Конспект по биологии 8 класс колесов: ГДЗ конспекты по биологии 8 класс еуроки ответы

Рисунок 2-39

Некоторые взаимопревращения между различными формами энергии.Все формы энергии, в принципе, взаимопревращаемы. Во всех этих процессах сохраняется общее количество энергии; таким образом, например, из высоты и веса кирпича в первом примере, (подробнее…)

Клетка не может извлечь никакой выгоды из выделяемой ею тепловой энергии, если теплогенерирующие реакции внутри клетки не связаны напрямую к процессам, создающим молекулярный порядок. Именно тесная связь производства тепла с увеличением порядка отличает метаболизм клетки от расточительного сжигания топлива в огне.Позже в этой главе мы проиллюстрируем, как происходит эта связь. На данный момент достаточно признать, что прямая связь «сжигания» молекул пищи с созданием биологического порядка необходима, если клетки должны быть способны создавать и поддерживать островок порядка во Вселенной, стремящейся к хаосу.

Фотосинтезирующие организмы используют солнечный свет для синтеза органических молекул

Все животные живут за счет энергии, хранящейся в химических связях органических молекул, созданных другими организмами, которые они потребляют в пищу. Молекулы пищи также обеспечивают животных атомами, необходимыми для создания новой живой материи. Некоторые животные получают пищу, поедая других животных. Но в нижней части животной пищевой цепи находятся животные, которые питаются растениями. Растения, в свою очередь, улавливают энергию непосредственно солнечного света. В результате вся энергия, используемая клетками животных, в конечном итоге получается от солнца.

Солнечная энергия поступает в живой мир посредством фотосинтеза в растениях и фотосинтезирующих бактериях. Фотосинтез позволяет преобразовывать электромагнитную энергию солнечного света в энергию химических связей в клетке.Растения способны получать все необходимые им атомы из неорганических источников: углерод из углекислого газа атмосферы, водород и кислород из воды, азот из аммиака и нитратов в почве, а другие элементы, необходимые в меньших количествах, из неорганических солей в почве. Они используют энергию солнечного света для превращения этих атомов в сахара, аминокислоты, нуклеотиды и жирные кислоты. Эти небольшие молекулы, в свою очередь, превращаются в белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды, из которых формируются растения.Все эти вещества служат пищевыми молекулами для животных, если растения впоследствии съедаются.

Реакции фотосинтеза протекают в две стадии (). На первом этапе энергия солнечного света улавливается и временно сохраняется в виде энергии химической связи в специализированных малых молекулах, которые действуют как переносчики энергии и реактивных химических групп. (Эти активированные молекулы-носители мы обсудим позже.) Молекулярный кислород (газ O ₂ ), полученный при расщеплении воды светом, высвобождается как побочный продукт этой первой стадии.

Рисунок 2-40

Фотосинтез. Две стадии фотосинтеза. Энергоносители, созданные на первом этапе, представляют собой две молекулы, о которых мы вскоре поговорим, — АТФ и НАДФН.

На втором этапе молекулы, служащие носителями энергии, используются для управления процессом фиксации углерода, в котором сахар производится из газообразного диоксида углерода (CO ₂ ) и воды (H ₂ O), тем самым обеспечивая полезный источник накопленной энергии и материалов химических связей — как для самого растения, так и для любых животных, которые его едят. Мы описываем элегантные механизмы, лежащие в основе этих двух стадий фотосинтеза, в главе 14.

Конечный результат всего процесса фотосинтеза для зеленого растения можно обобщить простым уравнением

Произведенные сахара затем используются как источник энергии химической связи и как источник материалов для создания многих других малых и больших органических молекул, которые необходимы для растительной клетки.

Клетки получают энергию за счет окисления органических молекул

Все клетки животных и растений питаются энергией, хранящейся в химических связях органических молекул, будь то сахара, фотосинтезированные растением в качестве пищи для себя, или смесь крупных и маленькие молекулы, которые съело животное.Чтобы использовать эту энергию для жизни, роста и размножения, организмы должны извлекать ее в пригодной для использования форме. И у растений, и у животных энергия извлекается из пищевых молекул в процессе постепенного окисления или контролируемого сжигания.

Атмосфера Земли содержит много кислорода, и в присутствии кислорода наиболее энергетически стабильной формой углерода является CO ₂ , а водородом — H ₂ O. Таким образом, клетка способна получать энергию из сахаров или других органических молекул, позволяя их атомам углерода и водорода соединяться с кислородом с образованием CO ₂ и H ₂ O соответственно — процесс, называемый дыханием.

Фотосинтез и дыхание являются взаимодополняющими процессами (). Это означает, что сделки между растениями и животными не всегда односторонние. Растения, животные и микроорганизмы так долго существовали вместе на этой планете, что многие из них стали неотъемлемой частью окружающей среды других. Кислород, высвобождаемый при фотосинтезе, потребляется при сгорании органических молекул почти всеми организмами. И некоторые из молекул CO ₂ , которые сегодня фиксируются в органические молекулы в результате фотосинтеза в зеленом листе, вчера выбрасывались в атмосферу в результате дыхания животного или грибка или бактерии, разлагающих мертвое органическое вещество. Таким образом, мы видим, что утилизация углерода образует огромный цикл, который включает биосферу (все живые организмы на Земле) в целом, пересекая границы между отдельными организмами (). Точно так же атомы азота, фосфора и серы перемещаются между живым и неживым мирами в циклах, в которых участвуют растения, животные, грибы и бактерии.

