Рыпанье

[alexZ8]

1. Термодинамика, энергия и порядок.

---

1.3 Куда уходит энергия из пищи

Давайте применим вышеизложенные принципы к энергии, которую мы получаем из пищи. Мы используем около 50% этой энергии для выполнения "полезных" задач. Большая часть из этих 50% идет на поддержание порядка, или создания порядка из беспорядка. Это требует энергии в соответствии со вторым законом термодинамики.

Как только мы добились порядка, нам нужно затратить еще больше энергии на его поддержание, так как без поступления энергии система стремится к разрушению. Это всё тоже второй закон. Часть порядка мы все же "провороним" и нам придется восстанавливать поврежденные беспорядком части системы — и снова второй закон.

Еще часть из этих "полезных" 50% пойдет на обеспечение нашей физической активности и на внутренние движения типа сердечных сокращений и дыхания.



Но другая половина энергии, на которой, увы, мы не можем "пахать", уйдет в виде тепла, не выполнив никакой полезной работы. Да, нам нужно это тепло, в том числе, чтобы поддерживать оптимальную температуру тела. Здесь мы могли бы сэкономить, просто одеваясь потеплее. Но нет. Мы должны выпустить эту энергию в окружающее пространство, поскольку вся энергия, что используется нами для создания и поддержания внутреннего порядка, должна компенсироваться бОльшим количеством беспорядка вокруг нас. Этот беспорядок достигается за счет выделения тепла, а тепло дает энергию для произвольного ненаправленного движения молекул в атмосфере.

Стало быть, эта 50-50% утилизация энергии — вовсе не плохая эффективность. На самом деле, если сравнить нас с автомобилем, то он использует только 20% энергии сгорания топлива. При этом автомобилю не нужно создавать никакой порядок, не нужно ремонтировать себя самому, все, что ему нужно - это доехать из точки А в точку B, и он это делает всего лишь с 20% эффективностью. Так что мы чудовищно эффективны по сравнению с нашим железным другом.

[rid]

Сообщение от E_Lena

Я когда-то интересовалась системой Порфирия Иванова "Детка" , который круглый год ходил без одежды, обливался холодной водой и объяснял, что одежда забирает внутреннее тепло тела. Потом сама обратила внимание, что после проруби не холодно, пока не оденешь на себя верхнюю одежду. Это как-то связано с законом термодинамики или Иванов и я исключение

Холодная одежда будет забирать тепло тела пока не согреется.

После проруби работает термогенез без дрожи(Non-shivering thermogenesis - NST)если не доводить до сильного охлаждения когда начнется термогенез с дрожью(Shivering thermogenesis - ST)

Если немного согреться(уже набравшей тепло одеждой, способной сохранять тепло) то термогенез без дрожания отключается и становится холодно на базальном уровне обмена(basal metabolic rate - BMR).

[alexZ8]

1. Термодинамика, энергия и порядок.

---

1.4 Гидроэлектростанция и синтез АТФ: параллели

Поскольку нам нужно затратить энергию на создание порядка, то это значит, что построенная нами упорядоченная система имеет высокий энергетический потенциал, а этот порядок и энергия могут быть "выпущены" для выполнения работы в будущем. Эту идею иллюстрирует схема гидроэлектростанции. Рабочие затратили энергию на строительство ГЭС. Вода удерживается на высоком уровне, но хочет непременно обрушиться на уровень ниже. Т.е. здесь мы эксплуатируем одну из природных сил притяжения под названием гравитация. Когда вода упадет в нижнюю точку, она станет беднее энергией и порядком, т.е. выпустит энергию.



Смысл плотины в том, чтобы управлять потоком энергии, используя ее в нужный момент по назначению. Если открыть водоприемник, то вода устремится через напорный водовод к турбине, а ее потенциальная энергия (образованная за счет высокого уровня), высвободится в виде кинетической энергии движения потока и приведет к раскручиванию турбины. Вращение турбины, в свою очередь, приведет к преобразованию кинетической энергии в электрическую, которая будет передана по проводам снова как потенциальная энергия для выполнения работы в будущем.

