БИОЭНЕРГЕТИКА

БИОЭНЕРГЕТИКА — совокупность процессов превращения энергии в живом организме (биологических системах): извлечение энергии из окружающей среды, ее аккумулирование и использование для жизнедеятельности организма. Энергетические процессы в биол, системах подчиняются законам физики и химии, и прежде всего законам термодинамики (см.). С точки зрения термодинамики, организмы являются открытыми системами, постоянство параметров которых обеспечивается тем, что организмы непрерывно получают энергию из среды в количестве, компенсирующем ее внутренние расходы. В биол, объектах нет значительных перепадов температуры или давления, и они работают по принципу «химических машин», непосредственно использующих хим. (электронную) энергию для осуществления работы. В соответствии с этим кпд преобразования энергии определяется соотношением: кпд = (μ1 – μ2)/μ1 , где μ1 и μ2 энергетические (химические) потенциалы исходного и конечного состояний вещества.

Центральное место в биоэнергетических превращениях занимает принцип энергетического сопряжения, в соответствии с к-рым молекулярные превращения, приводящие к возрастанию свободной энергии системы (эндэргонические реакции), сопрягаются во времени и пространстве с экзэргоническими реакциями — донорами энергии, которые происходят со значительным уменьшением свободной энергии. Поэтому в организме реализуются такие реакции,

изолированное протекание которых невозможно. В качестве донора энергии выступает АТФ или другие богатые энергией соединения (см. Высокоэргические соединения). Сходным образом эндэргонический синтез АТФ сопряжен с экзэргоническими реакциями окисления различных соединений:

Элементарные акты трансформации энергии, совершающиеся на молекулярном уровне, осуществляются набором ферментов, локализованных в специализированных структурах, и прежде всего в биологических мембранах. Все биоэнергетические процессы тонко регулируются на молекулярном, мембранном, клеточном и организменном уровнях (см. Биологическая система, ауторегуляция в биологических системах).

Практически единственным первичным источником энергии для биологических систем является видимый и ближний инфракрасный солнечный свет, энергия к-рого в процессе фотосинтеза (см.) превращается в хим. энергию. Солнечная энергия, запасенная в продуктах фотосинтеза, используется затем гетеротрофными организмами — напр, травоядными, а затем плотоядными животными. Конечными продуктами фотосинтеза являются углеводы, аминокислоты (а следовательно, и белки), липиды и другие органические соединения.

Фотосинтез — это сложный многоэтапный процесс, осуществляющийся в специализированных мембранных органоидах клеток растений — хлоропластах. С мембранами связаны фотосинтетические пигменты, и в первую очередь хлорофилл а и хлорофилл b. При этом имеет место следующая последовательность фотохим., фотофиз. и биохим, актов, или событий: энергия света —> энергия электронного возбуждения хлорофилла (и других пигментов) —> окислительно-восстановительная энергия переносчиков электронов —> хим. энергия АТФ и НАДФ-Н —> хим. энергия конечных продуктов фотосинтеза (глюкозы и других соединений).

Все животные и большинство микроорганизмов пользуются энергией этих соединений, поступающих с пищей,— органотрофный энергообмен.

Энергия химических связей органических молекул высвобождается при их ступенчатом окислении. Если конечным окислителем органических молекул является кислород, то говорят об аэробном, или дыхательном, типе энергетики, а если процесс происходит без участия кислорода — об анаэробном. Однако в обоих случаях имеет место, как правило, не прямое взаимодействие углеродных соединений с кислородом, а дегидрогенирование: окисление, связанное с удалением атомов водорода, которые переносятся на другое, восстанавливающееся при этом вещество. В качествепримера рассмотрим окисление глюкозы — процесс, по своей итоговой реакции обратный фотосинтезу: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 686 ккал/моль.

Принципиальной особенностью биол, окисления, или дыхания (см. Окисление биологическое), является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные промежуточные ферментативные стадии (кислород непосредственно не реагирует с окисляемыми молекулами). Значительная часть энергии экзэргонических реакций выделяется не в виде тепла, а используется для синтеза богатых энергией соединений, и прежде всего АТФ. Окисление глюкозы проходит через четыре основных этапа. Первый этап — гликолиз (см.) — протекает без участия кислорода, локализован в цитоплазме; при этом одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пировиноградной к-ты. Свободная энергия (ΔΡ) при этом уменьшается на 50 ккал/моль, т. е. из глюкозы высвобождается ок. 7 % энергии. Часть высвободившейся энергии расходуется на синтез двух молекул АТФ:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2CH₃COCOOH + 2АТФ +2H₂ + 2H₂O.

