Šta proizvodi energiju u ćeliji. Kako ćelije dobijaju energiju. Kiseonik kao vitalna potreba

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?

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.

Živa ćelija ima inherentno nestabilnu i gotovo nevjerovatnu organizaciju; Ćelija je u stanju da održi vrlo specifičan i lijepo složen poredak svoje krhke strukture samo zahvaljujući kontinuiranoj potrošnji energije.

Čim prestane snabdevanje energijom, složena struktura ćelije se raspada i ona prelazi u neuređeno i neorganizovano stanje. Pored obezbeđivanja hemijskih procesa neophodnih za održavanje integriteta ćelije, u različitim tipovima ćelija, zbog konverzije energije, sprovodi se niz mehaničkih, električnih, hemijskih i osmotskih procesa povezanih sa životom organizma. je osigurano.

Naučivši relativno nedavno da izvlači energiju sadržanu u različitim neživim izvorima za obavljanje raznih poslova, čovjek je počeo shvaćati koliko vješto i s kojom visokom efikasnošću ćelija pretvara energiju. Transformacija energije u živoj ćeliji podliježe istim zakonima termodinamike koji djeluju u neživoj prirodi. Prema prvom zakonu termodinamike, ukupna energija zatvorenog sistema sa bilo kojom fizičkom promjenom uvijek ostaje konstantna. Prema drugom zakonu, energija može postojati u dva oblika: u obliku "slobodne" ili korisne energije i obliku beskorisne raspršene energije. Isti zakon kaže da sa bilo kojom fizičkom promjenom postoji tendencija rasipanja energije, odnosno smanjenja količine slobodne energije i povećanja entropije. U međuvremenu, živoj ćeliji je potrebno stalno snabdevanje besplatnom energijom.

Inženjer dobija energiju koja mu je potrebna uglavnom iz energije hemijskih veza sadržanih u gorivu. Sagorevanjem goriva pretvara hemijsku energiju u toplotnu energiju; onda može koristiti toplinsku energiju za rotaciju, na primjer, parnu turbinu i na taj način dobiti električnu energiju. Ćelije takođe dobijaju besplatnu energiju oslobađanjem energije hemijskih veza sadržanih u "gorivu". Energiju pohranjuju u tim vezama one ćelije koje sintetiziraju hranjive tvari koje služe kao takvo gorivo. Međutim, ćelije koriste ovu energiju na vrlo specifičan način. Budući da je temperatura na kojoj živa stanica funkcionira približno konstantna, stanica ne može koristiti toplinsku energiju za rad. Da bi nastao rad zbog toplotne energije, toplota se mora preći sa više zagrejanog tela na manje zagrejano. Apsolutno je jasno da ćelija ne može sagoreti svoje gorivo na temperaturi sagorevanja uglja (900°); Niti može izdržati izlaganje pregrijanoj pari ili struji visokog napona. Ćelija mora da izdvaja i koristi energiju u uslovima prilično konstantne i, osim toga, niske temperature, razblaženog jodnog okruženja i vrlo blagih fluktuacija u koncentraciji vodikovih jona. Da bi stekla sposobnost dobijanja energije, ćelija je tokom vekova evolucije organskog sveta unapredila svoje izuzetne molekularne mehanizme, koji rade neobično efikasno u ovim blagim uslovima.

Ćelijski mehanizmi za izvlačenje energije podijeljeni su u dvije klase, a na osnovu razlika u tim mehanizmima, sve ćelije se mogu podijeliti u dva glavna tipa. Ćelije prvog tipa nazivaju se heterotrofne; To uključuje sve ćelije ljudskog tela i ćelije svih viših životinja. Ove ćelije zahtijevaju stalnu opskrbu gotovim gorivom vrlo složenog hemijskog sastava. Takva goriva su ugljikohidrati, proteini i masti, odnosno pojedinačne komponente drugih ćelija i tkiva. Heterotrofne ćelije dobijaju energiju sagorevanjem ili oksidacijom ovih složenih supstanci (koje proizvode druge ćelije) u procesu zvanom disanje, koji uključuje molekularni kiseonik (O2) atmosfere. Heterotrofne ćelije koriste ovu energiju za obavljanje svojih bioloških funkcija, ispuštajući ugljični dioksid u atmosferu kao krajnji proizvod.

