Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
Заключение Считается, что клетки животных извлекают энергию из пищи в три этапа. На первом этапе белки, полисахариды и жиры расщепляются в результате внеклеточных реакций на малые молекулы. На втором этапе эти малые молекулы расщепляются в клетках с образованием ацетил-СоА, а также небольшого количества АТР и NADH. Такие реакции - единственные, в которых энергия может выделяться и в отсутствие кислорода. На третьей стадии молекулы ацетил-СоА расщепляются в митохондриях, образуя СО2 и атомы водорода, которые связываются с молекулами таких переносчиков, как NADH. Электроны от атомов водорода переходят по сложной цепи переносчиков, что в конечном счете приводит к восстановлению молекулярного кислорода и образованию воды. Под действием энергии, высвобождающийся на разных стадиях переноса электронов, ионы водорода (Н + ) транспортируются из внутреннего пространства митохондрии наружу. Возникающий в результате трансмембранный электрохимический градиент протонов во внутренней митохондриальной мембране поставляет энергию для синтеза основного количества молекул АТР клетки. 2.4. Биосинтез и создание упорядоченности [17] В каждый момент времени в клетке протекают тысячи различных химических реакций. Реакции эти связаны между собой и образуют последовательности, в которых продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Большинство внутриклеточных реакций можно, вообще говоря, отнести к двум типам: катаболические и биосинтетические. Катаболические реакции мы уже рассмотрели в предыдущем разделе, теперь речь пойдет о реакциях биосинтеза. Такие реакции начинаются от промежуточных продуктов гликолиза и цикла лимонной кислоты (и родственных им соединений) и приводят в результате к образованию более крупных и сложных молекул клетки. 2.4.1. Возможность протекания реакции определяется величиной изменения свободной энергии [18] Хотя ферменты ускоряют энергетически выгодные реакции, они никак не могут индуцировать энергетически невыгодные реакции. Используя аналогию с водой, можно сказать, что сами по себе ферменты не способны заставить воду течь вверх. Но чтобы клетка могла расти и делиться, в ней должны происходить именно такие процессы: клетки обязаны строить большие и сложные молекулы из малых и простых. Мы уже видели, что это происходит главным образом благодаря ферментам, под действием которых энергетически выгодные реакции, использующие солнечную энергию и производящие тепло, сопрягаются с энергетически невыгодными реакциями, увеличивающими степень биологической не- 95 упорядоченности. Рассмотрим более подробно, как достигается такое связывание. Прежде всего следует более внимательно отнестись к выражению «энергетически выгодная» реакция, которым до сих пор мы пользовались слишком свободно. Как уже указывалось выше, спонтанно могут протекать только те реакции, в результате которых неупорядоченность во Вселенной увеличивается. Неупорядоченность возрастает в том случае, когда энергия выделяется в виде тепла; критерием увеличения неупорядоченности может служить величина, называемая свободной энергией G. Эта величина определяется таким образом, что ее изменение, обозначаемое ∆ G, устанавливает меру неупорядоченности, возникающей во Вселенной в результате реакции (схема 2-7). По определению «энергетически выгодными» являются те реакции, при протекании которых высвобождается большое количество свободной энергии; иначе говоря, такие реакции отличаются большой отрицательной величиной ∆ G и создают большую степень неупорядоченности. Такие реакции обладают ярко выраженной тенденцией к спонтанному протеканию, хотя скорость этих реакций будет зависеть и от других факторов, в частности от наличия специфических ферментов (см. ниже). И наоборот, реакции, в которых ∆ G имеет положительное значение (например, реакция образования пептидной связи между двумя аминокислотами), повышают упорядоченность Вселенной и не могут протекать самопроизвольно. Такие энергетически невыгодные реакции происходят лишь в тех случаях, когда они связаны с другими реакциями, обладающими столь большими отрицательными значениями ∆ G, что и ∆ G всего процесса становится отрицательным. Ход большинства реакций может быть количественно предсказан. Известно много термодинамических параметров, исходя из которых можно рассчитать изменения свободной энергии ∆ G для большинства важных метаболических реакций клетки. Общее изменение свободной энергии при функционировании того или иного метаболического пути будет при этом выражаться как сумма изменений энергии на каждом из этапов этого пути. Рассмотрим две реакции: А → В и В → Г, значения ∆ G которых равны соответственно +1 и — 13 ккал/моль. (Напомним, что один моль вещества содержит 6 х 10 23 молекул.) В случае когда эти реакции сопряжены друг с другом, ∆ G сопряженной реакции будет равно — 12 ккал/моль. Из этого следует, что энергетически невыгодная реакция А → Б, которая не может протекать спонтанно, может быть обусловлена энергетически выгодной реакцией В → Г при условии, что существует механизм, обеспечивающий сопряжение этих двух реакций. 