Использование атф в качестве аккумуляторов энергии. Универсальные формы клеточной энергии. Введение в биоэнергетику

В ходе экзэргонических реакций (например, окислительных) выделяется энергия. Примерно 40-50% ее запасается в специальных аккумуляторах. Выделяют 3 основных аккумулятора энергии:

1. Внутренняя мембрана митохондрий – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. За счет энергии окисления веществ происходит «выталкивание» протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате создается электрохимический потенциал на внутренней мембране митохондрий. При разрядке мембраны энергия электрохимического потенциала трансформируется в энергию АТФ: Е окисл. ® Е эхп ® Е АТФ. Для реализации этого механизма внутренняя мембрана митохондрий содержит ферментативную цепь переноса электронов на кислород и АТФ-синтазу (протонзависимую синтазу АТФ).

2. АТФ и другие макроэргические соединения . Материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами. Обычным энергетическим уровнем возникновения или распада химической связи является ~ 12,5 кДж/моль. Однако имеется ряд молекул, при гидролизе связей которых выделяется более 21 кДж/моль энергии (табл. 6.1). К ним относятся соединения с макроэргической фосфоангидридной связью (АТФ), а также ацилфосфаты (ацетил-фосфат, 1,3-БФГК), енол-фосфаты (фосфоенолпируват) и фосфогуанидины (фосфокреатин, фосфоаргинин).

Таблица 6.1

Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых фосфорилированных соединений

Примечание: 1 ккал = 4,184 кДж

Основным макроэргическим соединением в организме человека является АТФ.

В АТФ цепочка из трех фосфатных остатков связана с 5’-ОН группой аденозина. Фосфатные группы обозначаются как a, b и g. Два остатка фосфорной кислоты соединены между собой фосфоангидридными связями, а a-остаток фосфорной кислоты – фосфоэфирной связью. При гидролизе АТФ в стандартных условиях выделяется -30,5 кДж/моль энергии.

При физиологических значениях рН АТФ несет четыре отрицательных заряда. Одной из причин относительной нестабильности фосфоангидридных связей является сильное отталкивание отрицательно заряженных атомов кислорода, которое ослабевает при гидролитическом отщеплении концевой фосфатной группы. Поэтому такие реакции являются высоко экзэргоническими.

В клетках АТФ находится в комплексе с ионами Mg 2+ или Mn 2+ , координационно связанными с a- и b-фосфатом, что увеличивает изменение свободной энергии при гидролизе АТФ до 52,5 кДж/моль.

Центральное место в приведенной шкале (табл. 9.1.) занимает цикл АТФ « АДФ + Рн. Это позволяет АТФ быть как универсальным аккумулятором, так и универсальным источником энергии для живых организмов . В клетках теплокровных АТФ как универсальный аккумулятор энергии возникает двумя путями:

1) аккумулирует энергию более энергоемких соединений, стоящих выше АТФ в термодинамической шкале без участия О 2 – субстратноефосфорилирование : S ~ Р + АДФ ® S + АТФ;

2) аккумулирует энергию электрохимического потенциала при разрядке внутренней мембраны митохондрии – окислительное фосфорилирование.

АТФ является универсальный источником энергии для совершения основных видов работы клетки (движение, трансмембранный перенос веществ, биосинтезы): а) АТФ + Н 2 О ® АДФ + Рн;
б) АTФ + Н 2 О ® АМФ + РРн. Во время интенсивных упражнений скорость использования АТФ может достигать 0,5 кг/мин. Если ферментативная реакция термодинамически невыгодна, то она может осуществиться при сопряжении с реакцией гидролиза АТФ. Гидролиз молекулы АТФ изменяет равновесное отношение субстратов и продуктов в сопряженной реакции в 10 8 раз.

К макроэргическим соединениям относят также нуклеозидтрифосфаты, которые обеспечивают энергией ряд биосинтезов: УТФ – углеводов; ЦТФ – липидов; ГТФ – белков. В биоэнергетике мышц важное место занимает креатинфосфат.

3. НАДФН+Н + (НАДФН 2) – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный. Это специальный аккумулятор с высокой энергией, который используется в клетке (цитозоль) для биосинтезов. R-CH 3 + НАДФН 2 + О 2 ® R-CH 2 ОН + Н 2 О + НАДФ + (здесь показано создание ОН-группы в молекуле).

Освобождение энергии в живой клетке осуществляется постепенно, благодаря этому на различных этапах ее выделения она может аккумулироваться в удобной для клетки химической форме в виде АТФ. Различают три фазы, которые совпадают со стадиями катаболизма.

Первая фаза – подготовительная. На этой стадии происходит распад полимеров до мономеров в желудочно-кишечном тракте или внутри клеток. Освобождается до 1% энергии субстратов, которая рассеивается в виде тепла.

