Перенос энергии в биологических системах

Все эти примеры служат иллюстрацией пассивного, но стереоселективного переноса, когда органические модельные системы осуществляют асимметричное узнавание. Однако можно провести аналогию между этими результатами и процессом опосредованного переноса через биологические мембраны. Все липидные мембраны практически непроницаемы для внутриклеточных белков и высокозаряженных органических и неорганических ионов, находящихся с обеих сторон мембраны. Диффузия Na+ через клеточную мембрану из клетки и К+ в клетку происходит в направлении отрицательного градиента химического потенциала и называется пассивным переносом. Пассивный перенос ионов через мембраны может быть вызван ионофорами [см. разд. 5.1.3]. К счастью, концентрации катионов по обе стороны мембраны различные, и такое состояние поддерживается активным переносом, который зависит от метаболической энергии. Механизм этого процесса известен под названием натриевый насос, функция которого сводится к поддержанию высокой внутриклеточной концентрации К+ и низкой концентрации Na+. Кальций, по-внднмому, также активно выводится из клеток. В этих случаях энергия для переноса обеспечивается за счет гидролиза АТР. Однако диффузия сахаров и аминокислот к важнейшим клеточным объектам — пример простого опосредованного пассивного переноса. [c.282]

Перенос энергии и его значение в биологических системах. — Биофизика,. [c.469]

Основным веществом, осуществляющим перенос энергии в биологических системах, является аденозин-5 -трифосфат (АТФ). Все важнейшие процессы, связанные с расходованием энергии (синтез биополимеров, механическая работа, перенос веществ против градиента концентрации, биолюминесценция и др.), сопровождаются расщеплением АТФ до аденозин-5 -дифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. Напротив, прк процессах распада часть освобождающейся химической энергии расходуется на образование АТФ из АДФ и производных фосфорной кислоты полученный АТФ служит резервом энергии для организма. [c.363]

Рассмотрим модели, где переменные изменяются не только во времени, но и в пространстве. В отличие от точечных такие модели называются распределенными (в пространстве). В распределенных системах могут протекать в отдельных точках пространства химические превращения веществ и одновременно происходить диффузия отдельных веществ из элементарных объемов с высокой концентрацией в объемы с меньшей концентрацией. Таким образом, связь между соседними элементарными объемами осуществляется за счет процессов переноса. В биологических системах (активные мембраны, ткани, сообщества организмов) также существуют и распределенные источники энергии. Часть этой энергии диссипирует в элементарных объемах системы. Такие системы относятся к активным распределенным системам. [c.46]

Б. Активный транспорт. Процесс активного транспорта отличается от диффузии тем, что он сопровождается смещением состояния системы от термодинамического равновесия и, следовательно, требует энергетических затрат. Источником энергии могут быть гидролиз АТР, процесс переноса электронов или свет. Поддержание электрохимических градиентов играет столь большую роль в биологических системах, что на него затрачивается около 30— 40% всей потребляемой клеткой энергии. [c.141]

Методы описания систем, расслаивающихся по временной иерархии происходящих в них процессов, интенсивно разрабатывают в современной химической технологии и биофизике. Для этих методов необходимы новые понятия и модели, где учитывались бы взаимодействие механических (детерминистских) и статистических степеней свободы и их вклад в процессы переноса и трансформации энергии в системах с очень сложной иерархией процессов (например, каталитических и биологических). [c.395]

Хотя в истинных растворах и при малых значениях энергии описанный выше обменный механизм переноса энергии обычно не играет особо важной роли, он может оказаться существенным в макромолекулах, мицеллах или любых гетерогенных системах с достаточно упорядоченной структурой. Так как подобные образования имеются во всех биологических системах, то простой обменный механизм переноса может приобрести в этом случае очень большое значение. [c.138]

Функции полипептидов и протеинов в биологических системах весьма разнообразны. Они играют роль структурных компонентов, активных элементов в процессах переноса, аккумуляторов метаболической энергии, биокатализаторов и переносчиков сигналов. Несмотря на такое разнообразие функций, строение всех протеинов в значительной степени однотипно. Как и большинство биологических макромолекул, они состоят из отдельных структурных фрагментов, выбор которых и связи между ними определяют специфические свойства протеинов. Основными структурными единицами протеинов являются аминокислоты, которые объединены в одну или несколько линейных цепочек. [c.97]

