14.6. Изменения стандартной свободной энергии химических реакций аддитивны

Рассмотрим две последовательно протекающие химические реакции:

Каждая из этих реакций характеризуется определенной константой равновесия и определенным изменением стандартной свободной энергии, и Поскольку эти две химические реакции протекают последовательно одна за другой, мы можем исключить компонент В и записать суммарную реакцию в виде

Суммарная реакция также имеет свою константу равновесия, и, следовательно, для нее можно рассчитать изменение стандартной свободной энергии Это подводит нас к очень важному свойству изменений стандартной свободной энергии. Оказывается, величины последовательно протекающих химических реакций аддитивны. Изменение стандартной свободной энергии суммарной реакции , которое мы обозначили через равно алгебраической сумме изменений стандартной свободной энергии двух ее отдельных стадий, т.е. величин и

Это соотношение крайне важно, поскольку оно дает возможность легко вычислять изменения стандартной свободной энергии для различных последовательностей метаболических реакций. Например, при расщеплении гликогена в мышцах (о котором будет идти речь в следующей главе) протекают две последовательные реакции:

Уравнение суммарной реакции имеет вид

Изменение стандартной свободной энергии этой реакции можно определить как алгебраическую сумму величин последовательных стадий:

Часто оказывается возможным вычислить изменение стандартной свободной энергии для какой-либо реакции даже в том случае, когда константа истинного равновесия этой реакции нам не известна. Это можно сделать, если удастся связать исследуемую реакцию с какой-нибудь другой реакцией (для которой известна величина ) и определить константу равновесия суммарной реакции

14.7. АТР - главный химический посредник клетки, связывающий между собой процессы идущие с выделением и с потреблением энергии

Теперь, познакомившись с некоторыми основными законами, которые регулируют обмен энергии в химических системах, мы можем обратиться к рассмотрению энергетического цикла в клетках. Для гетеротрофных клеток источником свободной энергии, получаемой в химической форме, служит процесс расщепления, или катаболизм, пищевых молекул (в основном углеводов и жиров). Эту энергию клетки используют в следующих целях: 1) для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера; 2) для выполнения механической работы, например мышечного сокращения, 3) для переноса веществ через мембраны против градиента концентрации и 4) для обеспечения точной передачи информации. Главным связующим звеном между клеточными реакциями, идущими с выделением и с потреблением энергии, служит аденозинтрифосфат (АТР; рис. 14-2).

Рис. 14-2. А. Структуры АТР, ADP и АМР Фосфатные группы АТР обозначают греческими буквами (альфа), (бета) и (гамма). Концевая фосфатная группа АТР может переноситься с помощью ферментов на различные акцепторы фосфата. При pH 7 фосфатные группы полностью ионизованы. Е. Пространственная модель молекулы АТР

При расщеплении высокоэнергетического клеточного топлива часть содержащейся в этом топливе свободной энергии улавливается, в том смысле что она используется для синтеза АТР из аденозиндифосфата (ADP) и неорганического фосфата - процесса, требующего затраты свободной энергии. Позже АТР, распадаясь на ADP и фосфат (рис. 14-3), отлает значительное количество своей химической энергии тем процессам, для которых энергия необходима.

Рис. 14-3. ATP - цикл в клетках.

Таким образом, АТР выступает в роли переносчика химической энергии, связывающего клеточные процессы, сопровождающиеся выделением энергии, с теми главными видами клеточной активности, в которых энергия потребляется. АТР поставляет энергию и для таких процессов жизнедеятельности, как люминесценция, которая у светляков служит сигналом для привлечения особей противоположного пола.

Впервые АТР был обнаружен в экстрактах скелетных мышц Карлом Ломаном в Германии, и почти одновременно в 1929 г. два американских исследователя Сайрус Фиске и Йеллапрагада Суббароу - выделили это соединение. Сначала думали, что АТР играет важную роль только в процессах мышечного сокращения . однако затем выяснилось, что он присутствует в клетках всех типов - животных, растительных и бактериальных. Обнаружилось также, что АТР принимает участие в клеточных процессах самого разного типа. В 1941 f. Фриц Липман, убедившись в универсальном значении всех этих наблюдений, выдвинул обобщающую концепцию, согласно которой АТР в клетках играет роль главного и универсального переносчика химической энергии. Он первым высказал предположение о существовании в клетках ATP-цикла (рис. 14.3).