2.4.2. Реакции биосинтеза зачастую непосредственно сопряжены с гидролизом АТР Представим себе типичный биосинтетический процесс, при котором два мономера - А и Б - должны соединиться друг с другом в реакции дегидратации (называемой также конденсацией), сопровождающейся выделением воды: А-Н + Б-ОН → А-Б + Н 2 О. Обратная реакция (называемая гидролизом), в которой молекула воды разрушает ковалентно связанное соединение А-Б, почти всегда будет энергетически выгодной. Это имеет место, например, при гидро- 96 ВАЖНОСТЬ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ КЛЕТОК Жизнь существует благодаря наличию сложной сети взаимосвязанных химических реакций, протекающих в клетке. Рассматривая реакционные пути, входящие в состав такой метаболической сети, читатель может подумать, что у клетки имеется возможность осуществить любую необходимую ей реакцию, "задействовав" определенный фермент. Однако это не так. Хотя ферменты и являются мощными катализаторами, они могут ускорять лишь реакции, разрешенные с точки зрения термодинамики, другие реакции могут протекать в клетке только тогда, когда они сопряжены с энергетически выгодными реакциями. Будет ли реакция протекать самопроизвольно или для ее осуществления необходимо сопряжение с другими реакциями? Это основной вопрос биологии клетки. Ответ на него можно получить, выяснив значение величины, называемой свободной энергией: суммарное изменение свободной энергии в результате серии реакций определяет возможность протекания этой последовательности реакций. На данной схеме будут объяснены основные принципы (они рассматриваются в специальном разделе физики и химии, называемом термодинамикой), необходимые для того, чтобы понять, что же такое свободная энергия и почему она столь важна для клеток. ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЮЩАЯСЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ, ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ТЕПЛО Замкнутую систему можно определить как совокупность молекул, которые не обмениваются веществом с остальной частью Вселенной (например, рассмотренная раньше (рис. 2-11} и представленная на рисунке вверху "клетка в ящике"). Любая подобная система содержит молекулы, полная энергия которых равна Е. Эта энергия может существовать в различных формах: часть ее представлена энергией поступательного , вращательного и колебательного движения молекул, другая, большая часть, приходится на энергию связей между отдельными атомами, входящими в состав молекул. Первый закон термодинамики накладывает ограничение на типы реакций, которые могут протекать в системе: согласно этому закону, "при любом процессе общее количество энергии Вселенной остается постоянным". Представим себе, что в замкнутой системе протекает реакция А — В, сопровождающаяся выдалением большого количества энергии (речь идет об энергии химических связей). Сначала за счет этой энергии увеличится интенсивность движения молекул системы (поступательного, вращательного и колебательного) , что равнозначно повышению ее температуры. Однако затем эта энергия будет отводиться из системы вследствие молекулярных столкновений, что приведет к нагреванию сначала стенок ящика, а затем и внешнего окружения (в нашем примере это океан). В конце концов, когда вся энергия химических связей, выделившаяся в ящике, превратится в тепловую энергию и перейдет из ящика в океан, температура системы вернется к исходному значению. Согласно первому закону термодинамики, изменение энергии внутри ящика (мы будем обозначать егo ∆Е) должно быть равно по величине и противоположно по знаку количеству отведенной тепловой энергии (которую мы обозначим h), иначе говоря ∆ Е = - h. Таким образом, энергия внутри ящика уменьшается, когда система отдает теплоту. В процессе реакции Е может также измениться вследствие того, что над внешним окружением производится работа. Предположим, например, что в течение реакции объем ящика немного увеличивается (на величину ∆ V . Поскольку для увеличения объема ящика его стенки должны раздвигаться при постоянном внешнем давлении (Р), такой процесс сопровождается совершением работы над внешней средой и требует затрат