2.1.5. Общие закономерности осуществления

биоэнергетических процессов в организмах

Для осуществления процессов жизнедеятельности организмов необ-ходимо постоянное обеспечение их энергией. Если прекращается приток энергии в клетки организма, то после окисления всех веществ, способных подвергаться распаду и окислению, и живые клетки, и организм в целом погибают. В качестве первоисточников поступающей энергии организмы могут использовать две её формы – световую и химическую.

Организмы, способные использовать для поддержания процессов жизнедеятельности энергию света, называют фототрофными, а другие организмы, у которых источником энергии служат химические вещества пищи, получили название хемотрофных организмов. Большинство хемо-трофных организмов используют для своей жизнедеятельности химичес-кую энергию окисления органических веществ пищи, к ним относятся человек, животные, грибы, большинство бактерий, растения–паразиты.

Другие хемотрофные организмы (хемосинтезирующие) получают не-обходимую им энергию за счёт окисления неорганических веществ (неко-торые группы бактерий). К фототрофным организмам относятся растения, многие водоросли, зелёные и пурпурные бактерии, цианобактерии и дру-гие фотосинтезирующие микроорганизмы.

У фототрофных организмов в процессе фотосинтеза световая энер-гия превращается в химическую энергию сложных органических веществ, которые затем включаются в реакции дыхания и подвергаются биологи-ческому окислению. В ходе дыхания значительная часть энергии окисле-ния органических веществ используется для образования АТФ и других макроэргических соединений, с участием которых далее уже инициируют-ся эндергонические реакции синтеза различных веществ, необходимых для обеспечения жизненных процессов организма.

Энергия окисления органических веществ, трансформируемая в хи-мическую энергию молекул АТФ, по флоэмной системе транспортируется в любые органы и ткани растения и может быть использована в них для осуществления биосинтетических процессов, внутриклеточного переноса веществ и ионов, инициации защитных реакций организма и др. У хемо-трофных организмов происходят аналогичные процессы, связанные с окис-лением веществ и использованием их химической энергии для синтеза АТФ и других макроэргических соединений, которые далее включаются в различные сопряжённые биосинтетические процессы.

Таким образом, мы видим, что жизнедеятельность любых организ-мов складывается из двух противоположных процессов – распада веществ и сопряжённого с ним синтеза макроэргических соединений и биосинте-тических процессов образования сложных веществ, в которых использует-ся энергия макроэргических соединений.

Процесс распада веществ, в ходе которого происходит ферментатив-ное расщепление молекул углеводов, жиров, белков и других соединений до более простых веществ и дальнейшее их окисление в реакциях дыхания, получил название катаболизма. А противоположный процесс синтеза сложных веществ, который сопровождается поглощением свободной энер-гии, называется анаболизмом.

Оба эти процесса тесно связаны между собой в обмене веществ организма. Усиление биосинтетических реакций, характерных для процес-са анаболизма, всегда требует активизации катаболизма, высвобождающе-го химическую энергию для синтеза макроэргических соединений, кото-рые необходимы как биоэнергетические факторы сопряжения в эндергони-ческих реакциях. Общая направленность биоэнергетических процессов у растительных организмов, включающая процессы катаболизма и анаболиз-ма, а также синтеза макроэргических соединений и их использования в биосинтетических реакциях, схематически показана на рисунке 2.1.

энергия СО₂ Н₂О минеральное

света питание

$ $

( '

растение

$

фотосинтез

$

органические

вещества

$

Н₂О + СО₂ ! катаболические → тепловая энергия

реакции (

(

$ (

(

активный транспорт ! синтез АТФ и других метаболиты

веществ и ионов, макроэргических соединений '

другие '

энергозатратные $ '

функции '

анаболические реакции

Рис. 2.1. Общая направленность биоэнергетических процессов

в растительном организме

Как видно из этой схемы, в осуществлении биоэнергетических про-цессов важную роль играют макроэргические соединения и особенно АТФ как универсальный переносчик энергии от катаболических процессов к анаболическим. В отсутствие макроэргических соединений происходит ра-зобщение анаболических и катаболических процессов, что приводит к прекращению нормального функционирования организма.

Вопросы для самоконтроля

1. В чём состоят особенности функционирования биоэнергетических систем? 2. Как определить изменение внутренней энергии биохимической системы по теплоте сгорания реагирующих веществ и продуктов реакции? 3. Как оценить тепловой эффект биохимической реакции с использованием термодинамической функции, называемой энтальпией? 4. Каким образом используется термодинамическая функция энтропия для установления направленности биохимических превращений? 5. По каким термодина-мическим критериям можно оценить экзергонические и эндергонические реакции? 6. С помощью каких расчётов можно определить изменение свободной энергии в ходе биохимических реакций? 7. Как установить направленность и возможность самопроиз-вольного осуществления в окислительно-восстановительных реакциях? 8. Каковы осо-бенности осуществления биохимических реакций в условиях физиологической среды? 9. Какие термодинамические принципы реализуются в ходе сопряжённого синтеза ве-ществ? 10. Какова биологическая роль макроэргических соединений? 11. Какие извест-ны разновидности макроэргических соединений? 12. В чём состоит роль АТФ как наи-более универсального макроэргического соединения? 13. Как происходит синтез АТФ в живых организмах? 14. Какова направленность биоэнергетических процессов в расти-тельном организме? 15. В чём состоят биохимические особенности процессов катабо-лизма и анаболизма? 16. По каким биохимическим и биоэнергетическим механизмам отличаются фототрофные и хемотрофные организмы? 17. Как происходят процессы субстратного, окислительного и фотосинтетического фосфорилирования?