Глава 7 .БИОЭНЕРГЕТИКА

Данная глава посвящена некоторым вопросам биоэнргетики, занимающей центральное место в изучении закономерностей протекания химических реакций.

В природе происходит постоянное превращение одних форм энергии в другую. Например, электромагнитная энергия солнечных лучей превращается в живых организмах в энергию химических связей С - С и С-Н. Энергия химических связей может трансформироваться в механическую энергию движения ног, рук, головы и т.д. Все формы энергии эквивалентны и измеряются в калориях (кал) или джоулях (Дж). (1кал = 0,41868 Дж).

Если потенциальная энергия изолированного вещества (системы) полностью превращается в тепловую и система не совершает работу, то заключённую в ней энергию можно определить по количеству выделившейся теплоты. Исследуемое вещество помещается в калориметр и сжигается. Тепло, выделившееся при сгорании вещества называют теплотой сгорания. Теплоту сгорания вещества выражают в ккал или килоджоулях на 1 моль вещества. Так, при сгорании в калориметре или на воздухе 1 моля глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 686 ккал (2881,2 кдж). Если бы эта энергия в живой клетке выделилась моментально, то произошёл бы взрыв. Поэтому окисление в живых организмах происходит постепенно малыми порциями, в длинной цепи последовательных процессов, пока все атомы водорода и углерода не превратятся в конечные продукты окисления - воду и углекислый газ.

Калорийность различных продуктов различных продуктов питания (белки, жиры, углеводы) неодинакова. Это видно по теплоте сгорания некоторых химических веществ (кДж/моль): стеариновая кислота - 11386,2; сахароза-5665,8; уксусная кислота-877,8. Экспериментально установлено, что при сгорании или окислении 1моля углерода или 1 моля водорода с образованием СО₂ и Н₂О выделяется определённое количество энергии:

С +О₂ = СО₂ + 376,690 кДж

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О +56,69 кДж

Эти данные позволяют заключить, что если органические вещества содержат в своём составе больше углерода и водорода и меньше кислорода (например, жиры), то они должны быть и более калорийны, т.е. при их окислении выделится больше энергии.

Содержащаяся в том или ином веществе энергия может существовать в двух формах: связанной и свободной. Связанная энергия не может быть использована для совершения работы и при химических реакциях рассеивается в виде тепла. Свободная энергия может использоваться для совершения работы, например, для синтеза белков из аминокислот. Количество каждой из этих форм энергии в соединении можно определить только после его превращения в химической реакции. Для конкретной химической реакции определяется не абсолютное значение свободной энергии, а её изменение, которое обозначают (Δ G) и выражают в ккал/моль или кДж/моль.

Величина Δ G - это разница между количеством свободной энергии в начале реакции и её количеством в момент достижения равновесия. Δ G можно рассматривать как коэффициент полезного действия реакции. Для реакций, протекающих при стандартных условиях (Т=298 К, концентрация исходных компонентов 1,0М; рН=7; Р=1атм) изменение свободной энергии связано с константой равновесия и обозначается ΔG^{˚ '}. Значение ΔG^{˚ '}рассчитывается по формуле ΔG^{˚ '}= -2,303 RTlgКр, где R - газовая постоянная (при н.у. 1,987 кал/моль· К); Т- абсолютная температура (при н.у. 298 К); Кр - константа равновесия. Преобразуя данное уравнение получим Кр= 10 ^{-ΔG˚ '/ (2,303 RT)} или упростив Кр= 10 ^{-ΔG˚ '/1,36}. Согласно данному уравнению Кр = 10 соответствует изменению стандартной свободной энергии ΔG^{˚ '} = -1,36 ккал/моль (-5,69 кДж/моль) при нормальных условиях.

В сущности изменение стандартной свободной энергии любой химической реакции - это просто один из возможных способов математического выражения её константы равновесия.

Отрицательное значение ΔG^{˚ '} означает, чтов продуктах рекции содержится меньше свободной энергии, чем в исходных веществах и следовательно при стандартных условиях равновесие будет смещено вправо, т.е. в сторону образования продуктов продуктов, поскольку все реакции стремятся идти в направлении, соответствующем уменьшению свободной энергии. Положительное значение ΔG^{˚ '} означает, что продукты

Реакции содержат больше свободной энергии, чем исходные вещества. Поэтому при исходных концентрациях компонентов 1,0 М реакция будет идти в обратном направлении, справо налево. Если ΔG^{˚ '} = 0 реакция находится в состоянии равновесия и протекать не будет.

