Биоэнергетика клетки

Биоэнергетика клеточки


Чтоб осознать суть процессов обмена энергии, нужно познакомиться с рядом общих положений термодинамики. 1-ый закон термодинамики – это закон о сохранении энергии. Этот закон утверждает, что энергию нельзя ни сделать, ни убить. Математически 1-ый закон термодинамики можно выразить формулой:

Q = ∆H + W',

где Q – энергия в виде теплоты; ∆H – изменение энтальпии (либо теплосодержания системы) при неизменном давлении; W' – нужная работа, выполненная благодаря введению определенного количества теплоты Q.

Данное уравнение справедливо для безупречной обратимой системы, т.е. таковой системы, которая, будучи приведенной, в новое состояние методом поглощения энергии, может вновь вернуться в начальное состояние и высвободить то же самое количество ранее поглощенной энергии. Последняя может быть применена для совершения новейшей работы. Но в природе стопроцентно обратимых систем не существует. Самопроизвольно хим процессы могут протекать только в одном направлении – в направлении состояния равновесия. Предсказать направление биохимических реакций позволяет 2-ой закон термодинамики, согласно которому все самопроизвольные процессы протекают в направлении, соответственном наибольшей при данных критериях энтропии (S), до заслуги состояния равновесия системы. Энтропия (S) – мера разупорядоченности системы. Повышение энтропии системы препятствует возврату к начальному состоянию. Потому все реакции, которые сопровождаются возрастанием энтропии, необратимы. Для воззвания их затрачивают дополнительную энергию.



Для воплощения катаболизма и анаболизма клеточкам нужна свободная энергия, так как только свободная энергия способна создавать работу при неизменной температуре и давлении. Ее изменение обозначают эмблемой ∆G. Ту же часть энергии хим процесса, которая не может быть преобразована в работу, именуют связанной энергией и выражают произведением T∆S (где T – абсолютная температура, а ∆S – изменение энтропии системы при данном хим превращении). Сумма конфигураций свободной и связанной энергий именуется энтальпией (либо теплосодержанием системы). И, как ранее говорилось, обозначается эмблемой ∆H. 2-ой закон термодинамики можно выразить формулой:

∆H = ∆G + T∆S либо ∆G = ∆H – T∆S

Если (к примеру, в процессе реакции А → В) величина ∆G имеет отрицательное значение, то это значит, что свободная энергия вещества В меньше, чем свободная энергия вещества А. в данном случае реакция может происходить самопроизвольно с выделением свободной энергии (экзотермический процесс). Напротив, если ∆G – положительная величина, то свободная энергия у вещества В выше, чем у соединения А, и самопроизвольно реакция протекать не может. Она протекает с потреблением энергии снаружи (эндотермический процесс). Если система находится в состоянии равновесия, то количество свободной энергии (∆G) равно нулю.

Величины ∆G могут выражаться в джоулях на моль либо калориях на моль.

Изменение стандартной свободной энергии хим реакции можно вычислить:

∆Go = – RT lnК,

где К – константа равновесия, R – универсальная газовая неизменная (1,987 кал/моль*К).

А + В С + Д,

К = [C] [Д]

[A] [B] ,

Стандартные условия: t = 25 oC, давление 1 атм, [A], [B], [C], [Д] – молярная концентрация реагирующих веществ в состоянии равновесия при стандартных критериях. Если К > 1, то ∆Go > 0; при К < 1 , ∆Go < 0.

∆Go – это разность меж свободной энергией начальных веществ и свободной энергией товаров реакции при стандартных критериях и начальной концентрации веществ 1 М.

Отрицательное значение ∆Go значит, что в продуктах реакции содержится меньше свободной энергии, чем в начальных субстанциях. Так как реакции идут в направлении, соответственном уменьшению свободной энергии, то в данном случае равновесие будет смещено на право.

Положительное значение ∆Go значит, что продукты реакции содержат больше свободной энергии, чем начальные вещества.


Загрузка...

Биохимические реакции происходят обычно при рН = 7,0, поэтому в биоэнергетике в качестве стандартного принято состояние при рН = 7,0. Изменение свободной стандартной энергии обозначается при всем этом ∆Go '.

Пример. Вычислим ∆G'стандартной свободной энергии для реакции, катализируемой ферментом фосфоглюкомутазой.

ФГМ

Гл-1-Р Гл-6-Р

Фермент не сдвигает равновесие реакций, а только ускоряет достижение равновесия. Измеренные сбалансированные концентрации

Гл-1-Р – 0,001 М

Гл-6-Р – 0,019 М

К' = 0,019 / 0,001 = 19

∆Go ' = – 1,7 ккал / моль,

Таким макаром, перевоплощение Гл-1-Р в Гл-6-Р протекает с потерей свободной энергии.

Величина ∆Go ' – строго определенная константа, соответствующая для каждой реакции, при этом, в стандартных критериях 1 М; рН = 7,0; t = 25 оС.

Настоящее же изменение свободной энергии ∆G для данной хим реакции находится в зависимости от критерий, при которых эта реакция практически протекает (условия – хорошие от стандартных). ∆G связана с величиной ∆Go ' выражением

∆G = ∆Go ' + RT ln К

Пример. В эритроцитах человека установлены сбалансированные концентрации АТФ – 2,25 мМ; АДФ – 0,25 мМ; Рн – 1,65 мМ. Примем для простоты что t = 25 оС, рН = 7,0.

