- •Основы биологической химии предисловие
- •Введение Предмет и задачи биохимии
- •Основные признаки живой материи
- •Глава 1. Химический состав организмов
- •Глава 2. Структура и свойства белков
- •2.1. Роль и определение белков.
- •2.2. Функции белков в организме
- •2.3. Элементный состав белков. Содержание белков в органах и тканях
- •2.4. Аминокислотный состав белков
- •2.5. Кислотно-основные свойства аминокислот
- •2.6. Стереохимия аминокислот
- •2.7. Строение белков
- •2.8. Уровни структурной организации белков
- •Первичная структура
- •Вторичная структура белков
- •Третичная структура белков
- •Четвертичная структура белков
- •2.9. Физико-химические свойства белков
- •Кислотно-основные свойства белков
- •Растворимость белков
- •Денатурация и ренатурация
- •2.10. Классификация белков
- •2.11. Методы выделения и очистки белков
- •Очистка белков
- •Глава 3. Углеводы
- •3.1. Понятие об углеводах и их классификация
- •3.2. Моносахариды
- •Оптические свойства моносахаридов
- •Структура моносахаридов
- •3.3. Химические свойства моносахаридов Реакции с участием карбонильной группы
- •Реакции с участием гидроксильных групп
- •3.4. Сложные углеводы
- •Олигосахариды
- •Полисахариды
- •Гомополисахариды
- •Гетерополисахариды
- •3.5. Биологические функции углеводов
- •Глава 4. Нуклеиновые кислоты
- •4.1. Общая характеристика нуклеиновых кислот
- •4.2. Химический состав и строение нуклеиновых кислот
- •4.3. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот
- •Первичная структура нуклеиновых кислот
- •Вторичная структура днк
- •Вторичная структура рнк
- •Третичная структура рнк и днк
- •Глава 5. Липиды
- •5.1. Общая характеристика и классификация липидов
- •5.2. Липидные мономеры
- •5.3. Многокомпонентные липиды
- •5.4. Биологические функции липидов
- •Глава 6. Ферменты
- •6.2. Химическая природа и структура ферментов
- •6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов
- •Коферменты
- •6.4. Механизм действия ферментов
- •6.5. Свойства ферментов
- •6.6. Специфичность действия ферментов
- •6.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа
- •Влияние температуры на активность ферментов
- •Влияние рН на активность ферментов
- •Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
- •Зависимость скорости реакции от времени
- •6.8. Регуляция активности ферментов
- •Активация ферментов
- •Ингибирование ферментов
- •Аллостерическая регуляций действия ферментов
- •6.9. Определение активности ферментов
- •6.10. Номенклатура и классификация ферментов
- •6.11. Локализация ферментов в организме и клетке
- •6.12. Применение ферментов
- •Глава 7. Витамины
- •7.1.Понятие о витаминах
- •7.2. Классификация витаминов
- •7.3. Жирорастворимые витамины
- •7.4. Водорастворимые витамины
- •7.5. Витаминоподобные вещества
- •Глава 8. Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме
- •8.1. Обмен веществ
- •8.2. Обмен энергии
- •Глава 9. Биологическое окисление
- •9.2. Дыхательная цепь
- •9.3. Окислительное фосфорилирование
- •Глава 10. Обмен углеводов
- •10.1. Переваривание углеводов
- •10.2. Метаболизм глюкозы
- •10.3. Биосинтез гликогена
- •10.4. Распад гликогена
- •10.5. Анаэробный гликолиз
- •10.6. Аэробный распад глюкозы
- •Аэробный распад глюкозы в мозге
- •10.7. Пентозофосфатный цикл
- •10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
- •10.10. Регуляция обмена углеводов
- •Глава 11. Обмен липидов
- •11.1. Переваривание липидов
- •11.2. Метаболизм глицерина
- •11.3. Метаболизм жирных кислот
- •11.4. Биосинтез жиров
- •11.5. Регуляция обмена липидов
- •Глава 12. Обмен нуклеиновых кислот
- •12.1. Пути распада рнк и днк
- •12.2. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований
- •12.3. Биосинтез нуклеотидов
- •Биосинтез пурииовых нуклеотидов
- •Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
- •Биосинтез дезоксирибонуклеотидов
- •12.4. Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Биосинтез днк (репликация)
- •Биосинтез рнк (транскрипция)
- •Безматричный синтез рнк
- •12.5. Путь информации от генотипа к фенотипу
- •Глава 13. Обмен белков
- •13.1. Понятие об обмене белков
- •13.2. Переваривание белков пищи и распад белков тканей Переваривание белков
- •Распад белков в тканях
- •13.3. Метаболизм аминокислот
- •Трансаминирование аминокислот
- •Дезамииирование аминокислот
- •Превращение углеродных скелетов аминокислот. Реакции декарбоксилирования
- •13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл
- •13.5. Синтез аминокислот
- •13.6. Биосинтез белков (трансляция)
- •Глава 14. Водно-солевой и минеральный обмен
- •14.1. Водно-солевой обмен Содержание воды в организме и клетке
- •Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности
- •14.2. Регуляция водно-солевого обмена
- •Регуляция рН
- •14.3. Минеральный обмен Минеральные вещества
- •Функции минеральных веществ
- •Минеральные вещества и обмен нуклеиновых кислот
- •Минеральные вещества и обмен белков
- •Минеральные вещества и обмен углеводов и липидов
- •14.4. Регуляция минерального обмена
- •Глава 15. Взаимосвязь обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот
- •Глава 16. Гормоны, нервно-гормональная регуляция обмена веществ
- •16.1. Понятие о гормонах. Основные принципы регуляции обмена веществ
- •16.2. Классификация гормонов
- •16.3. Общие представления о действии гормонов
- •16.4. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез Гормоны щитовидной железы
- •Гормоны паращитовидных желез
- •16.5. Гормоны поджелудочной железы
- •16.6. Гормоны надпочечников
- •16.7. Гормоны половых желез
- •16.8. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы
- •16.9. Гормоны тимуса и эпифиза
- •16.10. Простагландины
- •16.11. Биохимическая адаптация
- •Рекомендуемая литература
- •Оглавление
8.2. Обмен энергии
Как уже было сказано выше, обмен веществ невозможен без сопутствующего ему обмена энергии.
