Биоэнергетика (наука)

Биоэнергетика (био­ло­ги­че­ская энер­ге­ти­ка) — междисциплинарная наука, раздел биологии, изучающий совокупность процессов преобразования внешних ресурсов в биологически полезную работу в живых системах.

Традиционно эта наука исследует такие процессы, как клеточное дыхание, фотофосфорилирование, энергизация мембран и связанный с этим транспорт, а также другие способы получения организмами энергии. Кроме того, в сферу этой науки входит изучение митохондрий как регуляторных систем, их роли в запрограммированной гибели клеток и тканей.

Впервые слово "биоэнергетика" было использовано в 1956 году нобелевским лауреатом А. Сент-Дьёрди. Это название он дал своей небольшой монографии, в которой он изложил свои гипотезы о функционировании живых существ и их энергообеспечении^[1].

В 1968 году в итальянском городке Полиньяно-а-Маре состоялась конференция по окислительному фосфорилированию, на которой присутствовали такие корифеи того времени, как Э. Слейтер, Л. Эрнестер и Х. Кребс. На одном из заседаний специально рассматривался вопрос о том, как назвать новый раздел биологии, изучающий молекулярные механизмы энергообеспечения организмов. Присутствовавший на заседании В. П. Скулачёв обладал низким уровнем английского, в связи с чем его речь на этом языке звучала несколько прямолинейно. Услышав, что дискуссия свернула в сторону сложных длинных названий из двух и более слов, он встал и предложил назвать новую науку "биоэнергетика". На вопрос ведущего Э. Слейтера, каковы его аргументы, Скулачёв замялся и сказал, что три года назад организовал в Московском университете отдел биоэнергетики, который успешно функционирует, и потому он предлагает назвать этим именем новую науку. Несмотря на такой ответ, дискуссия в итоге удивительным образом привела к тому, что название было принято и закрепилось в научной практике^[2].

Впоследствии, несмотря на протесты В. П. Скулачёва, в прессе и медиа новый термин был взят на вооружение экстрасенсами. Процесс начался в России, но вскоре перекинулся и за рубеж. В результате, в последнем издании Британской энциклопедии приводятся два значения этого слова — «биоэнергетика научная» и «биоэнергетика паранаучная»^[2][3].

Принято считать, что рождение биоэнергетики относится к 1961 году, когда Питер Митчелл опубликовал свою хемиосмотическую теорию, объяснявшую механизм дыхательного и фотосинтетического фосфорилирования^[4]. За эту теорию, не полностью доказанную на тот момент, он получил в 1978 году нобелевскую премию по химии. Вслед за этим, в 1961 году, последовало открытие Робертом К. Крэйном натрий-зависимого контраспорта глюкозы^[5]. В 1988 году нобелевскими лауреатами стали Х. Михель, Й. Дайзенхофер и Р. Хубер, преуспевшие в рентгеноструктурном анализе комплекса фотосинтетических реакционных центров. В 1997 году П. Д. Бойер и Дж. Уокер удостоились той же премии за исследование протонной АТФ-синтазы, а вместе с ними и И. Х. Скоу — за открытие Na⁺/K⁺ АТФазы. Следует также отметить открытие Г. Кремером, Д. Д. Ньюмейером и Кс. Уангом центральной роли митохондрий в запрограммированной клеточной гибели. В последнее десятилетие число публикаций на эту тему сильно возросло^[6].

Согласно современным представлениям, в живых организмах существуют три формы конвертируемой энергии: водорастворимая цитозольная форма в виде АТФ и две мембранные формы в виде разности электрохимических потенциалов протона (∆μ_Н⁺) и натрия (∆μ_Na⁺). Восстановительные эквиваленты, такие как НАД, НАДФ, ФАД и различные редокс-белки вроде ферредоксинов не рассматриваются большинством учёных в качестве отдельной формы энергии ввиду ограниченности их функций. Все три формы энергии могут взаимно превращаться друг в друга и часто все три присутствуют внутри одного организма, как это происходит у эукариот. Совместно эти три формы энергии расходуются на всю совокупность происходящей в организме работы: химической, электрической, осмотической, механической и работе по генерации тепла. На основании эмпирических наблюдений были сформированы следующие три принципа, которые описывают использование клеткой этих трёх форм энергии^[7]:

Первый закон биоэнергетики

Живая клетка избегает прямой утилизации энергии внешних ресурсов при совершении полезной работы. Сначала она трансформирует эту энергию в конвертируемую форму АТФ, ∆μ_Na⁺ или ∆μ_Н⁺ и использует её затем в различных энергоёмких процессах.

Второй закон биоэнергетики

Любая живая клетка располагает хотя бы двумя формами конвертируемой энергии — АТФ и ∆μ_Н⁺ или ∆μ_Na⁺.

Третий закон биоэнергетики

Клетка может удовлетворить все свои энергетические потребности, если есть возможность получить хотя бы одну из трёх конвертируемых форм энергии за счёт внешних энергетических ресурсов.

• Сент-Дьерди А. Биоэнергетика / Перевод с английского П. Л. Привалова; Редактор Л. А. Тумерман; предисловие А. Н. Теренин. — Москва: Физматгиз, 1960. — 155 с. (Серия: Современные проблемы физики).
• Второв П. П. Биоэнергетика и биогеография некоторых ландшафтов Терский Ало-Тоо. — Фрунзе: Илим, 1968. — 167 с.
• Скулачёв В. П., Богачёв А. В., Каспаринский Ф. О. Мембранная биоэнергетика. — М.: Издательство Московского университета, 2010. — 368 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-211-05871-2.
• Тихонов  А.Н. Биоэнергетика, фотосинтез и молекулярные машины живой клетки. «Физфаковцы. Избранные материалы  газеты "Советский физик" 2017-2021гг.»/ Под ред. К.В. Показеева. -М.: Физический  факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2023, ISBN 9978-5-8279-0263-8,С.501-507.

• Курс лекций в МГУ