A biológiai folyamatok energetikája

Az élet energiaigényes dolog, minden életműködésünkhöz energia szükséges. Hogy ennek okát megértsük, először azt gondoljuk végig, hogy mi a lényeges, alapvető különbség az élettelen természet történései és az élőlények életjelenségei között. A körülöttünk levő élettelen világ eseményei között találunk olyanokat, amelyeket csak figyelnünk, szemlélnünk kell, azok önmaguktól (spontán) is végbemennek, ha magukra hagyjuk őket: a meleg tea kihűl, a pohár vízbe dobott kockacukor feloldódik (a koncentráció-különbség kiegyenlítődik), a hegyi patak forgatja a malomkereket. Ha jól megfigyeljük ezeket a spontán történéseket, észrevehetjük azt a motívumot, amely mindegyikben közös: a jelenség valamilyen paraméter (hő, koncentráció vagy a tengerszint feletti magasság) egyenlőtlensége, egyensúlytalansága miatt megy végbe. Az ilyen folyamatok addig tartanak, amíg az adott paraméterre vonatkozó különbözőség ki nem egyenlítődik. Tehát az önmaguktól végbemenő folyamatok hajtóereje az egyensúlytalanság, az ilyen spontán folyamatok mindaddig tartanak, amíg az egyensúlytalanság meg nem szűnik és az egyensúly be nem áll. A meleg tárgyak kihűlése mindaddig tart, amíg a hőmérsékletük azonossá nem válik a környezetük hőmérsékletével; a koncentráció-különbség kiegyenlítődése mindaddig tart, amíg egy adott anyag koncentrációja azonossá nem válik; a hegyi patak mindaddig forgatja a malomkereket, amíg a tengerszintbeli magasság-különbség fennáll. Az egyensúly elérésekor a rendszer több munkát nem végez, azaz munkavégzésre fordítható képessége (szabadenergiája) 0-ra csökken. Ez alapján megfogalmazhatjuk a spontán folyamatok energetikai feltételét: egy folyamat addig és csak addig megy végbe spontán (külső beavatkozás nélkül), amíg az adott rendszer szabadenergiája 0-tól különbözik. Ebből egyértelműen az is következik, hogy spontán folyamatokban a szabadenergia mindig csak csökkenhet.

Még inkább figyelemre méltó, hogy az önmaguktól spontán végbemenő folyamatok mindig csak egy irányban zajlanak le és sohasem az ellenkező irányban. Egy test önmagától sohasem melegszik fel, egy homogén oldatban önmagától sohasem alakul ki koncentráció-különbség, és egy malomkerék sem forog önmagától az ellenkező irányban. Ha ezeket a folyamatokat visszafelé szeretnénk lejátszatni, ahhoz közbe kell avatkoznunk. Közbeavatkozás alatt azt értjük, hogy a rendszer munkavégző képességét fokoznunk, azaz szabadenergiáját növelnünk kell. Ehhez a kihűlt testet fel kell melegíteni, a koncentráció-különbséget létre kell hozni, a malomkereket a patak sodrását legyőzve kell az ellenkező irányban forgatni. Akár így, akár úgy, de energiát kell közölnünk a rendszerrel. Az élettelen természetben tehát a folyamatok oka és hajtóereje az egyensúlytalanság, azok mindig az egyensúly elérése irányában zajlanak le. Ha az egyensúlytalanságot fenn akarjuk tartani, ahhoz a rendszerrel energiát kell közölnünk, a rendszer szabadenergia-készletét növelnünk kell.

Az élőlények is a környezetüktől elkülönülő, de azzal kölcsönhatást folytató rendszerek, csakúgy, mint az élettelen természet tárgyai. A nagy különbség azonban az, hogy az élőlényekben végbemenő folyamatok között jelentős számban találunk önmaguktól nem végbemenő folyamatokat, amelyekben nem az egyensúly elérése, hanem éppen az egyensúlytalanság tartós fenntartása következik be. Az élő és élettelen rendszerek között éppen az a legnagyobb különbség, hogy az élő rendszerek környezetükkel állandó egyensúlytalanságot tartanak fenn. Ez az egyensúlytalanság az élő állapot egyik legalapvetőbb jellemvonása. Az élet megszűnésével ez az egyensúlytalanság is megszűnik, átadja helyét az élettelen világban fennálló egyensúlynak. Ahhoz, hogy az élő rendszer folyamatosan fenn tudja tartani az egyensúlytalanságot, energiára, méghozzá jelentős mennyiségű energiára van szükség. Az élőlényeknek a létfenntartáson kívül még az egyéb életműködésekhez is energiára van szüksége, hiszen minden életjelenség végső soron munkavégzés. Ez az oka annak, hogy minden életműködésünkhöz energiára van szükségünk.

Az energia definíció szerint munkavégző képességet jelent. A munkavégzés módja alapján konkrét energiafajtákról szokás beszélni: mechanikai energiáról, kémiai energiáról, elektromos energiáról, stb. A biológiai szervezetekben a két legjelentősebb energiafajta a kémiai energia és az elektromos energia. A kémiai energia a kémiából átvett fogalom, ahol a kovalens kémiai kötések létesüléséhez szükséges, illetve hasadásakor felszabaduló energia-mennyiséget jelenti. Sejtbiológiai értelemben a kémiai energia némiképpen más értelmezést kap és a sejtekben tárolt nagy-energiájú kémiai kötések (pl. az adenozin-trifoszfát (ATP) foszfátcsoportjait összekötő kötés) energiáját értjük alatta. Egy nagy-energiájú kötés bomlásakor (vizes közegben hidrolízisekor) felszabaduló energia a sejtekben újabb kémiai kötések létrehozására és egyéb celluláris folyamatok "meghajtására" fordítódik. Értelemszerűen ez azt is jelenti, hogy egy ilyen nagy-energiájú kötés kialakításához tetemes energia befektetésére van szükség. Minden élő sejt működtet olyan mechanizmusokat, amelyek energiát szolgáltatnak az ATP és egyéb nagy-energiájú vegyületek szintéziséhez. A prokarióta sejtekben ezek a mechanizmusok a sejtmembránban, illetve citoplazmában mennek végbe. Az eukarióta sejtek rendelkeznek „energia-gyártó” sejtszervecskékkel, a mitokondriumokkal, és a növénysejtekben a kloroplasztiszokkal. Emellett a az eukarióta sejtek is készítenek ATP-t a citoplazmában.