Биоэнергетика – превращение энергии в живых организмах

Биоэнергетика – превращение энергии в живых организмах.
Вопросы, связанные с фотосинтезом и дыханием традиционно
вызывают большие трудности и у школьников и у преподавателей, так как
не хватает понимания общих принципов биоэнергетических процессов.
Между тем это очень важный материал. Он позволяет по-новому
взглянуть на связь между различными естественными науками: биологией,
химией, физикой. В тексте курсивом выделен тот материал, который
рекомендуется обсуждать в классах с хорошей подготовкой по физике и
химии.
Вступление.
Любой живой организм может существовать, только используя для
своей жизнедеятельности энергию. Непосредственно в метаболических
процессах участвуют различные макроэргические, то есть богатые энергией,
соединения. В основном это нуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ,
УТФ. Универсальным макроэргом является АТФ (аденозинтрифосфат). Его
синтез происходит в процессе энергетического обмена.
Интересно, что у самых первых организмов роль макроэргических
соединений выполняли, скорее всего, молекулы пирофосфата. Это два
остатка фосфорной кислоты, соединенные между собой макроэргической
связью. В процессе эволюции возникали органические макроэрги и каждый
раз это сопровождалось резким ускорением эволюционного процесса.
«Венцом» эволюции в данном направлении стали молекулы АТФ.
Необходимо отметить, что скорость эволюционного процесса напрямую
связана с количеством энергии, которая проходит через живые организмы в
единицу времени. Увеличение энергетического потока приводит к быстрому
формообразованию, к появлению новых систематических групп.
Исходным источником энергии для биосферы в целом является
Солнце. Кванты света улавливаются молекулами хлорофилла, и их энергия
запасается в химических связях молекулы глюкозы. Ее углеводородный
скелет служит основой для построения других органических молекул в
клетках растений, поэтому их называют первичными продуцентами, то есть
производителями органического вещества. Все последующие трофические
уровни: консументы и редуценты, то есть животные, грибы и гетеротрофные
бактерии используют органические соединения, в которых «запасена»
энергия солнечного света. В их организмах сложные молекулы
гидролизуются до более простых в процессе пищеварения, а полученные
мономеры транспортируются к клеткам, где претерпевают различные
химические превращения, составляющие метаболизм живой клетки.
Что же происходит с этими молекулами в дальнейшем? За счет синтеза
различных сложных органических молекул, в первую очередь молекул белка,
происходит сборка органоидов, а это основа процесса роста клеток, их
последующего деления. Таким образом, за счет органических молекул,
созданных растениями в процессе фотосинтеза с использованием энергии
солнечного света, происходит рост, развитие размножение всех живых
организмов на нашей планете.
Часть органических молекул окисляется в процессе энергетического
обмена, и полученная энергия идет на синтез молекул АТФ. Энергия АТФ
необходима для процессов ассимиляции, то есть сборки сложных молекул из
более простых, так как самопроизвольно (без внешнего источника энергии)
этот процесс не пойдет. Кроме того, АТФ используется для всех форм
движения и активности организма. При этом фосфатная группа переносится с
молекулы АТФ на другую органическую молекулу. В результате изменяется
ее энергетическое состояние, форма и, следовательно, свойства, например,
происходит активация фермента. Аденозинтрифосфат при этом превращается
в аденозиндифосфат.
Важно отметить, что живые организмы не могут нарушать закон
сохранения энергии (первый закон термодинамики): «Энергия может
превращаться из одной формы в другую, но не может возникать или
исчезать». При этих превращениях значительная часть энергии рассеивается
в виде тепла, что увеличивает энтропию системы (ее можно определить как
меру хаотичности). За счет этого, например, коэффициент полезного
действия митохондрии около 60% (это еще не так плохо, напомним, что у
большинства механизмов, созданных человеком он не превышает 25%).
Живые организмы обычно более эффективны, чем механизмы, поэтому
человек стремится использовать готовые биохимические системы, на чем
основана современная биотехнология. В химических реакциях энергия
исходных компонентов всегда равна энергии продуктов реакции плюс
энергия, выделяемая в процессе этих реакций.
В большинстве процессов одновременно происходит передача энергии
и изменение упорядоченности расположения частиц относительно друг
друга. Частицам, например молекулам, присуще стремление перейти в менее
упорядоченное состояние благодаря тепловому движению. Количественной
мерой беспорядочности частиц является энтропия, обозначаемая буквой S.
