Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие вопросы биоэнергетики

1. Источники энергии для живых организмов

Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы - растения и фотосинтезирующие микроорганизмы - непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.

Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (Рис.1.1). Фотосинтез - основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором - энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т.д.), из которых впоследствии в организме строятся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.

Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:

6 CO₂ + 6 H₂O C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + 6 O₂,

где hн - энергия фотонов.

Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения порядка 10²⁶ Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 2•10¹⁷ Вт, а из этой величины примерно 4•10¹³ Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около 7,510¹⁰  тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 4•10¹⁰ тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и 3,510¹⁰  тонн - растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.

Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90 % используются ранее запасенные продукты фотосинтеза - нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).

Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP - универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.

Общая схема биоэнергетических процессов представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1. Общая схема преобразования энергии в биосистемах. P_i - неорганический фосфат, НРО₄^2-; е^* - возбужденный электрон.

2. Основные энерготраты клеток и организмов

В клетках полученная энергия трансформируется, аккумулируется и используется для выполнения различных видов работы:

- механической (движение клеток и внутриклеточных частиц);

- химической (синтез новых низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений);

- осмотической (перенос молекул через мембраны, создающий градиенты их концентраций);

- электрохимической (перенос ионов против градиента концентрации и градиента электрического потенциала; при этом генерируются биопотенциалы);

- электрической (создание разности электрических потенциалов);

- оптической (высвечивание фотонов - биолюминесценция).

Энерготраты организма зависят от множества факторов: мышечной работы, приема пищи, эмоционального напряжения, необходимости в терморегуляции, реакций на изменение окружающей среды и т.д. Для того, чтобы оценить минимальные собственные энергетические траты организма, исключая влияние внешних факторов, физиологи вводят понятие «основного обмена». Это энерготраты, измеренные в 5-6 часов утра, когда в соответствии с суточным ритмом интенсивность метаболизма наиболее низкая, в состоянии бодрствования, натощак. Человек при этом лежит в постели. Из его рациона за два дня до этого исключается белковая пища. При этом в помещении поддерживается температура 20-22 ^оС и относительная влажность 50-60 %. Классический метод определения энерготрат организма - прямая калориметрия. Но калориметр для таких крупных объектов, как человек - весьма сложная и объемная установка. Чаще пользуются непрямым методом, основанном на линейной зависимости энерготрат организма от объема потребленного кислорода.

Основной обмен здорового мужчины средних лет порядка 1,0-1,2 ккал/кг•час. При массе тела 70 кг это 1800 ккал в сутки, что соответствует мощности 90 Вт. У женщин основной обмен на 7-10 % ниже. С возрастом основной обмен понижается. При физической нагрузке энерготраты повышаются и могут в 15 раз превышать величину основного обмена, измеренного в состоянии покоя.

Из 1800 ккал/сут основного обмена примерно половина (900 ккал/сут) превращается в тепловую энергию и отдается организмом во внешнюю среду путем излучения, испарения жидкости, теплопроводности и конвекции. Остальная половина идет на выполнение полезной работы по синтезу биомолекул (? 415 ккал/сут), транспорту веществ через мембраны (?215 ккал/сут) и мышечному сокращению (? 270 ккал/сут).

Из этих процессов отметим большую энергоемкость биосинтетических процессов (~ 23 % от основного обмена). Так, энергетические траты по синтезу разных белков оцениваются в пределах 3 000 - 50 000 ккал/моль. Например, для синтеза одной белковой молекулы с молекулярной массой 40 кДа необходимо порядка 10³ молекул ATP, а для синтеза молекулы ДНК -10⁸ молекул ATP. Клеточные белки интенсивно обновляются. Так, у человека массой 70 кг за сутки обновляется примерно 2,5 кг белков, в том числе обновление белков стромы клеток составляет 1 %, а ферментов - 10 % в час. Поэтому суммарные энерготраты на биосинтез белков значительно превышают расходы на синтез других веществ. Единственное исключение - ATP: за сутки организм взрослого человека синтезирует количество ATP, примерно равное массе его тела.

Значительная энергия (~ 12 % от основного обмена) тратится клетками на транспорт веществ: ионов, низкомолекулярных метаболитов и макромолекул в клетку и из клетки, между цитозолем и органеллами или между разными участками внутри клетки. За счет этих процессов генерируются биопотенциалы и создаются концентрационные градиенты, являющиеся движущей силой многих процессов переноса.

биоэнергетический клетка организм гиббс

3. Свободная энергия биохимических реакций

Только часть внутренней энергии системы может использоваться для выполнения полезной работы. Она называется свободной энергией. Остальная часть рассеивается в виде тепла. Для характеристики свободной энергии используется термодинамический потенциал Гиббса:

G = H - TS = U + PV - TS ,

где H = U + PV - энтальпия, U - внутренняя энергия, P - давление, V - объем системы, T - температура, S - энтропия. Величина TS - диссипирующая часть внутренней энергии, необратимо рассеивающаяся в среде.

Изменение G:

.

В биологических процессах, проходящих при постоянных температурах и давлениях с незначительным изменением объема (если только в реакции не выделяются газы):

,

где F - свободная энергии Гельмгольца:

F =U - TS .

