ЭЛЕКТРОХИМИЯ ЖИЗНИ

Действие электрохимического элемента основано на следующем принципе.  Если мы опустим кусочек железа в раствор медного купороса, то обнаружим, что медь откладывается на поверхности железа, а сам кусочек железа постепенно разрушается, переходя в раствор. В результате всего процесса ионы меди в растворе, захватывая электроны, перешедшие с атомов железа, становятся нейтральными атомами и осаждаются; в то же время атомы железа, теряя электроны, становятся ионами и растворяются в медном купоросе.

Весь процесс можно представлять происходящим в два этапа:  первый захват электронов атомами меди, второй- потеря электронов атомами железа. Этот процесс происходит спонтанно, поскольку в ходе его энтропия мира увеличивается (здесь в основном благодаря тому, что энергия уходит в окружающее пространство, нагревая его). Иными словами, весь процесс в целом соответствует уменьшению свободной энергии вследствие возрастания суммарной энтропии Вселенной. Обмен электронами между ионами железа и меди происходит вполне беспорядочно, так что невозможно определить направление этого потока в пространстве (за исключением того, что он происходит от железа к меди).

Предположим, что нам удалось каким-то способом заставить все атомы железа отдать свои электроны электроду, с которого в дальнейшем они перешли бы на другой электрод и были захвачены вблизи него ионами меди.

Результирующий эффект был бы тем же самым (железо растворилось, а медь вылилась на внутренней поверхности сосуда), однако нам удалось бы добиться направленного потока электронов. Иначе говоря, химическая реакция привела бы к возникновению электрического тока. Именно эта упорядоченность создает предпосылки для действия гальванического элемента.

Итак, электрохимический элемент (или химический источник тока)-это устройство,  в котором процессы потери и захвата электронов пространственно разделены. По мере того как Вселенная погружается в хаос, электроны должны перемещаться по внешней электрической цепи.  Химическая реакция создает электрический ток,  который используется для приведения в действии электромоторов и совершения работы.  Естественно возникает важный вопрос: какую величину работы можно получить от электрохимического элемента. Как было показано выше,  в соответствии со вторым началом термодинамики необходимо хотя бы немного энергии отдать просто в качестве теплоты. Поэтому величина полезной работы равна изменению свободной энергии в процессе реакции , происходящей в электрохимическом элементе.

Следовательно, зная это изменение (для многих реакций оно указано в таблицах), можно заранее определить, какую электрическую энергию способен выработать элемент. Теперь мы можем вернуться к электрохимическому элементу, созданному самой природой. Речь идет о митохондрии.  Происходящие в ней процессы сводятся к последовательной передаче электронов от одной молекулы к другой. В конечном итоге оказывается, что электроны отбираются от ионов пирувата ("останков", образующихся на стадии гликолиза) и передаются атомом кислорода.  В результате ионы пирувата разлагаются до двуокиси углерода, ионы кислорода присоединяют ионы водорода (с образованием воды), а поток электронов становится упорядоченным процессом, который можно использовать для совершения работы. В частности, этот поток можно использовать для получения молекул АТФ из молекулы АДФ. Ступенчатый процесс, проходящий внутри митохондрий, в целом составляет дыхательную цепь, или цепь переноса электронов.

Разумеется, каждая  из его стадий чрезвычайно сложна,  тем не менее общая структура цепи вполне ясна,  и ее можно уподобить последовательности электрохимических элементов.  Отдача каждого электрона ионом пирувата в действительности представляет собой сложную последовательность реакций, называемую циклом Кребса. высвобожденный электрон проходит затем через целый каскад гальванических элементов, часть из которых располагает небольшой "автоматической линией" по производству АТФ из АДФ; при этом "линия" питается электрической энергией, а "сырье" черпает отовсюду извне. Батарея электрохимических элементов схематически изображена на рисунке, где для каждого элемента отмечены его "производственные возможности". Когда электрон достигает самого нижнего уровня и присоединяется к атому кислорода, его миссия выполнена; заметим, что здесь функционирует тот самый кислород, который мы вдыхаем и который затем доставляется в клетку в связанном состоянии с помощью с еще одного белка - гемоглобина.

Путешествие электрона "батарее электрохимических элементов" оставляет вполне осязаемый след в виде "горстки" молекулы АТФ (38 молекул АТФ в расчете на каждую потребленную молекулу глюкозы).

Энтропия Вселенной в целом возросла по сравнению с начальным значением, однако среди моря хаоса появились островки более упорядоченных структур - молекул АТФ. В результате описанного процесса молекула АТФ оказывается в возбужденном состоянии: она как бы заряжена энергией.  Если в дальнейшем вновь приобретенная ею (третья) фосфатная группа получит возможность снова отщепиться и если при этом под действием ферментов начнутся другие реакции,  тогда накопленный запас свободной энергии может быть  использован для активирования других ("более легких", т.е. идущих с меньшей затратой свободной энергии) химических реакций.

Так, например,  образование каждой пептидной связи сопряжено с возрастанием свободной энергии, в частности за счет того, что возникающая структура значительно более упорядочена, чем отдельные аминокислоты. Тем не менее пептидные связи могут быть задействованы лишь посредством связи с АТФ (точнее, посредством реакции дефосфолирования, или "разрядки" молекулы АТФ, в процессе которой "лишняя" фосфатная группа вновь отщепляется и АТФ переходит снова в АДФ ). Пептидная связь столь сильно понижает энтропию Вселенной (поскольку белки - это высшей степени высокоорганизованные и упорядоченные структуры), что для установления каждой пептидной связи должно быть разрушено три молекулы АТФ. Однако (это не вызывает особых трудностей - во всяком случае они были преодолены в процессе биологической эволюции).  Этим занимаются ферменты;  именно благодаря их деятельности обеспечивается поступление молекул АТФ в количестве,  достаточном для создания все новых пептидных связей согласно плану, заложенному матрицей, которой служит молекула ДНК в ядре клетки именно благодаря этому механизму ( называемому биосинтезом белка) появилось на свет все население нашей планеты.