Островок здоровья
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
записная книжка врача акушера-гинеколога Маркун Татьяны Андреевны
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Биоэнергетика живых систем
Биоэнергетика - это раздел биофизики, связанный с изучением механизмов преобразования энергии в живых объектах в процессах их жизнедеятельности. Основу биоэнергетики составляет термодинамика - наука о законах превращения энергии из одного вида и формы в другой. Термодинамика не дает ответа на вопрос, какова природа или механизм того или иного явления. Она исследует исключительно энергетическую сторону процессов и способна ответить на вопрос, возможно ли протекание данного процесса с точки зрения энергетики. В основе термодинамики лежит несколько простых принципов, приложимых к любым химическим процессам, где бы они ни происходили - в живых или в неживых системах.
Термодинамика не дает ответа на вопрос, какова природа или механизм того или иного явления. Она исследует исключительно энергетическую сторону процессов и способна ответить на вопрос, возможно ли протекание данного процесса с точки зрения энергетики. Для того, чтобы описать протекание процесса превращения энергии в любом объекте окружающего мира, необходимо вначале представить данный объект с позиции термодинамики, т.е. в виде системы, которая классифицируется по признаку возможности обмена энергии и вещества с другими объектами или с окружающей средой. Таким образом, различают:
Живой организм представляет собой типично открытую поточную систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой и веществом, и энергией. Это значит, что с пищей, водой, при газообмене в организм из окружающей среды поступают разнообразные химические соединения. По химическому составу они отличаются от данного организма. В организме эти соединения подвергаются глубоким изменениям и превращениям, уподобляются его химическому составу и входят в морфологические структуры организма, но лишь временно. Через определенный период усвоенные вещества подвергаются разрушению, осовбождая скрытую в них энергию, а продукты распада удаляются во внешнюю среду. При этом разрушенную молекулу мгновенно заменяет новая, не нарушая целостности структурных компонентов организма. Поток вещества и энергии, наблюдаемый в организме, обусловливает самообновление и самовоспроизведение. Т.о., изменение энергетического баланса в системе "организм-окружающая среда" является непременным условием существования живого организма. Если в организме прекратятся процессы превращения энергии, то в нем прекратится и жизнь. Способы получения энергии живыми организмамиИсточник всей биологической энергии на нашей планете является солнечный свет. Лучистая энергия солнечного света возникает из ядерной энергии: при очень высоких температурах в недрах Солнца атомы водорода превращаются в атомы гелия, что сопровождается освобождением энергии первоначально в виде гамма-лучей. Реакция протекает согласно уравнению 4Н -> Не4 + 2е + hv, где Н - постоянная Планка, а v - длина волны гамма-излучения. В конечном счете в результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов световой энергии, которая испускается Солнцем. Энергия солнечного света достигая поверхности земли улавливается зелеными растениями, которые превращают ее в химическую энергию, запасаемую в форме химических связей, соединяющих атомы в определенных молекулах, например в глюкозе, синтезируемой растением. Этот первый этап преобразования энергии называется фотосинтезом: зеленые растения осуществляют его при помощи пигмента хлорофилла, который позволяет клеткам превращать лучистую энергию в химическую. Эта химическая энергия используется затем для синтеза углеводов и других веществ из двуокиси углерода и воды, что способствует росту растений или частично передается на следующий уровень (рис.1.). Передача энергии на следующий уровень происходит при поедании растения животным или разложение его бактериями. При этом химическая энергия углеводов и других молекул в результате окисления этих молекул преобразуется в биологически полезную энергию, количество которой соответствует количеству энергии, израсходованной на синтез этих веществ (первый закон термодинамики); однако часть этой энергии превращается в тепло, т. е. не может быть использована в дальнейшем (второй закон термодинамики). Биологически полезная энергия, полученная в результате окисления той же глюкозы, запасается в форме макроэргических связей аденозинтрифосфата (АТФ).
