У попередніх статтях ми вказували, що вуглеводи, жири та білкиможуть використовуватися клітинами для синтезу великої кількостіаденозинтрифосфата, що є джерелом енергії практично для всіх клітинних функцій. З цієї причини АТФ можна вважати "енергетичною валютою" процесів метаболізму клітин, які можуть здійснюватися тільки за допомогою АТФ (або схожої речовини, що відрізняється від АТФ нуклеотидом, - гуанозинтрнфосфага). Інформація про властивості АТФ наведена у розділі 2.

Особливістю АТФ, Що робить його надзвичайно важливим у процесах енергозабезпечення, є виділення великої кількості вільної енергії (близько 7300 калорії, або 7,3 Ккал на 1 моль у стандартних умовах, або більше 12000 калорій у фізіологічних умовах), що припадає на кожну з двох макроергічних фосфатних. Кількість енергії, що виділяється під час розпаду кожного макроергічного зв'язку АТФ, достатньо для забезпечення кожного етапу будь-якої хімічної реакції, що здійснюється в організмі. Деякі хімічні реакції, для яких потрібна енергія АТФ, використовують лише кілька сотень калорій з готівки 12000, а решта енергія розсіюється у вигляді тепла.

АТФутворюється при окисненні вуглеводів, жирів та білків. У попередніх статтях ми говорили про перетворення енергії, що є в поживних речовинах, в енергію АТФ. Якщо говорити коротко, то АТФ утворюється за таких умов.

1. Окислення вуглеводів, головним чином глюкози, та окислення інших Сахарів, але в меншій кількості, наприклад, окислення фруктози; ці процеси спостерігаються в цитоплазмі клітин при анаеробних процесах гліколізу та в мітохондріях при аеробному окисненні в циклі лимонної кислоти(цикл Кребса).
2. Окислення жирних кислот у мітохондріях клітин при бета-окисленні.
3. Окислення білків, які попередньо повинні гідролізуватися до амінокислот з подальшим розщепленням амінокислот до проміжних продуктів циклу лимонної кислоти і потім - до ацетил-КоА та вуглекислого газу.

АТФ- джерело енергії для синтезу найбільш важливих компонентівклітини. До найважливіших процесів, що вимагають енергії АТФ, відноситься утворення пептидних зв'язків між молекулами амінокислот у зв'язку із синтезом білків. Залежно від виду амінокислот, що вступають в реакцію, в кожному пептидному зв'язку, що утворюється, полягають від 500 до 5000 к/моль. Нагадаємо, що витрачається енергія чотирьох макроергічних фосфатних зв'язків для забезпечення каскаду реакцій, що формують кожен пептидний зв'язок. Для цього потрібно сумарно 48000 калорій, що значно більше, ніж 500-5000 калорії, що запасаються в кожному пептидному зв'язку.

Енергія АТФвикористовується для синтезу глюкози з молочної кислоти та синтезу жирних кислот з ацетил-КоА. Крім того, енергія витрачається для утворення холестеролу, фосфоліпідів, гормонів та інших речовин організму. Навіть сечовина, що екскретується нирками, потребує енергії АТФ для її утворення з аміаку. Пам'ятаючи про надзвичайну токсичність аміаку, можна зрозуміти значущість та цінність цієї реакції, що підтримує концентрацію аміаку в організмі на дуже низькому рівні.

АТФзабезпечує енергією м'язове скорочення. М'язове скорочення неможливе без енергії АТФ. Міозин - один з важливих контрактиль-них білків м'язового волокна - веде себе як фермент, що викликає розщеплення АТФ до АДФ, вивільняючи енергію, необхідну для м'язового скорочення. За відсутності м'язового скорочення зазвичай розщеплюється дуже невелика кількість АТФ, але цей рівень витрати АТФ може збільшуватися майже в 150 разів (порівняно з спокоєм) протягом короткого періоду максимальної активності (механізм, за допомогою якого АТФ енергія використовується для забезпечення м'язового скорочення).

АТФзабезпечує енергією активний транспорт через мембрани. Активний транспорт більшості електролітів і речовин, таких як глюкоза, амінокислоти та ацетооцтова кислота, може здійснюватися проти електрохімічного градієнта, навіть якщо природна дифузія повинна здійснюватися електрохімічним градієнтом. Протидія йому потребує витрат енергії, яку забезпечує АТФ.

АТРзабезпечує енергією процеси секреції. За тими самими правилами, як і всмоктування речовин проти градієнта концентрації, здійснюються процеси секреції в залозах, оскільки концентрування речовин також необхідна енергія.

АТФзабезпечує енергією проведення збудження нервами. Енергія, що використовується для проведення нервового імпульсу, є похідною потенційної енергії, запасеної у вигляді різниці концентрацій іонів з обох боків мембрани нервового волокна Так, висока концентрація іонів калію всередині волокна і низька концентрація зовні є різновидом способу запасання енергії. Висока концентрація іонів натрію на зовнішній поверхні мембрани та низька концентрація всередині являють собою інший приклад способу запасання енергії. Енергія, необхідна для кожного потенціалу дії вздовж мембрани волокна, є похідною запасеної енергії, коли невелика кількість калію виходить з клітини, а потік іонів натрію спрямовується в клітину.

Проте система активного транспорту, що забезпечується енергією АТФ, повертає іони, що перемістилися, у вихідне положення щодо мембрани волокна.

Головними матеріальними носіями вільної енергії в органічних речовин є хімічні зв'язки між атомами, тому при перетворенні хімічних зв'язків у молекулі рівень вільної енергії сполуки змінюється. Якщо зміна рівня вільної енергії сполуки при виникненні або розпаді хімічного зв'язку становить близько 12,5 кДж/моль речовини, що перетворюється, то такий зв'язок за своїм енергетичним рівнем вважається нормальним. Саме таку розмірність має зміна рівня вільної енергії під час перетворення більшості зв'язків в органічних сполуках. Однак при новоутворенні та розпаді деяких зв'язків рівень вільної енергії в молекулах ряду органічних сполук змінюється значно більшою мірою і становить 25-50 кДж/моль і більше. Такі сполуки називаються макроергічними сполуками, а зв'язки, при перетворенні яких наступають такі великі зміни в енергетичному балансі речовини, – макроергічні зв'язки. Останні на відміну звичайних зв'язків позначають значком “~”.

Макроергічні зв'язки представлені переважно складноефірними, у тому числі і тіоефірними, ангідридними та фосфоамідними зв'язками. Однак найцікавіше, що майже всі відомі сполуки з макроергічними зв'язками містять атоми Р та S, за місцем яких у молекулі ці зв'язки локалізовані.

Саме та енергія, що вивільняється при розриві макроергічних зв'язків, поглинається при синтезі органічних сполук з більш високим рівнем вільної енергії, ніж вихідні. У той же час запаси макроергічних речовин в організмі постійно поповнюються шляхом акумулювання енергії, що виділяється при зниженні енергетичного рівня сполук, що розпадаються.

Таким чином, макроергічні речовини виконують функцію і донорів і акцепторів енергії в обміні речовин; вони служать як акумуляторами, і провідниками енергії в біохімічних процесах. З іншого боку, їм властива роль трансформаторів енергії, оскільки вони здатні перетворювати стаціонарну форму енергії хімічного зв'язку на мобільну, тобто. енергію збудженого стану молекули. Останній вид енергії і є безпосереднім джерелом реакційної здатності молекул; перетворюючись знову на стаціонарну форму енергії хімічного зв'язку, він енергетично забезпечує видозміну речовин, їх перетворення, тобто. їхній обмін в організмі.

До макроергічних сполук відносяться, головним чином, аденозинтрифосфорна кислота, креафо , ацетил- та сукцинілкоферменти А, аміноацильні похідні аденілової та рибонуклеїнових кислот та інші.