Ćelije koje pripadaju drugom tipu nazivaju se autotrofnim. Najtipičnije autotrofne ćelije su ćelije zelenih biljaka. U procesu fotosinteze vezuju energiju sunčeve svjetlosti, koristeći je za svoje potrebe. Osim toga, koriste sunčevu energiju za izdvajanje ugljika iz atmosferskog ugljičnog dioksida i koriste ga za izgradnju najjednostavnije organske molekule - molekule glukoze. Od glukoze, stanice zelenih biljaka i drugih organizama stvaraju složenije molekule koje čine njihov sastav. Da bi obezbijedile energiju potrebnu za to, ćelije sagorevaju dio sirovina koje im stoje na raspolaganju tokom disanja. Iz ovog opisa cikličkih transformacija energije u ćeliji postaje jasno da svi živi organizmi na kraju primaju energiju od sunčeve svjetlosti, pri čemu je biljne stanice primaju direktno od sunca, a životinje indirektno.

Proučavanje glavnih pitanja postavljenih u ovom članku počiva na potrebi za detaljnim opisom primarnog mehanizma ekstrakcije energije koji koristi ćelija. Većina koraka u složenim ciklusima disanja i fotosinteze je već proučavana. Utvrđeno je u kojem organu ćelije se odvija ovaj ili onaj proces. Disanje obavljaju mitohondriji, koji su prisutni u velikom broju u gotovo svim stanicama; fotosintezu osiguravaju hloroplasti - citoplazmatske strukture sadržane u ćelijama zelenih biljaka. Molekularni mehanizmi koji se nalaze unutar ovih ćelijskih struktura, sastavljaju njihovu strukturu i omogućavaju njihove funkcije, predstavljaju sljedeći važan korak u proučavanju ćelije.

Isti dobro proučeni molekuli - molekuli adenozin trifosfata (ATP) - prenose besplatnu energiju dobivenu iz nutrijenata ili sunčeve svjetlosti iz centara disanja ili fotosinteze u sve dijelove stanice, osiguravajući provođenje svih procesa koji zahtijevaju potrošnju energije. ATP je prvi izolovao Loman iz mišićnog tkiva prije otprilike 30 godina. ATP molekul sadrži tri međusobno povezane fosfatne grupe. U epruveti, krajnja grupa se može odvojiti od ATP molekule reakcijom hidrolize koja proizvodi adenozin difosfat (ADP) i anorganski fosfat. Tokom ove reakcije, slobodna energija ATP molekula se pretvara u toplotnu energiju, a entropija raste u skladu sa drugim zakonom termodinamike. U ćeliji, međutim, terminalna fosfatna grupa nije jednostavno odvojena tokom hidrolize, već se prenosi na poseban molekul koji služi kao akceptor. Značajan dio slobodne energije molekule ATP zadržava se zbog fosforilacije molekule akceptora, koja sada, zbog povećane energije, stječe sposobnost da učestvuje u procesima koji zahtijevaju potrošnju energije, na primjer, u procesima biosinteze ili mišićna kontrakcija. Nakon uklanjanja jedne fosfatne grupe u ovoj spregnutoj reakciji, ATP se pretvara u ADP. U ćelijskoj termodinamici, ATP se može smatrati energetski bogatim, ili "nabijenim" oblikom nosioca energije (adenozin fosfat), a ADP kao energetski siromašnim, ili "pražnjenim" oblikom.

Sekundarno “punjenje” nosača se, naravno, provodi jednim ili drugim od dva mehanizma uključena u ekstrakciju energije. Tijekom procesa disanja životinjskih stanica, energija sadržana u hranjivim tvarima oslobađa se kao rezultat oksidacije i koristi se za izgradnju ATP-a iz ADP-a i fosfata. Tokom fotosinteze u biljnim ćelijama, energija sunčeve svetlosti se pretvara u hemijsku energiju i troši se na „punjenje“ adenozin fosfata, odnosno na stvaranje ATP-a.