Вторая фаза – распад полимеров до общих промежуточных продуктов. Для нее характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, заключенной в исходных субстратах. Часть этой энергии аккумулируется в фосфатных связях АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.

Третья фаза – распад метаболитов до СО 2 и Н 2 О с участием кислорода в митохондриях . Примерно 80% всей энергии химических связей веществ освобождается в данной фазе, которая сосредотачивается в фосфатных связях АТФ. Строение митохондрий:

1. Внешняя мембрана МХ отграничивает внутреннее пространство; проницаема для О 2 и ряда низкомолекулярных веществ. Содержит ферменты метаболизма липидов и моноаминов.

2. Межмембранное пространство (ММП) содержит аденилаткиназу
(АТФ + АМФ « 2 АДФ) и ферменты фосфорилирования АДФ, не связанные с дыхательными цепями.

3. Внутренняя мембрана митохондрий (ВМП): 20-25% от всех белков составляют ферменты цепей переноса протонов и электронов и окислительного фосфорилирования . Проницаема лишь для малых молекул (О 2 , мочевина) и содержит специфические трансмембранные переносчики.

4. Матрикс содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот,
b-окисления жирных кислот (основные поставщики субстратов окисления ). Здесь находят ферменты автономного митохондриального синтеза ДНК, РНК, белков и др.

Существует мнение, что реально в клетках существует митохондриальный ретикулум , посредством которого формируется одна гигантская разветвленная митохондрия. При электронномикроскопическом анализе клеток выявляется общепринятая картина отдельных митохондрий, получаемая в результате поперечных срезов разветвленной структуры митохондрии. При гомогенизировании тканей выделяются отдельные митохондрии как результат замыкания разрушенных мембранных структур митохондрии. Единая для клетки мембранная структура митохондрии может служить для транспорта энергии в любые отделы клетки. Такие митохондрии обнаружены в клетках жгутиковых, дрожжей, ряда тканей (мышцы).

У бактерий митохондрий нет , аэробное окисление и образование АТФ протекают в цитоплазматической мембране в особых мембранных образованиях – мезосомах. Мезосомы представлены двумя основными формами – ламмелярной и везикулярной.

В основе биологического окисления лежат окислительно-восстановительные процессы, определяемые переносом электронов . Вещество окисляется, если теряет электроны или одновременно электроны и протоны (водородные атомы, дегидрирование) или присоединяет кислород (оксигенирование). Противоположные превращения – восстановление.

Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом, Е 0 ¢, или ОВП). Редокс-потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах. В качестве стандарта принят редокс-потенциал реакции при рН 7,0: Н 2 « 2Н + + 2е - , равный - 0,42 В. Чем меньше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем легче она отдает электроны и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны. Это правило лежит в основе последовательности расположения промежуточных переносчиков электронов от водородов субстратов до кислорода от НАДН (-0,32 В) до кислорода (+0,82 В).

При изучении окислительных процессов в клетках целесообразно придерживаться следующей схемы использования кислорода (табл. 6.2). Здесь рассматриваются три основных пути: 1) окисление субстрата путем дегидрирования с переносом двух атомов водорода на атом кислорода с образованием Н 2 О (энергия окисления аккумулируется в форме АТФ, на этот процесс расходуется более 90% кислорода) или молекулу кислорода с образованием Н 2 О 2 ; 2) присоединение атома кислорода с образованием гидроксильной группы (повышение растворимости субстрата) или молекулы кислорода (метаболизм и обезвреживание устойчивых ароматических молекул); 3) образование кислородных свободных радикалов, служащих как для защиты внутренней среды организма от чужеродных макромолекул, так и для повреждения мембран в механизмах окислительного стресса. Тканевое дыхание – часть биологического окисления, при котором происходит дегидрирование и декарбоксилирование субстратов с последующим переносом протонов и электронов на кислород и выделением энергии в виде АТФ.

Таблица 6.2

Основные пути использования кислорода в клетках

Субстраты окисления – это молекулы, которые при окислении дегидрируются (теряют 2 Н). В основе классификации лежит представление о том, что стандартная свободная энергия окисления НАДН составляет DG 0 ¢ = -218 кДж/моль. В связи с этой величиной различают 3 вида субстратов:

1. Субстраты I рода (углеводородные) – сукцинат, ацил-КоА.

При их дегидрировании образуются непредельные соединения. Средняя энергия отщепления пары е - около 150 кДж/моль; НАД не может участвовать в дегидрировании субстратов I рода.

2. Субстраты II рода (спиртовые) – изоцитрат, малат. При их дегидрировании возникают кетоны. Средняя энергия отщепления пары е - около 200 кДж/моль, поэтому НАД может участвовать в дегидрировании субстратов II рода.