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)

Енергія, що виділяється при розпаді макроергічних сполук і за рахунок якої може бути виконана та чи інша робота, використовується не тільки для хімічного синтезу. Вона може служити в організмі для теплоутворення, світіння, накопичення електрики, виконання механічної роботи тощо. При цьому хімічна енергія перетворюється на теплову, променисту, електричну, механічну та ін. Принципово важливо те, що перетворення хімічної енергії на інші її види протікає в організмі за обов'язкової участі сполук із макроергічними зв'язками, зокрема АТФ. У молекулі АТФ відбувається трансформація стабільної енергії макроергічних міжфосфатних хімічних зв'язків у рухливу енергію збудження пуринової електронів частини молекули; це і є, мабуть, перший етап перетворення енергії в організмі. Саме тому АТФ посідає центральне місце у енергетичному обміні живої матерії.

Як видно із рис. 1, АТФ грає видатну роль як із запасанні, і при витраті енергії, тобто. є ключовою речовиною у енергетичному обміні організму. Відомо багато реакцій, за допомогою яких АТФ виникає з інших макроергічних сполук, і навпаки, є багато процесів, що призводять до синтезу макроергічних сполук за участю АТФ. Такі, наприклад, макроергічні сполуки, як креатинфосфат, фосфоенолпіровиноградна кислота та 1,3-дифосфогліцеринова кислота, при взаємодії з АДФ утворюють АТФ з виділенням креатину, піровиноградної кислоти та 3-фосфогліцеринової кислоти. Ці та подібні до них сполуки прийнято позначати як АТФ-генеруючі речовини. Перераховані реакції оборотні, і за певних умов рівновага може бути зміщена у бік розпаду АТФ.

Рис. 1. Перетворення енергії у живій клітці

Обмін енергії в процесі життєдіяльності не вичерпується перетворенням хімічної енергії на інші види її і навпаки (рис. 1); він має ширший характер. Так, у паличках та колбочках сітківки ока світлова енергія перетворюється на електричну; у специфічних структурах внутрішнього вуха звукова та гідродинамічна енергія перетворюється на електричну тощо.

Трансформація одного виду енергії в інший здійснюється в організмах у морфологічно різноманітних елементах – хлоропластах, м'язах, рецепторних апаратах тканин та органів, сітківці ока, люмінесцентних органах тощо. Проте всім цим різноманітним елементам властиві деякі загальні риси будови. Вони відрізняються наявністю двошарових мембран з високим вмістом ліпопротеїнів у них та присутністю структурного білка, що зв'язує у впорядковані утворення досить уніфіковані елементарні частинки. Останні включають до складу молекули певного будівлі, які, власне, і здійснюють процес трансформації енергії. При цьому енергія одного виду поглинається молекулою-перетворювачем і перетворюється на енергію іншого виду. Найпростішим прикладом механізму внутрішньомолекулярного перетворення енергії молекулою-перетворювачем є перехід стаціонарної енергії хімічних зв'язків трифосфатного угруповання молекули АТФ в рухливу енергію збудження електронів її пуринової частини. Більш складним прикладом є конформаційні зміни білкових молекул у процесі перетворення одного виду енергії на інший (наприклад, м'язове скорочення).

Обмін речовин і енергії представляє єдиний, нерозривний процес, де видозміна речовини завжди супроводжується виділенням або поглинанням вільної енергії і де енергія, що виділилася або поглинута в тій чи іншій кількості, забезпечує розпад або синтез хімічних зв'язків, тобто. сутнісно видозміна самих речовин.



Макроергічні сполуки - органічні сполуки, при гідролізі яких звільняється значна кількість енергії, використовуваної реалізації різних функцій організму.

Провідне становище серед макроергічних сполук займають аденозинтрифосфорная і аденозиндифосфорная, які відіграють основну роль енергетичному обміні організму. До макроергічних сполук належать також креатинфосфат, аргінінфосфат, 1,3-дифосфогліцериновая кислота, ацетилфосфат, фосфоенолпіровіноградна кислота.

Відкриті макроергічні сполуки, до складу яких замість аденіну входять гуанін, урацил, цитозин: гуанозиндифосфорна (ГДФ), гуанозинтрифосфорна (ГТФ), урндиндифосфорна (УДФ), уридинтрифосфорна (УТФ), цитидифо.

Макроергічні сполуки беруть участь у реакціях трансфосфорилювання, при біосинтезі білка, нуклеїнових кислот та фосфатидів. макроергічний енергетичний глюкоза

Від макроергічних сполук слід відрізняти фосфорильні, ацильні та інші сполуки, які не мають макроергічних зв'язків і тому не здатні утворювати АТФ у реакціях перенесення фосфорильних та ацильних груп: нуклеозидмонофосфорні кислоти, нуклеїнові кислоти, фосфоцукри, фосфоліпіди.

Однак окислення деяких цих сполук може вести до утворення макроергічних сполук.

АТФ – аденозинтрифосфорна кислота.

АТФ грає видатну роль енергетиці клітини. Системі АТФ належить центральне місце у процесах перенесення хімічної енергії. АТФ утворюється в реакціях субстратного фосфорилювання та мембранзалежного фосфорилювання.

При субстратному фосфорилювання джерелом освіти АТФ служать реакції двох типів:

I. Субстрат~Ф + АДФ оборотно перетворюється на субстрат + АТФ,

де символ "~", введений американським біохіміком Ф.Ліпманом (F.Lipmann), служить позначення макроергічного зв'язку;

ІІ. Субстрат~Х + АДФ + Фн оборотно перетворюється на субстрат + X +АТФ,

У реакціях першого типу здійснюється перенесення високоенергетичної фосфатної групи від молекули-донора на АДФ, яке каталізується відповідними кіназами. Реакціями такого типу є реакції субстратного фосфорилювання на шляху анаеробного перетворення цукрів.

АТФ утворюється також за рахунок енергії дельта мю Н+ у процесі мембранзалежного фосфорилювання.

Молекула АТФ містить два макроергічні фосфатні зв'язки, при гідролізі яких вивільняється значна кількість вільної енергії:

АТФ + Н2О перетворюється на АДФ + Фн; дельта G"0 = -31,8 кДж/моль;

АДФ + Н2О перетворюється на АМФ + Фн; дельта G"0 = -31,8 кДж/моль,

де Фн – неорганічний фосфат.

Відщеплення останньої фосфатної групи від молекули АМФ призводить до значно меншого вивільнення вільної енергії:

АМФ + Н2О перетворюється на аденозин + Фн; дельта G"0 = -14,3 кДж/моль.

Молекула АТФ має певні властивості, які й призвели до того, що в процесі еволюції їй була відведена така важлива роль в енергетичному метаболізмі клітин. Термодинамічна молекула АТФ нестабільна, що випливає з великої негативної величини дельта G її гідролізу. У той самий час швидкість неферментативного гідролізу АТФ за умов дуже мала, тобто. Хімічно молекула АТФ високостабільна. Остання властивість забезпечує ефективне збереження енергії в молекулі АТФ, оскільки хімічна стабільність молекули перешкоджає тому, щоб енергія, що запасена в ній, марно розсіювалася у вигляді тепла. Малі розміри молекули АТФ дозволяють їй легко дифундувати різні ділянки клітини, де необхідний підведення енергії ззовні до виконання хімічної, осмотичної, механічної роботи.

І нарешті, ще одна властивість молекули АТФ, що забезпечила їй центральне місце в енергетичному метаболізмі клітини. Зміна вільної енергії за гідролізу АТФ становить -31,8 кДж/моль. Якщо порівняти цю величину з аналогічними величинами для інших фосфорильованих сполук, ми отримаємо певну шкалу. На одному з її полюсів будуть розташовані фосфорильовані сполуки, гідроліз яких призводить до вивільнення значної кількості вільної енергії (високі негативні значення дельта G. Це так звані "високоенергетичні сполуки". На іншому полюсі будуть розташовуватися фосфориловані сполуки, дельта G гідролізу яких має невисоке негативне значення ("низькоенергетичні" сполуки).

Якщо часто АТФ називають "енергетичною валютою" клітини, то, продовжуючи цю аналогію, можна сказати, що "валютна одиниця" обрана клітиною у процесі еволюції дуже раціонально. Порція вільної енергії в макроергічному фосфатному зв'язку АТФ - це якраз та енергетична порція, використання якої в біохімічних реакціях робить клітину високоефективним енергетичним механізмом.

