БИОЭНЕРГЕТИКА
биологическая энергетика,
изучает механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности
организмов. Иначе говоря, Б. рассматривает явления жизнедеятельности в
их энергетич. аспекте. Методы и подходы к изучаемым явлениям, применяемые
в Б.,- физико-химические, объекты и задачи - биологические. Т. о., Б. стоит
на стыке этих наук и является частью молекулярной биологии, биофизики
и
биохимии.
Началом Б. можно считать работы нем. врача
Ю. Р. Майера, открывшего закон сохранения и превращения энергии
(1841) на основе исследования энергетич. процессов в организме человека.
Суммарное изучение процессов, являющихся источниками энергии для живых
организмов (см. Дыхание, Брожение), и энергетич. баланса организма,
его изменений при различных условиях (покой, труд разной интенсивности,
окружающая темп-ра) долгое время являлось основным содержанием Б. (см.
Основной
обмен, Теплоотдача, Теплопродукция). В середине 20 в., в связи с общим
направлением развития биологич. наук, центральное место в Б. заняли исследования
механизма преобразования энергии в живых организмах.
Все исследования в области Б. основываются
на единственно науч. точке зрения, согласно к-рой к явлениям жизни полностью
применимы законы физики и химии, а к превращениям энергии в организме -
осн. начала термодинамики.
Однако сложность и специфичность биологич.
структур и реализующихся в них процессов обусловливают ряд глубоких различий
между Б. и энергетикой неор-ганич. мира, в частности технич. энергетикой.
Первая фундаментальная особенность Б. заключается в том, что организмы
- открытые системы, функционирующие лишь в условиях постоянного
обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика таких систем
существенно отличается от классической. Основополагающее для классич. термодинамики
понятие о равновесных состояниях заменяется представлением о стационарных
состояниях; второе начало термодинамики (принцип возрастания энтропии)
получает
иную формулировку в виде Пригожина теоремы. Вторая важнейшая особенность
Б. связана с тем, что процессы в клетках протекают в условиях отсутствия
перепадов темп-ры, давления и объёма; в силу этого переход теплоты в работу
в организме невозможен и тепловыделение представляет невозвратимую потерю
энергии. Поэтому в ходе эволюции организмы выработали ряд специфич. механизмов
прямого преобразования одной формы свободной энергии в другую, минуя её
переход в тепло. В организме лишь небольшая часть освобождающейся энергии
превращается в тепло и теряется. Большая её часть преобразуется в форму
свободной хим. энергии особых соединений, в к-рых она чрезвычайно мобильна,
т. е. может и при постоянной темп-ре превращаться в иные формы, в частности
совершать работу или использоваться для биосинтеза с весьма высоким
кпд, достигающим, напр, при работе мышцы, 30%.
Одним из осн. результатов развития Б. в
последние десятилетия является установление единообразия энергетических
процессов во всём живом мире - от микроорганизмов до человека. Едиными
для всего растит, и животного мира оказались и те вещества, в к-рых энергия
аккумулируется в подвижной, биологически усвояемой форме, и процессы, с
помощью к-рых такое аккумулирование осуществляется. Такое же единообразие
установлено и в процессах использования аккумулированной в этих веществах
энергии. Например, структура сократит, белков и механизм механо-химич.
эффекта (т. е. превращения химич. энергии в работу) в основном одни и те
же при движении жгутиков у простейших, опускании листиков мимозы или при
сложнейших движениях птиц, млекопитающих и человека. Подобное единообразие
характерно не только для явлений, изучаемых Б., но и для др. присущих всему
живому функций: хранения и передачи наследств, информации, осн. путей биосинтеза,
механизма ферментативных реакций.
Веществами, через к-рые реализуется энергетика
организмов, являются макроэргические соединения, характеризующиеся
наличием фосфатных групп. Роль этих соединений в процессах превращения
энергии в организме впервые установил, изучая мышечное сокращение, сов.
биохимик В. А. Энгелъгардт. В дальнейшем работами мн. исследователей
было показано, что эти соединения участвуют в аккумуляции и трансформации
энергии при всех жизненных процессах. Энергия, освобождающаяся при отщеплении
фосфатных групп, может использоваться для синтеза биологически важных веществ
с повышенным запасом свободной энергии и для процессов жизнедеятельности,
связанных с превращением свободной химич. энергии в работу (механическую,
активного переноса веществ, электрическую и т. д.). Важнейшим из этих соединений
веществом, играющим для всего живого мира роль почти единственного трансформатора
и передатчика энергии, является аденозинтрифосфорная к-та - АТФ (см. Аденозинфосфорные
кислоты), расщепляющаяся до аденозиндифосфорной к-ты (АДФ)или аденозинмонофосфорной
к-ты (АМФ). Гидролиз АТФ, т. е. отщепление от неё конечной фосфатной группы,
протекает по уравнению:
АТФ + Н и сопровождается уменьшением свободной
энергии на значение дельта F. Если эта реакция протекает при концентрации
всех реагентов и продуктов в 1,0 моль при 25°С и рН 7,0, то свободная
энергия АДФ оказывается меньше свободной энергии АТФ на 29,3 кдж. (7000
кал).
В
клетке это изменение свободной энергии больше: дельта F = 50 кдж/моль
(12
000 кал/моль). Значения ДР для реакции АТФ->АДФ выше, чем у большинства
реакций гидролиза. Макроэргическими называют и сами связи третьей
(конечной) и второй фосфатных групп в молекуле АТФ и аналогичные связи
в др. макроэргических соединениях. Эти связи обозначают знаком
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я