3. Субстраты III рода (альдегиды и кетоны) – глицеральдегид-3-фосфат, а также пируват и 2-оксоглутарат.

Энергия отщепления пары е - около 250 кДж/моль. Дегидрогеназы субстратов III рода часто содержат несколько коферментов. При этом часть энергии запасается до цепи переноса электронов.

В зависимости от типа субстрата окисления (т.е. от энергии отщепления пары е -) выделяют полную и укороченную дыхательные цепи (цепи переноса электронов, ЦПЭ). ЦПЭ – это универсальный конвейер по переносу электронов от субстратов окисления к кислороду, построенный в соответствии с градиентом окислительно-восстановительного потенциала. Главные компоненты дыхательной цепи расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала. В полную ЦПЭ вступают субстраты II и III рода, в укороченную – субстраты I рода. ЦПЭ встроена во внутреннюю мембрану митохондрий. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду.

В процессе биохимических превращений веществ происходит разрыв химических связей, сопровождающийся выделением энергии. Это свободная, потенциальная энергия, которая не может непосредственно использоваться живыми организмами. Она должна быть преобразована. Существует две универсальной формы энергии,которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работ:

1) Химическая энергия, энергия макроэргических связей химических соединений. Химические связи называют макроэргическими в том случае, если при их разрыве высвобождается большое количество свободной энергии. Соединения имеющие такие связи-макроэргические. Молекула АТФ имеет макроэргические связи.Обладает определенными свойствами, которые обуславливают ее важную роль в энергетическом метаболизме клеток:

· Термодинамическая нестабильность;

· Высокая химическая стабильность. Обеспечивает эффективное сохранении энергии, т.к препятствует рассеиванию энергии в виде тепла;

· Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической или химической работы;

· Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ имеет среднее значение, что и позволяет ему наилучшим образом выполнять энергетические функции, т.е переносить энергию от высокоэнергетических к низкоэнергетическим соединениям.

АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов, в молекулах АТФ энергия хранится очень не долго (продолжительность жизни АТФ-1/3 часть секунды). Тут же расходуется на обеспечение энергии всех протекающих в данный момент процессов.Энергия, заключенная в молекуле АТФ, может использоваться в реакциях, протекающих в цитоплазме (вбольшинстве биосинтезов, а так же в некоторых мембранозависимых процессах).

2) Электрохимическая энергия (энергия трансмембранного потенциала водорода)Δ . При переносе электронов по окислительно-восстановительной цепи, в локализованных мембранах определенного типа, называемых энергообразующимиили сопрягающими, происходит неравномерное распределение протонов в пространстве по обе стороны мембраны, т.е на мембране возникает ориентированный поперек, или трансмембранный градиент водорода Δ , измеряемый в вольтах.Разрядка образующегося Δ приводит к синтезу молекул АТФ. Энергия в форме Δ может использоваться в различных энергозависимых процессах, локализованных на мембране:

· Для поглощения ДНК в процессе генетической трансформации;

· Для переноса белков через мембрану;

· Для обеспечения движения многих прокариот;

· Для обеспечения активного транспорта молекул и ионов через цитоплазматическую мембрану.

Не вся свободная энергия, полученная при окислении веществ, переводится в доступную для клетки форму и аккумулируется в АТФ. Часть образовавшейся свободной энергии рассеивается в виде тепловой, реже световой и электрической энергии. Если клетка запасает энергию больше, чем может истратить на все энергопотребляющие процессы, она синтезирует большое количество высокомолекулярных запасных веществ (липиды). При необходимости эти вещества подвергаются биохимическим превращениям и снабжают клетку энергией.

За счет энергии света в фотосинтезирующих клетках образуются АТФ и некоторые другие молекулы, играющие роль своеобразных аккумуляторов энергии. Возбужденный светом электрон отдает энергию для фосфорилирования АДФ, при этом образуется АТФ. Аккумулятором энергии, помимо АТФ, является сложное органическое соединение - никотинамидадениндинуклеотидфосфат, сокращенно НАДФ+ (так обозначают его окисленную форму). Это соединение захватывает возбужденные светом электроны и ион водорода (протон) и восстанавливается в результате этого в НАДФН. (Эти сокращения: НАДФ+ и НАДФ-Н - читаются соответственно как НАДЭФ и НАДЭФ-АШ, последняя буква здесь - символ атома водорода.) На рис. 35 показано никотинамидное кольцо, несущее богатый энергией водородный атом и электроны. За счет энергии АТФ и при участии НАДФН происходит восстановление углекислого газа до глюкозы. Все эти сложные процессы происходят в клетках растений в специализированных клеточных органеллах

В процессе биохимических превращений вещ-в происходит разрыв химической связи сопровождающихся выделением энергии. Это свободные потенциальные энергии, которые не могут использоваться живыми организмами, а должна быть преобразована в биологически усвояемую форму энергии. Существуют 2 универсальные формы энергии которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работы:

