Закон сохранения энергии выполняется в живых системах так же, как и во всех других. Химическая энергия играет в биологических системах центральную роль. Специальным носителем химической энергии в живых организмах служит аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ – это нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата.

АТФ (аденозинтрифософорная кислота, аденозинтрифосфат) – нуклеотид (рис. 28), образованный аденозином и 3 остатками фосфорной кислоты. Выполняет в организмах роль универсального аккумулятора энергии. Под действием ферментов фосфатные группы отщепляются от АТФ с освобождением энергии, благодаря которой происходят мышечные сокращения, синтетические и другие процессы жизнедеятельности.

Рис.28. Аденозинтрифосфат

Величина энергии, высвобождающейся при гидролизе АТФ в клетке, может значительно (в 1,5 раза) меняться в зависимости от метаболизма клетки, определяющего в ней концентрации АТФ, АДФ и фосфата, а также от pН клеточного содержимого в каждый данный момент. Для гидролиза АТФ до АДФ и до АМФ стандартная величина энергии составляет 30,5 и 32,2 кДж/моль соответственно. Энергия, выделяющаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для осуществления энергозависимых процессов в клетке, АТФ, в свою очередь, образуется в процессах, идущих с выделением энергии. Таким образом, АТФ – главный химический посредник клетки, связывающий между собой процессы, идущие с выделением и потреблением энергии.

Энергию АТФ клетки используют в четырех основных целях:

1) для синтеза биомолекул из молекул-предшественников небольшого размера;

2) для выполнения механической работы, осуществления движения, например, тубулин-динеиновой и актин-миозиновой систем;

3) для переноса веществ через мембраны против градиента концентрации, например, мембранные транспортные АТФазы, осуществляющие активный транспорт;

4) для обеспечения точной и надежной передачи информации в генетических клеточных процессах.

Молекулы АТФ используются всеми без исключений живыми организмами как прокариотическими, так и эукариотическими, и поэтому АТФ называют энергетической "валютой" живых организмов.

Помимо АТФ, в переносе энергии могут участвовать и некоторые другие соединения. Одно из них – креатинфосфат, или фосфокреатин, – служит хранилищем высокоэнергетических фосфатных групп в мышечной ткани. Специфические молекулы, универсальные для разных организмов и разных метаболических процессов, служат переносчиками определенных видов функциональных групп, легко присоединяя и легко отдавая их в химических реакциях: АТФ и креатинфосфат – переносчики фосфатных групп; НАД, ФАД и НАДФ – переносчики электронов и протонов; кофермент А – переносчик ацильных групп.

Таким образом, вещества, попадающие в клетку, не могут, как правило, использоваться ею для процессов жизнедеятельности. Эти вещества в результате сложных химических реакций при участии ферментов (метаболические пути) претерпевают ряд изменений, приводящих к формированию продуктов обмена – метаболитов. Постепенное освобождение энергии и аккумуляция (накопление) ее в молекулах АТФ, которые далее могут использоваться клеткой по мере необходимости, происходит в результате таких сложных процессов преобразования молекул жиров, углеводов и других соединений, как дыхание, брожение, гликолиз. Таким образом, обмен веществ и энергии представляет собой цепь из множества ферментативных превращений веществ, происходящих внутри клетки и обеспечивающих организм необходимыми веществами и энергией.