Аденозинмонофосфорна кислота (АМФ) входить до складу всіх РНК; при приєднанні ще двох молекул фосфорної кислоти (Н3РО4) вона перетворюється на АТФ і стає джерелом енергії, що запасається у двох останніх залишках фосфатів.

Як у будь-який нуклеотид, до АТФ входить залишок азотистої основи (аденін), пентоза (рибоза) та залишки фосфорної кислоти (у АТФ їх три). Зі складу АТФ під дією ферменту АТФ-ази відщеплюються залишки фосфорної кислоти. При відщепленні однієї молекули фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорная кислота), і якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, АТФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакції відщеплення кожної молекули фосфорної кислоти супроводжуються визволенням 419 кДж/моль.

Для того, щоб підкреслити високу енергетичну "вартість" фосфорно-кисневого зв'язку в АТФ, її прийнято позначати знаком і називати макроергічним зв'язком. У АТФ є два макроергічні зв'язки.

Значення АТФ у житті клітини велике, вона грає центральну роль клітинних перетвореннях енергії. У реакціях за участю АТФ вона зазвичай втрачає одну молекулу фосфорної кислоти і переходить в АДФ. А далі АДФ може приєднати залишок фосфорної кислоти з поглинанням 419 кДж/моль, відновивши запас енергії.

Основний синтез АТФ відбувається у мітохондріях.

Роль АТФ у клітинній енергетиці можна визначити так:

• 1. хімічна енергія, що звільняється у процесі катаболізму, запасається шляхом фосфорилювання AДФ з утворенням АТФ;
• 2. енергія АТФ потім використовується після розщеплення макроергічних зв'язків АТФ у ході ендергонічних реакцій синтезу та інших процесів, що потребують витрат енергії, наприклад активного транспорту.
• 3. АТФ часто сприймається як енергетична валюта. Важливо розуміти, що АТФ - це вид енергії, а форма запасання енергії, одержувана при деградації складних молекул.

Питання 2. Загальні аспекти біоенергетики: закони термодинаміки, екзергонічні та ендергонічні реакції. Принцип енергетичного сполучення реакцій

Перше початок термодинаміки є законом збереження енергії для систем, у яких важливе значення мають теплові процеси (поглинання чи виділення тепла). Згідно з першим початком термодинаміки, термодинамічна система (напр., пар у тепловій машині) може виконувати роботу тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії. Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який робив би роботу, не черпаючи енергію з деякого джерела.

Перший початок термодинаміки вводить уявлення про внутрішню енергію системи як функції стану. При повідомленні системі деякої кількості теплоти Q відбувається зміна внутрішньої енергії системи DU та система здійснює роботу А:

Перший початок термодинаміки стверджує, що кожен стан системи характеризується певним значенням внутрішньої енергії U незалежно від того, яким шляхом приведена система в даний стан. На відміну від значень U значення A і Q залежать від процесу, що спричинив зміну стану системи.

Якщо початковий і кінцевий стани нескінченно близькі, перший початок термодинаміки записується у вигляді:

Це означає, що нескінченно мала зміна внутрішньої енергії dU є повним диференціалом функції стану, тобто. інтеграл

тоді як нескінченно малі кількості теплоти і роботи є диференціальними величинами, тобто. інтеграли від цих нескінченно малих величин залежить від обраного шляху переходу між станами а і b.

Перший початок термодинаміки дозволяє розрахувати максимальну роботу, що отримується при ізотермічному розширенні ідеального газу, ізотермічному випаровуванні рідини при постійному тиску.

Якщо система обмінюється з середовищем як енергією, а й речовиною, зміна внутрішньої енергії системи під час переходу з початкового стану кінцеве включає крім роботи А і теплоти Q ще й т. зв. енергію маси Z. Нескінченно мала кількість енергії маси в процесі визначається хімічним потенціалом кожного з компонентів системи:

де dNk - нескінченно мала зміна числа молей кожного компонента внаслідок обміну із середовищем.

У випадку процесу, при якому система в кожний момент часу знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем, перший початок термодинаміки у загальному вигляді має математичний вираз:

де p і k рівні відповідним значенням для довкілля(індекс е при Xi зазвичай опускають).

Другий початок термодинаміки встановлює існування ентропії як функції стану макроскопічної системи. Стверджує, що всі процеси, що протікають з кінцевою швидкістю, в принципі незворотні, і дає термодинамічні критерії для визначення спрямованості процесів.

Існує кілька різних формулювань другого початку термодинаміки та способів його обґрунтування, проте вони взаємопов'язані й у кінцевому підсумку еквівалентні.

Згідно з найбільш загальним формулюванням другого початку термодинаміки, нескінченно мала кількість тепла, передана системі в оборотному процесі, віднесена до абсолютної температури Т, є повним диференціалом функції стану, званого ентропією.

Для оборотних процесів dS; для незворотних< dS.

Для будь-яких процесів (оборотних та незворотних) другий початок термодинаміки може бути узагальнено записом dS.

У ізольованих (замкнутих) системах та dS0, тобто. можливі лише процеси, що супроводжуються збільшенням ентропії.

У стані рівноваги ентропія ізольованої системи досягає максимуму і жодні макроскопічні процеси у такій системі неможливі.

Поєднання другого початку термодинаміки у формі TdS з першим початком dU --, де-досконала системою робота, приводить у загальному випадку незворотних процесів до нерівності: dU. Ця нерівність дозволяє встановлювати напрямок протікання мимовільних (необоротних) процесів у закритих системах та критерії рівноваги при постійних значеннях будь-якої з параметрів стану: Т, р; Т, V; S, р; S, V.

Так, у системах, що знаходяться при постійних Т і р, процеси мимовільно йдуть у напрямку втрат енергії Гіббса G = U + pV-- TS, а в стані рівноваги енергія Гіббса досягає мінімуму. Це відноситься, зокрема, до хімічних реакцій, розчинення, змін агрегатного стану та ін перетворенням речовин.

Третій початок термодинаміки (теорема Нернста) - фізичний принцип, що визначає поведінку ентропії за абсолютного нуля температури.

Третій початок термодинаміки може бути сформульовано так - збільшення ентропії при абсолютному нулі температури прагне до кінцевої межі, що не залежить від того, в якому рівноважному стані знаходиться система.

де x - будь-який термодинамічний параметр.

Третій початок термодинаміки належить лише до рівноважних станів.

Оскільки на основі другого початку термодинаміки ентропію можна визначити тільки з точністю до довільної адитивної постійної (тобто визначається не сама ентропія, а лише її зміна):

третій початок термодинаміки може бути використаний для точного визначення ентропії. При цьому ентропію рівноважної системи за абсолютного нуля температури вважають рівною нулю.

Третій початок термодинаміки дозволяє знаходити абсолютне значення ентропії, що не можна зробити на основі першого та другого початків термодинаміки. Відповідно до третього початку термодинаміки, при Т>0 значення ДS>0.

З третього початку термодинаміки випливає, що абсолютного нуля температури не можна досягти в жодному кінцевому процесі, пов'язаному зі зміною ентропії, до нього можна лише наближатися, тому третій початок термодинаміки іноді формулюють як принцип недосяжності абсолютного нуля температури.

З третього початку термодинаміки випливає ряд термодинамічних наслідків: при T > 0 повинні прагнути до нуля теплоємності при постійному тиску та при постійному обсязі, коефіцієнти теплового розширення та деякі аналогічні величини. Справедливість третього початку термодинаміки один раз піддавалася сумніву, але пізніше було з'ясовано, що всі суперечності (ненульове значення ентропії у ряду речовин при Т = 0) пов'язані з метастабільними станами речовини, які не можна вважати термодинамічно рівноважними.

Третій початок термодинаміки часто порушується у модельних системах. Так, при ентропії класичного ідеального газу прагне мінус нескінченності. Це говорить про те, що при низьких температурахідеальний газ повинен поводитись не за рівнянням Менделєєва-Клапейрона.

Таким чином, третій початок термодинаміки вказує на недостатність класичної механіки та статистики та є макроскопічним проявом квантових властивостей реальних систем.