Рисунок 2-41

Фотосинтез и дыхание как взаимодополняющие процессы в живом мире. Фотосинтез использует энергию солнечного света для производства сахаров и других органических молекул.Эти молекулы, в свою очередь, служат пищей для других организмов. Многие из этих организмов (подробнее…)

Рисунок 2-42

Круговорот углерода. Отдельные атомы углерода включаются в органические молекулы живого мира в результате фотосинтетической активности растений, бактерий и морских водорослей. Они переходят к животным, микроорганизмам и органическим материалам в почве и океанах в (подробнее…)

Окисление и восстановление включают перенос электронов

Клетка не окисляет органические молекулы в один этап, как это происходит при сжигании органического материала в огонь. Благодаря использованию ферментных катализаторов метаболизм проводит молекулы через большое количество реакций, которые лишь изредка включают прямое добавление кислорода. Прежде чем мы рассмотрим некоторые из этих реакций и их цель, нам нужно обсудить, что подразумевается под процессом окисления.

Окисление в использованном выше смысле означает не только присоединение атомов кислорода; скорее, в более общем смысле это применимо к любой реакции, в которой электроны передаются от одного атома к другому.Окисление в этом смысле относится к удалению электронов, а восстановление — обратное окислению — означает добавление электронов. Таким образом, Fe ²⁺ окисляется, если теряет электрон, и становится Fe ³⁺ , а атом хлора восстанавливается, если приобретает электрон, и становится Cl ^— . Поскольку количество электронов в химической реакции сохраняется (отсутствие потери или приобретения), окисление и восстановление всегда происходят одновременно: то есть, если одна молекула получает электрон в реакции (восстановление), вторая молекула теряет электрон (окисление). .Например, когда молекула сахара окисляется до CO ₂ и H ₂ O, молекулы O ₂ , участвующие в образовании H ₂ O, получают электроны и, таким образом, говорят, что они восстановлены.

Термины «окисление» и «восстановление» применяются даже тогда, когда происходит лишь частичный сдвиг электронов между атомами, связанными ковалентной связью (). Когда атом углерода ковалентно связывается с атомом с сильным сродством к электронам, например, с кислородом, хлором или серой, он отдает больше, чем его доля электронов, и образует полярную ковалентную связь: положительную заряд ядра углерода теперь несколько превышает отрицательный заряд его электронов, поэтому атом приобретает частичный положительный заряд и называется окисляющимся.И наоборот, атом углерода в связи C-H имеет немного больше, чем его доля электронов, и поэтому говорят, что он восстановлен (см. ).

Рисунок 2-43

Окисление и восстановление. (A) Когда два атома образуют полярную ковалентную связь (см. стр. 54), говорят, что атом, получивший большую долю электронов, восстанавливается, в то время как другой атом приобретает меньшую долю электронов и, как говорят, окисляться. Восстановленный (подробнее…)

Когда молекула в клетке захватывает электрон (e ^— ), она часто одновременно захватывает протон (H ⁺ ) (протоны свободно доступны в воде ).Конечным эффектом в этом случае является добавление атома водорода к молекуле

Несмотря на то, что участвуют протон плюс электрон (а не только электрон), такие реакции гидрирования являются реакциями восстановления, а обратные, реакции дегидрирования реакциями , являются окислениями. Особенно легко определить, окисляется органическая молекула или восстанавливается: восстановление происходит, если число связей С-Н увеличивается, а окисление происходит, если число связей С-Н уменьшается (см.

Клетки используют ферменты для катализа окисления органических молекул небольшими шагами посредством последовательности реакций, позволяющих собирать полезную энергию. Теперь нам нужно объяснить, как работают ферменты, и некоторые ограничения, с которыми они работают.

Ферменты снижают барьеры, блокирующие химические реакции

Рассмотрим реакцию

Бумага легко горит, выделяя в атмосферу как энергию в виде тепла, так и воду и углекислый газ в виде газов, но дым и пепел никогда самопроизвольно не извлекают эти вещества из нагретой атмосферой и превращаются в бумагу.Когда бумага горит, ее химическая энергия рассеивается в виде тепла — не теряется во Вселенной, поскольку энергия никогда не может быть создана или уничтожена, а безвозвратно рассеивается в хаотических случайных тепловых движениях молекул. При этом атомы и молекулы бумаги становятся рассеянными и неупорядоченными. Говоря языком термодинамики, произошла потеря свободной энергии , то есть энергии, которую можно использовать для выполнения работы или запуска химических реакций. Эта потеря отражает потерю упорядоченности в том, как энергия и молекулы хранились в бумаге. Мы вскоре обсудим свободную энергию более подробно, но общий принцип достаточно ясен интуитивно: химические реакции протекают только в том направлении, которое приводит к потере свободной энергии; другими словами, спонтанное направление любой реакции — это направление, которое идет «под гору». Часто говорят, что «нисходящая» реакция в этом смысле энергетически выгодна .

