Энергетика процессов биологического обмена веществ основывается на трех главных принципах, которые отличают их от энергетических реакций, осуществляемых в неживой природе.

 

Первой очень важной стороной энергетики обмена веществ в биологических системах является превращение химической энергии в другие формы без предварительного преобразования ее в тепловую энергию. Исходя из этого, живую систему рассматривают как хемодинамичний, а не как тепловой двигатель. В течение миллионов лет эволюции клетки научились использовать энергию экономнее и эффективнее, чем использует ее большинство машин, созданных человеком. Например, КПД обычного двигателя - 20-25%, реактивного - до 45%, а митохондрий - силовых станций организма - 60-70%.

 

Второй особенностью биоэнергетики является то, что высвобождение энергии при химических и окислительных процессов происходит постепенно, малыми порциями, в длинной цепи последовательных процессов, пока все атомы водорода и углерода не превратятся в конечные продукты окисления - воду и углекислый газ. Например, в результате окисления 1 моля глюкозы выделяется 2881,2 кДж энергии. Если бы эта энергия выделилась сразу, то произошел бы взрыв и, очевидно, живая система была бы не в состоянии использовать всю энергию, выделившуюся в течение такого короткого промежутка времени.

 

Третья особенность заключается в том, что потенциальная химическая энергия, замкнутая в химических связях молекул углеводов, липидов, белков и других органических соединений и освобождающейся при их распаде, может накапливаться в других веществах, которые являются своеобразными биологическими аккумуляторами энергии. Они получили название высокоэнергетических или ма-кроергичних соединений и имеют в своих формулах знак (символ) ~ (тильда). Этим знаком обозначают связь, гидролиз которого сопровождается высвобождением значительного количества свободной энергии. Эта энергия дальнейшем используется в различных процессах жизнедеятельности.

 

Основу энергетики составляет энергетика элементарных единиц-атомов и молекул. При рассмотрении энергетического состояния атома важно учитывать взаимодействие ядра и электрона, который вращается вокруг него. Положительный заряд ядра с определенной силой притягивает отрицательно заряженный электрон. В свою очередь кинетическая энергия электрона (или его движение) позволяет ему продолжать полет на определенной орбитали вокруг ядра. Предоставив электронный дополнительное количество энергии, становится возможным перевести его на большее расстояние, где сила притяжения ядра слабо влияет на электрон. При возвращении электрона на исходную орбиталь мы снова получим затраченную энергию, которая выделится в виде тепла, световой или иной лучевой энергии. Однако на обратном пути электрон может изменить ядро-хозяин, особенно если у соседнего ядра есть свободное место на соответствующей орбитали. Когда длина пути возвращения превысит путь удаления от ядра, определенное количество энергии выделится в окружающую среду. Более того, большую часть природных веществ можно подразделить на две группы: в одну относятся вещества, склонны электроны отдавать (доноры электронов), а к другой - такие, склонные электроны принимать (акцепторы электронов). При сближении молекул с такими разными свойствами электроны стремятся перейти от доноров к акцепторов. Поэтому условно принято говорить, что в молекуле донора электрон находится на более высоком энергетическом уровне относительно молекулы акцептора, в состав которой он стремится перейти. В результате таких переходов энергия выделяется в окружающую среду.

 

Итак, основным носителем энергии является электрон (е "). Получив определенное количество энергии, он переходит на более высокий энергетический уровень, т.е. возбуждается. Осуществляя обратный переход на низшую электронную орбиталь, он высвобождает такое же количество энергии. Если энергия расходуется для выполнения произведение, то она, как уже отмечалось, называется свободной. Неиспользованная на работу энергия переходит в тепло и считается потраченной. Сказанное касается и живой природы.

 

Первичным источником энергии для всех организмов на Земле является солнечное излучение (электромагнитная энергия в виде фотонов или квантов), который возникает в результате реакций ядерного синтеза. Все разнообразие живых организмов, живущих на земной поверхности, можно разделить на две основные группы, которые отличаются использованием первичных источников энергии: аутотрофы и гетеротрофы. Ау-тотрофы - это прежде всего зеленые растения, некоторые водоросли и другие организмы, содержащие хлорофилл. Они способны непосредственно использовать лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, образуя органические соединения (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты, липиды, белки и т.п.) из неорганических веществ: углекислоты, азота, фосфора, серы и других минеральных элементов. Иначе говоря, лучистая энергия превращается этими растениями в потенциальную энергию химических связей углеводов, липидов, белков и др.. Энергия солнечного света передается в виде фотонов или квантов. В клетках аутотрофы солнечный свет с определенной длиной волны поглощается хлорофиллом. Поглощенная энергия переводит электроны в сложной молекуле хлорофилла с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Подобно «возбужденные» электроны стремятся вернуться на свой основной стабильный энергетический уровень, отдавая при этом поглощенную ими энергию. Электроны отрываются от молекул хлорофилла и переносятся молекулами-переносчиками электронов, передавая их друг другу по замкнутому цепи реакций. Проходя этот путь вне молекулой хлорофилла, возбужденные электроны постепенно отдают свою энергию и возвращаются на свои прежние места в молекуле хлорофилла, которая затем становится готовой к поглощению второго фотона. Между тем энергия, отданная электронами, используется на образование аденозинтрифосфата с аденозиндифосфата и фосфата, т.е. на «зарядки» аденозинфосфатнои системы фотосинтеза клетки. Конечный продукт фотосинтеза - глюкоза - имеет довольно значительное количество солнечной энергии, которая содержится в его молекулярной конфигурации. Из углеводов клетки зеленых растений и других организмов образуются органические молекулы, входящие в состав этих клеток (аминокислоты, жирные кислоты, белки, липиды и другие разнообразные органические молекулы).

 

Гетеротрофы - это живые организмы, не способные к фотосинтезу. Они получают уже готовые органические вещества, используя их как источник энергии или пластический материал для построения своего организма. К ним относятся организмы человека и животных. Гетеротрофы получают энергию в результате сгорания или окисления углеводов, липидов, белков и других органических соединений в процессе, который называется клеточным дыханием и в котором принимает участие молекулярный кислород атмосферы. Энергия, высвободилась при переходе электронов на более низкую энергетическую орбиталь, частично расходуется на тепло для поддержания температуры тела. Другая ее часть переводится в энергию химических связей, главным образом фосфатного, с образованием прежде аденозинтрифосфата (АТФ), который представляет собой важнейшую легкодоступную форму энергии в организме.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+