18. Как используется атф в биологической работе?

Основными метаболическими процессами являются анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм, или ассимиляция (от лат. assimilation - уподобление), представляет собой эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку веществ веществам самой клетки. Он является «созидательным» метаболизмом.

Важнейшим моментом ассимиляции служит синтез белков и нуклеиновых кислот. Частный случай анаболизма - фотосинтез, представляющий собой биологический процесс, при котором органическое вещество синтезируется из воды, двуокиси углерода и неорганических солей под влиянием лучистой энергии Солнца. Фотосинтез в зеленых растениях является автотрофным типом обмена.

Катаболизм, или диссимиляция (от лат. dissimilis - расподобление), - это экзотермический процесс, при котором происходит рас-

пад веществ с освобождением энергии. Этот распад осуществляется в результате переваривания и дыхания. Переваривание представляет собой процесс распада крупных молекул на более мелкие молекулы, тогда как дыхание является процессом окислительного катаболизма простых сахаров, глицерола, жирных кислот и дезаминированных аминокислот, в результате которого происходит освобождение жизненно необходимой химической энергии. Эта энергия используется для пополнения запасов аденозитрифосфата (АТФ), который служит непосредственным донором (источником) клеточной энергии, универсальной энергетической «валютой» в биологических системах. Пополнение запасов АТФ обеспечивается реакцией фосфата (Ф) с аденозиндифосфатом (АДФ), а именно:

Когда АТФ разлагается на АДФ и фосфат, энергия клетки освобождается и используется для работы в клетке. АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата (трифосфатных групп), тогда как аденозиндифосфат (АДФ) имеет лишь две группы. Богатство АТФ энергией определяется тем, что его трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи. Энергия АТФ превышает энергию АДФ на 7000 ккал/моль. Этой энергией обеспечиваются все биосинтетические реакции в клетке в результате гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Итак, цикл АТФ - АДФ является основным механизмом обмена энергии в живых системах. Как видно, ассимиляция, диссимиляция и фотосинтез связаны с энергией. Энергия необходима для транспорта молекул и ионов, синтеза биомолекул из простых предшественников, для преобразования механической работы в клеточные движения.

К живым системам применимы два закона термодинамики. В соответствии с первым законом термодинамики (законом сохранения энергии) энергия на протяжении химических и физических процессов ни создается, ни исчезает, а просто переходит из одной формы в другую, пригодную в той или иной мере для выполнения работы. В соответствии со вторым законом термодинамики химические и физические процессы протекают в направлении установления равновесия, т. е. в направлении от упорядоченного состояния к неупорядоченному. По мере приближения к установлению равновесия между упорядоченностью и неупорядоченностью происходит уменьшение свободной энергии, т. е. той порции общей энергии, которая способна производить работу. Когда свободная энергия уменьшается, повышается та часть общей внутренней энергии системы, которая является мерой степени случайности и неупорядоченности (дезорганизации) и называется энтропией. Таким образом, естественная тенденция любой системы направлена на повышение энтропии и уменьшение свободной энергии, которая является самой полезной термодинамической функцией.

Для живых существ первичный источник энергии - солнечная радиация, в частности видимый свет, который состоит из электромагнитных волн энергии, встречающихся в виде дискретных единиц, называемых фотонами или квантами света. Одни живые существа способны улавливать световую энергию, другие получают энергию в результате окисления пищевых веществ.

Энергия видимого света улавливается зелеными растениями в процессе фотосинтеза, который осуществляется в хлоропластах их клеток. Благодаря фотосинтезу живые существа создают упорядоченность из неупорядоченности, а световая энергия превращается в химическую энергию, запасаемую в углеводах, являющихся продуктами фотосинтеза. Таким образом, фотосинтезирующие организмы извлекают свободную энергию из солнечного света. В результате этого клетки зеленых растений обладают высоким содержанием свободной энергии.

Животные организмы получают энергию, уже запасенную в углеводах, через пищу. Следовательно, они способствуют увеличению энтропии среды. В митохондриях клеток этих организмов энергия, запасенная в углеводах, переводится в форму свободной энергии, подходящей для синтеза молекул других веществ, а также для обеспечения механической, электрической и осмотической работы клеток. Освобождение энергии, запасенной в углеводах, осуществляется в результате дыхания - аэробного и анаэробного. При аэробном дыхании расщепление молекул, содержащих запасенную энергию, происходит путем гликолиза и в цикле Кребса. При анаэробном дыхании действует только гликолиз. Таким образом, жизнедеятельность клеток животных организмов обеспечивается в основном энергией, источником которой служат реакции окисления - восстановления «топлива» (глюкозы и жирных кислот), в процессе которых происходит перенос электронов от одного соединения (окисление) к другому (восстановление). Перенос энергии от химических реакций, дающих энергию, к процессам - потребителям энергии - осуществляется с помощью АТФ.

Организм - открытая саморегулирующая химическая система, которая поддерживает и реплицирует себя посредством использования энергии, генерируемой Солнцем. Непрерывно поглощая энергию и вещества, жизнь не «стремится» к равновесию между упорядоченностью и неупорядоченностью, между высокой молекулярной организацией и дезорганизацией. Напротив, для живых существ характерна упорядоченность как в их структуре и функциях, так и в превращении и использовании ими энергии.

Процессы обмена вещества и энергии подвержены регуляции, причем существует множество регулирующих механизмов, наиболее известный из которых заключается в контроле количества и активности ферментов. В регуляции обмена веществ и энергии имеет значение также и то, что метаболические пути синтеза и распада почти всегда разобщены, причем у эукариотов это разобщение усиливается компартментализацией клеток.