Нульовий початок термодинаміки (загальний початок термодинаміки) - фізичний принцип, який стверджує, що незалежно від початкового стану системи зрештою в ній за фіксованих зовнішніх умов встановиться термодинамічна рівновага, а також що всі частини системи при досягненні термодинамічної рівноваги матимуть однакову температуру.

Ендергонічні та екзергонічні реакції

Напрямок хімічної реакції визначається значенням ДG. Якщо ця величина негативна, реакція протікає мимовільно і супроводжується зменшенням вільної енергії. Такі реакції називають екзергонічними.

Якщо при цьому абсолютне значення ДG велике, то реакція йде практично до кінця, і її можна розглядати як необоротну.

Якщо ДG позитивно, то реакція протікатиме тільки при надходженні вільної енергії ззовні; такі реакції називають ендергонічними.

Якщо абсолютне значення ДG велике, то система стійка, і реакція у разі практично здійснюється. При ДG, що дорівнює нулю, система перебуває у рівновазі.

Поєднання екзергонічних та ендергонічних процесів в організмі.

У біологічних системах термодинамічно невигідні (ендергонічні) реакції можуть протікати лише рахунок енергії экзергонических реакцій.

Такі реакції називають енергетично сполученими. Багато з цих реакцій відбуваються за участю аденозинтрифосфату (АТФ), що грає роль фактора, що сполучає.

Розглянемо докладніше енергетику сполучених реакцій з прикладу фосфорилування глюкози.

Реакція фосфорилювання глюкози вільним фосфатом з утворенням глюкозо-6-фосфату є ендергонічною:

(1) Глюкоза + Н3РО4 > Глюкозо-6-фосфат + Н2О (ДG = +13,8 кДж/моль)

Для протікання такої реакції у бік утворення глюкозо-6-фосфату необхідно її поєднання з іншою реакцією, величина вільної енергії якої більша, ніж потрібна для фосфорилювання глюкози.

(2) АТФ > АДФ + Н3РО4 (ДG = -30,5 кДж/моль)

При поєднанні процесів (1) і (2) реакції, що каталізується гексокіназою, фосфорилювання глюкози легко протікає у фізіологічних умовах; рівновагу реакції сильно зсунуто вправо, і вона практично необоротна:

(3) Глюкоза + АТФ > Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ДG = -16,7 кДж/моль)

Рис. 2.1

Як міра потенціалу перенесення фосфатних груп у високоенергетичних сполук довільно обрано зміну вільної енергії гідролізу ДGo" . Це, однак, не означає, що АТФ в енергетично пов'язаних реакціях буде дійсно гідролізуватися. Гідроліз АТФ без сполучення з ендергонічним процесом призводить лише до виділення тепла.

Поєднання двох реакцій можливе за наявності загального проміжного продукту.

Питання 3. Гормональне регулювання рівня глюкози у крові. Гіпер-і гіпоглікемічні гормони. Поясніть механізм гіперглікемічної дії адреналіну

Регуляція рівня глюкози у крові

Підтримання оптимальної концентрації глюкози в крові - результат дії багатьох факторів, поєднання злагодженої роботи майже всіх систем організму. Однак головна роль у підтримці динамічної рівноваги між процесами утворення та утилізації глюкози належить гормональному регулюванню.

У середньому рівень глюкози в крові здорової людини коливається від 2,7 до 8,3 ммоль/л, проте відразу після їди концентрація різко зростає на короткий час.

Дві групи гормонів протилежно впливають на концентрацію глюкози у крові:

• 1. Єдиний гіпоглікемічний гормон – інсулін;
• 2. Гіперглікемічні гормони (такі як глюкагон, гормон росту та адреналін), які підвищують вміст глюкози у крові.

Коли рівень глюкози опускається нижче за нормальне фізіологічне значення, вивільнення інсуліну з B-клітин уповільнюється (але в нормі ніколи не зупиняється). Якщо ж рівень глюкози падає до небезпечного рівня, вивільняються так звані гіперглікемічні гормони (найвідоміший - глюкагон клітин панкреатичних острівців), які викликають вивільнення глюкози з клітинних запасів у кров. Адреналін та інші гормони стресу сильно пригнічують виділення інсуліну у кров.

Точність та ефективність роботи цього складного механізму є неодмінною умовою нормальної роботи всього організму, здоров'я. Тривалий підвищений вміст глюкози в крові (гіперглікемія) є головним симптомом та ушкоджуючим фактором цукрового діабету. Гіпоглікемія - зниження вмісту глюкози в крові - часто має ще більш серйозні наслідки. Так, екстремальне падіння рівня глюкози може бути чревате розвитком гіпоглікемічної коми та смертю.

Гіперглікемія

Гіперглікемія – збільшення рівня цукру в крові.

У стані гіперглікемії збільшується надходження глюкози як у печінку, так і в периферичні тканини. Щойно рівень глюкози зашкалює, підшлункова залоза починає виробляти інсулін.

Гіпоглікемія

Гіпоглікемія - патологічний стан, що характеризується зниженням рівня глюкози периферичної крові нижче за норму (зазвичай, 3,3 ммоль/л). Розвивається внаслідок передозування цукрознижувальних препаратів, надлишкової секреції інсуліну в організмі. Гіпоглікемія може призвести до розвитку гіпоглікемічної коми та призвести до загибелі людини.

Гормони прямої дії.

Основні механізми дії інсуліну:

• 1. Інсулін збільшує проникність плазматичних мембран для глюкози. Цей ефект інсуліну є головною ланкою метаболізму вуглеводів, що лімітує, в клітинах.
• 2. Інсулін знімає гальмівну дію глюкокортикостероїдів на гексокіназу.
• 3. На генетичному рівні інсулін стимулює біосинтез ферментів метаболізму вуглеводів, зокрема ключових ферментів.
• 4. Інсулін у клітинах жирової тканини інгібує тригліцеридліпазу – ключовий фермент розпаду жирів.

Регуляція секреції інсуліну в кров відбувається за участю нейрорефлекторних механізмів. У стінках кровоносних судин є спеціальні хеморецептори, чутливі до глюкози. Підвищення концентрації глюкози у крові викликає рефлекторну секркцію інсуліну в кров, глюкоза проникає у клітини та її концентрація у крові знижується.

Інші гормони викликають підвищення концентрації глюкози в крові.

Глюкагон

Належить до білково-пептидних гормонів. Має мембранний тип взаємодії з клітиною-мішенню. Ефект надає через аденілатциклазну систему.

• 1. Викликає підвищення активності глікогенфосфорілази. Внаслідок цього прискорюється розпад глікогену. Так як глюкагон надає ефект тільки в печінці, то можна сказати, що він "жене глюкозу з печінки".
• 2. Знижує активність глікоген-синтетази, уповільнюючи синтез глікогену.
• 3. Активує ліпазу у жирових депо.

Глюкокортикостероїди (ГКС)

Належать до стероїдних гормонів, тому мають внутрішньоклітинний тип взаємодії з клітиною-мішенню. Проникаючи в клітину-мішень, вони взаємодіють з клітинним рецептором і мають наступні ефекти:

• 1. Інгібують гексокіназу – таким чином вони уповільнюють утилізацію глюкози. В результаті концентрація глюкози у крові зростає.
• 2. Ці гормони забезпечують процес гліконеогенезу субстратами.
• 3. На генетичному рівні посилюють біосинтез ферментів катаболізму білків.

Гормони непрямої дії.

Соматотропний гормон

• 1. Посилює виділення глюкагону, тому спостерігається прискорення розпаду глікогену.
• 2. Викликає активацію ліполізу, тому сприяє утилізації жиру як джерело енергії.

Трийодтиронін (Т3). Тироксин (Т4)

Це гормони – похідні амінокислоти тирозину. Мають внутрішньоклітинний тип взаємодії з клітинами-мішенями. Рецептор Т3/Т4 знаходиться у ядрі клітини. Тому ці гормони посилюють біосинтез білків лише на рівні транскрипції. Серед цих білків – окисні ферменти, зокрема різноманітні дегідрогенази. З іншого боку, вони стимулюють синтез АТФаз, тобто. ферментів, що руйнують АТФ. Для процесів біоокислення потрібні субстрати - продукти окиснення вуглеводів та жирів. Тому зі збільшенням продукції цих гормонів спостерігається посилення розпаду вуглеводів і жирів. Гіперфункція щитовидної залози називається Базедова хвороба або тиреотоксикоз. Один із симптомів цього захворювання – зниження маси тіла. Для цього захворювання характерне підвищення температури тіла. У дослідах in vitro спостерігається роз'єднання мітохондріального окиснення та окисного фосфорилювання при високих дозах цих гормонів.