Хотя наиболее энергетически выгодной формой углерода в обычных условиях является CO ₂ , а водорода H ₂ O, живой организм не исчезает в клубе дыма, а книга в ваших руках не воспламеняется.Это связано с тем, что молекулы и в живом организме, и в книге находятся в относительно стабильном состоянии и не могут быть переведены в состояние с меньшей энергией без подвода энергии: иными словами, молекула требует энергии активации — толчка. через энергетический барьер — до того, как он сможет вступить в химическую реакцию, которая оставит его в более стабильном состоянии (). В случае горящей книги энергия активации обеспечивается теплом зажженной спички. Для молекул в водном растворе внутри клетки толчком является необычно энергичное случайное столкновение с окружающими молекулами — столкновения, которые становятся более сильными по мере повышения температуры.

Рисунок 2-44

Важный принцип энергии активации. Соединение X находится в стабильном состоянии, и для его превращения в соединение Y требуется энергия, даже несмотря на то, что Y находится на более низком общем энергетическом уровне, чем X. Таким образом, это преобразование не произойдет, если соединение (подробнее…)

В живой клетке преодолению энергетического барьера в значительной степени способствует специализированный класс белков — ферменты. Каждый фермент прочно связывается с одной или двумя молекулами, называемыми субстратами, и удерживает их таким образом, что значительно снижает энергию активации конкретной химической реакции, в которую могут вступать связанные субстраты.Вещество, которое может снизить энергию активации реакции, называется катализатором; катализаторы увеличивают скорость химических реакций, потому что они позволяют гораздо большей части случайных столкновений с окружающими молекулами выталкивать субстраты через энергетический барьер, как показано на рис. Ферменты являются одними из наиболее эффективных известных катализаторов, ускоряя реакции в 10 ¹⁴ раз, и, таким образом, они позволяют быстро протекать реакциям, которые в противном случае не происходили бы при нормальных температурах.

Рис. 2-45

Снижение энергии активации значительно увеличивает вероятность реакции. Популяция идентичных молекул субстрата будет иметь диапазон энергий, распределенных, как показано на графике, в любой момент времени. Различные энергии возникают в результате столкновений (подробнее…)

Ферменты также очень избирательны. Каждый фермент обычно катализирует только одну конкретную реакцию: другими словами, он избирательно снижает энергию активации только одной из нескольких возможных химических реакций, в которые могут вступать связанные с ним молекулы субстрата.Таким образом, ферменты направляют каждую из множества различных молекул в клетке по определенным путям реакции (4).

Рисунок 2-46

Аналогии с плавающим шаром для ферментативного катализа. (A) Барьерная плотина опускается, чтобы представить ферментативный катализ. Зеленый шар представляет собой потенциальный ферментный субстрат (соединение X), уровень энергии которого резко меняется из-за постоянных встреч с (подробнее…)

Успех живых организмов объясняется способностью клетки производить ферменты. многих типов, каждый из которых имеет точно определенные свойства.Каждый фермент имеет уникальную форму, содержащую активный центр , карман или бороздку в ферменте, в которую помещаются только определенные субстраты (). Как и все другие катализаторы, сами молекулы фермента остаются неизменными после участия в реакции и поэтому могут функционировать снова и снова. В главе 3 мы подробнее обсудим, как работают ферменты, после того как подробно рассмотрели молекулярную структуру белков.

Рисунок 2-47

Как работают ферменты. Каждый фермент имеет активный центр, с которым связываются одна или две молекулы субстрата , образуя фермент-субстратный комплекс. В активном центре происходит реакция с образованием комплекса фермент-продукт. Затем выпускается продукт , что позволяет ферменту (подробнее…)

Как ферменты находят свои субстраты: важность быстрой диффузии

Типичный фермент катализирует реакцию примерно тысячи молекул субстрата каждую секунду. Это означает, что он должен быть способен связать новую молекулу субстрата за доли миллисекунды. Но как ферменты, так и их субстраты присутствуют в клетке в относительно небольшом количестве.Как они так быстро находят друг друга? Быстрое связывание возможно, потому что движения, вызванные тепловой энергией, чрезвычайно быстры на молекулярном уровне. Эти молекулярные движения можно в общих чертах разделить на три вида: (1) движение молекулы из одного места в другое ( поступательное движение ), (2) быстрое возвратно-поступательное движение ковалентно связанных атомов относительно одного другой (вибрации) и (3) вращения. Все эти движения важны для сближения поверхностей взаимодействующих молекул.

Эти скорости молекулярных движений могут быть измерены различными спектроскопическими методами. Это указывает на то, что большой глобулярный белок постоянно кувыркается, вращаясь вокруг своей оси примерно миллион раз в секунду. Молекулы также находятся в постоянном поступательном движении, что заставляет их очень эффективно исследовать пространство внутри клетки, блуждая по нему — процесс, называемый диффузией. Таким образом, каждая молекула в клетке каждую секунду сталкивается с огромным количеством других молекул.Когда молекулы в жидкости сталкиваются и отскакивают друг от друга, отдельная молекула движется сначала в одну сторону, а затем в другую, ее путь представляет собой случайное блуждание (). При такой прогулке среднее расстояние, которое проходит каждая молекула (по прямой) от своей начальной точки, пропорционально квадратному корню из затраченного времени: то есть, если молекуле требуется в среднем 1 секунда, чтобы пройти 1 мкм, для прохождения 2 мкм требуется 4 секунды, для прохождения 10 мкм требуется 100 секунд и так далее.

