Bioenergetikai folyamatok a sejtben (A sejt atomenergiája). A sejtek energiával való ellátása. Energiaforrások Vannak más módok az energiaszerzésre?

Kövér fák bőséges növekedése,
amely a kopár homokon gyökerezik
jóváhagyta, ezt egyértelműen kimondja
zsírlapok zsír zsírt a levegőből
elnyel...
M. V. Lomonoszov

Hogyan tárolódik az energia egy sejtben? Mi az anyagcsere? Mi a glikolízis, fermentáció és sejtlégzés folyamatainak lényege? Milyen folyamatok játszódnak le a fotoszintézis világos és sötét fázisában? Hogyan függenek össze az energia- és a képlékeny anyagcsere folyamatai? Mi a kemoszintézis?

Óra-előadás

Az élőlények egyik alapvető tulajdonsága, hogy az egyik energiafajtát egy másikká alakítják át (sugárzási energiát kémiai kötések energiájává, kémiai energiát mechanikai energiává stb.). Itt közelebbről megvizsgáljuk, hogyan valósulnak meg ezek a folyamatok az élő szervezetekben.

Az ATP A SEJTT FŐ ENERGIAHORDOZÓJA. A sejtaktivitás bármely megnyilvánulásának végrehajtásához energiára van szükség. Az autotróf szervezetek a kezdeti energiát a Napból kapják a fotoszintézis reakciói során, míg a heterotróf szervezetek a táplálékkal ellátott szerves vegyületeket használják energiaforrásként. Az energiát a sejtek a molekulák kémiai kötéseiben tárolják ATP (adenozin-trifoszfát), amelyek három foszfátcsoportból, egy cukormaradékból (ribóz) és egy nitrogéntartalmú bázismaradékból (adenin) álló nukleotidok (52. ábra).

Rizs. 52. ATP molekula

A foszfátmaradékok közötti kötést makroergikusnak nevezik, mivel felszakadásakor nagy mennyiségű energia szabadul fel. A sejt jellemzően csak a terminális foszfátcsoport eltávolításával vonja ki az energiát az ATP-ből. Ebben az esetben ADP (adenozin-difoszfát) és foszforsav képződik, és 40 kJ/mol szabadul fel:

Az ATP-molekulák a sejt univerzális energiaalku szerepét töltik be. Egy energiaigényes folyamat helyszínére szállítják őket, legyen az szerves vegyületek enzimatikus szintézise, ​​fehérjék munkája - molekulamotorok vagy membrántranszport fehérjék stb. Az ATP molekulák fordított szintézise egy foszfátcsoport kapcsolásával történik. az ADP-hez az energia elnyelésével. A sejt a reakciók során ATP formájában tárolja az energiát energiaanyagcsere. Ez szorosan kapcsolódik műanyag csere, melynek során a sejt termeli a működéséhez szükséges szerves vegyületeket.

A SEJT METABOLISMUS ÉS ENERGIA (ANYAGCSERE). Az anyagcsere a képlékeny és energia-anyagcsere összes reakciójának összessége, amelyek egymással összefüggenek. A sejtek folyamatosan szintetizálják a szénhidrátokat, zsírokat, fehérjéket és nukleinsavakat. A vegyületek szintézise mindig energiafelhasználással, azaz az ATP nélkülözhetetlen részvételével történik. Az ATP képződésének energiaforrásai a sejtbe belépő fehérjék, zsírok és szénhidrátok enzimatikus reakciói. A folyamat során energia szabadul fel, és az ATP-ben tárolódik. A glükóz oxidációja különleges szerepet játszik a sejtek energiaanyagcseréjében. A glükózmolekulák egy sor egymást követő átalakuláson mennek keresztül.

Az első szakasz, az ún glikolízis, a sejtek citoplazmájában játszódik, és nem igényel oxigént. Az egymást követő enzimek reakciói eredményeként a glükóz két piroszőlősav-molekulára bomlik. Ebben az esetben két ATP-molekula fogyaszt el, és az oxidáció során felszabaduló energia négy ATP-molekula kialakításához elegendő. Ennek eredményeként a glikolízis energiakibocsátása kicsi, és két ATP-molekulát tesz ki:

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

Anaerob körülmények között (oxigén hiányában) további átalakulások társulhatnak különféle típusokkal erjesztés.

Mindenki tudja tejsavas fermentáció(tejsavanyodás), ami a tejsavas gombák és baktériumok aktivitása miatt következik be. A mechanizmus hasonló a glikolíziséhez, csak itt a végtermék a tejsav. Ez a fajta glükózoxidáció a sejtekben oxigénhiány esetén fordul elő, például az intenzíven dolgozó izmokban. Az alkoholos fermentáció kémiában közel áll a tejsavas fermentációhoz. A különbség az, hogy az alkoholos erjedés termékei az etil-alkohol és a szén-dioxid.

