Bioenergetski procesi u ćeliji (Atomska energija ćelije). Opskrbljivanje ćelija energijom. Izvori energije Postoje li drugi načini za dobijanje energije?

Obilan rast masnih stabala,
koji koren na neplodnom pesku
odobren, to jasno kaže
masni listovi masnoće salo iz vazduha
apsorbirati...
M. V. Lomonosov

Kako se energija skladišti u ćeliji? Šta je metabolizam? Koja je suština procesa glikolize, fermentacije i ćelijskog disanja? Koji se procesi odvijaju tokom svijetle i tamne faze fotosinteze? Kako su povezani procesi energetskog i plastičnog metabolizma? Šta je hemosinteza?

Lekcija-predavanje

Sposobnost pretvaranja jedne vrste energije u drugu (energija zračenja u energiju hemijskih veza, hemijska energija u mehaničku energiju, itd.) jedno je od osnovnih svojstava živih bića. Ovdje ćemo pobliže pogledati kako se ovi procesi ostvaruju u živim organizmima.

ATP JE GLAVNI NOSITELJ ENERGIJE U ĆELIJI. Za izvođenje bilo kakvih manifestacija aktivnosti stanica potrebna je energija. Autotrofni organizmi svoju početnu energiju dobijaju od Sunca tokom reakcija fotosinteze, dok heterotrofni organizmi koriste organska jedinjenja koja se snabdevaju hranom kao izvor energije. Energiju pohranjuju ćelije u hemijskim vezama molekula ATP (adenozin trifosfat), koji su nukleotid koji se sastoji od tri fosfatne grupe, ostatka šećera (riboze) i ostatka azotne baze (adenin) (slika 52).

Rice. 52. ATP molekul

Veza između fosfatnih ostataka naziva se makroergijskom, jer kada se prekine, oslobađa se velika količina energije. Tipično, ćelija izvlači energiju iz ATP-a tako što uklanja samo terminalnu fosfatnu grupu. U tom slučaju nastaju ADP (adenozin difosfat) i fosforna kiselina i oslobađa se 40 kJ/mol:

Molekuli ATP-a igraju ulogu univerzalnog pregovaračkog čipa za energiju ćelije. Isporučuju se na mjesto energetski intenzivnog procesa, bilo da se radi o enzimskoj sintezi organskih jedinjenja, radu proteina - molekularnih motora ili membranskih transportnih proteina, itd. Reverzna sinteza molekula ATP-a vrši se vezivanjem fosfatne grupe. na ADP uz apsorpciju energije. Ćelija skladišti energiju u obliku ATP-a tokom reakcija energetski metabolizam. To je usko povezano sa plastična zamjena, tokom kojeg ćelija proizvodi organska jedinjenja neophodna za njeno funkcionisanje.

METABOLIZAM I ENERGIJA U ĆELIJI (METABOLIZAM). Metabolizam je ukupnost svih reakcija plastičnog i energetskog metabolizma, međusobno povezanih. Ćelije neprestano sintetiziraju ugljikohidrate, masti, proteine ​​i nukleinske kiseline. Sinteza jedinjenja uvijek se odvija uz utrošak energije, odnosno uz neizostavno učešće ATP-a. Izvori energije za stvaranje ATP su enzimske reakcije oksidacije proteina, masti i ugljikohidrata koji ulaze u ćeliju. Tokom ovog procesa energija se oslobađa i pohranjuje u ATP. Oksidacija glukoze igra posebnu ulogu u staničnom energetskom metabolizmu. Molekuli glukoze prolaze kroz niz uzastopnih transformacija.

Prva faza, tzv glikoliza, odvija se u citoplazmi ćelija i ne zahteva kiseonik. Kao rezultat uzastopnih reakcija koje uključuju enzime, glukoza se razlaže na dva molekula pirogrožđane kiseline. U tom slučaju se troše dva ATP molekula, a energija oslobođena tokom oksidacije dovoljna je da se formiraju četiri ATP molekula. Kao rezultat toga, energetski izlaz glikolize je mali i iznosi dva ATP molekula:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

U anaerobnim uslovima (u nedostatku kiseonika), dalje transformacije mogu biti povezane sa različitim tipovima fermentacija.

Svi znaju fermentacija mliječne kiseline(kiseljenje mlijeka), koje nastaje djelovanjem gljivica i bakterija mliječne kiseline. Mehanizam je sličan glikolizi, samo što je konačni proizvod ovdje mliječna kiselina. Ova vrsta oksidacije glukoze javlja se u ćelijama kada postoji nedostatak kiseonika, kao što je u mišićima koji intenzivno rade. Alkoholna fermentacija je po hemiji bliska fermentaciji mliječne kiseline. Razlika je u tome što su proizvodi alkoholne fermentacije etil alkohol i ugljični dioksid.