Монопольное приближение широко применялось в расчетах биологических объектов, в частности для расчета дисперсионных взаимодействий меяеду основаниями в ДИК [132, 133]. Недавно монопольное приближение было успешно применено к расчету вероятности резонансного переноса энергии мел ду большими я -электронными системами, в том числе между молекулами хлорофилла [134]. [c.132]

Левая часть (И, 15) представляет собой энергию, которая рассеивается. В соответствии со вторым началом правая часть уравнения (П, 15) должна быть положительной в необратимом процессе (или равной нулю в обратимом). Для потоков, которые друг от друга не зависят, это означает, что знак потока должен совпадать со знаком силы (сопряженной этому потоку). Так, например, растворенное вещество переносится от области большей концентрации к области меньшей, и поток вещества имеет тот же знак, что и сила осмотического давления. Взаимодействие потоков может привести к тому, что некоторые члены в сумме 2/Дг станут отрицательными или обратятся в нуль, но общая величина суммы все же будет удовлетворять указанным условиям. Различные случаи энергетического сопряжения потоков, встречающиеся в биологических системах, часто выражаются в переносе вещества против градиента концентрации (активные переносы). [c.32]

В последние годы довольно широко изучалась электрическая проводимость твердых органических соединений, вероятно, частично-из-за ее возможной связи с переносом энергии в биологических системах с нормальным и патологическим процессами в живых клетках. Многие из красителей представляют интерес в качестве полупроводников и фотопроводников благодаря тому, что их молекулы обладают я-электронами, которые могут легко возбуждаться и затем мигрировать от одной молекулы к другой в кристалле. [c.1710]

Многие реакции в биологических системах, играющие роль в переносах энергии, являются реакциями окислительно-восстановительного типа. Представление о том, что окисление есть отдача электронов, а восстановление — их присоединение, может быть распространено на все окислительно-восстановительные реакции. Например, реакцию взаимодействия пластинки цинка с медной солью в растворе можно представить в виде следующих реакций [c.149]

Все разнообразные реакции переноса энергии и групп осуществляются в биологических системах органическими фосфатами. [c.154]

В настоящее время все большее внимание привлекают вопросы переработки энергии в живых организмах (в частности, фотосинтез), а также ее аккумулирования и передачи. Функциональные полимеры непосредственно связаны с указанными процессами. В четвертой главе рассказывается о некоторых последних исследованиях в этой области. Сведения об использовании полимеров в процессах переноса кратко изложены в пятой главе. Известно, что такие процессы в биологических системах обладают высокой селективностью и играют чрезвычайно важную роль. [c.7]

Эти различные аспекты переноса энергии (электронной и колебательной), межмолекулярного и внутримолекулярного, в твердой, жидкой и газообразной фазах имеют большое значение для фотохимических и фотофизических систем и во многих областях радиационной химии и биологии. В частности, в 1959 г. на симпозиуме Фарадеевского общества по переносу энергии особое внимание было уделено биологическим системам [307]. Обзоры по переносу электронной энергии можно найти в опубликованных материалах других симпозиумов , в обзоре Уилкинсона [202] по переносу энергии в растворах, в статьях, например в статье Хэммонда и сотр. [260] и в книге Рида [7]. [c.258]

При химико-технологических исследованиях методы термодинамики необратимых процессов широко применяются в настоящее время главным образом при расчетах процессов переноса (массы или энергии), т. е. процессов теплообмена, массообмена, электро- и теплопроводности, диффузии и др. Термодинамика необратимых процессов получила использование при исследовании вопросов устойчивости систем, явлений флуктуаций, мембранных переходов, в частности, в биологических системах и др. [c.738]

А. Люминесценция и перенос энергии в биологических системах [c.130]

Благодаря присутствию во внешней среде СОг оказался возможным фотосинтез. Бактериальный фотосинтез, а затем и фотосинтез зеленых растений развивались примерно 3—2 10 лет назад. Фотосинтез состоит в поглощении света и преобразовании его энергии в химическую энергию биологических молекул. Для этого потребовались поглощающие свет соединения, в частности, содержащие порфириновые циклы — хлорофилл и цитохромы. В результате поглощения квантов света в хлорофилле электроны системы переходят на более высокие уровни энергии. Далее работает цепь переноса электронов, главными участниками которой являются окислительно-восстановительные ферменты — цитохромы. Запасенная первоначально в хлорофилле энергия выделяется в биологически полезной форме — в АТФ и НАДФ. Происходит фотофосфорилирование. [c.53]