Электричество — одна из главных энергетических валют нашего общества. Энергия химической связи молекул АТФ — основная энергетическая валюта наших клеток. На следующем рисунке показана упрощенная схема синтеза АТФ и извлечения из нее энергии.



АДФ — это аденозин-ди-фосфат, т.е. аденозин с двумя фосфатными группами. Если мы добавим третью фосфатную группу к этой молекуле, то это будет называться фосфориляцией АДФ, в результате которой будет получен аденозин-три-фосфат. Это процесс еще называется синтезом АТФ. Мы можем высвободить энергию, сохраненную в этой последней (терминальной) фосфатной связи, в будущем, путем гидролиза. В результате пойдет обратная реакция (стрелочка влево) и мы получим снова АДФ и фосфат.

В данном случае химические связи образуются под действием других сил притяжения (не гравитации), но сейчас это не принципиально. Важно то, что слева и справа у нас одни и те же атомы, просто в разной конфигурации. Эти атомы стремятся достичь естественного баланса между двумя конфигурациями (слева и справа), подобно тому балансу, какого пытались достичь молекулы красителя из предыдущего опыта, заполняя собой весь доступный объем воды в банке.

Однако, по причинам, в которые сейчас лучше не углубляться, относительный баланс "АДФ + фосфат" и АТФ будет не таким случайным, как в случае красителя и воды. Вместо этого будет наблюдаться некое равновесие между двумя реакциями: если не подводить к нашей системе энергию извне, то скорость синтеза АТФ сравняется со скоростью ее гидролиза и станет равной тому значению, при котором вся система будет находиться в состоянии с наименьшей энергией.

Иными словами, смысл синтеза АТФ вовсе не в какой-то мифической ценности третьей фосфатной связи. Эта связь приобретает ценность только когда мы начнем клепать АТФ во много раз быстрее, чем АТФ будет подвергаться гидролизу, т.е. когда мы выведем всю систему очень далеко за пределы равновесия. В результате внутри системы накопится непреодолимое "желание" вернуть всё на свои места, и именно в процессе этого возвращения в равновесие (гидролиза избытка АТФ) будет выделено колоссальное количество энергии.

Здесь можно привести аналогию со стрелой и луком. Когда вы начинаете натягивать тетиву, то передаёте небольшое количество потенциальной энергии эластичному шнуру. Но как только вы увидели добычу, вы оттягиваете тетиву что есть мочи до формирования сильного напряжения в шнуре. Чем больше вы отклоняете тетиву от состояния равновесия в покое, тем больше энергии будет передано выпущенной стреле.

Мы синтезируем АТФ в организме с помощью белка под названием АТФ-синтаза. На рисунке этот белок упрощенно изображен в виде зеленого цилиндра:



Для синтеза АТФ эта самая АТФ-синтаза использует энергию, заключенную в градиенте ионов водорода. Если вы посмотрите на ионы водорода, то на рисунке они все находятся лишь по одну сторону мембраны. Это высокоупорядоченное состояние, для формирования которого требуется затратить много энергии. Ионы водорода очень сильно "желают" прийти к равновесию, т.е. оказаться в одинаковом количестве по обе стороны мембраны.

Но это всё никак не происходит, поскольку мы прикладываем много энергии для концентрации их по одну сторону мембраны. Ничем не напоминает плотину ГЭС? Там мы удерживаем воду на высоком уровне. И, подобно плотине, когда мы разрешаем воде обрушиться на турбину, эти ионы водорода готовы "обрушиться" на АТФ-синтазу и начать раскручивать в ней турбину синтеза АТФ (на рисунке эта "турбина" не показана).

