Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
52
Добавлен:
03.10.2013
Размер:
554.99 Кб
Скачать

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

1

Глава 1

Химия, энергия и метаболизм

Резюме главы

В этой главе изложены три основные темы: роль энергии в биохимических реакциях, значение ферментов как катализаторов и типы химических взаимодействий между биомолекулами. Приведен ряд обзорных тем, таких как применение уравнений свободной энергии Гиббса и расчет константы равновесия для оценки вклада энергии в определение направления протекания химических реакций. Кроме того, обсуждается принципиальная возможность применения значений G в сопряженных реакциях с участием общего промежуточного соединения (интермедиата). Необходимость понимания студентами эффекта рН на ионизацию кислот и оснований обусловила включение в эту главу соответствующего приложения. Раздел об основах ферментативного катализа и значении АТР как переносчика энергии предлагается в качестве введения к некоторым основным биохимическим принципам, развиваемым в последующем материале книги. Введение в класс сил притяжения между молекулами, известных как “слабые связи”, включает ионные связи, водородные связи и вандерваальсовы силы. Последние служат основой для углубленного понимания роли этих сил в процессе узнавания биологическими молекулами друг друга - идеи, которая проходит через весь учебник.

Цели урока

Взаимосвязь между свободной энергией Гиббса ( G) и направлением

спонтанного протекания химической реакции.

Взаимосвязь между G и изменениями энтальпии ( H) и энтропии ( S) реакции

Мaтематическая зависимость между G0и константой равновесия.

Математическое выражение константы равновесия в терминах концентраций продуктов и реагентов в состоянии равновесия.

Роль необратимых реакций в общем потоке соединений через метаболические пути.

Функция ферментов как катализаторов.

2

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

Основная форма уравнения МихаэлисаМентен.

Различие между катаболическими и анаболическими реакциями.

Роль солнца в формировании высокоэнергетических молекул пищевых продуктов.

Роль рН в ионизации молекулы с определенным значением pKa.

Образование буферной системы при помощи слабой кислоты и ее сопряженной соли.

Роль высокоэнергетического фосфата в структурах аденозина и его фосфорилированных производных.

Принцип сложения сопряженных реакций с общим промежуточным продуктом для сопряжения эндергонических и экзергонических реакций, дающих в результате экзергоническую реакцию.

Значение класса внутримолекулярных сил, известных как слабые связи (ионные связи, водородные связи и вандерваальсовы силы).

Прогулка по главе

Изменения энергии, связанные с химическими реакциями

Энергия является основой всех химических превращений. Подобно потокам воды, стекающим с гор, химические соединения сливаются и изменяются в соответствии с потоком энергии из состояния с высоким потенциалом в состояние с низким. Метаболизм представляет собой биологический эквивалент силовой установки во многом сходный с двигателем внутреннего сгорания. Энергия необходима для функционирования большинства биохимических систем. Эти системы получают необходимую энергию в результате обмена пищевых продуктов, которые поступают в систему с высоким “химическим потенциалом”, а покидают ее в виде «отходов» с более низким “химическим потенциалом”. Каждая химическая реакция может быть представлена согласно сопровождающему ее изменению энергии, выражаемому математически в виде свободной энергии Гиббса ( G) и двух других фундаментальных энергетических параметров энтальпии ( Н) и энтропии ( S). Направление изменения энергии (в систему или из нее) обозначается знаком + или - соответственно, перед значением G. Изменения этого энергетического параметра вычисляются путем вычитания величины энергии исходного состояния из энергии конечного состояния системы. Поэтому уменьшение свободной энергии системы, когда ее конечное значение ниже исходного, должно давать отрицательную величину G.

G представляет собой меру количества энергии и указывает насколько далеко (и в каком направлении) от равновесия находится система. Большое отрицательное значение свидетельствует о том, что реакция будет протекать слева направо (как написано). Положительное значение G указывает, что реакция будет идти в противоположном направлении, а нулевое - свидетельствует о равновесном состоянии системы и отсутствии протекания реакции. Биохимические значения G

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

3

 

 

определяются в стандартных условиях (25îС, рН 7,0) и при равных концентрациях всех исходных

веществ и продуктов (1,0 М). Эти величины обозначаются как

G0.

