Кратко и по существу — термодинамика и кинетика.
1) Термическое сопряжение (как это работает)
- Для двух сопряжённых процессов A и гидролиза АТФ суммарное стандартное изменение свободной энергии равно сумме стандартных изменений: $\Delta G_{\mathrm{tot}}^{\circ \prime }=\Delta G_{\mathrm{A}}^{\circ \prime }+\Delta G_{\mathrm{ATP}\mathrm{hydrolysis}}^{\circ \prime }$.
- Соответственно, константа равновесия суммарной реакции равна произведению: $K_{\mathrm{tot}}=K_{\mathrm{A}}\cdot K_{\mathrm{ATP}}$.
- Пример: если $\Delta G_{\mathrm{A}}^{\circ \prime }=+20\text{kJ/mol}$ и $\Delta G_{\mathrm{ATP}\mathrm{hydrolysis}}^{\circ \prime }=-30.5\text{kJ/mol}$, то $\Delta G_{\mathrm{tot}}^{\circ \prime }=-10.5\text{kJ/mol}$ — реакция становится спонтанной.
- В клетке используют не стандартную, а реальную свободную энергию: $\Delta G=\Delta G^{\circ \prime }+RT\ln Q$. Для гидролиза АТФ реальное $\Delta G$ обычно гораздо более отрицательно, чем $\Delta G^{\circ \prime }$: $\Delta G\approx -50\text{kJ/mol}$ (в зависимости от соотношения $[\mathrm{ATP}]/[\mathrm{ADP}][P_i]$).
2) Механизм сопряжения (молекулярно)
- Сопряжение обычно реализуется через общие промежуточные соединения (например, фосфорилирование субстрата или фермента), т.е. энергия от отщепления фосфата передаётся на образование более реакционноспособного промежуточного состояния.
- Такой «активированный» субстрат имеет более благоприятную термодинамику для дальнейшей реакции или образует более хороший уходящий фрагмент, что делает последующий шаг спонтанным.
3) Влияние на кинетику
- Термодинамика определяет направление и положение равновесия, но не скорости. Ферменты обеспечивают альтернативный путь реакции с меньшим энергетическим барьером ($\Delta G^{‡}$). Скорость связана с барьером через уравнение Эйринга/Аррениуса: $k=\kappa \frac{k_{B}T}{h}{e}^{-\Delta G^{‡}/RT}$.
- При сопряжении АТФ фермент обычно способствует образованию переходного состояния или стабильного промежуточного фосфорилированного комплекса, что снижает $\Delta G^{‡}$ для целевой (ранее неблагоприятной) реакции и резко ускоряет её.
- Важно: ферменты и сопряжение не меняют суммарного $\Delta G^{\circ }$ отдельной реакционной пары — они меняют путь и скорость достижения равновесия и позволяют системе двигаться к более благоприятному суммарному состоянию.
4) Практические примеры
- Гексокиназа: фосфорилирование глюкозы делает дальнейшие метаболические шаги термодинамически выгодными и удерживает глюкозу в клетке.
- Аминоациль-тРНК-синтетазы: активация аминокислоты (образование аминоацила-AMP) — пример использования энергии АТФ для образования высокоэнергетического промежуточного комплекса, необходимого для образования пептидной связи.
Краткое резюме: сопряжение с гидролизом АТФ делает суммарную $\Delta G$ негативной через аддитивность $\Delta G^{\circ \prime }$, а ферменты и промежуточные фосфорилированные стадии снижают $\Delta G^{‡}$, ускоряя протекание ранее невыгодных реакций.