Адреналін секретується мозковим шаром надниркових залоз у відповідь на стресові стимули (страх, сильне хвилювання, кровотеча, киснева недостатність, гіпоглікемія тощо). Стимулюючи фосфорилазу, він викликає глікогеноліз у печінці та м'язах. У м'язах через відсутність глюкозо-6-фосфатази глікогеноліз доходить до стадії лактату, а в той час як у печінці основним продуктом перетворення глікогену є глюкоза, яка надходить у кров, де рівень її підвищується.

Під дією адреналіну збільшується вміст глюкози у крові. В основі цього ефекту лежать такі механізми:

• а) активація глікогенолізу у печінці. Вона пов'язана з активацією аденілатциклазної системи гепатоцитів та утворенням, зрештою, активної форми фосфорилази;
• в) пригнічення поглинання глюкози інсулінозалежними тканинами з одночасною активацією ліполізу в жировій тканині;
• б) активація глікогенолізу у м'язах з подальшою активацією глюконеогенезу у печінці. При цьому молочна кислота, що звільняється з м'язової тканини в кров, йде на утворення глюкози у гепатоцитах;
• г) придушення секреції інсуліну та стимуляція секреції глюкагону клітинами острівців підшлункової залози.

Питання 4. Перерахуйте 4 основні метаболічні шляхи окисного розпаду глюкози у клітинах, наведіть схеми цих метаболічних реакцій

Гексозобісфосфатний шлях розпаду вуглеводів

Біологічне значення.

• 1. Це основний шлях розпаду вуглеводів до кінцевих продуктів. У багатьох клітинах це єдиний шлях. Так розпадається 70-75% глюкози, яка надходить у клітину.
• 2. Тільки ГБФ-шлях дає клітині енергію як АТФ. Це основне джерело отримання енергії у клітці.
• 3. Це найдовший шлях розпаду вуглеводів.

ГБФ-шлях складається з трьох етапів.

• 1 етап протікає в цитоплазмі, дає 8 молекул АТФ при розпаді 1 молекули глюкози або 9АТФ при розпаді одного глюкозного фрагмента глікогену. Закінчується утворенням 2-х молекул пірувату (ПВК).
• 2-й та 3-й етапи – (виключно аеробні!) у мітохондріях з обов'язковою участю кисню, дають 30 АТФ у розрахунку на одну молекулу глюкози.
• 2-й етап ГБФ-шляху називається "окислювальне декарбоксилювання пірувату" і каталізується піруватдегідрогеназним комплексом (дивіться лекції "Біологічне окиснення" - подовжений ланцюг мітохондріального окиснення). На 2-му етапі від молекули ПВК віднімаються два атоми водню, і піруват перетворюється на Ацетил-кофермент А (АцКоА), одночасно відбувається відщеплення СО2. Два атоми водню йдуть на НАД, а потім ланцюгом мітохондріального окислення передаються на О2 з утворенням Н2О і 3 молекул АТФ. Тому для однієї молекулу вихідної глюкози 2-й етап дає 6 АТФ.

У 3 етап вступає молекула АцетилКоА, який утворюється в результаті 2 етапу. Цей третій етап називається циклом трикарбонових кислот (ЦТК) (дивіться лекції “Мітохондріальне окиснення”). У цьому циклі АцКоА повністю розщеплюється до СО2 та Н2О. При цьому утворюється 12 АТФ у розрахунку на молекулу АцКоА, що вступила до циклу. Якщо розрахувати на 1 молекулу глюкози, то на 3 етапі утворюється 24 АТФ.

1-й етап проходить 10 проміжних стадій. У ході першої частини цього етапу молекула глюкози розщеплюється навпіл до 2 молекул фосфогліцеринового альдегіду (ФГА).

Особливості першої частини 1-го етапу:

Гексокіназа (ГК) працює, щоб послабити міцну молекулу глюкози:

2-а реакція – ізомеризації:

На 3 стадії фруктозо-6-фосфат ще більше послаблюється фосфофруктокіназою (ФФК) і утворюється фруктозо-1,6-бісфосфат:

Фосфофруктокіназа – це ключовий фермент ГБФ-шляху. Він є "пунктом вторинного контролю". Vmax ФФК більший, ніж Vmax ДК. Тому коли глюкози надходить багато, ГК лімітує швидкість всього ГБФ-шляху.

Надлишок АТФ та надлишок цитрату сильно інгібують ФФК. У цих умовах лімітуючим ферментом ГБФ-шляху замість гексокінази стає ФФК. Через пригнічення ФФК накопичуються глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) та фруктозо-6-фосфат(Ф-6-Ф). Г-6-Ф інгібує гексокіназу, зменшуючи утилізацію глюкози клітиною та одночасно активує глікогенсинтетазу.

Якщо немає надлишку АТФ та цитрату, а є надлишок АДФ, то АДФ активує ФФК, і тоді швидкість всього ГДФ-шляху лімітується знову гексокіназою.

В результаті фосфофруктокіназної реакції молекула фруктозо-1,6-бісфосфату дестабілізується (послаблюється) настільки, що відразу розпадається на 2 тріози за участю ферменту альдолази (4-а реакція):

5-та реакція:

У наступну (шосту) реакцію ГБФ-шляху входить лише ФДА. В результаті зменшується його концентрація та рівновага 5-ї реакції зсувається у бік утворення ФДА. Поступово весь ФДА переходить у ФГА, і тому кількість АТФ, що синтезувалося у наступних реакціях ГБФ-шляху, ми враховуємо у розрахунку на 2 молекули ФГА та інших проміжних метаболітів, що з нього утворюються.

У 1-й частині 1-го етапу (від глюкози до ФГА) витрачається 2 молекули АТФ: одна – у гексокіназній реакції, інша – у фосфофруктокіназній (3-та реакція першого етапу ГБФ-шляху). 2-а частина 1-го етапу починається з окислення ФГА до ФГК (фосфогліцеринової кислоти) у 6-й реакції.

Ця реакція каталізується ферментом "гліцеральдегідфосфатдегідрогеназу". Водник, що відщеплюється, передається на НАД з утворенням НАДН2. Енергії, що виділяється при цьому окисненні, вистачає і на те, щоб одночасно забезпечити приєднання фосфату до альдегідної групи. Приєднується фосфат макроергічного зв'язку. В результаті утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота (1,3-бісфосфогліцерат).

7-а реакція: субстратне фосфорилювання.

Фосфат із макроергічним зв'язком передається на АДФ з утворенням АТФ. В результаті 7-ї стадії у молекулі фосфогліцеринової кислоти залишається 1 залишок фосфорної кислоти.

8-а реакція: Фосфат переноситься з 3-го у друге положення та утворюється 2-фосфогліцеринова кислота.

9-а реакція:

Від 2-фосфогліцеринової кислоти віднімається Н2О. Це призводить до перерозподілу молекулярної енергії. В результаті на фосфаті у другому положенні накопичується енергія і зв'язок стає макроергічною. Виходить фосфоенолпіруват (ФЕП).

10-та реакція: Субстратне фосфорилювання. Фосфат переноситься на АДФ із заснуванням АТФ. ФЕП перетворюється на ПВК (пировиноградную кислоту).

На цьому перший етап ГДФ-шляху закінчується, ПВК йде в мітохондрію і вступає в другий етап ГДФ-шляху.

Підсумки 1-го етапу: 10 реакцій, у тому числі перша, третя і десята реакції незворотні. Спочатку витрачається 2 АТФ на 1 молекулу глюкози. Потім окислюється ФДА. Енергія реалізується під час 2-х реакцій субстратного фосфорилування: у кожному їх утворюється по 2 АТФ. Отже, кожну молекулу глюкози (на 2 молекули ФГА) виходить 4 АТФ шляхом субстратного фосфорилирования.

