Условия протекания ферментативных реакций
Отличительной особенностью реакций, протекающих в живых организмах, является также то, что их скорости и механизмы во многом зависят от условий, влияющих на фермент. Рассмотрим воздействие на ферментативные реакции температуры, pH и эффекторов.
Температура. Понижение температуры от оптимального значения уменьшает скорость всех химических процессов, в том числе ферментативных реакций. Повышение температуры ведёт к разрушению структуры ферментов, что также понижает скорость реакции. То есть для каждого фермента существует некий оптимум температуры. С этим связано поддержание постоянной температуры тела. Температура влияет на константу Михаэлиса.
pH. Структура фермента и фермент-субстратного комплекса создаётся за счёт электростатического взаимодействия различных атомов. Избыточное количество протонов в среде влечёт нарушение этих структур (из-за протонирования аминокислот), что уменьшает скорость ферментативной реакции при отхождении от оптимального значения рН. С этим связано поддержание постоянного pH в тканях организма. рН влияет на константу равновесия.
Эффекторы. Эффекторы – вещества, взаимодействующие с ферментом и ускоряющие или замедляющие его деятельность. Активаторы ускоряют работу фермента, а ингибиторы замедляют. Ингибиторы делятся на обратимые и необратимые. Необратимые портят фермент, уменьшая его концентрацию. Обратимые ингибиторы обратимо связываются с ферментом, но различными механизмами. Конкурентные ингибиторы занимают активный центр фермента вместо субстрата, не претерпевая превращений и мешая образованию фермент-субстратного комплекса. При этом они смещают равновесие в сторону фермента и субстрата (влево), увеличивая константу Михаэлиса. Добавляя больше субстрата, эффект ингибирования может исчезнуть, то есть максимальная скорость реакции не изменяется. Бесконкурентный ингибитор связывается с фермент-субстратным комплексом, стабилизируя это состояние, что также меняет константу равновесия – уменьшает, но во столько же раз уменьшает максимальную скорость реакции. Неконкурентные ингибиторы связываются с ферментом и фермент-субстратным комплексом, мешая каталитическому акту, но при этом не меняя константу равновесия, а просто понижая максимальную скорость реакции. Таким образом константу Михаэлиса-Ментен меняют те ферменты, чьё действие зависит от концентрации субстрата, и наоборот. Аллостерические ингибиторы связываются с ферментом, мешая тому связываться с субстратом. В рамках уравнения Михаэлиса-Ментен этот случай из-за своей сложности не рассматривается.
|
|
|
|
|
|
Видно, что на графике Иди-Хофсти, где тангенс угла наклона равен константе Михаэлиса, конкурентный ингибитор изменяет тангенс, а неконкурентный нет. Аналогичные выводы можно сделать, изучив графики Лайнуивера-Берка.
Примером действия эффекторов в организме является аллостерическое ингибирование АТФ ферментов, которые катализирует его производство. Таким образом поддерживается примерно постоянное содержание АТФ в организме, что является одной из сторон поддержания гомеостаза.
Рибозимы
Как мы уже говорили, изначально все ферменты были молекулами РНК. Такие ферменты называются рибозимами. Эти молекулы наряду с ферментативной функцией обеспечивали хранение, передачу и реализацию генетического материала. Потом часть своих функций они передали ДНК, а часть белкам. Несмотря на это, рибозимы до сих пор остаются очень важными компонентами жизни. После того, как информация транскрибируется с ДНК на матричную РНК, из этой новой молекулы нужно вырезать ненужные в данных условиях участки (интроны) – явление сплайсинга. Поразительно то, что молекулы матричной РНК иногда обладают способностью к автосплайсингу: они перекручиваются таким образом, что интрон вырезается сам собой. Этот процесс идёт очень быстро и избирательно, но каталитическим его назвать нельзя, т.к. молекула фермента не восстанавливается в результате реакции, а претепевает изменения (вырезание интрона). Принципиально другим случаем является каталитический центр рибосомы, в котором для синтеза белков используются рибосомальные РНК – настоящие рибозимы.
