Чисто энергетические характеристики АТФ тоже по-своему интересны. Но чтобы их понять, надо предварительно сказать несколько слов о том, от чего зависят направления химических реакций.
Начнем с того, что любая материальная система обладает некоторой внутренней энергией. И эта внутренняя энергия может уменьшаться, а может прирастать. При этом известно, что в природе есть два способа передачи энергии: работа (упорядоченное движение любого рода) и теплота (хаотичное движение отдельных частиц)[93]. Часть внутренней энергии системы, которую можно превратить в работу, называется свободной энергией. Любой процесс, и в том числе химическая реакция, может идти самопроизвольно только в том случае, если суммарная свободная энергия системы в результате уменьшается. Это следует из второго закона термодинамики, вникать в который мы сейчас не будем, но который, безусловно, является одним из фундаментальных законов природы.
Свободную энергию системы можно вычислять разными способами. В химии, в том числе и биологической, чаще всего используют свободную энергию Гиббса, которая рассчитывается для условий с постоянной температурой и давлением. Ее принято обозначать буквой G. Химическая реакция может протекать самопроизвольно, если энергия Гиббса в результате уменьшается, и не может, если она увеличивается. В естественных науках принято обозначать изменение какого-либо параметра греческой буквой Δ («дельта»). Итак, любая химическая реакция может самопроизвольно пойти, если ΔG<0, и не может, если ΔG>0. Повторим, что ΔG — это происходящее в результате данной реакции изменение свободной энергии Гиббса той системы, где реакция идет.
Надо учитывать, что свободная энергия всегда рассчитывается для строго определенного количества вещества и для строго определенных условий, принятых за стандартные. Единица ее измерения — килоджоуль на моль (кДж/моль). Килоджоуль — это единица энергии (1 килоджоуль = 1000 джоулей), а моль — это принятая в химии единица количества вещества, характеризующая число молекул или любых других частиц просто в штуках. Без остальных подробностей мы сейчас можем обойтись.
Как же это работает? Возьмем для примера какую-нибудь химическую реакцию, прекрасно идущую самопроизвольно, например реакцию водорода (H2) с кислородом (O2). Если эти газы смешать и нагреть, произойдет весьма впечатляющий взрыв, в результате которого водород с кислородом соединятся, образовав воду (H2O). Вот уравнение этой реакции:
H2 + ½O2 → H2O
Коэффициент ½ перед кислородом тут означает, что для образования любого данного количества воды нужно вдвое меньше молекул кислорода, чем молекул водорода. Ну а изменение энергии Гиббса для этой реакции будет следующим:
ΔG = –237,6 кДж/моль
Поскольку это намного меньше нуля, то самопроизвольное протекание реакции вполне возможно, что, собственно, и будет наблюдать каждый, кто умудрится поджечь водород. Между прочим, именно из-за большого отрицательного изменения энергии Гиббса в этой реакции происходили все пожары и взрывы водородных дирижаблей, в том числе знаменитая катастрофа германского дирижабля «Гинденбург», погибшего над Северной Америкой в 1937 году. Если уж летать на дирижаблях, то гораздо лучше наполнять их гелием, который с кислородом не реагирует. «Гинденбург» погиб потому, что немцам в 1930-х годах добыча промышленных количеств гелия была недоступна: на Земле, в отличие от космического пространства, это очень редкий газ.
Ну а теперь вернемся к АТФ. Вернее, не только к нему. Дело в том, что кроме полифосфатов и нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ…) в биохимии встречается и много других молекул, содержащих фосфатные группы. Как правило, фосфат может отрываться от такой молекулы с участием воды, то есть путем гидролиза (разрыв фосфоангидридной связи в АТФ — это и есть типичный пример гидролиза). И эта реакция сопровождается снижением свободной энергии, а значит, может идти самопроизвольно. Но точная величина ΔG тут будет для каждого соединения своя.
Рассмотрим еще две молекулы, содержащие фосфат, но совсем не родственные АТФ по структуре. Первая из них — фосфоенолпируват, трехуглеродная молекула с карбоксильной группой и двойной связью (производное пировиноградной кислоты). Вторая — глицерофосфат, трехуглеродная молекула с двумя гидроксильными группами и без двойных связей (производное спирта глицерина). Обе эти молекулы могут отдавать фосфат путем гидролиза, точно так же, как и АТФ. Вот упрощенные уравнения этих реакций:
АТФ + H2O → АДФ + фосфат
глицерофосфат + H2O → глицерин + фосфат
фосфоенолпируват + H2O → пируват + фосфат
Во всех этих реакциях происходит один и тот же процесс, а именно отрыв фосфата. Изменение свободной энергии, однако, в этих трех случаях будет совершенно разным. Давайте посмотрим на цифры.
Для гидролиза глицерофосфата ΔG = –9,2 кДж/моль.
Для гидролиза АТФ ΔG = –31,8 кДж/моль.
И наконец, для гидролиза фосфоенолпирувата ΔG = –58,2 кДж/моль.
Что мы тут видим? Во-первых, все три значения меньше нуля, то есть реакции, бесспорно, самопроизвольные. Во-вторых (это тоже важно), можно заметить, что все три значения по численной величине намного меньше, чем ΔG реакции сгорания водорода (см. выше), которую можно назвать более-менее типичной для «обычной» неорганической химии. Отсюда мы видим, что перепады энергии в биохимических реакциях на самом-то деле обычно не так уж и велики. Потому что слишком большие могли бы стать разрушительными.
И главное: из приведенных цифр хорошо видно, что АТФ далеко не самое высокоэнергетическое соединение из тех, что доступны обычной земной биохимии. Например, от распада фосфоенолпирувата энергетический выход гораздо больше. Видимо, от вещества-энергоносителя вовсе не требуется, чтобы порция энергии, которую несет его молекула, была огромной. Гораздо важнее, чтобы эта порция подходила для как можно большего числа процессов-потребителей и могла быть ими сразу усвоена (тогда никакая часть энергии не будет пропадать зря). Вот этому условию АТФ, надо думать, и отвечает. Как и во многих других случаях, тут выбрано не максимальное, а оптимальное значение ключевого параметра.
Протоны и энергия
Представим себе два водных объема, разделенных мембраной. Это вполне может быть обычная липидная мембрана, изолирующая от внешней среды живую клетку или любой компартмент внутри нее (см. главы 5, 10). Нам сейчас абсолютно неважно, что по какую