Если хаотичность системы возрастает, то ∆ S >0. При увеличении
упорядоченности системы S уменьшается и самопроизвольное протекание
такого процесса маловероятно. Если в результате химической реакции
объем системы возрастает, то увеличивается ее энтропия. Возрастание
энтропии называют энтропийным фактором, его влияние тем сильнее, чем
выше температура. Количественно энтропийный фактор можно оценить
произведением T ∆S и выразить в Дж.
Большинство процессов в живых системах происходят при
постоянном давлении. В таких условиях изменение энергии системы
оценивается изменением энтальпии системы, которое обозначают ∆Н. Это
называют тепловым эффектом процесса. Самопроизвольно, то есть без
работы извне, система стремиться перейти в более устойчивое состояние.
При этом действует два прямо противоположных фактора: стремление
частиц объединиться в более сложные молекулы с более прочными связями
(это приводит к уменьшению энтальпии) и стремление частиц
разъединиться, что увеличивает энтропию.
Суммарный эффект этих двух противоположных тенденций при
неизменных температуре и давлении выражается уравнением:
∆ G = ∆ Н - Т∆ S
где ∆ G – изменение энергии Гиббса, которую называют еще свободной
энергией, так как ее можно использовать на совершение работы. Т∆S
представляет собой энергию, которая бесполезно расходуется на увеличение
хаотичности системы, поэтому ее называют связанной. Самопроизвольно
могут происходить только такие реакции, в которых ∆ G <0. Если это
эзотермическая реакция, то есть идущая с выделением тепла, то ∆Н
меньше нуля. Если при этом энтропия увеличивается, то ∆ G будет всегда
отрицательным и процесс станет практически необратим. Если ∆ G >0, то
процесс невозможен.
В процессе ассимиляции энтропия уменьшается, так как увеличивается
упорядоченность живой системы. Зато в процессах диссимиляции энтропия
значительно возрастает, в первую очередь в окружающей среде. Таким
образом, если рассматривать суммарно весь процесс метаболизма, то
энтропия, то есть неупорядоченность возрастает, как и должно быть согласно
законам физики. Важно внушить школьникам мысль, что живые системы не
могут нарушать физических законов, это просто невозможно.
Способы синтеза АТФ.
Молекула АТФ имеет две макроэргических связи, которые в формуле
обозначаются волнистой линией:
Интересно то, что макроэргичность, это свойство не связи, а молекулы
в целом. Но наибольшее изменение внутренней энергии происходит при
гидролизе именно этих двух связей, поэтому их и называют
макроэргическими, то есть богатыми энергией.
АТФ
синтезируется
в
организме
из
молекулы
АДФ
(аденозиндифосфата) путем его фосфорилирования, то есть присоединения к
ней остатка фосфорной кислоты:
АДФ + Н3РО4 (или Фн) = АТФ + Н2О
Фосфорилирование АДФ не будет происходить самопроизвольно, для
этого требуется затратить энергию, часть которой впоследствии можно
получить, гидролизуя АТФ. Энергия для процесса фосфорилирования может
быть получена двумя принципиально различными путями.
1. Субстратное фосфорилирование – это процесс переноса на АДФ
фосфатной группы с другой макроэргической молекулы, которая должно
иметь большую энергию связей, а, следовательно, меньшую величину ∆G.
Для этого подойдут такие соединения, как фосфоенолпируват (∆G = - 62,1
кДж/моль), 1,3-дифосфоглицериновая кислота (∆G = - 49,5 кДж/моль),
креатинфосфат (∆G = - 43,3 кДж/моль). Они имеют свободную энергию
Гиббса меньше, чем у АТФ (∆G = - 30,6 кДж/моль).
Избыток энергии макроэргической связи рассеивается в виде тепла, что
согласуется со вторым законом термодинамики: нельзя передать энергию от
одной молекулы к другой полностью. Для синтеза АТФ субстратным
фосфорилированием не может быть использована молекула с меньшей
внутренней энергией, чем у АТФ.
2. Окислительное фосфорилирование АДФ – это процесс при
котором энергия для образования АТФ поступает от сопряженных
окислительно-восстановительных реакций.
Суть окислительно-восстановительных реакций заключается в
передаче электронов от одной молекулы к другой. Это может происходить
непосредственно, или электроны передаются вместе с атомами водорода.
Важнейшими переносчиками
водорода являются молекулы: НАДФ
(никотинамидадениендинуклеотидфосфат),
НАД
(никотинамидадениендинуклеотид), ФАД (флавинадениндинуклеотид). Каждая такая
молекула
переносит
два
атома
водорода
вместе
с
двумя
электронами.