Sljedeća faza, tokom koje se pirogrožđana kiselina oksidira u ugljični dioksid i vodu, naziva se ćelijskog disanja. Reakcije povezane s disanjem odvijaju se u mitohondrijima biljnih i životinjskih stanica, i to samo u prisustvu kisika. Riječ je o nizu kemijskih transformacija prije formiranja konačnog proizvoda - ugljičnog dioksida. U različitim fazama ovog procesa nastaju međuprodukti oksidacije polazne tvari uz eliminaciju atoma vodika. U tom slučaju se oslobađa energija koja se "konzervira" u kemijskim vezama ATP-a i formiraju se molekuli vode. Postaje jasno da je kiseonik potreban upravo da bi se vezali razdvojeni atomi vodika. Ova serija hemijskih transformacija je prilično složena i odvija se uz učešće unutrašnjih membrana mitohondrija, enzima i proteina nosača.

Ćelijsko disanje je veoma efikasno. Sintetizira se 30 molekula ATP-a, tijekom glikolize nastaju još dvije molekule, a kao rezultat transformacije produkata glikolize na membranama mitohondrija nastaje šest molekula ATP-a. Ukupno, kao rezultat oksidacije jedne molekule glukoze, nastaje 38 ATP molekula:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

Završne faze oksidacije ne samo šećera, već i proteina i lipida javljaju se u mitohondrijima. Ove supstance koriste ćelije, uglavnom kada se završi snabdevanje ugljenim hidratima. Prvo se troše masti, čijom oksidacijom se oslobađa znatno više energije nego iz jednake količine ugljikohidrata i proteina. Stoga mast kod životinja predstavlja glavnu „stratešku rezervu“ energetskih resursa. U biljkama škrob igra ulogu rezerve energije. Kada se skladišti, zauzima znatno više prostora od energetske ekvivalentne količine masti. Za biljke to nije prepreka, jer su nepokretne i ne nose zalihe na sebi, kao životinje. Energiju možete izvući iz ugljikohidrata mnogo brže nego iz masti. Proteini obavljaju mnoge važne funkcije u tijelu, pa su stoga uključeni u energetski metabolizam samo kada su resursi šećera i masti iscrpljeni, na primjer, tokom dugotrajnog gladovanja.

FOTOSINTEZA. fotosinteza je proces tokom kojeg se energija sunčevih zraka pretvara u energiju hemijskih veza organskih jedinjenja. U biljnim stanicama procesi povezani s fotosintezom odvijaju se u hloroplastima. Unutar ove organele postoje membranski sistemi u koje su ugrađeni pigmenti koji hvataju energiju zračenja Sunca. Glavni pigment fotosinteze je hlorofil, koji apsorbuje pretežno plave i ljubičaste, kao i crvene zrake spektra. Zeleno svjetlo se reflektira, pa sam hlorofil i dijelovi biljaka koji ga sadrže izgledaju zeleno.

U fotosintezi postoje dvije faze - svjetlo I mračno(Sl. 53). Stvarno hvatanje i konverzija energije zračenja se dešava tokom svetlosne faze. Kada apsorbira kvante svjetlosti, hlorofil prelazi u pobuđeno stanje i postaje donor elektrona. Njegovi elektroni se prenose iz jednog proteinskog kompleksa u drugi duž lanca transporta elektrona. Proteini ovog lanca, poput pigmenata, koncentrirani su na unutrašnjoj membrani hloroplasta. Kada se elektron kreće duž lanca nosača, on gubi energiju koja se koristi za sintezu ATP-a. Neki od elektrona pobuđenih svjetlošću koriste se za smanjenje NDP (nikotinamid adenin dinukleotifosfat) ili NADPH.

Rice. 53. Reakcijski proizvodi svjetlosne i tamne faze fotosinteze

Pod uticajem sunčeve svetlosti, molekuli vode se takođe razlažu u hloroplastima - fotoliza; u ovom slučaju se pojavljuju elektroni koji nadoknađuju svoje gubitke hlorofilom; Ovo proizvodi kiseonik kao nusproizvod:

Dakle, funkcionalno značenje svjetlosne faze je sinteza ATP-a i NADPH pretvaranjem svjetlosne energije u kemijsku energiju.

Svjetlost nije potrebna da bi nastupila tamna faza fotosinteze. Suština procesa koji se ovdje odvijaju je da se ATP i NADPH molekuli proizvedeni u svjetlosnoj fazi koriste u nizu kemijskih reakcija koje “fiksiraju” CO2 u obliku ugljikohidrata. Sve reakcije tamne faze odvijaju se unutar hloroplasta, a ugljični dioksid ADP i NADP koji se oslobađaju tokom “fiksacije” ponovo se koriste u reakcijama svijetle faze za sintezu ATP i NADPH.

Ukupna jednadžba fotosinteze je sljedeća:

ODNOS I JEDINSTVO PROCESA RAZMJENE PLASTIKE I ENERGIJE. Procesi sinteze ATP-a odvijaju se u citoplazmi (glikoliza), u mitohondrijima (ćelijsko disanje) i u hloroplastima (fotosinteza). Sve reakcije koje se dešavaju tokom ovih procesa su reakcije razmene energije. Energija pohranjena u obliku ATP-a se troši u reakcijama plastične izmjene za proizvodnju proteina, masti, ugljikohidrata i nukleinskih kiselina neophodnih za život ćelije. Imajte na umu da je tamna faza fotosinteze lanac reakcija, plastične izmjene, a svjetlosna faza je razmjena energije.