Рисунок 2-48

Случайное блуждание.Молекулы в растворе движутся случайным образом из-за постоянных ударов, которые они получают при столкновениях с другими молекулами. Это движение позволяет небольшим молекулам быстро диффундировать из одной части клетки в другую, как описано в (подробнее…)

Внутри клетки очень тесно (). Тем не менее опыты с введением в клетки флуоресцентных красителей и других меченых молекул показывают, что небольшие органические молекулы диффундируют через водянистый гель цитозоля почти так же быстро, как и через воду.Небольшой органической молекуле, например, требуется в среднем лишь около одной пятой секунды, чтобы диффундировать на расстояние 10 мкм. Таким образом, диффузия является эффективным способом перемещения малых молекул на ограниченные расстояния в клетке (типичная животная клетка имеет диаметр 15 мкм).

Рисунок 2-49

Структура цитоплазмы. Рисунок выполнен примерно в масштабе и подчеркивает скученность в цитоплазме. Показаны только макромолекулы: РНК показаны синим, рибосомы зеленым, и белки красным. Ферменты и другие макромолекулы диффундируют (подробнее…)

Поскольку ферменты перемещаются в клетках медленнее, чем субстраты, мы можем думать о них как о неподвижных. Скорость встречи каждой молекулы фермента со своим субстратом будет зависеть от концентрации молекулы субстрата. Например, некоторые обильные субстраты присутствуют в концентрации 0,5 мМ. Поскольку чистая вода составляет 55 М, на каждые 10 ⁵ молекул воды в клетке приходится примерно одна такая молекула субстрата.Тем не менее активный центр молекулы фермента, которая связывает этот субстрат, будет подвергаться примерно 500 000 случайных столкновений с молекулой субстрата в секунду. (При десятикратно меньшей концентрации субстрата число столкновений падает до 50 000 в секунду и т. д.) Случайное столкновение поверхности фермента с соответствующей поверхностью его молекулы субстрата часто приводит к немедленному образованию фермента. субстратный комплекс, готовый к реакции. Реакция, при которой ковалентная связь разрывается или образуется, теперь может протекать чрезвычайно быстро.Если оценить, как быстро движутся и реагируют молекулы, наблюдаемые скорости ферментативного катализа не кажутся такими удивительными.

После того, как фермент и субстрат столкнулись и плотно прижались друг к другу в активном центре, они образуют множество слабых связей друг с другом, которые сохраняются до тех пор, пока случайное тепловое движение не заставит молекулы снова диссоциировать. В целом, чем сильнее связывание фермента и субстрата, тем медленнее скорость их диссоциации. Однако, когда две сталкивающиеся молекулы имеют плохо согласованные поверхности, образуется мало нековалентных связей, а их общая энергия ничтожно мала по сравнению с энергией теплового движения.В этом случае две молекулы диссоциируют так же быстро, как и соединяются. Это то, что предотвращает образование неправильных и нежелательных ассоциаций между несовпадающими молекулами, например, между ферментом и неправильным субстратом.

Изменение свободной энергии для реакции определяет, может ли она произойти

Теперь мы должны ненадолго отвлечься и ввести некоторые фундаментальные принципы химии. Клетки — это химические системы, которые должны подчиняться всем химическим и физическим законам. Хотя ферменты ускоряют реакции, сами по себе они не могут заставить протекать энергетически невыгодные реакции.По аналогии с водой ферменты сами по себе не могут заставить воду течь вверх. Клетки, однако, должны делать именно это, чтобы расти и делиться: они должны создавать высокоупорядоченные и богатые энергией молекулы из маленьких и простых. Мы увидим, что это осуществляется с помощью ферментов, которые непосредственно связывают энергетически выгодные реакции, высвобождающие энергию и выделяющие тепло, с энергетически невыгодными реакциями, создающими биологический порядок.

Прежде чем исследовать, как достигается такая связь, мы должны более внимательно рассмотреть термин «энергетически выгодный». Согласно второму закону термодинамики, химическая реакция может протекать самопроизвольно только в том случае, если она приводит к чистому увеличению беспорядка во Вселенной (см. Ресурсы). Критерий возрастания беспорядка во Вселенной удобнее всего выразить в терминах величины, называемой свободной энергией, Г , системы. Значение G представляет интерес только тогда, когда в системе происходит изменение , а изменение G обозначается Δ G (дельта G ), критично.Предположим, что рассматриваемая система представляет собой совокупность молекул. Как поясняется на Панели 2-7 (стр. 122–123), свободная энергия была определена таким образом, что Δ G напрямую измеряет количество беспорядка, создаваемого во Вселенной, когда происходит реакция, в которой участвуют эти молекулы. Энергетически благоприятными реакциями , по определению, являются те, которые уменьшают свободную энергию, или, другими словами, имеют отрицательное Δ G и беспорядок Вселенной ().

Панель 2-7

Свободная энергия и биологические реакции.

Рисунок 2-50

Различие между энергетически выгодными и энергетически невыгодными реакциями.

Известным примером энергетически благоприятной реакции в макроскопическом масштабе является «реакция», при которой сжатая пружина расслабляется до расширенного состояния, высвобождая накопленную упругую энергию в виде тепла в окружающую среду; примером в микроскопическом масштабе является растворение соли в воде. И наоборот, энергетически невыгодные реакции с положительными Δ G — такие, в которых две аминокислоты соединяются вместе, образуя пептидную связь, — сами по себе создают порядок во Вселенной.Следовательно, эти реакции могут иметь место только в том случае, если они сопряжены со второй реакцией с отрицательным значением Δ G настолько большим, что Δ G всего процесса является отрицательным ().

Рисунок 2-51

Использование сопряжения реакций для управления энергетически невыгодными реакциями.

Концентрация реагентов влияет на ΔG

Как мы только что описали, реакция A ⇌ B будет идти в направлении A → B, когда связанное с ней изменение свободной энергии, Δ G , отрицательно, как натянутая пружина предоставленный самому себе, он расслабится и потеряет накопленную энергию в виде тепла.Однако для химической реакции Δ G зависит не только от энергии, запасенной в каждой отдельной молекуле, но и от концентрации молекул в реакционной смеси. Помните, что Δ G отражает степень, в которой реакция создает более беспорядочное — другими словами, более вероятное — состояние Вселенной. Вспоминая нашу аналогию с монетой, очень вероятно, что монета перевернется из ориентации орла в решку, если в трясущемся ящике 90 орлов и 10 решек, но это событие менее вероятно, если в ящике 10 орлов и 90 решек.Точно по той же причине для обратимой реакции A ⇌ B большой избыток A над B будет направлять реакцию в направлении A → B; то есть будет иметь место тенденция к тому, что будет больше молекул, совершающих переход A → B, чем молекул, совершающих переход B → A. Следовательно, Δ G становится более отрицательным для перехода A → B (и более положительный для перехода B → A) по мере увеличения отношения A к B.

Какая разница концентраций необходима для компенсации данного уменьшения энергии химической связи (и сопутствующего тепловыделения)? Ответ интуитивно не очевиден, но его можно определить с помощью термодинамического анализа, позволяющего разделить зависящую от концентрации и независимую от концентрации части изменения свободной энергии.Таким образом, Δ G для данной реакции можно записать в виде суммы двух частей: первой, называемой стандартным изменением свободной энергии, Δ G° , зависит от внутренних свойств реагирующих молекул; второй зависит от их концентрации. Для простой реакции A → B при 37°C

, где Δ G в килокалориях на моль, [A] и [B] обозначают концентрации A и B, ln — натуральный логарифм, 0,616 — RT – произведение газовой постоянной R и абсолютной температуры T.

Обратите внимание, что Δ G равно значению Δ G °, когда молярные концентрации А и В равны (ln 1 = 0). Как и ожидалось, Δ G становится более отрицательным по мере уменьшения отношения B к A (ln числа < 1 отрицательное).

Химическое равновесие достигается, когда эффект концентрации просто уравновешивает толчок, придаваемый реакции Δ G °, так что нет чистого изменения свободной энергии, направляющей реакцию в любом направлении ().Здесь Δ G = 0, поэтому концентрации А и В таковы, что

Рисунок 2-52

Химическое равновесие. Когда реакция достигает равновесия, прямой и обратный потоки реагирующих молекул равны и противоположны.

что означает наличие химического равновесия при 37°C, когда

показывает, как равновесное отношение A к B (выраженное как константа равновесия, К ) зависит от значения Δ G °.

Таблица 2-5

Связь между стандартным изменением свободной энергии, ΔG° и константой равновесия.

Важно понимать, что когда фермент (или любой катализатор) снижает энергию активации для реакции A → B, он также снижает энергию активации для реакции B → A точно на такую ​​же величину (см. ). Таким образом, прямая и обратная реакции ускоряются ферментом в один и тот же раз, и точка равновесия реакции (и Δ G °) остается неизменной ().

Рисунок 2-53

Ферменты не могут изменить точку равновесия реакций. Ферменты, как и все катализаторы, ускоряют прямую и обратную скорость реакции в один и тот же множитель. Следовательно, как для катализируемых, так и для некаталитических реакций, показанных здесь, количество (подробнее…)

Для последовательных реакций значения ΔG° аддитивны

Ход большинства реакций можно предсказать количественно. Собран большой массив термодинамических данных, позволяющих рассчитать стандартное изменение свободной энергии Δ G ° для большинства важных метаболических реакций клетки.Таким образом, общее изменение свободной энергии для метаболического пути представляет собой просто сумму изменений свободной энергии на каждом из его составляющих этапов. Рассмотрим, например, две последовательные реакции

, где значения Δ G ° равны +5 и -13 ккал/моль соответственно. (Напомним, что моль — это 6 × 10 ²³ молекул вещества.) Если эти две реакции протекают последовательно, то Δ G ° для сопряженной реакции составит -8 ккал/моль. Таким образом, неблагоприятная реакция X → Y, которая не будет происходить самопроизвольно, может быть вызвана благоприятной реакцией Y → Z при условии, что вторая реакция следует за первой.

Таким образом, клетки могут вызвать энергетически невыгодный переход X → Y, если к ферменту, катализирующему реакцию X → Y, добавить второй фермент, катализирующий энергетически выгодную реакцию , Y → Z. Фактически, реакция Затем Y → Z будет действовать как «сифон», управляя преобразованием всей молекулы X в молекулу Y, а затем в молекулу Z (). Например, некоторые из реакций длинного пути превращения сахаров в CO ₂ и H ₂ O были бы энергетически невыгодными, если бы их рассматривали сами по себе. Но путь тем не менее быстро идет к завершению, так как сумма Δ G ° для ряда последовательных реакций имеет большое отрицательное значение.

