Принцип энергетического сопряжения.

(Принцип в том, что протекание одних процессов сопрягается с протеканием других, за счет этого ЭКОНОМИТСЯ энергия.
Пример сопряжения - окислительное фосфорилирование - при прохождении протонов по электрохимическому градиенту через канал в мембране митохондрии выделяется энергия, которая тут же идет на образование АТФ из АДФ и Фн.)

 

Направление химического превращения, в принципе всегда обратимого, определяется направлением изменения свободной энергии F = H - TS, где H – энтальпия (теплосодержание); S – энтропия; T – абсолютная температура.

Самопроизвольно процессы идут только в направлении снижения свободной энергии (). Поскольку величина определяется как энтальпийным, так и энтропийным членом, возможно протекание не только экзотермических, но и эндотермических реакций. В последнем случае свободная энергия уменьшается за счет энтропийного члена () – это эндотермические (), но экзергонические () реакции.

Свободная энергия сложной многокомпонентной смеси определяется как справочными значениями F для всех компонентов, так и их концентрациями:° , где ^ R =8,31 Дж/(моль·град) – универсальная газовая постоянная. Динамическое равновесие в реакции А ↔ В, когда концентрации веществ А и В остаются постоянными во времени, наступает при выравнивании запасов свободной энергии в исходных (А) и конечных (В) продуктах (). При этом соотношение равновесных концентраций В и А () тем больше, чем меньше запас свободной энергии в молекулах В по сравнению с А.

Чем объяснить множество эндергонических реакций, происходящих в клетке (биосинтез белков из аминокислот и полисахаридов из моносахаридов)? Поскольку даже простейшая реакция синтеза дисахарида сахарозы из моносахаридов глюкозы и фруктозы в сахарной свекле термодинамически запрещена, так как в этой реакции (глюкоза + фруктоза ↔ сахароза) значение F возрастает, и положение равновесия должно быть резко сдвинуто влево, тем не менее вопреки термодинамике сахароза в этих растениях накапливается. Протекание эндергонических реакций становится возможным благодаря энергетическому сопряжению их с экзергоническими реакциями. При этом организуется пространственное и временное единство между реакцией эндергонической, потребляющей энергию (), и реакцией экзэргонической, поставляющей свободную энергию (), с таким расчетом, чтобы суммарный энергетический баланс двух реакций был отрицательным ().

Как правило, в качестве экзергонического компонента при сопряжении выступает реакция гидролиза молекулы АТФ. При этом энергия передается как бы «из рук в руки»: один из партнеров «заряжается» энергией благодаря присоединению какой-либо части молекулы АТФ (реакции фосфорилирования, пирофосфорилирования, аденилирования), а затем осуществляется экзергоническое отщепление этой части с замыканием нужной ковалентной связи при синтезе дисахарида. Нередко сопряжение реализуется более сложно при сохранении общего принципа – суммарной экзергоничности двух (или более) реакций.

Законы биоэнергетики.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии ("энергетических валют"), а именно: в АТФ, или , которые затем расходуются для осуществления различных энергоемких процессов.

Иными словами, клетка предпочитает "денежное" обращение, а не бартер. Простейшим примером запасания энергии в конвертируемой форме может быть гликолиз, или расщепление углеводов до молочной кислоты:

углевод + АДФ + Н3РО4→молочная кислота + АТФ, (1)

где АДФ - аденозиндифосфорная кислота.