Условия протекания могут не совпадать со стандартными. В этом случае величина изменения свободной энергии ΔG (а не ΔG^{˚ '}) рассчитывается по формуле ΔG = ΔG^{˚ '} + 2,303RTLgKр. В качестве примера вычислим ΔG и ΔG^{˚ '} изомеризации дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат, катализируемой триозофосфатизомеразой. Эта реакция идёт при гликолизе. В состоянии равновесия отношение концентрации глицеральдегид-3-фосфата к концентрации дигидроксиацетонфосфата, при 25С (298 К) и при рН7 составляет 0,0475. Изменение ΔG^{˚ '} для этой реакции будет составлять: ΔG^{˚ '}=

-2,303RTLgKр = -2,3031,9810^-3298lg 0,0475=1,8ккал/моль.

При начальной концентрации дигидроксиацетонфосфата 210^-4М и глицеральдегид-3-фосфата 310^-6М ΔG реакции будет составлять:

ΔG=1,8ккал/моль +2,303 RTlg310^-6М/210^-4М=1,8ккал/моль - 2,5ккал/моль = -0,7ккал/моль.

Отрицательное значение ΔG указывает, что изомеризация дигидроксиацетонфосфата в глицеральдегид-3-фосфат может протекать спонтанно, когда эти соединения присутствуют в указанных выше концентрациях. Для данной реакции ΔG имеет отрицательное значение, хотя ΔG^{˚ '} положительно. Соотношение величин ΔG^{˚ '} и ΔG для реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Критерием спонтанности служит значение ΔG, а не ΔG^{˚ '}. Если ΔG0 реакция может протекать спонтанно, а если ΔG0 - нет. При ΔG = 0 реакция достигла равновесия и дальше протекать не будет, так как количесво образовавшихся продуктов будет равняться количеству исходных веществ.

Энергия Гиббса реакции равна алгебраической сумме энергий Гиббса образования стехиометрического количества продуктов за вычетом алгебраической суммы энергий Гиббса образования стеохиметрического количества реагентов. Например, для суммарной реакции гликолиза:

С₆Н₁₂О₆ (р-р) 2 С₃Н₆О₃ (р-р)

ΔG^{˚ '}р-ции = n_i ΔG^{˚ '}прод. - n_i ΔG^{˚ '} исх. в-в.

ΔG^{˚ '} = 2  (-539) - (-917) = -161 кДж/моль.

Энергия солнечных лучей, заключённая в связях С - С и С-Н может освободиться только после их разрыва. Для этого необходимо преодолеть энергетический барьер, связывающий атомы между собой. С этой задачей в клетке справляются ферменты, понижающие этот барьер. Ферменты ускоряют только энергетически выгодные реакции (ΔG), но не могут идуцировать энергетически невыгодные, например такие как построение больших и сложных молекул из малых и простых. Такие энергетически невыгодные реакции происходят лишь в тех случаях, когда они сопряжены с другими реакциями, обладающими столь большими отрицательными значениями ΔG, что и ΔG всего процесса становится отрицательным. Напрмер, фосфорилирование глюкозы становится возможным благодаря сопряжению этой реакции с реакцией гидролиза АТР:

АТР+Н₂0 = ADР +Pi ΔG₁^{˚ '}= -7,8 ккал/моль

Глюкоза + P_i = Глюкозо-6-Р +Н₂0 ΔG₂^{˚ '}= +3,0ккал/моль

Суммарное значение ΔG_s^{˚ '} реакции фосфорилирования глюкозы будет равняться алгебраической сумме ΔG^{˚ '} отдельных её стадий (ΔG_s^{˚ '} = ΔG₁^{˚ '}+ ΔG₂^˚ ') и в данном случае составит:

ΔG_s^{˚ '} = -7,8 ккал/моль + 3,0ккал/моль= -4,8ккал/моль.

Приведённый пример показывает, что передача свободной энергии химической связи может осуществляться введением в одно из реагирующих веществ дополнительной группы, благодаря которой образуется промежуточное соединение, характеризующееся более высокой величиной свободной энергии .