Все живые организмы по использованию источников энергии делят на две группы:
1. Аутотрофы - организмы, способные непосредственно использовать лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза органических соединений (белков, углеводов, жирных кислот) из неорганических. Это прежде всего растения.
2. Гетеротрофы - организмы, использующие в качестве источника энергии (а также пластического материала) органические соединения, посредством их ассимиляции. Это все остальные организмы.
Таким образом, основным энергетическим источником для человека является энергия, запасенная в химических соединениях компонентов пищевых продуктов. Поэтому питание человека - основной фактор внешней среды, влияющий на здоровье и продолжительность жизни.
Основными веществами, за счет которых организм человека обеспечивается энергией, служат углеводы и жиры пищи (табл. 11).
Таблица 11. Среднее суточное потребление энергии с основными пищевыми
веществами у взрослого человека
Вещество |
Удельная калорийность |
Суточное потребление | |||
ккал/г |
кДж/г |
г |
ккал |
кДж | |
Белки |
4,1 |
17 |
80 |
328 |
1360 |
Жиры |
9,3 |
39 |
100 |
930 |
3900 |
Углеводы |
4,1 |
17 |
400 |
1640 |
6800 |
Меньшее значение имеют белки, однако при преимущественно белковом питании и при голодании их роль как источника энергии значительно возрастает.
В чем же сущность процессов обмена энергией? Все химические реакции, протекающие в живых клетках, подчиняются законам термодинамики (законам энергетики). Согласно первому закону термодинамики, энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Поглощенная системой энергия (в виде теплоты) расходуется на совершение работы и изменение внутренней энергий (при изохорном процессе) или энтальпии (при изобарном процессе). Математически это выражается следующим уравнением:
Q = ΔН + А,
где Q - энергия в виде теплоты;
ΔН - изменение энтальпии;
А - полезная работа.
Живые организмы в отличие от неживых объектов функционируют при постоянной температуре и давлении, поэтому они не способны использовать тепловую энергию для совершения работы. Они используют энергию органических веществ, поступающих в организм извне, так как каждое вещество обладает определенным запасом энергии, за счет которой может быть совершена работа.
Энергия химической реакции, или тепловой эффект, при постоянном давлении и температуре равна изменению энтальпии. При этом часть этой энергии (энтальпии) может быть использована для совершения работы (так называемая «свободная энергия», или энергия Гиббса). Другая часть, которая не может быть превращена в работу, называется связанной энергией и равна произведению TΔS (ΔS- изменение энтропии - меры хаоса в системе).
Характер связи между тепловым эффектом (энтальпией) и свободной энергией выражается уравнением
ΔН = ΔG + TΔS,
или
ΔG = ΔН-TΔS.
Самопроизвольно химические процессы могут протекать лишь в направлении, приводящем систему в состояние равновесия. Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно процессы протекают в направлении увеличения энтропии (см. "Введение''). Все реакции, которые сопровождаются возрастанием энтропии, необратимы. Но практически предсказать направление химической реакции проще всего с помощью свободной энергии Гиббса, которую, в отличие от энтропии, можно измерить в ходе реакции.
При ΔG<0 (сумма свободных энергий продуктов реакции меньше, чем исходных веществ) реакция идет самопроизвольно с выделением свободной энергии; при ΔG>0 реакция протекать самопроизвольно не может, необходима энергия извне для ее протекания. Если система в состоянии равновесия, ΔG=0.