Если затем АТФ используется, например, для совершения механической работы (у животных для мышечного сокращения), то цепь событий завершается расщеплением АТФ до АДФ и Н3РО4 сократительным белком - АТФазой (актомиозином):

АТФ→АДФ + Н3РО4 + механическая работа.(2)

В целом же использование углеводов для энергообеспечения работы мышцы выразится уравнением (3), являющимся суммой уравнений (1) и (2):

Углевод→молочная кислота + механическая работа.(3)

Если источником энергии для мышечной работы служит не гликолиз, а дыхание, то есть окисление кислородом питательных веществ, например углеводов, то посредником также окажется АТФ, но путь к нему будет более сложным. Сначала за счет дыхания будет образован (4), а затем израсходуется для синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4 (5):

углевод + О2 → + Н2О + СО2,(4)

+ АДФ + Н3РО4 →АТФ.(5)

В целом весь процесс, называемый дыхательным фосфорилированием, описывается уравнением (6) (стехиометрические коэффициенты не проставлены):

углевод + О2 + АДФ + Н3РО4→Н2О + СО2 + АТФ.(6)

При фотосинтезе в хлоропластах зеленых растений происходят синтез углеводов, выделение О2 и образование за счет энергии света:

свет + Н2О + СО2→ + углевод + О2.(7)

Затем утилизируется для синтеза АТФ по уравнению (5).

В некоторых случаях у бактерий дыхание или анаэробное (бескислородное) расщепление питательных веществ дает не , а . Соответственно работа в этих случаях может поддерживаться за счет расхода . Большую роль играет в животной клетке. Здесь образуется на плазмалемме за счет энергии АТФ и расходуется для аккумуляции в протоплазме различных веществ, поступающих в клетку извне. Поскольку перенос этих веществ происходит в область большей концентрации, а следовательно, большего осмотического давления, он связан с совершением осмотической работы. Эта работа описывается уравнениями (8) и (9):

АТФ → + АДФ + Н3РО4,(8)

→осмотическая работа.(9)

У морских бактерий осмотическая работа также поддерживается за счет , а у пресноводных - за счет . Химическая работа по энергоемкому синтезу разнообразных химических соединений "оплачивается" обычно энергией АТФ, а образование тепла для нужд терморегуляции - энергией . Механическая работа у бактерий (вращение жгутиков) обеспечивается посредством или . Общая схема возможных путей превращения энергии в живых клетках показана на рис. 2.

ВТОРОЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ
Продолжая аналогию с финансами, можно сказать, что клетка держит часть капитала в наличных деньгах, а часть - в чеках, причем часто в двух разных банках. Чтобы убедиться в справедливости этого закона, придется бегло познакомиться с энергетикой клеток, принадлежащих к различным царствам живой природы. Основные типы энергетики клетки показаны на рис. 3-5.

Рис. 3. Энергетика бактерий: а - морские аэробные бактерии, использующие в качестве первичной "энергетической валюты". Ионы H^+откачиваются из клетки за счет энергии света или окисления кислородом субстратов дыхания, например: углеводов, жиров или белков (1), и возвращаются назад сопряженно с синтезом АТФ или совершением других видов химической, механической или осмотической работы (2). АТФ может образовываться также гликолизом (3) и использоваться для поддержания осмотической или химической работы по биосинтезу необходимых клетке веществ (4). может также превращаться в путем обмена внешних ионов H^+ на внутренние ионы Na^+ (5). В свою очередь, поддерживает осмотическую или механическую работу. У пресноводных аэробных бактерий отсутствуют процессы, связанные с Na^+, то есть (5) и (6); б - морские аэробные бактерии, использующие в качестве первичной "энергетической валюты" . Эти бактерии способны к существованию в условиях, когда поддержание невозможно. Na^+ откачивается из клетки за счет дыхания (1) и возвращается внутрь сопряженно с образованием АТФ или совершением осмотической либо механической работы (2). АТФ используется при химической или осмотической работе (3); в - морские анаэробные бактерии, первично использующие. Живут за счет образования АТФ при расщеплении субстратов гликолиза (1). АТФ тратится либо непосредственно на совершение химической и осмотической работы (2), либо на образование (3). Последняя также поддерживает осмотическую работу (4) или дает (5), используемую для той же цели (6). У пресноводных бактерий процессы (5) и (6) отсутствуют; г - морские анаэробные бактерии, первично использующие. Ситуация отличается от рис. 3, в тем, что АТФ сразу превращается в , минуя стадию образования .