Заполните следующее

 

 

 

 

 

 

 

 

Направление

 

Состояние с высоким

 

Направление в котором

потока энергии

Çíàê G

уровнем свободной

 

реакция будет протекать

(переноса)

 

энергии

 

самопроизвольно

 

 

 

 

 

В систему

Положительный

(1)

 

Справа налево в

 

направлении реагентов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

Отрицательный

Реагенты

 

Слева направо в

 

направлении продуктов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нет полезного

(3)

Одинаковая энергия

 

(4)

переноса энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответы: (1) Продукты; (2) Из системы; (3) Ноль; (4) Не изменяется.

G0связана с константой равновесия (отношение продуктов к реагентам при состоянии равновесия) логарифмической зависимостью. Используя это математическое уравнение, значения температуры (по Кельвину, 0С +273) и газовую постоянную в единицах энергии (R = 8,3 Дж . ìîëü- 1. K-1), можно провести вычисление в прямом и обратном направлении зависимости между константой равновесия К и величиной разности свободной энергии между продуктами и реагентами при стандартных условиях. Заполните следующие уравнения. Для реакции A + B C + D,

Keq=...................................................

è

G0=....................................................

 

Для более полного понимания частной ситуации с константой равновесия при нестандартных условиях (сравните внутри клетки) должно быть вычислено зависимое от концентрации значение G (без символа сверху”0”). К счастью, влияние концентрации на величину Gограничена, так что только реакции с малыми значениями G0(близкими к нулю) следует считать достаточно чувствительными к внутриклеточным концентрациям и обратимыми при физиологических условиях. Это происходит вследствие того, что равновесие реакций либо с крайними значениями

(+) ëèáî (-) äëÿ Gбудут сильно сдвинуты соответственно влево или вправо. Поскольку большинство химических превращений в клетке происходит в серии отдельных метаболических путей, необратимые стадии (с большим отрицательным G) действуют как одноканальные регуляторные клапаны, обеспечивающие поток веществ через пути обмена. Вследствие этого, метаболический путь в целом не является строго обратимым и организм может таким образом контролировать этапы синтеза и расщепления координировано, посредством специфической регуляции потока материала по этим необратимым этапам.

4 Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

Замечание по использованию G(без символа сверху ”0”). Общая форма уравнения Гиббса имеет следующий вид: G= G0+ RT ln([продукты]ð/[реагенты]R). Индексы указывают, что концентрации продуктов перемножаются и затем делятся на концентрацию каждого реагента. Вот почему значение Gявляется не константой, а мерой того, насколько система далека от равновесия, когда истинные концентрации продуктов и реагентов подставляются в это выражение. Величина

G0, являющаяся константой, точно отражает разницу в энергии между системой, находящейся в равновесии, и системой в стандартных условиях при концентрациях всех реагентов, равной 1 М. Однако G0может быть использована для сравнения двух реакций в одинаковых условиях системы. В этих условиях относительные различия в значениях G0будут достаточно близкими вне зависимости от того, являются ли условия для сравнения стандартными или используются действительные концентрации, определяемые внутри клетки.

Ферменты контролируют направление и скорость химических реакций

Предсказание направления протекания химической реакции на основании количества энергии, связанной с данным химическим превращением ( G0), не позволяет нам судить о скорости (изменении во времени) реакции, которая в живых организмах зависит от активности биологических катализаторов - ферментов. Большинство ферментов - большие белковые молекулы. Одним из наиболее известных общих химических уравнений, используемых для описания катализируемых ферментами реакций, является уравнение Михаэлиса-Ментен, в котором фермент, субстрат, промежуточное состояние и продукт имеют свой собственный символ (E, S, S* и Р, соответственно). Для того, чтобы субстрат (реагент) превратился в продукт, необходимо преодолеть энергетический барьер. Чем выше этот барьер (энергия активации), тем более медленно протекает реакция. Ферменты ускоряют реакции путем снижения энергии активации. Завершите следующий рисунок, показывающий, что величина энергии активации ниже в том случае, когда реакция катализируется ферментом.

Отметьте, что следуя по каталитическому пути субстраты (S) могут быстрее превращаться в продукты (Р). Для объяснения того, как действуют ферменты, разработаны две модели: модель “ключ - замок ” и модель индуцированного соответствия. Обе они полезны и для объяснения того, почему каждый фермент катализирует только определенную реакцию. Степень ускорения реакций под действием ферментов зависит от многих параметров, таких как рН и температура, присутствие кофакторов и ингибиторов.

