Энергетика живого организма

В организме протекает множество разнообразных химических (биохимических) реакций: расщепление сложных веществ (катаболизм), в том числе – для получения энергии, и синтез новых веществ, необходимых организму (анаболизм). Совокупность этих реакций – обмен веществ или метаболизм. Катаболические реакции обычно сопровождаются выделением энергии, анаболические требуют затрат энергии.

Обычно органические вещества реагируют очень медленно, поэтому фактически все биохимические реакции протекают под действием катализаторов. В живых организмах их называют ферментами или энзимами. Ферменты селективны, то есть ускоряют только одну или несколько сходных реакций, и очень эффективны (увеличивают скорости реакций в десятки и сотни миллионов раз). Как правило, ферменты – это сложные белки со сложной пространственной структурой. Они вырабатываются в самом организме. Информация об их строении хранится в наследственном генетическом аппарате. В большинстве случаев выполняется принцип: один ген – один фермент – одна реакция.

Именно ферментная система определяет своеобразие того или иного вида или отдельного организма, то есть является истинным «портретом» существа. Ферменты биологически активны в узком диапазоне условий (температуры, химического состава окружающей среды и тому подобного). Поэтому в живых организмах, особенно – в высших, существует и постоянно функционирует сложная система поддержания гомеостаза, то есть постоянства условий.

Вещество, на которое действует фермент, называется субстратом, от его названия происходит и название фермента (часто – с помощью окончания –аза). Например, сахарозу расщепляет сахараза, липиды (жиры) – липаза, но белки (полипептиды) расщепляет пепсин.

Важнейшим для жизни на Земле является процесс фотосинтеза - синтеза органических веществ из неорганических в зеленых растениях при поглощении энергии солнечного излучения и участии хлорофилла. При фотосинтезе возникновение новых веществ сопровождается консервацией солнечной энергии в виде энергии химических связей. Упрощенная схема фотосинтеза такова (hν – энергия фотона, где h – постоянная Планка, ν – частота света):

Непосредственным источником энергии для движения, нагрева, химических реакций в клетке является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, состоящая из азотистого основания аденина, углевода рибозы с пятизвенным кольцом и трех остатков фосфорной кислоты:

Энергия заключена в двух макроэргических связях между остатками фосфорной кислоты, показанных на рисунке жирными линиями. Энергия высвобождается в реакции превращения АТФ в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) при отщеплении одного из остатков фосфорной кислоты:

Для создания запаса АТФ она постоянно синтезируется в митохондриях клеток в процессе дыхания за счет материала и энергии органических соединений: