Биоенергетика или биохимична термодинамика
Биоенергетиката или биохимичната термодинамика се занимава с развитието на енергийните трансформации, които съпътстват биохимичните реакции. Неговите основни принципи ни позволяват да обясним защо някои реакции се случват, а други са невъзможни. Небиологичните системи могат да извършват работа поради топлинна енергия, биологичните системи - поради енергията на химичните процеси. Биологичното окисление се катализира от ензими и може да се случи по следните начини
- 1) добавяне на кислород към окислителния субстрат;
- 2) елиминиране на водорода от субстрата (дехидрогениране);
- 3) отделяне на електрони.
Но в клетките, в допълнение към енергоспестяващото окисляване, което се нарича тъканно дишане, има още няколко негови разновидности, чиято цел е различна. Синтезът на АТФ от АДФ и фосфат (фосфорилиране на АДФ) се осъществява в тялото по два начина, които се различават един от друг по източника на енергия за образуване на макроергични връзки: Наред с термина „енергиен метаболизъм“ често се използват термините „тъканно дишане“ и „биологично окисление“. Значението на тези термини съвпада само частично. Тъканното дишане показва поемането на кислород и отделянето на въглероден диоксид. В енергийния метаболизъм те разбират преобразуването на енергията на хранителните вещества в енергията на АТФ или в други форми на химическа енергия (NADPH, NADH, H +) и използването на тези форми на енергия за извършване на работа. Наименованието биологично окисление понякога се използва в същия смисъл като тъканно дишане. Но по-често биологичното окисление се разбира като общото количество редокс процеси, протичащи в клетките на тялото. Биоенергията включва 3 ключови проблема:
- 1) източници на енергия;
- 2) начини за преобразуване и съхраняване на енергия;
- 3) начини за използване на енергията.
Окислително фосфорилиране (основният път на синтез): се извършва благодарение на енергията на окисление на съединенията на коренището (метаболити или окислителни субстрати). Това е процесът на синтез на АТФ по време на окисляването на субстратите с участието на дихателната верига на митохондриите; реакциите на този процес се извършват изключително при аеробни условия. Субстратното фосфорилиране е процесът на синтез на АТФ, който възниква в резултат на разграждането на субстратите без участието на митохондриалната дихателна верига. В този случай превръщането на субстрата в продукт се придружава от фосфорилирането на ADP с образуването на ATP. Този процес е възможен както при аеробни, така и при анаеробни условия. На свой ред енергията на хидролизата на АТФ се използва от клетките за извършване на всички известни ендергонични процеси:
- 1) реакции на синтез на въглехидрати, липиди, протеини, нуклеинови киселини;
- 2) механична работа, като мускулна контракция, движение на хромозоми по време на митоза;
- 3) активен транспорт на вещества през мембраните срещу концентрационен градиент;
- 4) осигуряване на точно предаване на генетична информация;
- 5) електрическа работа - провеждане на нервен импулс.
И така, АТФ действа като носител на химическа енергия, която свързва клетъчните процеси, придружени от освобождаване на енергия, с онези основни видове клетъчна активност, при които се изразходва енергия.