Кіріспе

Биологияның саласы – энергияның түрленуін биологиялық зерттеу. Биоэнергетика – биохимия және жасуша биологиясының тірі жүйелердегі энергия ағынымен айналысатын саласы. Бұл – тірі организмдердегі энергияның түрленуін, сондай-ақ жасушалық тыныс алу және энергияның АТФ (аденозин трифосфаты) сияқты түрлерде өндірілуі мен пайдаланылуына әкелетін көптеген басқа метаболизм және ферменттік процестерді зерттейтін биологиялық зерттеудің белсенді саласы. Яғни, биоэнергетиканың мақсаты – тірі организмдердің биологиялық жұмыс атқару үшін энергияны қалай алуын және түрлендіруін сипаттау. Сондықтан метаболизм жолдарының зерттелуі биоэнергетика үшін маңызды.

Шолу

Биоэнергетика – биохимияның биологиялық организмдердегі молекулалардағы химиялық байланыстардың құрылуы мен үзілуіне қатысты энергиямен байланысты бөлігі. Оны сондай-ақ тірі организмдердегі энергия қатынастары мен энергияның түрленуі және трансдукциясы туралы ғылым деп түсіндіруге болады. Әртүрлі метаболизм жолдарынан энергияны пайдалану қабілеті барлық тірі организмдердің қасиеті. Өсу, даму, анаболизм және катаболизм – биологиялық организмдерді зерттеудегі маңызды процестер, себебі энергияның ролі осындай биологиялық процестер үшін өте маңызды. Өмір энергияның өзгеруіне байланысты; тірі организмдер тірі тіндер/жасушалар мен сыртқы орта арасындағы энергия алмасу арқылы тіршілік етеді. Автотрофтар сияқты кейбір организмдер қоректік заттарды тұтынудың және оларды ыдыратудың қажеті жоқ, күн сәулесінен (фотосинтез арқылы) энергия ала алады. Гетеротрофтар сияқты басқа организмдер энергияны сақтау үшін, метаболизм процестері кезінде (мысалы, гликолиз және лимон қышқылы циклы) қоректік заттардағы химиялық байланыстарды бұза отырып, тағамнан қоректік заттарды қабылдауы керек. Термодинамиканың бірінші заңының тікелей салдары ретінде автотрофтар мен гетеротрофтар әмбебап метаболизм желісіне қатысады – автотрофтарды (өсімдіктерді) жеу арқылы гетеротрофтар өсімдіктер фотосинтез кезінде бастапқыда түрлендірген энергияны пайдаланады. Тірі организмде энергия алмасу мен түрлену барысында химиялық байланыстар үзіліп, жаңа байланыстар құрылады. Әлсіз байланыстар үзілгенде және күшті байланыстар құрылғанда энергия жұмыс істеуге (мысалы, механикалық жұмыс) немесе басқа процестерге (мысалы, химиялық синтез және анаболизм) қолдануға болады. Күшті байланыстардың құрылуы пайдалы энергияны босатуға мүмкіндік береді. Аденозин трифосфаты (АТФ) – организмдер үшін негізгі «энергия валютасы»; метаболизм және катаболизм процестерінің мақсаты – қол жетімді бастапқы материалдардан (ортадан) АТФ-ты синтездеу және биологиялық процестерде пайдалану арқылы АТФ-ты (аденозин дифосфаты (АДФ) және бейорганикалық фосфатқа) ыдырату. АТФ-тың организмдегі қоры жасушаларда энергияны сақтау үшін «батарея» ретінде қолданылады. Мұндай молекулалық байланыстардың қайта құрылуынан алынған химиялық энергия барлық тірі организмдердегі биологиялық процестерге күш береді. Тірі организмдер органикалық және бейорганикалық материалдардан энергия алады; яғни АТФ әртүрлі биохимиялық прекурсорлардан синтезделуі мүмкін. Мысалы, литотрофтар нитраттар немесе күкірт түрлері (элементтік күкірт, сульфиттер және күкірт сутегі) сияқты минералдарды тотықтырып, АТФ өндіре алады. Фотосинтезде автотрофтар жарық энергиясын пайдалана отырып АТФ өндіреді, ал гетеротрофтар көбінесе көмірсулар, майлар және белоктарды қоса алғанда, органикалық қосылыстарды тұтынуы керек. Организмнің нақты алатын энергия мөлшері тағамдағыдан кем; ас қорыту, метаболизм және термогенезде энергия жоғалады. Организм қабылдайтын қоршаған орта материалдары әдетте энергияны босату үшін оттегімен біріктіріледі, бірақ кейбір қоректік заттар әртүрлі организмдермен анаэробты түрде тотықтырылуы мүмкін. Бұл материалдарды пайдалану – баяу жану түрі, себебі қоректік заттар оттегімен әрекеттеседі (материалдар отты тудырмайынша баяу тотығады). Тотығу энергияны босатады, ол жылу түрінде пайда болуы мүмкін немесе организм оны басқа мақсаттар үшін, мысалы химиялық байланыстарды бұзу үшін пайдалана алады.

