Ngành Năng lượng Sinh học

Năng lượng sinh học (bioenergetics) nghiên cứu sự chuyển động của năng lượng trong các hệ thống sống, thuộc lĩnh vực sinh hóa và sinh học tế bào. Ngành này tập trung vào cách cơ thể sống biến đổi năng lượng, từ hô hấp tế bào đến các quá trình trao đổi chất và enzyme, dẫn đến sản xuất và sử dụng năng lượng như ATP. Mục tiêu chính là hiểu cách sinh vật thu nhận và chuyển hóa năng lượng để thực hiện các chức năng sinh học. Do đó, nghiên cứu trao đổi chất là thiết yếu trong năng lượng sinh học.

Khái quát

Năng lượng sinh học thuộc lĩnh vực hóa sinh, nghiên cứu sự tạo ra và phân hủy liên kết hóa học trong các phân tử sinh vật. Nó liên quan đến việc nghiên cứu mối quan hệ và biến đổi năng lượng trong sinh vật. Khả năng khai thác năng lượng từ các con đường trao đổi chất là điều cần thiết cho sự sống. Các quá trình như tăng trưởng, phát triển, đồng hóa và dị hóa đều dựa trên năng lượng, và sự sống phụ thuộc vào trao đổi năng lượng giữa sinh vật và môi trường. Sinh vật tự dưỡng có thể hấp thụ năng lượng từ ánh sáng (quang hợp) mà không cần tiêu thụ chất dinh dưỡng, trong khi sinh vật dị dưỡng phải hấp thụ chất dinh dưỡng từ thức ăn để duy trì năng lượng. Do Định luật Nhiệt động lực học đầu tiên, sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng đều tham gia vào mạng lưới trao đổi chất, nơi năng lượng từ quang hợp được chuyển hóa.

Trong các sinh vật sống, năng lượng được chuyển hóa qua việc phá vỡ và tạo ra các liên kết hóa học. Năng lượng này có thể được sử dụng cho công việc (như công việc cơ học) hoặc các quá trình khác (như tổng hợp hóa học và đồng hóa trong tăng trưởng). Khi liên kết yếu bị phá vỡ và liên kết mạnh hơn được tạo ra, năng lượng được giải phóng và có thể sử dụng.

Adenosine triphosphate (ATP) được xem là 'tiền tệ năng lượng' chính của các sinh vật. Quá trình trao đổi chất và dị hóa chủ yếu nhằm tạo ra ATP từ nguyên liệu có sẵn và phân hủy ATP thành adenosine diphosphate (ADP) cùng phosphate vô cơ, phục vụ cho các hoạt động sinh học. Trong tế bào, tỷ lệ ATP và ADP xác định 'điện tích năng lượng' của tế bào. Nếu ATP nhiều hơn ADP, tế bào có thể thực hiện công việc; nếu ADP nhiều hơn ATP, tế bào cần tổng hợp ATP qua quá trình phosphoryl oxy hóa.

Các sinh vật sản xuất ATP từ nguồn năng lượng qua phosphoryl oxy hóa. Các liên kết phosphat cuối của ATP yếu hơn so với các liên kết mạnh hình thành khi ATP bị phân hủy thành adenosine diphosphate và phosphate vô cơ. Năng lượng giải phóng khi liên kết phosphoanhydride bị phá vỡ là thuận lợi về mặt nhiệt động học, cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh học. ATP trong sinh vật đóng vai trò như pin lưu trữ năng lượng, thúc đẩy các hoạt động sinh học qua sự thay đổi liên kết phân tử.

Tài liệu tham khảo

• Lehninger, Albert L (1971). Bioenergetics: The Molecular Basis of Biological Energy Transformations (ấn bản lần thứ 2). Addison-Wesley. ISBN 0-8053-6103-0.
• Nicholls, David G.; Ferguson, Stuart J. (2002). Bioenergetics (ấn bản lần thứ 3). Academic Press. ISBN 0-12-518124-8.
• Green DE, Zande HD (tháng 9 năm 1981). “Nguyên lý năng lượng phổ quát của hệ sinh học và sự thống nhất của năng lượng sinh học”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 78 (9): 5344–7. Bibcode:1981PNAS...78.5344G. doi:10.1073/pnas.78.9.5344. PMC 348741. PMID 6946475.