A következő szakaszt, amelynek során a piroszőlősav szén-dioxiddá és vízzé oxidálódik, az ún sejtlégzés. A légzéssel kapcsolatos reakciók a növényi és állati sejtek mitokondriumaiban játszódnak le, és csak oxigén jelenlétében. Ez egy sor kémiai átalakulás a végtermék - szén-dioxid - képződése előtt. Ennek a folyamatnak a különböző szakaszaiban a kiindulási anyag oxidációjának közbenső termékei képződnek a hidrogénatomok eltávolításával. Ilyenkor energia szabadul fel, ami az ATP kémiai kötéseiben „megőrződik”, és vízmolekulák képződnek. Világossá válik, hogy éppen az elválasztott hidrogénatomok megkötéséhez van szükség oxigénre. A kémiai átalakulásoknak ez a sorozata meglehetősen összetett, és a mitokondriumok belső membránjainak, enzimek és hordozófehérjék részvételével történik.

A sejtlégzés nagyon hatékony. 30 ATP molekula szintetizálódik, további két molekula keletkezik a glikolízis során, hat ATP molekula pedig a mitokondriális membránokon végbemenő glikolízis termékek átalakulásának eredményeként. Összességében egy glükózmolekula oxidációja következtében 38 ATP-molekula képződik:

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

Nemcsak a cukrok, hanem a fehérjék és lipidek oxidációjának utolsó szakaszai is a mitokondriumokban jelentkeznek. Ezeket az anyagokat a sejtek használják fel, főleg akkor, amikor a szénhidrátellátás véget ér. Először zsírt fogyasztanak el, amelynek oxidációja lényegesen több energiát szabadít fel, mint azonos mennyiségű szénhidrátból és fehérjéből. Ezért az állatok zsírja az energiaforrások fő „stratégiai tartaléka”. A növényekben a keményítő energiatartalék szerepét tölti be. Tároláskor lényegesen több helyet foglal, mint az energiaegyenértéknyi zsír. Ez nem akadályozza a növényeket, mivel mozdulatlanok, és nem hordják magukon a készleteket, mint az állatok. A szénhidrátokból sokkal gyorsabban nyerhet energiát, mint a zsírokból. A fehérjék számos fontos funkciót látnak el a szervezetben, ezért csak akkor vesznek részt az energia-anyagcserében, ha a cukrok és zsírok forrásai kimerülnek, például hosszan tartó koplalás során.

FOTOSZINTÉZIS. Fotoszintézis olyan folyamat, amelynek során a napsugarak energiája szerves vegyületek kémiai kötéseinek energiájává alakul. A növényi sejtekben a fotoszintézissel kapcsolatos folyamatok a kloroplasztiszokban mennek végbe. Ebben az organellumban membránrendszerek vannak, amelyekbe pigmentek vannak beágyazva, amelyek megragadják a Nap sugárzó energiáját. A fotoszintézis fő pigmentje a klorofill, amely túlnyomórészt kék és lila, valamint a spektrum vörös sugarait nyeli el. A zöld fény visszaverődik, így maga a klorofill és az azt tartalmazó növényi részek zöldnek tűnnek.

A fotoszintézisnek két fázisa van: fényÉs sötét(53. ábra). A sugárzási energia tényleges befogása és átalakítása a fényfázisban történik. A fénykvantumok elnyelésekor a klorofill gerjesztett állapotba kerül és elektrondonorrá válik. Elektronai az elektrontranszport lánc mentén kerülnek át egyik fehérjekomplexből a másikba. Ennek a láncnak a fehérjéi a pigmentekhez hasonlóan a kloroplasztiszok belső membránján koncentrálódnak. Amikor egy elektron a hordozók lánca mentén mozog, energiát veszít, amelyet az ATP szintézisére használnak fel. A fény által gerjesztett elektronok egy részét az NDP (nikotinamid-adenin-dinukleotifoszfát) vagy NADPH csökkentésére használják.

Rizs. 53. A fotoszintézis világos és sötét fázisának reakciótermékei

A napfény hatására a vízmolekulák is lebomlanak a kloroplasztiszokban - fotolízis; ilyenkor elektronok jelennek meg, amelyek veszteségeiket klorofillal kompenzálják; Ez oxigént termel melléktermékként:

Így a fényfázis funkcionális jelentése az ATP és NADPH szintézise a fényenergia kémiai energiává alakításával.