Критерием вероятности самопроизвольного превращения в системе является изменение свободной энергии: система переходит в равновесное состояние с наименьшей свободной энергией, т.е. или .

Для растворенного вещества Х с концентрацией [X] величину ДG можно представить в виде суммы двух членов -зависящего и не зависящего от концентрации:

ДG = ДG^o + RT ln[X],

где R - универсальная газовая постоянная (R ? 2 кал/мольград). Величина стандартного термодинамического потенциала ДG^o характеризует данное вещество. Она равна термодинамическому потенциалу этого вещества в стандартных условиях: [X] = 1 моль/л; T = 25 ^oC. В состоянии равновесия (ДG = 0). Тогда:

ДG^o = - RT ln[X].

Если взаимодействуют x молекул вещества X, то:

ДG^o = -xRT ln[X].

Рассмотрим изменение свободной энергии в химической реакции:

,

где a, b, c и d - стехиометрические коэффициенты или количества молекул каждого вида, участвующих в элементарной реакции. Константа равновесия К данной реакции:

,

а термодинамический потенциал:

где [A], [B]… - равновесные концентрации. Стандартный термодинамический потенциал этой реакции равен термодинамическому потенциалу реакции в состоянии равновесия при концентрациях исходных и конечных продуктов реакции, равных 1 М. Отсюда следуют два способа определения стандартных свободных энергий химической реакции: их можно вычислить исходя из табличных значений стандартных свободных энергий (термодинамических потенциалов) субстратов и продуктов реакции:

или определить аналитически, измерив равновесные концентрации и рассчитав К. Поскольку в равновесии: , то:

.

4. Окислительно-восстановительные потенциалы

Основная часть свободной энергии заключенной в органических молекулах, составляющих продукты питания, выделяется на заключительных этапах процесса биологического окисления, на которых электроны переносятся на кислород. Этот процесс устроен так, что электроны переносятся ступенчато по цепи из нескольких молекул-переносчиков электронов, и на некоторых этапах этого процесса энергия запасается в молекулах АТР. Процессы переноса электронов называются окислительно-восстановительными. Молекула, отдавшая электрон оказывается в окисленном состоянии, а принявшая электрон - в восстановленном. Соответственно, процесс отдачи электрона называют окислением, а принятия - восстановлением данного вещества. Доноры электронов - восстановители, а акцепторы электронов - окислители, так как они восстанавливают или окисляют данное вещество. Они всегда функционируют как сопряженные окислительно-восстановительные пары. Их называют редокс-парами (от английского reduction - восстановление и oxidation - окисление). Например, в реакции:

Fe²⁺ - e^- + Fe³⁺

Fe²⁺ является донором электронов, т.е. восстановителем, а Fe³⁺ - акцептором электронов, т.е. окислителем. Вместе они представляют собой редокс-пару.

Для характеристики окислительно-восстановительных реакций используют понятие стандартного окислительно-восстановительного потенциала , являющегося мерой электрон-движущей силы. Его определяют в стандартных условиях (концентрации веществ 1 М, 25 ^оС, рН 7,0) относительно стандартного полуэлемента с известной э.д.с. В качестве такого стандарта берут водородный полуэлемент, в котором происходит реакция:

Н₂ - 2 Н⁺ + 2 е^-

Для осуществления этой реакции в воду опускают платиновую пластинку, омываемую потоком газообразного водорода Н₂ при давлении 1 атм, 25 ^оС, и концентрации Н⁺, равной 1,0 М (это соответствует рН=0). Потенциал такого полуэлемента, называемого водородным электродом, принимают равным нулю. Он называется полуэлементом, т.к. эта реакция может быть сопряжена с другой окислительно-восстановительной реакцией, также образующей полуэлемент, в котором происходит окислительно-восстановительная реакция, например,

Fe²⁺ - e^- + Fe³⁺.

Если соединить проводником (солевым мостиком) водородную и исследуемую полуячейки (полуэлементы), то между ними пойдет электронный ток (рис. 1.2), и в равновесии установится некоторая разность потенциалов. Это и будет . Она может быть положительной или отрицательной в зависимости от направления тока, т.е. в зависимости от сродства данного вещества к электронам по сравнению с Н₂.

Рис.1.2. Измерение стандартного окислительно-восстановительного потенциала

Например, сильный окислитель О₂ имеет положительный окислительно-восстановительный потенциал, а сильный восстановитель NADH - отрицательный. Зная величину , можно найти соответствующую величину стандартной свободной энергии по формуле:

,

где n - число переносимых электронов, а F = 23 ккал/(моль*В) = 96500 кДж/(моль*В) - число Фарадея.

Литература

1. Волькенштейн М.В. Общая биофизика, М. Наука, Физматлит, 1978.

2. Рубин А.Б. Биофизика, т. 2. М., Изд. МГУ, 2000, 2004.

3. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. Санк-Петербург, Спецлит, 2004

4. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М. Наука, 1989.

5. Alberts B. et al. Molecular Cell Biology. 4-th edition. Garland Science. New York, 2002.

6. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition, W.H. Freeman & Company; 2005.

Размещено на Allbest.ru