В обльшинстве случаев такой дополнительной группой является фосфорильный остаток (часто обозначаемый Р), который при величине близкой к 7 существует в форме двухзарядного аниона РО₃^2-, а основным агентом способным, осуществлять реакции присоединения служит аденозинтрифосфат, сокращённо обозначаемый АТФ или АТР.

АТР является довольно стабильным соединением, и она не обладает каким-то избыточным запасом энергии, которая готова выделиться подобно взрыву. В действительности процесс выделения энергии заключается в гидролизе АТР путём переноса отщепляемого крайнего остатка фосфорной кислоты на гидроксил воды, сопровождающемся изменением ΔG от-7,0 до -12,5 ккал/моль (в зависимости от условий измерения). Этот прооцесс является самопроизвольным.

Величина ΔG переноса зависит как от природы переносимой группы так и от природы молекулы акцептора. В качестве стандарта считают молекулу воды, и потенциал переноса группы выражают в виде свободной энергии гидролиза, величину которой выражают в кДж/моль или ккал/моль.Например, при переносе фосфатной группы от глюкозо-6-Р на воду ΔG составляет -3ккал/моль. Поэтому глюкозо-6-Р не является макроэргическим соединением. Макроэргическими связями принято считать связи при гидролизе которых ΔG имеет значение от -5ккал/моль и выше. Подобные связи, кроме АТР, имеются и в других веществах (например, кретинфосфат, фосфоенолпируват и др.), которые получили название макроэргических.

Предполагается, что выбор АТР в качестве основной "конверитируемой энергитической валюты" обусловлен принципом утверждающим, что жизнь базируется на специфических взаимодействиях белков с моно- и полинуклеотидами. Также АТР способен взаимодействовать с широким кругом соединений и устойчив к разрушительному действию ультрафиолетового света.

Выбор фосфатной группы в качестве высокоэнергетической группировки обусловлен их способностью к длительному времени существования в воде. Замена атома фосфора на близкий по свойствам атом As даёт АТР-арсенат, аналог АТР, который оказывается весьма неустойчив и спонтанно гидролизуется при физиологических условиях, что исключает возможность контроля со стороны ферментов.

Для закрепления данной темы предлагается выполнение следующих заданий:

Пример 1. Аэробному распаду подверглось 360 грамм глюкозы. Сколько кДж свободной энергии в форме АТР выделилось при этом ?

Решение:

1. Рассчитаем число молей глюкозы: N= m/M = 360г/180г/моль = 2моль;

2. Исходя из того, что при аэробном распаде 1 моль глюкозы образуется 38 АТР находим, что их общее число бдет составлять 2· 38 моль = 76моль.

3. Так как при гидролизе 1 моль АТР выделяется ~4,2кДж свободной энергии общее её число будет составлять: 76моль · 4,2кДж = 319,2кДж.

Ответ: 319,2кДж.

Решение:

Пример 2. Сколько моль АТР образуется при β-окислении 1моль стеариновой кислоты?

Энергетический эффект β-окисления высших жирных кислот выразить формулой 17n-6 АТФ, где n = половина атомов углерода кислоты. Значит, при окислении стеариновой кислоты образуется (17·9 -6 = 147) 147 моль АТФ.

1.Человек в сидячем положении потребляет в течение 10 секунд около 0,05 литра кислорода. Пробежав дистанцию, спринтер, соревнуясь в беге на 100м, за тоже время потребляет 1 литр кислорода. Спринтер продолжает тяжело дышать ещё несколько минут, потребляя при этом по сравнению со спокойно сидящем человеком дополнительно около 4 литров кислорода. Почему потребность в кислороде резко возрастает при беге на короткую дистанцию? Почему повышенная потребность в кислороде сокращается по окончании бега?

2.Почему при сокращении скелетной мыщцы в ней снижается концентрация фосфокреатина, а концентрация АТР остаётся практически постоянной. (Постоянный уровень АТР поддерживается за счёт переноса фосфата от креатинфосфата.).

3.Пробу пшеничных хлопьев весом 9,5грамма подвергли полному окислению до СО₂ и Н₂О путём сжигания в калориметрической бомбе. При этом 2500 грамм Н₂О, заполняющей калориметр нагрелось от 15 до 27 С. а) Рассчитайте калорийность пшеничных хлопьев (в кДж). б) Если начальное содержание влаги в пшеничных хлопьях составляло 25%, то какова калорийность сухих хлопьев. (а-3,16 ккал/г; б- 4,21ккал/г).