Кинетическая энергия движения ионов водорода, таким образом, передается молекуле АДФ и фосфату и, в конце-концов, сохраняется в последней группе фосфатной связи молекулы АТФ. Здесь мы видим несколько разных видов энергии.

Во-первых, когда определенное химическое соединение или его составная часть удерживается в высокой концентрации, это называется градиентом концентрации. Кроме того, ионы водорода заряжены положительно. Когда в какой-либо области возникает концентрация положительного или отрицательного заряда, это называется электрическим градиентом. А здесь у нас и то и другое — т.е. градиент ионов водорода, и называется это электрохимическим градиентом. В том случае, когда мы высвобождаем и рассеиваем энергию градиента, это называется движением по градиенту. В следующих статьях мы поговорим о том, как загнать ионы водорода по одну сторону мембраны. Коротко: путем приложения энергии и прокачки ионов сквозь мембрану. Это называется движением против электрохимического градиента. В самой молекуле АТФ хранится энергия химической связи. Эта энергия, а также энергия загнанных по одну сторону мембраны ионов — суть формы потенциальной энергии. А вот движение ионов водорода по электрохимическому градиенту, и вращение "турбины" внутри АТФ-синтазы, является кинетической энергией.

То есть всё аналогично плотине ГЭС. Берем потенциальную энергию воды, преобразуем ее в кинетическую энергию падающей вниз воды, затем в кинетическую энергию колеса турбины, а затем снова в потенциальную энергию, расходящуюся по электрическим кабелям. В биохимии: потенциальная энергия из одних форм перетекает в другие через кинетическую энергию в качестве посредника.

[alexZ8]

1. Термодинамика, энергия и порядок.

---

1.5 Свободная энергия и выгодность-невыгодность реакций

Есть еще одно важное понятие, о котором стоит упомянуть — свободная энергия. Хотя первый закон термодинамики говорит нам, что полная энергия Вселенной остается неизменной, энергия все же может менять формы. Понятие свободной энергии позволяет нам разложить полную энергию на две составляющие: ту, которая пригодна для совершения работы, и ту, которая не пригодна.



Свободная энергия — это энергия, которая доступна для совершения работы. Она может быть потенциальной (возникшей вследствие определенного положения тела в пространстве). Она может быть кинетической, т.е. энергией движения. Она может быть теплом, до тех пор пока это тепло сохраняется внутри системы и может быть пущено в работу. Пример последнего варианта — использование тепла печи для приготовления еды.

Мы можем количественно определить свободную энергию как G (по фамилии ученого — Гиббса, одного из пионеров в этой области науки). То есть G имеет значение, единицу измерения и т.д., но мы здесь не будем касаться цифр, а поговорим на концептуальном уровне.

Энергия, особенно после того, как была преобразована в тепло, с очень большой вероятностью просто рассеется. Вы можете включить духовку, но если не начнете готовить, то эта энергия вас дожидаться не будет, она рассеется в виде тепла. А после того, как тепло рассеялось, его уже нельзя "запрячь" для выполнения работы. После того, как тепло ушло в атмосферу, а затем в космос, попробуйте-ка вернуть его оттуда обратно на Землю!

Как только тепло покинуло систему, оно лишь вносит вклад в беспорядок Вселенной, заставляя молекулы хаотически перемещаться. Это тепло больше не способно совершить работу по созданию порядка. А поскольку любая энергия рано или поздно станет теплом, часть из которого будет в любом случае рассеяна, это значит что свободной энергии становится со временем всё меньше и меньше.

Итак, хотя первый закон термодинамики и гласит о том, что запасы энергии постоянны, второй закон говорит, что свободная энергия, G, постоянно уменьшается. Постоянное уменьшение G — это и есть причина, по которой беспорядок или энтропия Вселенной всё время возрастает.

