Принципы функционирования биоэнергетических систем

Модульная единица 6. Биохимическая энергетика.

Рассматриваемые вопросы.

Ключевые слова: биохимическая энергетика, биохимическая система, энтропия, энтальпия, теплота сгорания веществ, экзотермические и эндотермические реакции, самопроизвольные реакции, свободная энергия, экзергонические и эндергонические реакции, сопряжённые реакции синтеза веществ, макроэргические соединения, фототрофные и хемотрофные организмы, катаболические и анаболические реакции.

Лекция 3. Основы биохимической энергетики.

Аннотация. Излагаются закономерности биоэнергетических превращений в живых организмах. Рассматриваются возможности использования термодинамических функций (внутренняя энергия системы, энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса) для характеристики энергетических превращений в ходе биохимических реакций. Изучаются термодинамические условия для осуществления сопряжённого синтеза веществ в живых организмах. Указывается роль макроэргических соединений в сопряжённом синтезе веществ и осуществлении связи между катаболическими и анаболическими реакциями. Рассматриваются основные группы макроэргических соединений и пути образования АТФ в организмах.

1. Принципы функционирования биоэнергетических систем.

2. Тепловые эффекты биохимических реакций.

3. Термодинамические критерии направленности биохимических превращений.

4. Сопряжённый синтез веществ.

5. Общие закономерности осуществления биоэнергетических процессов в организмах.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить закономерности биоэнергетических превращений в организмах. Научить студентов использовать сведения по биохимической энергетике для прогнозирования интенсивности и направленности биохимических процессов в растительных организмах и обоснования изменений химического состава растительной продукции.

В клетках живого организма одновременно происходят многие тысячи биохимических реакций, которые сопровождаются выделением или поглощением энергии, а также превращением одних форм энергии в другие. Так, например, в листьях растений в ходе фотосинтеза осуществляется поглощение электромагнитной энергии солнечного света и превращения её в электрическую энергию заряженных частиц, которая затем в хлоропластах трансформируется в энергию трансмембранного электрохимического потенциала, инициирующего синтез молекул АТФ. А с участием АТФ проходит синтез жизненно важных органических веществ. И таким образом энергия солнечного света переходит в энергию химических связей органических веществ, синтезируемых в растительном организме. Как узнаем далее, часть поглощённой листьями световой энергии превращается в тепло и энергию излучения в виде флуоресценции и фосфоресценции.

У всех живых организмов в процессе биохимических реакций дыхания происходит превращение химической энергии углеводов, жиров, азотистых веществ в тепловую энергию, а также энергию мембранных потенциалов внутриклеточных структур и химическую энергию АТФ, восстановленных динуклеотидов, которые затем становятся источниками энергии для синтеза новых органических веществ, необходимых для поддержания жизненных функций организма. Совокупность всех биоэнергетических превращений в организме, обеспечивающих его нормальную жизнедеятельность в изменяющихся условиях окружающей среды, изучает раздел биохимии, называемый биохимической энергетикой.

В связи с тем, что основу жизненных явлений, происходящих в организме, составляют химические и физические процессы, для изучения биоэнергетических превращений применяются законы химической термодинамики. И поэтому для оценки энергетических параметров биохимических реакций используются термодинамические функции – внутренняя энергия системы (U), энтальпия (Н), энтропия (S), свободная энергия Гиббса (G) и др. При этом в ходе биохимических превращений определяются не абсолютные их значения, а изменения термодинамических функций - DU, DH, DS, DG. Очень часто такие изменения термодинамических функций оценивают при стандартных условиях и тогда их обозначают специальным символом - DU˚, DH˚, DS˚, DG˚.

За стандартные условия в биохимической энергетике принимаются: давление 101,3 кПа, температура 25˚С (298,16 К), концентрация веществ 1 моль/л, рН физиологической среды 7,0. Кроме того, следует учитывать, что биохимические реакции, катализируемые ферментами, протекают очень быстро и они осуществляются при атмосферном давлении и температуре, которые изменяются очень медленно. Поэтому можно считать, что биоэнергетические превращения в ходе биохимических реакций происходят при постоянной температуре и постоянном давлении.

