Основы термодинамики живых систем

Запись 59

Основы термодинамики живых систем

Живые организмы представляют собой объекты материального мира, поэтому они подчиняются общим законам природы, в том числе и законам термодинамики

Согласно 1 закону термодинамики – энергия неуничтожима, она лишь может превращаться из одной формы в другую

В соответствии с данным законом, живые организмы не способны создавать энергию из ничего, они извлекают энергию из окружающей среды, трансформируют ее из одного вида в другой - из энергии химической в механическую, и в конечном итоге возвращают в окружающую среду эквивалентное количество энергии, главным образом в виде теплоты. ф

Изменение общей энергии системы + изменение энергии среды = 0

2 закон термодинамики накладывает определенное ограничение на направление самопроизвольных процессов

Согласно этому закону все самопроизвольные процессы идут по направлению, соответствующему возрастанию энтропии системы, т.е. ее разупорядоченности

Мы в виде конечных продуктов выводим очень низкомолекулярные соединения, поэтому увеличение энтропии окружающей среды, превосходит уменьшение энтропии в растущем организме, например, ребенка или растение, которое растет

 

Изменение энтропии системы может быть связано с изменением общей энергии системы

Уравнение, в котором используют 3-ю величину DG, объединяет 1 и 2 закон термодинамики

D Н = D G + Т D S

DН – изменение теплосодержания (энтальпии)

Дело в том, что биологические процессы, и особенно химические реакции в к-ках не сопровождаются изменениями давления в системе, а так же объема

Для химических реакций DН изменение энтальпии = изменению общей энергии системы DЕ

Основное ур-е термодинамики для живых систем

 

 

DE – изменение общей энергии системы;

DG – изменение свободной энергии системы;

DS – изменение энтропии;

T – абсолютная температура (K).

Свободная энергия системы – та часть общей  энергии системы, которая используется  живым организмом  для совершения работы

Наибольшее кол-во – механическая работа (сокращение мышц)

Остальная энергия - Химическая работа

Осмотическая работа т.д.

Особенности процессов окисления в живых системах

Процессы окисления питательных в-в в организме человека и процессы горения имеют много общего, поскольку образуются одинаковые конечные продукты, выделяется почти одинаковое кол-во энергии

Лавуазье в 19 веке назвал окислительные процессы – «медленным горением», тем самым он подчеркивает не только сходства, но и различия

Различия

1. Конечным продукты окисления не всегда одинаковы (н-р, при окислении азотсодержащих органических соединений у живых организмов процесс не идет до конца, нитраты не образуются, поэтому кол-во энергии, выделяющейся при окислении 1 г белка составляет 1,4 ккал/моль, при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется 5,3 ккал/моль) 

2. Процессы окисления в к-ках идут путем дегидрирования, в небиологических системах в присутствии О2 идет оксигенация

3. Основной чертой процессов биологического окислений является их многоступенчатый характер.. Процесс окисления в организме человека разделен на ряд стадий и на каждом этапе выделяется небольшое количество энергии, тем самым предупреждается тепловое повреждение клеточных структур, создаются условия для аккумуляции энергии

4. Регулируемый характер биологического окисления.

5. Процессы биоокисления идут в мягких условиях, (t = 37, pH = 7), окисление идет в присутствии воды, и она даже в этом участвует, поэтому для достижения необходимой скорости требуется высоко эффективная роль катализаторов-ферментов.

 

Оксидоредуктазы – все ферменты, участвующие в ОВР

1. Дегидрогеназы – ферменты, катализирующие р-ии дегидрирования, в зависимости от характера акцепторов, отщепляемых от субстратов атомов водорода различают: аэробные (оксидазы) – акцептор О2, анаэробные – акцепторы: НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, Глютатион (Г-S-S-Г), Дегидроаскорбиновая кислота

2. Оксигеназы - ферменты, катализирующие р-ии оксигенирования,

a. Монооксиденазы (гидроксилазы) – катализируют р-ии присоединения 1 атома О2 к окисляемому субстрату, второй атом идет на образование воды

b. Диоксигеназы – катализируют р-ии присоединения обоих атомов О2 из молекулы.

В ходе р-ии в молекуле окисляемого субстрата появляются дополнительные кислородсодержащие группировки - карбонильные или гидроксильные

3. Цитохромы – ферменты, катализирующие отщепление электронов от окисляемого субстрата.