Сумарно всі 10 стадій можна описати наступним рівнянням:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ + 2НАД -----> 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАДН2. НАДН2 за системою мітохондріального окиснення (МтО) передає водень на кисень повітря з утворенням Н2О та 3 АТФ, але 1-й етап протікає в цитоплазмі та НАДН2 не може проходити через мембрану мітохондрій. Існують човникові механізми, що забезпечують цей перехід НАДН2 через мітохондріальну мембрану - малат-аспартатний човник та гліцерофосфатний човник (дивіться лекції "Біологічне окиснення").

У розрахунку одну молекулу глюкози утворюється 2НАДН2.

На додаток до 2 АТФ, одержуваним на 1-му етапі шляхом субстратного фосфорилювання, утворюється ще 6 АТФ за участю кисню, разом - 8 молекул АТФ. Стільки АТФ утворюється для кожної розщеплену до ПВК молекулу глюкози під час першого етапу ГБФ-шляху.

Якщо ці 8 АТФ додати до 30 молекул АТФ, які утворюються на 2-му та 3-му етапах, то сумарний енергетичний результат всього ГБФ-шляху складе 38 АТФ на кожну молекулу глюкози, розщеплену до СО2 і Н2О. У цих 38 АТФ укладено 65 відсотків енергії, яка виділилася при спалюванні глюкози на повітрі. Це доводить дуже високу ефективність роботи ГБФ-шляху.

З 38 АТФ основна їх частина утворюється на 2-му та 3-му етапах. Кожен з цих етапів абсолютно необоротний і вимагає обов'язкової участі кисню, оскільки стадії окислення цих етапів пов'язані з мітохондріальним окисленням (без нього неможливі). Весь ГБФ-шлях від глюкози або глікогену до СО2 і Н2О називають: аеробне розпад кутів.

Ключові ферменти першого етапу ГБФ-шляху: ГЕКСОКІНАЗА та ФОСФОФРУКТОКІНАЗА.

Ще одна ключова ланка знаходиться у ЦТК (3-й етап ГБФ-шляху). Ключова ланка на 3-му етапі необхідно тому, що АцКоА, що вступає в ЦТК, утворюється не тільки з вуглеводів, але і жирів і амінокислот. Отже, ЦТК - це кінцевий котел для спалювання ацетильних залишків, що утворюються з вуглеводів, жирів і білків. ЦТК поєднує всі метаболіти, що утворюються при розпаді вуглеводів, жирів та білків.

Ключові ферменти ЦТК: цитратсинтетаза та ізоцитратдегідрогеназу. Обидва ферменти пригнічуються надлишком АТФ та надлишком НАДН2. Ізоцитратдегідрогеназу активується надлишком АДФ.

АТФ інгібує ці ферменти по-різному: ізоцитратдегідрогеназу інгібується АТФ набагато сильніше, ніж цитратсинтазу. Тому при надлишку АТФ накопичуються проміжні продукти: цитрат та ізоцитрат. У цих умовах цитрат може виходити до цитоплазми за градієнтом концентрацій.

• 2-й та 3-й етапи ГБФ-шляху протікають у мітохондріях, а 1-й – у цитоплазмі.
• 1-й етап відділений від 2-го та 3-го етапів мітохондріальної мембраною.

Тому перший етап може виконувати свої особливі функції. Ці функції пов'язані з двома особливостями 1-го етапу.

Питання 5. Пентозний цикл окиснення вуглеводів: хімізм окисної фази, сумарна реакція, біологічна роль

Метаболічні шляхи окиснення глюкози, головними з яких є:

• а) аеробне розщеплення до вуглекислого газу та води;
• б) анаеробне окиснення до лактату;
• в) пентозний шлях окиснення;
• г) окиснення з утворенням глюкуронової кислоти.

Пентозофосфатний цикл починається з окиснення глюкозо-6-фосфату та наступного окисного декарбоксилювання продукту (в результаті від гексозофосфату відщеплюється перший атом вуглецю). Це перша, так звана окислювальна стадія пентозофосфатного циклу. Друга стадія включає неокислювальні перетворення пентозофосфатів з утворенням вихідного глюкозо-6-фосфату (рис. 5.1). Реакції пентозофосфатного циклу протікають у цитозолі клітини.

Рис. 5.1

Перша реакція - дегідрування глюкозо-6-фосфату за участю ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази та коферменту НАДФ+. 6-фосфоглюконо-д-лактон, що утворився в ході реакції, - з'єднання нестабільне і з великою швидкістю гідролізується або спонтанно, або за допомогою ферменту 6-фосфоглюконолактонази з утворенням 6-фос-фоглюконової кислоти (6-фосфоглюконат):

У другій - окисної реакції, що каталізується 6-фосфоглюко-натдегідрогенази (декарбоксилуючою), 6-фосфоглюконат дегідрується і декарбоксилюється. В результаті утворюється фосфорильована кетопентоз - D-рибулозо-5-фосфат і ще 1 молекула НАДФН:

Під дією відповідної епімерази з рибулозо-5-фосфату може утворитися інша фосфопентоза – ксилулозо-5-фосфат. Крім того, рибулозо-5-фосфат під впливом особливої ​​ізомерази легко перетворюється на рибозо-5-фосфат. Між цими формами пентозофосфатів встановлюється стан рухомої рівноваги.

За певних умов пентозофосфатний шлях на цьому етапі може бути завершений. Однак за інших умов настає так званий неокислювальний етап (стадія) пентозофосфатного циклу. Реакції цього етапу не пов'язані з використанням кисню та протікають в анаеробних умовах. При цьому утворюються речовини, характерні для першої стадії гліколізу (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бісфосфат, фосфотріо-зи), а інші - специфічні для пентозофосфатного шляху (сідогептуло-зо-7-фосфат, пентозо-5- фосфати, еритро-4-фосфат).

Завдання 6. Скільки молей АТФ може бути утворено за повного окислення 1 моля оцтової кислоти? При повному окисненні 1 молячи глюкози? Наведіть реакції у вигляді схеми із зазначенням усіх учасників процесу

У процесі аеробного окиснення вуглеводів звільняється 2880 кДж/моль глюкози. Якщо підсумувати загальний вихід АТФ у цьому процесі, він складе 38 моль АТФ (рис. 6.1.). Процес окислення глюкози включає такі етапи:

1) Аеробний гліколіз

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ > 2СН3 - СО - СООН + 2АТФ + 2НАДН + 2Н2О

• 2НАДН > 6АТФ
• 2) Окислювальне декарбоксилювання пірувату
• 2СН3 - СНО - СООН + 2KOA-SH + 2НАД+ > 2СН3 - СО - S - koA + 2НАДН + 2СО2
• 2НАДН > 6АТФ
• 3) Цикл Кребса (2 обороти)

СН3-СО-S-koA+2Н2О+3НАД++ФАД+ГДФ+Н3РО4 >

• 2*3НАДН > 2*9АТФ>18АТФ
• 2 ФАДН2 > 2*2АТФ > 4АТФ
• 2ГТФ > 2АТФ

У підсумку: 2+6+6+18+4+2 = 38АТФ

Оцтова кислота активується під дією ферменту ацетил-КоА-синтетази. Реакція протікає з використанням коферменту А та молекули АТФ:

СН3-COOH + HS~KoA + АТФ > СН3-СО-S-КoA +АДФ +Н2О.

В результаті реакції утворюється 1 моль активованої оцтової кислоти - ацетилкоферменту А СН3-СО-S-KoA, який бере участь у циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса):

СН3-СО-S-КoA+2Н2О+3НАД++ФАД+ГДФ+Н3РО4 > koA-SH+ 2СО2 + 3НАДН + ФАДН2 + ГТФ

3НАДН > 9АТФ

ФАДН2 > 2АТФ

В результаті: 9 +2 +1 = 12АТФ

Отже, при окисненні 1 моль оцтової кислоти виділяється 12 моль АТФ. Враховуючи, що з активації витрачається 1 моль АТФ, отримаємо кінцевий результат 12 - 1 = 11 моль АТФ.