Eksperimenti sa radioaktivnim izotopom fosfora (P 32) pokazali su da se anorganski fosfat inkorporira u i iz terminalne fosfatne grupe ATP-a velikom brzinom. U ćeliji bubrega, obrt terminalne fosfatne grupe se događa tako brzo da njeno poluživot traje manje od 1 minute; ovo odgovara izuzetno intenzivnoj razmeni energije u ćelijama ovog organa. Treba dodati da aktivnost ATP-a u živoj ćeliji nikako nije crna magija. Hemičari znaju mnoge slične reakcije kojima se hemijska energija prenosi u neživim sistemima. Relativno složena struktura ATP-a je očigledno nastala samo u ćeliji kako bi se osigurala najefikasnija regulacija hemijskih reakcija povezanih s prijenosom energije.

Uloga ATP-a u fotosintezi tek je nedavno razjašnjena. Ovo otkriće omogućilo je u velikoj mjeri objasniti kako fotosintetske stanice, u procesu sinteze ugljikohidrata, vežu sunčevu energiju – primarni izvor energije za sva živa bića.

Energija iz sunčeve svjetlosti se prenosi u obliku fotona, ili kvanta; Svjetlost različitih boja, ili različitih valnih dužina, karakteriziraju različite energije. Kada svjetlost padne na određene metalne površine i apsorbira se od ovih površina, fotoni, kao rezultat sudara s elektronima metala, prenose im svoju energiju. Ovaj fotoelektrični efekat može se izmjeriti zbog generirane električne struje. U ćelijama zelenih biljaka sunčevu svetlost određenih talasnih dužina apsorbuje zeleni pigment – ​​hlorofil. Apsorbirana energija prenosi elektrone u složenoj molekuli hlorofila sa osnovnog energetskog nivoa na viši nivo. Takvi "pobuđeni" elektroni imaju tendenciju da se vrate na svoj glavni stabilni energetski nivo, oslobađajući energiju koju su apsorbirali. U čistom preparatu hlorofila izolovanog iz ćelije, apsorbovana energija se ponovo emituje u obliku vidljive svetlosti, slično onome što se dešava u slučaju drugih fosforescentnih ili fluorescentnih organskih i neorganskih jedinjenja.

Dakle, hlorofil, koji se nalazi u epruveti, sam po sebi nije sposoban da skladišti ili koristi svetlosnu energiju; ova energija se brzo raspršuje, kao da je došlo do kratkog spoja. Međutim, u ćeliji, hlorofil je sterički vezan za druge specifične molekule; dakle, kada pod uticajem apsorpcije svetlosti dođe u pobuđeno stanje, "vruće", ili bogato energijom, elektroni se ne vraćaju u svoje normalno (nepobuđeno) energetsko stanje; umjesto toga, elektroni se otkidaju od molekula klorofila i prenose molekuli nosači elektrona, koji ih prenose jedan na drugi u zatvorenom lancu reakcija. Praveći ovaj put izvan molekula hlorofila, pobuđeni elektroni postepeno odustaju od svoje energije i vraćaju se na svoja prvobitna mesta u molekulu hlorofila, koji je tada spreman da apsorbuje drugi foton. U međuvremenu, energija koju daju elektroni koristi se za formiranje ATP-a iz ADP-a i fosfata – drugim riječima, za “nabijanje” adenozin fosfatnog sistema fotosintetske ćelije.

Nosioci elektrona koji posreduju u ovom procesu fotosintetske fosforilacije još nisu u potpunosti identificirani. Čini se da jedan od ovih nosača sadrži riboflavin (vitamin B2) i vitamin K. Drugi su uslovno klasifikovani kao citokromi (proteini koji sadrže atome gvožđa okružene porfirinskim grupama, koje po lokaciji i strukturi podsećaju na porfirin samog hlorofila). Najmanje dva od ovih nosača elektrona su sposobna da vežu dio energije koju nose za obnavljanje ATP-a iz ADP-a.