 

У морских бактерий (рис. 3) имеются по меньшей мере АТФ и , но очень часто также и . У пресноводных бактерий (на рисунке не показано), "валютой" служат АТФ и . Что касается , то она, как правило, отсутствует из-за низкой концентрации Na⁺ в среде обитания.

 

Рис. 4. Энергетика растительной клетки. Энергия света используется для накачки ионов H^+ внутрь тилакоидов хлоропластов (1). Ионы H^+ выходят из тилакоидов с образованием АТФ (2). В митохондриях дыхание поддерживает откачку H^+ из органелл (3). При входе ионов H^+ в митохондрии происходит синтез АТФ или совершается осмотическая работа (4). Третьим механизмом синтеза АТФ может быть гликолиз (5). Образовавшись тем или иным способом, АТФ расходуется затем при различных видах работы (6) или тратится на создание на плазмалемме (7) либо тонопласте - мембране вакуоли (10). затем используется для осмотической работы (8, 11) или откачки Na^+ из клетки (9). Роль ограничивается стабилизацией на плазмалемме.

 

Клетки растений (рис. 4) располагают АТФ и . Что касается , то она может вторично (за счет ) образовываться на плазмалемме, но обычно играет подчиненную роль фактора, стабилизирующего уровень на этой мембране. Животная клетка (рис. 5) располагает всеми тремя "валютами". При этом для плазмалеммы характерна натриевая энергетика, а для внутриклеточных мембран - протонная. Живые системы, имеющие только одну конвертируемую форму энергии, не обнаружены.

Рис. 5. Энергетика животной клетки. Ионы H^+ откачиваются из митохондрий за счет дыхания (1) и возвращаются назад сопряженно с синтезом АТФ или совершением митохондриями осмотической работы (2). АТФ может также получаться при гликолизе (3) и использоваться для производства работы (4), а также создания на плазмалемме (5). Затем расходуется для концентрирования веществ в клетке, то есть для осмотической работы (6). Кроме того, АТФ поддерживает генерацию на мембранах секреторных гранул (7), лизосом и эндосом, также способных совершать определенные виды осмотической работы (8)

ТРЕТИЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

"Энергетические валюты" клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности.

Иначе говоря, не столь важно, в какой "валюте" поступит доход, если "валюта" эта конвертируемая. Взаимопревращение АТФ, и осуществляется специальными ферментами. Взаимопереход АТФ катализируется H⁺-АТФ-синтазой, превращение АТФ обеспечивается Na⁺-АТФ-синтазой, а равновесие осуществляется H⁺ / Na⁺ -антипортером.
Наиболее яркой иллюстрацией действия третьего закона служат примеры тех редких форм жизни, которые используют одну-единственную энергопроизводящую реакцию для поддержания всего разнообразия энергоемких процессов. Такого рода примеры описаны, как правило, применительно к бактериям, избравшим для своего существования определенные природные ниши.
Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения либо непосредственно, либо после превращения в или . Железобактерии способны окислять кислородом ион Fe2 + в ион Fe3 +, образуя . Эта единственная реакция дыхания питает все потребляющие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и H₃РO₄. Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энергетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле морского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фотосинтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия черпается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кислоты в пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией , которая утилизируется для совершения осмотической работы либо превращается в АТФ посредством Na⁺-АТФ-синтазы. Propionigenium modestum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, образующими янтарную кислоту в качестве конечного продукта брожения.
В то же время гораздо чаще встречаются случаи, когда живая клетка располагает несколькими источниками энергии. Так, животные и некоторые виды бактерий могут использовать для энергообеспечения как дыхание, так и гликолиз. В клетках растений и фотосинтезирующих бактерий к этим двум процессам добавляется еще и фотосинтез. Однако, как правило, даже и в этих более сложных случаях какой-то один процесс доминирует в каждый конкретный момент времени, чтобы смениться другим при изменении условий.

Общая схема энергетических преобразований в клетке