Настоящее изменение свободной энергии гидролиза:

∆G = ∆Go ' + RT ln К =

= – 7300 + 1360 lg [ 2,5· 10-4 · 1,65·10-3] : 2,25·10-3 =

= – 7300 + 1300 lg 1,83 ·10-4 = –12,4 ккал / моль.

При синтезе АТФ из АДФ и Рн – затрачивается 12,4 ккал / моль.

Конфигурации стандартной свободной энергии поочередно протекающих хим реакций аддитивны, т.е.

∆Go ' 3= ∆Go ' 1+ ∆Go '2

АТФ – главный хим посредник клеточки, связывающий меж собой процессы, идущие с выделением либо потреблением энергии.

Свойственное значение стандартной свободной энергии гидролиза АТФ можно вычислить. В стандартных критериях для реакции

АТФ + Н2О АДФ + Рн

∆Go ' составляет – 7,3 ккал / моль, ∆Go ' для реакции

АДФ + Н2О АМФ + Рн

также составляет – 7,3 ккал / моль.

Величина ∆Go ' гидролиза АМФ уже существенно ниже – 3,4 ккал / моль.

Хотя при стандартных критериях величина ∆Go ' гидролиза АТФ – 7,3 ккал / моль, настоящее значение в интактных клеточках может отличаться от этой величины. Разъясняется это тем, что концентрации АТФ, АДФ и Рн в живых клеточках неодинаковы, намного ниже стандартной концентрации 1М.

Высокоэнергетические фосфаты. Освобождающаяся в клеточках в итоге катаболических процессов распада питательных веществ свободная энергия в предстоящем может быть применена для воплощения многих хим реакций, протекающих с энергозатратой.

Запасание энергии происходит в виде богатых энергией хим связей особенного класса соединений, большая часть из которых является ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Есть высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих 2-ух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи. Как следует, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) фосфатную связь. Когда молвят о богатых энергиях связях, то в данном случае энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (обеспеченными энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых конфигурации свободной энергии системы (–∆G) составляют более 21 кДж/моль (либо более 5 ккал/моль).

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов производит система адениновых нуклеотидов, которая содержит в себе АТФ, АДФ и АМФ, также неорганический фосфат (Фн) и ионы магния. АТФ является термодинамически неуравновешенной молекулой и гидролизуется с образованием АДФ либо АМФ. Эта самая неустойчивость позволяет АТФ делать функцию переносчика хим энергии, нужной для ублажения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, владеющим богатой энергией связью, кроме АТФ, относятся также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатин фосфат, пирофосфат, некие тиоэфиры (к примеру, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бисфосфоглицерат и ряд других соединений. Но образование этих соединений почти всегда находится в зависимости от энергии, поставляемой АТФ.

Стандартные условия: 1,0 М концентрации начальных и конечных товаров, рН 7,0, температура 37оС и излишек ионов магния. В этих критериях при гидролизе АТФ (АТФ + Н2О → АДФ + Фн) изменение свободной энергии (–∆G) составляет –30,4 кДж/моль. При физиологических критериях в клеточке не имеется таких больших концентраций веществ и их товаров, также ионов магния. Не считая того, вероятны отличия и в значениях рН. Потому в физиологических критериях настоящая свободная энергия (–∆Gф) гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет другая и приближается к –50,0 кДж/моль.

Величина –∆G для других соединений отличается от стандартной (–∆Gо), но не непременно в сторону огромных значений.

Заметим, что АТФ, хотя и служит главным энергетическим посредником в обмене веществ, не является веществом более «богатым» энергией. АТФ находится посреди энергетической шкалы.

Может быть несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант – это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4). Этот тип реакций существенно пореже употребляется в биохимических процессах. Образующийся пирофосфат относится к «богатым энергией» субстанциям. Но богатые энергией связи пирофосфата изредка употребляются для синтеза других веществ, т.к. при его гидролизе энергия освобождается в виде теплоты.

При гидролизе концевой фосфатной связи АДФ высвобождается такое же количество энергии, как и при отщеплении концевой фосфатной связи АТФ. Казалось бы, что АДФ может в почти всех реакциях поменять АТФ, а именно в реакциях фосфорилирования. Но эта возможность не реализуется в биохимических процессах. До сего времени реакции фосфорилирования при участии АДФ неопознаны. В реальности происходит гидролиз АДФ (АДФ + Н2О → АМФ + Н3РО4) до низкоэнергетических АМФ и фосфата с выделением теплоты.

Заключение. Метаболизм – это закономерный порядок перевоплощения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение. Обмен веществ и энергии неразрывно связаны. Первичным источником энергии для всей живой природы является солнечное излучение. Автотрофные и гетеротрофные организмы. Три главные стадии в аэробном катаболизме. Биоэнергетика клеточки. Свободная энергия. Скопление энергии в специфичных фосфатных связях АТФ лежит в базе механизма переноса энергии в живой клеточке. Три главных типа перехода энергии АТФ в клеточке: в энергию хим связей, в термическую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электронной, механической и др.).




Возможно Вам будут интересны работы похожие на: Биоэнергетика клетки:


Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Cпециально для Вас подготовлен образовательный документ: Биоэнергетика клетки