Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (Д. Нельсон, М. Кокс - Основы биохимии Ленинджера в 3-х томах), страница 12

1-24. Некоторые пути превращения энергии в живых организмах. Энергетические превращения в процессе метаболизма сопровождаются ростом хаотичности системы н окружающего ее пространства выраженной в терминах энтропии, по мере снижения потенциальной энергии сложных молекул питательных веществ. а) Живые организмы получают энергию нэ окружающей среды; о) переводят некоторое количество энергии в необходимую клеткам форму; а) возвращают некоторое количество энергии в виде тепла в окружающую среду; г) выделяют конечные продукты, молекулы которых менее организованы, чем исходные топливные молекулы, что повышает энтропию системы. Одним иэ результатов этих превращений является д) рост упорядоченности (сниженне хаотичности) в системе, что связано с синтезом сложных макромолекул.

В гл. 13 мы вернемся к разговору о количественном выражении энтропии. (42~ 1. Основы биохимии Термин «энтропия», буквально оаначающий «изл>сненис внутри», впервые был использован в 1851 г. Рудольфом Кчаузиусом, автором опной из формулировок второго начала термодинамики. Точное количественное определение антропии требует привлечения мате»>атической статистики и теории вероятности, однако суть этого понятия на качественном уровне можно объяснить с помощью трех прап ых приме!юв, каждый из которых иллюстрирует олин из аспектов энтропии.

Здесь такие ошювныс определения энтропии, как «хаотичность» и «беспорядок», проявляются с разных сторон. Пример 1: Горячий чайник и рассеяние тепла Нам известно, что пар, образую>цийся при кипении волы, может совершать полезную работу Однако предположим, что мы выключаем конфорку под чайником с кигищей (температура 100 С) водой (это наша «система») на кухне («окружающзя среда») и даем чайнику ос ъ>ть. По л>ерс остывания никакой видииой работы нс совершается, но тепло от горячего чайника н>нчупает в окружаюп>ую сре>0, повышая температуру на кухне на бесконечно малую величину„пока не установится равновесие.

В момент равновесия чайник (с водой), воздух и нрелметы па кухне имеют одинаконую температуру Свободная ансргия, сосредоточенная в чайнике с кипятком, п<пснциачьпо г пссобна совсрп>ать раб«ну. Эквивалентная эюй энергии тепловая анергня вес еще присутствует в кипятке (чайнике) и па кухне (т.е. во «вселенной»), однако в гк>лностью рассеянном виде. Эту эпергиюбольше нельзя использоватьдхисовершения работы, поскольку температура везде на кухне одинакова Более топ>, повышение энтропии окружающей среды (па кухне) необратимо. Из и>бственного опыта мы все знаем, что тепло ниажда не вернется из окружающего воздуха в чайник и температура воды в чайнике не может самопроизвольно подняться до 100 'С (и лаже ца несколько градусов). Пример 2: Окисление глюкозы Энтропия характеризует состояние не только энергии, но и вещества.

Аэробпыс (гетеротрофцые) организмы игпользуют свободнук> энергию пол> генной из внеп>- ней среды глкжозы путем сс окисления кислородом, также полученным из внешней среды. Копечныс продукты этого окислительного метаболизма СО, и НтО возвращаются в окружающую среду. В результате данного процесса в окружающей среде происходит рост энтропии, в то время как внутри самого организма сохраняется стационарное состояние, и в его впутрсн- нем порядке не нроисхолит никаких излюнений. Неко- торый рост энтропии связан не только с выделением тепла, но и с другим типом беспорядка, как следует из уравнения окисления >т>к>козы: С«НыО«+ 6О, 6СО, + 6Н>О Мы можем показать это на схеме: 12 молекул 7 молекул Со (газ) о ( Глюкоза (твердое вещество И,О г~ 'й 4~ Зэ+ Ф(жидкость) В результате реакции окисления атомы, состав;иошпе 1 молекулу глюкозы и 6 молекул ю>слорг>да (всеп> 7 молекул), рассредоточились в менее упорядоченной систел>е, так как теперь число молекул равно 12 (6СО> + 6Н>О).

В лк>бой химической реакции, при>юдящсй к увеличению числа молекул (или к превращению твердого вещества в жидкое или газообразное, молекулы которого перемещаются более свободно), упорядоченность молекул снижасгся, следовательно, повышается энтропия. ТЬсгс В а !!г(е >и йс а!(а!гз о! шсп, И>Ь!г Ь, гайсп аг !Ье !!ог>«1, !еа>!з оп го !»Попс: Оппцей ай йс т оуай>с о! йс>г 1йс !з !юппг! >и зйа!Ь»>зав! ш и>!зспез.» Кроме явного смысла слов злесь многое скрыто — имеется указание на сложное сплетение собьггий, разьп рываемых н пьесе, а также отражены взгляды автора па сам конфликт, амбиции героев и их жажду к превосходству (нсрвснству).