Английский биохимик П. Митчелл в 60-х годах прошлого века
предложил механизм окислительного фосфорилирования путем хемиосмоса
(хемиосмосмотическая теория), сейчас он считается общепризнанным
механизмом, лежащим в основе аэробного дыхания и фотосинтеза. В
митохондриях протонный резервуар находится между наружной и
внутренней мембраной, в хлоропластах – внутри тилакоидов – замкнутых
мембранных мешочков, образующих граны. У бактерий протоны
выкачиваются в окружающую среду, и она является для них протонным
резервуаром. Это приводит к закислению среды, а поникающие внутрь
бактериальной клетки протоны не только дают энергию для синтеза АТФ, но
и вращают бактериальный жгутик!
Согласно хемиосмотической теории для использования энергии
окислительно-восстановительных
процессов
необходим
замкнутый
мембранный мешочек, в котором накапливаются протоны. Его называют
протонный резервуар (у бактерий он «вывернут наизнанку»). Мембрана,
окружающая этот замкнутый резервуар должна быть непроницаема для
ионов. Разница в концентрации протонов внутри мешочка и снаружи создает
электрохимический градиент, его энергия превращается в энергию АТФ. В
митохондрии, например, на внутренней мембране возникает разность
потенциалов, которая составляет около 220 мВ. Осталось выяснить два
вопроса: как происходит синтез АТФ и как наполняется протонами
резервуар.
АТФ синтезируют особые ферменты, они называются АТФ-синтетазы.
Их молекулы имеют форму колбочки, которая «горлышком» погружена в
мембрану протонного резервуара, а круглой частью (головкой) обращена
наружу. Когда электрохимический потенциал протонного резервуара
достигает определенной величины, протоны начинают выходить через канал
в АТФ-синтетазе (напоминаем, что сама мембрана непроницаема для ионов).
Энергии трех протонов достаточно, что бы синтезировать одну молекулу
АТФ. Интересно, что при работе фермента происходит вращение его головки
по принципу колеса. Это второй известный науке случай «изобретения»
колеса в природе (первый – работа бактериального жгутика, там вращение
происходит благодаря движению протонов внутрь бактериальной клетки).
Молекулы АТФ образуются на наружной поверхности протонного
резервуара, а его потенциальная энергия, обусловленная разностью
концентраций и зарядов, становится энергией макроэргической связи.
Схема протонного резервуара.
АТФ-синтетаза
Мембрана
Н+
Н+
Н+
2Н
3Н+
АТФ+Н 2О
Н+
Н+
Н+
2Н
2Н+
Н+
2Н+
2Н+
2е
Н+
Н+
Н+
2Н+
АДФ+Фн
Н+
Н+
Протонный
резервуар
Н+
Н+
Н+
Н+
2е
2Н
2Н+
Цепь транспорта
электронов
2е
Конечный акцептор
электронов
Как же наполняется протонами резервуар и откуда берется для этого
энергия? Эту работу выполняет электронтранспортная цепь (ЭТЦ), которую
иногда называют протонной помпой (насосом) или цепью транспорта
электронов. Это последовательно расположенные в мембране переносчики.
Одни из них переносят целые атомы водорода, другие – только электроны.
Каждая последующая молекула в цепи обладает большим сродством к
электрону, чем предыдущая, то есть является более сильным окислителем.
Электроны движутся от одной молекулы к другой, вызывая их
последовательное окисление, а затем восстановление, и потенциальная
энергия электронов постепенно расходуется на наполнение резервуара
протонами. Первый переносчик перемещает с наружной поверхности
мембраны на внутреннюю два атома водорода, затем он окисляется и отдает
следующей за ним молекуле два электрона. Протоны, образовавшиеся после
отделения электронов от атомов водорода, оказываются внутри мембранного
мешочка. Второй переносчик возвращает электроны на наружную
поверхность и там они соединяются с протонами, образующимися в водной
среде, например в результате диссоциации воды. Образовавшиеся атомы
водорода присоединяются к третьему переносчику, который доставляет их на
внутреннюю поверхность и процесс повторяется. Нечетные молекулы в
электронтранспортной цепи (в митохондрии она называется дыхательной
цепью) переносят целые атомы водорода внутрь, а четные – доставляют
наружу только электроны. В конце ЭТЦ расположен конечный акцептор –
молекула, которая присоединяет к себе пару электронов и после этого путь
для них закончится.
В аэробном дыхания конечным акцептором является молекула
кислорода. В этом заключается вся ее роль как окислителя, поэтому сходство
суммарного уравнения дыхания и горения чисто внешнее:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + Е (энергия)
При горении кислород выступает в роли непосредственного
окислителя органической молекулы, и большая часть ее внутренней энергии
быстро освобождается в виде тепла и света.