Međusobnu povezanost i jedinstvo procesa izmjene energije i plastike dobro ilustruje sljedeća jednačina:

Čitajući ovu jednačinu s lijeva na desno, dobijamo proces oksidacije glukoze u ugljični dioksid i vodu tokom glikolize i ćelijskog disanja, povezan sa sintezom ATP-a (energetski metabolizam). Ako ga čitate s desna na lijevo, dobivate opis reakcija tamne faze fotosinteze, kada se glukoza sintetizira iz vode i ugljičnog dioksida uz sudjelovanje ATP-a (plastična izmjena).

HEMOSINTEZA. Osim fotoautotrofa, neke bakterije (vodikove bakterije, nitrifikacijske bakterije, sumporne bakterije itd.) su sposobne sintetizirati organske tvari iz anorganskih. Ovu sintezu provode zahvaljujući energiji koja se oslobađa tokom oksidacije neorganskih supstanci. Zovu se hemoautotrofi. Ove hemosintetske bakterije igraju važnu ulogu u biosferi. Na primjer, nitrificirajuće bakterije pretvaraju amonijeve soli koje biljke nisu dostupne za apsorpciju u soli dušične kiseline, koje one dobro apsorbiraju.

Ćelijski metabolizam se sastoji od reakcija energetskog i plastičnog metabolizma. Tokom energetskog metabolizma nastaju organska jedinjenja sa visokoenergetskim hemijskim vezama – ATP. Energija potrebna za to dolazi od oksidacije organskih jedinjenja tokom anaerobnih (glikoliza, fermentacija) i aerobnih (ćelijsko disanje) reakcija; od sunčeve svjetlosti, čija se energija apsorbira u svjetlosnoj fazi (fotosinteza); od oksidacije anorganskih spojeva (kemosinteza). ATP energija se troši na sintezu organskih spojeva neophodnih za ćeliju tokom reakcija plastične izmjene, koje uključuju reakcije tamne faze fotosinteze.

• Koje su razlike između plastičnog i energetskog metabolizma?
• Kako se energija sunčeve svjetlosti pretvara u svjetlosnu fazu fotosinteze? Koji se procesi odvijaju tokom mračne faze fotosinteze?
• Zašto se fotosinteza naziva procesom reflektiranja planetarno-kosmičke interakcije?

Bilo koje svojstvo živih bića, i svaka manifestacija života povezana je s određenim kemijskim reakcijama u ćeliji. Ove reakcije se javljaju ili s trošenjem ili s oslobađanjem energije. Cijeli skup procesa transformacije tvari u ćeliji, kao iu tijelu, naziva se metabolizam.

Anabolizam

Tokom svog života, ćelija održava konstantnost svog unutrašnjeg okruženja, što se naziva homeostaza. Da bi to učinio, sintetizira supstance u skladu sa svojim genetskim informacijama.

Rice. 1. Metabolička šema.

Ovaj dio metabolizma, tokom kojeg se stvaraju visokomolekularna jedinjenja karakteristična za datu ćeliju, naziva se plastični metabolizam (asimilacija, anabolizam).

Anaboličke reakcije uključuju:

• sinteza proteina iz aminokiselina;
• stvaranje škroba iz glukoze;
• fotosinteza;
• sinteza masti iz glicerola i masnih kiselina.

Ove reakcije su moguće samo uz trošenje energije. Ako se vanjska (svjetlosna) energija troši na fotosintezu, onda za ostalo - resursi ćelije.

TOP 4 člankakoji čitaju uz ovo

Količina energije koja se troši na asimilaciju veća je od one koja je pohranjena u hemijskim vezama, jer se dio koristi za regulaciju procesa.

Katabolizam

Druga strana metabolizma i transformacije energije u ćeliji je energetski metabolizam (disimilacija, katabolizam).

Kataboličke reakcije su praćene oslobađanjem energije.
Ovaj proces uključuje:

• dah;
• razlaganje polisaharida na monosaharide;
• razlaganje masti na masne kiseline i glicerol i druge reakcije.

Rice. 2. Katabolički procesi u ćeliji.

Međusobna povezanost procesa razmjene

Svi procesi u ćeliji su usko povezani jedni s drugima, kao i sa procesima u drugim ćelijama i organima. Transformacije organskih supstanci zavise od prisustva neorganskih kiselina, makro- i mikroelemenata.

Procesi katabolizma i anabolizma odvijaju se istovremeno u ćeliji i dvije su suprotne komponente metabolizma.

Metabolički procesi povezani su sa određenim ćelijskim strukturama:

• dah- sa mitohondrijama;
• sinteza proteina- sa ribozomima;
• fotosinteza- sa hloroplastima.