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

5

Заполните следующее

S

S

S

P

Химические структуры помогают объяснить происхождение

Химические реакции, имеющие суммарное благоприятное изменение свободной энергии ( G< 0), происходят без потребления энергии с высвобождением свободной энергии. Для описания такой реакции используется термин “самопроизвольная” и этот термин имеет очень специфическое значение в данном контексте. Он не подразумевает того, что реакция протекает “быстро”, но означает вероятность ее протекания в направлении слева направо, (так как написано). Расщепление молекул пищевых продуктов до низкоэнергетических молекул - катаболизм, - и синтез других полезных молекул с высоким химическим потенциалом из более простых предшественников - анаболизм, - представляют собой сопряженные процессы. Солнце дает энергию для образования высокоэнергетических молекул пищевых продуктов из простых молекул предшественников. В основном руководстве есть множество связанных один с другим рисунков, в которых отображается взаимосвязь между химическими соединениями с низкой свободной энергией (такими как СО2 è Í2О) и соединениями с высокой свободной энергией, например, молекулами пищевых продуктов. Энергия света используется для превращения низкоэнергетических СО2 + Í2О в молекулы пищевых продуктов в процессе фотосинтеза, который сопряжен с кислород-зависимыми катаболическими реакциями, в ходе которых высвобождается запасенная энергия солнечного света. Энергия, освобождаемая в процессе катаболических реакций с G < 0, в дальнейшем используется в протекающих в клетке анаболических химических реакциях. Роль высокоэнергетических фосфатов состоит в запасании освобождающейся при катаболизме пищевых продуктов энергии, которая затем используется для совершения полезной биохимической работы.

6

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

Заполните следующее

CO2+H2O

Биохимические системы часто сопрягают эндергонические реакции с экзергоническими, используя общие энергетические интермедиаты. Фосфат в своей низкоэнергетической форме называется неорганическим фосфатом и образуется из молекулы фосфорной кислоты (H3PO4). Каждый из четырех атомов кислорода в этой молекуле связан с центральным атомом фосфора. Один из атомов кислорода связан с атомом фосфора двойной, а три других одинарными связями. Каждый атом кислорода, связанный одинарной связью с атомом фосфора, также имеет одинарную связь с водородом. Эти водород-кислородные связи могут разрываться в реакции кислотной диссоциации. Водород отщепляется в виде протона (Н+), оставляя электрон, сообщающий кислороду отрицательный заряд. Поскольку для фосфорной кислоты такая диссоциация может происходить три раза, то существует четыре возможных структуры неорганического фосфата, имеющих заряд 0, -1, -2 и -3. Соотношение количества этих структур в растворе зависит от значения рН. Поскольку неорганический фосфат (Н3ÐÎ4) имеет три диссоциирующих протона, существует три значения рКà. Отметьте, что значение pKa отражает силу кислоты. Первые протоны, теряемые H3PO4, являются очень легко диссоциируемыми, pKa1=2,2, тогда как второй умеренно диссоциируемым, pKa2=7,2, а третий протон с pKa3=12,3 самым трудно диссоциируемым из всех. В любом случае, оперируя этими числами помните, что когда рН = pKa в растворе присутствует в равном количестве (по 50%) каждая из двух химических форм, участвующих в химической диссоциации. Химическая форма с протоном обозначается как кислота, а та, что теряет протон - соль или к сопряженное основание. Для более детального ознакомления посмотрите приложения в конце главы 1 основного руководства.

Следует внимательно прочитать приложение по буферным растворам и значениям pKa. Учитывая, что большинство биохимических процессов происходит в водной среде, очень важным является влияние рН и кислотно-основных свойств биомолекул. Поскольку рН представляет собой отрицательный логарифм концентрации ионов водорода [Н+], а буферный эффект слабых кислот и

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

7

 

 

оснований связан с их константой равновесия (Ka), то наиболее удобным уравнением для описания этой связи является уравнение Гендерсона-Хассельбаха

pH = pKa + log([соль]/[кислота]),

где кислота представляет собой соединение, отдающее протон, а соль является химической формой того же соединения, которое уже потеряло протон. Таким образом, отношение протонированных и непротонированных форм зависит как от рН, так и от силы кислоты. (В этом уравнении численное выражение константы равновесия кислотной диссоциации Ka представлено в виде отрицательного логарифма рКà). Учитывая, что log числа >1 положителен, а log числа <1 отрицателен (при log (1) = 0), нетрудно заметить, что при рН > pKa будет доминировать соль (непротонированная форма), если рН < pKa, то будет преобладать кислота (протонированная форма), а если рН = pKa, то соотношение этих форм будет одинаковым (50/50). Обратите внимание, что в этой функции все кислотно-основные равновесия рассматриваются с точки зрения кислотной диссоциации, так что pKa протонированного основания, такого как R-NH3+ находится около 9,2, что делает излишним использование выражения Kb для формы R-NH2.

