Основы биологической химии предисловие
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
Глава 8. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ С точки зрения термодинамики, все системы по характеру обмена с окружающей средой делятся на три вида: 1) изолированные - нет обмена со средой ни веществом, ни энергией; 2) закрытые - обмен со средой только энергией; 3) открытые - обмен со средой и веществом, и энергией. Примерами открытых систем могут служить озеро или река, доменная печь, узел трения какого - либо станка или машины, а также живой организм. Во всех этих системах происходит преобразование химических соединений, взаимодействие их друг с другом, разрушение одних из них и синтез других, и все эти процессы сопровождаются изменением энергии. Однако при этом неживая система любого типа в отличие от живой не самообновляется, а лишь видоизменяется. Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Прекращение этого обмена означает прекращение жизни. Обмен веществ и обмен энергии неразрывно связаны и представляют собой диалектическое единство. 8.1. Обмен веществ В обмене веществ организма выделяют внешний обмен, включающий поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания) и выделение конечных продуктов обмена, а также промежуточный обмен. Под промежуточным обменом, или метаболизмом, понимают совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме, включая усвоение веществ (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) до конечных продуктов, и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. Определенная последовательность химических превращений какого-либо вещества в организме называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами. Метаболизм осуществляется при условии и в результате постоянного взаимодействия организма и среды. В связи с этим ход и характер этого процесса зависят от условий внешней среды. Характерные организмам химические превращения осуществляются лишь в определенных, ограниченных интервалах температуры, давления, радиации; лишь при условии постоянного притока веществ, пригодных для организма, и оттока веществ, которые уже не могут служить исходным материалом для построения органов и тканей организма. При изменениях состояния организма (температурные изменения, прием пищи, смена умственного труда физическим, переход от сна к двигательной активности) концентрация метаболитов в организме изменяется и система (организм) переходит в новое стационарное состояние с новыми скоростями метаболических превращений или их направлением. Таким образом, любой живой организм представляет саморегулирующуюся систему, закономерно и адекватно изменяющуюся при изменении условий среды, которые организм ассимилирует. Саморегуляция обмена веществ и энергии - важнейшее свойство живых систем. При нормальном обмене веществ и энергии организм человека находится в стационарном состоянии, то есть его масса сохраняется постоянной. Некоторые величины, характеризующие обмен веществ у человека, приведены в табл.10. Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а также организм человека, составляют С, Н, О и N. Эти же элементы входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ -СО2, Н2О и мочевины. Кроме этих продуктов человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом много и других веществ, но в незначительных количествах. Однако физиологическое значение выделения таких веществ может быть велико. Например, нарушение выделения продуктов распада гена или лекарственных препаратов может быть причиной нарушения обмена веществ и энергии, приводящего к заболеванию. Основные пищевые вещества, как правило, представляют собой полимеры, которые не могут быть усвоены клетками организма. В желудочно-кишечном тракте они под действием ферментов-гидролаз расщепляются на мономеры - в этом сущность пищеварения. В результате из различных белков, полисахаридов, жиров получается 20 белковых аминокислот, небольшое число моносахаридов (в основном, глюкоза, фруктоза, галактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры легко проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия и, попадая в лимфу и кровь, транспортируются во все органы и ткани, где и используются в процессе метаболизма. Таблица 10. Суточный обмен человека (средние величины для взрослого человека с массой 70 кг.)
Различают две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм. Анаболизм - это синтез сложных молекул из более простых, направленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, таких как белки, нуклеиновые кислоты, гормоны, коферменты и другие. Анаболические процессы преимущественно восстановительные и требуют затрат энергии (эндергомические). Катаболизм - это расщепление сложных молекул как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, до простых компонентов (в конечном итоге чаще всего до СО2 и Н2О). Катаболические процессы обычно окислительные и сопровождаются выделением энергии (экзергонические). Обе стороны метаболизма взаимосвязаны в пространстве и во времени, при этом установлена принципиальная общность совокупности метаболических превращений у разных видов живых организмов. Источником энергии для реакций анаболизма служат процессы катаболизма. При распаде веществ до конечных продуктов обмена у взрослого человека, например, освобождается 8000 - 12000 кДж энергии в сутки. Энергия катаболизма используется не только в анаболических процессах, но и для обеспечения функциональной активности клетки (рис 22).  Рис.22. Схема метаболизма Структурно-функциональные компоненты клеток непрерывно обновляются. В организме происходит постоянно и распад, и синтез структурных компонентов клеток. В растущем организме скорость образования их превышает скорость распада, у взрослого человека скорости этих процессов одинаковы. Катаболические и анаболические процессы, в особенности у эукариотов, отличаются по своей локализации в клетке. Принадлежность различных ферментных систем определенным участкам клетки (компартментализация) обеспечивает как разделение, так и интеграцию внутриклеточных функций, возможность протекания в одно и то же время как анаболических, так и катаболических процессов и тем самым соответствующую регуляцию процессов обмена веществ и энергии в клетке. 8.2. Обмен энергии Как уже было сказано выше, обмен веществ невозможен без сопутствующего ему обмена энергии. Все живые организмы по использованию источников энергии делят на две группы: 1. Аутотрофы - организмы, способные непосредственно использовать лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза органических соединений (белков, углеводов, жирных кислот) из неорганических. Это прежде всего растения. 2. Гетеротрофы - организмы, использующие в качестве источника энергии (а также пластического материала) органические соединения, посредством их ассимиляции. Это все остальные организмы. Таким образом, основным энергетическим источником для человека является энергия, запасенная в химических соединениях компонентов пищевых продуктов. Поэтому питание человека - основной фактор внешней среды, влияющий на здоровье и продолжительность жизни. Основными веществами, за счет которых организм человека обеспечивается энергией, служат углеводы и жиры пищи (табл. 11). Таблица 11. Среднее суточное потребление энергии с основными пищевыми веществами у взрослого человека
Меньшее значение имеют белки, однако при преимущественно белковом питании и при голодании их роль как источника энергии значительно возрастает. В чем же сущность процессов обмена энергией? Все химические реакции, протекающие в живых клетках, подчиняются законам термодинамики (законам энергетики). Согласно первому закону термодинамики, энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Поглощенная системой энергия (в виде теплоты) расходуется на совершение работы и изменение внутренней энергий (при изохорном процессе) или энтальпии (при изобарном процессе). Математически это выражается следующим уравнением: Q = ΔН + А, где Q - энергия в виде теплоты; ΔН - изменение энтальпии; А - полезная работа. Живые организмы в отличие от неживых объектов функционируют при постоянной температуре и давлении, поэтому они не способны использовать тепловую энергию для совершения работы. Они используют энергию органических веществ, поступающих в организм извне, так как каждое вещество обладает определенным запасом энергии, за счет которой может быть совершена работа. Энергия химической реакции, или тепловой эффект, при постоянном давлении и температуре равна изменению энтальпии. При этом часть этой энергии (энтальпии) может быть использована для совершения работы (так называемая «свободная энергия», или энергия Гиббса). Другая часть, которая не может быть превращена в работу, называется связанной энергией и равна произведению TΔS (ΔS- изменение энтропии - меры хаоса в системе). Характер связи между тепловым эффектом (энтальпией) и свободной энергией выражается уравнением ΔН = ΔG + TΔS, или ΔG = ΔН-TΔS. Самопроизвольно химические процессы могут протекать лишь в направлении, приводящем систему в состояние равновесия. Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно процессы протекают в направлении увеличения энтропии (см. "Введение''). Все реакции, которые сопровождаются возрастанием энтропии, необратимы. Но практически предсказать направление химической реакции проще всего с помощью свободной энергии Гиббса, которую, в отличие от энтропии, можно измерить в ходе реакции. При ΔG<0 (сумма свободных энергий продуктов реакции меньше, чем исходных веществ) реакция идет самопроизвольно с выделением свободной энергии; при ΔG>0 реакция протекать самопроизвольно не может, необходима энергия извне для ее протекания. Если система в состоянии равновесия, ΔG=0. Свободная энергия химических реакций оценивается в стандартных условиях и в реальных (физиологических). Под стандартной свободной энергией ΔG0 биохимических реакций понимается измерение её в стандартных условиях: при концентрациях компонентов реакции 1 моль/л, температуре 25°С (298 К) и рН = 7. Стандартную свободную энергии находят по разности между суммарными значениями свободной энергии конечных продуктов и исходных веществ. Для биохимической реакции, идущей в физиологических условиях, рассчитывается величина ΔGФ с учетом фактической концентрации компонентов. Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенным уровнем свободной энергии. В результате химической реакции происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, то есть протекает обмен энергией между веществами. Освобождающаяся в результате катаболических процессов свободная энергия в дальнейшем используется для осуществления анаболических процессов. Роль энергетических посредников между ними выполняют макроэргические соединения. Главными материальными носителями свободной энергии являются химические связи. Если в результате гидролиза (гидролитического разрыва) связи изменение свободной энергии системы (ΔG) составляет более 21 кДж/моль, то говорят, что данная связь богата энергией. Такие связи и соединения, их содержащие, называются макроэргическими (высокоэнергетическими). Если свободная энергия меньше 21 кДж/моль - связь и соединение, ее содержащее, - низкоэнергетические. Не следует путать эту величину, которая используется для характеристики биохимических процессов, с энергий связи, под которой понимается энергия, необходимая для разрыва связи между двумя атомами в любой молекуле. Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты), хотя существуют и низкоэнергетические фосфаты (табл.12). Главную роль в энергообмене клеток играет система адениловых нуклеотидов: АТФ →АДФ →АМФ, а также фосфорная кислота Н3Р04 и ионы Мg2+. Таким образом, углеводы, жиры или белки, а также продукты их расщепления не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов. Ряд процессов диссимиляции - тканевое дыхание, брожение и гликолиз - занимают центральное место в обмене веществ. В результате этих процессов происходит освобождение энергии, заключенной в молекулах сложных органических соединений, которая частично трансформируется в энергию АТФ (см. рис. 22). Он и выполняет роль универсального «топлива» клетки. Таблица 12. Стандартная свободная энергия гидролиза (ΔG0 и свободная энергия при физиологических условиях (ΔGФ) некоторых высоко- и низкоэнергетических соединений
АТФ, подвергаясь гидролизу, осуществляет функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток (см. рис.22). Другие нуклеозидтрифосфаты - УТФ, ЦГФ, ГТФ, ТТФ, а также ряд других веществ также относят к макроэргическим соединениям, однако образование самих этих соединений зависит от энергии, поставляемой АТФ. Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфоэфирных связей АТФ: 1. Наиболее частый вариант - это отщепление концевого остатка фосфорной кислоты: АТФ + H2O → АДФ + Н3РО4. Концевой остаток соединяется с водой (образуется фосфорная кислота) или переносится на другое вещество, которое при этом фосфорилируется. Освобождающаяся энергия используется в реакциях анаболизма. 2. Другой вариант освобождения энергии фосфатной связи - пирофосфатное расщепление АТФ: АТФ+Н2О → АМФ+Н4Р2О7. Этот тип реакций реже используется в биологических процессах. Образующийся пирофосфат относится к высокоэнергетическим соединениям. 3. При гидролизе пирофосфата: Н4Р2О7+H2О →2H3PО4. освобождается примерно столько же энергии, сколько при гидролизе концевых фосфатных связей АТФ, но эта энергия мало используется для синтеза других веществ. 4. Возможно использование АДФ как высокоэнергетического соединения: АДФ + H2O → АМФ + Н3РО4. При этом также высвобождается то же количество энергий, что и при отщеплении концевого фосфатного остатка от АТФ, то есть, в принципе, АДФ мог бы заменять АТФ, например, в реакциях фосфорилирования. Но эта возможность не реализуется в биологических процессах. Таким образом, в биохимических синтезах используется только энергия, освобождающаяся в первом варианте. Во всех остальных случаях происходит освобождение энергии в виде теплоты. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||