4.Количество свободной энергии, необходимой для синтеза АТР из АDP и неорганического фосфата (Рi) при концентрациях исходных веществ и продуктов 1М составляет 7,3 ккал/моль. Поскольку истинные физиологические концентрации АТР, АDP и Рi в клетках отличаются от 1М, количество свободной энергии необходимой для синтеза АТР при физиологических условиях, отличается от ΔGº´. Вычислите количество свободной энергии необходимое для синтеза АТР в клетке печени человека при физиологических концентрациях АТР, АDP и Рi, равных соответственно 3,5; 15,0 и 5,0 мМ. (11,0 ккал/моль).

5.Несмотря на то, что в организме человека ежедневно образуются значительные количества АТР, вес тела, его строение и состав за этот период существенно не меняется. Как объяснить это?

6.Стандартная свободная энергия ΔGº´ гидролиза АТР равна -7,3ккал/моль. Определите ΔG гидролиза АТР в эритроцитах человека (при рН=7, t=25°С), если концентрации АТР, АDP и Рi, равны соответственно 2,25; 0,25 и 1,65 мМ.

7.Определите ΔG гидролиза АТР в клетках печени крысы (при рН=7, t=25°С), если концентрации АТР, АDP и Рi, равны соответственно 3,38; 1,32 и 4,8 мМ.

8.Какое значение будет иметь ΔG синтеза АТР в мышцах крысы (ΔGº´=-7,3 ккал/моль), если концентрации АТР, АDP и Рi, равны соответственно 8,05; 0,93 и 8,05 мМ.

9.Рассчитайте ΔG синтеза АТР у E. coli, (при рН=7, t=25°С), если концентрация АТР, АDP и Рi, составляют соответственно 7,90; 1,04 и 7,9 мМ, а ΔGº´ гидролиза АТР равняется =-7,3ккал/моль.

10.Чему равняется ΔG гидролиза АТР в клетках мозга крысы, (ΔGº´=-7,3ккал/моль, рН=7, t=25°С), если концентрации АТР, АDP и Рi, равны соответственно 2,59; 0,73 и 2,72 мМ.

11.Вычислите ΔGº´ следующих метаболических важных ферментативных реакций при 25 °С, рН=7:

а) Глутамат + Оксалоацетат ↔ Аспартат + α-Кетоглутарат, Кр=6,8.

б) Дигидроксиацетонфосфат↔ Глицеральдегид-3-фосфат, Кр=0,0475.

в) Фруктозо-6-фосфат + АТР ↔ Фруктозо-1,6-дифосфат + АDP, Кр=254. Назовите ферменты, катализирующие указанные реакции.

12.Вычислите Кр следующих реакций при рН7,0 и t=25 °С для следующих реакций:

а) Глюкозо-6-фосфат + Н₂О → Глюкоза + Фосфат, ΔG= -3,3 ккал/моль.

б) Лактоза + Н₂О → Глюкоза +Галактоза, ΔG= -3,8 ккал/моль

в) Глюкозо-1-Р  Глюкозо -6-Р, ΔG= -1,7 ккал/моль

Назовите ферменты, катализирующие указанные реакции..

13.Используя значения, приведённые в таблице 1 определите направление каждой из нижеследующих реакций, если реагирующие вещества присутствуют в эквимолярных количествах?

1) АТР + Креатин ↔ Кретинфосфат +АDP

2) АТР + Глицерол ↔ Глицерол-3-фосфат +АDP

3) АТР + Пируват ↔ Фосфоенолпируват +АDP

4) АТР + Глюкоза ↔ Глюкозо-6-фосфат +АDР

Используя данные таблицы 1, вычислите ΔGº´ и Кр при 25 °С для 3-ей реакции .

Таблица 1. Свободная энергия гидролиза

некоторых фосфорилированных

соединений

Соединение

ΔGº´,ккал/моль

Фосфоенолпируват

-14,8

Карбомоилфосфат

-12,3

Ацетилфосфат

-10,3

Креатинфосфат

-10,3

Пирофосфат

-8,0

АТР (до АDP)

-7,3

Глюкозо-1-фосфат

-5,0

Глюкозо-6-фосфат

-3,3

Глицерол-3-фосфат

-2,2

14.Для реакции Н₃РО₄ + аденозин  АМР + Н₂О; ΔG^{˚ '} =14 кДж/моль. В каком направлении реакция идёт самороизвольно при н.у.?