Ovo je osnovna šema za pretvaranje svjetlosne energije u energiju ATP fosfatnih veza koju su razvili D. Arnon i drugi naučnici.

Međutim, u procesu fotosinteze, osim vezivanja sunčeve energije, dolazi i do sinteze ugljikohidrata. Danas se vjeruje da neki od "vrućih" elektrona pobuđene molekule klorofila, zajedno sa vodikovim ionima koji potiču iz vode, uzrokuju redukciju (tj. sticanje dodatnih elektrona ili atoma vodika) jednog od nosača elektrona - trifosfopiridin nukleotida. (TPN, u smanjenom obliku TPN-N).

U nizu tamnih reakcija, nazvanih tako jer se mogu javiti u nedostatku svjetla, TPH-H uzrokuje redukciju ugljičnog dioksida u ugljikohidrate. Većinu energije potrebne za ove reakcije isporučuje ATP. Prirodu ovih mračnih reakcija proučavali su uglavnom M. Calvin i njegove kolege. Jedan od nusproizvoda početne fotoredukcije TPN-a je hidroksilni jon (OH -). Iako još nemamo potpune podatke, pretpostavlja se da ovaj ion donira svoj elektron jednom od citokroma u lancu fotosintetskih reakcija čiji je konačni proizvod molekularni kisik. Elektroni se kreću duž lanca nosača, dajući svoj energetski doprinos stvaranju ATP-a, i na kraju, potrošivši sav višak energije, ulaze u molekul klorofila.

Kao što bi se očekivalo na osnovu strogo pravilne i sekvencijalne prirode procesa fotosinteze, molekule hlorofila nisu nasumično locirane u hloroplastima i, naravno, nisu jednostavno suspendovane u tečnosti koja ispunjava hloroplaste. Naprotiv, molekule klorofila formiraju uređene strukture u hloroplastima - grana, između kojih postoji preplitanje vlakana ili membrana koje ih razdvajaju. Unutar svake grane, ravni molekuli hlorofila leže u hrpama; svaka molekula se može smatrati analognom zasebnoj pločici (elektrodi) elementa, grana - elementima, a cjelokupna grana (tj. cijeli hloroplast) - električnoj bateriji.

Kloroplasti također sadrže sve one specijalizirane molekule nosače elektrona koji zajedno s hlorofilom sudjeluju u izdvajanju energije iz „vrućih” elektrona i korištenju te energije za sintezu ugljikohidrata. Kloroplasti ekstrahovani iz ćelije mogu sprovesti čitav složen proces fotosinteze.

Efikasnost ovih minijaturnih tvornica na solarni pogon je nevjerovatna. U laboratoriji, uz određene posebne uslove, može se pokazati da se tokom procesa fotosinteze do 75% svjetlosti koja pada na molekul hlorofila pretvara u hemijsku energiju; Međutim, ova brojka se ne može smatrati potpuno tačnom, a o tome se još uvijek raspravlja. Na terenu, zbog nejednake osvetljenosti listova suncem, kao i iz niza drugih razloga, efikasnost korišćenja sunčeve energije je znatno niža - reda veličine nekoliko procenata.

Dakle, molekul glukoze, koji je krajnji proizvod fotosinteze, mora sadržavati prilično značajnu količinu sunčeve energije sadržane u njegovoj molekularnoj konfiguraciji. Tokom procesa disanja, heterotrofne ćelije izdvajaju ovu energiju postupno razgrađujući molekul glukoze kako bi „sačuvale“ energiju koju sadrži u novoformiranim fosfatnim vezama ATP-a.

Postoje različite vrste heterotrofnih ćelija. Neke ćelije (na primjer, neki morski mikroorganizmi) mogu živjeti bez kisika; druge (na primjer, moždane ćelije) apsolutno zahtijevaju kisik; druge (na primjer, mišićne ćelije) su svestranije i sposobne su funkcionirati kako u prisustvu kisika u okolini tako iu njegovom odsustvu. Osim toga, iako većina stanica radije koristi glukozu kao glavno gorivo, neke od njih mogu postojati isključivo na aminokiselinama ili masnim kiselinama (glavna sirovina za čiju sintezu je ista glukoza). Ipak, razgradnja molekula glukoze u stanicama jetre može se smatrati primjerom procesa proizvodnje energije tipičnog za većinu poznatih heterotrofa.

