Анаболизм және катаболизм

АДФ+Ф+энергия=АТФ

АТФ АДФ мен фосфатқа ыдыраған кезде, клетка энергиясы босанады және клеткадағы жұмыс үшін пайдаланылады. АТФ аденин, рибоза және трифосфат (үшфосфатты топтар) қалдықтарынан тұратын нуклеотид, ал аденозиндифосфат (АДФ) тек екі фосфатты топқа ғана ие. АТФ-ның энергияға байлығы оның үш фосфатты компонентінің екі фосфоангидридті байланыстарының болуымен айқындалады. АТФ энергиясы АДФ энергиясынан 7000 ккал/моль артық. Бұл энергиямен АТФ-ның АДФ және неорганикалық фосфатқа дейін ыдырау гидролизі нәтижесінде жүретін барлық биосинтездік реакциялар қамтамасыз етіледі. Сонымен, АТФ-АДФ циклі тірі жүйелердегі энергия алмасудың негізгі механизмі болып табылады.

Тірі жүйелерге термодинамиканың екі заңын қолдануға болады

Термодинамиканың бірінші заңына (энергияның сақталу заңына) сәйкес энергия химиялық және физикалық процестер кезінде түзілмейді, жоғалып кетпейді, тек кез келген бір жұмысты орындау үшін бір формадан екінші формаға өтеді, яғни энергияны қандай да бір жұмысты орындау үшін пайдаланылады немесе энергия бір формадан екіншісіне өткенде энергияның жалпы саны өзгермейді (азаймайды немесе көбеймейді). Ғаламдық категорияларды ескере отырып, Жер жүзіндегі кез келген физикалық жэне химиялық өзгерістерге қарамастан, ондағы энергия мөлшері өзгермей қала береді.

Термодинамиканың екінші заңына сәйкес физикалық және химиялық процестер пайдалы энергияның қайтарылмайтын хаостық реттелмеген формаға өту және реттелген күй мен хаостық реттелмеген күйдің арасында тепе-теңдік орнату бағытында жүреді. Реттелген және реттелмеген жағдайлардың арасындағы тепе-теңдіктің тұрақталуына және процестің тоқтауына жақындаған сайын бос энергияның, яғни тұрақты температура мен тұрақты қысымда жұмысты жүргізуге қабілетті жалпы (пайдалы) мөлшерінің азаюы жүреді. Егер бос энергияның мөлшері азайса, онда кездейсоқтық пен ретсіздіктің (шырқы бұзылған) өлшемі болып табылатын жүйенің жалпы ішкі энергиясының бөлімі күшейеді және ол энтропия деп аталады. Басқа сөзбен айтқанда, энтропия дегеніміз пайдалы энергияның ретсіздік формаға өтуінің қайтымсыз шарасы болып табылады. Сонымен, кез келген жүйенің табиғи тенденциясы энтропияның күшеюіне және бос энергияның азаюына бағытталған, бұл термодинамикалық қызметтің ең пайдалысы болып саналады. Тірі организмдер жоғары реттелген жүйелер болып саналады. Олар үшін өте көп ақпараттар ұстау тән, бірақ олар энтропияға кедей.

Егер Жер жүзін реакциялық жүйелер деп санасақ, ол дегеніміз, бір жағынан, солардың арқасында физикалық және химиялық процестер жүретін заттардың жиынтығы және екінші жағынан, реакциялық жүйелер ақпаратпен алмасатын қоршаған ортадан тұрса, онда термодинамиканың екінші заңына сәйкес физикалық процестердің немесе химиялық реакциялардың барысында Әлемнің энтропиясы ұлғаяды. Тірі организмдердің метаболизмі ішкі ретсіздіктің өсуімен жүрмейді, яғни тірі организмдер үшін жастық энтропия тән емес. Кез келген жағдайларда барлық организмдер бактериялардан бастап сүтқоректілермен аяқтап, өзінің құрылымының реттілік сипатын сақтайды. Деседе, энтропия үшін оның қоршаған ортада ұлғаюы тән, ал энтропияның қоршаған ортада үздіксіз өсуін сол ортада тіршілік ететін тірі организмдер қамтамасыз етеді. Мысалы, бос энергияны шығару үшін анаэробты организмдер қоршаған ортадан алған глюкозаны пайдаланады және сыртқы ортадан өткен молекулалық оттекпен тотықтырады. Бұл кезде тотығу метаболизмінің соңғы өнімдері (С02 және Н20) ортаға түседі, олар ортада энтропияның көбеюіне алып келеді, ол аздап болса да жылудың тарауы есебінен де жүреді. Энтропияның бүл жағдайда күшеюі, бұдан басқа тотығудан кейінгі (С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6Н20) молекулалардың санының артуы есебінен де, яғни 7 молекуладан 12 молекуланың түзілуі есебінен де, жүзеге асады. Молекулалық ретсіздік те энтропияга алып келетінін көрсетеді.