Для наших целей удобно ввести такое понятие как изменение свободной энергии со временем, ΔG. Особенно применительно к конкретной химической реакции, а не глобально. ΔG Вселенной всё время отрицательно, потому что свободная энергия постоянно уменьшается. Но ΔG в конкретной системе может быть и положительным, а ΔG конкретной химической реакции может быть положительным или отрицательным.

Если что-либо имеет отрицательное ΔG, это означает что свободная энергия высвобождается и теряется в виде рассеянного тепла. Это происходит самопроизвольно и приводит к уменьшению порядка. Про такой процесс говорят, что он энергетически выгоден. Положительное ΔG означает, что энергия запасается. Это не происходит самопроизвольно. Порядок возрастает, и такой процесс энергетически невыгоден.



Если мы хотим создать и поддерживать порядок в своем теле, нам нужно множество реакций с положительным ΔG. Но единственный способ запустить эти реакции — спарить их с реакциями, имеющими отрицательное ΔG. И тому есть две причины. Первая состоит в том, что энергия должна откуда-то взяться, и берётся она из реакции с отрицательным ΔG. Вторая — как только мы получим положительное ΔG, мы должны компенсировать его чем-то, что имеет еще большее отрицательное ΔG. Всё потому, что порядок во Вселенной постоянно убывает, и здесь работает простая математика.

На рисунке показана одна шестеренка, двигающая другую. Голубая шестеренка обозначает реакцию с отрицательным ΔG. Эта реакция дает энергию для реакции, имеющей положительное ΔG и показанной красной шестеренкой. Голубая шестеренка больше размером, что наглядно отражает сказанное выше.



Если применить всё это к АТФ-синтазе, то движение ионов водорода по электрохимическому градиенту имеет отрицательное ΔG. Синтез АТФ — положительное ΔG. Величина отрицательного ΔG, связанного с движением ионов водорода, должна быть больше величины положительного ΔG, связанного с синтезом АТФ. Часть энергии должна при этом рассеяться в виде тепла, приводя к большему нарушению порядка во Вселенной и большей потере свободной энергии, чем требовалось для синтеза АТФ.

Все подобные спаренные реакции (-ΔG/+ΔG) структурно связаны друг с другом в прямом смысле. Они должны "соприкасаться" друг с другом. Если бы эти ионы водорода начали прорываться сквозь мембрану в другом месте (где нет АТФ-синтазы), то синтез АТФ нечем было бы питать. Если вы включите духовку и не положите в неё еду, то она не приготовит ту еду, что в холодильнике. Энергия просто будет утеряна, рассеявшись в виде тепла.

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты.

---

2.1 Почему мебель не распадается на части

В предыдущей теме мы говорили о втором законе термодинамики и о том, что Вселенная стремится со временем ко все большему беспорядку. Мы также упомянули, что любая конкретная система тоже стремится ко все большему беспорядку, если только к системе не приложена внешняя энергия для наведения порядка. Помните рисунок с двумя состояниями комнаты? И что если не тратить силы на приборку, то со временем бардак обеспечен. Но логично тогда задать такой вопрос, пусть и несколько метафорический. В комнате слева хотя и бардак, но не всё так плохо. На самом деле там полно порядка! Посмотрите на книжные полки или ящики для книг. Почему они не разваливаются на куски, раз уж всё во Вселенной стремится к беспорядку?



Почему все предметы в комнате не стремятся превратиться в пыль и случайным образом заполнить объём комнаты? Причина в том, что, хотя всё и стремится к нарастающему беспорядку без приложения энергии извне, любая вещь обладает также устойчивостью к изменениям. Эта устойчивость к изменениям называется энергией активации. В качестве примера пусть будет дощечка, которую каратист разбивает рубящим ударом.



Перед ударом дощечка находится в высоком положении, после удара — на земле. Между этими положениями дощечка перемещается под действием силы гравитации. При этом освобождается энергия. Дощечка, оказавшись на земле, будет состоянии с меньшей энергией, чем была до удара. Как получилось, что она перешла в состояние с меньшей энергией? Путем приложения дополнительной энергии удара. Итак, даже если дощечка может перейти в состояние с меньшей энергией, чтобы это произошло, необходимо сообщить ей энергию, превышающую ее устойчивость к изменениям.