При дыхании все происходит по-другому. Сначала в процессе
гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы распадается до двух
трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты (ПВК). При этом
образуются две молекулы АТФ субстратным фосфорилированием и
восстанавливается две молекулы НАД+ (окисленная форма является
электрондифицитной) до НАДН2 (более правильная запись: НАДН + Н+,
но ее редко используют, чаще пишут просто НАДН или НАДН2 ). Этот
процесс один из самых древних на нашей планете, поэтому происходит в
цитоплазме и не требует специальных органоидов.
В анаэробных, то есть бескислородных условиях, процесс гликолиза
может служить источником получения АТФ только если постоянно окислять
восстановленные переносчики водорода НАДН2 до НАД+. Без этого
процесс прекратится, так как НАД+
необходим для окисления
промежуточного продукта гликолиза – фосфоглицеринового альдегида до
фосфоглицериновой кислоты. Окисление НАДН2 происходит путем
переноса атомов водорода на какую либо органическую молекулу – проще
всего на ПВК. Она после этого превращается в молочную кислоту и весь
процесс в целом называют молочнокислым брожением. Его с успехом
используют для получения энергии не только бактерии, но и наши мышцы,
когда им предлагают непосильную нагрузку, то есть при недостатке
кислорода. В результате молочная кислота вызывает местное воспаление, а
ученик после хорошо проведенного урока физкультуры получает боль в
мышцах. В утешение хочется сказать, что молочная кислота способствует
росту капилляров, что улучшает кровоснабжение мышц, так что трудитесь,
господа! Если в процессе брожения участвует фермент декарбоксилаза,
который отщепляет от ПВК углекислый газ, то конечным продуктом
брожения станет этиловый спирт, а брожение назовут спиртовым.
В аэробных условиях продукты гликолиза ПВК и НАДН2
переносятся внутрь митохондрии, в ее матрикс. Там происходит цикл Кребса
и в результате ферментативного окисления на каждую молекулу ПВК
образуется 1 молекула АТФ (или ГТФ) субстратным фосфорилированием и
восстанавливается 4 молекулы НАД и одна молекула ФАД
(флавинадениндинуклеотид). В пересчете на одну молекулу глюкозы (она
дает две молекулы ПВК) это будет: 2АТФ, 8 НАДН2 и 2 ФАДН2. Если
прибавить две молекулы НАДН2 , поступившие из гликолиза, то получим
10 НАДН2 Необходимо так же вспомнить 2АТФ, образовавшиеся в
гликолизе
субстратным
фосфорилированием.
Все
молекулы
восстановленных переносчиков поступают в дыхательную цепь, которая
расположена во внутренней мембране митохондрии, и их энергия
расходуется на наполнение протонного резервуара между наружной и
внутренней мембранами. В результате хемиосмоса каждая молекула
НАДН2 дает энергию для синтеза трех молекул АТФ, а каждая ФАДН2 –
двух АТФ. Теперь можно рассчитать полный энергетический выход на одну
молекулу глюкозы:
2АТФ (из цикла Кребса) + 10х3АТФ (от НАДН2) + 2х2АТФ (от
ФАДН2) + 2АТФ (из гликолиза) = 38АТФ
Это и есть чистый выход аэробного дыхания, как видите он в 19 раз
больше, чем при анаэробных процессах, там только 2АТФ.
В заключение хочется рассказать о еще одном интересном
превращении энергии. У теплокровных животных, впадающих зимой в
спячку, вокруг жизненно важных органов есть особый бурый жир. Окраску
ему придают многочисленные митохондрии (цвет связан с молекулами
цитохромов – важных компонентов дыхательной цепи, которые, как и
молекулы гемоглобина, имеют в своем составе гем). В этих митохондриях
внутренняя мембрана «дырявая», то есть имеет специальные каналы,
пропускающие протоны. В результате они идут ни через АТФ-синтетазы, а
более выгодным путем – через поры. При этом вся полезная энергия
выделяется в виде тепла, что и необходимо животным для выхода из зимней
спячки. Есть данные, что в экстремальных условиях такой способ обогрева
могут использовать и другие животные.
Надеюсь, что этот поверхностный обзор биоэнергетических процессов
сможет заинтересовать учеников и побудить к более глубокому изучению
этого вопроса, так как решение проблемы получения и рационального
использования энергии в ближайшее время может стать важнейшей задачей
для всего человечества.