Molecular Biology of the Cell: пост 17
Сегодня немного об энергетике процессов в клетке.
Одно из важнейших свойств, которое отличает “живое” от “неживого” - способность первого создавать и поддерживать порядок в самом общем смысле этого слова. Между тем, все процессы во вселенной идут так, что беспорядок только увеличивается. По-крайней мере, на данном этапе развития вселенной направление времени таково, что все процессы идут с увеличением энтропии. Это означает, что если взять некую (замкнутую) систему и “отпустить” ее, то со временем при ее переходе из одного состояния во все следующие беспорядок будет только увеличиваться. Особенно это знают родители детей )))
Для создания пресловутого порядка в клетках (т.е. собственно жизни организма) должны непрерывно совершаться миллионы химических реакций каждую секунду, для сложных организмов на протяжении многих десятилетий. Те реакции, которые протекают в клетках, обычно могут это делать только при существенно больших температурах, чем те, при которых существует живой органический мир. Как же они могут идти при таких небольших температурах? Для преодоления барьеров, которые при нормальных для нас температурах делают невозможными все химические процессы, используются специальные активаторы или катализаторы. Катализаторы не только делают возможным процессы протекания реакций, но и, что весьма существенно, позволяют плавно их контролировать. Это очень напоминает управление транзисторами. Как правило, катализаторами являются белки-энзимы, но иногда это специальные РНК молекулы, называемые рибозимы. Каждый энзим активирует только одну из множества возможных реакций. Все усложняется тем, вещество В получается из вещества А с участием энзимов не напрямую, а в многоступенчатом процессе, состоящем из цепи реакций: промежуточный продукт реакции с участием одного энзима является необходимым компонентом для следующей реакции в цепи с участием другого энзима, и так далее, пока не образуется искомое вещество В.
Набор всех химических реакций, проходящих в клетке, называется метаболизмом. Метаболизм является совокупностью двух наборов реакций, идущих в противоположных направлениях: катаболизм и анаболизм. В процессах катаболизма большие молекулы, поступающие в клетки с питанием, разбиваются на составляющие, тем самым поставляя необходимую энергию клетке, либо используются как строительные блоки. Анаболизм - это реакции биосинтеза, т.е. когда из малых молекул-блоков собираются большие биомолекулы. Энергия, необходимая для увеличения порядка (т.е. для создания больших биомолекул) в процессах анаболизма черпается из процессов катаболизма. Так как же клетка идет против универсального закона, по которому порядок со временем должен только увеличиваться? Оказывается, это не противоречит указанному закону по причине выделения тепла в процессах метаболизма. Ниже немного подробней об этом.
Процессы катаболизма (расщепление больших молекул, поступающих с питанием), поставляющего энергию и строительный материал, и анаболизма, формирующего новые структуры с использованием энергии.
Ученые ввели определение, количественную меру изменения того самого “беспорядка” - энтропия. Чем больше порядка, тем меньше энтропия, чем меньше порядка, там больше энтропия. Конечно, эта величина имеет смысл только для статистических процессов, т.е. когда система состоит из множества частиц. Невозможно описать и предсказать поведение системы, состоящей из огромного количества частиц, следя за поведением каждой частицы в отдельности, задача слишком сложна. Оказывается, поведение такой системы можно описать, используя некие интегральные параметры или параметры состояния (давление, энтропия, температура, объем и т.п.). Система переходит всегда от менее вероятного состояния в более вероятное, энтропия при этом увеличивается. Главное правильно выбрать систему так, чтобы она была замкнутой.
Простой, интуитивно понятный пример: пусть имеется коробка с кубиками, 10х10=100 штук. Набор цифр на верхних гранях кубиков есть состояние системы. Перебрав все возможные комбинации цифр на верхних гранях, получим все возможные состояния системы. Пусть кубики повернуты кверху цифрой 1. Это самое маловероятное состояние системы, потому что только одна комбинация реализует его. Коробку трясут, и кубики хоатично переворачиваются. Понятно, что вероятность того, что все кубики окажутся с повернутой кверху цифрой, скажем, 6, очень мала. Система перейдет в более вероятное состояние, когда кверху повернуты разные цифры, так как оно может быть получено многими (несколькими) комбинациями. Беспорядок увеличился, как и следовало ожидать. Сколько бы мы не трясли систему, пытаясь обнаружить порядок (скажем, только цифры 6 наверху), ничего не выйдет. Нам придется для этого затратить энергию извне, перевернув кубики руками. В этом суть второго закона термодинамики: в любой изолированной системе энтропия может только увеличиваться.