|
|
|
Глава 10
Термохимия живого организма
Макроэргические соединения
Вы можете помнить, что гидролиз неорганических солей - процесс эндотермический. Но вот в органике это правило часто нарушается. Обусловлено это тем, что образующиеся при гидролизе связи часто бывают более прочными, чем связи в воде и исходном соединении. Особенно это заметно, когда при гидролизе происходит присоединение гидроксильной группы к атому фосфора. То есть при гидролизе органического соединения по остатку ортофосфорной кислоты (с её последующим отщеплением) будет выделяться много энергии. Рассмотрим самые важные для метаболизма подобные "макроэргические" вещества: аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) и креатинфосфорную кислоту (КФК). Схема гидролиза этих соединений приведена на рисунке, взятом из "Биохимии" Филипповича, но значения свободной энергии Гиббса несколько устарели (и вы могли заметить, что мне пришлось несколько подправить строение креатинфосфорной кислоты).
|
|
|
Итак, как же протекает данная реакция гидролиза. Условно говоря, нам нужно дважды затратить энергию на разрыв связей в воде и АТФ, а затем дважды получить её при образовании связей в ортофосфорной кислоте (Р) и АДФ (АТФ без одного Р). Так вот получим мы энергии больше, а именно -30,5кДж/моль - стандартная свободная энергия Гиббса. Чтобы произвести обратную реакцию конденсации, эту энергию надо затратить. Аналогично обстоит дело с гидролизом креатинфосфорной кислотны, но dG стандартное этой реакции будет составлять -43кДж/моль.
А теперь зачем это всё вообще нужно. Дело в том, что в организме постоянно происходят экзотермические процессы, связанные с катаболизмом. Чтобы энергия не полностью рассеивалась в виде тепла, она "запасается" в виде связей в молекуле АТФ. Далее в нужном месте эта энергия высвобождается с помощью гидролиза. Под нужным местом подразумевается часть клетки, где нужно совершить работу (мышечные сокращения, нервные импульсы, транспорт различных молекул и т.д.). То есть живые организмы стараются минимизировать бесполезную трату энергии в пространство. АТФ используется всеми живыми организмами во всех клетках.
Креатинфосфорная кислота присутствует в больших количествах в мышечных и нервных клетках. Дело в том, что она находится в состоянии равновесия реакции:
КФК + АДФ = АТФ + креатин
Когда АТФ становится слишком много или мало, равновесие смещается по принципу Ле-Шателье-Брауна, и количество АТФ восполняется. Таким образом это позволяет производить работу мышечных и нервных клеток при постоянном оптимальном количестве АТФ. Действие КФК - частный случай поддержания гомеостаза - постоянства внутренней среды (мы встречались с ним, когда говорили о важности осмотического давления и поддержания его на определённом уровне).
Макроэргические соединения являются очень важными, т.к. обеспечивают возможность рационального использования энергии. Без них она бы просто рассеивалась в виде теплового движения.
Анаболизм
Анаболизм – синтез органических веществ, нужных организмам. Различают первичный синтез из неорганики и вторичный из переработанной органики. Когда электромагнитные волны попадают на лист растения, какая-то их часть попадает в хлоропласты, где находятся пигменты: хлорофиллы и каротиноиды, которые при этом излучают электроны (фотоэлектронная эмиссия). То есть электромагнитные волны вышибают эти электроны, а кроме того могут попадать в находящиеся рядом молекулы воды. При этом H2O "разлетается" на 4е, 4р(H+) и 2O. Атомы кислорода соединяются в молекулы O2 и покидают растения (а потом мы ими дышим). Электроны замещают вакантные места в молекулах пигментов (напомним, что электроны оттуда вышибли). Далее действием различных белков на внутренней мембране хлоропластов создаётся разность потенциалов. При достижении ею определённого значения происходит своеобразный пробой диэлектрика, и протоны устремляются сквозь мембрану, вращая фермент АТФ-синтетазу, синтезирующую за счёт энергии вращения АТФ. Кстати, это очень редкий случай, когда электрический ток представляет собой направленное движение только положительнозаряженных частиц! В результате протоны воссоединяются с электронами, образуя атомы водорода, которые диффундируют на переносчиках вместе с АТФ к месту протекания цикла Кальвина. Итак, энергия солнечного света пошла на "фотолиз" воды и выбивание электронов из пигментов. Далее с помощью этой энергии мы получили атомы водорода и АТФ.
