Нарушение закона сохранения энергии между фотосинтезом и дыханием?

Заблуждения в споре

Вопрос содержит два основных заблуждения (некоторые сказали бы, ловкость рук) в энергетическом сравнении синтеза глюкозы из СО ₂ в цикле Кальвина и окисления глюкозы посредством гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов:

1. Описания двух реакций неполные — игнорируются важные косубстраты.
2. Постановка вопроса как бы предполагает, что энергетика ряда биохимических реакций отражается исключительно во взаимопревращениях АТФ и АДФ, а не в изменениях свободной энергии, происходящих во всех сопутствующих реакциях.

Детальное объяснение

Чтобы сделать правильное сравнение термодинамики окисления глюкозы до CO ₂ с ее синтезом из формы CO ₂ , мы должны рассмотреть единственную обратимую реакцию: («6Н» может показаться довольно странным, но это объясняется восстановлением кофакторов и т. д. .. Мы не можем включить кислород в уравнение, потому что он химически не участвует в синтезе глюкозы, поэтому для этой обработки цепь переноса электронов не включена, хотя это обсуждается позже.)

Реакция слева направо связана с некоторым уменьшением свободной энергии Гиббса (ΔG), а справа налево — с соответствующим увеличением на ту же величину. В небиологическом контексте это может быть связано с выделением и использованием тепловой энергии, но в клетке это связано с химической энергией связей между атомами. Поэтому мы должны рассмотреть все химические реакции, с которыми связана описанная выше реакция, т. е. которые получают или передают свободную энергию. Дополнительные реакции и связанные с ними изменения свободной энергии можно найти в главах о гликолизе , цикле трикарбоновых кислот и цикле Кальвина в Berg et al. и представляют собой (без учета воды, ионов водорода и неорганического фосфата):Из чего видно, что затраты химической энергии, необходимые для синтеза, больше получаемой, вопреки тому, что утверждается в вопросе.

Что с АТФ?

Да, клетка окисляет НАДН и ФАДН ₂ и использует изменение свободной энергии для создания электрохимического градиента, рассеивание которого генерирует АТФ ( 30 молекул на молекулу глюкозы — это текущая оценка). Однако это отдельный процесс, не имеющий аналога в цикле Кальвина, где НАДФН образуется в результате фотосинтетического восстановления, а не из АТФ. Однако, если вы выполняете наивную «конверсию валюты» со скоростью 3 АТФ на НАД(Ф)Н и 2 АТФ на ФАДН ₂ , баланс таков: вход для синтеза 54 АТФ, выход для окисления 38 АТФ, т. е. тот же общий результат, что и выше.

Популяризировать науку непросто, и тех, кто прилагает усилия, можно извинить за то, что они приравнивают энергию к АТФ (часто в виде вспышек молнии). Однако, если вы хотите изучать обмен веществ, вам нужно с научной точки зрения думать о химической термодинамике и свободной энергии. Тот факт, что гидролиз АТФ в АДФ сопровождается уменьшением свободной энергии Гиббса, не является особенно примечательным с химической точки зрения в контексте изменений свободной энергии других химических превращений в клетке (включая оксидоредукцию НАД(Ф)). Что примечательно, так это то, что клетка выработала фермент, который катализирует реакции, в которых изменение свободной энергии от этого преобразования не теряется в виде тепла, а может использоваться для компенсации +ve ΔG реакции, с которой оно связано. Реакции с участием НАД(Ф)Н делают то же самое, но ограничиваются восстановлением,

Почему принятый ответ на этот вопрос является отвлекающим маневром

Принятый ответ касается вопроса, отличного от заданного. В нем приводится расчет энергии фотонов, необходимой для преобразования углекислого газа в глюкозу. Это не имеет отношения к термодинамике цикла Кальвина, который может происходить в темноте. Имеет значение только эффективность использования энергии фотонов при фосфорилировании АДФ и восстановлении НАДФ ⁺ (кстати, в открытой системе) — разные реакции. Термодинамика реакций, к которым относится вопрос, — процессы взаимопревращения глюкозы и углекислого газа — не связаны с образованием их косубстратов.

Предыстория : Закон сохранения энергии гласит, что энергия в замкнутой системе остается постоянной. Таким образом, количество энергии в молекуле остается прежним при ее аннигиляции (также рассмотрим закон эквивалентности энергии и массы).

Прежде чем ответить на этот вопрос, я хотел бы отметить, что при образовании глюкозы используется не только энергия АТФ для связывания углерода, но также и световая энергия , то есть примерно:

Требуется восемь (или, возможно, 10 или более) фотонов, чтобы использовать одну молекулу CO2. Свободная энергия Гиббса для преобразования моля CO2 в глюкозу составляет 114 ккал, тогда как восемь молей фотонов с длиной волны 600 нм содержат 381 ккал, что дает номинальную эффективность 30%.$^{(1)}$

Итак, как энергия света используется в цикле Кальвина?

Эта световая энергия используется для образования НАДФН, который используется в цикле Кальвина. Поэтому для выработки энергии требуется не только АТФ, но и НАДФН. Таким образом, после рассмотрения вышеизложенных фактов можно количественно утверждать, что закон сохранения энергии не нарушается при окислении глюкозы митохондриями.