Клетка может выстраивать упорядоченные структуры потому, что она получает и использует энергию извне из пищи, солнечных лучей. При построении подобных структур неизбежно выделяется тепло, которое никак не может быть использовано клеткой и рассеивается в окружающую среду, увеличивая тем самым беспорядок вокруг. Тепло заставляет молекулы клетки, а затем и окружающей среды, двигаться хаотичнее, что есть переход к более беспорядочному состоянию. Итак, порядок выстраивается внутри клетки, но беспорядок увеличивается снаружи. Если аккуратно посчитать, то окажется, что суммарная энтропия системы “клетка-окружающая среда” растет, как и должно быть. Обязательно ли при совершении процессов выделяется это самое тепло? Обязательно. Поэтому вечный двигатель невозможен. Тут работает первый закон термодинамики: энергия переходит из одного вида в другой, но не может появиться или исчезнуть. Вечный двигатель преобразует один вид энергии в другой, но при этом во время перехода неизбежно выделяется тепло (часть энергии всегда преобразуется в увеличение хаотичного движения молекул), поэтому “полезная” энергия вечного двигателя постепенно уменьшается. Придется закачивать энергию извне для продолжения его работы, а это уже никакой не вечный двигатель.
В клетках во время химических реакций часть энергии также необратимо переходит в тепло, например, увеличивается энергия вращательного или поступательного движений молекул. Однако, в отличие от простого “горения", когда все тепло, выделяющееся в реакции безвозвратно уходит, в клетке это тепло частично используется для запуска других реакций. В этом уникальность тщательно, миллиардами лет настроенной, спроектированной эволюцией гигантской молекулярной системы - живой клетки.
Система "клетка-окружающая среда": увеличение порядка в клетке влечет за собой увеличение беспорядка за счет выделения тепла, т.е. усиления хаотичного движения молекул окружающей среды. Суммарно беспорядок неизбежно увеличивается.
Растения и животные используют для жизни (т.е. для увеличения порядка в некотором смысле) энергию, запасенную в связях органических молекул. Как извлекается эта запасенная энергия? Она высвобождается в реакциях органических молекул с кислородом - то, что называется “сжиганием” или “дыханием”. Так строятся все необходимые белки, а также совершаются различные действия, типа сокращения мышц или передачи сигналов по нервным связям. Органические молекулы, которые используются клеткой как источник энергии, не берутся просто так: чтобы собрать их из более простых соединений, нужно затратить энергию, и в конечном счете происходит это в растениях. Эту энергию растения берут из солнечного излучения: из молекул воды и углекислого газа хлоропласт собирает длинные органические молекулы, при этом выделяется кислород,который как раз используется в клеточном “дыхании”. Конечный результат клеточного дыхания - вода и углекислый газ,что замыкает круг. Получаются два взаимозависимых процесса: фотосинтез и кислородное дыхание. Таким образом осуществляется гигантский углеродный цикл,в который вовлечены все живые организмы на Земле, формирующие биосферу. Азот, фосфор и сера похожим образом циркулируют между миром живого и неживого. К слову, нефть, которая используется нами как источник энергии, есть отложения древней живой массы, частично преобразованной за счет тепла в низкомолекулярные углеводороды, и скопившейся под землей. Кстати, большая часть отложений организмов уходит в мантию, но нам хватает и крошек. Пока хватает)).
В процессе фотосинтеза используется углекислый газ, вода и энергия солнца, на выходе образуется кислород и органические молекулы с запасенной энергией. В процессе клеточного дыхания используется кислород и органические молекулы с запасенной энергией, на выходе получается вода и углекислый газ, заново использующиеся растениями.