Цикл Кальвина. Когда мы накопили 18 молекул АТФ и 24 атома водорода, можно приступать к синтезу глюкозы - первичного органического вещества. Как вы могли догадаться, нам ещё нужны атомы углерода и кислорода, которые берутся из углекислого газа. Суммарное уравнение синтеза глюкозы в цикле Кальвина выглядит так:
6CO2 + 24H = C6H12O6 + 6H2O, dG = 226кДж/моль
Как видите, эта реакция термодинамически невыгодна (изменение свободной энергии Гиббса больше 0), но она протекает за счёт сопряжённого (одновременного) гидролиза 18 молекул АТФ. То есть в итоге все энергетические и энтропийные затраты компенсируются. АТФ при гидролизе как бы точечно воздействует на молекулы, что значительно повышает вероятность их воссоединения в виде глюкозы. А теперь посчитаем: 18 молекул АТФ суммарно имеют выход энергии 18*(-30,5)=-549кДж/моль. А нужно затратить 226. То есть к.п.д. цикла Кальвина = 0,41. Карно бы позавидовал.
Всё, что сейчас было описано, называется фотосинтезом. Органическое соединение (C6H12O6) синтезируется за счёт энергии света, потому что самопроизвольно это термодинамически невыгодный процесс. Суммарно уравнение фотосинтеза выглядит так:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2, dG = 2870кДж/моль
Теперь мы имеем первичное органическое вещество, из которого можно синтезировать все другие: все углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.
Структура живого
Живые организмы постоянно растут и размножаются, то есть постоянно появляются и растут их клетки. А все клетки окружены мембранами. Эти мембраны также образуют внутри клетки различные впячивания и полости - органоиды и ядра, выполняющие те или иные функции. Это нужно для того, чтобы определённые химические реакции шли в определённых местах и условиях, и составляющие их вещества не смешивались в ненужных комбинациях. При этом все мембранные структуры являются того или иного типа пузырями, которые образуются следующим образом. Все мембраны состоят из молекул фосфолипидов. Эти молекулы имеют по одной полярной части, и по одной неполярной. Вода является полярным растворителем, поэтому в ней лучше себя чувствуют полярные части (за счёт сил электростатического притяжения), а неполярные поворачиваются друг к другу. Таким образом, фосфолипиды естественным образом образуют двухслойную мембрану, где полярные части контактируют с водой, а неполярные только друг с другом. Такое положение является более энергетическивыгодным и более вероятным.
Важной задачей (или свойством) мембраны является избирательны транспорт различных веществ внутрь клетки или наружу. Типы транспорта делятся на пассивные (без затраты энергии) и активные (с затратой энергии). Пассивный транспорт может осуществляться за счёт диффузии, осмоса, синпорта (когда две молекулы переносятся вместе) или антипорта (когда одна молекула идёт внутрь, а другая наружу), но всегда по градиенту концентраций или электростатическому градиенту. Активный транспорт осуществляется разными способами, но всегда против градиента и с затратой энергии клетки (например, АТФ).
Но несмотря на то, что тела клеток состоят из фосфолипидных мембран, внутри все реакции проходят с участием белков. Именно белки выполняют все основные функции, кроме функции наследования генетического материала. Они катализируют реакции, образуют различные структуры, вступают в разнообразные реакции и вообще много чего. Понятно, что для такого большого разнообразия функций хорошо бы иметь большое разнообразие белков. И оно достигается за счёт множества вариантов соединения аминокислот в цепочке. А потом эта цепочка сорачивается в определённую сложную структуру. Каким именно образом? Остатки аминокислот взаимодействуют друг с другом и с молекулами воды силами электростатического взаимодействия, придавая самую энергетическивыгодную и вероятную форму всей молекуле. Как и в случае мембран, процесс этот хоть и сопровождается кажущимся отрицательным изменением энтропии, на самом деле является экзотермическим (потому что частицы занимают положения с минимальной потенциальной энергией по законам механики), что приводит к общему увеличению энтропии. Энергия рассеивается хаотическим движением частиц воды и вряд ли соберётся вновь для того, чтобы разрушить структуру белка. Таким образом он спокойно в ней существует.
Из вышесказанного видно, что образование живых структур вполне согласуется с законами термодинамики. Но спецификой живых организмов является тончайшая регуляция всех процессов, что выводит их на совершенно иной уровень сложности. Мы поговорим об этом в самом конце книги.
Катаболизм
Рассмотрим, откуда берётся энергия для жизнедеятельности. Очевиднее это заметно на примере животных: откуда у них энергия для такой активной мышечной работы? Не напрямую от Солнца, а через посредство неких запасов питательных веществ. Если обобщить, то мы увидим, что в организме протекает очень много реакций, для осуществления которых требуется затрата энергии в виде гидролиза АТФ. Это АТФ постоянно синтезируется в процессе распада органических веществ до неорганических - катаболизма.
