ТЕМА 10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

 

Биоэнергетика количественно изучает превращения энергии, которые происходят в живых клетках, а также природу и функции химических процессов, сопровождающих эти превращения. Преобразования энергии в биологических системах подчиняются законам термодинамики.

В условиях существования биологических систем (при постоянной темпера- туре и давлении) изменения в свободной энергии, энтальпии и энтропии связаны друг с другом количественно уравнением первого закона термодинамики.

 

 

DG= DН – Т× DS.

 

Второй закон термодинамики устанавливает, что энтропия универсальной системы увеличивается при любых химических и физических процессах, однако закон не требует увеличения энтропии в самой реагирующей системе. Процессы упорядочения в клетке в процессе их роста и деления полностью компенсируются беспорядком, который они создают в их окружении.

Клетки требуют для своего существования свободной энергии. Поскольку они являются изотермическими системами, поток тепла извне не может быть источником энергии, этими источниками служат солнечная радиация или химическая энергия питательных веществ, преобразуемая в энергию химических связей АТФ и других энергоемких молекул (НАДН, НАДФН).

 

Понятие о метаболизме

Метаболизм - это высокоорганизованная и непосредственная деятельность клетки, в которой кооперируют многие мультиферментные системы для выполнения четырех основных функций:

1. Получение химической энергии путем преобразования солнечной энергии или деградации обогащенных энергией питательных веществ из окружения.

2. Преобразование молекул питательных веществ в собственные характеристичные молекулы клетки, включая получение предшественников биологических макромолекул.

3. Полимеризация мономерных предшественников в белки, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие клеточные компоненты.

4. Синтез и разрушение биологических молекул, требуемых для выполнения специализированных функций клетки.

 

Хотя метаболизм включает сотни катализируемых ферментами реакций, центральные циклы превращений немногочисленны и существенно похожи во всех формах жизни.

Живые организмы разделяются на две большие группы в соответствии с химической формой получения углерода из окружения.

Аутотрофы (такие как фотосинтезирующие бактерии и высшие растения) могут использовать СО₂ из атмосферы, как определяющий источник углерода, из которого они конструируют все свои углеродсодержащие биологические молекулы. Некоторые аутотрофные организмы, такие как цианобактерии, могут также использовать атмосферный азот для получения всех необходимых им азотистых соединений.

Гетеротрофы не могут использовать атмосферный углекислый газ и должны получать углерод из окружения в форме сравнительно сложных органических молекул, таких как глюкоза.

Клетки высших животных и большинства микроорганизмов гетеротрофны.

Многие аутотрофные организмы являются фотосинтезирующими и получают энергию из солнечного света, тогда как гетеротрофные клетки снабжаются энергией, выделенной при деградации органических питательных веществ, произведенных аутотрофами. В биосфере аутотрофы и гетеротрофы существуют совместно и взаимозависимо. Некоторые аутотрофы генерируют кислород из Н₂О. Гетеротрофы в свою очередь используют органические продукты аутотрофов и возвращают СО₂ в атмосферу. В реакциях окисления, которые производят СО₂, кислород превращается в Н₂О.

Таким образом кислород, углерод и вода находятся в непрерывном цикле превращений между гетеротрофами и аутотрофами, солнечная энергия является движущей силой этого массивного процесса.

Все живые организмы также требуют источника азота, который необходим для синтеза аминокислот, нуклеотидов и других веществ. Растения способны использовать для этих целей аммиак или нитраты, тогда как животные получают азот в форме аминокислот или других азотсодержащих органических соединений. Только немногие организмы (цианобактерии) способны преобразовывать атмосферный азот в аммиак.

 

 

ЦИКЛ ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА В БИОСФЕРЕ.

 

Нитрифициру- Нитраты,

ющие бактерии нитриты

Азотфиксирующие

Атмосферный N₂ бактерии NH₃ Растения

Животные Аминокислоты

 

Таким образом метаболизм - это сумма всех химических превращений, которые встречаются в клетке или в организме. В этом цикле превращений соединения предшественники преобразуются в продукты реакций через ряд промежуточных веществ, называемых метаболитами. В процессе катаболизма молекулы органических продуктов питания (углеводы, жиры, белки) преобразуются в простые конечные продукты (молочная кислота, СО₂, NН₃). Катаболизм сопровождается выделением энергии, которая аккумулируется в АТФ и восстановленных носителях электронов, это - никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФН). В процессе анаболизма, называемом также биосинтезом, малые молекулы предшественников выстраиваются в большие сложные молекулы, такие как липиды, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Анаболические реакции требуют затрат энергии, которая высвобождается при гидролизе АТФ и окислении НАДН и НАДФН.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: