Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Общее понятие об обмене веществ и энергии в организме

Характеристика структуры, свойств и функциональной активности фермен­тов, коферментов, витаминов и ряда других биологически активных соедине­ний, приведенная в предыдущих главах, неизбежно сопровождалась рассмот­рением тех биохимических процессов, в которых они участвуют. Этим неволь­но был сделан первый шаг к изучению некоторых аспектов обмена веществ. В последующих главах это важнейшее свойство живого будет освещено во всех его многообразных проявлениях. Здесь же целесообразно сосредоточить вни­мание на общих закономерностях.

Общие представления об обмене веществ. Обмен веществ и энергии состав­ляет сущность жизнедеятельности любого организма. Для самого явления жизни характерен постоянный обмен веществ с окружающей внешней приро­дой. Живое остается живым до тех пор, пока оно способно строить самое себя из веществ окружающей среды; живая материя поддерживает собственное существование путем постоянного и непрерывно протекающего с той или иной скоростью поглощения химических соединений из внешнего по отношению к ней мира, преобразования их в конституционные элементы своего тела или более простые соединения и, наконец, выведения во внешнее пространство продуктов распада как собственного тела, так и преобразованных в процессе жизнедеятельности веществ. Этот непрерывный, самосовершающийся и само­регулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением, назы­вается обменом веществ.

Иначе говоря, обмен веществ есть закономерный, самосовершающийся процесс превращения материи в живых телах.

Преобразование химических соединений, взаимодействие их друг с другом, разрушение одних и построение других происходит и в неживой материи. Однако при этом неживая система любого типа не самообновляется, а лишь видоизменяется. Жизнь, живая материя возникли тогда, когда среди неживых систем с характерными для них процессами неупорядоченного изменения веществ в природе появились системы, способные поддерживать собственное существование путем упорядоченного преобразования и использования факто­ров окружающей среды. Поэтому только та форма материи, те системы, которые обладают обменом веществ, получили название живой материи.

Явление жизни необычайно сложно и многогранно. «Как часть планетного земного живого вещества мы инстинктивно и бессознательно ярко чувствуем загадку жизни — своего существования и существования жизни», — писал ака­демик В. И. Вернадский¹.

¹ Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1987.

В связи со значительными успехами квантовой биохимии, молекулярной биологии, кибернетики, термодинамики и генетики в последнее время предпринято много попыток углубить и конкретизировать понимание сущности жизни. С точки зрения квантовой биохимии жизнь определяют как форму динамической реализации квантовых характеристик атомов. В молекулярной биологии приходят к обобщению, согласно которому жизнь представляется как макромолекулярная иерархическая организация, характеризующаяся реп­ликацией, метаболической цикличностью и отточенной регуляцией энергетиче­ских процессов. При этом большая роль в явлениях жизни отводится нукле­иновым кислотам. В кибернетике особое внимание уделяют процессам выра­ботки и передачи информации, характеризуя жизнь как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций ин­формацию, кодируемую состоянием отдельных молекул. С точки зрения термодинамики наиболее существенным свойством живых организмов являет­ся устойчивая термодинамическая неравновесность и способность поддержи­вать ее на определенном уровне. Если неживая система стремится прийти в равновесие с окружающей средой, то живая, напротив, старается уйти от этого равновесия, целенаправленно поддерживая свое неравновесное по от­ношению к окружающей среде состояние. Исходя из этого, жизнь определяют как способ существования динамически самосохраняющейся формы мате­рии — живой природы, сущность которого сводится к грандиозному процессу циклической трансформации органического вещества, основанному на взаимо­действии синтеза и распада живой протоплазмы, т. е. биотическом круговоро­те. В этом же аспекте жизнь определяют как потенциально способную к само­воспроизведению открытую систему сопряженных органических реакций, ка­тализируемых последовательно и почти изотермично сложными и специфическими органическими катализаторами, которые сами вырабатыва­ются этой системой.

Для современного генетика жизнь на Земле вырисовывается как интеграль­ное существование ДНК, РНК и белков в форме индивидуализированных личных и видовых целостных структурно-биохимических саморегулирующих­ся открытых систем, со свойствами воспроизведения исторически развива­ющихся форм генетической информации. При оценке сущности жизни с пози­ций эволюционного учения на первый план выступают происхождение, ор­ганизация и взаимодействие определенных надмолекулярных и клеточных структур, закономерности возникновения их совокупности в виде самостоя­тельной биологической единицы. По мнению физико-химиков, жизнь есть динамическое равновесие многофазных систем. Все перечисленные подходы к более глубокому познанию сущности жизни безусловно заслуживают внима­ния и каждый из них раскрывает новые стороны этого сложнейшего явления, но каждый из них в отдельности односторонен.