A fotoszintézis sötét fázisához nincs szükség fényre. Az itt lezajló folyamatok lényege, hogy a könnyű fázisban keletkező ATP- és NADPH-molekulákat egy sor kémiai reakcióban hasznosítják, amelyek szénhidrát formájában „fixálják” a CO2-t. Minden sötét fázisú reakció a kloroplasztiszok belsejében megy végbe, és a „fixálás” során felszabaduló szén-dioxid ADP és NADP ismét a világos fázisú reakciókban hasznosul az ATP és NADPH szintézisére.

A fotoszintézis általános egyenlete a következő:

A MŰANYAG ÉS ENERGIACSERE FOLYAMATOK KAPCSOLATA ÉS EGYSÉGE. Az ATP szintézis folyamatai a citoplazmában (glikolízis), a mitokondriumokban (sejtlégzés) és a kloroplasztiszokban (fotoszintézis) játszódnak le. Az ezen folyamatok során fellépő összes reakció energiacsere reakció. Az ATP formájában tárolt energia képlékeny cserereakciókban kerül felhasználásra a sejt életéhez szükséges fehérjék, zsírok, szénhidrátok és nukleinsavak előállítására. Vegye figyelembe, hogy a fotoszintézis sötét fázisa reakciólánc, képlékeny csere, a világos fázis pedig energiacsere.

Az energia és a képlékeny csere folyamatainak összefüggését és egységét jól szemlélteti a következő egyenlet:

Ha ezt az egyenletet balról jobbra olvassuk, akkor a glikolízis és a sejtlégzés során a glükóz szén-dioxiddá és vízzé történő oxidációját kapjuk, amely az ATP (energia-anyagcsere) szintéziséhez kapcsolódik. Ha jobbról balra olvassa, akkor leírást kap a fotoszintézis sötét fázisának reakcióiról, amikor a glükózt vízből és szén-dioxidból szintetizálják az ATP (plasztikus csere) részvételével.

KEMOSZINTÉZIS. A fotoautotrófokon kívül egyes baktériumok (hidrogénbaktériumok, nitrifikáló baktériumok, kénbaktériumok stb.) is képesek szerves anyagokat szintetizálni szervetlenekből. Ezt a szintézist a szervetlen anyagok oxidációja során felszabaduló energia miatt végzik. Ezeket kemoautotrófoknak nevezik. Ezek a kemoszintetikus baktériumok fontos szerepet játszanak a bioszférában. Például a nitrifikáló baktériumok a növények által nem felszívódó ammóniumsókat salétromsavsókká alakítják át, amelyeket jól felszívnak.

A sejtek anyagcseréje energia- és képlékeny anyagcsere reakciókból áll. Az energia-anyagcsere során nagy energiájú kémiai kötésekkel rendelkező szerves vegyületek - ATP - keletkeznek. Az ehhez szükséges energia a szerves vegyületek oxidációjából származik anaerob (glikolízis, fermentáció) és aerob (sejtlégzés) reakciók során; napfénytől, melynek energiája a fényfázisban elnyelődik (fotoszintézis); szervetlen vegyületek oxidációjából (kemoszintézis). Az ATP energiát a sejt számára szükséges szerves vegyületek szintézisére fordítják a képlékeny cserereakciók során, amelyek magukban foglalják a fotoszintézis sötét fázisának reakcióit is.

• Mi a különbség a műanyag és az energia anyagcsere között?
• Hogyan alakul át a napfény energiája a fotoszintézis fényfázisává? Milyen folyamatok játszódnak le a fotoszintézis sötét fázisában?
• Miért nevezik a fotoszintézist a bolygó-kozmikus kölcsönhatás tükrözésének folyamatának?

Az élőlények bármely tulajdonsága és az élet bármely megnyilvánulása bizonyos kémiai reakciókhoz kapcsolódik a sejtben. Ezek a reakciók energiafelhasználással vagy felszabadulással lépnek fel. Az anyagok átalakítási folyamatainak teljes sorozatát a sejtben, valamint a szervezetben metabolizmusnak nevezik.

Anabolizmus

A sejt élete során megőrzi belső környezetének állandóságát, az úgynevezett homeosztázist. Ennek érdekében genetikai információinak megfelelően anyagokat szintetizál.

Rizs. 1. Anyagcsere séma.

Az anyagcserének ezt a részét, amelynek során az adott sejtre jellemző nagy molekulatömegű vegyületek jönnek létre, plasztikus anyagcserének (asszimiláció, anabolizmus) nevezzük.