Ukupnu količinu energije sadržanu u molekulu glukoze vrlo je lako odrediti. Spaljivanjem određene količine (uzorka) glukoze u laboratoriju može se pokazati da oksidacijom molekula glukoze nastaje 6 molekula vode i 6 molekula ugljičnog dioksida, a reakcija je praćena oslobađanjem energije u obliku toplote (otprilike 690.000 kalorija na 1 gram molekula, tj. za 180 grama glukoze). Energija u obliku toplote je naravno beskorisna za ćeliju, koja radi na praktično konstantnoj temperaturi. Međutim, do postupne oksidacije glukoze tokom disanja dolazi na način da se većina slobodne energije molekula glukoze pohranjuje u obliku pogodnom za ćeliju.

Kao rezultat, ćelija prima više od 50% sve energije oslobođene tokom oksidacije u obliku energije fosfatne veze. Ovako visoka efikasnost je povoljna u odnosu na onu koja se obično postiže u tehnologiji, gdje je rijetko moguće više od jedne trećine toplinske energije dobivene sagorijevanjem goriva pretvoriti u mehaničku ili električnu energiju.

Proces oksidacije glukoze u ćeliji podijeljen je u dvije glavne faze. Tokom prve, ili pripremne, faze, zvane glikoliza, molekul glukoze sa šest ugljika razlaže se na dva molekula mliječne kiseline sa tri ugljika. Ovaj naizgled jednostavan proces ne sastoji se od jednog, već od najmanje 11 koraka, pri čemu svaki korak katalizira svoj poseban enzim. Složenost ove operacije može izgledati kao da je u suprotnosti s Newtonovim aforizmom “Natura entm simplex esi” („priroda je jednostavna”); Međutim, treba imati na umu da svrha ove reakcije nije jednostavno podijeliti molekulu glukoze na pola, već osloboditi energiju sadržanu u njoj iz ove molekule. Svaki od intermedijera sadrži fosfatne grupe, a reakcija se završava upotrebom dva ADP molekula i dvije fosfatne grupe. U konačnici, kao rezultat razgradnje glukoze, ne nastaju samo dva molekula mliječne kiseline, već se, osim toga, formiraju i dva nova molekula ATP.

Čemu to vodi u energetskom smislu? Termodinamičke jednadžbe pokazuju da kada se jedan gram glukoze razgradi u mliječnu kiselinu, oslobađa se 56.000 kalorija. Budući da formiranje svakog gram-molekula ATP-a veže 10.000 kalorija, efikasnost procesa hvatanja energije u ovoj fazi je oko 36% - vrlo impresivna brojka, zasnovana na onome sa čime se obično suočavamo u tehnologiji. Međutim, ovih 20.000 kalorija pretvorenih u energiju fosfatne veze predstavlja samo mali dio (oko 3%) ukupne energije sadržane u gramu molekula glukoze (690.000 kalorija). U međuvremenu, mnoge ćelije, na primjer, anaerobne ćelije ili mišićne ćelije, koje su u stanju aktivnosti (i u ovom trenutku nesposobne za disanje), postoje zbog ove neznatne potrošnje energije.

