К. Конюх и П. Плотник

Электростанции живой клетки

    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) Н_зО⁺. 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:  01.05.10

Инженерно-физическая биология