Рис. 6.1 Схема повного окиснення глюкози до шести молекул СО2 та енергетична ефективність цього процесу (баланс АТФ); шляхи утворення АТФ: УФ - субстратне фосфорилювання; ЛФ - окисне фосфорилювання.

Джерелом енергії для організму людини є процеси окислення хімічних органічних сполук до менш енергетично цінних кінцевих продуктів. За допомогою ферментних систем відбувається вилучення енергії із зовнішніх субстратів ( поживний речовин) у реакціях їх ступінчастого окиснення, що призводить до вивільнення енергії невеликими порціями. Зовнішні джерела енергії мають бути трансформовані в клітині у певну форму, зручну для забезпечення внутрішньоклітинних енергетичних потреб. Такою формою переважно є молекула аденозинтрифосфат (АТФ) , Що представляє мононуклеотид АТФ є макроергічною сполукою, вона містить два зв'язки багаті на енергію (макроергічні зв'язки): між другим і третім залишками фосфорної кислоти. Макроергічні зв'язки – ковалентні зв'язкив хімічних сполукклітини, що гідролізуються з виділенням значної кількості енергії – 30 кДж/моль та більше. При гідролізі кожного з макроергічних зв'язків у молекулі АТФ виділяється близько 32 кДж/моль. Гідроліз АТФ здійснюють спеціальні ферменти, звані АТФ-азами: У клітині існують інші макроергічні сполуки. Більшість з них, як і АТФ, містять високоенергетичний фосфатний зв'язок. До цієї групи сполук належать і інші нуклеозидтрифосфати, ацилфосфати, фосфоенолпіруват, креатинфосфат та інші молекули. Крім того, в живих організмах присутні молекули з високоенергетичним тіоефірним зв'язком, ацилтіоефіри. Проте найбільшу роль в енергетичних клітинних процесах грає все ж таки молекула АТФ. Ця молекула має низку властивостей, що дозволяє їй займати настільки значне місце у клітинному метаболізмі. По-перше, молекула АТФ термодинамічно нестабільна, що говорить зміна вільної енергії гідролізу АТФ DG0 = –31,8 кДж/моль. По-друге, молекула АТФ є хімічно високостабільною. Швидкість неферментативного гідролізу АТФ у нормальних умовах дуже мала, що дозволяє ефективно зберігати енергію, перешкоджаючи її марному розсіюванню в тепло. По-третє, молекула АТФ має малими розмірами, що дозволяє їй надходити у різні внутрішньоклітинні ділянки шляхом дифузії. І, нарешті, енергія гідролізу АТФ має проміжне значення в порівнянні з іншими фосфорильованими клітинними молекулами, що дозволяє АТФ переносити енергію від високоенергетичних сполук до низькоенергетичних.

Існують два механізми синтезу АТФ у клітині: субстратне фосфорилювання та мембранне фосфорилювання. Субстратне фосфорилювання- Ферментативний перенесення фосфатної групи на молекули АДФ з утворенням АТФ, що відбувається в цитоплазмі. При субстратному фосфорилюванні в результаті певних окисно-відновних реакцій утворюються багаті на енергію нестабільні молекули, фосфатна група яких за допомогою відповідних ферментів переноситься на АДФ з утворенням АТФ. Реакції субстратного фосфорилювання протікають у цитоплазмі та каталізуються розчинними ферментами. Мембранне фосфорилювання– синтез молекули АТФ з використанням енергії трансмембранного градієнта іонів водню, що відбувається на мембрані мітохондрій. Мембранне фосфорилювання відбувається на мембрані мітохондрій, в якій локалізовано певний ланцюг молекул-переносників водню та електронів. Атоми водню і електрони відщеплюються від органічних молекул, що окислюються, і за допомогою спеціальних переносників потрапляють в електронтранспортний ланцюг (дихальний ланцюг), локалізований на внутрішній мембрані мітохондрій. Цей ланцюг є комплексом мембранних білків, розташованих строго певним чином. Ці білки є ферментами, що каталізують окисно-відновлювальні реакції. Переходячи від одного білка-переносника дихального ланцюга до іншого, електрон спускається на нижчий енергетичний рівень. Перенесення електронів по електронтранспортного ланцюга пов'язане з виділенням протонів із клітини у зовнішнє середовище. В результаті зовнішня частина клітинної мембранинабуває позитивного заряду, а внутрішня - негативний, виникає поділ зарядів. З іншого боку, на мембрані утворюється градієнт іонів водню. Таким чином, енергія, що вивільняється при переносі електронів, спочатку запасається у формі електрохімічного трансмембранного градієнта іонів водню (DmН+) . Тобто відбувається перетворення хімічної та електромагнітної енергії на електрохімічну, яка може бути надалі використана клітиною для синтезу АТФ. Реакція синтезу АТФ за рахунок DmН + і називається мембранним фосфорилуванням; мембрани, на яких вона здійснюється енергоперетворювальними або сполучними . Перетворення енергії, що звільняється при електронному транспорті, на енергію фосфатного зв'язку АТФ пояснює хемоосмотична теорія енергетичного сполучення (Рис. 8), розроблена англійським біохіміком П. Мітчеллом. Сполучну мембрану можна уподібнити греблі, яка стримує тиск води, також як і мембрана стримує градієнт іонів водню. Якщо греблю відкрити, то енергія води може бути використана для виконання роботи або перетворена на іншу форму енергії, наприклад електричну, як це відбувається в гідроелектростанціях. Аналогічно в клітині є механізм, що дозволяє перетворити енергію трансмембранного градієнта іонів водню на енергію хімічного зв'язку АТФ. Розрядка трансмембранного градієнта іонів водню відбувається за участю локалізованого в тій самій мембрані протонного АТФ-синтазного комплексу . Енергія протона, що надходить через цей ферментативний комплекс у клітину із зовнішнього середовища, використовується для синтезу молекули АТФ з АДФ та залишку фосфорної кислоти. Процес, що відбувається, може бути виражений рівнянням:

АДФ + Фн + nН + нар à АТФ + Н2О + nН + внутр.

I Макроергічні з'єднання (грец. makros великий + ergon робота, дія; синонім: , високоенергетичні з'єднання)

група природних речовин, молекули яких містять багаті на енергію, або макроергічні, зв'язки; присутні у всіх живих клітинах і беруть участь у накопиченні та перетворенні енергії. макроергічних зв'язків у молекулах М.с. супроводжується виділенням енергії, що використовується для біосинтезу та транспорту речовин, м'язового скорочення, травлення та інших процесів життєдіяльності організму.

Усі відомі М.с. містять фосфорильну (-РО 3 Н 2) або ацильну

групи і можуть бути описані формулою Х-Yде Х - атом азоту, кисню, сірки або вуглецю, а Y - атом фосфору або вуглецю. Реакційна здатність М.С. пов'язана з підвищеною спорідненістю до електрона атома Y, що обумовлює високу вільну енергію гідролізу М.с., що становить 6-14 ккал/моль.

Важливою групою сполук, в яку входять М.с., є аденозинфосфорні, або аденілові, кислоти - нуклеозиди, що містять , рибозу та залишки фосфорної кислоти (див. Рис .).

АТФ є аденозинфосфорною кислотою, що містить 3 залишки фосфорної кислоти (або фосфатних залишків), служить універсальним переносником і основним акумулятором хімічної енергії в живих клітинах, багатьох ферментів (див. Коферменти) . АТФ не єдина біологічно активна сполука, що містить пірофосфатні зв'язки. Деякі фосфорильовані сполуки за кількістю енергії, що у таких зв'язках, не відрізняються АТФ. Однак дифосфати таких сполук не можуть замінити аденозиндифосфорну кислоту в тих процесах, що ведуть до синтезу АТФ, а їх трифосфати не можуть замінити АТФ у подальших процесах енергетичного обміну, в яких АТФ використовується як енергія, необхідна для протікання біосинтетичних реакцій. Можливо, що такий високий ступінь специфічності відображає не так унікальність АТФ, як унікальні особливості біохімічних процесів, пристосованих виключно до АТФ.