И хотя почти все вещества в организме могут быть подвержены катаболизму, чаще энергия добывается за счёт углеводов и жиров. В данной статье мы будем вести все расчёты от глюкозы, потому что тогда многие числовые данные мы просто возьмём из предыдущей статьи. Помните уравнение анаболизма? Уравнение катаболизма для глюкозы будет почти таким же, только наоборот:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O, dG = - 2870
Это обыкновенная реакция горения с отрицательным стандартным изменением свободной энергии Гиббса. Но в организме эта реакция имеет очень сложный механизм. Сначала молекула глюкозы подвергается распаду (гликолизу) до пировиноградной кислоты (CH3COCOOH), которая затем в виде ацетил-коферментаА отправляется в цикл Кребса, где "вылетает" весь углекислый газ, оставляя только атомы водорода на переносчиках. Эти атомы водорода подвергаются окислительному фосфорилированию на мембране. Опять создаётся разность потенциалов, и вращается АТФ-синтетаза, синтезируя АТФ из АДФ и Ф. По сути это является последовательным присоединением атомов водорода к атомам кислорода (из молекул O2) с образованием воды. По-другому конечный этап катаболизма называется дыханием: поглощается кислород, а выделяется углекислый газ.
При распаде одной молекулы глюкозы клетка в зависимости от своих биохимических особенностей может получить 36 или 38 молекул АТФ. Если посчитать их суммарную свободную энергию Гиббса для гидролиза: 38*30,5 или 36*30,5, то можно найти к.п.д. дыхания. Итого оно равно 38% или 40%. Остальные 60 - 62% рассеиваются в виде тепла, что также помогает организмам, спасая от переохлаждения.
Буферные системы
Из простых термодинамических систем в организме можно отметить ещё буферные, связанные с pHжидкостей. Мы говорили о том, что pHвлияет на работу ферментов. Из этого вытекает необходимость поддержания pH жидкостей организма на определённом уровне. Кроме того, ионы, изменяющие pH, также влияют на осмотическое давление. Например, в желудке работа пепсина обеспечивается присутствием соляной кислоты. Но если желудок выдерживает сильные колебания рH, то при отклонении значения рН для крови всего на 0,4, наступает смерть. Значит, для крови (и схожих систем) нужны более "аккуратные" механизмы, работающие по принципу буферных систем. Разберёмся для начала, что это за принцип.
Согласно протолитической теории Бренстеда-Лоури, протоны (получающиеся при диссоциации кислот) в среде присоединяются к молекулам воды с образованием ионов гидроксония H3O+. Вода называется в данном случае основанием, т.к. присоединяет к себе протоны. рН среды является отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов гидроксония. Если их много, рН маленький и наоборот. Все другие основания, кроме воды, соответственно повышают рН раствора, забирая часть ионов на себя. На этом и основано действие буферных систем. Разберём всё это на примере гидрокарбонатной буферной системы.
Углекислый газ, растворённый в жидкостях организма, связывается с молекулами воды, образуя угольную кислоту Н2СО3. Этот процесс ускоряется ферментом карбоангидразой. Далее часть молекул диссоциирует (термодинамику диссоциации мы рассматривали ранее) на ионы НСО3- и Н+. Н2СО3 + Н2О = НСО3- + Н3О+. Будем считать это нормальным значением рН. Если теперь в систему (например, плазму крови) попадает избыток кислоты (что неудивительно, если учесть всё количество разнообразных биохимических превращений), то часть избытка ионов гидроксония прореагирует с НСО3-, образуя воду и угольную кислоту. То есть мы вновь сталкиваемся с действием принципа Ле-Шателье-Брауна. Аналогичное происходит при недостатке ионов гидроксония.
Помимо гидрокарбонатной, в живых организмах действуют также, например, фосфатные системы, а также системы, связанные с гемоглобином. Все они, действуя по принципам термодинамики, обеспечивают гомеостаз, а, следовательно, и жизнь.
Глава 11
Сложность живого организма и биосферы
Как мы и обещали, поговорим в конце немного о сложности живых организмов. Поскольку вся наша книга до этого момента демонстрирует эту сложность, мы не будем говорить общие слова, а рассмотрим несколько интересных и показательных примеров.