Вот еще пример из жизни. Представьте, что вы на работе или в школе, и вы очень-очень устали. И вам бы так хотелось попасть домой в постель, где просто лечь и расслабиться. Т.е. вы хотите перейти из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией.

Проблема, однако, в том, что домой ещё надо как-то попасть. Нужно потратить силы, чтобы дойти до автобуса или метро или другого транспорта. Количество энергии, необходимое, чтобы оказаться в состоянии покоя на кровати, чем-то напоминает энергию активации.

Применительно к химической реакции, энергия активации — это энергия, которую нужно приложить, чтобы преодолеть переходное состояние. Любая реакция начинается с реагентов, а заканчивается продуктами реакции. На рисунке голубая молекула собирается прореагировать с красной, чтобы в результате получилось две красно-голубые молекулы.



Для того, чтобы это произошло, молекулам надо "спаяться" на какое то время и обменяться частями. Такая "спайка" длится очень короткое время, в течение которого молекулы находятся в крайне нестабильном состоянии с высокой энергией. Внизу рисунка показан график изменения свободной энергии в ходе этой реакции. Видно, что реагенты имеют больше свободной энергии, чем продукты реакции. Поскольку энергия в этой реакции высвобождается, то ΔG реакции будет отрицательным. Разница между свободной энергией продуктов и реагентов (или, иначе говоря, ΔG всей реакции) обозначена как ΔGrxn.

Для того чтобы прийти от реагентов к продуктам реакции, нужно преодолеть высокоэнергетическое переходное состояние. Энергия, которую нужно для этого затратить — энергия активации Ea — больше, чем свободная энергия реагентов.

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты

---

2.2 Катализаторы

Катализаторы ускоряют протекание реакций за счет уменьшения энергии активации. Специфической категорией биологических катализаторов являются ферменты. Внутри нашего тела ферменты уменьшают энергию активации, способствуя альтернативному переходному состоянию с меньшей энергией. Метафорически, они берут молекулу за плечо и говорят "эй, давай-ка добьемся этого более эффективным способом".

На рисунке красной линией показан ход реакции без участия катализатора, зеленой — с участием катализатора. Во втором случае реакция имеет пониженный барьер энергии активации. Катализаторы помогают реакциям протекать быстрее, с осязаемой скоростью.



Однако на скорость реакции влияют и другие вещи. Для того, чтобы реакция пошла, молекулы должны столкнуться в правильном положении и с достаточной энергией для преодоления переходного состояния. Если они столкнутся в неправильном положении, то просто отскочат друг от друга и ничего не произойдёт. Но если они столкнутся правильно ориентированными по отношению друг к другу, да с достаточной энергией, они преодолеют переходное состояние и реакция обеспечена.



Заставить пойти реакцию можно и другим способом — путем повышения концентрации реагентов. На рисунке в правом нижнем углу как раз показан этот вариант, т.е. увеличивая в два раза количество реагента, число реакций в единицу времени может также возрасти в два раза. Для простоты на этой картинке показаны две молекулы, но, естественно, в реальной среде их будет огромное число.

Что интересно, для ускорения реакции не обязательно добавлять оба типа молекул. Пусть у нас много красных и много голубых молекул. Если мы добавим больше красных, то реакция уже пойдет быстрее, потому что вероятность столкновения красной и синей молекулы увеличится. То же самое произойдет, если добавить только синих молекул. Если добавить и тех и других, вероятность столкновения красных и синих будет еще больше.