Приведенные выше примеры дают лишь неполную картину, но тем не менее позволяют подчеркнуть важность процессов люминесценции и в особенности переноса энергии в биологических системах. Подробнее хемилюминесценция и биолюминесценция, фотосинтез и процессы зрения рассмотрены в книге Свет и жизнь [16] ив дискуссии Фарадеевского общества по вопросам переноса энергии применительно к биологическим системам [194] из указанных источников заимствовано большинство приведен-.ных здесь примеров. [c.132]

Более ранние работы по этому вопросу были рассмотрены в разделе III, 3. Безызлучательные переходы важны во всех системах, содержащих молекулы в возбужденных состояниях. Эти процессы конкурируют с люминесценцией и обусловливают все фотохимические реакции. Безызлучательный перенос энергии играет особенно важную роль в органических кристаллах, оптических мазерах и в биологических процессах. Несмотря на их важность, безызлучательные переходы очень плохо изучены. [c.143]

Один из наиболее важных процессов миграции энергии осуществляется в фотосинтезе. Здесь происходит перенос энергии от фикоэритрина и фикоцианина на хлорофилл в направлении реакционного центра, где происходит первичный акт фотосинтеза (подробнее см. гл. XXVH). Электронная энергия может переноситься в биологических системах и в процессе транспорта электронов по общей схеме D- + A D +А-. [c.373]

Все эти проблемы интенсивно разрабатывают в современной биофизике. Они требуют развития новых физических понятий и моделей, где учитывались бы взаимодействие механических (детерминистских) и статистических степеней свободы и их вклад в процессы переноса и трансформации энергии в биологических системах. [c.158]

В физике хорошо известна полупроводниковая модель миграции электрона на большие межмолекулярные расстояния по зоне проводимости в кристаллической решетке. В этой модели молекулы D ъ А могут занимать уровни соответственно донорной и акцепторной примесей. Несмотря на привлекательность, полупроводниковая концепция не получила подтверждения в биологических системах. Существующие модификации полупроводниковой модели будут рассмотрены ниже (см. 6 гл. XHI). В настоящее время наибольшее внимание в этой области привлекает к себе концепция туннельного транспорта электрона между отдельными белковыми молекулами-переносчиками, отделенными друг от друга энергетическими барьерами. туннельный перенос происходит в условиях, когда значение энергии электрона меньше высоты энергетического барьера между молекулами D ъ А. Этот эффект имеет чисто квантово-механическую природу. Одной из характеристик туннельного переноса является его осуществление при расстояниях между донором и акцептором порядка 0,5 нм. [c.373]

Протонодвижущую силу считают одним из основных средств преобразования и переноса энергии в биологических системах [31]. Ее определяют как [c.456]

Сопряженные реакции играют исключительную роль в биологических системах, например в процессах переноса энергии азотфосфорными соединениями (АТФ и др.). Некоторые из них были рассмотрены ранее (см. с. 96). [c.262]

Пурины представляют огромный интерес по ряду причин, но главная заключается в том, что совместно с некоторыми пиримидиновыми основаниями они входят в состав ДНК и РНК и, следовательно, имеют фундаментальное значение в процессах жизнедеятельности. Кроме того, нуклеозиды и нуклеотиды (см. ниже) действуют как гормоны, нейротрансмитгеры и присутствуют в некоторых коферментах. Взаимопревращение моно-, ди- и трифосфатных эфиров нуклеозидов лежит в основе переноса энергии во многих метаболических системах, а также включено во внутриклеточные связи. Их охромное биологическое значение наряду с исследованиями в области медицинской химии по поиску противоопухолевых и антивирусных (особенно анти-ВИЧ) препаратов привело к стремительному развитию химии пуринов в последние годы. [c.575]