Рисунок 2-54

Как энергетически невыгодная реакция может быть вызвана второй, следующей за ней реакцией. (A) В равновесии молекул X вдвое больше, чем молекул Y, потому что X имеет более низкую энергию, чем Y. (B) В равновесии молекул Z в 25 раз больше (больше…)

Но образуя последовательный путь не подходит для многих целей.Часто желаемый путь — это просто X → Y без дальнейшего преобразования Y в какой-либо другой продукт. К счастью, есть и другие, более общие способы использования ферментов для объединения реакций. Как они работают, мы обсудим далее.

Активированные молекулы-носители необходимы для биосинтеза

Энергия, высвобождаемая при окислении пищевых молекул, должна быть временно сохранена, прежде чем ее можно будет направить на строительство других небольших органических молекул, а также более крупных и сложных молекул, необходимых клетке. В большинстве случаев энергия хранится в виде энергии химической связи в небольшом наборе активированных «молекул-носителей», которые содержат одну или несколько богатых энергией ковалентных связей. Эти молекулы быстро диффундируют по клетке и, таким образом, переносят свою энергию связи от мест генерации энергии к местам, где энергия используется для биосинтеза и других необходимых клеточных функций (4).

Рисунок 2-55

Перенос энергии и роль активированных переносчиков в метаболизме. Служа энергетическими челноками, активированные молекулы-носители выполняют свою функцию посредников, которые связывают расщепление пищевых молекул и высвобождение энергии (катаболизм) с (подробнее…)

Активированные носители хранят энергию в легко обмениваемой форме, либо в виде легко переносимой химической группы, либо в виде высокоэнергетических электронов, и они могут выполнять двойную роль в качестве источника как энергии, так и химических групп в реакциях биосинтеза. По историческим причинам эти молекулы также иногда называют коферментами . Наиболее важными из активированных молекул-носителей являются АТФ и две молекулы, которые тесно связаны друг с другом, НАДН и НАДФН, как мы подробно обсудим в ближайшее время.Мы увидим, что клетки используют активированные молекулы-носители как деньги для оплаты реакций, которые иначе не могли бы произойти.

Формирование активированного носителя сопряжено с энергетически благоприятной реакцией

Когда молекула топлива, такая как глюкоза, окисляется в клетке, реакции, катализируемые ферментами, обеспечивают захват большей части свободной энергии, высвобождаемой при окислении в химически полезной форме, а не расточительно выделяется в виде тепла. Это достигается с помощью сопряженной реакции, в которой энергетически выгодная реакция используется для управления энергетически невыгодной, которая производит активированную молекулу-носитель или какой-либо другой полезный запас энергии.Механизмы сопряжения требуют ферментов и являются фундаментальными для всех энергетических трансакций клетки.

Природа связанной реакции иллюстрируется механической аналогией в , в которой энергетически выгодная химическая реакция представлена ​​камнями, падающими со скалы. Энергия падающих камней обычно полностью теряется в виде тепла, выделяемого трением, когда камни ударяются о землю (см. диаграмму падающих кирпичей на рис. ). Однако при тщательном проектировании часть этой энергии можно было бы использовать вместо этого для привода гребного колеса, которое поднимает ведро с водой ().Так как теперь камни могут достичь земли только после перемещения гребного колеса, мы говорим, что энергетически выгодная реакция падения камней была непосредственно связана с энергетически невыгодной реакцией подъема ведра с водой. Обратите внимание, что поскольку часть энергии используется для выполнения работы в (B), камни ударяются о землю с меньшей скоростью, чем в (A), и, соответственно, меньше энергии тратится впустую в виде тепла.

Рисунок 2-56

Механическая модель, иллюстрирующая принцип связанных химических реакций. Самопроизвольная реакция, показанная на (А), может служить аналогией прямого окисления глюкозы до СО ₂ и Н ₂ О, при котором выделяется только тепло. В (Б) та же реакция сопряжена (далее…)

Совершенно аналогичные процессы происходят в клетках, где ферменты играют роль гребного колеса в нашей аналогии. С помощью механизмов, которые будут обсуждаться далее в этой главе, они связывают энергетически выгодную реакцию, такую ​​как окисление пищевых продуктов, с энергетически невыгодной реакцией, такой как образование активированной молекулы-носителя.В результате количество тепла, выделяемого в результате реакции окисления, уменьшается ровно на количество энергии, запасенной в богатых энергией ковалентных связях активированной молекулы-носителя. Активированная молекула-носитель, в свою очередь, улавливает порцию энергии, размер которой достаточен для запуска химической реакции в другом месте клетки.

АТФ является наиболее широко используемой молекулой активированного носителя

Наиболее важным и универсальным из активированных носителей в клетках является АТФ (аденозинтрифосфат). Точно так же, как энергия, хранящаяся в поднятом ведре с водой, может использоваться для приведения в действие самых разных гидравлических машин, АТФ служит удобным и универсальным хранилищем или валютой энергии для управления различными химическими реакциями в клетках. АТФ синтезируется в результате энергетически невыгодной реакции фосфорилирования, в которой к АДФ (аденозиндифосфату) присоединяется фосфатная группа. При необходимости АТФ отдает свой энергетический пакет за счет своего энергетически благоприятного гидролиза до АДФ и неорганического фосфата (2).Затем регенерированный АДФ можно использовать для другого раунда реакции фосфорилирования, в результате которой образуется АТФ.