Высокоэнергетические соединения фосфата могут быть получены замещением слабой водородно-кислородной связи в неорганическом фосфате на связь этого кислорода с гетероатомом (отличным от кислорода), обычно углеродом, азотом или, что наиболее часто, другим атомом фосфора. Соединения такого типа могут представлять собой либо эфиры, либо ангидриды (см. обзор по органической химии в этом справочнике). В зависимости от того, какой гетероатом присоединен, могут быть получены соединения с различным энергетическим уровнем. Кроме того, этот процесс может происходить по более чем одному атому кислорода неорганического фосфата, при этом образуются, например, пирофосфат и аденозинфосфаты - семейство молекул, содержащих 1, 2 или 3 фосфата, связанных высокоэнергетическими связями (АМР, АDP и АТР). Укажите элементы каждой из следующих молекул.

Заполните следующее

8 Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

Запасенная в этих соединениях энергия может освобождаться в ходе реакции гидролиза с участием Н2О - это экзергоническая реакция, сопряженная с необходимыми для организма эндергоническими биохимическими реакциями. Высокоэнергетические фосфаты часто сокращаются в виде помещенного в кружок фосфора , а низкоэнергетический неорганический фосфат пишется как Рi. Циклический переход фосфора между высоко- и низкоэнергетическими формами является одним из связующих звеньев между катаболическими и реакциями.

Единственный общий механизм сопряжения гидролиза высокоэнергетических фосфатов с эндергоническими реакциями предполагает использование принципа аддитивности в реакциях с общим промежуточным продуктом, где последний является продуктом одной стадии и реагентом в другой. В этом случае промежуточный продукт в суммарной химической реакции не указывается. Простым примером может быть суммарная реакция, в которой реакции А Â è Â С могут сведены к А С. Если в первой реакции А В освобождается больше энергии, чем требуется для протекания второй В С, суммарная реакция А С будет энергетически выгодна. Энергетическая выгода означает, что G< 0 и что равновесие будет сдвинуто вправо, так что соединение А будет самопроизвольно реагировать с образованием С.

В учебнике приведены два примера. В первом, суммированы две реакции, где Х-Р является

промежуточным продуктом.

 

Реакция 1:

X-OH + ATP X-P + ADP

Реакция 2:

X-P + Y-H X-Y + Ði

Cумма реакций 1 и 2 :

X-OH + ATP + Y-H X-Y + ADP + Ði

Другой пример показывает, как могут быть суммированы три реакции. Наличие X-AMP обусловливает сопряжение первой и второй реакции, а промежуточный продукт РРi (называемый также пирофосфатом), сопрягает первую и третью реакции.

Реакция 1:

X-OH + ATP X-AMP + ÐÐi

Реакция 2:

X-AMP + Y-H X-Y + AMP

Реакция 3:

ÐÐi + H2O 2Ði

Суммарная:

X-OH + ATP + Y-H + H2 O X-Y +AMP + 2Ði

Заметьте, что ни один из промежуточных продуктов не присутствует в суммарном уравнении. В том случае, когда АТР используется с образованием АМР и пирофосфата, АМР должен опять превратиться в АТР (через ADP) с помощью киназы. Обычно пирофосфат (РРi) гидролизуется до 2Рi, освобождая даже больше энергии, чем требуется для протекания суммарной реакции.

Полное понимание роли, которую играют химические структуры в том или ином превращении, должно выходить за рамки ковалентных связей и включать более тонкие взаимодействия. Класс взаимодействий, известных как слабые связи (или силы) ответственен, главным образом, за типы химических взаимодействий между молекулами, когда не происходит разрыва или образования ковалентных связей. В основном учебнике внимание сосредоточено на трех типах связей: ионных, водородных, а также вандерваальсовых силах. Ионные взаимодействия основаны на силах притяжения между противоположно (положительно или отрицательно) заряженными группами.

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

9

 

 

Этот тип сил присутствует всегда, когда мы имеем дело с заряженными ионными группами. Водородная связь представляет собой особое продолжение диполь-дипольного взаимодействия, возникающего между молекулами с несимметричным распределением электронов. Водородная связь похожа на водородный мостик с двумя электроотрицательными атомами, которые делят один и тот же атом водорода между собой. Водородной связь характеризуется оптимальной длиной и углом. Вандерваальсовы силы притяжения являются самыми слабыми из связей, но как и в случае с другими слабыми связями, большое количество стабилизирующей энергии может быть получено за счет аддитивного эффекта большого числа слабых взаимодействий. Кумулятивным эффектом множества слабых связей можно часто объяснить некоторые наблюдаемые макроскопические физические свойства, например, растворение твердого вещества в определенной жидкости (растворимость) или образование смешивающихся либо несмешивающихся слоев при смешивании двух жидкостей. Существование этих слабых связей является важной темой этого учебника и будет иметь большое значение в углублении наших представлений о том, как взаимодействие биомолекул заставляет работать биохимическую систему.

