) клеток источником энергии часто является солнечный свет. Полученная энергия переводится теми или иными клетками с довольно хорошим КПД

( 40%) в химическую энергию за счет синтеза в них (АТФ). Это соединение, как уже отмечалось ранее, выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его взаимодействии с водой, т.е. гидролизе, образуются аденозиндифосфорная (АДФ) и фосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия.

O = -30,5 кДж / моль
АТФ + Н2О АДФ + Ф GP
АТФ + 2Н О АМФ + Ф + Ф O = -61,0 кДж / моль

2 GP
Поэтому АТФ называется макроэргическим соединением, а
разрывающаяся при гидролизе связь Р-О-Р – макроэргической.

Как известно, разрыв любой связи (в том числе и макроэргической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидролиза АТФ кроме

процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого G 0, происходят процессы гидратации, изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате всех этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение. Следовательно, макроэргическим является не сам разрыв связи, а энергетический результат ее гидролиза.

Следовательно, аденозинтрифосфат функционирует в клетках как промежуточный продукт, обеспечивающий организм энергией, необходимой для протекания жизненно важных эндэргонических процессов: синтеза метаболитов (химическая работа), сокращения мышц (механическая работа), переноса вещества через мембраны против градиента концентрации (активный транспорт) и передачи информации (в частности, для передачи нервных импульсов).

Наряду с АТФ в живых организмах имеются другие эффективные макроэргические соединения, гидролиз которых сопровождается выделением большей энергии. С помощью этих соединений происходит синтез АТФ из АДФ.


17

Таким образом, внутренним источником энергии в живых системах являются фосфорилированные соединения, при взаимодействии которых с биосубстратами, включая воду, выделяется энергия. В результате сопряжения этих реакций с другими (эндэргоническими) обеспечивается протекание в клетке необходимых эндэргонических процессов.