Az anabolikus reakciók a következők:

• fehérjék szintézise aminosavakból;
• keményítő képződése glükózból;
• fotoszintézis;
• zsírok szintézise glicerinből és zsírsavakból.

Ezek a reakciók csak energiaráfordítással lehetségesek. Ha külső (fény) energiát fordítanak a fotoszintézisre, akkor a többire - a sejt erőforrásaira.

TOP 4 cikkakik ezzel együtt olvasnak

Az asszimilációra fordított energia mennyisége nagyobb, mint a kémiai kötésekben tárolt energia mennyisége, mivel ennek egy része a folyamat szabályozására szolgál.

Katabolizmus

A sejt anyagcseréjének és energiaátalakításának másik oldala az energiaanyagcsere (disszimiláció, katabolizmus).

A katabolikus reakciókat energiafelszabadulás kíséri.
Ez a folyamat a következőket tartalmazza:

• lehelet;
• poliszacharidok lebontása monoszacharidokká;
• zsírok bomlása zsírsavakra és glicerinné, és egyéb reakciók.

Rizs. 2. Katabolikus folyamatok a sejtben.

Cserefolyamatok kölcsönhatása

A sejtben zajló összes folyamat szorosan összefügg egymással, valamint más sejtekben és szervekben zajló folyamatokkal. A szerves anyagok átalakulása a szervetlen savak, makro- és mikroelemek jelenlététől függ.

A katabolizmus és az anabolizmus folyamatai egyszerre mennek végbe a sejtben, és az anyagcsere két ellentétes összetevője.

Az anyagcsere folyamatok bizonyos sejtstruktúrákhoz kapcsolódnak:

• lehelet- mitokondriumokkal;
• protein szintézis- riboszómákkal;
• fotoszintézis- kloroplasztiszokkal.

Egy sejtet nem egyedi kémiai folyamatok, hanem azok szabályos sorrendje jellemzi. Az anyagcsere-szabályozók olyan enzimfehérjék, amelyek irányítják a reakciókat és megváltoztatják azok intenzitását.

ATP

Az adenozin-trifoszforsav (ATP) különleges szerepet játszik az anyagcserében. Ez egy kompakt kémiai energiatároló eszköz, amelyet fúziós reakciókhoz használnak.

Rizs. 3. Az ATP szerkezetének és ADP-vé való átalakulásának vázlata.

Instabilitása miatt az ATP ADP és AMP (di- és monofoszfát) molekulákat képez, amelyek során nagy mennyiségű energia szabadul fel az asszimilációs folyamatokhoz.

A vírusok kivételével minden élő szervezet sejtekből áll. Minden olyan folyamatot biztosítanak, amely egy növény vagy állat életéhez szükséges. A sejt maga is lehet külön szervezet. És hogyan élhet egy ilyen összetett szerkezet energia nélkül? Természetesen nem. Tehát hogyan jutnak a sejtek energiához? Az alábbiakban tárgyalt folyamatokon alapul.

A sejtek energiával való ellátása: hogyan történik ez?

Kevés sejt kap energiát kívülről, ők maguk állítják elő. egyedi „állomásai” vannak. A sejt energiaforrása pedig a mitokondrium, az azt termelő organellum. A sejtlégzés folyamata megy végbe benne. Ennek köszönhetően a sejteket energiával látják el. Ezek azonban csak növényekben, állatokban és gombákban vannak jelen. A bakteriális sejteknek nincs mitokondriumuk. Ezért sejtjeik energiaellátását elsősorban fermentációs folyamatok, nem pedig légzés útján látják el.

A mitokondriumok szerkezete

Ez egy kettős membrán organellum, amely egy eukarióta sejtben az evolúciós folyamat során egy kisebb felszívódása következtében jelent meg, ezzel magyarázható, hogy a mitokondriumok saját DNS-t és RNS-t, valamint mitokondriális riboszómákat tartalmaznak. az organellumokhoz szükséges fehérjék.

A belső membránon cristae-knak vagy bordáknak nevezett kiemelkedések vannak. A sejtlégzés folyamata a cristae-n megy végbe.

Ami a két membrán belsejében van, azt mátrixnak nevezzük. Fehérjéket, a kémiai reakciók felgyorsításához szükséges enzimeket, valamint RNS-t, DNS-t és riboszómákat tartalmaz.

A sejtlégzés az élet alapja

Három szakaszban zajlik. Nézzük mindegyiket részletesebben.

Az első szakasz előkészítő

Ebben a szakaszban az összetett szerves vegyületek egyszerűbbekre bomlanak le. Így a fehérjék aminosavakra, a zsírok karbonsavakra és glicerinre, a nukleinsavak nukleotidokra, a szénhidrátok glükózra bomlanak.

