Том 1 (1129743), страница 29
Текст из файла (страница 29)
2.37).Рис. 2.36. Схематичное представление взаимосвязимежду катаболическим и анаболическим путямив системе обмена веществ. Как показано на рисунке, большая часть энергии, запасенной в химическихсвязях молекул пищи, рассеивается в виде теплоты,поэтому масса питательных веществ, необходимыхлюбому организму, получающему всю энергию за счеткатаболизма, намного больше, чем масса молекул, которые могут быть произведены в ходе анаболизма.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 137Рис.
2.37. Иллюстрация ежедневного самопроизвольного стремления к беспорядку. Чтобы обратить этосамопроизвольное стремление к беспорядку вспять, требуется волевое усилие и вклад энергии — действия отнюдь не самопроизвольные. Фактически, согласно второму закону термодинамики, вмешательство человека высвободит во внешнюю среду известное количество теплоты, достаточное для того, чтобыкомпенсировать затраты энергии на перестановку предметов и наведение порядка в этой комнате.Величина беспорядка (степень неупорядоченности) в системе может бытьопределена количественно и выражена через энтропию системы: чем сильнее беспорядок, тем больше энтропия.
Таким образом, еще один способ выразить второйзакон термодинамики — это сказать, что системы спонтанно изменяются в сторонуконфигураций с большей энтропией.Живые клетки — через выживание, рост и формирование сложных организмов — порождают порядок и таким образом, как может показаться, бросают вызови противостоят второму началу термодинамики. Как же им это удается? Ответкроется в том, что клетка не является замкнутой системой: она вбирает в себя энергию из окружающей ее среды в форме пищи или в виде фотонов, ниспосылаемыхСолнцем (или даже, как у некоторых хемосинтезирующих бактерий, единственноиз неорганических молекул), после чего использует эту энергию для наведенияпорядка внутри себя. В ходе химических реакций, которые производят порядок,клетка преобразует часть потребляемой ею энергии в теплоту. Теплота высвобождается в окружающую клетку среду и разупорядочивает ее, так что полная энтропия — энтропия клетки плюс энтропия окружающей ее среды — возрастает, кактого и требуют законы термодинамики.Чтобы понять и усвоить принципы, управляющие этими преобразованиямиэнергии, представим себе клетку, окруженную морем вещества, представляющего138Часть 1.
Введение в мир клеткиостальную часть Вселенной. Во время своей жизни и роста клетка создает внутренний порядок. Но она постоянно выделяет тепловую энергию, по мере того каксинтезирует молекулы и собирает их в клеточные структуры. Теплота представляет энергию в ее наиболее неупорядоченной форме — хаотичной толчее молекул.Когда клетка выделяет теплоту в море, она повышает в нем интенсивность движения молекул (тепловых колебаний) и увеличивает тем самым его хаотичность,или неупорядоченность.
Второй закон термодинамики удовлетворен, потому чтоувеличение степени упорядоченности в клетке с лихвой компенсируется еще большим уменьшением упорядоченности (возрастанием энтропии) в окружающем моревещества (рис. 2.38).Откуда же берется высвобождаемая клеткой теплота? Здесь мы сталкиваемсяс еще одним важным законом термодинамики. Первое начало термодинамикигласит, что энергия может быть лишь преобразована из одной формы в другую,но никак не появиться откуда-либо и не исчезнуть куда-либо.
На рис. 2.39 представлены некоторые взаимопревращения между различными формами энергии.Количество энергии в различных формах изменяется в результате происходящихв клетке химических реакций, но первый закон говорит нам, что общее количествоэнергии должно всегда оставаться неизменным. Например, животная клетка впитывает питательные вещества и преобразует часть энергии, заключенной в химическихсвязях между атомами этих молекул пищи (энергию химических связей), в беспорядочные тепловые колебания молекул (тепловую энергия).
Как было описановыше, такое преобразование химической энергии в тепловую энергию являетсянеобходимым, если реакции, которые создают порядок внутри клетки, призваныпривнести во Вселенную в целом еще больший беспорядок.Рис. 2.38. Простейший термодинамический анализ живой клетки. На схеме слева молекулы клеткии остальной части Вселенной (океан материи) изображены в относительно неупорядоченном состоянии. На схеме справа клетка вобрала энергию из молекул пищи и высвободила теплоту в ходе реакции,которая упорядочивает молекулы, находящиеся в клетке. Поскольку теплота увеличивает беспорядокво внешней среде, окружающей клетку (ломаными стрелками и искаженными молекулами показановызванное теплотой усилившееся движение молекул), второй закон термодинамики — который гласит, что количество беспорядка во Вселенной всегда должно возрастать, — выполняется, по мере тогокак клетка растет и делится.
