Энергетическое сопряжение как приводной механизм жизни
Высокая степень упорядоченности живой биологической системы, и, следовательно, низкий уровень энтропии, создается самой же системой в процессе хорошо налаженного обмена веществ с окружающей средой – метаболизма (за миллионы лет эволюции живая система сама себе его и организовала способом, который термодинамика называет самоорганизацией). Метаболизм в живых организмах осуществляется за счет энергии, выделяющейся в реакциях биологического окисления. Окисляемые химические соединения (пища – углеводы и прочие), поступают в систему из внешней среды (чаще всего, по принуждению). Общий термодинамический вывод: реакции биологического окисления используются живыми организмами как средство для уменьшения своей «собственной» энтропии (внутри системы) за счет увеличения «чужой» (снаружи). Для практической реализации этого средства в процессе эволюции живыми организмами изобретен (и «генетически» запатентован) уникальный способ – энергетическое сопряжение биохимических реакций. Математическая суть способа это подключение реакций с –ΔG к реакциям с +ΔGпри таком условии,чтобыl–ΔGl > l+ΔGl, именно: первая – отрицательная разность должна быть больше второй – положительной. То есть, реакции с отрицательным изменением свободной энергии должны протекать в химическом «зацеплении» с реакциями с положительным изменением свободной энергии, рис. 3.
Рис. 3. Энергетическое сопряжение.
Подключая реакцию с большим отрицательным изменением свободной энергии –ΔG (реакцию окисления, например) к реакции, протекающей с положительным изменением свободной энергии +ΔG(к реакции синтеза) биологическая система совершает химическую работу и синтезирует сначала промежуточное (мало подвижное и «короткоживущее») соединение (делает «зацепление»). Химические связи этого соединения задерживают на некоторое время часть свободной энергии, выделяющейся в ходе реакции, препятствуя ее рассеиванию – превращению в тепло. И уже из промежуточного соединения синтезируется лабильный (то есть подвижный) и достаточно устойчивый (а значит и «долгоживущий»), хорошо управляемый (ферментами) «посредник» – АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Она аккумулирует свободную энергию «порциями» в химических связях фосфатных остатков кислоты H3PO4, их называют макроэргическими. Синтез АТФ как «посредника» оправдан: в живой биологической системе невозможно прямое, без преобразований, использование энергии химических соединений на совершение полезной работы.
Первые «патенты» на «макроэрги» (макроэргические соединения), наверно, следовало бы выдать микробам. АТФ – одно из главных изобретений химической эволюции. Это не высокомолекулярное соединение уникально и обладает рядом ценных качеств. За миллиарды лет эволюция отобрала ряд соединений – «помощников», но не нашла равнозначной замены АТФ (и уже не ищет – зачем зря время тратить? Не исключено, что «нашу» АТФ используют и в других живых мирах).