Glikolízis

Ez az oxigénmentes szakasz. Ez abban rejlik, hogy az első szakaszban nyert anyagokat tovább bontják. A fő energiaforrások, amelyeket a sejt ebben a szakaszban használ, a glükózmolekulák. Mindegyikük két piruvát molekulára bomlik a glikolízis során. Ez tíz egymást követő kémiai reakció során következik be. Az első öt eredményeként a glükóz foszforilálódik, majd két foszfotriózra hasad. A következő öt reakció során két molekula és két PVA (piroszőlősav) molekula képződik. A sejt energiája ATP formájában raktározódik.

A glikolízis teljes folyamata a következőképpen egyszerűsíthető:

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

Így egy glükózmolekula, két ADP molekula és két foszforsav felhasználásával a sejt két molekula ATP-t (energia) és két molekula piroszőlősavat kap, amelyeket a következő lépésben használ fel.

A harmadik szakasz az oxidáció

Ez a szakasz csak oxigén jelenlétében következik be. Ennek a szakasznak a kémiai reakciói a mitokondriumokban mennek végbe. Ez az a fő rész, amely során a legtöbb energia szabadul fel. Ebben a szakaszban oxigénnel reagálva vízzé és szén-dioxiddá bomlik. Ezenkívül 36 ATP-molekula képződik. Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a sejt fő energiaforrásai a glükóz és a piroszőlősav.

Összefoglalva az összes kémiai reakciót és a részleteket kihagyva, a sejtlégzés teljes folyamatát egyetlen leegyszerűsített egyenlettel fejezhetjük ki:

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

Így a légzés során egy glükózmolekulából, hat oxigénmolekulából, harmincnyolc molekula ADP-ből és ugyanennyi foszforsavból a sejt 38 molekula ATP-t kap, amelyek formájában az energia tárolódik.

A mitokondriális enzimek sokfélesége

A sejt a lélegeztetés révén kap energiát a létfontosságú tevékenységhez – a glükóz, majd a piroszőlősav oxidációja révén. Mindezek a kémiai reakciók nem mehettek végbe enzimek – biológiai katalizátorok – nélkül. Nézzük meg azokat, amelyek a mitokondriumokban, a sejtlégzésért felelős organellumokban találhatók. Mindegyiket oxidoreduktáznak nevezik, mert szükségesek a redox-reakciók létrejöttéhez.

Minden oxidoreduktáz két csoportra osztható:

• oxidázok;
• dehidrogenáz;

A dehidrogenázokat viszont aerob és anaerob csoportokra osztják. Az aerobok a riboflavin koenzimet tartalmazzák, amelyet a szervezet a B2-vitaminból kap. Az aerob dehidrogenázok NAD és NADP molekulákat tartalmaznak koenzimként.

Az oxidázok változatosabbak. Először is két csoportra oszthatók:

• réztartalmúak;
• amelyek vasat tartalmaznak.

Az első a polifenoloxidázokat és az aszkorbát-oxidázt, a második a katalázt, a peroxidázt és a citokrómokat tartalmazza. Ez utóbbiak viszont négy csoportra oszthatók:

• citokrómok a;
• citokrómok b;
• citokrómok c;
• citokrómok d.

A citokrómok a vas-formil-porfirint, a citokrómok b - vas protoporfirint, c - szubsztituált vas-mezoporfirint, d - vas-dihidroporfirint tartalmaznak.

Vannak más módok az energiaszerzésre?

Bár a legtöbb sejt sejtlégzés útján jut hozzá, vannak anaerob baktériumok is, amelyeknek nincs szükségük oxigénre. Erjedés útján állítják elő a szükséges energiát. Ez egy olyan folyamat, melynek során enzimek segítségével a szénhidrátok oxigén közreműködése nélkül lebomlanak, aminek eredményeként a sejt energiát kap. A kémiai reakciók végtermékétől függően többféle fermentáció létezik. Ez lehet tejsav, alkohol, vajsav, aceton-bután, citromsav.

Vegyük például, hogy ez a következő egyenlettel fejezhető ki:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Vagyis a baktérium egy glükózmolekulát bont le egy molekula etil-alkoholra és két molekula szén-oxidra (IV).

