Кинетика действия ферментов (стр. 2 из 3)
При реакциях в растворах изменение свободной энергии определяется уравнением:
где R– газовая постоянная; Т – абсолютная температура;
– константа равновесия химической реакции.
При стандартных условиях каждая химическая реакция характеризуется свободной энергией, вычисляемой по формуле:
AG° = -2,303 RTlgK или AG= -1,363 lgKeq ккал/моль-1 при 25C.
При окислительно-восстановительных реакциях изменение свободной энергии определяется уравнением:
где п – количество перенесенных электронов:
F– число Фарадея: заряд одного моля электронов; Е «' – стандартный окислительно-восстановительный потенциал для окислителя и восстановителя, В.
Эти уравнения удобно применять при расчетах. Например, можно подсчитать, сколько энергии выделяется в результате дыхания;
Таким образом, AG = 2 • 23062 кал • моль-1 - В-[0,815 - (-0,32)] В = 52351 кал/моль.
Классификация энергетических процессов
Энергетические процессы в нефототрофных организмах подразделяются на аэробные и анаэробные в зависимости от участия или не участия в них молекулярного кислорода.
Аэробное дыхание – энергетический процесс, при котором конечным акцептором электронов окисляемого субстрата, передающихся по электрон-транспортной цепи, является молекулярный кислород.
В анаэробном дыхании конечными акцепторами электронов становятся другие окислители: нитрат-, сульфат-анионы, катионы металлов, органические вещества.
Брожение – энергетический процесс, при котором электроны передаются непосредственно от донора к акцептору без участия электрон-транспортной цепи: гликолиз, молочнокислое брожение и др.
Перечисленные процессы можно классифицировать на основе механизма образования АТР, являющегося основным макроэр-гическим соединением, запасающим энергию в своих химических связях. Различают образование АТР в результате переноса электронов по дыхательной цепи – окислительное фосфорилирование, а также образование АТР в процессах, не связанных с переносом электронов по цепи – субстратное фосфорилирование. В настоящее время первый тип процессов правильнее называть образованием АТР за счет трансформации энергии трансмембранного электрохимического потенциала или сокращенно – мембранным фос-форилированием.
У фототрофных организмов основным способом запасания энергии является фо-тофосфорилирование, т.е. образование АТР за счет трансформации энергии ТЭП, формируемого путем утилизации световой энергии.
Роль АТР и ТЭП в запасании энергии
АТР был открыт в 1929 г. К. Фиске и И. Суббароу, а в 1930 г. В. Энгельгард показал возможность его образования в процессе переноса электронов по дыхательной цепи. В 1941 г. Ф. Липман выдвинул концепцию, рассматривающую АТР как «конвертируемую энергетическую валюту».
Почему в процессе эволюции именно АТР выпала такая роль? Для этого есть несколько причин, обусловленных свойствами данного соединения.
Если необходима энергия ненамного большая, чем 10 ккал/моль — по реакции Б. При необходимости энергии, значительно превышающей 10 ккал/моль, используется несколько молекул АТР в одном процессе. Иногда дополнительная энергия выделяется при сорбции АТР на ферменте.
1. Изменение свободной энергии при гидролизе фосфоангидридных связей довольно велико – около 10 ккал / моль. Когда необходима энергия меньшая или равная 10 ккал / моль, гидролиз идет по
2.Скорость неферментативного гидролиза АТР мала, т.е. молекула химически стабильна, и запасенная в ней энергия не рассеивается в виде тепла при спонтанном гидролизе. Однако замена Р на Asрезко повышает лабильность. Этим обстоятельством объясняется ингибиторное действие арсената на энергетический метаболизм: конкурируя с ортофосфатом, он включается вместо него в АТР, а образовавшееся соединение подвергается спонтанному гидролизу.
3.Малые размеры молекулы АТР позволяют ей свободно проникать в различные участки клетки, в то же время цитоплазматическая мембрана для нее непроницаема, следовательно, «утечка» АТР не происходит.
4.«Выбор» АТР как нуклеотида был вызван, по-видимому, необходимостью взаимодействия с белками, так как взаимодействие белков с моно- и полинуклеотидами лежит в основе жизнедеятельности.
5.«Выбор» в качестве пуриновой части молекулы аденозина, вероятно, обусловлен его промежуточными электроннодонорными и акцепторными свойствами, что обеспечивает взаимодействие с широким кругом партнеров. Кроме того, среди азотистых оснований аденин наиболее устойчив к действию ультрафиолета, что могло иметь значение на ранних этапах формирования живых систем.