В окремих біосинтетичних реакціях безпосереднім джерелом енергії є не АТФ, а деякі інші трифосфонуклеотиди. Однак їх не можна вважати первинним джерелом енергії, оскільки самі вони утворюються внаслідок перенесення фосфатної або пірофосфатної групи від АТФ. Це справедливо і для речовини іншого типу, пристосованого для запасання енергії, – креатинфосфату (див. Креатинін) . Макроергічними в молекулі АТФ є два пірофосфатні зв'язки: між α- та β- та між β- та γ-фосфатними залишками. При гідролізі кінцевого пірофосфатного зв'язку звільняється 8,4 ккал/моль(при рН 7,0, температурі 37°, надлишку іонів Mg 2+ та концентрації АТФ, що дорівнює 1 М). Всі процеси в організмі, що супроводжуються накопиченням енергії, в кінцевому рахунку ведуть до утворення АТФ, який виконує роль сполучної ланки між процесами, що протікають із споживанням енергії, і процесами, що супроводжуються виділенням та накопиченням енергії.

Відщеплення фосфатних залишків від молекул АТФ відбувається за участю аденозинтрифосфатаз (АТФ-аз) - ферментів класу гідролаз, які широко поширені в клітинах усіх організмів і забезпечують використання енергії АТФ для здійснення різних процесів життєдіяльності. Група транспортних АТФ-аз здійснює активне перенесення іонів, амінокислот, нуклеотидів, Сахаров та інших речовин через біологічні мембрани, створення та підтримання градієнтів концентрацій іонів (іонних градієнтів) з обох боків біологічних мембран. Активний транспорт іонів, що забезпечується за рахунок енергії гідролізу АТФ, лежить в основі біоенергетики (Біоенергетика) клітини, процесів клітинного збудження, надходження в клітину та виведення речовин з клітини та організму, До найважливіших транспортних АТФ-аз, що забезпечують перенесення іонів при гідролізі АТФ Н + - АТФ-аза мембран мітохондрій, хлоропластів та бактеріальних клітин, Са 2+ - АТФ-аза внутрішньоклітинних мембран м'язових клітин та еритроцитів, а також міститься практично у всіх плазматичних мембранах Na + , К + АТФ-аза. Через війну здійснюваного цими ферментами транспорту іонів проти градієнта їх концентрацій на мембрані генерується різницю електричних потенціалів. Порушення функціонування транспортних АТФ-аз (наприклад, виключення АТФ-аз за умов гіпоксії за відсутності АТФ) веде до розвитку багатьох патологічних станів. Відомі (наприклад, ), що регулюють ці ферменти.

Розщеплення АТФ може супроводжуватися не тільки перенесенням фосфорильної групи на молекулу-акцептор, як це відбувається в реакціях, що каталізуються кіназами (кінази) , а також перенесенням пірофосфатної групи (наприклад, при синтезі пуринів), залишку аденілової кислоти (при активації амінокислот у процесі синтезу білка) або аденозину (S-аденозилметіоніну).

АТФ утворюється з аденозиндифосфорної кислоти () в результаті окисного фосфорилювання при переносі електронів у мітохондріальному електронпереносному ланцюгу (див. Дихання тканинне). , Обмін речовин та енергії) або внаслідок фосфорилювання на рівні субстрату (див. Гліколіз) . Зміст АТФ у клітині безпосередньо пов'язаний із вмістом інших аденозинфосфорних кислот - АДФ та аденілової кислоти (), що утворюють систему аденілових нуклеотидів клітини. Сумарна аденілових нуклеотидів у клітині дорівнює 2-15 мМщо становить приблизно 87% загального фонду вільних нуклеотидів. Істотну роль підтримці рівноваги між аденозинфосфорными кислотами грає оборотна і майже рівноважна , катализируемая ферментом аденилаткиназой (аденилаткиназу м'язової тканини називають міокіназою): АТФ + АМФ = 2 АДФ.

Важливою макроергічною сполукою, що бере участь у ресинтезі АТФ у м'язовій тканині, є креатин-фосфат, що міститься в скелетних м'язах всіх хребетних тварин, - фосфорильоване похідне креатину, або β-метилгуанідинуцтової кислоти (див. Креатинін). . Оборотна ферментативна взаємодія креатину з АТФ: + АТФ = + АДФ, що каталізується креатинкіназою (креатинфосфокіназою), відіграє істотну роль в акумуляції енергії, необхідної для м'язового скорочення.

Поряд з АТФ до макроергічних сполук відносяться й інші нуклеозидтрифосфорні кислоти: гуанозинтрифосфат (ГТФ), (), () і тимідинтрифосфат (ТТФ), що відіграють роль постачальників енергії в різних біосинтетичних процесах і взаємоперетвореннях вуглеводів, ліпідів поліфосфорна кислота (див. Фосфор) , фосфоенолпіровиноградна та 1,3-дифосфогліцеринова кислоти, ацетил- та сукцинілкофермент А, аміноацильні похідні аденілової та рибонуклеїнових кислот та ін.

Бібліогр.:Брода Е. біоенергетичних процесів; з англ., М., 1978: Певзнер Л. Основи біоенергетики, пров. з англ., М., 1977; Рекер Е. Біоенергетичні механізми, пров. з англ., М., 1979; Скулачов В.П. енергії у біомембранах, М., 1972.

II Макроергічні з'єднання (Макро- + грец. Ergon робота, дія; . Високоергічні з'єднання)

органічні сполуки, які супроводжуються виділенням великої кількості вільної енергії; у М. с. акумулюється енергія, що витрачається організмом у процесі своєї життєдіяльності.

1. Мала медична енциклопедія. - М: Медична енциклопедія. 1991-96 рр. 2. Перша медична допомога. - М: Велика Російська Енциклопедія. 1994 3. Енциклопедичний словник медичних термінів. - М: Радянська енциклопедія. - 1982-1984 рр..

Дивитись що таке "Макроергічні сполуки" в інших словниках:

Високоенергетичні сполуки, природні сполуки, що містять багаті енергією, або макроергічні зв'язки; присутні у всіх живих клітинах, беруть участь у накопиченні та перетворенні енергії. До М. с. відносять гол. обр. АТФ та речовини, здатні… Біологічний енциклопедичний словник

Високоенергетичні сполуки – сполуки, що містять багаті на енергію (макроергічні) зв'язки. До них відносять АТФ та речовини, здатні утворювати АТФ у ферментативних реакціях перенесення переважно фосфатних груп. М. с. займають… Словник мікробіології

- (від макро... і грец. ergon діяльність робота), органічні сполуки живих клітин, що містять багаті енергією, або макроергічні, зв'язки. Утворюються в результаті фотосинтезу, хемосинтезу та біологічного окислення. До макроергічних… Великий Енциклопедичний словник- (від Макро... і грец. érgon діяльність, робота) високоергічні, високоенергетичні сполуки, природні сполуки, що містять багаті на енергію, або макроергічні, зв'язки; присутні у всіх живих клітинах, беручи участь у процесах. Велика Радянська Енциклопедія

- (Від макро ... і грец. Ergon діяльність, робота), органіч. з'єднання живих клітин, що містять багаті енергією, або макроергічні зв'язки. Утворюються в результаті фотосинтезу, хемосинтезу та біол. окиснення. До М. с. відносяться... Природознавство. Енциклопедичний словник

- (макро + грец. ergon робота, дія; син. високоергічні сполуки) органічні сполуки, розщеплення яких супроводжується виділенням великої кількості вільної енергії; у М. с. акумулюється енергія, що витрачається організмом у ... Великий медичний словник

- (від грец. макро + ergon діяльність, робота) при всіх типах енергетичного обміну енергія запасається в живій клітці у вигляді макроергічних сполук, сполук, що містять багаті енергією хімічні зв'язки. До макроергічних сполук… Початки сучасного природознавства

МАКРОЕРГІЧНІ З'ЄДНАННЯ- макроергічні сполуки, органічні сполуки, при гідролізі яких звільняється значна кількість енергії, використовуваної реалізації різних функцій організму. Провідне становище серед М. с. займають аденозинтрифосфорна і ... Ветеринарний енциклопедичний словник