Биологическое окисление. 
Основы биоэнергетики

Общая характеристика

Одна из особенностей живых организмов состоит в том, что все они представляют собой открытые системы, которые способны извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей среды либо в форме органических питательных веществ (хемотрофы), либо в форме энергии солнечного излучения (фототрофы). Обмен энергией в организме тесно связан с обменом веществ (метаболизмом). Метаболизм можно определить как совокупность ферментативных химических реакций, которые могут протекать в клетке. Активность ферментов, катализирующих эти реакции, регулируется с помощью чувствительной системы взаимосвязанных механизмов, поэтому метаболизм представляет собой высококоорлинированную, целенаправленную клеточную активность. Он выполняет следующие функции:

• • снабжение химической энергией за счет расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих в организм из среды, или путем преобразования улавливаемой солнечной энергии:
• • превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в дальнейшем клеткой для построения макромолекул;
• • сборку белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из строительных блоков:
• • синтез биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций данной клетки.

Превращение органических соединений в клетке осуществляется, как правило, в виде цепи или последовательности реакций, которые называются метаболическими путями. а вовлекаемые в такие реакции соединения — метаболитами. В классической биохимии метаболические пути разделяются на два типа: катаболические и анаболические. Катаболичсскис пути — это процессы ферментативной деградации, в ходе которых крупные органические молекулы разрушаются (обычно в окислительных реакциях) до простых клеточных компонентов с одновременным выделением свободной химической энергии. Эта энергия используется затем организмом для поддержания жизнедеятельности, роста и репликации, а также преобразуется в другие формы энергии — механическую, электрическую и тепловую.

Анаболические пути — это процессы ферментативного синтеза, в ходе которых из относительно простых предшественников строятся сложные органические компоненты клетки; синтез часто включает восстановительные этапы и сопровождается затратой свободной химической энергии (рис. 15.1).

Все метаболические системы отличаются упорядоченностью и простотой, несмотря на разнообразие метаболитов, как потребляемых, так и образующихся. Особенно важное значение имеет открытие центральных путей обмена, которые примыкают и к катаболическим, и к анаболическим путям, т. е. непосредственно связывают между собой ге и другие.

Рис. 15.1. Взаимосвязь между катаболическими и анаболическими процессами.

Таким образом, обмен веществ тесно связан с обменом энергии. Реакции катаболизма, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии (-ДСг), являются донорами не только структурных предшественников, но и обеспечивают энергетически процессы анаболизма (+Д (7). Напомним, что если Д (7 отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называются экзергоническилш, к ним относятся, как правило, катаболические превращения. Если же значение ДG положительно, то реакции будут протекать только при поступлении свободной энергии извне и называться эндергоническими (анаболические процессы). При Д (/, равном нулю, система находится в равновесии.

Следует отметить, что изменение свободной энергии, определенное при стандартных условиях (концентрация реагентов 1 моль/л, pH 0), называется изменением свободной стандартной энергии и обозначается ДСГ. При определении AG⁰ в биохимических реакциях, для которых стандартным условием является значение pH, равное 7,0, эта величина обозначается как Д<�Г Как известно, в биоэнергетике живых организмов имеют значение два основных момента:

• • химическая энергия запасается путем образования АТФ, сопряженного с экзергоническими катаболическими реакциями окисления органических субстратов;
• • химическая энергия утилизируется путем расщепления АТФ, сопряженного с эндергоническими реакциями анаболизма и другими процессами, требующими затраты энергии (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Обмен АТФ в клеточной энергетике: справа — процессы, требующие затраты энергии; слева — типы синтеза АТФ в природе путем фосфорилирования АДФ Встает вопрос, почему молекула АТФ соответствует своей центральной роли в биоэнергетике. Для его разрешения рассмотрим структуру АТФ:

АТФ представляет собой термодинамически нестойкое соединение. Нестабильность АТФ определяется, во-первых, электростатическим отта/шиванием в области кластера одноименных отрицательных зарядов, что приводит к напряжению всей молекулы, однако сильнее всего связи — Р—О—Р—, и, во-вторых, конкурентным резонансом. В соответствии с последним фактором существует конкуренция между атомами фосфора за неподеленные подвижные электроны атома кислорода, расположенного между ними, поскольку на каждом атоме фосфора имеется частичный положительный заряд вследствие значительного элсктронакцепторного влияния групп Р=0 и Р—О^-. Таким образом, возможность существования АТФ определяется наличием достаточного количества химической энергии в молекуле, позволяющей компенсировать эти физико-химические напряжения. В молекуле АТФ имеется две фосфоангидридных (пирофосфатных) связи, гидролиз которых сопровождается значительным уменьшением свободной энергии (при pH 7,0 и 37 °С):

Связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 30 кДж/моль, в биохимии называют макроэргическими и обозначают знаком ~ (тильда), а соединения, обладающие такими связями, — макроэргами.

К соединениям, обладающим макроэргическими связями, кроме АТФ, относятся также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, крсатинфосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацил-КоА), фосфоснол пиру ват, 1,3-дифосфаглицерат и некоторые другие соединения. Однако образование этих макроэргичсских соединений в большинстве случаев зависит от энергии, поставляемой АТФ.

Одной из центральных проблем биоэнергетики является биосинтез АТФ, который в живой природе происходит путем фосфорилирования АДФ.

Фосфорилирование АДФ является эндергоническим процессом и требует источника энергии. Как отмечалось ранее, в природе преобладают два таких источника энергии — это солнечная энергия и химическая энергия восстановленных органических соединений.

Зеленые растения и некоторые микроорганизмы способны трансформировать энергию поглощенных квантов света в химическую энергию, которая расходуется на фосфорилирование АДФ в световой стадии фотосинтеза. Этот процесс регенерации АТФ получил название фотосинтетического фосфорширования (гл. 16).

Трансформация энергии окисления органических соединений в макроэргические связи АТФ в аэробных условиях происходит преимущественно путем окислительного фосфорилирования. Свободная энергия, необходимая для образования АТФ, генерируется вдыхательной окислительной цепи митохондрий (15.3.2).

Известен еще один тип синтеза АТФ, получивший название субстратного фосфорилирования. В отличие от окислительного фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, донором активированной фосфорильной группы (~ Р0₃Н₂), необходимой для регенерации АТФ, являются интермедианты процессов гликолиза (гл. 18) и цикла трикарбоновых кислот (гл. 19). Во всех этих случаях окислительные процессы приводят к образованию высокоэнергетических соединений: 1,3-дифосфоглицерата (гликолиз), сукцинил-КоА (цикл трикарбоновых кислот), которые при участии соответствующих ферментов способны фосфорилировагь АДФ и образовывать АТФ. Трансформация энергии на уровне субстрата является единственным путем синтеза АТФ в анаэробных организмах. Этот процесс синтеза АТФ позволяет поддерживать интенсивную работу скелетных мышц в периоды кислородного голодания. Следует помнить, что он является единственным путем синтеза АТФ в зрелых эритроцитах, не имеющих митохондрий.