Поделись с друзьями

Клеткам всех организмов необходима свободная энергия для непрерывного синтеза новых веществ (химическая работа); выполнения механической работы, связанной с сокращением и движением; осуществления транспорта через мембраны против градиента концентрации; выработки тепла (у теплокровных) для поддержания оптимальной рабочей температуры и др. видов работы.

      Гетеротрофные клетки извлекают энергию из пищевых веществ (углеводов, жиров, белков и др.). для фотосинтезирующих (автотрофных) клеток источником энергии служит энергия солнечного света. Полученная свободная энергия переводится теми и другими клетками в химическую энергию молекул АТФ и восстановительных потенциалов молекул НАДФН2, которая затем используется для выполнения работы. Попросту говоря, клетки - это химические двигатели, работающие в условиях постоянства температуры, давления и рН среды.

Раздел биохимии, изучающий вопросы преобразования и использования энергии в живых клетках, носит название биоэнергетики. Мы знаем электрическую, механическую, тепловую, химическую и световую энергию. Мы знаем также, что энергия может переходить из одной формы в другую. Известно также, что любой переход одной формы энергии в другую сопровождается некоторыми потерями. Количественные исследования физиков и химиков, по взаимопревращению различных форм энергии, позволили сформулировать два закона термодинамики.

Первый закон - это закон сохранения энергии. Его можно сформулировать так: энергия не появляется и не исчезает. Всякий раз, когда, энергия используется для выполнения работы или же переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.

Второй закон. Все физические или химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит величина, которая носит название энтропии. Процесс останавливается, когда наступает состояние равновесия, при котором энтропия имеет максимально возможное при данных условиях значение. Энтропия характеризует состояние не только энергии, но и вещества.

Примером может быть окисление глюкозы. Аэробные организмы извлекают свободную энергию из глюкозы, которую они получают из окружающей среды. Чтобы добыть эту энергию, они окисляют глюкозу кислородом, также поступающим из среды. Конечные продукты – СО2 и Н20, возвращаются в окружающую среду. При этом энтропия окружающей среды возрастает, а организм использует полученную энергию для поддержания внутренней упорядоченности в стационарном состоянии. Возрастание энтропии в этом случае связано с рассеянием тепла и более равномерным распределением атомов, входивших в состав молекулы глюкозы и молекул кислорода:

С6Н12О6 + 6 О2 ( 7 молекул)® 6 СО2+6 Н2О (12 молекул)

Если принять, что процесс протекает в стандартных условиях, температура равна 250С или 298 К, давление равно I атм (760 мм рт.ст.), то на 1 моль окисленной глюкозы

DG= - 686000 кал/моль (свободная энергия системы, т.е. реагирущих молекул уменьшилась)

DH= - 673000 кал/моль (реагирующие молекулы отдали тепло - энтальпия)

(энтропия внешней среды увеличилась).

В Международной системе единиц (СИ), за единицу энергии принят джоуль (дж). Однако в медицине и биологии энергию принято выражать в калориях. Численно калория равна количеству энергии в форме теплоты, которое необходимо для нагревания 1,0 г воды от 15 до 16 0С. Калории легко переводятся в джоули: 1,00 кал = 4,184 дж.

Изменения свободной энергии, теплоты и энтропии в химических реакциях, протекающих в живых организмах, связаны друг с другом количественно: DG= DH-T×DS,

где DG-изменение свободной энергии реакционной системы,

DH - изменение её теплосодержания, или энтальпии ( от греч. нагреваю),

Т - абсолютная температура, при которой протекает реакция (процесс) и

DS - изменение энтропии окружающей среды, которая включает и данную реакционную систему.