В вышеприведенных уравнениях экзер топическая реакция, в которой водород переносится от АНг к В, сопряжена с эндергони-ческим фосфорилированием АДФ в АТФ. Хотя в биологических системах, как подчеркивал Сент-Дьёрди [29], может происходить перенос энергии возбуждения, единственная в настоящее время хорошо известная реакция такого типа наблюдается при фотосинтезе. Во всех других случаях сопряжения энергии одна реакция способствует протеканию другой благодаря наличию промежуточного продукта, общего для обеих реакций. Природа общего промежуточного продукта, не входящего в уравнения (5.1)—(5.3), рассмотрена ниже. [c.240]

Существует мнение, что донорно-акцепторные комплексы выполняют важные функции в поддержании процесса превращения энергии в пластинчатых биологических системах. Обобщенное описание их функций в процессах фотосинтеза [42] и сокращения мышц [43] дано Кирнсом и Кэлвином [44]. В растворе комплекс не может аккумулировать энергию, поглощаемую при переносе заряда, так как переход в основное состояние происходит слишком быстро. Если, однако, компоненты комплекса расположены слоями в твердом состоянии, поляризация, вызываемая переходом электронов от донора к акцептору при фотовозбуждении, может достичь большего диапазона вследствие диффузии заряда в каждом твердом слое. Окисленный донор и восстановленный акцептор в таких условиях становятся относительно свободнее для того, чтобы независимо выполнять функции как химических, так и электрических агентов. В главе V уже обсуждались электрические и магнитные эффекты при фотовозбуждении модельных систем, построенных из твердых слоев сравнительно простых доноров и акцепторов. [c.165]

Поддержание жизни обусловлено химическими процессами двух типов 1) фотохимическим превращением солнечной энергии в электрохимическую, необходимую для ассимиляции двуокиси углерода и воды с образованием восстановленных органических веществ и кислорода, и 2) процессом, обратным первому, т. е. окислением органических веществ с образованием двуокиси углерода и воды и с освобождением энергии. Ионы металлов участвуют в процессах обоих этих типов. Энергия солнечного излучения усваивается биосферой при участии магнийпорфириновых комплексов — хлорофиллов. Затем может происходить перенос электрона через ряд промежуточных переносчиков, таких, как цитохромы (Ре +/Ре +), ферредоксин (Ре Ре +) и пластоцианин (Си+/Си ) молекулярный кислород образуется при участии комплекса марганца. В процессах типа 2 участвуют ферменты, которые регулируют биосинтез и распад органических веществ. Поскольку биологические системы термодинамически неустойчивы, регулируемое освобождение энергии, происходящее во многих случаях при участии металло-ферментов, является основным условием существования жизни. [c.7]

В которых один неспаренный электрон приходится на каждый атом металла. Предполагается, что это связано с димеризацией комплекса с образованием связи между двумя атомами металла. Уильямс [21 ] отметил, что ё-электроны и с1-орбитали элементов с небольшим числом (З-электронов, по-видимому, легко доступны для лигандов, что в случае соединений Мо(У) приводит к димеризации. Эту склонность к образованию димеров нужно учитывать при обнаружении по спектрам ЭПР низкоспинового состояния восстановленной ксантиноксидазы. Было высказано предположение, что интенсивность спектра ЭПР, соответствующая всего 37% полного содержания молибдена, объясняется существованием равновесия между парамагнитным мономером и диамагнитным димером. В модельных комплексах Мо(У) в водном растворе число неспаренных электронов, обнаруживаемых методом ЭПР, еще меньше (менее 1 %). Отсюда следует, что биологические системы способны стабилизировать мономерные комплексы Мо(У). Специфические эффекты стабилизации могут также регулировать баланс между состояниями окисления. Такая регуляция имеет существенное значение, если молибденсодержащие ферменты эффективно функционируют как электрон-транспортные реагенты, поскольку процессы переноса электрона между молекулами, протекающие с низкими энергиями активации, возможны только в случае подходящих соотношений между окислительно-восстановительными потенциалами компонентов. Данные, полученные Уильямсом и Митчеллом [18], показывают, каким образом достигается регуляция окислительно-восстановительных потенциалов в случае молибдена. Эти авторы обнаружили специфическую стабилизацию Мо(1У) цианид-ионами, повышение устойчивости Мо(У1) по сравнению с Мо(111) при наличии гидроксила в качестве лиганда и примерно одинаковую устойчивость Мо(1П) и Мо(У) в присутствии хлорида и тиоцианата. При нейтральных рн окислительно-восстановительные потенциалы пар Мо(У1)/Мо(У) и Мо(У)/Мо(1П) находятся в интервалах от —0,2 до —0,4 В и от —0,6 до —1,0 В соответственно. Таким образом, первая пара близка по своему окислительно-восстановительному потенциалу к флавиновьш системам (около 0,25 В), тогда как вторая пара имеет потенциал, выходящий за пределы обычных окислительно-восстановительных потенциалов биологических систем. Однако способность меркаптоуксусной кислоты ( около —0,30 В) восстанавливать Мо(У) до Мо(1П) показывает, каким образом окислительно-восстановительный потенциал молибденовой пары может быть смещен в область, в которой протекают биологические реакции, путем преимущественной стабилизации состояния с меньшей степенью окисления ([21], см. также гл. 15). [c.267]