Үлкен биоэнергетикалық процестердің мысалдары

Гликолиз – глюкозаны пируватқа бөліну процесі, нәтижесінде екі молекула АТФ (глюкозаның 1 молекуласына) түзіледі. Егер клеткада АТФ концентрациясы АДФ-дан жоғары болса (яғни энергия заряды жоғары болса), онда клетка гликолизге түспейді, ал қолда бар глюкозадан энергияны биологиялық жұмыс істеу үшін пайдаланады. Пируват – гликолиздің бір өнімі, және қажеттілікке қарай басқа метаболизм жолдарына (глюконеогенез және т.б.) жіберуге болады. Сонымен қатар, гликолиз NADH (никотинамид аденин динуклеотид) түріндегі тотығу эквиваленттерін түзеді, олар ақырында электрондық тасымалдау тізбегіне электрондарды беру үшін қолданылады. Глюконеогенез гликолизге кері процесс; егер клетканың энергия заряды төмен болса (АДФ концентрациясы АТФ-дан жоғары болса), онда клетка ақуыздар, аминқышқылдары, майлар, пируват сияқты көміртегі бар биомолекулалардан глюкозаны синтездеуі керек. Мысалы, ақуыздар аминқышқылдарына ыдырайды, ал осы қарапайым көміртек қаңқалары глюкозаны құру/синтездеу үшін қолданылады. Лимон қышқылы циклы – бұл жасушалық тыныс алу процесі, онда пируват дегидрогеназадан синтезделген ацетил коэнзимі А алдымен оксалоацетатпен реакцияласып, цитрат түзеді. Қалған сегіз реакция нәтижесінде басқа көміртегі бар метаболиттер түзіледі. Бұл метаболиттер біртіндеп тотығады, ал тотығудың бос энергиясы FADH2 және NADH коэнзимдері түрінде сақталады. Бұл тотығу эквиваленттерін электрондық тасымалдау тізбегіне электрондарды беру арқылы қайта тотықтыруға болады. Кетоз – бұл метаболизм процесі, онда организмде глюкозаның орнына майдан түзілген кетон денелері негізгі отын көзі ретінде басымдыққа ие болады. Бұл ауытқу көбінесе глюкоза деңгейі төмен болған кезде болады: ұзақ уақыт аш болғанда, қарқынды жаттығулар кезінде немесе кетогендік диета сияқты арнайы диеталар кезінде организм энергия өндірудің тиімді баламасы ретінде кетозды қабылдауы мүмкін. Бұл метаболизмдік бейімделу организмге ми сияқты оған тәуелді органдар үшін құнды глюкозаны сақтауға мүмкіндік береді, ал отын ретінде қолжетімді май қорын пайдаланады. Окистеу фосфорилирлеуі және электрондық тасымалдау тізбегі – бұл NADPH, FADH2 және NADH сияқты тотығу эквиваленттерін электрондық тасымалдау тізбегі кешендерінде жүретін тотығу-тотықсыздану реакцияларының тізбегіне электрондарды беруге пайдалану процесі. Бұл тотығу-тотықсыздану реакциялары митохондриялық мембрананың ішінде орналасқан фермент кешендерінде жүреді. Бұл тотығу-тотықсыздану реакциялары электрондарды протондық градиентке байланысты электрондық тасымалдау тізбегі бойымен "төмен" жылдырады. Митохондриялық матрица мен ішкі мембрана арасындағы протондық концентрацияның бұл айырмашылығы АТФ синтетаза арқылы АТФ синтезін қозғау үшін қолданылады. Фотосинтез – тағы бір маңызды биоэнергетикалық процесс, өсімдіктерде көмірқышқыл газы мен судан глюкозаны синтездеу үшін күн энергиясын пайдаланатын метаболизм жолы. Бұл реакция хлоропласта жүреді. Глюкоза синтезделгеннен кейін өсімдік жасушасы АТФ өндіру үшін фотофосфорилирлеуге түсуі мүмкін. Крейннің котранспортты ашқандығы – биологиядағы ағын байланысының алғашқы ұсынысы және 20-шы ғасырда көмірсутектердің сіңірілуіне қатысты ең маңызды оқиға болды.

Химиосмотиялық теория

Биоэнергетиканың маңызды жетістіктерінің бірі – Питер Д. Митчеллдің сулы ерітіндідегі протонның митохондрия сияқты жасуша органеллаларында АТФ өндірісінде қалай қызмет ететінін түсіндіретін химиосмотикалық теориясы. Осы еңбегі үшін Митчелл 1978 жылы химия бойынша Нобель сыйлығына ие болды. АТФ-тың басқа жасушалық көздері, мысалы гликолиз бұрын анықталған, бірақ ферменттік белсенділікті АТФ өндірісімен тікелей байланыстыратын мұндай процестер көптеген жасушаларда пайдалы химиялық энергияның басты көзі емес. Химиосмотикалық байланыс – көптеген жасушаларда энергия өндірудің негізгі процесі болып табылады және митохондриядан өзге хлоропластарда және бірнеше бір жасушалы организмдерде қолданылады.

Энергиялық баланс

Энергиялық гомеостаз — тірі жүйелерде тамақпен қабылдау арқылы алынған энергия мен энергия жұмсалу арасындағы айырмашылықты қамтамасыз ететін энергия балансының гомеостаздық реттелуі.