Глава 5. Поток энергии

  Жизнь на нашей планете зависит от потока солнечной энергии. Небольшая доля этой энергии запасается в процессе фотосинтеза и превращается в энергию, необходимую для многих метаболических реакций, происходящих в живых организмах. В результате этих реакций живые организмы приобретают упорядоченность и организованность.

  Термодинамические взаимоотношения между фотосинтезирующими и нефотосинтезирующими формами жизни исключительно сложны. Короче говоря, в ходе фотосинтеза энергия солнца используется для образования высокоэнергетических связей типа углерод-углерод и углерод-водород; в процессе дыхания эти связи рвутся с образованием CO2 и H2O и энергия выделяется. Некоторая часть полезной энергии теряется на каждом этапе энергетических превращений подобно тому, как это происходит в машинах.

  Живые системы функционируют согласно законам термодинамики. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не образуется и не исчезает, но может превращаться из одной формы в другую. Потенциальная энергия в исходном состоянии (или исходных компонентов) равна потенциальной энергии в конечном состоянии (или продуктов) плюс энергия, выделившаяся в процессе или реакции. Второй закон термодинамики гласит, что в ходе превращения энергии потенциальная энергия конечного состояния всегда меньше потенциальной энергии исходного состояния. Разница в энергии между исходным и конечным состояниями называется свободной энергией и обозначается dG. Экзергонические реакции (в результате которых энергия выделяется) имеют отрицательное значение dG. К факторам, определяющим величину dG, относятся dH (изменение количества тепла) и dS (изменение энтропии), которая в свою очередь при умножении на величину абсолютной температуры Т является мерой упорядоченности или беспорядка: dG = dH – TdS.

  Превращение энергии в живых клетках осуществляется путем переноса электронов с одного энергетического уровня на другой или от одного атома или молекулы к другим. Реакции, в которых происходит перенос электрона между атомами или молекулами, называются окислительно-восстановительными. Атом или молекула, теряющие электроны, окисляются, а захватывающие их – восстанавливаются.

  Метаболизм – это сумма всех химических реакций, происходящих в клетке. Совокупность реакций, ведущих к распаду или деградации молекул, называется катаболизмом. Биосинтетические реакции, т. е. приводящие к образованию новых молекул, называются анаболическими. Метаболические реакции осуществляются в виде упорядоченных серий этапов, называемых путями, каждый из которых играет определенную роль в клетке. Каждый этап в этом пути контролируется специфическим ферментом.

  Ферменты служат катализаторами; они значительно ускоряют скорость реакций, но сами при этом не меняются. Ферменты – это громадные белковые молекулы, собранные таким образом, что специфические группы аминокислот образуют активный центр. Реагирующие молекулы – субстраты – точно «пригнаны» к этим активным центрам. Многие ферменты для осуществления реакции нуждаются в кофакторах, которыми могут быть просто ионы, такие, как Mg2+ или Na+, или небелковые органические молекулы, такие, как NAD. Последние называют коферментами.

  Реакции, катализируемые ферментами, находятся под тщательным контролем клетки. Скорость ферментативных реакций зависит от температуры и pH.

  ATP снабжает энергией большинство реакций, происходящих в клетке. Молекула ATP состоит из азотистого основания – аденина, пятиуглеродного сахара – рибозы и трех фосфатных групп. Две фосфатные группы соединены двумя высокоэнергетическими связями, при разрыве которых выделяется относительно большое количество энергии. ATP является источником энергии для большинства реакций, происходящих в живых системах.