Глава I. Энергетический обмен

1.1. Свободная энергия и законы термодинамики

Жизнь существует и развивается за счет поступающей извне свободной энергии. Энергетический обмен животной клетки относится к органотрофному (у растений - фототрофный) типу, при котором накопление энергии происходит в результате деградации органических веществ. Сущность биоэнергетики составляет процесс превращения химической энергии органических соединений, поступающих из пищи, в различные формы полезной энергии (механическую, электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.).

Энергетический обмен живого организма подчиняется законам термодинамики.

Первый закон сохранения энергии утверждает, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, она может только переходить из одной формы в другую.

Второйзакон термодинамики позволяет предсказать направление биохимических реакций. Согласно ему все процессы идут в направлении возрастания общей энтропии (меры разупорядоченности) системы и окружающей среды. Увеличение энтропии препятствует возврату к исходному состоянию. Поэтому все реакции, которые сопровождаются увеличением разупорядоченности, необратимы, и для их протекания необходимы затраты дополнительной энергии. Часть энергии системы, которая может использоваться для совершения работы при постоянных температуре и давлении, называется свободной. Если ее значения имеют отрицательный знак, то реакция происходит самопроизвольно с выделением добавочной энергии (экзэргоническая реакция), а положительные цифры показателя свидетельствуют о необходимости затрат энергии (эндэргоническая реакция). Если система находится в состоянии равновесия (А В), то количество свободной энергии равно нулю. Ее величины обычно выражают в джоулях на моль или калориях на моль вещества (Дж/моль или кал/моль).

1.1. Макроэргические соединения

В изучении процессов биоэнергетики большую роль сыграл Ф. Липман, который ввел представление о «богатых энергией фосфатах» и «богатой энергией фосфатной связи». Ученый предложил символ ~Р, свидетельствующий о наличии высокоэнергетической (макроэргической) фосфатной связи. Значок ~ (греческая буква «тильда») означает, что перенос группы, присоединенной указанной связью, на подходящий акцептор сопровождается одномоментным выделением большого количества свободной энергии. Стандартная свободная энергия гидролиза ряда биохимически важных органических фосфатов приведена в таблице 2.

Таблица 2

Стандартная свободная энергия гидролиза органических фосфатов

Соединение	Стандартная энергия гидролиза (∆G^0)
	кДж/ моль	ккал/моль
Фосфоенолпируват Карбамоилфосфат 1,3-Дифосфоглицерат Креатинфосфат АТФ АДФ + Рi АДФ АМФ + Рi Пирофосфат Глюкозо-1-фосфат Фруктозо-6-фосфат АМФ Глюкозо-6-фосфат Глицерол-3-фосфат	-61, 9 -51,4 -49,3 -43,1 -30,45 -27,6 -27,6 -20,9 -15,9 -14,2 -13,8 -9,2	-14,8 -12,3 -11,8 -10,3 -7,3 -6,6 -6,6 -5,0 -3,8 -3,4 -3,3 -2,2

Самой многочисленной группой макроэргов являются фосфаты, хотя имеются представители и других классов:

Органические фосфаты:

а) нуклеозидполифосфаты: АТФ, УТФ, ГТФ и др.

б) ацилфосфаты: в) амидинфосфаты: г) енолфосфаты:

Фосфоенолпируват

Тиоэфиры – активные формы различных кислот, полученных в результате взаимодействия с НSКоА:

Ониевые соединения – из всех макроэргов обладают самым малым запасом свободной энергии, которая обычно используется только в виде химической (например, S-аденозилметионин):

Креатинфосфат

S-аденозилметионин

Д

среди них особое положение занимает аденозинтрифосфат (АТФ): во всех живых клетках данный макроэрг выступает в качестве депо для кратковременного хранения и переноса химической энергии на молекулярном уровне. В самых общих чертах можно получить представление об этой функции АТФ при рассмотрении схемы, показывающей взаимопреобразования АТФ и АДФ. Химическая природа этих превращений очень проста: разрыв фосфоангидридной связи в результате гидролиза

ля нормальной жизнедеятельности клетки важное значениеимеют все нуклеозидполифосфаты (ЦТФ принимает участие в образовании фосфолипидов, УTФ необходим для биосинтеза и взаимопревращений различных углеводов; кроме того все подобные соединения участники генеза РНК и ДНК). Однако сре-

клетках данный макроэрг выступает в качестве депо для кратного хранения и переноса химической энергии на молекулзультате гидролиза АТФ или ее образование в ходе фосфорилирования (синтез АТФ). Однако такой подход односторонен. Для полного понимания необходимо рассмотреть энергетику двух процессов. Следует иметь в виду, что АТФ гораздо менее стабильная молекула, чем аденозиндифосфат (АДФ). Другими словами, АТФ более высокоэнергетическое соединение, чем АДФ.

Превращение АТФ АДФ + Ф_н сопровождается освобождением энергии, а обратная реакция АДФ + Ф_н АТФ – требует её затраты. Аналогичные соображения применимы для описания гидролиза АТФ до АМФ и пирофосфата (ФФ_н).

Обратимый процесс АТФ АДФ +Ф_н (или АМФ + ФФ_н) составляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток.

Когда разрушается высокоэнергетический компонент пищи, например, углевод, освобождающаяся энергия используется для образования АТФ. Если клетка нуждается в энергии (для таких процессов, как биосинтез, сокращение мышцы или транспорт соединений через мембраны), АТФ гидролизуется с её выделением (рис. 3).

Рис. 3. Пути использования энергии макроэргов