Мы уже говорили, что АТФ аллостерически ингибирует ферменты, которые участвуют в его синтезе из АДФ, что нужно для поддержания энергетического баланса. Но АТФ также нужно и для синтеза нуклеиновых кислот, где оно наряду с другими нуклеотидами выступает в роли строительного материала в виде АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). По строению АМФ сходно с ГМФ (гуанозинмонофосфорная кислота). Различаются они азотистым основанием: аденин и гуанин соответственно, и имеют общего предшественника – ИМФ (инозинмонофосфорная кислота), где азотистым основанием является инозин. Чтобы ИМФ превратить В АМФ или ГМФ нужно затратить энергию макроэргической связи, но ферменты устроены так, что для реакции ИМФ → АМФ нужен ГТФ, а для реакции ИМФ → ГМФ нужен АТФ.То есть если в клетке больше АМФ, то повышена концентрация и АТФ, то есть с большей вероятностью пойдёт реакция ИМФ → ГМФ. Если больше ГМФ, то из него образуется ГТФ, который направит реакцию по пути образования АМФ. То есть в каждый момент образуется больше того, чего сейчас меньше, то есть всегда поддерживается баланс нуклеотидов. Такая регуляция называется стехиометрической, осуществляется за счёт соотношения количества реагентов по принципу Ле-Шателье-Брауна.
АТФ из АДФ синтезируется в митохондриях на внутренней мембране, выделяясь с внутренней стороны. То сеть синтезированная молекула АТФ изолирована от остальной клетки этой самой мембраной, как же ей пройти через неё? Если мы вспомним строение АТФ, мы заметим, что остатки фосфорной кислоты на ней несут отрицательный заряд, что мешает молекуле пройти через неполярную мембрану. Такой перенос сопровождался бы затратой энергии, но откуда взять эту энергию? Гидролизовать макроэргическую связь бессмысленно, т.к. мы её только что в митохондрии и создали. Если бы для переноса молекулы АТФ нужно было бы разложить молекулу АТФ, энергия бы нигде не запасалась. Однако решение этой проблемы просто и гениально. Когда внутри синтезировалось уже достаточно молекул АТФ, они вместе создают сильный отрицательный заряд, который их расталкивает. В это время с другой стороны мембраны накопилось много молекул АДФ, которые хотят стать АТФ, но для этого им тоже нужно пройти через мембрану, только в противоположном направлении. Эти молекулы несут меньший отрицательный заряд (он меньше на заряд электрона), т.к. остатков фосфорной кислоты на них меньше. Представим теперь, что мы перенесли одну молекулу АТФ из митохондрии, а одну молекулу АДФ внутрь. Можно заметить, что такой перенос электростатическиэквивалентен переносу одного электрона из митохондрии. А это оказывается энергетически и термодинамически выгодно по той причине, что внутри митохондрии, как мы раньше заметили, накопился избыточный отрицательный заряд. Белок, осуществляющий это, работает по принципу антипорта.
За синтез различных белков отвечают всевозможные гены. Но разные комбинации генов должны включаться и выключаться в зависимости от стадии жизни клетки и типа этой клетки. Откуда гены знают, когда им работать, а когда нет? Ответ на это дают (пока что далеко не исчерпывающе) генные сети, но тут мы бы уже слишком углубились в молекулярную биологию и биоинформатику. Живые организмы как-то возникли, как-то взаимодействуют и изменяются, не переставая на каждом этапе функционировать, создавая то, что мы называем биосферой.
Термодинамика – не раздел физики, химии или биологии – это метод познания, то есть упрощения сложности (укрощения сложности), метод предсказаний и т.д. Он содержит простую инструкцию: нужно найти большое количество частиц (насколько большое? смотри теорию вероятности про флуктуации), определить общие законы их взаимодействия и посчитать вероятность различных состояний системы, которую они составляют. Как часто работает этот метод? Как мы увидели, часто, но, конечно, не всегда, но дальше об этом мы предлагаем вам подумать самостоятельно, и вместе ждём новых открытий и идей.
Список литературы
В.В.Кузнецов, Г.А. Дмитриева «Физиология растений»
Н.Гринвуд, А.Эрншо «Химия элементов»
Р.Фейнман «Характер физических законов»
П.Эткинс «Порядок и беспорядок в природе»
И. Пригожин «Введение в термодинамику необратимых процессов»
Ю.Б.Филиппович «Основы биохимии»
К.Ю. Еськов «Удивительная палеонтология. История земли и жизни на ней»
А.С. Ленский «Введение в бионеорганическую и биофизическую химию»
В.Эллиот и Д.Эллиот «Биохимия и молекулярная биология»
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 2482; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!