энергии. Эта энергия равна Р( ∆ \/) , и в соответствии с первым законом термодинамики, энергия внутри ящика (5) должна уменьшиться на ту же величину. В большинстве реакций энергия химических связей переходит как в работу, так и в тепло. Энтальпия (H) - это сложная функция, зависящая от обеих этих величин (Н = Е + PV). Строго говоря, для замкнутой системы именно изменение энтальпии ( ∆ Н), а не энергии, равно количеству теплоты, отданному во внешнее окружение в процессе реакции. При реакциях, сопровождающихся уменьшением Н, тепло отдается во внешнюю среду, и такие реакции называются "экзотермическими", те реакции, при которых Н возрастает (и тепло поглощается извне), называются "эндотермическими". Таким образом, - h = ∆ Н. Однако, поскольку изменением объема в большинстве биологических реакций можно пренебречь, вполне хорошим приближением будет следующее равенство: ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Рассмотрим ящик, в котором имеется 1000 монет, причем все они лежат "орлом" вверх. Если энергично встряхнуть ящик, монеты приходят в беспорядочное движение, сходное с движением молекул под действием непрерывных столкновений друг с другом. В конце концов около половины всех монет окажутся лежащими "решкой" вверх. Причина подобной переориентации состоит в следующем: существует лишь единственная возможность для того, чтобы монеты вернулись в исходное состояние (т. е. "орлом" вверх), в то время как состояние, при котором примерно равные количества монет обращены вверх "орлом" и "решкой", может быть достигнуто множеством различных способов (порядка 10 298 ). На самом деле состояние, при котором соотношение "орлов" и "решек" равно 50:50, достигается наибольшим числом способов по сравнению с любым другим состоянием, Для каждого состояния имеется вероятность его реализации, пропорциональная числу способов, которыми это состояние может быть достигнуто. Второй закон термодинамики гласит, что "самопроизвольно система переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Поскольку менее вероятные состояния являются более "упорядоченными", чем состояния более вероятные, второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: "непрерывные изменения во Вселенной переводят ее в более неупорядоченное состояние". Схема 2-7. Свободная энергия и биологические реакции. 97 ЭНТРОПИЯ, S Второй закон термодинамики позволяет предсказывать направление протекания конкретной реакции (однако этого нельзя сказать о первом законе). Но, чтобы закон можно было применять с указанной целью, необходимо иметь подходящую меру вероятности состояния, или, другими словами, показатель степени его неупорядоченности. Такой мерой служит энтропия (S). Она представляет собой логарифмическую функцию вероятности и определяется следующим образом: изменение энтропии ( ∆ S) в результате реакции ∆ В, в ходе которой один моль вещества А превращается в один моль вещества В, равно где р А и р В — вероятности состояний А и В; R — газовая постоянная (R =2 кал • град -1 • моль -1 ), a S измеряется в энтропийных единицах (э. ед.). В нашем примере с монетами вероятность состояния А (все монеты "орлом" вверх) относительно вероятности состояния В (половина монет вверх "орлом", половина — вверх "решкой") равно отношению чисел различных способов, которыми может быть реализовано каждое из этих двух состояний. Из расчетов следует, что р А = 1, а р в = 1000! (500! х 500!) = 10 298 . Таким образом, при энергичном встряхивании ящика, в результате которого монеты располагаются так, что вверх обращено равное количество "орлов" и "решек", изменение энтропии составляет R • ln(10 289 ), или примерно 1370 э. ед. на моль таких монеток (6 • 10 23 монет). Теперь мы видим, что поскольку для перехода из состояния А в состояние В найденное выше значение энтропии положительно (р В /р А > 1), реакции, характеризующиеся большим увеличением S (т. е. те, для которых ∆ S > 0), являются благоприятными и будут протекать спонтанно. В основном тексте говорилось о том, что тепловая энергия увеличивает хаотичность движения и расположения молекул. Переход тепла из замкнутой системы во внешнюю среду приводит к возрастанию числа различных состояний, в которых могут находиться молекулы, следовательно, повышается и энтропия внешней среды. Можно показать, что эффект возрастания неупорядоченности вследствие выделения определенного количества тепловой энергии значительнее при низких температурах, чем при высоких, и что, кроме того, определенное выше значение AS внешней среды ( ∆ Sо K ) в точности равно отношению количества теплоты, перешедшей из системы в океан (h), к абсолютной температуре (Т) : СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ГИББСА, G При рассмотрении замкнутой биологической системы хотелось бы иметь возможность легко предугадать, будет ли данная реакция протекать самопроизвольно. Мы уже видели, что критическим моментом в этом отношении является ответ на следующий вопрос: положительно или отрицательно изменение энтропии Вселенной при осуществлении реакции? В нашей идеальной системе (клетка в ящике) имеется два отдельных вклада в изменение энтропии Вселенной — изменение энтропии системы, заключенной в ящик, и изменение энтропии окружающего ящик океана, — и прежде, чем делать какие-либо прогнозы, следует учесть оба эти вклада. Например, в процессе реакции может поглощаться тепло, что уменьшает энтропию океана ( ∆ S OK < 01, но в то же время вызванное реакцией возрастание степени неупорядоченности внутри ящика может быть столь велико ∆ S ящика >0), что суммарная величина ∆ S Вселенной ( ∆ S Вселенной = ∆ S океана + ∆ S ящика ), будет больше 0. В этом случае реакция будет протекать самопроизвольно, несмотря на то что в ходе реакции теплота поглощается ящиком из моря. Примером подобной реакции может служить растворение хлористого натрия в мензурке с водой ("ящик"), которая представляет собой спонтанный процесс, хотя температура воды понижается при переходе соли в раствор. Химики ввели ряд новых, по их мнению, полезных "сложных функций" (функций от функций), с помощью которых можно описать совокупность физических свойств системы. К характеристикам, использующимся для комплексной оценки системы, относятся температура (Т), давление (Р), объем (V), энергия (Е) и энтропия (S) . Энтальпия (Н) представляет собой одну из таких сложных функций. Но наиболее важной сложной функцией для биологов является свободная энергия Гиббса (G) С ее помощью можно сделать выводы об изменении энтропии вселенной в результате протекания химической реакции в ящике, не прибегая для этого к нахождению изменения энтропии океана. Для ящика объемом V, находящегося под давлением Р, G определяется из уравнения где Н — рассмотренная ранее энтальпия (Е + PV), Т — абсолютная температура, S — энтропия. Каждая из этих величин относится лишь к внутреннему пространству ящика. Изменение свободной энергии в результате химической реакции в ящике (G продуктов реакции минус G исходных соединений) обозначается ∆ G и, как мы сейчас покажем, представляет собой непосредственную меру неупорядоченности, возникающей во Вселенной при осуществлении реакции. При постоянной температуре изменение свободной энергии ( ∆ G) в процессе реакции равно ∆ - Т ∆ S. Учитывая, что ∆ Н = = -h и теплота поглощаются из океана, имеем Но h/T равно изменению энтропии океана ∆ S океана ), a ∆ S в верхнем уравнении представляет собой ∆ S ящика . Таким образом. Это означает, что мы можем определить направление протекания реакции в соответствии со следующим условием: вызываемое реакцией изменение свободной энергии ( ∆ G) должно быть меньше нуля, поскольку в этом случае изменение энтропии Вселенной будет положительным. Таким образом, изменение свободной энергии является прямым показателем изменения энтропии Вселенной. Для сложной совокупности сопряженных реакций, в которых участвует большое число различных молекул, полное изменение свободной энергии может быть рассчитано с помощью простого суммирования значений свободной энергии молекул различных видов после реакции и сравнения этой величины с суммарной свободной энергией перед реакцией; таблицы значений свободной энергии для наиболее распространенных соединений приводятся в литературе. С помощью указанного способа можно предсказать направление протекания реакции и посредством этого опровергнуть какой-либо ошибочный гипотетический механизм. Так, например, по полученным значениям величины электрохимического протонного градиента во внутренней митохондриальной мембране и по значению ∆ G гидролиза АТР в митохондрии можно, убедиться в том, что для синтеза АТР, катализируемого ферментом АТР-синтетазой, необходимо, чтобы через мембрану проходило более одного протона на каждую молекулу АТР. Значение ∆ G реакции является непосредственным показателем степени смещения равновесия реакции. Большая отрицательная величина ∆ G гидролиза АТР в клетке просто отражает тот факт, что гидролиз АТР в клетке поддерживается на таком уровне, что реакция смещена от равновесия на 10 порядков. Если достигнуто равновесное протекание реакции, ∆ G = О, реакция будет в равной степени проходить в прямом и обратном направлении. Для гидролиза АТР равновесие достигается тогда, когда подавляющая часть молекул АТР уже гидролизована; такая ситуация имеет место в мертвой клетке. |