Энергия не может быть получена из ничего, не может быть уничтожена, а может только превращаться из одного вида в другой в строго эквивалентных соотношениях.

Q=∆Н + W

где: Q – теплоэнергия

ΔН – энтальпия

W – работа

Так, клетки, получая из внешней среды энергию в виде квантов света (фотосинтез) или химическую энергию органических и неорганических веществ, и запасая её в соединениях с высоким энергетическим потенциалом (АТФ), преобразуют её в электрическую или химическую, заключенную в молекуле. АТФ – главный переносчик химической энергии всех живых организмов. АТФ может передавать свою энергию другим биомолекулам, теряя концевую фосфатную группу, переходя в АДФ, то есть, совершая работу сократительных, двигательных аппаратов переноса вешеств через мембрану. В окружающую среду отдается бесполезная тепловая работа – растет энтропия окружающей среды (∆S).

Второй закон термодинамики

Система стремится к своей неупорядоченности. Это документируется ростом энтропии ΔS и выражается уравнением:

ΔH = ΔG + TΔS

где: ΔH – тепловая энергия,

ΔG – свободная энергия Гиббса,

Т – абсолютная температура.

Величина энтропии постоянна и имеет положительное минимальное значение. Это происходит благодаря тому, что повышение уровня энтропии в системе в процессе деградации питательных веществ компенсируется удалением конечных продуктов из системы и усилением биосинтетических процессов, и эта величина снижается до необходимых стационарных параметров.

Если прекращается обмен веществ, снижается энергия Гиббса системы, повышается энтропия (то есть качество энергии снижается), снижается энтальпия, которая характеризует меру теплового содержания системы. Она всегда стремится к минимуму и при его достижении организм погибает. Поэтому задача организма или биосистемы – высокий уровень энтальпии и свободной энергии. Система стремится поддерживать величину энтропии на более низком стационарном уровне.

Известно, что чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Так энтропия алмаза (0,57 э.е.) вдвое меньше энтропии графита (1,7 э.е.). Карбиды, бориды и другие очень твердые вещества характеризуются небольшой энтропией. Энтропия аморфного тела несколько больше энтропии кристаллического. Возрастание степени дисперсности системы также приводит к некоторому увеличению её энтропии.

Энтропия возрастает по мере усложнения молекулы вещества; так для газов N₂O, N₂O₃, N₂O₅ энтропия составляет соответственно 52,6; 73,4 и 85,0 э.е. Энтропия разветвленных углеводородов меньше энтропии неразветвленных. Энтропия циклоалкана меньше энтропии соответствующего ему алкена.

Рассмотрим более подробно факторы, необходимые для поддержания стационарного состояния. Для того, чтобы осуществлялся обмен веществ, то есть

 

_{V1 V 2 V3}

субстрат S → Х ↔ Y → Р (конечные продукты деградации)

осуществление V_1, V_2,V₃ – const.

метаболизма

 

концентрация субстрата (S) должна обеспечивать насыщение фермента, катализирующего данное превращение. Эта реакция должна быть однонаправленной, создающей результирующий поток в сторону деградации субстрата. Такие реакции контролируют работу системы и являются её лимитирующими звеньями – они кинетически необратимы. Примером такой реакцией в организме может быть глюкокиназная реакция, идущая в сторону образования гл-6-фосфата из глюкозы в присутствии АТФ и Mg²⁺. Это лимитирующее звено гликолиза, которое определяет скорость процесса в целом.

Условия поддержания стационарного потока.

1.Заключительные стадии метаболизма должны быть кинетически необратимы (СО₂ Н₂О);

2. Поскольку конечные продукты выводятся из организма, то энтропия в биосистеме поддерживается почти постоянной;

3. Постоянный приток питательных веществ и энергии – это только одно из условий поддержания стационарного состояния;

4. Наличие структурной организации, позволяющей поглощать и использовать питательные вещества и энергию.

 

Введение в обмен веществ. Принципы организации метаболизма.

Обмен веществ – можно определить как совокупность всех биоорганических реакций, катализируемых ферментами.

Межуточный обмен начинается с момента поступления питательных веществ в кровь и до момента выведения конечных продуктов обмена и обеспечивающих организм веществами и энергией, необходимыми для его жизнедеятельности.

Метаболизм представляет собой высоко интегрированный и целенаправленный процесс. Интеграция возможна благодаря существованию взаимосвязи между метаболизмами углеводов, белков и жиров и др. Взаимосвязь обеспечивается общим энергетическим снабжением, общими промежуточными метаболитами, на уровне которых происходит пересечение специфических метаболических процессов (гл-6-ф, ПВК, ацетил-КоА), общими метаболическими процессами (ЦТК, окислительное фосфорилирование). Интеграция возможна и благодаря взаимосвязи между тканями и органами. Интегрирующие системы включают нервную систему (центр обработки информации и принятия решения, при изменении условий); эндокринную систему (выработка гормонов, передающих информацию в клетку); сосудистую систему (служит для транспорта не только питательных веществ, но и гормонов).

Последовательность хода обмена веществ в организме позволяет выделить 4 этапа обмена веществ, то есть обмен веществ характеризуется динамичностью и стадийностью.

1 этап – на этом этапе подготавливается поступление питательных веществ во внутренние ткани организма в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Различают:

а) дистантное переваривание – например, расщепление белков под действием пепсина в полости желудка или трипсина в просвете кишечника.

б) пристеночное или мембранное – например, действие пептидаз, фиксированных на поверхности клеток слизистой кишечника;

в) внутриклеточное – например, в лизосомах переваривание под действием протеолитических ферментов.

Кроме ферментов макроорганизма в пищеварении участвуют и ферменты кишечной микрофлоры.

2 этап – резорбция – процессы всасывания питательных веществ через слизистую оболочку кишечника.

3 этап – межуточный обмен – ферментативные процессы синтеза и расщепления, регулируемые нейрогуморальным путем.

4 этап – выделение – экскреция продуктов обмена.

 

Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО₂ , NН₃, мочевина, креатинин).

Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.

Катаболизм.

Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.

1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.

Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.

2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.

Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию, которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО₂ и Н₂О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.

Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию. Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.

На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.

На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.

На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.

Анаболизм.

Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.

2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.

3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.

Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.

В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.

Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.

Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Принципы интеграции метаболизма

Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.

Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.

При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.