Nakon razgradnje glukoze u mliječnu kiselinu, aerobne stanice nastavljaju izvlačiti većinu preostale energije kroz proces disanja, tokom kojeg se molekule mliječne kiseline od tri ugljika razlažu na molekule ugljičnog dioksida od jednog ugljika. Mliječna kiselina, odnosno njen oksidirani oblik, pirogrožđana kiselina, prolazi kroz još složeniji niz reakcija, a svaku od ovih reakcija opet katalizira poseban enzimski sistem. Prvo, spoj s tri ugljika se razgrađuje i formira aktivirani oblik octene kiseline (acetil koenzim A) i ugljičnog dioksida. "Dva ugljika" (acetil koenzim A) se zatim kombinuje sa jedinjenjem sa četiri ugljika, oksalosirćetnom kiselinom, da bi se dobila limunska kiselina, koja sadrži šest atoma ugljika. Limunska kiselina, kroz niz reakcija, ponovo se pretvara u oksalo-sirćetnu kiselinu, a tri atoma ugljika pirogrožđane kiseline koja se unose u ovaj ciklus reakcija na kraju proizvode molekule ugljičnog dioksida. Ovaj „mlin“, koji „melje“ (oksidira) ne samo glukozu, već i molekule masti i aminokiselina, prethodno razbijenih u sirćetnu kiselinu, poznat je kao Krebsov ciklus ili ciklus limunske kiseline.

Ciklus je prvi opisao G. Krebs 1937. Ovo otkriće predstavlja jedan od kamena temeljaca moderne biohemije, a njegov autor je 1953. dobio Nobelovu nagradu.

Krebsov ciklus prati oksidaciju mliječne kiseline u ugljični dioksid; Međutim, sam ovaj ciklus ne može objasniti kako se velike količine energije sadržane u molekulu mliječne kiseline mogu ekstrahirati u obliku pogodnom za upotrebu u živoj ćeliji. Ovaj proces ekstrakcije energije koji prati Krebsov ciklus intenzivno se proučava posljednjih godina. Ukupna slika je manje-više jasna, ali još mnogo detalja treba istražiti. Očigledno, tokom Krebsovog ciklusa, elektroni se, uz učešće enzima, otkidaju iz međuproizvoda i prenose duž niza molekula nosača, koji se zajednički nazivaju respiratorni lanac. Ovaj lanac molekula enzima predstavlja konačni zajednički put svih elektrona koji se uklanjaju iz molekula hranjivih tvari u procesu biološke oksidacije. U posljednjoj karici ovog lanca, elektroni se na kraju spajaju s kisikom i formiraju vodu. Dakle, razgradnja hranjivih tvari putem disanja je obrnuti proces fotosinteze, u kojem uklanjanje elektrona iz vode proizvodi kisik. Štaviše, nosioci elektrona u respiratornom lancu su hemijski veoma slični odgovarajućim nosiocima uključenim u proces fotosinteze. Među njima su, na primjer, riboflavin i citokromske strukture, slične onima u hloroplastu. Ovo potvrđuje Newtonov aforizam o jednostavnosti prirode.

Kao iu fotosintezi, energija elektrona koji prolaze duž ovog lanca do kiseonika se hvata i koristi za sintezu ATP-a iz ADP-a i fosfata. Zapravo, ova fosforilacija koja se javlja u respiratornom lancu (oksidativna fosforilacija) je bolje proučena od fosforilacije koja se javlja tokom fotosinteze, koja je otkrivena relativno nedavno. Čvrsto je utvrđeno, na primjer, da postoje tri centra u respiratornom lancu u kojima dolazi do “punjenja” adenozin fosfata, odnosno stvaranja ATP-a. Dakle, za svaki par elektrona uklonjenih iz mliječne kiseline tokom Krebsovog ciklusa formiraju se u prosjeku tri ATP molekula.

Na osnovu ukupnog prinosa ATP-a, sada je moguće izračunati termodinamičku efikasnost kojom ćelija izdvaja energiju koja joj je dostupna oksidacijom glukoze. Preliminarna razgradnja glukoze na dva molekula mliječne kiseline proizvodi dva molekula ATP-a. Svaki molekul mliječne kiseline na kraju prenosi šest parova elektrona u respiratorni lanac. Budući da svaki par elektrona koji prolazi kroz lanac uzrokuje konverziju tri molekula ADP u ATP, 36 molekula ATP-a nastaje tokom samog procesa disanja. Kada se formira svaki gram molekula ATP-a, oko 10.000 kalorija je vezano, kao što smo već naveli, i, stoga, 38 grama molekula ATP-a veže otprilike 380.000 od 690.000 kalorija sadržanih u originalnom gram molekulu glukoze. Stoga se može smatrati da je efikasnost spojenih procesa glikolize i disanja najmanje 55%.

