Modda va energiya almashinuvining umumiy tavsifi

2. Biokimyoviy reaktsiyalar energetikasi (organizmda energiya almashinuvi). Moddalar almashinuvi doimo energiya almashinuvi bilan birga sodir bo’ladi. Kimyoviy reaktsiyalar bilan energiyaning o’zaro munosabatini tekshirish biokimyo uchun muhim ahamiyatga ega, chunki hujayraning hayoti doimo ozuqadagi kimyoviy moddalarning potentsial energiyaning fiziologik funktsiyalar (muskulning qisqarishi, nerv impulslarining o’tkazilishi, turli sintetik jarayonlar va hokazolar) ni bajarish uchun foydalaniladigan shaklga aylanishiga bog’liq.
Tirik sistemalarda energiya almashinuvini termodinamikaning biologiyaga tadbig’i bilan shug’ullanadigan bioenergetika fani o’rganadi. Bu soha biofizikaning bir bo’limi bo’lganidan bu yerda biz faqat biokimyo uchun zarur bo’lgan bir qator asosiy tushunchalar haqida to’xtalamiz.
Jarayonlarning umumiy energetik balansini tuzishda Gess qonuni muhim ahamiyatga ega. Bu qonunga ko’ra, kimyoviy jarayonning issiqlik effekti oraliq bosqichlarga bog’liq bo’lmay, u faqat sistemaning dastlabki va oxirgi holati bilan belgilanadi. Masalan, yog’ yoki uglevod kalorimetrik bombada yonganida ham, organizmda asta-sekin oksidlanganida ham oxirgi mahsulot suv va karbonat angidriddir. 1 g yog’dan 9300 kaloriya va 1 g uglevoddan 4200 kaloriya issiqlik ajraladi. Ammo oqsillarning yonishi va organizmda oksidlanishidan ajraladigan energiya miqdori bir xil emas. 1 g oqsil kalorimetrik bombada 5700 kaloriya bersa, organizmda oksidlanganida 4300 kaloriya issiqlik ajratadi. Buning sababi shundaki, oqsillarning organizmda parchalanishining asosiy mahsuloti – siydikchil kalorimetrik bombada hosil bo’ladigan mahsulotlardan o’zida ortiqcha energiya saqlashi bilan farqlanadi.
Energiyaning hamma turlari bir-biriga ekvivalent nisbatda o’ta oladi, lekin energiya turlaridan biri bo’lgan issiqlik boshqa shakllarga to’la o’ta olmaydi. Ma’lumki, har qanday energiyaning bir shakldan ikkinchi shaklga o’tishi ba’zi behuda yo’qotishlar bilan kuzatiladi. Energiyaning bir qismi issiqlikka aylanib tarqalib ketadi va undan foydalanib bo’lmaydi. Bu hodisani tahlil qilish quyidagi muhim xulosaga olib keldi: sistemaning umumiy energiyasi bir xil emas, uning bir qismi foydali ish qilishi mumkin, u erkin energiya deb atalib, G harfi bilan ifodalanadi. Ikkinchi qismi esa ayni sharoitda ishga va energiyaning boshqa shakllariga o’ta olmaydi, u bog’langan energiya deb ataladi.Yopiq sistemalarda erkin energiya o’z-o’zicha minimumga intiladi, ya’ni issiqlik issiqroq jismdan sovuqrog’iga o’tadi. Binobarin, issiqlikning ishga aylanishi ikki jism orasidagi haroratning farqiga bog’liq. Lekin issiqlikning bir qismigina ishga aylanadi. Har bir sistema uchun harorat farqi qancha kichik bo’lsa, bog’langan energiya shu qadar katta bo’ladi. Issiqlikning bu qimmatini yo’qotgan qismi entropiya deb ataladi va u S harfi bilan ifodalanadi.
Erkin energiyaning o’zgarishi sistemaning umumiy energiyasi (H) va entropiya o’zgarishidan kelib chiqadi:

∆G = ∆H - T∆S

T- mutlaq harorat. Bu formulada entalpiya o’zgarishining simvoli ∆H erkin va bog’langan energiya yig’indisini, T∆S esa bog’langan energiyaning o’zgarishini ifodalaydi.

Kimyoviy reaktsiyalar odatda, issiqlik effektlari bilan birga kuzatiladi, ko’pincha ∆G manfiy, demak erkin energiyaning kamayishi bilan kechadi, reaktsiya ekzergonik bo’ladi. Agar ∆G musbat bo’lsa, reaktsiya sistema ichki energiyasining ortishi bilan boradi, u endergonik. Ammo ekzergonik reaktsiya davomida ajralib chiqadigan issiqlik erkin energiyaning o’zgarishini aks ettirmaydi, chunki entropiya o’zgarishini ham hisobga olish kerak.
Organizmda biokimyoviy jarayonlar odatda, 7,0 ga yaqin pH qiymatida (neytral sharoitda) kechadi va ko’pincha H⁺ ionlarining hosil bo’lishi va iste’mol qilinishi bilan kuzatiladi. Shuning uchun energiya o’zgarishining standart sharoiti deb pH=7,0 (25˚C da) qabul qilingan va ∆G˚ ramzi bilan ko’rsatiladi. U boshlang’ich moddalarning erkin energiyasi bilan reaktsiya mahsulotlarining erkin energiyasi orasidagi farq.
Moddalar almashinuvining tavsifi uchun erkin energiyadan foydalangan holda katabolik reaktsiyalar energiya ajratish bilan, anabolik reaktsiyalar esa energiya yutishi bilan boradi, deb aytish mumkin. Yuqori energetik yoki makroergik moddalar ular orasidagi energetik vositachilar vazifasini bajaradi.