В результате определения изменений термодинамических функций можно выяснить, происходит ли в ходе биохимического процесса выделение или поглощение энергии, установить возможность трансформации различных видов энергии и решить вопрос о количестве выделяемой или поглощаемой энергии. На основе полученных таким образом данных можно оценить вероятность самопроизвольного осуществления биохимических реакций, а также выявить возможные источники энергии для осуществления биосинтетических процессов.

Живые организмы, их клетки и многие компоненты внутриклеточных структур представляют собой открытые термодинамические системы, которые обмениваются и веществом, и энергией с окружающей средой. При этом такой обмен является необходимым условием поддержания их жизнедеятельности. Если обмен организма веществом и энергией с окружающей средой прекращается, то организм погибает. Так, например, растения не могут произрастать без света, кислорода, углекислого газа, поступления воды и питательных веществ. Человек и животные не могут жить без пищи, воды и кислорода.

Простейшая биохимическая система включает реагирующие вещества, продукты реакции, а также фермент, катализирующий данную биохимическую реакцию. Реагирующие вещества поступают в биохимическую систему из окружающей физиологической среды, а продукты реакции выходят из системы в окружающую среду. В зависимости от характера биохимического превращения в ходе реакции может происходить выделение в том или ином виде энергии в окружающую среду или, наоборот, поглощение энергии из окружающей среды, в результате чего будет происходить изменение внутренней энергии биохимической системы. В том случае, когда система выделяет определённое количество энергии в окружающую среду, общий запас её внутренней энергии уменьшается, а при поглощении энергии из окружающей среды – увеличивается.

Изменение внутренней энергии системы происходит в соответствии с первым законом термодинамики – законом сохранения энергии, который для открытых систем имеет следующую формулировку: при любом процессе сумма внутренней энергии системы и энергии окружающей среды остаётся величиной постоянной. Исходя из этого, изменение внутренней энергии системы равно алгебраической сумме всех энергий, уходящих из системы в окружающую среду и входящих в неё из окружающей среды.

Общий запас внутренней энергии биохимической системы зависит от её состава, массы, потенциальной и кинетической энергии молекул, атомов и частиц, входящих в состав системы, внутримолекулярной, внутриядерной и гравитационной энергии, термодинамических параметров (температуры, давления, объёма), а также обмена веществами и энергией с окружающей средой. Вместе с тем внутренняя энергия системы является функцией её состояния. В процессе биохимических превращений система переходит из одного термодинамического состояния в другое, при этом изменение внутренней энергии системы не зависит от пути перехода, а определяется разностью между конечным (U₂) и начальным состоянием (U₁) и поэтому можно записать DU = U₂ – U₁. И каким бы путём не осуществлялся переход системы от состояния U₁ к состоянию U₂, через ряд промежуточных стадий или в результате прямого превращения, согласно первому закону термодинамики величина DU не изменяется.

Это важное положение используется в биохимической энергетике для оценки энергетических изменений в ходе биологического окисления веществ, которое осуществляется в клетках организмов постепенно, проходя множество промежуточных стадий. Однако суммарный энергетический эффект окисления в этих процессах равен количеству энергии, которое выделяется при сгорании органических веществ. Поэтому, сопоставляя теплоту сгорания исходных веществ и образующихся при биологическом окислении кислородом продуктов, можно с достаточно высокой точностью определять энергетические изменения в ходе указанных биохимических реакций.

6. Теплота сгорания некоторых биохимических

продуктов (кДж×моль^-1)

Биохимические Продукты	Теплота сгорания	Биохимические Продукты	Теплота сгорания
щавелевая кислота молочная кислота глюкоза фруктоза сахароза мальтоза глицерин этанол уксусная кислота пировиноградная кислота		глутаровая кислота янтарная кислота пальмитиновая кислота олеиновая кислота стеариновая кислота индол салициловая кислота аланин глицин валериановая кислота ванилин

С помощью термодинамических расчётов и в специальных экспериментах доказано, если в процессе горения вещества система не совершает никакой работы, то по количеству выделившегося тепла можно судить об изменении внутренней энергии системы, так как в таком процессе DU = Q. В связи с этим для многих органических соединений, являющихся продуктами биохимических реакций, определена теплота сгорания (табл. 6), которая представляет собой термохимический показатель, выражающий, количество тепла при полном сгорании 1 моля вещества с образованием высших оксидов.

6.2. Тепловые эффекты биохимических реакций.

В большинстве биохимических систем реакции проходят при постоянном давлении, поэтому их тепловые эффекты определяются изменением термодинамической функции, называемой энтальпией: Q = DН. Поскольку энтальпия является функцией, характеризующей термодинамическое состояние системы, величина изменения этой функции не зависит от путей перехода системы от начального к конечному состоянию или последовательности биохимических реакций, а определяется как разность между её конечным и начальным состоянием: DН = Н₂ – Н₁.

В ходе эндотермической реакции происходит поглощение тепла (из окружающей среды) в результате чего энтальпия системы увеличивается и тогда изменение энтальпии будет величиной положительной (DН > О). В экзотермической реакции выделяется тепловая энергия в окружающую среду, поэтому энтальпия в ходе такой реакции уменьшается, а изменение энтальпии становится отрицательной величиной (DН < О). Для многих биохимических продуктов определены стандартные энтальпии образования, которые численно равны изменению энтальпии в реакции образования 1 моля конкретного химического соединения из элементов или простых веществ при стандартных термодинамических условиях. Некоторые из этих показателей приведены в таблице 7.

Зная стандартные энтальпии образования реагирующих веществ и продуктов реакции, можно не прибегая к измерениям, определить расчётным путём тепловой эффект любой биохимической реакции, который численно равен изменению энтальпии в ходе данного превращения. В соответствии с законом Гесса изменение энтальпии в ходе реакции при стандартных условиях равно разности между суммой стандартных энтальпий образования продуктов реакции и суммой стандартных энтальпий образования реагирующих веществ с учётом коэффициентов в уравнении реакции:

DН˚ реакции = ∑ DН˚ продуктов - ∑ DН˚ реагентов

Для реакции хА + уB ® nС + кD изменение энтальпии можно рассчитать по формуле: DН˚реакции = (nDН˚C + кDН˚D) – (хDН˚A + уDН˚B).

7. Стандартные энтальпии образования (DН˚) и стандартные

энтропии (S˚) некоторых биохимических продуктов

Биохимические продукты	DН˚ (кДж×моль-1)	S0 (Дж×моль-1× К-1)
Н2О (жидкость) СО2 (газ) NH3 (газ) муравьиная кислота уксусная кислота a-D-глюкоза b-D-глюкоза сахароза глицерин D,L-глицин D,L-аланин L-аспарагиновая кислота L-аспарагин L-глутаминовая кислота бензойная кислота щавелевая кислота этиловый спирт пропанол изопропанол	-286 -394 -46 -377 -487 -1247 -1268 -2224 -670 -531 -566 -978 -793 -1010 -385 -827 -278 -660 -261

В качестве примера рассмотрим реакцию синтеза аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака:

	O // СН2-СООН CH2-C- NH2 | + NH3 ¾® | + H2O Н2N-CH-COOH Н2N-CH-COOH аспарагиновая кислота аспарагин

DН˚реакции = (DН˚аспарагина + DН˚н₂о) – (DН˚асп.кислоты +

DН˚NH₃) = (-793-286) – (-978-46) = -1079 + 1024 = -55 кДж.

Поскольку изменение энтальпии при синтезе аспарагина из аспарагиновой кислоты имеет отрицательное значение, то это – экзотермическая реакция, в ходе которой выделяется тепловая энергия (55 кДж в расчёте на каждый моль синтезируемого аспарагина при стандартных условиях).

В соответствии с законом Гесса тепловой эффект реакции можно также определить по теплоте сгорания реагирующих веществ и продуктов реакции. Особенно это важно для тех процессов, в которых участвуют биохимические компоненты с неизвестной величиной стандартной энтальпии образования. Тепловой эффект такой реакции будет равен разности между суммарным значением теплоты сгорания реагирующих веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции (с учётом коэффициентов в уравнении реакции).