Люди, подобно другим животным, получают энергию из продуктов, которыми они питаются. Часть нашей пищи, например горох, картофель, яблоки или груши, мы получаем непосредственно от растений. Свинина, говядина, рыба, крабы или раки - продукты животного происхождения, однако животные, дающие нам эти продукты, в свою очередь получили энергию, поедая различные растения. В конечном итоге всю пищу и энергию животные получают от растений. Т.о., по способу получения энергии организмы делят на фототрофы (источник энергии - свет) и хемотрофы (источник энергии - окислительно-восстановительные реакции). Растения получают энергию в виде электромагнитного излучения Солнца, а животные используют энергию, заключенную в ковалентных связях органических молекул, которые поступают в организм с пищей [показать] . Кроме того в науке существует и другое мнение в вопросе, что дает пища: энергию или отрицательную энтропию [показать] ? Превращение энергии живыми организмамиВ живом мире различают три основных вида превращения энергии (рис. 2):
Понятие о высокоэнергетических и низкоэнергетических фосфатахЭнергия, высвобождаемая в катаболических процессах, аккумулируется в соединениях, как правило, являющихся ангидридами фосфорной кислоты (АТФ). Эта энергия используется для осуществления большинства клеточных процессов, протекающих с затратой энергии, т.е. для обеспечения различных физиологических видов работ. Когда говорят о богатых энергией связях (макроэргических связях), то в этом случае энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединения, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Так, протекание реакции АТФ + Н2O->АДФ + Фв связано с уменьшением свободной энергии на 30,2 кДж/моль (или на 7,3 ккал/моль) при pH 7,0, температуре 37 °С, избытке ионов магния и 1,0 М концентрации исходного вещества и продуктов реакции. Макроэргическими принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы (-ΔG) составляют более 21 кДж/моль (или более 5 ккал/моль). К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относятся также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-дифосфоглицерат и некоторые другие соединения. Однако образование этих макроэргических соединений в большинстве случаев зависит от энергии, поставляемой АТФ. Не следует путать величину свободной энергии гидролиза фосфоангидридной связи, которая используется при описании биохимических процессов, с энергией связи, под которой понимается энергия, необходимая для ее разрыва. При гидролизе фосфоангидридной связи в физиологических условиях наряду с освобождением энергии протекают дополнительные процессы, связанные с образованием новых соединений (например, неорганических фосфатов), сольватацией продуктов и т.д.
В табл. 2 приведены энергетические характеристики гидролиза некоторых биофосфатов. Следует отметить, что АТФ находится лишь в середине энергетической шкалы, однако сравнительно высокая термодинамическая неустойчивость позволяет этой молекуле выполнять функции ключевого энергетического посредника в обмене веществ. Большая энергоемкость и термодинамическая неустойчивость фосфоангидридных связей в АТФ по сравнению с другими биофосфатами объясняются особенностями ее химического строения. Существует несколько вариантов освобождения энергии при гидролизе фосфоангидридных связей АТФ (выделенные жирным шрифтом соединения являются "высокоэнергетическими", остальные – "низкоэнергетическими"):
Наиболее часто встречается вариант 1 – отщепление от АТФ концевого фосфата, который затем гидратируется полярными молекулами воды или участвует в фосфорилировании другого соединения. Другой путь (вариант 2) – дифосфатное расщепление АТФ – используется в биохимических процессах реже. Также редко встречаются процессы, протекающие за счет гидролиза дифосфата (вариант 3), так как при этом освобождается только тепловая энергия. Пока еще не известны биохимические реакции, в которых используется энергия гидролиза АДФ (вариант 4), хотя данный процесс по количеству высвобождаемой энергии соизмерим с реакцией 1. Известно лишь, что гидролиз АДФ до АМФ и фосфата сопровождается выделением тепловой энергии. Обращает на себя внимание тот факт, что изменение свободной энергии в процессе гидролиза фосфатной связи АТФ, АДФ и дифосфата в физиологических условиях превышает значения ΔG0 для аналогичных процессов в стандартных условиях. Для других соединений наблюдаются меньшие различия и не обязательно в сторону увеличения изменения свободной энергии. Таким образом, аккумуляторами и источниками энергии в биосистемах являются ангидриды фосфорной кислоты, в результате сопряжения реакций гидролиза которых с эндергоническими процессами обеспечивается протекание анаболических процессов в живой природе. Использование энергии живыми организмамиЭнергия, получаемая организмом в процессе метаболизма, идет на совершение им биологической работы. Это может быть световая, электрическая, механическая, химическая и другие формы энергии. При этом значительное количество полученной энергии расходуется организмом в форме тепла.
При преобразовании энергии и осуществлении биологических функций энергия в конце концов рассеивается в окружающую среду в бесполезной для организма форме - в форме тепла.
Фазы освобождения энергии из питательных веществВ ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы.