Рисунок 2-57

Гидролиз АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Два крайних фосфата в АТФ связаны с остальной частью молекулы высокоэнергетическими фосфоангидридными связями и легко переносятся. Как указано, вода может быть добавлена ​​к АТФ с образованием АДФ и неорганических (подробнее. ..)

Энергетически благоприятная реакция гидролиза АТФ сопряжена со многими другими неблагоприятными реакциями, посредством которых синтезируются другие молекулы.Мы встретимся с некоторыми из этих реакций позже в этой главе. Многие из них связаны с переносом концевого фосфата АТФ на другую молекулу, как показано в реакции фосфорилирования в .

Рисунок 2-58

Пример реакции переноса фосфата. Поскольку богатая энергией фосфоангидридная связь в АТФ превращается в фосфоэфирную связь, эта реакция является энергетически выгодной, поскольку имеет большое отрицательное значение Δ G . Реакции этого типа участвуют в (подробнее…)

АТФ является наиболее распространенным активным переносчиком в клетках. Например, он используется для снабжения энергией многих насосов, транспортирующих вещества в клетку и из нее (обсуждается в главе 11). Он также приводит в действие молекулярные моторы, которые позволяют мышечным клеткам сокращаться, а нервным клеткам — транспортировать материалы с одного конца своих длинных аксонов на другой (обсуждается в главе 16).

Энергия, запасенная в АТФ, часто используется для соединения двух молекул вместе

Ранее мы обсуждали один способ, которым энергетически благоприятная реакция может быть связана с энергетически невыгодной реакцией X → Y, чтобы позволить ей произойти.В этой схеме второй фермент катализирует энергетически выгодную реакцию Y → Z, притягивая все X к Y в процессе (см. ). Но когда требуемый продукт Y, а не Z, этот механизм бесполезен.

Наиболее частым типом реакции, необходимой для биосинтеза, является реакция, в которой две молекулы, A и B, соединяются вместе с образованием AB в энергетически невыгодной реакции конденсации

Существует непрямой путь, который позволяет AH и B-OH форма АВ, в которой реакция идет за счет гидролиза АТФ.Здесь энергия гидролиза АТФ сначала используется для превращения B-OH в промежуточное соединение с более высокой энергией, которое затем непосредственно реагирует с AH с образованием AB. Простейший возможный механизм включает перенос фосфата от АТФ к B-OH с образованием B-OPO ₃ , и в этом случае путь реакции состоит только из двух стадий:

Реакция конденсации, которая сама по себе энергетически невыгодна, представляет собой вынужден происходить, будучи непосредственно связанным с гидролизом АТФ в катализируемом ферментом пути реакции ().

Рисунок 2-59

Пример энергетически невыгодной реакции биосинтеза, обусловленной гидролизом АТФ. (A) Схематическая иллюстрация образования AB в реакции конденсации, описанной в тексте. (B) Биосинтез общей аминокислоты глутамина. (подробнее…)

Реакция биосинтеза именно такого типа используется для синтеза аминокислоты глутамина, как показано на рис. Вскоре мы увидим, что очень похожие (но более сложные) механизмы также используются для производства почти всех больших молекул клетки.

НАДН и НАДФН являются важными переносчиками электронов

Другие важные активированные молекулы-носители участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и обычно являются частью связанных реакций в клетках. Эти активированные носители предназначены для переноса высокоэнергетических электронов и атомов водорода. Наиболее важными из этих переносчиков электронов являются НАД . ⁺ (никотинамидадениндинуклеотид) и близкородственная молекула НАДФ ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Позже мы рассмотрим некоторые реакции, в которых они участвуют. NAD ⁺ и NADP ⁺ получают «пакет энергии», соответствующий двум высокоэнергетическим электронам плюс протону (H ⁺ ), и превращаются в NADH ( восстановленный никотинамидадениндинуклеотид) и NADPH ( восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат) соответственно. Следовательно, эти молекулы также можно рассматривать как носители ионов гидрида (H ⁺ плюс два электрона, или H ^— ).

Как и АТФ, НАДФН является активированным носителем, участвующим во многих важных реакциях биосинтеза, которые в противном случае были бы энергетически невыгодными. НАДФН производится по общей схеме, показанной на рис. Во время особого набора катаболических реакций с выделением энергии атом водорода плюс два электрона удаляются из молекулы субстрата и присоединяются к никотинамидному кольцу НАДФ ⁺ с образованием НАДФН. Это типичная окислительно-восстановительная реакция; субстрат окисляется, а НАДФ ⁺ восстанавливается. Структуры НАДФ ⁺ и НАДФН показаны на рис.

Рисунок 2-60

НАДФН, важный переносчик электронов. (А) НАДФН образуется в реакциях общего типа, показанных слева, в которых от субстрата удаляются два атома водорода. Окисленная форма молекулы-носителя, НАДФ ⁺ , получает один атом водорода (подробнее…)

Ион гидрида, переносимый НАДФН, легко отдается в последующей окислительно-восстановительной реакции, потому что кольцо может достигать более стабильное расположение электронов без него.В этой последующей реакции, которая регенерирует НАДФ ⁺ , именно НАДФН окисляется, а субстрат восстанавливается. НАДФН является эффективным донором своего гидрид-иона другим молекулам по той же причине, по которой АТФ легко переносит фосфат: в обоих случаях перенос сопровождается большим отрицательным изменением свободной энергии. Один из примеров использования НАДФН в биосинтезе показан на рис.

