Закон сохранения энергии выполняется в живых системах так же, как и во всех других. В технических системах возможны любые взаимопревращения между световой, тепловой, механической, электрической и химической разновидностями энергии. Живые организмы тоже используют все эти виды энергии, однако в живых системах только химическая энергия способна превращаться во все другие виды энергии. Поэтому химическая энергия играет в биологических системах центральную роль. Специальным носителем химической энергии в живых организмах служит аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ - это нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата (рис. 87).

В клетке АТФ находится в комплексе с Mg2+ или Mn2+ за счет отрицательных зарядов фосфатных групп. АТФ - молекула, богатая энергией: ее трифосфатный компонент содержит две фосфорноангидридные связи, называемые также высокоэнергетическими фосфатными связями. При гидролизе АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (НPO42-): АТФ4- + Н2О 6 АДФ3- + НPO4 2- + Н+ или до аденозинмонофосфата (АМФ) и неорганического пирофосфата (P2O7 4-): АТФ4- + Н2О 6 АМФ2- + P2O7 4- + 2Н+ высвобождается много энергии. Величина энергии, высвобождающейся при гидролизе АТФ в клетке, может значительно (в 1.5 раза) меняться в зависимости от метаболизма клетки, определяющего в ней концентрации АТФ, АДФ и фосфата, а также от pН клеточного содержимого в каждый данный момент. Для оценочных расчетов принято использовать стандартную величину энергии гидролиза АТФ, корда концентрации АТФ, АДФ, АМФ, пирофосфата и фосфата равны 1.0 М, а pH = 7.0. Для гидролиза АТФ до АДФ и до АМФ стандартная величина энергии составляет 30.5 и 32.2 кДж/моль соответственно. АТФ, АДФ и АМФ могут также превращаться друг в друга под действием фермента аденилаткиназы, катализирующей реакцию АТФ + АМФ " АДФ + АДФ. Для обозначения АТФ, АДФ, АМФ, неорганического фосфата и неорганического пирофосфата на рисунках будут также использоваться сокращения ATP (adenosine triphosphate), ADP (adenosine diphosphate) и AMP (adenosine monophosphate), Pi (inorganic phosphate) и PPi (inorganic pyrophosphate).

Энергия, выделяющаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для осуществления энергозависимых процессов в клетке, АТФ в свою очередь образуется в процессах, идущих с выделением энергии. Таким образом, АТФ - главный химический посредник клетки, связывающий между собой процессы, идущие с выделением и потреблением энергии. Энергию АТФ клетки используют в четырех основных целях:
1) для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера;
2) для выполнения механической работы, например, осуществления движения, как мы уже видели, на примере тубулин-динеиновой и актин-миозиновой систем (раздел "МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДВИЖЕНИЯ" предыдущей лекции); 3) для переноса веществ через мембраны против градиента концентрации, например мембранне транспортные АТФазы, осуществляющие активный транспорт; 4) для обеспечения точной и надежной передачи информации в генетических клеточных процессах. Молекулы АТФ используются всеми без исключений живыми организмами как прокариотическими, так и эукариотическими, и поэтому АТФ называют энергетической "валютой" живых организмов.

Химические реакции бывают самопроизвольные и несамопроизвольные. Энергия конечных продуктов самопроизвольной реакции ниже энергии вступающих в эту реакцию веществ, поэтому в ходе самопроизвольной реакции энергия выделяется. Напротив, энергия продуктов несамопроизвольной реакции выше энергии исходных веществ и для осущест- вления таких реакций необходим источник энергии. Несамопроизвольная реакция может быть осуществлена ферментом только за счет энергетического сопряжения этой реакции с реакцией гидролиза АТФ. Предположим, для превращения вещества A в вещество B требуется затратить энергию E1. Для получения этой энергии фермент 1, осуществляющий эту реакцию A 6 B, должен одновременно осуществить реакцию гидролиза АТФ.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+