Az ATP a sejt univerzális energia „pénzneme”. A természet egyik legcsodálatosabb „találmánya” az úgynevezett „makroerg” anyagok molekulái, amelyek kémiai szerkezetében egy vagy több kötés található, amelyek energiatárolóként működnek. Számos hasonló molekulát találtak a természetben, de ezek közül csak egy található az emberi szervezetben - az adenozin-trifoszforsav (ATP). Ez egy meglehetősen összetett szerves molekula, amelyhez 3 negatív töltésű szervetlen foszforsav-maradék PO kapcsolódik. Ezek a foszformaradékok „makroerg” kötésekkel kapcsolódnak a molekula szerves részéhez, amelyek a különféle intracelluláris reakciók során könnyen elpusztulnak. Ezeknek a kötéseknek az energiája azonban nem oszlik el a térben hő formájában, hanem más molekulák mozgására vagy kémiai kölcsönhatásaira használják fel. Ennek a tulajdonságnak köszönhető, hogy az ATP a cellában egy univerzális energiatároló eszköz (akkumulátor), valamint egy univerzális „valuta” funkciót lát el. Hiszen szinte minden kémiai átalakulás, amely egy sejtben végbemegy, energiát nyel el vagy bocsát ki. Az energiamegmaradás törvénye szerint az oxidatív reakciók eredményeként keletkező és ATP formájában tárolt teljes energiamennyiség megegyezik azzal az energiamennyiséggel, amelyet a sejt szintetikus folyamataihoz és bármely funkciójának ellátásához felhasználhat. . „Fizetésként” az adott művelet végrehajtásának lehetőségéért a sejt kénytelen elkölteni ATP-készletét. Külön kiemelendő: az ATP molekula akkora, hogy nem képes átjutni a sejtmembránon. Ezért az egyik sejtben termelt ATP-t egy másik sejt nem tudja felhasználni. A test minden sejtje arra kényszerül, hogy önállóan szintetizálja az ATP-t a szükségleteihez olyan mennyiségben, amelyben funkcióinak ellátásához szükséges.

Az ATP újraszintézisének három forrása az emberi sejtekben. Nyilvánvalóan az emberi test sejtjeinek távoli ősei sok millió évvel ezelőtt léteztek növényi sejtekkel körülvéve, amelyek bőségesen látták el őket szénhidráttal, miközben kevés vagy egyáltalán nem volt oxigén. A szénhidrátok a szervezet energiatermeléséhez leginkább használt tápanyagok összetevői. És bár az emberi test legtöbb sejtje elsajátította a fehérjék és zsírok energia-nyersanyagként való felhasználásának képességét, egyes (például ideg-, vörösvér-, hím reproduktív) sejtek csak a szénhidrátok oxidációja révén képesek energiát termelni.

A szénhidrátok elsődleges oxidációjának folyamatai - vagy inkább a glükóz, amely valójában a sejtekben az oxidáció fő szubsztrátja - közvetlenül a citoplazmában zajlanak: ott találhatók az enzimkomplexek, amelyek miatt a glükózmolekula részben megsemmisül, és a felszabaduló energiát ATP formájában tárolják. Ezt a folyamatot glikolízisnek nevezik, kivétel nélkül az emberi szervezet minden sejtjében végbemehet. A reakció eredményeként egy 6 szénatomos glükózmolekulából két 3 szénatomos piroszőlősav és két ATP molekula képződik.

A glikolízis nagyon gyors, de viszonylag hatástalan folyamat. A sejtben a glikolízis reakcióinak lezajlása után képződő piruvicssav szinte azonnal tejsavvá alakul, és néha (például nehéz izommunka során) nagyon nagy mennyiségben kerül a vérbe, mivel ez egy kis molekula, amely szabadon képes átjutnak a sejtmembránon. A savas anyagcseretermékek ilyen tömeges felszabadulása a vérbe megzavarja a homeosztázist, és a szervezetnek speciális homeosztatikus mechanizmusokat kell bekapcsolnia, hogy megbirkózzon az izommunka vagy más aktív tevékenység következményeivel.