Рисунок 2-61

Заключительный этап одного из биосинтетических путей, ведущих к холестерину. Как и во многих других реакциях биосинтеза, восстановление связи С=С достигается за счет переноса гидрид-иона от молекулы-носителя НАДФН плюс протона (Н ⁺ ) от (подробнее…)

Разница в одной фосфатной группе не влияет на свойства переноса электронов НАДФН по сравнению с НАДН, но имеет решающее значение для их различных ролей. Дополнительная фосфатная группа НАДФН находится далеко от области, участвующей в переносе электрона (см. ), и не имеет значения для реакции переноса.Однако он придает молекуле НАДФН форму, немного отличающуюся от формы НАДН, и поэтому НАДФН и НАДН связываются в качестве субстратов с разными наборами ферментов. Таким образом, два типа носителей используются для переноса электронов (или ионов гидридов) между различными наборами молекул.

Почему должно быть это разделение труда? Ответ заключается в необходимости независимого регулирования двух наборов реакций переноса электрона. НАДФН работает в основном с ферментами, которые катализируют анаболические реакции, поставляя высокоэнергетические электроны, необходимые для синтеза богатых энергией биологических молекул. НАДН, напротив, играет особую роль в качестве промежуточного звена в катаболической системе реакций, которые генерируют АТФ посредством окисления пищевых молекул, как мы вскоре обсудим. Генезис NADH из NAD ⁺ и NADPH из NADP ⁺ происходит разными путями и регулируется независимо, так что клетка может независимо регулировать поставку электронов для этих двух противоположных целей. Внутри клетки отношение НАД ⁺ к НАДН сохраняется высоким, тогда как отношение НАДФ ⁺ к НАДФН остается низким.Это обеспечивает большое количество НАД ⁺ для действия в качестве окислителя и большое количество НАДФН для действия в качестве восстановителя, что необходимо для их особой роли в катаболизме и анаболизме соответственно.

В клетках есть много других активированных молекул-носителей

Другие активированные переносчики также захватывают и переносят химическую группу в виде легко переносимой высокоэнергетической связи (). Например, кофермент А несет ацетильную группу в легко переносимой связи и в этой активированной форме известен как ацетил-КоА (ацетилкофермент А). Структура ацетил-КоА показана на рис. он используется для добавления двух углеродных единиц в биосинтез более крупных молекул.

Таблица 2-6

Некоторые активированные молекулы-носители, широко используемые в метаболизме.

Рисунок 2-62

Структура важной активированной молекулы-носителя ацетил-КоА. Заполняющая пространство модель показана над структурой. Атом серы (желтый) образует тиоэфирную связь с ацетатом. Поскольку это высокоэнергетическая связь, высвобождающая большое количество свободных (больше…)

В ацетил-КоА и других молекулах-носителях переносимая группа составляет лишь небольшую часть молекулы. Остальная часть состоит из крупной органической части, которая служит удобной «ручкой», облегчая распознавание молекулы-носителя специфическими ферментами. Как и в случае с ацетил-КоА, эта часть ручки очень часто содержит нуклеотид, любопытный факт, который может быть пережитком ранней стадии эволюции. В настоящее время считается, что основными катализаторами ранних форм жизни — до появления ДНК или белков — были молекулы РНК (или их близкие родственники), как описано в главе 6. Заманчиво предположить, что многие молекулы-носители, которые мы находим сегодня, возникли в этом более раннем мире РНК, где их нуклеотидные части могли быть полезны для связывания их с ферментами РНК.

Примеры типа реакций переноса, катализируемых активированными молекулами-носителями АТФ (перенос фосфата) и НАДФН (перенос электронов и водорода), представлены в и соответственно. Реакции других активированных молекул-носителей включают перенос метильной, карбоксильной или глюкозной группы с целью биосинтеза.Требуемые активированные носители обычно образуются в реакциях, связанных с гидролизом АТФ, как в примере в . Таким образом, энергия, которая позволяет использовать их группы для биосинтеза, в конечном счете исходит от катаболических реакций, в результате которых образуется АТФ. Подобные процессы происходят при синтезе очень больших молекул клетки — нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов — которые мы обсудим далее.

Рисунок 2-63

Реакция переноса карбоксильной группы с использованием активированной молекулы-носителя. Карбоксилированный биотин используется ферментом пируваткарбоксилазой для переноса карбоксильной группы при производстве оксалоацетата, молекулы, необходимой для цикла лимонной кислоты. Акцептор (подробнее…)

Синтез биологических полимеров требует затрат энергии

Как обсуждалось ранее, макромолекулы клетки составляют подавляющее большинство ее сухой массы, то есть массы, не связанной с водой ( видеть ). Эти молекулы состоят из субъединиц (или мономеров), которые связаны вместе в реакции конденсации, в которой составляющие молекулы воды (ОН плюс Н) удаляются из двух реагентов.Следовательно, обратная реакция — распад всех трех типов полимеров — происходит при катализируемом ферментами присоединении воды ( гидролиз ). Эта реакция гидролиза энергетически выгодна, тогда как реакции биосинтеза требуют затрат энергии и являются более сложными (1).