Обзор вопросов в конце главы 1

Учитывая то, что 50% потребляемой энергии используется для синтеза АТР, а на синтез каждого моля АТР требуется 55 кДж, в организме человека образуется примерно 91 моль или 50 141 граммов АТР. Эта, кажущаяся нелепой цифра, вполне разумна, поскольку АТР не запасается, а утилизируется с такой же скоростью, с какой и синтезируется.

Значения G0удобны для сравнения, но они относятся к стандартным условиям. При выполнении расчетов, отличающихся от стандартного состояния, ([ ] = 1 M), следует

использовать другое значение G(без значка “0”).

Различие в энергии при гидролизе АМР, ATP и ADP объясняется тем, что связи концевого фосфата с остальной молекулой различны. В случае АТР это ангидрид, тогда как АМР - простой эфир.

Обычно скорость реакции возрастает с увеличением температуры, однако ферменты не всегда стабильны при более высоких температурах.

Вода полярна, и подобно другим полярным молекулам растворяется в полярных растворителях, при этом важную роль играют Н-связи.

Несмотря на то, что некоторые ферменты используют энергии высокоэнергетической фосфатной связи обоих фосфатов одновременно, АМР загружается фосфатом последовательно, по одному

остатку.

Реакции и значения G можно суммировать. В клетке могут происходить три следующие реакции.

X-OH + Y-H X-Y + H2O ATP AMP + ÐÐi

ÐÐi i

10

Глава 1: Химия, энергия и метаболизм

 

 

G = (+10 êÄæ . ìîëü-1) + (-32,2 êÄæ . ìîëü-1) + (-33,4 êÄæ . ìîëü-1) = -55,6 êÄæ ìîëü-1

В системе in vitro, такой как опытная пробирка, содержащая только первый фермент, катализируемая пирофосфатазой (РРi i) реакция не происходит, и значение G является менее экзергоническим.

Сделайте таблицу для лучшего запоминания следующих характеристик.

Типы слабых связей

Энергия (кДж . моль-1)

Ионные связи

20

 

 

Н-связи

12-29

 

 

Вандерваальсовы силы

4-8

 

 

Отдельные взаимодействия являются слабыми и легко образующимися, но вследствие их аддитивности они играют важную роль в определении биохимической специфичности.

Каждый кислый протон имеет рКà. Значение рН определяет точку, при которой отделяется каждый протон. рКà представляет собой значение рН, при котором протон отщеплен у половины молекул и в этой точке соединение может действовать как буфер, поскольку добавление или удаление протонов из системы будет изменять соотношение протонированных молекул буфера, но не рН раствора. Величина этого эффекта ограничивается общей концентрацией молекул буфера.

Глюкоза термодинамически нестабильна по отношению к продуктам (СО2 è âîäå), íî îíà

кинетически стабильна этой реакции. Последнее означает, что энергия будет высвобождаться в процессе реакции, но сама реакция будет протекать с очень низкой (незаметной) скоростью.

G зависит только от различия энергии между начальной и конечной точками и, следовательно, указывает направление, в котором реакция может протекать. Однако значение G ничего не говорит нам о скорости. Другим интересным примером подобного рода является тот факт, что алмазная форма углерода более стабильна, по сравнению с графитной формой. Как жаль, что эта полезная реакция является такой медленной! Студенты-биохимики часто представляют себе, что поскольку химические реакции стремятся к достижению состояния равновесия, то это является нормальным положением дел. Ничего подобного! Биологические системы стремятся достичь стационарного состояния, как можно более удаленного от равновесия. Равновесие для биологической системы равносильно клеточной смерти, так как все химические реакции были бы остановлены и не происходило бы перехода полезной энергии.

Рассуждения об энергии, относящиеся к обычным химическим реакциям, всегда применимы и к той же самой реакции, катализируемой ферментом. Увеличение скорости ферментативной реакции является результатом уникальных взаимодействий между субстратом и сложно организованной молекулой фермента. Энергетически это проявляется в снижении барьера энергии активации.

Соседние файлы в папке Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000