По мере изучения жизни наши представления о роли отдельных, конкрет­ных химических соединений, равно как и о значении тех или иных процессов в ее осуществлении, будут неизбежно изменяться. Кроме того, выход челове­чества в Космос делает вероятным знакомство с неземными формами жизни, вещественная и функциональная характеристики которых могут оказаться в каждом случае уникальными. Поэтому определение жизни как особой, качественно отличной биологической формы движения материи, возникающей на определенном этапе ее развития, является, видимо, наиболее фундамен­тальным и удачным.

Биологическая форма движения материи характеризуется существованием саморегулирующихся и самовоспроизводящихся систем, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией. Поскольку закономерное преоб­разование веществ лежит в основе как процесса саморегуляции, так и процесса самовоспроизведения и условием их осуществления является непрерывное поступление одних веществ в систему и выведение других из нее, обмен веществ является важнейшим элементом жизни.

Та часть общего процесса обмена веществ, которая выражается в поглоще­нии, накоплении, усвоении организмом веществ окружающей среды и созда­нии, синтезе за их счет структурных единиц своего тела, называется анаболиз­мом или ассимиляцией. Та часть общего процесса обмена веществ, которая состоит в разрушении веществ, составляющих организм, в распаде элементов живого тела и выведении продуктов этого распада из организма, называется катаболизмом или диссимиляцией. Следовательно, обмен веществ есть диалек­тическое единство противоположных процессов питания и выделения, усвоения и разрушения, синтеза и распада, иными словами — диалектическое единство процессов ассимиляции и диссимиляции.

Обмен веществ представляет собой сочетание многих разнообразных и противоположных процессов. Одни из них представляют процессы физиоло­гические (питание, выделение и т. п.), другие — физические (сорбция, перенос и т. п.), третьи — химические (распад, синтез и т. п.). Та часть процессов обмена веществ в организме, которая заключается в осуществлении хими­ческих реакций, ведущих к преобразованию индивидуальных химических со­единений при их распаде и синтезе в процессе жизнедеятельности организма, называется промежуточным обменом веществ или метаболизмом. Именно про­межуточный обмен веществ изучает динамическая биохимия.

Масштабы обмена веществ в живой природе колоссальны. Биомасса Земли, составляющая, по подсчетам ученых, от 1,8 ∙ 10¹² до 2,4 ∙ 10¹² т (в пересчете на сухое вещество), непрерывно обновляет свой состав, поглощая и выделяя огромные количества химических веществ. По подсчетам А. А. Ничипоровича, растения Земли за год усваивают из атмосферы около 650 млрд, т СО₂ и выделяют в атмосферу около 350 млрд, т О₂. За этот же срок растения извлекают из почвы около 5 млрд, т N, около 1 млрд, т Р и 10—15 млрд, т. других минеральных элементов, образуя около 380 млрд, т биомассы (в расчете на сухое вещество). Только свободно живущие в почве азотфиксирующие микроорганизмы и клубеньковые бактерии ежегодно связывают около 100 млн. т молекулярного N из воздуха. За 2000 лет весь О₂ атмосферы Земли проходит через живое вещество. Выделение кислорода в результате фотосин­теза, протекающего в растениях, водорослях и фотосинтезирующих бактери­ях, составляет от 2 тыс. до 5 тыс. т в одну секунду. Ежедневно на Земле разрушается до СО₂ и Н₂О около 1 млрд, т органических соединений. По данным В. А. Ковды, полное обновление биомассы суши происходит в тече­ние 200 лет. По мнению В. И. Вернадского, все вещество биосферы в течение краткого в геологических масштабах периода может пройти через живые ор­ганизмы. Таким образом, «...жизнь — живое вещество — поистине является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты, а вызыва­емая ею биогенная миграция атомов представляет форму организованности первостепенного значения в строении биосферы»¹.

¹ Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1987.

Если перейти от рассмотрения обмена веществ в масштабе живого вещест­ва всей планеты к оценке его роли в мельчайшей единице живого — клетке, то здесь еще более ярко выступает значение обменных процессов в явлениях жизни. Клетка, имеющая согласно современным представлениям (см. рис. 3) сложнейшую внутреннюю организацию, является средоточением нескольких тысяч различных веществ. В простейшей бактериальной клетке (см. табл. 1) находится около 300 млн. молекул органических соединений примерно 5000 наименований и громадное число молекул воды и неорганических солей. Они не только закономерно расположены в клеточном объеме, но и находятся в постоянном физическом и химическом движении. Первое осуществляется благодаря наличию в клетке большого количества протоков, соединяющих различные ее части друг с другом. Второе состоит в непрерывном преоб­разовании химических веществ посредством многочисленных реакций распада и синтеза белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и т. п. Все эти реакции ускоряются сотнями ферментов и осуществляются согласованно во времени и пространстве, а самое главное — они совершаются с огромными скоростями и саморегулируются.