Содержат диминовые группировки, имеющие в своей структуре атомы железа, которые легко меняют валентность, принимая электроны от окисляемого субстрата атомы железа в диминовой группировке восстанавливаются, а затем окисляются, предавая электрон дальше, поэтому их часто называют «электронотранспортеры»

4. Группа вспомогательных ферментов (каталазы и пероксидазы) – играют защитную роль в к-ках, разрушая перекись водорода или органические гидроперекиси, которые образуются в к-ках, но, т.к. они являются агрессивными соединениями, могут повреждать клеточную структуру

Цитратсинтазная реакция

Метаболический путь является замкнутым, началом является р-я конденсации ацетил КоА с оксалоацетатом, в итоге образуется цитрат, катализирует данную р-ию фермент – цитратсинтаза, для образования цитрата требуется молекула воды

эта р-я необратима, т.к DG⁰ = - 32 кДж/моль - около 8 ккал/моль,

В итоге конденсации, фермент, который катализирует данную р-ю получил название цитратсинтаза

40=-углеродная молекула оксалоацетата и 2-углеродная молекула КоА образуют трикарбоновую 6-углеродную молекулу, также отщепляется КоА

 

 

Дегидрирование изоцитрата

Изоцитрат подвергается окислению путем дегидрирования,

Фермент: изоцитратдегидрогеназа, его активность может регулироваться

Изоцитрат под действием НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы, теряет 2 атома Н,

НАД способен присоединять только гидрид ионы (протоны, электроны), поэтому восстановленный НАД восстановленный нужно изображать как НАДН+Н⁺

Происходит еще декарбоксилирование, и образуется α-кетоглутарат (другое название 2-оксоглутрат)

 

Образование сукцината

энергия не теряется, а в ходе следующей р-ии происходит синтез ГТФ – пример р-ии – субстратного окислительного фосфорилирования, т.е. энергия окисления α-кетоглутарата накапливается сначала в макроэргической связи сукцинил КоА, а затем она не рассеивается, а используется для синтеза ГТФ, который является аналогом АДФ, для расщепления пирофосфатной связи,т.е. при расщеплении до ГДФ, высвобождается такое же кол-во энергии, т.е. 7,3 ккал/моль

КоА отщепляется, образуется янтарная к-та

Фермент: сукцинатсинтетаза

 

 

Дегидрирование сукцината и образование малата

Р-я окисления, в отличие от предыдущих р-ии окисления, фермент является ФАД-зависимым, это сукцинатдегидрогеназа

Фермент: фумаратгидратаза

Фермент: сукцинатдегидрогеназа

 

Сукцинатдегидрогеназа за счет того, что в активном центре содержится ФАД, на него передаются 2 атома водорода,

????????

К-та превращается в фумаровую к-ту, она непредельная, поэтому окисляться путем дегидрирования не может, еще одна молекула воды спасает положение, т.е. по месту разрыва двойных связей происходит присоедините воды и образуется яблочная к-та – малат

Фермент, катализирующий данную р-ю называется фумаратгидратаза

Дегидрирование малата

Далее малат подвергается окислению путем дегидрирования, поскольку Фермент является НАД-зависимым, в итоге образуется оксалацетат – щавелеуксусная к-та

Фермент: малатдегидрогеназа

 

Цикл замкнулся

Что происходит в цикле Кребса?

Суммарное уравнение цикла Кребса

 

 

При окислении 1 моля ацетила выделяется 1050 кДж энергии, из них

•  80% (840 кДж) накапливается в молекулах НАДН2, ФАДН2 и в макроэргической связи ГТФ

•  20% (210 кДж) рассеивается в виде тепла

 

 

Запись 59

Основы термодинамики живых систем

Живые организмы представляют собой объекты материального мира, поэтому они подчиняются общим законам природы, в том числе и законам термодинамики

Согласно 1 закону термодинамики – энергия неуничтожима, она лишь может превращаться из одной формы в другую

В соответствии с данным законом, живые организмы не способны создавать энергию из ничего, они извлекают энергию из окружающей среды, трансформируют ее из одного вида в другой - из энергии химической в механическую, и в конечном итоге возвращают в окружающую среду эквивалентное количество энергии, главным образом в виде теплоты. ф

Изменение общей энергии системы + изменение энергии среды = 0

2 закон термодинамики накладывает определенное ограничение на направление самопроизвольных процессов

Согласно этому закону все самопроизвольные процессы идут по направлению, соответствующему возрастанию энтропии системы, т.е. ее разупорядоченности

Мы в виде конечных продуктов выводим очень низкомолекулярные соединения, поэтому увеличение энтропии окружающей среды, превосходит уменьшение энтропии в растущем организме, например, ребенка или растение, которое растет

 

Изменение энтропии системы может быть связано с изменением общей энергии системы

Уравнение, в котором используют 3-ю величину DG, объединяет 1 и 2 закон термодинамики

D Н = D G + Т D S

DН – изменение теплосодержания (энтальпии)

Дело в том, что биологические процессы, и особенно химические реакции в к-ках не сопровождаются изменениями давления в системе, а так же объема

Для химических реакций DН изменение энтальпии = изменению общей энергии системы DЕ

Основное ур-е термодинамики для живых систем

 

 

DE – изменение общей энергии системы;

DG – изменение свободной энергии системы;

DS – изменение энтропии;

T – абсолютная температура (K).

Свободная энергия системы – та часть общей  энергии системы, которая используется  живым организмом  для совершения работы

Наибольшее кол-во – механическая работа (сокращение мышц)

Остальная энергия - Химическая работа

Осмотическая работа т.д.