Ekstremna složenost procesa disanja je još jedan pokazatelj da uključeni enzimski mehanizmi ne bi mogli funkcionirati ako se sastavni dijelovi jednostavno pomiješaju zajedno u otopini. Kao što molekularni mehanizmi povezani s fotosintezom imaju određenu strukturnu organizaciju i sadržani su u hloroplastu, respiratorni organi ćelije - mitohondrije - predstavljaju isti strukturno uređeni sistem.

Ćelija, ovisno o svom tipu i prirodi funkcije, može sadržavati od 50 do 5000 mitohondrija (ćelija jetre sadrži, na primjer, oko 1000 mitohondrija). Dovoljno su velike (3-4 mikrona dužine) da se vide običnim mikroskopom. Međutim, ultrastruktura mitohondrija vidljiva je samo pod elektronskim mikroskopom.

Na elektronskim mikrografijama se može vidjeti da mitohondrija ima dvije membrane, pri čemu unutrašnja membrana formira nabore koji se protežu u tijelo mitohondrija. Nedavno istraživanje mitohondrija izolovanih iz ćelija jetre pokazalo je da se molekuli enzima uključeni u Krebsov ciklus nalaze u matriksu, odnosno rastvorljivom delu unutrašnjeg sadržaja mitohondrija, dok enzimi respiratornog lanca, u obliku molekularnih “ sklopovi”, nalaze se u membranama. Membrane se sastoje od naizmjeničnih slojeva proteinskih i lipidnih (masti) molekula; Istu strukturu imaju i membrane u grani hloroplasta.

Dakle, postoji jasna sličnost u strukturi ove dvije glavne “elektrane”, od kojih ovisi cjelokupna vitalna aktivnost ćelije, jer jedna od njih “skladišti” sunčevu energiju u fosfatnim vezama ATP-a, a druga pretvara energija sadržana u nutrijentima u ATP energiju.

Napredak moderne hemije i fizike nedavno je omogućio da se razjasni prostorna struktura nekih velikih molekula, na primjer, molekula niza proteina i DNK, odnosno molekula koji sadrže genetske informacije.

Sljedeći važan korak u proučavanju stanice je otkrivanje lokacije velikih molekula enzima (koji su sami po sebi proteini) u mitohondrijskim membranama, gdje se nalaze zajedno s lipidima – raspored koji osigurava pravilnu orijentaciju svakog molekula katalizatora i mogućnost njegove interakcije s naknadnom vezom cjelokupnog radnog mehanizma. „Šema ožičenja“ mitohondrija je već jasna!

Savremeni podaci o elektranama ćelije pokazuju da ona ostavlja daleko iza sebe ne samo klasičnu energiju, već i najnovija, mnogo briljantnija dostignuća tehnologije.

Elektronika je postigla neverovatan uspeh u rasporedu i smanjenju veličine komponenti računarskih uređaja. Međutim, svi ovi uspjesi se ne mogu porediti sa apsolutno nevjerovatnom minijaturizacijom najsloženijih mehanizama konverzije energije razvijenih u procesu organske evolucije i prisutnih u svakoj živoj ćeliji.

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.

Nemoguće je razumjeti kako je ljudsko tijelo strukturirano i „radi“ bez razumijevanja kako se metabolizam odvija u ćeliji. Svaki živa ćelija moraju stalno proizvoditi energiju. Potrebna joj je energija za generiranje topline i sintetiziranje (kreiranje) nekih vitalnih kemikalija, kao što su proteini ili nasljedne supstance. EnergijaĆeliji je to potrebno za kretanje. Tjelesne ćelije, sposobni za pokrete nazivaju se mišićnim. Mogu se smanjiti. Ovo pokreće naše ruke, noge, srce i crijeva. Konačno, energija je potrebna za generiranje električne struje: zahvaljujući njoj neki dijelovi tijela "komuniciraju" s drugima. A vezu između njih prvenstveno pružaju nervne ćelije.