Итак, есть несколько стратегий для увеличения скорости химических реакций. Если проблема в том, что столкновения происходят без достаточной энергии, то есть два пути. Первый — увеличить количество энергии, примерно так, как это делал каратист с дощечкой. Или так, как это делаем мы, приготовляя еду, т.е. сообщая ей тепло для ускорения в ней химических реакций. Или так, как поступает наше тело: когда мы простыли, оно повышает температуру, и эта дополнительная энергия идёт на ускорение реакций.

Другой путь — уменьшить количество энергии, необходимой для запуска реакции, это "вотчина" ферментов. Третий путь — повысить концентрацию реагентов.

Вернёмся к аналогии, нашему желанию скорее попасть домой и свалиться в постель в низкое энергетическое состояние. Мы слишком устали, чтобы просто взять и пойти из точки A в точку B. Добавить энергию в систему было бы равносильно выпиванию чашки кофе. Выпили кофе, появились силы дойти до автобуса или метро. Другой вариант — ваш друг предложил вас подвезти, вот это уже похоже на работу ферментов. Вы остались при своем уровне энергии, но, тем не менее, оказались дома.

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты

---

2.3 Ферменты вместо дров

В любом растворе, скажем, одного вещества при постоянной температуре, температура отражает среднее количество энергии. Но молекулы в растворе будут иметь разные энергии. Это можно описать как определенную черту у группы населения, и эта черта будет иметь специфическое распределение. В данном случае нас интересует распределение кинетической энергии молекул. На рисунке по горизонтальной оси отложена кинетическая энергия, по вертикальной — число молекул с такой энергией.



Из графика легко понять, какова средняя кинетическая энергия у большинства молекул — достаточно провести вертикальную линию примерно посередине "горба" (в теории вероятности это значение называется модой). Теперь представим, что в нашем теле есть некие молекулы, которые собираются принять участие в какой-либо реакции. Барьер энергии активации для этой реакции показан на рисунке красной линией. В таком случае, судя по графику, число молекул, способных на реакцию самостоятельно — ничтожно, и находится справа от красной линии, в самом хвосте распределения. Такая ситуация типична для реакций, происходящих в нашем организме. Большинство из них имеют весьма высокую энергию активации, и, стало быть, только мизерная часть молекул, имеющих достаточную кинетическую энергию, способна вступить в реакцию без ферментативного катализа.

Теперь представим, что на сцену выходит фермент, который перемещает барьер энергии активации с красной на зеленую линию:



У нас всё та же популяция молекул с тем же распределением кинетической энергии, но теперь, внезапно, число молекул, способных вступить в реакцию, значительно возросло. Мы лишь немного отодвинулись влево от хвоста распределения, но число молекул, готовых прореагировать, явно выросло в разы. Если фермент обладает еще большей каталитической способностью, то энергия активации может снизиться до величины моды, и мы получим ситуацию, когда уже основная часть молекул будет способна к реакции. Всё это означает, что пропорционально уменьшению барьера энергии активации скорость реакции возрастает.



Но ферменты не просто ускоряют реакции. Они могут избирательно указывать каким реакциям идти, а каким нет. Т.е. управляя ферментами, наше тело способно управлять по сути всей своей биохимической кухней.

На следующем рисунке показаны две реакции: А и B. Видно, что обе реакции имеют барьер энергии активации, который лежит выше тепла тела. Это значит, что только мизерное число молекул способно принять участие в этих реакциях. Но реакция A имеет меньшее ΔG, чем реакция B. Обе реакции энергетически выгодны, поскольку ΔG отрицательно. Однако реакция B более энергетически выгодна, т.к. величина ΔG у неё больше. И хотя обе реакции не пойдут в таких условиях с ощутимой скоростью, реакция B намного более вероятна, чем A, просто потому что она более энергетически выгодна.



А теперь представим, что у нас есть фермент, который катализирует реакцию A, но нет фермента, катализирующего реакцию B. Тогда тот факт, что реакция B более энергетически выгодна, не будет иметь совершенно никакого значения. Пойдет только реакция A, так как она была катализирована до той точки, где барьер энергии активации ниже тепла, которое дает тело.

