1.2. Биоэнергетика клетки

В живых клетках непрерывно синтезируются новые вещества, выполняется механическая работа, связанная с движением, про­исходит транспорт веществ и вырабатывается теплота. Раздел био­химии, занимающийся вопросами преобразования и использова­ния энергии в живых клетках, носит название биоэнергетики.

Энергия известна нам в различных формах — электрической, механической, химической, тепловой и световой. Мы знаем, что энергия может переходить из одной формы в другую. Известно также, что любой переход энергии из одной формы в другую со­провождается некоторыми потерями. Количественные исследова­ния по взаимопревращению различных форм энергии, выполнен­ные физиками и химиками, позволили сформулировать два фун­даментальных закона термодинамики.

Первый закон гласит, что при любом физическом или химическом изменении тела (или совокупности тел) общее количество его (или их) энергии остается постоянным. Первый закон — это закон со­хранения энергии. Его можно сформулировать и так: энергия не исчезает и не появляется вновь, она переходит из одной формы в другую.

Второй закон гласит, что все физические или химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит величина, называемая энтропией. Процесс останавливается, когда наступает состояние равновесия, при котором энтропия имеет максимально возможное в данных усло­виях значение.

Есть два вида полезной энергии: свободная энергия, которая мо­жет производить работу при постоянной температуре и давлении, и тепловая энергия, способная производить работу только при из­менении температуры и давления. Энтропия представляет собой количественную характеристику или меру неупорядоченности энергии в данной системе.

Изменения свободной энергии, теплоты и энтропии в хими­ческих реакциях, протекающих при постоянной температуре и постоянном давлении, т. е. в условиях, характерных для биологи­ческих систем, связаны друг с другом уравнением:

По мере того как химическая реакция стремится к равновесию, энтропия системы с окружающей ее средой возрастает. Поэтому величина AS в реальном мире всегда имеет положительное значе­ние. Увеличению энтропии, согласно этому уравнению, должно соответствовать уменьшение свободной энергии реакционной си­стемы. Поэтому величина AG реакционной системы всегда имеет отрицательное значение. Изменение энтальпии АН определяется как количество теплоты, которое данная реакционная система от­дает окружающей среде или получает от нее при постоянной тем­пературе и постоянном давлении. Если система теряет (отдает) теплоту, то величина АН имеет отрицательное значение; если же система получает теплоту от окружающей среды, то АН выражает­ся положительной величиной.

В живых организмах метаболические процессы, т. е. превраще­ния, которым подвергаются питательные вещества, не ведут к воз­растанию внутренней неупорядоченности, или энтропии самих организмов. В результате жизнедеятельности организма возраста­ет энтропия не самого организма, а окружающей среды. Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ из окружающей сре­ды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полез­ной форме, главным образом в форме теплоты, которая рассеива­ется в окружающей среде.