Более подробное обсуждение этого вопроса изложено в приложении 2.7(стр. 118–119).Глава 2. Химия клетки и биосинтез 139Рис. 2.39. Некоторые взаимопревращения различных форм энергии. Все формы энергии, в принципе,взаимообратимы. Во всех этих процессах общее количество энергии остается неизменным. Так, например,по высоте положения и весу кирпича на схеме 1 мы можем точно предсказать, сколько теплоты высвободится, когда кирпич ударится о пол.
Обратите внимание, что на схеме 2 большое количество энергиихимических связей, высвобождаемое при образовании воды, в первую очередь преобразуется в оченьбыстрые тепловые движения двух новообразованных молекул воды; но при столкновении с другимимолекулами эта кинетическая энергия почти мгновенно равномерно распределяется в окружающейсреде (теплопередача), и новые молекулы становятся неотличимыми от остальных.140Часть 1. Введение в мир клеткиКлетка не может извлечь никакой выгоды из тепловой энергии, которую онавысвобождает, разве только экзотермические реакции в клетке непосредственнобудут связаны с процессами, которые производят порядок на молекулярном уровне.
Именно такое сопряжение выработки теплоты с возрастанием упорядоченности отличает метаболизм клетки от расточительного сжигания топлива. Позжемы покажем, за счет чего осуществляется такое сопряжение. На данный моментдостаточно знать, что прямая связь «сжигания» молекул пищи с «рождением» биологического порядка необходима клеткам для создания и поддержания островкапорядка во Вселенной, погружающейся в пучину хаоса.2.2.3. Фотосинтезирующие организмы используют для синтезаорганических молекул солнечный светВсе животные существуют за счет энергии, запасенной в химических связяхорганических молекул, созданных другими организмами, которых они используютв качестве пищи.
Молекулы, поступившие из пищи, поставляют также атомы, необходимые животным для строительства новой живой материи. Некоторые животныеполучают свою пищу, поедая других животных. Но в основании пищевой цепи животных находятся животные, которые поедают растения. Растения, в свою очередь,непосредственно улавливают энергию солнечного света. В результате первичнымисточником энергии, используемой животными клетками, оказывается Солнце.Солнечная энергия поступает в живой мир благодаря фотосинтезу, протекающему в растениях и фототрофных бактериях. В ходе фотосинтеза электромагнитная энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связейв клетке. Растения получают все необходимые им атомы из неорганических источников: углерод из атмосферного углекислого газа, водород и кислород из воды,азот из аммиака и нитратов почвы, а другие элементы, необходимые в меньшихколичествах, — из неорганических солей почвы.
Энергия, которую растенияполучают из солнечного света, используется в клетках для построения из этихатомов сахаров, аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Эти маленькиемолекулы, в свою очередь, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды, из которых формируется растение. После того как животноесъедает растение, все накопленные растением вещества становятся для животногомолекулами пищи.Реакции фотосинтеза протекают в две стадии (рис. 2.40). На первой стадииэнергия солнечного света поглощается и временно запасается в форме энергииРис.
2.40. Фотосинтез. Два этапа фотосинтеза. Носители энергии, созданные на первом этапе, представлены двумя молекулами, которым мы уделим некоторое внимание, — это ATP и NADPH.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 141химических связей в специализированных маленьких молекулах, которые выступают в качестве переносчиков энергии и реакционно-активных химических групп.(Такие молекулы «активированных носителей» мы обсудим позже.) Молекулярныйкислород (газ O2), образующийся в результате разложения воды на свету, высвобождается как побочный продукт этой первой стадии фотосинтеза.На второй стадии фотосинтеза молекулы, которые служат носителями энергии, используются для осуществления энергетической подпитки процесса усвоенияуглерода, в ходе которого из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) получаютсясахара, тем самым пополняя доступный источник запасенной энергии химическихсвязей и материалов как для самого растения, так и для животного, которое егосъест.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