Однако если важна стереохимия лиганда, как, например, в порфириновых ядрах, то образуются другие структуры, например структура плоского квадрата в Мд(П)-хлорофилле (гл. 29, рис. 29.1). Известен также октаэдрический комплекс [Мд(МНз)б]С12, о он легко гидролизуется в воде. Из ионов других щелочноземельных металлов только Са + проявляет тенденцию к образованию комплексных соединений, координируя предпочтительно карбоксилатные лиганды. Так, октаэдрический ион [СаЭДТА]2- имеет практическое значение (как умягчитель воды), а связывание Са + и Mg + фосфатными группами АТФ и АДФ играет важную роль в процессе переноса энергии в биологических системах. [c.48]

Затрата энергии, связанная с образованием СоА ацил производных из свободной кислоты и коэнзима А, обычно, хотя и не всегда, компенсируется сопряженным расщеплением пирофосфатной связи Б АТР. Если АТР — это аккумулятор свободной энергии в биологических системах, то ацнл СоА осуществляет перенос этой энергии практически без потерь, поскольку макроэргические связи в АТР и ацил—СоА примерно равноценны. Это существенно расширяет круг синтетических процессов, осуществляемых за счет энергии АТР. Кроме того, продуктами окислительных биохимических реакций, таких как окислительное декарбоксилирование, обычно оказываются не сами кислоты, а их ацетил-ЗСоА производные. [c.154]

Процессы переноса отдельных атомов или атомных групп со-ставляют значительную часть реакций метаболизма в биологических системах переносятся атомы Н, группы СН3—, НгРОз" и т. п. Возможности протекания той или иной реакции переноса и соответственно условия сопряжения ее с другими также определяются величиной АС. Именно эта величина, а не энергия разрыва той или иной связи существенна с биохимической точки зрения. Так, для разрыва концевой макроэргпческой связи мелсду остатками фосфорной кислоты в АТФ требуется около 400 кДж/моль. Если АТФ реагирует с водой, т. е. фосфатная группа переносится на воду и образуется анион НРО4 и АДФ, то наблюдается ул<се выделение энергии и АС° составляет —ЗОч--35 кДж/моль. Поэтому реакция может протекать в сторону образования АДФ. [c.142]

В книге изложены представления о переносе электронов и трансформации энергии в биомембранах, биофизике сократительных систем и процессах рецепции. Подробно представлен материал о биофизике фотобиологических процессов. Описаны первичные процессы фотосинтеза и другие биологические процессы в биологических системах трансформация энергии и электронно-конформационные взаимодействия в первичных процессах фотосинтеза фотохимические реакции бактериородопсина и родопсина фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы. [c.4]

Пути миграции энергии возбуждения. Доставка энергии электронного возбуждения к РЦ фотосистем I и П высших растений и РЦ бактериального фотосинтеза осуществляется за счет миграции энергии в светособирающей антенне. Миграция энергии в фотосинтезе — наиболее изученный тип безизлучательного переноса энергии электронного возбуждения в биологических системах (см. 9-11, гл. ХП1). Ее функциональное биологическое значение состоит в повышении эффективности использования поглощенных световых квантов. Действительно, среднее время, необходимое для утилизации энергии кванта света (выделение молекулы О2), соста- [c.290]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология