Термодинамика и свободная энергия Гиббса в метаболизме

Термодинамика и свободная энергия Гиббса в контексте метаболизма Энергия: валюта биохимических систем Потенциальная энергия Запасается в химических связях Электрохимические градиенты Конформационное напряжение в макромолекулах Кинетическая энергия Модельное движение Тепловая энергия Диффузия и броуновское движение Преобразования энергии приводят в движение метаболизм, передачу сигналов и клеточную работу. Энергия: валюта биохимических систем Потенциальная энергия Запасается в химических связях Электрохимические градиенты Конформационное напряжение в макромолекулах Кинетическая энергия Модельное движение Тепловая энергия Диффузия и броуновское движение Преобразования энергии приводят в движение метаболизм, передачу сигналов и клеточную работу. Термодинамика в биологических системах Первый закон Энергия сохраняется; Биологические системы преобразуют энергию посредством: Окислительно-восстановительных реакций Гидролиза АТФ Протонных градиентов Генерации энергии Организмы должны постоянно получать энергию из окружающей среды (пища или солнечный свет), поскольку они постоянно используют её для: Биосинтеза (построения молекул) Активного транспорта через мембраны Движения Поддержания порядка (низкая энтропия локально) Метаболической эффективности: Ни один биологический процесс не является на 100% эффективным. Некоторая часть энергии всегда теряется в виде тепла (подчиняется второму закону термодинамики), поэтому нам необходимо постоянно питаться. АТФ как энергетическая валюта: АТФ действует как непосредственный переносчик энергии. Первый закон термодинамики гарантирует, что энергия, выделяемая при расщеплении молекул пищи, равна энергии, захваченной в АТФ, плюс тепловые потери. Свободная энергия Гиббса Свободная энергия Гиббса (ΔG): Энергия, доступная для совершения работы в биологических системах. ΔG = ΔH − TΔS Самопроизвольные реакции имеют ΔG меньше 0 (экзотермические). Клетки связывают экзотермические реакции (например, гидролиз АТФ) с эндотермическими (реакциями, обеспечивающими упорядочение) реакциями. ΔG меньше 0 → реакция самопроизвольная (экзотермическая) ΔG больше 0 → реакция несамопроизвольная (эндотермическая) ΔG = 0 → равновесие Эндергонические реакции (затраты энергии) Эндергоническая реакция: реакция с ΔG больше 0, что означает, что для её протекания требуется затрата энергии. Основные характеристики: Продукты обладают большей свободной энергией, чем реагенты Не спонтанны Должны быть связаны с источником энергии (обычно гидролиз АТФ) Катаболические и анаболические пути Катаболические пути расщепляют молекулы для высвобождения энергии, в то время как анаболические пути строят молекулы, используя энергию. В этом и заключается основное различие… Катаболизм = расщепление (высвобождение энергии) Анаболизм = построение (потребление энергии) Анаболические пути: «Построение» Анаболические пути строят сложные молекулы из более мелких. Назначение: Рост, восстановление, хранение. Энергетический профиль: Эндергонический — требует затрат энергии, обеспечиваемых АТФ из катаболизма. Примеры: Синтез белка из аминокислот Образование гликогена из глюкозы Синтез липидов Формирование костей Результаты: Более крупные биомолекулы (белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты). Равновесие и метаболизм Живые системы — это открытые системы с постоянным потоком. Равновесие = смерть. Непрерывный приток/отток вещества поддерживает градиенты ΔG. Ферменты ускоряют реакции, но не изменяют положения равновесия. Химические реакции и биологические системы Реакции подчиняются стехиометрии, закону сохранения массы и термодинамическим ограничениям. Ферменты снижают энергию активации, увеличивая скорость реакции без изменения ΔG. Биологические реакции часто связаны с гидролизом АТФ или окислительно-восстановительными реакциями. Химическое равновесие Скорость прямой и обратной реакции равна. Концентрации остаются постоянными, но молекулы продолжают реагировать. Биологические системы смещают равновесие посредством: Изменения концентраций реагентов/продуктов Изменения pH Использования ферментов Компартментализации Ссылка на слайды лекции: https://drive.google.com/file/d/1ac-VhICmFdJPZAJTyVOS0EuJUKoztqaS/view?usp=drive_link В связи с ограничением количества символов в описании, полный текст работы, цитируемой в статье «Термодинамика и свободная энергия Гиббса, связанные с метаболизмом», можно посмотреть по ссылке: https://docs.google.com/document/d/1azBjvtPz_cqIz3SfUwy4M8XVsZSdYDRQ/edit?usp=drive_link&ouid=104237452697237972847&rtpof=true&sd=true Катаболические пути (разрыв) Молекулы) Катаболизм = расщепление Примеры: гликолиз, окисление жирных кислот. Почему катаболические пути являются экзотермическими: Расщепление молекул увеличивает энтропию Высвобождает полезную энергию (АТФ, НАДН) ΔG отрицательно