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты

---

2.4 Модификация ферментов — тонкий рычаг управления биомашиной

"Ферментная кухня" становится особенно важной в том случае, когда одна и та же молекула может пойти разными метаболическими путями. Представьте, что молекула A может быть преобразована в молекулу X или в Y или в Z:



По вертикальной оси на рисунке отложена свободная энергия. Из графика следует, что преобразование A в X энергетически очень выгодно. Преобразование A в Y уже менее выгодно, а преобразование A в Z не выгодно совсем, поскольку имеет положительное ΔG. Если оставить всё на произвол судьбы, то A будет стремиться преобразоваться в X. Но что если нам нужно преобразовать A в Z или в Y?

Вы уже догадываетесь, что на помощь должен прийти фермент, который катализирует реакцию A -> Y. И снова будет совсем неважно, что реакция A -> X более выгодна энергетически. Для преобразования A в Z нам нужно "спарить" эту реакцию с одной из двух других, чтобы обеспечить её энергией (см. Свободная энергия и выгодность-невыгодность реакций).

Итак, ферменты позволяют точно контролировать реакции в нашем теле. Если тепла тела недостаточно для протекания большинства реакций, то ферментный катализ способен элегантно решить эту проблему.

А теперь самое интересное — ферментами можно управлять. Их можно включать и выключать, переключаться между ними, помещать в определенные участки тела и убирать из других. Или даже проводить параллельно разные реакции с одной и той же молекулой "в разных отсеках". Например, в одном месте преобразовывать A в Z, а в другом — A в X. В общем, грамотно удовлетворять любые биохимические потребности тела.

Вот простой пример. Большинство соединений в нашем теле основано на углероде. Есть два базовых строительных блока для формирования углерод-содержащих органических молекул: двух-углеродный блок (ацетильная группа) и одно-углеродный блок (метильная группа). В большинстве случаев для построения молекул используется ацетильная группа, но по мере необходимости мы можем добавить к ней или убрать из нее метильную группу.

Имея в качестве основы только один двух-углеродный блок, ацетильную группу, тело способно преобразовать её в жирную кислоту или в холестерин или в витамин D. И ещё в массу соединеий и гормонов. Если один строительный блок имеет столько метаболических исходов, то нам нужен очень точный способ управления ими. И только ферменты способны предоставить его.

Как управлять ферментами? Существуют много способов, но все их можно свести к трем категориям:



Нековалентные модификации основаны на слабых связях ферментов с веществом, управляющим ими. Эффект от такого управления немедленный.

Ковалентные модификации заключаются в образовании сильной связи, т.е. обратимом присоединении или отщеплении к ферменту определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Эффект от этого может быть немедленным или начаться спустя минуты.

Изменения в экспрессии генов состоят в том, что меняется число белков, которые синтезируются на базе информации из ДНК. Этот процесс может занять часы или дни, а иногда и дольше.

Далее мы разберем несколько примеров и узнаем, почему необходимо такое разное время отклика, и зачем нужно иметь столько путей управления ферментами.

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты

---

2.5 Оперативное управление через нековалентную модификацию ферментов

Один из примеров нековалентной модификации — конкурентное торможение фермента. В обычных условиях фермент связывается с субстратом в точке, называемой активным центром, и катализирует реакцию с выделением конечных продуктов. Но если другое соединение (ингибитор) "вклинится" в активный центр, то субстрату к нему уже не пробиться, катализа не случится и реакция не пойдёт:



Другой вид нековалентной модификации ферментов называется аллостерическая регуляция. "Аллостерическая" означает, что некое соединение связывается с каким-то другим, не активным центром фермента. "Алло" значит "другой", "стерический" говорит о пространственном расположении атомов.

