Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики.

Лекция 3.Тема: Биоэнергетика

Вопросы:

Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики.

Биологическое окисление

3. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), особенности ее химического строения, биологическая роль.

Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики.

Живые объекты состоят из неживых молекул, подчиняющихся физическим и химическим законам. Важной особенностью жизнедеятельности живых организмов является постоянный обмен веществ и энергии.

Напоминаю, что обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов:

- та часть общего обмена веществ, при котором идёт усвоение, поглощение, синтез называется анаболизмом (ассимиляцией);

- та часть общего обмена веществ, при котором идёт разрушение, распад и выделение называется – катаболизмом (диссимиляцией).

Пластический обмен — совокупность реак­ций синтеза органических веществ, из которых образуются структуры клетки, обновляется ее состав, а также синтезируются ферменты, необходимые для ускорения химических реакций в клетке. Синтез сложного органического вещества – белка – из ме­нее сложных органических веществ – аминокислот – пример пластического обмена.

Взаимосвязь пластического и энергетиче­ского обмена: пластический обмен поставляет для энергетического обмена органические вещества и ферменты, а энергетический обмен поставляет для пластического – энергию, без которой не могут ид­ти реакции синтеза. Нарушение одного из видов клеточного обмена ведет к нарушению всех процес­сов жизнедеятельности, т.е. к гибели организма.

Таким образом, биоэнергетика, изучает механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов. Иначе говоря, биологическая энергетика характеризует процессы жизнедеятельности связанные с постоянными затрата­ми энергии. Энергия необходима для механической работы при сокращении мышц, для электрической работы - при генерации и передаче нервных импульсов, для осмотической работы - при сек­реции, ресорбции и фильтрации веществ на клеточных мембранах, для химической работы - при образовании новых химических связей между атомами в процессах биосинтеза сложных органи­ческих соединений.

Источником энергии для всех видов биологической работы слу­жит потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах пищевых веществ. Она высвобождается в процессе обмена веществ и при помощи специальных молекулярных устройств преобразует­ся в различные другие виды энергии.

Изучением закономерностей преобразования энергии в живых организмах занимается биоэнергетика.

Иногда биоэнергетику называют биологической термодинамикой. В класси­ческой физике раздел, изучающий принципы и законы превращения энергии в материальных системах, называется термодинамикой, но в данное время термин «энергетика» лучше отражает сущность этой науки, чем прежний – «термодинамика».

Каждое органическое соединение обладает запасом энергии, которую называют свободной энергией. В процессе реакции идёт преобразование энергии между веществами.

Главным носителем свободной энергии в веществе являются химические связи между атомами. Если химическая связь имеет энергию 12,5 кДж/моль, то такая связь по энергетическому обеспечению называется нормальной. Если при разрыве химической связи выделяется энергия 25-50 кДж/моль, то такая связь называется макроэргической и обозначается символом ~ (знак «тильда») .

Энергия – это способность производить работу. Различают потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и кинетическую энергию, т. е. энергию движения.

В живом организме потенциальная энергиипредставлена, глав­ным образом, в форме химической энергии связей между атомами в молекулах биоорганических соединений. Например, количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О в молекуле глюкозы, составляет около 285000 Дж на 1 моль вещества.

Потенциальная энергия химических связей обусловлена распо­ложением валентных электронов на орбитах с высоким энергети­ческим уровнем, куда они попадают при образовании молекул био­органических соединений в процессе химических реакций. При метаболических превращениях, совершающихся в живом организ­ме, электроны, образующие химические связи в молекулах первич­ных веществ, переходят с более высокого на более низкий энерге­тический уровень.

Кинетическая энергия потока электронов, переходящих по энергетическим уровням, в дальнейшем может быть использована для образования новых химических связей или же с помощью специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды кинетической энергии: тепловую, ме­ханическую, электрическую, электромагнитную и т. д.

По­стоянное взаимодействие этих двух видов энергии обусловли­вает способность организма поддерживать разнообразные жиз­ненные функции.

Первичпым источником энергии для всех биологических про­цессов на Земле служит солнечный свет, лучистая энергия которого возникает в недрах Солнца из ядерной энергии превращения атомов водорода в атомы гелия с выделением энергии в виде гамма-лучей:

4Н Не⁴ + 2е + h^υ

Здесь h - постоянная Планка, а υ - частота первичного гамма ­излучения. В результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов солнечного света.

На Земле лучистая энергия солнечного света улавливается содер­жащимся в хлоропластах зеленых растений пигментом хлорофил­лом и превращается в ходе реакций фотосинтеза в химическую энергию, которая используется для синтеза из двуокиси углерода и воды углеводов и других сложных биоорганических соединений. Таким образом, энергия солнечного света, представляющая собой один из видов кинетической энергии, превращается в один из ви­дов потенциальной энергии.

Энергия, накопленная в химических связях биоорганических молекул, может высвободиться только в процессе реакций обмена веществ. В организмах животных, питающихся растениями, хими­ческая энергия углеводов и других питательных веществ выделя­ется в процессе биологического окисленияв количестве, соответст­вующем энергии, израсходованной на синтез этих веществ при фотохимических реакциях в зеленых растениях. Одна часть энер­гии, выделяющейся при биологическом окислении, превращается в доступную для дальнейшего использования энергию макроэрги­ческих фосфатных связей АТФ, другая превращается в тепло и не может быть использована в дальнейшем. Процессы, связанные с образованием макроэргических фосфатных связей, осуществляются в митохондриях.