Освобождение энергии в живой клетке осуществляется постепенно, благодаря этому на различных этапах ее выделения она может аккумулироваться в удобной для клетки химической форме, в виде АТФ. Весь энергетический аппарат клетки устроен как бы из трех блоков, имеющих разное функциональное назначение (т. е. осуществляющих три группы процессов): блок I-процессы образования субстратов окисления -->S·H2-->блок Н-процессы генерации водорода-->КН2 Здесь SH2 - субстрат окисления; КН2 - водород, связанный с коферментом. Задача ферментативных процессов первого блока - образование необходимых субстратов окисления, соответствующих имеющемуся в клетке окислительному ферменту. Одновременно происходит частичная аккумуляция энергии расщепляемых субстратов в фосфатных связях АТФ. Дальнейшие превращения субстратов связаны с процессами биологического окисления. Биологическое окислениеРеакции биологического окисления катализируются ферментами. Окисление может быть связано:
Все три типа реакций равнозначны и имеют место в живой клетке. Процесс окисления не протекает изолированно, он сопряжен с реакцией восстановления, т. е. с присоединением водорода или электрона. Оба вещества - окисляемое и восстанавливаемое, образуют окислительно-восстановительную пару, или редокс-пару. Окислительную или восстановительную способность разных соединений характеризует их сродство к электрону. Чем легче субстрат отдает электроны, тем сильнее его восстанавливающая способность. Наоборот, высокое сродство к электрону характеризует их окисляющую способность. Способность любой окислительно-восстановительной пары к реакциям восстановления характеризуется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом, или редокс-потенциалом. Он выражается значением электродвижущей силы (в вольтах), возникающей в полуэлементе, в котором окислитель и восстановитель присутствуют в концентрации 1,0 моль/л при 25°С и pH 7,0 и находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя. Стандартный редокс-потенциал отражает восстанавливающую активность редокс-пары и обозначается знаком Е0. В качестве нулевого стандарта принят редокс-потенциал газообразного водорода при давления 101,3 кПа (1 атм), концентрации ионов Н+ в растворе 1,0 моль/л, т. е. при рН0, температуре 25°С. Стандартный редокс-потенциал этой окислительно-восстановительной пары согласно уравнению Н2 ↔ 2Н+ + 2е- условно принят за нуль. При физиологическом значении pH 7,0, при котором измеряются стандартные редокс-потенциалы всех окислительно-восстановительных пар, редокс-потенциал системы Н2/2Н+ + 2е- равен -0,42 В. Отрицательное значение его указывает на выраженные восстановительные свойства. Чем более отрицателен редокс-потенциал, (тем сильнее выражена способность данной редокс-пары отдавать электроны, т. е. играть роль восстановителя. Напротив, чем более положителен редокс-потенциал, тем более выражена способность данной редокс-пары принимать электроны, т. е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАД • Н + Н+/НАД+ равен - 0,32 В, что говорит о высокой способности ее отдавать электроны, а редокс-потенциал пары 1/2O2/H2O имеет большую положительную величину +0,81 В, поэтому у кислорода наивысшая способность принимать электроны. Значения редокс-потенциалов позволяют предсказать направление потока электронов при биологическом окислении и рассчитать изменение энергии при переносе электронов от одной редокс-пары к другой. Субстраты окисления, как уже указывалось, образуются в ходе катаболизма белков, углеводов и липидов. Эти субстраты подвергаются дегидрированию как наиболее распространенному типу биологического окисления, происходящего с участием находящихся в клетке дегидрогеназ. Если акцептором водорода в реакциях дегидрирования служит не кислород, а другой субстрат, то такие реакции называют анаэробным окислением; если же акцептором водорода является кислород и образуется вода, то такие реакции биологического окисления называют тканевым дыханием. Анаэробное окисление есть не что иное, как процесс генерации водорода (второй блок в приведенной выше схеме энергетического аппарата клетки). В этих реакциях участвуют никотинамидзависимые дегидрогеназы, где акцептором отщепляемого от органического субстрата водорода служат НАД+ и НАДФ+, и флавинзависимые дегидрогеназы, где акцептором водорода служат ФМН и ФАД. Субстраты дегидрирования образуются вне митохондрий, но затем транспортируются внутрь митохондрий, где совершаются окислительные превращения веществ. |
Виртуальные консультации
На нашем форуме вы можете задать вопросы о проблемах своего здоровья, получить
поддержку и бесплатную профессиональную рекомендацию специалиста, найти новых знакомых и
поговорить на волнующие вас темы. Это позволит вам сделать собственный выбор на основании
полученных фактов.
Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья. Подробнее см. Правила форума
Последние сообщения
Реальные консультации Реальный консультативный прием ограничен. Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам. Заметки на полях Нажми на картинку - Новости сайта Ссылки на внешние страницы
20.05.12
Уважаемые пользователи! Просьба сообщать о неработающих ссылках на внешние страницы, включая ссылки, не выводящие прямо на нужный материал,
запрашивающие оплату, требующие личные данные и т.д. Для оперативности вы можете сделать это через форму отзыва, размещенную на каждой странице.
Тема от 05.09.08 актуальна!
Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме 05.09.08
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция. Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме
25.04.08
|
Чтобы сообщить об ошибке на данной странице, выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта. |
Информация, представленная на данном сайте, предназначена исключительно для образовательных и научных целей,
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача. Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал. © 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом. |