Тірі заттар үшін энергияның алғашқы көзі күн радиациясы болып табылады, мысалы, көрінетін жарық, ол дискретті бірліктер түрінде кездесетін, фотондар немесе кванттық сәулелер деп аталатын, электромагниттік толқындардан тұрады. Тірі дүниеде бір тіршілік иелері жарық энергиясын ұстауға қабілетті болса, басқалары энергияны қоректің заттардың тотығуы нәтижесінде алады.

Көрінетін жарықтың энергиясын фотосинтез процесінде жасыл өсімдіктер ұстайды, ол өсімдіктердің клеткаларының хлоропластарында жүзеге асады. Фотосинтез арқасында тірі заттар ретсіздіктен реттілік түзейді, ал жарық энергиясы химиялық энергияға айналады, ол фотосинтез өнімі болып табылатын көмірсуларда жиналады. Сонымен, фотосинтезделуші организмдер бос энергияны күн сәулесінен алады. Осының нәтижесінде жасыл өсімдіктердің клеткалары өте жоғары бос энергияға ие болады.

Неорганикалық заттардың тотығуы нәтижесінде энергия алу хемосинтезде жүреді. Жануарлар организмдері энергияны қоректе жинақталған көмірсулардан алады. Осылайша олар ортаның энтропиясының ұлғаюына ықпал етеді. Бұл организмдер клеткаларының митохондриясында, көмірсуларда жинақталған энергия басқа заттардың молекулаларының синтезі үшін, сонымен қатар клеткалардың механикалық, электрлік және осмостық жұмыстарын қамтамасыз ету үшін де, жарамды бос энергия формасына ауысады. Көмірсуларда жинақталған энергияның босауы аэробты және анаэробты тыныс алу кезінде жүзеге асады. Аэробты тыныс алу кезінде жинақталған энергиясы бар молекулалардың ыдырауы гликолиз жолымен жэне Кребс циклінде жүреді. Анаэробты тыныс алғанда тек гликолиз жұмыс жасайды. Сонымен жануарлар организмдерінің клеткаларының тіршілігін, негізінен, көзі «отынның» (глюкозалар мен май қышқылдары) тотығутотықсыздану реакциясы болып табылатын бұл процесс кезінде бір қосылыстан (тотығу) екіншісіне (тотықсыздану) электрондарды тасымалдау жүреді, энергиямен қамтамасыз етіледі. Тотығу-тотықсыздандыру реакциялары мен фосфорлануға байланысты болады. Бұл реакциялар фотосинтезде де, сол сияқты тыныс алу кезінде де жүреді.

Организм ашық өзін-өзі реттейтін жүйе, ол қоректе жиналған немесе Күн сәулесінен түзілетін энергияларды тікелей пайдаланып, өзіне-өзі сүйеніш болады және реплицияланады. Энергия мен заттарды үздіксіз сіңіріп, тіршілік ретсіздік пен реттілік арасында, жоғары молекулярлық ұйымдасу мен бұзушылық арасында тепе-теңдікке «ұмтылмайды». Керісінше, тірі заттар үшін қүрылымдар мен қызметтерінде де, сол сияқты энергияны айналдыру мен пайдалануында да реттілік тән. Сонымен, ішкі реттілікті сақтай отырып, бірақ күн сәулесінен немесе қоректен бос энергияны қабылдай отырып, тірі организмдер ортаға эквивалентті мөлшерде, пайдалы формадан аз емес, негізінен жылу түрінде, энергия қайтарады, ол шашырап Әлемге кетеді.

Заттар мен энергия алмасу процестері реттеліп отырады және көптеген реттеуші механизмдер бар. Метаболизмнің басты реттеуші механизмі ферменттер санын қадағалау болып табылады. Реттеуші механизмдер қатарына, сол сияқты, ферменттердің субстратының ыдырау жылдамдығын, сонымен қатар ферменттердің катализдік белсенділігін бақылау да жатады. Метаболизм кері аллостериялық деп аталатын бақылауға да үшырайды, оның мәні көптеген биосинтездік жолдарда бірінші реакция соңғы өніммен ингибирленуі де (басылып қалуы да) мүмкін. Атап айтқанда, мұндай ингибирлену кері байланыс принципі бойынша жүзеге асады. Заттар мен энергияны реттеуде синтез пен ыдыраудың метаболизмдік жолдарының әр уақытта бөлектенуі маңызды, тіпті, эукариоттарда бүл бөлектену клеткалардың компартментализациямен күшейе түседі. Мысалы, клеткалардағы май қышқылдарының тотығатын орны митохондриялар болып табылса, ал олардың синтезі цитозольда жүреді. Метаболизмнің көптеген реакциялары клетканың энергетикалық статусы деп аталатын, оның көрсеткіші АТФ мен АДФ-ның фракцияларының молярлық жиынтығы арқылы анықталатын энергетикалық заряд жағынан да кейбір реттеуге ұшыраған. Клеткадағы энергетикалық заряд әруақытта тұрақты. АТФ синтезі жоғарғы зарядпен ингибирленеді, ал АТФ-ны пайдалануда осындай зарядпен стимулданады.