По своему механизму к гликолизу близки процессы брожения (см.), осуществляемые дрожжами и другими микроорганизмами. На втором этапе — этапе окислительного декарбоксилировании — Пировиноградная к-та декарбоксилируется до ацетила, который вступает в связь с коэнзимом А, образуя ацетилкоэнзим А. При этом от трехуглеродной молекулы пировиноградной к-ты отщепляется CO₂ и два атома водорода (второй атом водорода поставляет сульфгидрильная группа коэнзима А) и высвобождается ок. 60 ккал/моль энергии (ΔF — 60 ккал/моль):

2CH₃COCOOH + 2KOA-SH → 2CH₃CO-SKoA + 2CO₂ + 2H₂.

Третий и четвертый этапы локализованы в специальных внутриклеточных образованиях — митохондриях. На третьем этапе, получившем название цикла лимонной к-ты, или цикла Кребса, ацетилкоэнзим А соединяется с щавелевоуксусной к-той с возникновением шестиуглеродной лимонной к-ты и регенерацией коэнзима А. Затем ферментативным путем лимонная к-та претерпевает ряд превращений, приводящих к регенерации щавелевоуксусной к-ты (см. Трикарбоновых кислот цикл). Особенности этой стадии — использование для окисления углерода не кислорода воздуха, а кислорода воды и уксусной к-ты, высвобождение почти всей энергии в виде «богатых энергией» электронов (атомов водорода) и синтез двух молекул высокоэргического соединения — гуанозинтрифосфата (ГТФ).

Атомы водорода, выделяющиеся на всех этапах разрушения глюкозы, вводятся в единую цепь окислительно-восстановительных ферментов (дыхательная цепь), по к-рой электрон, теряя энергию, спускается к кислороду (см. Дыхательные ферменты).

В ходе такого процесса высвобождается 52,6 ккал/моль энергии. Кислород воздуха вступает в реакцию лишь с самым последним компонентом дыхательной цепи — цитохромоксидазой с образованием молекулы воды:

2e^– + 2H + 0,5O₂ → H₂O.

Остальные рассмотренные выше стадии окисления протекают без участия кислорода. Прохождение каждой пары электронов по дыхательной цепи сопровождается синтезом трех молекул АТФ. Этот процесс получил название окислительного фосфорилирования (см.). Механизм передачи энергии от переносчиков дыхательной цепи к системе синтеза АТФ (энергетического сопряжения между окислением и фосфорилированием) окончательно не выяснен. Предполагается, что при этом имеет место промежуточное запасание энергии в виде электрохим. градиента протонов поперек внутренней мембраны митохондрий (хемиосмотический механизм сопряжения). Представляется возможным, что на определенных стадиях этого процесса энергия может накапливаться в виде напряженной структуры белков мембраны (конформационная гипотеза).

В организмах растений и животных существует также другой путь аэробного окисления глюкозы — так наз. пентозофосфатный шунт. Он берет начало от продукта первой стадии гликолиза — глюкозо-6-фосфата и через сложную цепь специфических превращений приводит к распаду одной из шести молекул глюкозо-6-фосфата, причем пять остальных молекул в ходе анаэробных хим. превращений регенерируются:

6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ + 7H₂O → 5 глюкозо-6-фосфат + 6CO₂ + H₃PO₄ + 12НАДФН-Н⁺.

Восстановленная при этом форма никотинамидаденин динуклеотида (НАДФ-Н) может в дальнейшем подвергаться окислению в дыхательной цепи или использоваться в различных процессах синтеза органических соединений.

Ферментативная система цикла Кребса и дыхательная цепь используются для окисления не только глюкозы, но и других веществ, потребляемых с пищей и содержащих запасы химической энергии (углеводы, жиры, белки). Предварительно огромное количество различных сложных органических молекул пищи подвергается унификации и превращается в небольшое число карбоновых кислот, которые затем последовательно утилизируются одним и тем же циклическим набором ферментов.

Т. о., универсальный источник энергии для осуществления разнообразных жизненных процессов — АТФ — создается в ходе эндэргонической реакции:

АДФ + H₃PO₄ → АТФ,

использующей энергию окисления или самих фрагментов молекул органических веществ (субстратное фосфорилирование), или переносчиков дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование и фотосинтетическое фосфорилирование).

При распаде АТФ выделяется энергия: свободная энергия реакции

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄

в растворе составляет ок. 10 ккал/моль; в клетках с учетом реальных концентраций реагентов свободная энергия может достигать 12—14 ккал/моль.

Кроме АТФ, в живой природе представлено значительное количество других богатых энергией соединений: гуанозин-, инозин- и уридинтрифосфаты; креатин-, аргинин- и ацетилфосфаты; ацетилкоэнзим А и т. п. Они выполняют функции депонирования энергии в силу легкого обмена фосфатных групп с АДФ (I); предшественников АТФ в процессе биосинтеза (II); посредников в передаче энергии АТФ к субстратам-потребителям (III).

При всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреблением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии: 1) хим. энергия лабильной хим. связи в молекуле АТФ — хим. энергия стабильных биол, соединений; 2) энергия АТФ — механическая работа; 3) энергия АТФ — осмотическая работа. Первый вид использования энергии составляет основу эндэргонических синтезов разнообразных хим. соединений, в т. ч. и биополимеров — нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболическая ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряжением экз- и эндэргонических реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в руки»). При этом запасы энергии в одном из участников реакции повышаются за счет распада макроэргических соединений с понижением запасов энергии системы в целом. Напр., энергетический уровень реагента повышается путем присоединения к нему конечного фосфата АТФ (фосфорилирование):

В + АТФ → В-Ф + АДФ

или двух концевых фосфатов (пирофосфорилирование):

В + АТФ → В-Ф-Ф + АМФ

или АМФ (аденилирование):

В + АТФ → В-АМФ + ФФ.

Такого рода фосфорилированные или аденилированные соединения могут вступать в реакции синтеза, поскольку потеря энергии при соединении молекулярных фрагментов компенсируется выделением энергии при дефосфорилировании (деаденилирование) фрагментов. Напр., эндэргонический синтез сахарозы из глюкозы и фруктозы происходит следующим образом:

1) АТФ + глюкоза → АДФ + глюкозо-1-фосфат (фосфорилирование);

2) глюкозо-1-фосфат + фруктоза → сахароза + фосфат.

Суммарная реакция:

АТФ + глюкоза + фруктоза → сахароза + фосфат + АДФ.

Экзэргоническая полуреакция:

АТФ → АДФ + фосфат (ΔF= – 8000 ккал/моль).

Эндэргоническая полуреакция: глюкоза + фруктоза → сахароза (ΔF’= + 5500 ккал/люлъ). ΔF > ΔF’; кпд реакции составляет ок. 70%.

В некоторых случаях непосредственным донором энергии является не АТФ, а другие нуклеозидтрифосфаты: напр., работа рибосом обеспечивается энергией гуанозинтрифосфата (ГТФ), а синтез фосфатидов — цитидинтрифосфата (ЦТФ).

Использование энергии АТФ для осуществления механической работы лежит в основе разнообразных форм двигательной активности организмов и клеток: сокращения мышц у животных, движения листьев и цветков у растений, работы жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата при делении клеток и т. д. Кпд трансформации энергии в мышце составляет ок. 40%.

Решающую роль в такого рода механохимических процессах (см.) играют сократительные белки актомиозинового комплекса, способные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что находит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте — сокращении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ — осмотическая работа. В ее основе лежит генерация и поддержание концентрационных перепадов (градиентов) различных веществ, и прежде всего ионов натрия и калия в системах: клетка — окружающая среда или клеточные органоиды — цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом богатых энергией соединений, получил название активного транспорта. Благодаря активному транспорту в клетках поддерживается необходимое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран возбудимых (нервные, мышечные) клеток — мембранный потенциал, или потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникновения и распространения нервного импульса — потенциала действия (см. Биоэлектрические явления).

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явлении биолюминесценции (см. Биохемилюминесценция).

Значительно меньшую роль в Б. играют процессы чисто физического переноса энергии. Наибольшее функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фотосинтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света, поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с помощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется в хим. энергию продуктов фотосинтеза.

Для медицины знание биоэнергетических процессов имеет большое значение. Большинство патологических процессов так или иначе связано с нарушениями в энергетическом обмене. Напр., при B1-авитаминозе блокируется окисление пировиноградной к-ты, при гипертиреозе усиливается свободное окисление на фоне ослабления сопряжения с фосфорилированием АДФ, при злокачественном перерождении клеток начинает преобладать гликолитический путь распада углеводов над митохондриальным циклом Кребса и окислительным фосфорилированием. Смертельные исходы при инфарктах миокарда и многих интоксикациях (отравление угарным газом, цианистым калием и т. д.) наблюдаются при блокаде энергогенерирующих систем на молекулярном уровне. По своим последствиям для организма наиболее значительным нарушением биоэнергетических процессов является снижение эффективности окислительного фосфорилирования в митохондриях. Оно может происходить вследствие:

1) блокирования переноса электронов на каком-либо участке цепи митохондрий, ингибирования АТФ-синтетазы или системы транспорта АТФ, АДФ и фосфата;

2) разобщения процессов окисления и фосфорилирования, в норме прочно сопряженных. В последнем случае эффект объясняется повышением проницаемости мембран митохондрий для протонов или катионов (напр., K⁺ , Na⁺ ). При повышении проницаемости мембран митохондрий для катионов наблюдается набухание митохондрий, приводящее к вторичному увеличению проницаемости для ионов.

В экспериментах показано, что одни неорганические и органические соединения оказывают ингибирующее действие на систему окислительного фосфорилирования, а другие (их гораздо больше) — разобщающее. Напр., цианиды, нитриты и окись углерода ингибируют цитохромоксидазу; ионы цинка блокируют перенос электронов на участке между цитохромами в—c1, барбитураты — на участке НАД·H—ФАД; ртутноорганические соединения ингибируют преимущественно перенос фосфата; дикумарин и другие антагонисты витамина К, а также динитрофенол являются разобщителями. Вероятно, что и действие многих бактериальных токсинов может быть опосредовано через подобные механизмы. Нарушение окислительного фосфорилирования в тканях возникает не только вследствие ингибирования, но и в результате недостатка коферментов дыхательной цепи при авитаминозах (напр., НАД·H — при дефиците никотиновой к-ты, ФАД — при дефиците рибофлавина, коэнзимов — при дефиците витаминов групп E и К). Ряд веществ эндогенного происхождения обладает свойствами ингибиторов или разобщителей. К ним можно отнести некоторые гормоны, напр, тироксин (разобщитель), стероидные гормоны (ингибиторы переноса электронов).

Однако нарушения фосфорилирующей способности митохондрий, видимо, по большей части опосредованы через изменения состава и свойств липидов мембран митохондрий. Известно два основных механизма модификации мембранных липидов: перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот и расщепление фосфолипидов митохондриальной фосфолипазой А.

Продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот липидов повышают ионную проницаемость мембран митохондрий, являясь, т. о., разобщителями. Кроме того, в результате перекисного окисления происходит ингибирование дыхательной цепи митохондрий, связанное с окислением сульфгидрильных групп белков — переносчиков электронов. В физиол, условиях процесс перекисного окисления контролируется клеткой и протекает с небольшой скоростью. Однако при некоторых патологических состояниях перекисное окисление может протекать весьма интенсивно (напр., при действии проникающей радиации и ультрафиолетового излучения, при гипероксии и интоксикации озоном, при авитаминозе E, гипервитаминозе D и при недостатке микроэлемента селена). Предполагается, что активация перекисного окисления возникает и после временной гипоксии органов.

Принципиально иным является механизм регуляции эффективности окислительного фосфорилирования с участием митохондриальной фосфолипазы А. Конечными продуктами в этом случае являются лизофосфатиды и свободные жирные кислоты. Лизофосфатиды способны ингибировать транспорт электронов по дыхательной цепи на участках НАД·H — убихинон и убихинон-цитохром с1. Свободные ненасыщенные жирные кислоты увеличивают ионную проницаемость мембран, т. е. являются разобщителями и, кроме того, вероятно, ингибируют транспорт адениннуклеотидов.

Митохондриальная фосфолипаза А активируется ионами кальция и свободными жирными кислотами; антагонистом липолиза является АТФ, к-рая сдвигает реакцию в сторону синтеза фосфолипидов. Эффект активации фосфолипазы А наиболее четко проявляется при аноксии, когда концентрация АТФ в клетке резко снижается и увеличивается содержание Ca2+ в цитоплазме. Весьма вероятно, что этот же механизм проявляется и при холодовой адаптации, и при воздействии ряда гормонов, напр, при непрямом эффекте тироксина. Существует возможность того, что в вышеперечисленных случаях определенную роль играет циклическая АМФ.

Кроме нарушений окислительного фосфорилирования митохондрий, в патологических условиях могут наблюдаться другие изменения энергетического обмена, напр, гликолиза. Так, при аноксии и гипоксии происходит компенсаторная активация гликолитического процесса. В клетках злокачественных опухолей даже при нормальном содержании кислорода наблюдается активация гликолиза (в частности, за счет выхода кофакторов гликолиза в цитоплазму из митохондрий раковой клетки), однако в целом природа этого явления недостаточно ясна.

Исследование биоэнергетического статуса, в особенности окислительного фосфорилирования тканей и клеток, несмотря на то, что в наст, время оно основано на применении косвенных методов, имеет существенное значение для диагностики, прогнозирования и терапии различных заболеваний.

См. также Обмен веществ и энергии.

Библиография: Владимиров Ю. А. и Арчаков А. И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, М., 1972; Конев С. В. и Болотовский И. Д. Введение в молекулярную фотобиологию, Минск, 1971, библиогр.; Лeнииджeр А. Митохондрия, пер. с англ., М., 1966, библиогр.; P э к e р Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967, библиогр.; Скулачeв Б. П. Аккумуляция энергии в клетке, М., 1969; он же, Трансформация энергии в биомембранах, М., 1972, библиогр.; Ясайтис А. А. Молекулярная биоэнергетика, ч. 1, М., 1973, библиогр.; Current topics in bioenergetics, ed. by D. R. Sanadi, v. 1—5, N. Y.— L., 1966—1973; Lehninger A. L. Bio-energetics, California, 1971, bibliogr.

С. В. Конев; В. И. Сороковой (мед. значение).