Обмен веществ осуществляется при условии и в результате постоянного взаимодействия живой и неживой материи, организма и среды. Естественно поэтому, что ход обмена веществ в организме, а часто и сам характер этого обмена находятся в тесной зависимости, в единстве с условиями внешней среды. Присущие организмам молекулярные механизмы видоизменения, пре­образования, воспроизводства и разрушения специфических органических со­единений (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы и др.) действуют лишь в определенных, ограниченных интервалах температуры, давления, ра­диации. Они осуществляются лишь при условии постоянного притока веществ, пригодных для преобразования, и оттока веществ, которые уже не могут служить исходным материалом для построения тела данного организма.

Более того, поддержание на известном уровне специфической активности молекулярных механизмов, преобразующих вещества клетки, зависит от не­прерывного воспроизведения составных частей самих этих механизмов в еди­ном процессе обмена веществ. В этом смысле любой организм представляет неизбежно самонастраивающуюся, саморегулирующуюся систему, закономерно (и адекватно) изменяющуюся при изменении условий среды, с которыми ор­ганизм взаимодействует. Таким образом, тип обмена веществ складывается в процессе жизнедеятельности организма как единство внутренних (консер­вативных) и внешних (изменчивых) факторов. В этом и состоит диалектиче­ское единство организма и среды.

Закономерности обмена энергии. Обмен веществ невозможен без сопутству­ющего ему обмена энергии. Каждое органическое соединение, входящее в со­став живой материи, обладает определенным запасом потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа. Эту энергию принято называть свободной энергией. Уровни свободной энергии индивидуальных исходных веществ и продуктов реакции, как правило, различны, вследствие чего в про­цессе преобразования веществ происходит перераспределение свободной энер­гии между компонентами реакционной смеси, т. е. протекает обмен энергией между веществами.

Понятие о макроэргических соединениях. Главными материаль­ными носителями свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется. Если изменение уровня свободной энергии соединения при возникновении или распаде химической связи составляет около 12,5 кДж/моль преобразуемого вещества, то такая связь по своему энергетическому уровню считается нормальной. Именно такую размерность имеет изменение уровня свободной энергии при преобразовании большинства связей в органических соединениях. Однако при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических соединений изменяется в гораздо большей степени и составляет 25—50 кДж/моль и более. Такие соединения называются макроэргическими соединениями, а связи, при преобразовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе веще­ства, — макроэргическими связями. Последние в отличие от обычных связей обозначают значком ~. Ниже приведены некоторые органические вещества первого (с нормальными связями) и второго (с макроэргическими связями) типов. В каждом случае в скобках указаны величины уменьшения свободной энергии (отмечено знаком минус перед цифрами в скобках) в исходных вещест­вах по сравнению с таковыми в продуктах их гидролиза (при pH 7, t = 25° С, кДж/моль):

Нетрудно видеть, что макроэргические связи представлены преимущест­венно сложноэфирными, в том числе и тиоэфирными, ангидридными и фосфоамидными связями. Однако наиболее интересно, что почти все известные соединения с макроэргическими Связями содержат атомы Р и S, по месту которых в молекуле эти связи локализованы. Особая роль атомов S и Р в об­разовании макроэргических связей объясняется следующими причинами: 1) химические связи, свойственные элементам III периода, слабее, чем связи, характерные для элементов II периода; 2) S и Р образуют более четырех ковалентных связей; 3) только S и Р в III периоде сохраняют способность к замыканию кратных связей.

Именно та энергия, которая высвобождается при разрыве макроэргических связей, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем свободной энергии, чем исходные. В то же время запасы макроэр­гических веществ в организме постоянно пополняются путем аккумулирова­ния энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распада­ющихся соединений.

Таким образом, макроэргические вещества выполняют функцию и доно­ров, и акцепторов энергии в обмене веществ; они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах. Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преоб­разовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т. е. в энергию возбужденного состояния молекулы.

Последний вид энергии и служит непосредственным источником реакцион­ной способности молекул; преобразуясь снова в стационарную форму энергии химической связи, он энергетически обеспечивает видоизменение веществ, их преобразование, т. е. их обмен в организме.

Все сказанное еще раз подчеркивает тесную взаимозависимость обмена веществ и обмена энергии.