15.В печени протекает ферментативный обратимый процесс :

глюкозо-1-фосфат  глюкозо-6-фосфат. При 37 С равновесная концентрация глюкозо-1-фосфата 0,001моль/л, а глюкозо-6-фосфата - 0,019 моль/л. Рассчитать К_равн. (К_равн.=19).

16.Каков выход АТР при полном окислении клеточным гомогенатом каждого из нижеследующих субстратов если принять, что гликолиз цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование полностью активны? А)пируват; б)NADH₂; в) Фруктозо-1,6-бифосфат; г)Фосфоенолпируват; д)Глюкоза, е)Дигидрооксиацетонфосфат.

17.Запишите химическое уравнение реакции гликолиза в ходе которой восстанавливается фермент класса оксиредуктаз.

18.На каких этапах гликолиза происходят субстратного фосфорилирования? Запишите химические уравнения этих реакций и укажите преимущества субстратного фосфорилирования по сравнению с окислительным фосфорилированием.

19.Какое количество энергии (кДж/моль) в форме АТР запасается за счёт субстратного фосфорилирования при полном аэробном окислении 2 молей глюкозы. (334,4 кДж/моль).

20.Рассчитайте эффективность использования энергии (в%) в результате спиртового, молочнокислого и маслянокислого брожения глюкозы (при стандартных условиях, т.е. Р = 110⁵ Па; Т=298К и С_м =1М). Запишите уравнения соответствующих реакций и определите сколько образуется свободной энергии в форме АТР в результате каждого из этих процессов.

21.Во время бега человек расходует в среднем 2400кДж/час. Сколько грамм АТФ потребуется для энергетического обеспечения 9-ти минутного бега? (5,4 кг).

22.Ходьба в течение одного часа требует затрат около 960 кДж. Сколько грамм АТФ необходимо для ходьбы в течение 1 минуты?

(241,7 г).

23.В результате спиртового брожения образовалось 4056 грамм АТР. Сколько грамм глюкозы израсходовано при этом? (720 г).

24.Сколько грамм глюкозы должно подвергнуться анаэробному гликолизу для аккумуляции в форме АТР 672 кДж свободной энергии? (1800 г).

25.На каких этапах деструкции глюкозы образуются молекулы АТР? Запишите уравнения реакций.

26.Сколько молекул FADH₂ образуется при аэробном окислении 270 грамм глюкозы?

27.Ацетил-СоА, образующийся при распаде жиров, углеводов и белков содержит три атома водорода. Соединение претерпевает дальнейшее превращение в цикле Кребса. В результате превращений цикла из одной молекулы Ацетил-СоА образуется 3 молекулы NADH + H⁺ и одна молекула FADH₂, содержащих 8 атомов водорода. Откуда берутся остальные атомы Н? На каких этапах это присходит? Запишите уравнения реакций.

28.Рассчитайте (в%) энергетический выход (в форме АТР) окисления в цикле Кребса одной молекулы Ацетил-СоА, исходя из того, что при полном окислении соединения высвобождается 898 кДж/моль энергии. Что происходит с оставшейся энергией? Сколько оборотов цикла Кребса необходимо для полного окисления вновь вступившей в него молекулы Ацетил-СоА?

29.Где локализован гликолиз и цикл Кребса? Сравните энергетический выход (в форме АТР) этих процессов и на этом основании сделайте предположения об эволюционном развитии энергетических механизмов у живых организмов.

30.Завершите уравнения реакций :

а) NADH + H⁺ + О₂

б) FADH₂ + О₂

При каком процессе происходят эти реакции? Где они локализованы?

31.Величина теплопродукции для взрослого человека 350 кДж/ч (мощность 100-ваттной - 360 кДж/ч). Предположим, что человек потребил в пищу 500 грамм продукта, состоявшего на 60% из воды, на 20% -из белка, на 10% - из жиров и на 10% из углеводов. Калорийность белков и углеводов - 17,1 кДж/г, жиров-38,0 кДж/г. Рассчитайте (в%) какая часть из содержащейся в продукте энергии будет потрачена для поддержания температуры тела в течение 3 часов. (23,5%).