1. химическая энергия- энергия макроэргических связей химических соединений. Химические связи называются макроэргическими потому что при их разрыве восвобождается много энергии. Молекула АТФ обладает определенными свойствами которые обуславливают ее важную роль в энергетическом метаболизме клеток:

Термодинамическая нестабильность

Высокая химическая стабильность обеспечивает эффективное сохранение энергии т к препятствует рассеиванию энергии в виде тепла

Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки где необходим подвод энергии извне для выполнение химической осмотической механической работы

Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ имеет среднее значение что и дает ему возможность наилучшим образом выполнять энергетические функции, переносить энергию к низкоэнергетическим соединениям.

АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов. В молекулах АТФ энергия хранится совсем недолго (1/3 сек) и тут же расходуется на обеспечение энергии всех протекающих в данный момент процессы. Энергия, заключенная в молекуле АТФ может использоваться:

1. в реакции протекающих в цитоплазме

2. в некоторых мембрано-зависимых процессах.

Электрохимическая энергия- энергия трансмембранного потенциала ионного водорода. При переносе электронов по окисл-вост цепи расположенных в мембранах определенного типа, которые называются энерго-преобразующими или сопрягающими, происходит не равномерное распределение протонов в пространстве по обе стороны мембраны т е на мембране возникает градиент ионов водорода который измеряется в вольтах. При его разрядке происходит синтез молекулы АТФ. Электрохимическая энергия может использоваться в различных энергозависимых процессах лаколизованых на мембране. Относится: поглощение ДНК при трансформации, перенос белков через мембрану, активное движение в бактериях. Не вся свободная энергия окисления вещ-в переводится в доступную для клетки форму и аккумулируется в АТФ. Часть свободной энергии рассеивается в виде тепла, световой или электрической энергии. Если клетка запасает энергию больше чем может истратить не все энергопотребляющие процессы, тогда она синтезирует запасные вещ-ва.

АТФ - универсальный накопитель биологической энергии. Ее роль для всего живого была сформулирована академиком АМН СССР В. А. Энгельгардтом в 1940 г. следующим образом: «Любой клеточный накопитель энергии образует АТФ, любой расход энергии в клетке оплачивается АТФ». Это правило справедливо и для мышечных клеток и клеток мозга, где энергия накапливается дополнительно.

В китайской традиции существует понятие четырех биграмм или четырех фундаментальных энергий : трансцендентная энергия , энергия начала, о ней никогда не говорится в книгах, поскольку, она вездесуща и без нее ничего бы не существовало; ...

Молекула АТФ содержит три остатка фосфорной кислоты. Связи между ними (в присутствии фермента АТФазы) легко разрываемы. При отщеплении от одной молекулы АТФ одной молекулы фосфорной кислоты выделяется 40 кДж энергии, поэтому связи называют макроэргическими (несущими большое количество энергии).

Преобразование химически связанной в АТФ энергии в механическую (необходимую для осуществления мышечного сокращения), электрическую, световую, звуковую энергию осмоса и другие ее виды, обеспечивающие синтез пластических веществ в клетке, рост , развитие , возможность передачи наследственных признаков, осуществляется в головке элементарных частиц дыхательных ансамблей благодаря присутствию в них, т. е. в тех же частицах, где происходит ее синтез. Выделяющаяся при распаде АТФ энергия непосредственно переходит в биологическую, необходимую для синтеза белков, нуклеотидов и других органических соединений, без которого рост и развитие организма невозможны. Запасы энергии в АТФ используются для осуществления движений, генерации электричества, света, для выполнения любой функции клетки и ее органелл.

Запасы АТФ в клетке ограничены. В мышечных волокнах они могут обеспечить энергией всего лишь 30-40 сокращений, а в клетках других тканей их еще меньше. Для пополнения запасов АТФ должен постоянно происходить ее синтез - из (АДФ) и неорганического фосфата, который осуществляется с участием фермента АТФсинтетазы. Поэтому большое значение для управления процессом синтеза АТФ имеет соотношение между концентрациями АТФ и АДФ (активностью АТФсинтетазы). При недостатке АДФ благодаря наличию АТФазы в активном центре будет ускоряться гидролиз АТФ, который, как отмечалось, связан с процессом окислительного, зависит от состояния переносчиков водорода и кислорода.

Чем больше НАД и меньше восстановленной его формы, чем больше окисленного цитохрома с и АДФ, тем скорость синтеза АТФ выше. Наряду с другими ферментами и коферментами в качестве основных регуляторов работы дыхательных ансамблей выступают на первом этапе переноса водорода от субстрата НАД - НАД на втором - переносчик электронов на кислород , цитохромы, и на заключительном этапе - соотношение между АТФ и АДФ.