Свободная энергия химических реакций оценивается в стандартных условиях и в реальных (физиологических). Под стандартной свободной энергией ΔG0 биохимических реакций понимается измерение её в стандартных условиях: при концентрациях компонентов реакции 1 моль/л, температуре 25°С (298 К) и рН = 7. Стандартную свободную энергии находят по разности между суммарными значениями свободной энергии конечных продуктов и исходных веществ. Для биохимической реакции, идущей в физиологических условиях, рассчитывается величина ΔGФ с учетом фактической концентрации компонентов.
Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенным уровнем свободной энергии. В результате химической реакции происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, то есть протекает обмен энергией между веществами.
Освобождающаяся в результате катаболических процессов свободная энергия в дальнейшем используется для осуществления анаболических процессов. Роль энергетических посредников между ними выполняют макроэргические соединения. Главными материальными носителями свободной энергии являются химические связи. Если в результате гидролиза (гидролитического разрыва) связи изменение свободной энергии системы (ΔG) составляет более 21 кДж/моль, то говорят, что данная связь богата энергией. Такие связи и соединения, их содержащие, называются макроэргическими (высокоэнергетическими). Если свободная энергия меньше 21 кДж/моль - связь и соединение, ее содержащее, - низкоэнергетические. Не следует путать эту величину, которая используется для характеристики биохимических процессов, с энергий связи, под которой понимается энергия, необходимая для разрыва связи между двумя атомами в любой молекуле.
Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты), хотя существуют и низкоэнергетические фосфаты (табл.12).
Главную роль в энергообмене клеток играет система адениловых нуклеотидов: АТФ →АДФ →АМФ, а также фосфорная кислота Н3Р04 и ионы Мg2+. Таким образом, углеводы, жиры или белки, а также продукты их расщепления не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов. Ряд процессов диссимиляции - тканевое дыхание, брожение и гликолиз - занимают центральное место в обмене веществ. В результате этих процессов происходит освобождение энергии, заключенной в молекулах сложных органических соединений, которая частично трансформируется в энергию АТФ (см. рис. 22). Он и выполняет роль универсального «топлива» клетки.
Таблица 12. Стандартная свободная энергия гидролиза (ΔG0 и свободная энергия при физиологических условиях (ΔGФ) некоторых высоко- и низкоэнергетических соединений
Соединения |
ΔС°кДж/молъ |
ΔGФ,кДж/моль |
Высокоэнергетические | ||
Фосфоенолпируват |
61,7 |
66,7 |
1,3- Бифосфоглицерат |
49,2 |
41,7 |
Креатинфосфат |
42,5 |
41,7 |
АТФ →АДФ →Н3РО4 |
30,4 |
50,0 |
Ацетил-КоА |
30,4 |
|
АДФ→АМФ → Н3РО4 |
28,3 |
50,0 |
Пирофосфат H4P2О7 |
28,3 |
50,0 |
УДФ-глюкоза |
24,2 |
|
Низкоэнергетические | ||
Глюкозо-1-фосфат |
21,0 |
|
Фруктозо-6-фосфат |
13,8 |
|
АМФ |
14,1 |
|
Глюкозо-6-фосфат |
13,8 |
23,8 |
Глицерол-З-фосфат |
9,2 |
|
АТФ, подвергаясь гидролизу, осуществляет функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток (см. рис.22). Другие нуклеозидтрифосфаты - УТФ, ЦГФ, ГТФ, ТТФ, а также ряд других веществ также относят к макроэргическим соединениям, однако образование самих этих соединений зависит от энергии, поставляемой АТФ.
Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфоэфирных связей АТФ:
1. Наиболее частый вариант - это отщепление концевого остатка фосфорной кислоты:
АТФ + H2O → АДФ + Н3РО4.
Концевой остаток соединяется с водой (образуется фосфорная кислота) или переносится на другое вещество, которое при этом фосфорилируется. Освобождающаяся энергия используется в реакциях анаболизма.
2. Другой вариант освобождения энергии фосфатной связи - пирофосфатное расщепление АТФ:
АТФ+Н2О → АМФ+Н4Р2О7.
Этот тип реакций реже используется в биологических процессах. Образующийся пирофосфат относится к высокоэнергетическим соединениям.
3. При гидролизе пирофосфата:
Н4Р2О7+H2О →2H3PО4.
освобождается примерно столько же энергии, сколько при гидролизе концевых фосфатных связей АТФ, но эта энергия мало используется для синтеза других веществ.
4. Возможно использование АДФ как высокоэнергетического соединения:
АДФ + H2O → АМФ + Н3РО4.
При этом также высвобождается то же количество энергий, что и при отщеплении концевого фосфатного остатка от АТФ, то есть, в принципе, АДФ мог бы заменять АТФ, например, в реакциях фосфорилирования. Но эта возможность не реализуется в биологических процессах.
Таким образом, в биохимических синтезах используется только энергия, освобождающаяся в первом варианте. Во всех остальных случаях происходит освобождение энергии в виде теплоты.