Запасание и использование энергии

Обсудим прежде всего процессы запасания, высвобождения и использования энергии. Химическая энергия органических соединений - преобразованная форма солнечной энергии - заключена в структуре химических связей этих соединений. При разрыве связей, обычно в процессе окисления, энергия высвобождается. Когда какой-нибудь органический материал, например древесина, сгорает (окисляется), вся содержащаяся в нем энергия высвобождается целиком, главным образом в виде тепла. В растении такое одновременное высвобождение большого количества энергии было бы, очевидно, бесполезным, поскольку ее нельзя было бы использовать в упорядоченных, многоступенчатых конструктивных процессах. Живым организмам удается использовать энергию химических связей благодаря тому, что окисление состоит у них из ряда этапов, так что энергия высвобождается небольшими порциями, которые и могут тут же расходоваться в каких-нибудь других процессах. Высвободившаяся энергия идет на образование новых богатых энергией химических связей, часто в форме АТР ("энергетической валюты" клетки; рис. 5.1), о чем мы уже говорили ранее.

Рис. 5.1. Во время окисления сахара в клетке энергия запасается в форме особых, 'богатых энергией' фосфатных связей в молекулах аденозинтрифосфата (ATP). Обычную фосфатную связь обозначают символом -P, а связи, богатые энергией, - символом ~P. ATP используется в реакциях, требующих затраты энергии, например при объединении двух малых молекул (A, B) с образованием более крупной молекулы (C)

Одну из главных форм такого постепенного окисления составляет процесс переноса электронов, протекающий в митохондриях. При этом процессе электроны перемещаются по цепи переноса электронов, т. е. переходят от одного переносчика к другому, с каждым разом на несколько более низкий энергетический уровень. Перемещаясь подобным образом "вниз" от частично восстановленного соединения углевода) к той точке, где они в конце концов соединяются с кислородом, электроны на каждом этапе отдают какую-то часть своей энергии, определенная доля которой улавливается в виде ATP. При фотосинтезе действуют две цепи переноса электронов: одна - для циклического фото- фосфорилирования, осуществляемого фотосистемой I, и другая - для нециклического фотофосфорилирования, связывающего фотосистемы II и I.

Обе эти системы поставляют АТР, а фотосистема II - еще и восстановительную силу (NADPH) для фиксации CO₂ и для восстановления ее до уровня углевода. В прочих же клеточных реакциях используется АТР, образующийся по преимуществу в процессе окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование связано с процессом дыхания и осуществляется при помощи другой цепи переноса электронов, которую мы также коротко рассмотрим.

Постепенно, т. е. в несколько этапов, должен совершаться не только распад органических молекул (ибо это необходимое условие эффективного запасания и использования энергии), но и синтез сложных соединений - белков, нуклеиновых кислот, липидов или полисахаридов. Когда из простых молекул строятся более крупные, этим простым молекулам нередко требуется активация; иными словами, им должно быть сообщено достаточное количество энергии для того, чтобы реакция могла завершиться. Вследствие этого синтез того или иного соединения часто протекает более сложным путем, нежели его распад.