A glikolízis eredményeként képződő piruvinsav még mindig sok potenciális kémiai energiát tartalmaz, és szubsztrátként szolgálhat a további oxidációhoz, ehhez azonban speciális enzimekre és oxigénre van szükség. Ez a folyamat számos olyan sejtben fordul elő, amelyek speciális organellumokat - mitokondriumokat - tartalmaznak. A mitokondriális membránok belső felülete nagy lipid- és fehérjemolekulákból áll, köztük nagyszámú oxidatív enzimből. A citoplazmában képződött három szénatomos molekulák behatolnak a mitokondriumok belsejébe - általában ecetsav (acetát). Ott egy folyamatosan zajló reakcióciklusban vesznek részt, melynek során a szén- és hidrogénatomok váltakozva válnak le ezekről a szerves molekulákról, amelyek oxigénnel egyesülve szén-dioxiddá és vízzé alakulnak. Ezek a reakciók nagy mennyiségű energiát szabadítanak fel, amely ATP formájában raktározódik. A piroszőlősav minden egyes molekulája, miután a mitokondriumban egy teljes oxidációs cikluson ment keresztül, lehetővé teszi a sejt számára, hogy 17 ATP-molekulát nyerjen. Így 1 glükózmolekula teljes oxidációja 2+17x2 = 36 ATP molekulát biztosít a sejtnek. Ugyanilyen fontos, hogy a mitokondriális oxidáció folyamata tartalmazhat zsírsavakat és aminosavakat is, azaz zsírok és fehérjék összetevőit. Ennek a képességnek köszönhetően a mitokondriumok viszonylag függetlenné teszik a sejtet attól, hogy a szervezet milyen ételeket fogyaszt: mindenesetre a szükséges energiamennyiség termelődik.

Az energia egy része a sejtben tárolódik egy kisebb és mozgékonyabb molekula, a kreatin-foszfát (CrP) formájában, mint az ATP. Ez a kis molekula az, amely gyorsan átjut a sejt egyik végéből a másikba - oda, ahol pillanatnyilag a legnagyobb szükség van energiára. A KrF önmagában nem tud energiát adni a szintézis folyamataihoz, az izomösszehúzódáshoz vagy az idegimpulzus vezetéséhez: ehhez ATP szükséges. Másrészt viszont a KrP könnyen és gyakorlatilag veszteség nélkül képes az összes benne lévő energiát átadni az adenazin-difoszfát (ADP) molekulának, amely azonnal ATP-vé alakul és készen áll a további biokémiai átalakulásokra.

Így a sejt működése során elhasznált energia, azaz. Az ATP három fő folyamat révén újulhat meg: anaerob (oxigénmentes) glikolízis, aerob (oxigén részvételével) mitokondriális oxidáció, valamint a foszfátcsoport CrP-ből ADP-be való átvitele miatt.

A kreatin-foszfát forrás a legerősebb, mivel a kreatin-foszfát és az ADP reakciója nagyon gyorsan megy végbe. A sejtben lévő CrF tartalék azonban általában kicsi - például az izmok maximális erőfeszítéssel dolgozhatnak a CrF miatt legfeljebb 6-7 másodpercig. Ez általában elegendő a második legerősebb - glikolitikus - energiaforrás beindításához. Ilyenkor a tápanyagforrás sokszorosa, de a munka előrehaladtával a tejsavképződés miatt egyre nagyobb igénybevételre kerül a homeosztázis, és ha az ilyen munkát nagy izomzattal végzik, az nem tarthat tovább 1,5-2 percnél. De ez idő alatt szinte teljesen aktiválódnak a mitokondriumok, amelyek nemcsak a glükózt, hanem a zsírsavakat is képesek elégetni, amelyek készlete a szervezetben szinte kimeríthetetlen. Ezért egy aerob mitokondriális forrás nagyon hosszú ideig működhet, bár ereje viszonylag alacsony - 2-3-szor kisebb, mint a glikolitikus forrásé, és 5-ször kisebb, mint a kreatin-foszfát forrásé.

Az energiatermelés megszervezésének jellemzői a test különböző szöveteiben. A különböző szövetekben eltérő a mitokondrium szintje. Legkevésbé a csontokban és a fehér zsírban, a legtöbbet a barna zsírban, a májban és a vesékben találhatók meg. Az idegsejtekben meglehetősen sok mitokondrium található. Az izmokban nincs magas mitokondriumkoncentráció, de mivel a vázizmok a test legmasszívabb szövetei (egy felnőtt testtömegének kb. 40%-a), az izomsejtek szükségletei nagyban meghatározzák az izomsejtek intenzitását, ill. az összes energiaanyagcsere-folyamat iránya. I. A. Arshavsky ezt „a vázizmok energiaszabályának” nevezte.

Az életkor előrehaladtával az energia-anyagcsere két fontos összetevője egyszerre változik: változik a különböző metabolikus aktivitású szövetek tömegeinek aránya, valamint ezekben a szövetekben a legfontosabb oxidatív enzimek tartalma. Ennek eredményeként az energia-anyagcsere meglehetősen összetett változásokon megy keresztül, de általában az életkorral csökken az intenzitása, és meglehetősen jelentősen.

Sziasztok! Ezt a cikket a sejtmagnak és a DNS-nek akartam szentelni. De előtte ki kell térnünk arra, hogy a sejt hogyan tárolja és használja fel az energiát (köszi). Szinte mindenhol érinteni fogjuk az energiával kapcsolatos kérdéseket. Találjuk ki őket előre.