На следующем рисунке в верхней части мы снова видим реакцию, протекающую с катализом при обычных условиях. В случае аллостерического ингибирования (торможения), ингибитор связывается с каким-то другим участком фермента (не активным центром), и эта связь приводит к изменению формы активного центра. После чего субстрат уже не может "состыковаться" с ним и реакция не пойдёт.



И наоборот, в случае аллостерической активации, молекула-эффектор, связываясь с каким-то участком фермента, не являющимся активным центром, изменяет форму активного центра так, что субстрату становится легче состыковаться с ферментом. Это приведёт к активации фермента, и он станет работать эффективнее. В следующих темах мы разберем примеры аллостерической регуляции.

Во всех описанных случаях можно заметить, что вещества-регуляторы ферментов — это либо сами субстраты в цепи метаболических реакций, либо продукты этих реакций, либо нечто, очень близкое к метаболическому пути. Именно поэтому, вследствие близости всех элементов, эффект от такой регуляции немедленный. Отсюда и главное преимущество — весь метаболический путь чутко реагирует на то, что происходит в ближайших окрестностях.

Представьте, что вы фермент и ваша задача состоит в получении соединения X, а оно способно подавлять вашу активность. Тогда, по мере катализа и получения некоторого количества X вы можете смело заявить — "что ж, я произвёл достаточно X и поэтому сворачиваюсь".

[alexZ8]

2. Энергия активации и ферменты

---

2.6 Тактическое управление через ковалентную модификацию ферментов

Одним из самых известных примеров ковалентной модификации является фосфорилирование. Фосфорилирование — это процесс переноса остатка фосфорной кислоты от одного соединения к другому. Можно сказать, что это процесс передачи энергии от агента-донора к субстрату, приводящий к активации последнего. В биохимических реакциях многие соединения участвуют именно в фосфорилированной форме.

Разберем ковалентную модификацию ферментов на примере действия инсулина. Частью этого действия является фосфорилирование. На рисунке показана общая схема, демонстрирующая сам принцип. Инсулин вырабатывается поджелудочной железой, затем путешествует по крови к одной из чувствительных к нему клеток, и связывается с инсулиновым рецептором клетки.



В результате этого внутри клетки начинается каскад реакций из повторяющегося один за другим фосфорилирования. Фермент, который фосфорилирует что-либо, называется киназой. Он использует энергию молекулы АТФ, "выкусывая" из неё терминальную фосфатную связь и прицепляя её к чему-либо. Пусть у нас есть неактивная киназа, которая активируется через фосфорилирование от рецептора инсулина, тогда она способна фосфорилировать какую-то другую киназу, сделав ее активной. Эта киназа, в свою очередь, может фосфорилировать другие и так далее, в конце концов приводя к фосфорилированию белка, переводя его из неактивного в активное состояние. Активированный белок уже способен сделать что-либо существенное, сформировав клеточный ответ.

Весь этот процесс может занять минуты. Сначала вы поели, затем какие-то молекулы из пищи привели к тому, что поджелудочная железа выработала инсулин, затем инсулин попал в целевую ткань, после чего начался упомянутый выше каскад, который тоже занимает какое-то время. Хотя ковалентная модификация ферментов занимает больше времени, чем нековалентная, она имеет важное преимущество. Клетка в этом случае реагирует не только на происходящее внутри неё, но также и на сигналы, важные для остальных частей тела. В нашем примере — на инсулин, который по сути является химическим мессенджером, переносчиком сообщений (сигналов) и производится в одной части организма, чтобы воздействовать на его другие части.

Хотя описанный механизм выглядит сложным, он позволяет тонко регулировать метаболические пути. Например, внутри клетки может быть один стандартный отклик на инсулин, но в зависимости от текущей потребности клетки часть отклика может быть выключена, а другая включена. Всё это опосредовано работой разных киназ, участвующих в каскаде. Такой "навороченный" механизм позволяет клетке точнее управлять своими функциями и тонко реагировать на потребности других частей тела.