Природа макроэргических связей. Какие же закономерности в строении молекул макроэргических соединений обеспечивают их особую роль в обмене веществ и энергии? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим структуру молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — наиболее важ­ного макроэргического соединения в организме. Впервые внимание на ее роль в энергетическом обеспечении химических процессов обратил Ф. Липманн (1939—1941), а механизм распада под действием миозина и переход энергии макроэргической связи в механическую энергию сокращения мышцы исследо­вали В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова (1939).

Энергия химической связи между двумя концевыми фосфатными остатка­ми в молекуле макроэргического соединения (АТФ) и энергия связи между остатком фосфорной кислоты и глюкозы в молекуле немакроэргического соединения (глюкозо-6-фосфата) примерно одинакова. Работу, выражающу­юся одной и той же величиной, в обоих случаях необходимо затратить для отрыва фосфорного остатка и от того, и от другого соединения. Однако при изучении реакций гидролиза АТФ и глюкозо-6-фосфата выявлена существенная разница в энергетическом балансе этих одноименных реакций: в случае АТФ изменение свободной энергии составляет 32,5—34,7 кДж/моль, в случае глюкозо-6-фосфата — всего 13,1 кДж/моль.

Отсюда следует, что понятия «энергия связи» и «макроэргическая связь» совершенно различны. Первое сводится к характеристике энергетического уровня химической связи с точки зрения физической химии, т. е. как величины энергии, необходимой для разрыва связи между атомами. Второе состоит в учете энергетического эффекта в результате преобразования связи посред­ством химической реакции.

Здесь-то и выявляется характерная разница между обычной и макроэргической связью; последнюю нельзя рассматривать как химическую связь, об­ладающую повышенным по сравнению с обычной запасом энергии, или как связь непрочную, которая только и «ждет» случая, чтобы разрушиться взры­воподобно, с выделением энергии. Ее основная характеристика состоит в том, что при гидролизе или преобразовании иным путем такой связи выделяет­ся гораздо больше энергии, чем при гидролизе или преобразовании обычной связи.

Исследование структуры той части молекулы АТФ, где сосредоточены макроэргические связи, показало, что строение ее своеобразно. В частности, распределение зарядов у атомов Р и О в трифосфатной группировке АТФ таково:

Как видно из приведенной выше формулы аденозинтрифосфорной кисло­ты, кислородно-фосфорный остов трифосфатной группировки составлен поло­жительно заряженными атомами О и Р. Электростатическое отталкивание положительных зарядов в остове трифосфатной части АТФ имеет, видимо, существенное значение для выделения повышенного количества энергии при гидролитическом отрыве фосфатных групп. Аналогично, с точки зрения кван­тово-механических представлений, построены и остальные макроэргические соединения: для них характерно накопление положительных зарядов у атомов, непосредственно связанных макроэргической связью, и отрицательных — у окружающих эти связи атомов:

Существенно также, что п-электроны атомов О, N и S, связывающих группировки атомов в макроэргических соединениях, не в состоянии удовле­творить потребность в электронах этих группировок.

В качестве иллюстрации приведем структуру ацетилфосфата:

Как следствие этого, неустойчивая система сопряжения электронов в мак­роэргических соединениях при гидролизе и других преобразованиях легко и необратимо нарушается.

Роль макроэргических соединений в трансформации энергии. Рассмотрим теперь, как можно представить механизм превращения стабильной энергии химической связи в подвижную энергию возбуждения молекулы и обратного процесса — преобразования мобильной энергии возбуждения в стационарную энергию химической связи. Именно в этом заключается одна из наиболее существенных функций макроэргических соединений. Молекула АТФ осуществляет указанную трансформацию энергии, будучи связана со специфическим белком. Закрепление АТФ на белковой молекуле сопровождается сближением трифосфатной части молекулы с пуриновой ее частью. Выделяющаяся при распаде макроэргической связи между остатками фосфорной кислоты энергия передается на пуриновую часть молекулы. Она трансформируется при этом в мобильную энергию возбуждения электронов системы сопряженных двойных связей пуринового цикла, откуда поступает далее к месту химической реакции, переводя в возбужденное состояние электроны преобразуемого органического соединения. Это обеспечива­ет последнему повышенную реакционную способность, создавая, в частности, потенциальную возможность для обратного преобразования подвижной энергии возбуждения в стационарную энергию новых химических связей (рис. 63).

Энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений и за счет которой может быть совершена та или иная работа, используется не только для химического синтеза. Она может служить в организме для тепло­образования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы и т. п. При этом химическая энергия преобразуется в тепловую, лучистую, электрическую, механическую и пр. Принципиально важно то, что преобразование химической энергии в другие ее виды протекает в организме при обязательном участии соединений с макроэргическими связями, в част­ности АТФ. В молекуле АТФ, как было показано выше, происходит трансфор­мация стабильной энергии макроэргических межфосфатных химических связей в подвижную энергию возбуждения электронов пуриновой части молекулы; это и есть, вероятно, первый этап преобразования энергии в организме. Именно поэтому АТФ занимает центральное место в энергетическом обмене живой материи.

Рис. 63. Трансформация энергии в молекуле АТФ (пояснения в тексте)

Рассмотрение механизма трансформации и передачи энергии при распаде АТФ и аналогичных ей макроэргических соединений позволяет понять одно из элементарных фундаментальных свойств живой материи. Оно состоит в том, что в системах, обладающих свойствами живого, энергия, необходимая для осуществления химической реакции, будучи высвобождена в одной точке, может быть передана в другую точку, где она непосредственно используется. Это значит, что в живой природе нет необходимости в непосредственном контакте путем соударения (что является характерным свойством реакций в неживой природе) молекулы, поставляющей энергию, с молекулой, нужда­ющейся в энергии. Это принципиально отличает ход химического процесса в живых объектах от такового в неживых.

В живой природе идет непрерывный процесс запасания энергии в виде химической энергии связей органических веществ. Он состоит главным об­разом в преобразовании лучистой энергии в химическую (фотосинтез зеленых растений) и в небольшой мере — в переходе химической энергии из неор­ганических соединений в органические (хемосинтез микроорганизмов).

Как видно из рис. 64, АТФ играет выдающуюся роль как при запасании, так и при расходовании энергии, т. е. является ключевым веществом в энер­гетическом обмене организма. Известно много реакций, при посредстве ко­торых АТФ возникает из других макроэргических соединений, и наоборот, есть много процессов, приводящих к синтезу макроэргических соединений при участии АТФ. Такие, например, макроэргические соединения, как кре­атинфосфат, фосфоенолпировиноградная кислота и 1,3-дифосфоглицериновая кислота, при взаимодействии с АДФ образуют АТФ с выделением креатина, пировиноградной кислоты и 3-фосфоглицериновой кислоты. Эти и подобные им соединения принято обозначать как АТФ-генерирующие вещества. Пере­численные реакции обратимы, и при известных условиях равновесие может быть смещено в сторону распада АТФ.

Рис. 64. Превращения энергии в живой природе (пояснение в тексте)

Общие закономерности трансформации энергии в живых системах. Обмен энергии в процессе жизнедеятельности не исчерпывается превращением химической энергии в другие виды ее и наоборот (рис. 64); он носит более широкий характер. Так, в палочках и колбочках сетчатки глаза световая энергия превращается в электрическую; в специфических структурах внутреннего уха звуковая и гидродинамическая энергия переходит в электри­ческую и т. п.

Трансформация одного вида энергии в другой осуществляется в организ­мах в морфологически разнообразных элементах — хлоропластах, мышцах (российские кардиологи недавно впервые выявили новые пути передачи энер­гии от места ее образования в митохондриях к точке потребления в миофибриллах сердечной мышцы), рецепторных аппаратах тканей и органов, сетчатке глаза, люминесцентных органах и т. п.

Однако всем этим разнообразным элементам свойственны некоторые об­щие черты строения. Они отличаются наличием двухслойных мембран с высо­ким содержанием липопротеинов в них и присутствием структурного белка, связывающего в упорядоченные образования достаточно унифицированные элементарные частицы. Последние включают в свой состав молекулы опреде­ленного строения, которые, собственно, и осуществляют процесс трансфор­мации энергии. При этом энергия одного вида поглощается молекулой-преоб­разователем и превращается в энергию другого вида. Простейшим примером механизма внутримолекулярного превращения энергии молекулой-преобразователем служит переход стационарной энергии химических связей трифосфатной группировки молекулы АТФ в подвижную энергию возбуждения электро­нов ее пуриновой части (см. рис. 63). Более сложным примером являются конформационные изменения белковых молекул в процессе преобразования одного вида энергии в другой (например, мышечное сокращение).

Обмен веществ и энергии представляет единый, неразрывный процесс, где видоизменение вещества всегда сопровождается выделением или поглощением свободной энергии и где выделившаяся или поглотившаяся в том или ином количестве энергия обеспечивает распад или синтез химических связей, т. е. по существу видоизменение самих веществ. Таким образом, закономерности об­мена веществ и энергии в живой природе являются частным случаем общего закона сохранения материи и энергии.