Необходимость оперативных накопителей энергии
В клетке постоянно протекают процессы, требующие затрат энергии:
- процессы производства конечных продуктов и полуфабрикатов на ферментных линиях;
- построение нового оборудования и транспортных сетей;
- импорт и экспорт органических молекул через клеточную мембрану;
- внутриклеточный транспорт крупных молекул;
- совершение механической работы (в частности, перемещение клетки как целого).
Зависимость энергозатрат от времени плохо предсказуема, а характерное время их изменения составляет обычно минуты или часы.
Получать энергию от внешних источников живые клетки могут только в трёх видах:
- электромагнитное излучение Солнца;
- равновесное тепловое излучение среды, имеющей температуру ≈ 100 °С;
- потенциальная химическая энергия веществ, которые могут вступать между собой в экзергические реакции.
наиболее часто используемый в живых клетках вариант экзергической реакции – соединение водорода и кислорода в процессе клеточного дыхания.
Мощность поступающего потока энергии также, как правило, существенно меняется во времени, причём независимо от энергозат. Например, интенсивность солнечного излучения зависит не только от сезона и времени суток, но также от характера облачного покрова в давнный момент времени.
Так как временные графики получения и потребления энергии, как правило, не совпадают, живая клетка может существовать только при наличии у неё оперативных накопителей энергии с временем доступа порядка минуты и запасом энергии на несколько часов работы.
Мембраны как накопители энергии
Все биологические мембраны обладают хорошими электроизолирующими свойствами благодаря двойному липидному слою. С обеих сторон каждой такой мембраны находятся электролиты (т.н. проводники второго рода), которые могут быть заряжены отрицательно или положительно.
В равновесной электрически нейтральной воде имеется одинаковое количество гидроксильных анионов ОН– и катионов гидрония (гидроксония) НзО+. В случае преобладания анионов раствор заряжен отрицательно или, как говорят химики, имеет щелочную реакцию (рН > 7). Противоположный случай, т.е положительный заряд раствора, означает преобладание катионов или, что то же самое, кислую реакцию (рН < 7) .
В каждой клетке имеются энергетические мембраны, в которых вмонтировано оборудование для переноса заряда с одной стороны мембраны на другую и создания тем самым в соответствующих электролитах зарядов противоположных знаков. С точке зрения электротехники совокупность энергетической мембраны и противоположно заряженных электролитов по её сторонам представляет собой конденсатор, в котором роль обкладок играют электролиты.
Во всех живых клетках в качестве накопителей используются электрические конденсаторы, в которых диэлектрическими прокладками являются энергетические мембраны, а проводящими обкладками – разделяемые мембраной электролиты. Энергия накапливается в конденсаторах в виде энергии электрического поля, сосредоточенного в мембране.
Бытующее представление о накапливании энергии в форме протонного градиента не соответствует физике процесса.
Максимальная энергия, которую может запасти мембрана, пропорциональна площади её поверхности.
Преобразователи энергии и электростанции клетки
Для того, чтобы энергетические мембраны могли играть роль накопителей энергиии, все они снабжены оборудованием двух типов:
- мембранные электрогенераторы – приборы, преобразующие энергию, полученную от внешнего источника в энергию электрического поля конденсатора;
- мембранные электромоторы – приборы, использующие энергию электрического поля конденсатора для совершения механической работы.
В целом мембрана вместе со встроенными в неё преобразователями энергии — электрогенераторами и электромоторами – представляет собой электростанцию клетки.
Дополнительное энергетическое оборудование
В клетках, которые имеют электростанции, использующие энергию экзергических реакций, зарядка мобильных аккумуляторов производится не только с помощью энергии, накопленной в конденсаторе, но и с помощью аппарата субстратного фосфорилирования. При этом используется не входящее в мембрану дополнительное оборудование, осуществляющее зарядку мобильных аккумуляторов – молекул АТФ, а также подготовку субстрата экзергической реакции, протекающей в мембране электростаниции. Полученные молекулы АТФ могут далее использоваться как для покрытия сиюминутных энергетических нужд, так и для подзарядки конденсатора, базирующегося на цитоплазматической мембране.
Дата последнего обновления: 2010-05-01