При описании механизма образования АТР путем мембранного фосфорилирования в настоящее время общепринятой является хемиосмотическая теория сопряжения окисления и фосфорилирования, предложенная П. Митчеллом в 1961 г. Согласно этой теории в «сопрягающих» мембранах локализованы два типа систем, способных к транслокации протонов: электрон-транспортная цепь и Н+-АТРаза, координированная работа которых приводит к формированию трансмембранной разности электрохимического потенциала протонов, – а затем АТР. Таким образом, первичной формой запасания энергии при дыхании является ТЭП.
Количество энергии, запасенной в форме ТЭП, прямо пропорционально количеству транслоцированных протонов: AG– пДцн+ и складывается из двух составляющих: химической и электрической:
где 2,3RT/ F = Z = 59 мВ при 25°С;
Др – протондвижущая сила.
Для образования АТР необходима AG около 250 мВ. Примерно такая величина ТЭП и создается на мембранах митохондрий и прокариотических клеток, хотя вклад каждой из составляющих различен. Например, у ацидофильных бактерий ТЭП практически полностью состоит из ЛрН, а у алкалофилов – из Л<р.
Важно отметить, что АТРазный комплекс может не только утилизировать ТЭП с образованием АТР, но и формировать его за счет гидролиза АТР, осуществляя таким образом взаимное превращение этих двух форм энергии.
Первичные и вторичные генераторы ТЭП
Первичные генераторы используют энергию света или химических связей субстратов для формирования ТЭП. АТР в этих процессах не участвует. К первичным генераторам ТЭП относятся:
дыхательная цепь, содержащая от 1 до 3 протонных насосов;
фотосинтетическая цепь, содержащая 1–2 протонных насоса;
бактериродопсин галофильных архебактерий;
системы экскреции кислых продуктов брожения у бактерий в неионизированной форме.
Вторичные генераторы используют энергию АТР для формирования ТЭП. Они представляют собой Н+-АТФазы, основной функцией которых является не синтез, а гидролиз АТР. Такие АТРазы характерны для цитоплазматической мембраны анаэробных бактерий, плаз-малеммы клеток эукариот, мембраны вакуолей растений и грибов.
Таким образом, основные пути трансформации энергии в клетке можно суммировать в виде схемы.
Энергетический заряд и энергетическая эффективность роста
Количество АТР, образующегося в разных метаболических путях, различается во много раз. Так, при катаболизме глюкозы по гликолитическому пути с последующим включением цикла трикарбоновых кислот и дыхания образуется 38 моль АТР на моль глюкозы.
У некоторых бактерий в дыхательной цепи существует лишь два пункта сопряжения и количество образованного АТР составит 26 моль на моль глюкозы. Сам по себе гликолиз в анаэробных условиях приводит к образованию лишь 2 молей АТР на моль глюкозы.
Не только общее количество синтезированного АТР, но и расход АТР на образование единицы биомассы сильно зависит от типа метаболизма. Так, например, при выращивании бактерий на среде с глюкозой 1 моль АТР обеспечивает образование 27 г. биомассы, тогда как на среде с С021 моль АТР – только 5 г биомассы. При различных типах анаэробных брожений выход биомассы на моль синтезированного АТР все же достаточно постоянен и составляет около 10. Этот показатель получил обозначение YATp и используется для характеристики роста наряду с экономическим коэффициентом.
Определенная часть клеточной энергии затрачивается на процессы, не связанные непосредственно с ростом. Их называют процессами поддержания жизнедеятельности. Затраты на поддержание жизнедеятельности составляют 10–20% всех энергетических расходов.
Важное значение имеет не только абсолютное количество АТР в клетке, но и соотношение компонентов аденилатной системы, так как АТР, ADP и AMP являются мощными регуляторами метаболических процессов.
Д. Аткинсон ввел понятие энергетического заряда, как меры «заполнения» аденилатной системы макроэргами.
Теоретически ЭЗ может варьировать от 0 до 1, однако реально в экспоненциально растущих клетках он составляет 0,8–0,9, а при снижении его величины до 0,5 клетка погибает.
Основные типы сопряжения энергетических и конструктивных процессов
Первоначально биологи подразделяли все живые организмы по типу питания на две группы: автотрофови гетеротрофов.
В настоящее время применяется более детальная классификация, основанная на указании природы источника энергии и природы источника углерода.
Таким образом, растения следует отнести к фото-лито-автотрофам, а животных – к хемооргана – гетеротрофам. Всего же при сочетании этих характеристик возможны восемь основных типов соотношений между энергетическими и конструктивными процессами.