Этот маленький фрагмент, пронизанный шекспировским пониманием человеческой природы, очень насьпцсн информацией. *В делах людей прилив есть и отлив, С приливом достигаел> мы успеха. Когда ж отлив наступит, лодка жизни По отмелям несчастий волочится. (Перевод М. Зснксвича) Пример 3: Энтропия и информация Приведенный ниже короткий фрагмент монолога Бру- та, произносимый им при приближении армии Марка Антония («Юлий Пезарь», акт 1Ч, сцена 3), представля- ет собой содержа>ций информацию осмыгленный набор слов, стютавлеппый из 25 букв английскоп> алфавита О ь э а 6 .Ъ. ~„гэ г г ~ с ~,с „чь -. о,, и ме . д х е"1~0 3 с 'О и и Однако если нсполь:юванные в этом фрагменте 125 букв расттавнть в случайном порядке, как показано в рамке, они вообще не будут иметь никакого смысла. Поток электронов обеспечивает организм энергией Практически все живыс организмы прямо или косвенно добывают энергию из солнечной радиации, являющейся результатом термоядерных реакций на Солнце.

В процессе фотосинтеза происходящее под действием солнечного света расщепление воды приводит к высвобождению электронов для восстановления СОз и к выделению в атмосферу молекулярного кислорода: свет НСО, + НН,Π— С,Н„О, + НО, (восстановление Сох) Нсфотосинтезирующие клетки и организмы получают необходимую им энергию путем окисления энергетически богатых продуктов фотосинтеза и передачи электронов этих молекул на атмосферный кислород с образованием воды, СОз и других конечных продуктов, что приводит к их рециркуляции в окружающей среде: СвНпов+ Оз — 6СОз+ бНзо+ энергия (окисление глюкозы с высвобождением энергии) Автотрофы и гетеротрофы участвуют в глобальных циклах углерода и кислорода, управляемых в конечном итоге солнечным светом, в результате чего эти две большие группы организмов являются взаимозависимыми.

Практически все преобразования энергии в клетке можно проследить по потоку электронов от одной молекулы к другой 1.3 Физические основы биохимии [43] В данном случае 125 букв не несут практически никакой информации, но характеризуются очень высокой энтропией. Подобные рассуждения помогают наи понять, что информация является формой энергии, ес называют «отрицательной энтропией».

Действительно, раздел математики, называемый теорией информации и лежащий в основе логики компьютерного программирования, тесно связан с теорией термодинамики. Живые организмы являются высокоунорядоченными структурами, чрезвычайно нагынзеннььин информацией, и потому характеризуются низкой энтропией. в направлении от более высокого к более низкому электромеханическому потенциалу. В таком случае этот процесс по формальным признакам аналогичен потоку электронов в электрической цепи, работающей от батарейки. Все реакции с переносом электронов являются окислительновосстановительными: один реагецт окисляется (отдает алектроны), а другой восстанавливается (принимает электроны). Создание и поддержание порядка требуют работы и затрат энергии Как уже было сказано, ДНК, РНК и белки прелставляют собой информационные макромолекулы; последовательность составляющих их мономерных звеньев несет в себе определенную информацию — как последовательность слов в предложении.

Клетка затрачивает энергию нс только на создание ковалентных связей между звеньями этих полимеров, но и на построение их в строго определенном порядке. Чрезвычайно важно, чтобы аминокислоты из смеси выстроились в специфической последовательности в определенную белковую молекулу. Это приведет к увеличению упорядоченности в популяции молекул. Однако в соответствии со вторым началом термодинамики в природе существует тенденция к усилению беспорядка: общая энтропия Вселенной постоянно растет. Таким образом, для осуществления синтеза макромолекул из мономерных единиц система (в данном случае клетка) должна получить свободную энергию. !44] К Основы биохимии КЛЮЧЕВЫЕ ДОГОВОРЕННОСТИ.

Для количественного выражения хаотичности илн беспорядка среди компонентов химической системы иснользук>т гшрамстр энтропии (5) (см. дополнение 1-3). Любые излгенения хаотичности системы выражаются как изменения энтропии (А5), которые в соответствии с при~итыми договоренностями считают Положительными нри росте энтропии. Дж. Уиллард Гиббс, развивший Дж. Уиаяард Гиббс, 1839-1903 теорию энергетических изменений в процессе химической реакции, показал, что свободную энерпцо (энерпно Гиббса, С) любой закрытой системы можно описать тремя параметрами: энтальнией (Н), отражакнцсй число и тин связей, энтропией (5) и абсолютной температурой (Т), выраженной в кель- винах. Уравнение для свободной энергии выглядит следующим образом: С = Н вЂ” ТЗ. Если химическая реакция протекает при постоянной температуре, то изменение свободной энергии (ЬС) определяется измснснисм антальпии (АН), отражакицим тип и число образующихся н разрушающихся химических связей и нековалентных киимодействий, а также измснснисм энтропии (о5), отражаквцим изменение хаотичности в системе: ЬС = ЬН вЂ” ТА5 где АН по определению отрицательно для реакции с выделением теплоты, а Ь5 положительно для реакции, в которой увеличивается хаотичность системы.