Odakle ćelije dobijaju energiju? Odgovor je: pomaže im ATP. Dopusti mi da objasnim. Ćelije sagorevaju hranljive materije, a pri tom se oslobađa određena količina energije. Koriste ga da sintetiziraju posebnu kemikaliju koja skladišti energiju koja im je toliko potrebna. Ova supstanca se zove adenozin trifosfat(skraćeno ATP). Kada se molekul ATP sadržan u ćeliji razgradi, energija pohranjena u ćeliji se oslobađa. Zahvaljujući ovoj energiji, ćelija može proizvoditi toplinu, električnu struju, sintetizirati kemikalije ili vršiti pokrete. Ukratko, ATP aktivira ceo „mehanizam“ ćelije.

Ovako izgleda tanak, obojeni krug tkiva uzet iz... pod mikroskopom. hipofiza- moždani dodatak veličine zrna graška. Postoje crvene, žute, plave, ljubičaste mrlje, kao i mrlje u boji mesa ćelije sa jezgrom. Svaka vrsta ćelije hipofize luči jedan ili više vitalnih hormona.

Hajde sada da razgovaramo detaljnije o tome kako ćelije dobijaju ATP. Već znamo odgovor. Ćelije sagorevaju hranljive materije. Oni to mogu učiniti na dva načina. Prvo, sagorite ugljikohidrate, uglavnom glukozu, u nedostatku kisika. Time nastaje supstanca koju kemičari nazivaju pirogrožđanom kiselinom, a sam proces razgradnje ugljikohidrata naziva se glikoliza. Kao rezultat glikolize, proizvodi se premalo ATP-a: razgradnjom jedne molekule glukoze nastaju samo dvije molekule ATP-a. Glikoliza je neefikasna – to je najstariji oblik ekstrakcije energije. Zapamtite da je život nastao u vodi, odnosno u sredini u kojoj je bilo vrlo malo kiseonika.

drugo, ćelije tela sagorevaju pirogrožđanu kiselinu, masti i proteine ​​u prisustvu kiseonika. Sve ove tvari sadrže ugljik i vodik. U ovom slučaju, sagorijevanje se odvija u dvije faze. Prvo, ćelija ekstrahuje vodik, zatim odmah počinje da razgrađuje preostali ugljenični okvir i oslobađa se ugljičnog dioksida – oslobađa ga kroz ćelijsku membranu. U drugoj fazi, vodonik ekstrahovan iz nutrijenata se spaljuje (oksidira). Nastaje voda i oslobađa se velika količina energije. Ćelije ga imaju dovoljno da sintetiziraju mnoge molekule ATP-a (oksidacijom, na primjer, dva molekula mliječne kiseline, produkta redukcije pirogrožđane kiseline, nastaje 36 molekula ATP-a).

Ovaj opis izgleda suvo i apstraktno. Zapravo, svako od nas je vidio kako se odvija proces stvaranja energije. Sjećate li se televizijskih izvještaja sa svemirskih luka o lansiranju raketa? Uzdižu se uvis zbog nevjerovatne količine energije koja se oslobađa tokom... oksidacije vodonika, odnosno kada se sagorijeva u kisiku.

Svemirske rakete visine tornja jure u nebo zbog ogromne energije koja se oslobađa kada se vodonik sagorijeva u čistom kisiku. Ova ista energija održava život u ćelijama našeg tijela. Samo u njima se reakcija oksidacije odvija u fazama. Osim toga, umjesto toplinske i kinetičke energije, naše ćelije prvo stvaraju ćelijsko gorivo" - ATP.

Njihovi rezervoari za gorivo su napunjeni tečnim vodonikom i kiseonikom. Kada se motori pokrenu, vodonik počinje da oksidira i ogromna raketa brzo poleti u nebo. Možda ovo izgleda nevjerovatno, a opet: ista energija koja nosi svemirsku raketu prema nebu također podržava život u ćelijama našeg tijela.

Osim što u ćelijama ne dolazi do eksplozije i snop plamena ne izbija iz njih. Oksidacija se odvija u fazama, pa se stoga umjesto toplinske i kinetičke energije formiraju molekuli ATP-a.