Енергетика біохімічних процесів
Процеси зростання і підтримки життя вимагають витрат енергії. Живі організми створюють і підтримують складні, впорядковані і цілеспрямовані елементи своєї структури за рахунок вільної енергії навколишнього середовища; цю енергію вони потім повертають в середу в менш придатною для них формі. Живі клітини являють собою хімічні машини, що працюють при постійній температурі і в умовах скільки-небудь значних перепадів тиску.
Для всіх живих організмів у земній біосфері джерелом енергії служить в кінцевому рахунку сонячне випромінювання, яке виникає в результаті реакції ядерного синтезу – злиття ядер водню з утворенням ядер гелію, що протікає на Сонці при надзвичайно високій температурі. Фотосинтезуючі клітини рослин уловлюють цю енергію і витрачають її на перетворення вуглекислого газу і води в різноманітні органічні сполуки (наприклад, крохмаль і целюлозу) і виділяють в атмосферу молекулярний кисень:
Інші організми отримують необхідну їм енергію шляхом окислення багатих енергією рослинних продуктів атмосферним киснем.
Таким чином, енергетичні потреби всіх живих організмів прямо або побічно задовольняються за рахунок сонячної енергії, не є винятком і людина. Так, наше тіло виробляє тепло, і це спостереження привело Дж. Лавуазьє приблизно в 1870 р до висновку, що дихання являє собою повільне згорання поживних речовин в організмі.
Пізніше, після відкриття першого і другого законів термодинаміки, було встановлено точне кількісне співвідношення між теплотою, енергією і роботою. Сучасна біохімія використовує термодинамічні величини: енергію Е, ентальпію Н, ентропію S і вільну енергію Гіббса G.
Термодинаміка займається кількісним описом змін теплоти і енергії системи, пов’язаних, зокрема, з досягненням хімічної рівноваги.
Знаючи зміни термодинамічних величин, таких як Н і S, можна передбачити, піде в даних умовах реакція чи ні, і описати стану рівноваги, але при цьому враховуючи, що жива система знаходиться в стаціонарному стані. Але для біохімії важливо знати енергетичні співвідношення для біохімічних реакцій.
Термодинаміка нерівноважних, незворотних процесів являє собою в даний час досить розвинену область фізичної хімії. Характерною особливістю термодинаміки необоротних процесів є те, що в неї в явному вигляді входить час. При цьому розглядаються відкриті системи.
Цілком очевидно, що живі організми не можуть вважатися замкнутими системами, з якими оперує класична термодинаміка, і є відкритими системами. Для будь-якої відкритої системи характерна наявність безперервного потоку речовини в якомусь напрямку. За рахунок цього в системі встановлюється градієнт концентрацій і одне з першорядних значень набуває явище переносу.
Серйозною проблемою, що обмежує застосування в біології термодинаміки необоротних процесів, є те, що більша частина висновків цієї науки справедлива лише для станів, близьких до рівноваги, в той час як живі істоти дуже далекі від нього. Однак у кожному випадку підхід цей досить важливий, і при вивченні біохімічних процесів без нього не можна обійтися.
Можливість спонтанного проходження будь-якого процесу залежить від того, який знак матиме різницю хімічних потенціалів кінцевого і початкового стану системи (ΔΡ = P2 – Р1). Якщо P2 менше Р1 і ΔΡ – величина негативна, то процес йде спонтанно і при цьому проводиться робота. Такий процес носить назву екзергонічеськие (1). Якщо різниця потенціалів близька до нуля, то система знаходиться в рівновазі (2). У разі ендергонічеськие процесу ΔΡ – величина позитивна (3), т. Е. Процес не може йти мимовільно.
Для того щоб запустити ендергонічеськие процес, необхідно скористатися принципом енергетичного сполучення. Найбільш наочно це можна продемонструвати на прикладі механічної роботи (4): коли дві маси M1 і M2 пов’язані шнуром, M1 буде рухатися вгору незважаючи на те, що цей процес ендергонічеськие, т. Е. В сполученої системі визначальним фактором буде сума різниць потенціалів двох процесів (ΔРЕФФ = ΔP1 + ΔP2). Сумарний процес можливий за умови, якщо ΔРЕФФ – величина негативна. Завдяки енергетичному сполученню можливо взаємоперетворенням одних форм роботи і енергії в інші. Наприклад, в батарейці кишенькового ліхтарика екзергонічеськие хімічна реакція генерує електричне поле, яке використовується для ендергонічеськие процесу отримання світлової енергії. У м’язах (див. С. 318) хімічна Енергія трансформується в механічну роботу і теплову енергію.
(2 votes, average: 3.50 out of 5)