Ćeliju ne karakterišu pojedinačni hemijski procesi, već pravilan redosled u kojem se odvijaju. Regulatori metabolizma su proteini enzima koji usmjeravaju reakcije i mijenjaju njihov intenzitet.

ATP

Adenozin trifosforna kiselina (ATP) igra posebnu ulogu u metabolizmu. To je kompaktni uređaj za skladištenje kemijske energije koji se koristi za fuzijske reakcije.

Rice. 3. Šema strukture ATP-a i njegova konverzija u ADP.

Zbog svoje nestabilnosti, ATP formira molekule ADP i AMP (di- i monofosfat) uz oslobađanje velike količine energije za procese asimilacije.

Svi živi organizmi, osim virusa, izgrađeni su od ćelija. Oni pružaju sve procese potrebne za život biljke ili životinje. Sama ćelija može biti poseban organizam. I kako tako složena struktura može živjeti bez energije? Naravno da ne. Pa kako ćelije dobijaju energiju? Zasnovan je na procesima koje ćemo razmotriti u nastavku.

Osiguravanje ćelija energijom: kako se to događa?

Malo ćelija prima energiju izvana; one je same proizvode. imaju jedinstvene „stanice“. A izvor energije u ćeliji je mitohondrija, organela koja je proizvodi. U njemu se odvija proces ćelijskog disanja. Zahvaljujući njemu, ćelije su opskrbljene energijom. Međutim, prisutni su samo u biljkama, životinjama i gljivama. Bakterijske ćelije nemaju mitohondrije. Stoga se njihove ćelije opskrbljuju energijom uglavnom kroz procese fermentacije, a ne kroz disanje.

Struktura mitohondrija

Ovo je dvomembranska organela koja se u eukariotskoj stanici pojavila tokom procesa evolucije kao rezultat njene apsorpcije manje, čime se može objasniti činjenica da mitohondrije sadrže vlastitu DNK i RNK, kao i mitohondrijske ribozome koji proizvode proteini neophodni za organele.

Unutrašnja membrana ima izbočine koje se nazivaju kriste, ili grebeni. Na kristama se odvija proces ćelijskog disanja.

Ono što se nalazi unutar dvije membrane naziva se matriks. Sadrži proteine, enzime neophodne za ubrzavanje hemijskih reakcija, kao i RNK, DNK i ribozome.

Ćelijsko disanje je osnova života

Odvija se u tri faze. Pogledajmo svaki od njih detaljnije.

Prva faza je pripremna

Tokom ove faze, složena organska jedinjenja se razlažu na jednostavnija. Tako se proteini razlažu na aminokiseline, masti na karboksilne kiseline i glicerol, nukleinske kiseline na nukleotide, a ugljikohidrati na glukozu.

Glikoliza

Ovo je faza bez kiseonika. Ona leži u činjenici da se supstance dobijene tokom prve faze dalje razgrađuju. Glavni izvori energije koje ćelija koristi u ovoj fazi su molekuli glukoze. Svaki od njih se tokom glikolize raspada na dva molekula piruvata. Ovo se dešava tokom deset uzastopnih hemijskih reakcija. Kao rezultat prvih pet, glukoza se fosforilira, a zatim dijeli na dvije fosfotrioze. Sljedećih pet reakcija proizvode dva molekula i dva molekula PVA (pirogrožđane kiseline). Energija ćelije se pohranjuje u obliku ATP-a.

Cijeli proces glikolize može se pojednostaviti na sljedeći način:

2NAD+ 2ADP + 2H 3 PO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2NAD. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Tako, upotrebom jednog molekula glukoze, dva molekula ADP-a i dvije fosforne kiseline, stanica prima dva molekula ATP-a (energije) i dva molekula pirogrožđane kiseline, koje će iskoristiti u sljedećem koraku.

Treća faza je oksidacija

Ova faza se javlja samo u prisustvu kiseonika. Hemijske reakcije ove faze odvijaju se u mitohondrijima. Ovo je glavni dio tokom kojeg se oslobađa najviše energije. U ovoj fazi, reagirajući s kisikom, razlaže se na vodu i ugljični dioksid. Osim toga, formira se 36 ATP molekula. Dakle, možemo zaključiti da su glavni izvori energije u ćeliji glukoza i pirogrožđana kiselina.

Sumirajući sve hemijske reakcije i izostavljajući detalje, možemo izraziti ceo proces ćelijskog disanja jednom pojednostavljenom jednačinom:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 PO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

Tako, tokom disanja, iz jednog molekula glukoze, šest molekula kiseonika, trideset osam molekula ADP-a i iste količine fosforne kiseline, ćelija dobija 38 molekula ATP-a u čijem obliku se pohranjuje energija.

Raznolikost mitohondrijalnih enzima

Ćelija dobija energiju za vitalnu aktivnost putem disanja - oksidacije glukoze, a zatim pirogrožđane kiseline. Sve ove hemijske reakcije ne bi se mogle odvijati bez enzima – bioloških katalizatora. Pogledajmo one koji se nalaze u mitohondrijima, organelama odgovornim za ćelijsko disanje. Sve se one nazivaju oksidoreduktazama jer su potrebne da bi se osigurala pojava redoks reakcija.

Sve oksidoreduktaze se mogu podijeliti u dvije grupe:

• oksidaze;
• dehidrogenaza;

Dehidrogenaze se, pak, dijele na aerobne i anaerobne. Aerobne sadrže koenzim riboflavin, koji tijelo prima iz vitamina B2. Aerobne dehidrogenaze sadrže NAD i NADP molekule kao koenzime.

Oksidaze su raznovrsnije. Prije svega, podijeljeni su u dvije grupe:

• one koje sadrže bakar;
• one koje sadrže gvožđe.

Prvi uključuju polifenoloksidaze i askorbat oksidazu, drugi uključuju katalazu, peroksidazu i citokrome. Potonji su, pak, podijeljeni u četiri grupe:

• citokromi a;
• citokromi b;
• citokromi c;
• citokromi d.

Citohromi a sadrže gvožđe formil porfirin, citohromi b – gvožđe protoporfirin, c – supstituisano gvožđe mezoporfirin, d – gvožđe dihidroporfirin.

Postoje li drugi načini za dobijanje energije?

Iako ga većina stanica dobiva putem ćelijskog disanja, postoje i anaerobne bakterije kojima nije potreban kisik za postojanje. Oni proizvode potrebnu energiju fermentacijom. To je proces tokom kojeg se uz pomoć enzima razgrađuju ugljikohidrati bez sudjelovanja kiseonika, usled čega ćelija dobija energiju. Postoji nekoliko vrsta fermentacije u zavisnosti od konačnog produkta hemijskih reakcija. To može biti mliječna kiselina, alkoholna, buterna kiselina, aceton-butan, limunska kiselina.

Na primjer, uzmite u obzir. Može se izraziti sljedećom jednadžbom:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Odnosno, bakterija razlaže jedan molekul glukoze u jedan molekul etil alkohola i dva molekula ugljičnog oksida (IV).

ATP je univerzalna energetska "valuta" ćelije. Jedan od najneverovatnijih „izumi“ prirode su molekuli takozvanih „makroergijskih“ supstanci, u čijoj hemijskoj strukturi postoji jedna ili više veza koje deluju kao uređaji za skladištenje energije. U prirodi je pronađeno nekoliko sličnih molekula, ali samo jedan od njih se nalazi u ljudskom tijelu - adenozin trifosforna kiselina (ATP). Ovo je prilično složena organska molekula na koju su vezana 3 negativno nabijena ostatka neorganske fosforne kiseline PO. Upravo su ti ostaci fosfora povezani sa organskim dijelom molekule „makroergijskim“ vezama, koje se lako uništavaju tijekom različitih unutarćelijskih reakcija. Međutim, energija ovih veza se ne raspršuje u prostoru u obliku toplote, već se koristi za kretanje ili hemijsku interakciju drugih molekula. Zahvaljujući ovom svojstvu ATP u ćeliji obavlja funkciju univerzalnog uređaja za pohranu energije (akumulatora), kao i univerzalne "valute". Na kraju krajeva, skoro svaka hemijska transformacija koja se dogodi u ćeliji apsorbuje ili oslobađa energiju. Prema zakonu održanja energije, ukupna količina energije koja nastaje kao rezultat oksidativnih reakcija i pohranjena u obliku ATP-a jednaka je količini energije koju ćelija može iskoristiti za svoje sintetičke procese i obavljanje bilo koje funkcije. . Kao "plaćanje" za mogućnost da izvrši ovu ili onu radnju, ćelija je prisiljena potrošiti svoje zalihe ATP-a. Posebno treba naglasiti: molekula ATP-a je toliko velika da ne može proći kroz ćelijsku membranu. Stoga, ATP proizveden u jednoj ćeliji ne može se koristiti od strane druge ćelije. Svaka stanica tijela prisiljena je samostalno sintetizirati ATP za svoje potrebe u količinama u kojima je potrebna za obavljanje svojih funkcija.

Tri izvora resinteze ATP-a u ljudskim ćelijama. Očigledno, daleki preci ćelija ljudskog tijela postojali su prije mnogo milijuna godina okruženi biljnim stanicama, koje su ih opskrbljivale ugljikohidratima u izobilju, dok je kisika bilo malo ili nimalo. Upravo su ugljikohidrati najkorištenija komponenta nutrijenata za proizvodnju energije u tijelu. I iako je većina stanica ljudskog tijela stekla sposobnost korištenja proteina i masti kao energetskih sirovina, neke (na primjer, živčane, crvena krv, muške reproduktivne) stanice su sposobne proizvoditi energiju samo oksidacijom ugljikohidrata.

Procesi primarne oksidacije ugljikohidrata - odnosno glukoze, koja je, zapravo, glavni supstrat oksidacije u stanicama - odvijaju se direktno u citoplazmi: tamo se nalaze enzimski kompleksi, zbog kojih je molekula glukoze djelomično uništena, a oslobođena energija se pohranjuje u obliku ATP-a. Ovaj proces se naziva glikoliza, može se odvijati u svim ćelijama ljudskog tijela bez izuzetka. Kao rezultat ove reakcije, dva 3-ugljična molekula pirogrožđane kiseline i dva molekula ATP-a nastaju iz jedne 6-ugljične molekule glukoze.

Glikoliza je vrlo brz, ali relativno neefikasan proces. Pirogrožđana kiselina, nastala u ćeliji nakon završetka reakcija glikolize, gotovo se odmah pretvara u mliječnu kiselinu, a ponekad (na primjer, pri teškom mišićnom radu) se oslobađa u krv u vrlo velikim količinama, budući da je to mali molekul koji može slobodno prolaze kroz ćelijsku membranu. Ovako masovno oslobađanje kiselih metaboličkih produkata u krv narušava homeostazu i tijelo mora uključiti posebne homeostatske mehanizme kako bi se izborilo s posljedicama mišićnog rada ili drugog aktivnog djelovanja.

Pirogrožđana kiselina nastala kao rezultat glikolize još uvijek sadrži dosta potencijalne kemijske energije i može poslužiti kao supstrat za dalju oksidaciju, ali za to su potrebni posebni enzimi i kisik. Ovaj proces se odvija u mnogim ćelijama koje sadrže posebne organele - mitohondrije. Unutrašnja površina mitohondrijalnih membrana je sastavljena od velikih molekula lipida i proteina, uključujući veliki broj oksidativnih enzima. Molekule sa tri ugljika formirane u citoplazmi prodiru unutar mitohondrija - obično octena kiselina (acetat). Tamo su uključeni u kontinuirani ciklus reakcija, tokom kojih se atomi ugljika i vodika naizmjenično odvajaju od ovih organskih molekula, koji se, spajajući se s kisikom, pretvaraju u ugljični dioksid i vodu. Ove reakcije oslobađaju veliku količinu energije, koja se pohranjuje u obliku ATP-a. Svaki molekul pirogrožđane kiseline, nakon što je prošao puni ciklus oksidacije u mitohondrijima, omogućava ćeliji da dobije 17 molekula ATP-a. Dakle, potpuna oksidacija 1 molekula glukoze daje ćeliji 2+17x2 = 36 ATP molekula. Jednako je važno da proces mitohondrijalne oksidacije može uključivati ​​i masne kiseline i aminokiseline, odnosno komponente masti i proteina. Zahvaljujući ovoj sposobnosti, mitohondrije čine ćeliju relativno nezavisnom od hrane koju tijelo jede: u svakom slučaju će se proizvesti potrebna količina energije.

Dio energije je pohranjen u ćeliji u obliku manjeg i pokretljivijeg molekula, kreatin fosfata (CrP), od ATP-a. To je ovaj mali molekul koji se može brzo kretati s jednog kraja ćelije na drugi – tamo gdje je energija trenutno najpotrebnija. KrF ne može sam dati energiju procesima sinteze, mišićne kontrakcije ili provođenja nervnog impulsa: za to je potreban ATP. No, s druge strane, KrP je lako i praktično bez gubitaka sposoban svu energiju koja se nalazi u njemu predati molekulu adenazin difosfata (ADP), koji se odmah pretvara u ATP i spreman je za daljnje biokemijske transformacije.

Dakle, energija koja se troši tokom funkcionisanja ćelije, tj. ATP se može obnoviti zahvaljujući tri glavna procesa: anaerobnoj (bez kisika) glikolizi, aerobnoj (uz sudjelovanje kisika) mitohondrijalnoj oksidaciji, a također i zbog prijenosa fosfatne grupe sa CrP na ADP.

Izvor kreatin fosfata je najmoćniji, jer se reakcija kreatin fosfata sa ADP odvija vrlo brzo. Međutim, rezerva CrP-a u ćeliji je obično mala - na primjer, mišići mogu raditi s maksimalnim naporom zbog CrP-a ne više od 6-7 s. Ovo je obično dovoljno da pokrene drugi najmoćniji - glikolitički - izvor energije. U ovom slučaju resurs nutrijenata je višestruko veći, ali kako rad napreduje, homeostaza postaje sve više naglašena zbog stvaranja mliječne kiseline, a ako takav rad obavljaju veliki mišići, ne može trajati duže od 1,5-2 minute. Ali za to vrijeme mitohondrije su gotovo potpuno aktivirane, koje su sposobne sagorijevati ne samo glukozu, već i masne kiseline, čija je zaliha u tijelu gotovo neiscrpna. Dakle, aerobni mitohondrijski izvor može raditi jako dugo, iako je njegova snaga relativno mala - 2-3 puta manja od glikolitičkog izvora i 5 puta manja od snage izvora kreatin fosfata.

