ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Энергетические механизмы живой клетки из "Химия биологически активных природных соединений" Под энергетическими механизмами клетки следует понимать процессы клеточного обмена, с помощью которых энергия внешних энергетических ресурсов превращается в химическую энергию фосфатных связей АТФ [3, 7,21]. [c.418] Для обоих процессов характерны одни и те же механизмы превращения энергии различие имеется только на заключительных стадиях. В уравнениях этих процессов кислород отсутствует, однако оба они включают окислительно-восстановительные реакции. [c.418] Рассматривая конечные продукты спиртового брожения, видно, что этанол можно представить как относительно восстановленное соединение (молекула содержит водород), а СО2 — как относительно окисленное вещество (водород отсутствует). Окисли-тельно-восстановительный процесс в гликолизе проявляется в еще менее отчетливой форме. Тем не менее в молекуле молочной кислоты один конец (метильная группа) находится в более восстановленной форме, чем другой конец (карбоксильная группа). Вместе с тем в исходной молекуле глюкозы атомы водорода распределены более равномерно. [c.418] Учитывая тот факт, что реакции, обеспечивающие выделение энергии, сохраняемой в форме АТФ, при гликолизе и спиртовом брожении идентичны, рассмотрим лишь гликолиз, свойственный более высокоорганизованным клеткам. [c.418] Необходимо отметить, что расчеты относятся к 1,0 М концентрациям веществ. В этом процессе количество выделяющейся энергии значительно больше, чем необходимо для фосфорилирования АДФ до АТФ. [c.419] Гликолиз представляет собой необратимый процесс, равновесие которого полностью смещено в сторону образования молочной кислоты, что можно объяснить значительным уменьшением свободной энергии (АС =—135,9 кДж/моль). В то же время большая часть этапов этого процесса имеет небольшие значения изменений свободной энергии. [c.419] Первая стадия гликолиза (см. стр. 70) начинается с фосфорилирования моносахаридов и образования глюкозо-6-фосфата [1, 3, 7, 9, 12, 15, 16, 22, 23]. Реакции фосфорилирования сопровождаются уменьшением свободной энергии [А0 = —16,7 кДж/моль (—4,0 ккал/моль)], что указывает на их необратимость. В клетках печени идет процесс дефосфорилирования глюкозо-6-фосфата [А0 = —13,8 кДж/моль (—3,3 ккал/моль)], который очень важен для организма, так как при этом регенерируется глюкоза и обеспечивается поступление ее в кровь. Однако он катализируется другой ферментной системой. Изомеризация глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат [АС =-+-1,67 кДж/моль ( + 0,4 ккаЛ/моль)] является обратимой реакцией. [c.419] Важным этапом серии гликолитических реакций является превращение фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат. В этой реакции, определяющей скорость всего процесса гликолиза (см. стр. 70), используется еще одна молекула АТФ (роль донора фосфата могут выполнять также УТФ и ИТФ) [3]. Эта реакция в клетке практически необратима [АС° = —14,2 кДж/моль (—3,4 ккал/моль)]. Обратное превращение фруктозо-1,6-дифосфата во фруктозо-6-фосфат идет в клетке, но оно протекает по другой реакции (гидролиз под действием фермента фосфатазы, А0 = —16,7 кДж/моль). [c.419] Эта экзергоническая реакция и дает возможность предыдущей реакции идти в сторону завершения. [c.420] Эта реакция сильно смещена вправо и завершает окислительно-восстановительный цикл гликолиза. [c.421] Таким образом в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы возникают две молекулы молочной кислоты, а две молекулы АДФ превращаются в две молекулы АТФ. Кроме того, происходит перенос четырех электронов от альдотриозофосфата к пировиноградной кислоте в форме 2НАД-Н-Ь 2Н+. Необходимо отметить, что моносахариды гликогена и крахмала также вовлекаются в процесс гликолиза по описанному механизму [3]. [c.421] Процесс дыхания включает три стадии [3, 7, 9] 1) окислительное образование ацетил-КоА из пировиноградной кислоты, жирных кислот и аминокислот на второй стадии катаболизма углеводов, липидов, белков (см. стр. 392), 2) распад ацетильных групп в цикле трикарбоновых кислот с образованием СОг и атомов водорода (см. стр.399),3) перенос электронов (соответствующих этим атомам водорода) по дыхательной цепи к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду, сопровождающийся большим уменьшением свободной энергии, значительная часть которой запасается в форме АТФ за счет сопряженного с окислением фосфорилирования АДФ. [c.422] Главная функция цикла Кребса для энергетики клетки состоит в высвобождении четырех пар атомов водорода и соответствующих им электронов. Атомы водорода выделяются в результате следующих четырех реакций окисления. [c.422] Реакция имеет эндергонический эффект, но в клетке идет в прямом направлении, так как ее продукты (щавелевоуксусная кислота и НАД-Н) быстро уходят из сферы реакции. Щавелевоуксусная кислота, связываясь с ацетил-КоА, дает начало новому циклу. [c.422] в результате одного цикла Кребса образовалось четыре пары атомов водорода три пары атомов водорода восстановили НАД+, а четвертая—ФАД сукцинатдегидрогеназы, но в конечном итоге все атомы водорода превращаются в ионы Н+, а соответствующее им число электронов переносится по дыхательной цепи к кислороду, отдавая по пути свою энергию на фосфорилирование АДФ (см. стр. 404). [c.423] Чтобы проанализировать энергетические возможности окислительного фосфорилирования, рассмотрим окислительно-восстановительные реакции дыхательной цепи, каждая из которых содержит окислительновосстановительную пару —донор и акцептор электронов —и может быть охарактеризована стандартным восстановительным потенциалом, показывающим способность восстановителя отдавать электрон окислителю [8]. [c.423] С помощью таких же расчетов, предполагающих наличие термодинамического равновесия на каждой стадии и присутствия всех компонентов в стандартных концентрациях (1,0 М), можно найти значения ДО для каждой стадии переноса электронов в дыхательной цепи. Три участка этой цепи, а именно участки между НАД и KoQ, цитохромами Ь п с и между цитохромами а и кислородом, имеют достаточно большое уменьшение свободной энергии, равное соответственно Д0 = = —51 кДж/моль, Д0 =—41,4 кДж/моль, ДО =—99,6 кДж/моль, которое может обеспечить сопряженное фосфорилирование АДФ до АТФ. [c.424] Эти данные ясно показывают, что при сопряженном фосфорилировании запасается около Ю /о [ (91,7/221,0) 100] всей освобождающейся в процессе переноса электронов энергии. [c.424] Общий баланс энергии дыхательной цепи можно подсчитать следующим образом [3, 7]. [c.424] Среди большого числа неясных вопросов [3, 8, 14], касающихся процесса дыхания, особенно много споров вызывал механизм окислительного фосфорилирования. Первоначально для объяснения феномена сопряжения (см. стр. 409) была выдвинута так называемая химическая гипотеза. [c.425] Вернуться к основной статье