Сопряжение в живых системах. Биологическая роль АТФ и других макроэргических соединений

Введение

Проблема сопряжения в биологических системах приобрела особую актуальность в связи с развитием синергетики. В частности, энергетическое сопряжение в биологических системах осуществляется при участии различных структурных элементов живой клетки и позволяет протекать ряду сложных биохимических преобразований.
Энергетический обмен в клетках живых организмов организован следующим образом. Живые клетки могут обходить энтропийный энергетический критерий и в них способны протекать ряд реакций, которые невозможны с термодинамической точки зрения. К таким реакциям относятся все типы биохимических процессов в клетке, в ходе которых происходит уменьшение энтропии и увеличение энергии. В первую очередь, это реакции биосинтеза различных соединений, функционирование система активного транспорта веществ и пр.
Прохождение таких реакций в живых системах происходит благодаря механизму энергетического сопряжения, суть которого состоит в том, что та реакция, осуществление которой возможно с точки зрения энтропийного критерия, сопрягается с реакций, осуществление которой в соответствии с термодинамическим критерием является невозможным и которая дает энергию для ее протекания.
Для осуществления такого сопряжения необходимо выполнение двух условий:
наличие свободной энергии, которая дается термодинамически возможной реакцией. Уровень этой свободной энергии должен превышать количество энергии, которая требуется для термодинамически невозможной реакции. Такой избыток необходим, поскольку при передаче энергии обязательно происходит потеря некоторой ее части
сопрягаемые реакции должны иметь общий компонент. Одним из таких компонентов может выступать фосфат, электрохимический градиент протона и пр.
Целью работы является изучение феномена сопряжения в живых системах и роль АТФ и других макроэргических соединений в осуществлении биохимических реакций в живых организмах.

1. Структурное сопряжение

Энергетическое сопряжение в биологических процессах, протекающих в живых организмах, является частным аспектом структурного сопряжения как феномена живой природы.
Все компоненты биосферы – от низкоорганизованных бактерий и вирусов до человека находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, формируя глобальную самоорганизующуюся сеть.
Таким образом, происходит формирование автопоэзных сетей, функционирование и особенности которых были рассмотрены в рамках теории автопоэза, разработанной Матураной и Варелой.
Основная особенность автопоэзной системы состоит в том, что в ней наблюдаются постоянные изменения структуры и одновременно происходит и сохранение ее паутиноподобного паттерна организации. Компоненты такой сети постоянно производят и преобразуют друг друга в ходе сложных биохимических превращений, часть из которых является невозможной с точки зрения термодинамики и осуществляется исключительно в результате явления энергетического сопряжения [2].
Явление постоянного самообновления живых организмов также связан со структурным сопряжением, поскольку любой живой организм постоянно находится в состоянии самообновления – ткани и органы постоянно обновляются, заменяя погибшие элементы и поддерживая тем самым гомеостаз организма в целом или, иными словами, сохраняя паттерн собственной организации.
Ряд таких циклических изменений происходят с крайне высокой скоростью

. В частности, замена клеток поджелудочной железы человека осуществляется в течение суток, обновление клеток слзистой оболочки желудка происходит каждые три дня, а обновление лейкоцитов происходит за десять дней и т.д.
Вторым типом структурных изменений в живой системе являются те изменения, которые касаются создания новых структурных связей в составе автопоэзной системы. Данные изменения носят эволюционный характер, а не циклический. Изменения второго типа также происходят непрерывно в результате воздействия постоянно изменяющих условий внешней среды или под действием внутренних динамических трансформаций системы.
Поскольку живая система взаимодействует с окружающей средой посредством структурного сопряжения, то важным аспектом такого взаимодействия является система постоянно повторяющихся взаимодействий, которые и запускают в итоге структурные изменения в живой системе.
В частности, клеточная мембрана постоянно переводит вещества из своего окружения в биохимические процессы метаболизма клетки. нервная система организма постоянно изменяет свою внутреннюю связь с органами сенсорного восприятия. Однако все эти живые системы в тоже самое время являются и автономными системами, поскольку внешняя среда только запускает процесс структурных изменений, но не определяет и не направляет их.
Структурное сопряжение в живых системах устанавливает определенное различие между процессами взаимодействия с внешней средой живых и неживых систем.
Живой организм отвечает на изменения внешней среды изменение собственной структуры и процессов энергетического обмена. Такие изменения в свою очередь определяют и поведение конкретного живого существа.
Следовательно, структурно сопряженные системы обладают свойством самообучения и развития. Организм остается живым, пока он способен непрерывно осуществлять такие структурные изменения ответ на изменения во внешней среде [3].
Возникающие структурные изменения находят свое отражения в ходе биохимических реакций. В том числе, биологических системах с точки зрения термодинамики это отражается в существовании двух типов реакций – эндергонических и экзергонических. первые представляют собой теомодинамические невыгодные реакции и их протекание возможно только в случае сопряженности с экзергоническими реакциями. такие реакции получили называние энергетически сопряженных. Значительная часть таких реакций протекает с участием АТФ (аденозинтрифосфата), который представляет собой сопрягающий фактор в данных взаимодействиях [1].

2. Биологическая роль аденозинтрифосфата (АТФ) и других макроэргических соединений

Живая клетка для своего существования нуждается в энергии