Osobine organizacije proizvodnje energije u različitim tkivima tijela. Različita tkiva imaju različite nivoe mitohondrija. Najmanje ih ima u kostima i bijeloj masti, najviše u smeđoj masti, jetri i bubrezima. U nervnim ćelijama ima dosta mitohondrija. Mišići nemaju visoku koncentraciju mitohondrija, ali zbog činjenice da su skeletni mišići najmasivnije tkivo tijela (oko 40% tjelesne težine odrasle osobe), potrebe mišićnih stanica u velikoj mjeri određuju intenzitet i smjer svih procesa energetskog metabolizma. I. A. Arshavsky je ovo nazvao "energetskim pravilom skeletnih mišića".

S godinama se mijenjaju dvije važne komponente energetskog metabolizma odjednom: mijenja se odnos masa tkiva s različitim metaboličkim aktivnostima, kao i sadržaj najvažnijih oksidativnih enzima u tim tkivima. Kao rezultat toga, energetski metabolizam prolazi kroz prilično složene promjene, ali općenito njegov intenzitet opada s godinama, i to prilično značajno.

Zdravo svima! Želio sam da posvetim ovaj članak ćelijskom jezgru i DNK. Ali prije toga, moramo se dotaknuti kako ćelija skladišti i koristi energiju (hvala). Dotaknut ćemo se pitanja vezanih za energiju skoro svuda. Hajde da ih shvatimo unapred.

Od čega možete dobiti energiju? Da od svih stvari! Biljke koriste svjetlosnu energiju. I neke bakterije. To jest, organske tvari se sintetiziraju iz neorganskih pomoću svjetlosne energije. + Postoje hemotrofi. Sintetiziraju organske tvari od anorganskih koristeći energiju oksidacije amonijaka, sumporovodika i drugih tvari. I tu smo ti i ja. Mi smo heterotrofi. Ko su oni? To su oni koji ne znaju sintetizirati organske tvari od neorganskih. Odnosno, hemosinteza i fotosinteza nisu za nas. Uzimamo gotovu organsku materiju (jedemo je). Rastavljamo ga na komade i ili ga koristimo kao građevinski materijal ili ga uništavamo da bismo dobili energiju.
Šta tačno možemo analizirati za energiju? Proteini (prvo ih razlažu na aminokiseline), masti, ugljikohidrati i etil alkohol (ali ovo nije obavezno). Odnosno, sve ove supstance se mogu koristiti kao izvori energije. Ali za skladištenje koristimo masti i ugljenih hidrata. Volim ugljene hidrate! U našem tijelu, glavni skladišni ugljikohidrat je glikogen.

Sastoji se od ostataka glukoze. To jest, to je dugačak, razgranati lanac koji se sastoji od identičnih jedinica (glukoze). Ako nam je potrebna energija, odvajamo jedan po komad od kraja lanca i oksidacijom dobijamo energiju. Ovakav način dobijanja energije karakterističan je za sve ćelije u telu, a posebno mnogo glikogena ima u ćelijama jetre i mišićnog tkiva.

Hajde sada da pričamo o masti. Pohranjuje se u posebnim ćelijama vezivnog tkiva. Njihovo ime je adipociti. U suštini, to su ćelije sa ogromnom kapljicom masti unutra.

Ako je potrebno, tijelo uklanja masnoću iz ovih ćelija, djelimično je razgrađuje i transportuje. Na mjestu isporuke dolazi do konačnog cijepanja uz oslobađanje i transformaciju energije.

Prilično popularno pitanje: "Zašto ne možete pohraniti svu svoju energiju kao mast ili glikogen?"
Ovi izvori energije imaju različite namjene. Energija se može dobiti iz glikogena prilično brzo. Njegovo raspadanje počinje gotovo odmah nakon početka rada mišića, dostižući vrhunac za 1-2 minute. Razgradnja masti odvija se nekoliko redova veličine sporije. Odnosno, ako negdje spavate ili lagano hodate, imate stalan trošak energije, a to se može obezbijediti razgradnjom masti. Ali čim odlučite da ubrzate (serveri su pali, potrčali ste da ih pokupite), odjednom će vam trebati puno energije i nećete ga moći brzo dobiti razgradnjom masti. Ovdje nam je potreban glikogen.

Postoji još jedna bitna razlika. Glikogen vezuje mnogo vode. Otprilike 3 g vode na 1 g glikogena. Odnosno, za 1 kg glikogena ovo je već 3 kg vode. Nije optimalno... Lakše je sa mastima. Molekuli lipida (masti = lipidi), koji skladište energiju, nisu nabijeni, za razliku od molekula vode i glikogena. Takvi molekuli se nazivaju hidrofobni (bukvalno, boje se vode). Molekuli vode su polarizovani. Ovako to izgleda.

U suštini, pozitivno nabijeni atomi vodika stupaju u interakciju s negativno nabijenim atomima kisika. Rezultat je stabilno i energetski povoljno stanje.
Sada zamislimo molekule lipida. Oni nisu nabijeni i ne mogu normalno komunicirati s polariziranim molekulima vode. Stoga je mješavina lipida s vodom energetski nepovoljna. Molekuli lipida nisu u stanju da adsorbuju vodu, kao što to čini glikogen. One se "skupljaju" u takozvane lipidne kapljice, okružene membranom od fosfolipida (jedna strana je nabijena i okrenuta prema vodi prema van, druga nije napunjena i okrenuta prema lipidima kapi). Kao rezultat, imamo stabilan sistem koji efikasno skladišti lipide i ništa dodatno.

U redu, shvatili smo u kojim oblicima se pohranjuje energija. Šta se dalje događa s njom? Tako smo odvojili molekul glukoze od glikogena. Pretvorili su je u energiju. Šta to znači?
Napravimo malu digresiju.

Svake sekunde u ćeliji se dogodi oko 1.000.000.000 reakcija. Kada dođe do reakcije, jedna supstanca se transformiše u drugu. Šta se dešava sa njegovom unutrašnjom energijom? Može se smanjiti, povećati ili ostati nepromijenjena. Ako se smanji -> energija se oslobađa. Ako se poveća -> morate uzimati energiju izvana. Tijelo obično kombinira takve reakcije. Odnosno, energija oslobođena tokom jedne reakcije ide za izvođenje druge.

Dakle, u tijelu postoje posebna jedinjenja, makroergi, koji su u stanju da akumuliraju i prenose energiju tokom reakcije. Oni sadrže jednu ili više hemijskih veza u kojima se ta energija akumulira. Sada se možete vratiti na glukozu. Energija koja se oslobađa tokom njegovog raspada biće uskladištena u vezama ovih makroerga.

Pogledajmo to na primjeru.

Najčešći makroerg (energetska valuta) ćelije je ATP (Adenozin trifosfat).

Izgleda otprilike ovako.

Sastoji se od azotne baze adenina (jedan od 4 koja se koriste za kodiranje informacija u DNK), riboze šećera i tri ostatka fosforne kiseline (dakle adenozin TRIfosfat). Energija se akumulira u vezama između ostataka fosforne kiseline. Kada se eliminiše jedan ostatak fosforne kiseline, formira se ADP (Adenozin difosfat). ADP može osloboditi energiju razbijanjem drugog ostatka i pretvaranjem u AMP (Adenozin MONOfosfat). Ali efikasnost odvajanja drugog ostatka je mnogo niža. Stoga tijelo obično teži ponovnom dobivanju ATP-a iz ADP-a. Ide otprilike ovako. Prilikom razgradnje glukoze, oslobođena energija se troši na stvaranje veze između dva ostatka fosforne kiseline i stvaranje ATP-a. Proces je višestepeni i za sada ćemo ga preskočiti.

Rezultirajući ATP je univerzalni izvor energije. Koristi se svuda, od sinteze proteina (potrebna je energija za kombinovanje aminokiselina) do rada mišića. Motorni proteini koji izvode kontrakciju mišića koriste energiju pohranjenu u ATP-u kako bi promijenili svoju konformaciju. Promjena konformacije je preorijentacija jednog dijela velike molekule u odnosu na drugi. Izgleda otprilike ovako.

To jest, energija hemijske veze se pretvara u mehaničku energiju. Evo pravih primjera proteina koji koriste ATP za obavljanje posla.

Upoznajte miozin. Motorni protein. Pomiče velike unutarćelijske formacije i sudjeluje u kontrakciji mišića. Imajte na umu da ima dvije “noge”. Koristeći energiju pohranjenu u 1 ATP molekulu, vrši jednu konformacijsku promjenu, u suštini jedan korak. Najjasniji primjer prelaska kemijske energije ATP-a u mehaničku energiju.

Drugi primjer je Na/K pumpa. U prvoj fazi vezuje tri molekula Na i jedan ATP. Koristeći energiju ATP-a, mijenja konformaciju, oslobađajući Na iz ćelije. Zatim veže dva molekula kalija i, vraćajući se u prvobitnu konformaciju, prenosi kalij u ćeliju. Ovo je izuzetno važno; omogućava vam održavanje normalnih intracelularnih nivoa Na.

Ali ozbiljno, onda:

Pauza. Zašto nam je potreban ATP? Zašto ne možemo direktno koristiti energiju pohranjenu u glukozi? Savršeno je da ako istovremeno oksidirate glukozu u CO2, odmah će se osloboditi izuzetno velika količina energije. I većina će se raspršiti kao toplina. Stoga je reakcija podijeljena na faze. Svaki od njih oslobađa malo energije, ona se pohranjuje i reakcija se nastavlja sve dok se tvar potpuno ne oksidira.

Dozvolite mi da sumiram. Energija se skladišti u mastima i ugljikohidratima. Može se brže izdvojiti iz ugljikohidrata, ali više se može pohraniti u masti. Za izvođenje reakcija ćelija koristi visokoenergetska jedinjenja u kojima se pohranjuje energija razgradnje masti, ugljenih hidrata itd... ATP je glavno takvo jedinjenje u ćeliji. U suštini, uzmi i koristi. Međutim, ne jedini. Ali više o tome kasnije.

P.S. Pokušao sam maksimalno pojednostaviti materijal, pa je bilo nekih netačnosti. Molim revne biologe da mi oproste.

Oznake: Dodajte oznake