Miből nyerhetsz energiát? Igen mindenre! A növények fényenergiát használnak. Néhány baktérium is. Vagyis a szerves anyagokat fényenergia felhasználásával szintetizálják a szervetlenekből. + Vannak kemotrófok. Szerves anyagokat szintetizálnak szervetlenekből az ammónia, hidrogén-szulfid és más anyagok oxidációs energiájával. És ott vagyunk te és én. Heterotrófok vagyunk. Kik ők? Ezek azok, akik nem tudják, hogyan lehet szerves anyagokat szintetizálni szervetlenekből. Vagyis a kemoszintézis és a fotoszintézis nem nekünk való. Kész szerves anyagot veszünk (megesszük). Szétszedjük darabokra, és vagy építőanyagnak használjuk, vagy tönkretesszük, hogy energiát nyerjünk.
Mit elemezhetünk pontosan az energia szempontjából? Fehérjék (először aminosavakra bontva), zsírok, szénhidrátok és etil-alkohol (de ez nem kötelező). Vagyis mindezek az anyagok felhasználhatók energiaforrásként. De tárolására használjuk zsírok és szénhidrátok. Imádom a szénhidrátokat! Szervezetünkben a fő tároló szénhidrát a glikogén.

Glükóz maradékokból áll. Vagyis ez egy hosszú, elágazó lánc, amely azonos egységekből (glükóz) áll. Ha energiára van szükségünk, akkor egy-egy darabot leválasztunk a lánc végéről és oxidálva energiát nyerünk. Ez az energiaszerzési módszer a szervezet összes sejtjére jellemző, de különösen sok a glikogén a máj és az izomszövet sejtjeiben.

Most beszéljünk a zsírról. Speciális kötőszöveti sejtekben tárolják. A nevük zsírsejtek. Lényegében ezek olyan sejtek, amelyekben hatalmas zsírcsepp található.

Ha szükséges, ezekből a sejtekből a szervezet eltávolítja a zsírt, részben lebontja és elszállítja. A szállítás helyén a végső hasadás az energia felszabadulásával és átalakulásával történik.

Egy meglehetősen népszerű kérdés: „Miért nem tudod minden energiádat zsírként vagy glikogénként tárolni?”
Ezeknek az energiaforrásoknak különböző céljai vannak. A glikogénből elég gyorsan lehet energiát nyerni. Lebomlása szinte azonnal az izommunka megkezdése után kezdődik, 1-2 perc alatt éri el a csúcsot. A zsírok lebontása több nagyságrenddel lassabban megy végbe. Vagyis ha valahol alszol, vagy lassan sétálsz, akkor állandó energiafelhasználásod van, és ezt a zsírok lebontásával lehet biztosítani. De amint úgy döntesz, hogy felgyorsítasz (a szerverek leestek, rohantál felvenni őket), hirtelen szükséged lesz sok energiaés a zsírok lebontásával nem fogod tudni gyorsan megszerezni. Itt van szükségünk glikogénre.

Van még egy fontos különbség. A glikogén sok vizet köt meg. Körülbelül 3 g víz 1 g glikogénben. Vagyis 1 kg glikogénre ez már 3 kg víz. Nem optimális... Könnyebb a zsírral. Az energiát tároló lipidmolekulák (zsírok = lipidek) nem töltődnek, ellentétben a víz- és glikogénmolekulákkal. Az ilyen molekulákat hidrofóbnak nevezik (szó szerint félnek a víztől). A vízmolekulák polarizáltak. Így néz ki.

Lényegében a pozitív töltésű hidrogénatomok kölcsönhatásba lépnek a negatív töltésű oxigénatomokkal. Az eredmény egy stabil és energetikailag kedvező állapot.
Most képzeljük el a lipidmolekulákat. Nincsenek feltöltve, és nem tudnak normálisan kölcsönhatásba lépni a polarizált vízmolekulákkal. Ezért a lipidek vízzel való keveréke energetikailag kedvezőtlen. A lipidmolekulák nem képesek vizet adszorbeálni, mint a glikogén. Ezek úgynevezett lipidcseppekké „összetapadnak”, amelyeket foszfolipidekből álló membrán vesz körül (egyik oldaluk feltöltött és a víz felé néz, a másik nem töltődik, és a csepp lipidjei felé néz). Ennek eredményeként egy stabil rendszerünk van, amely hatékonyan tárolja a lipideket és semmi extra.

Oké, rájöttünk, milyen formákban tárolódik az energia. Mi lesz vele ezután? Tehát leválasztunk egy glükózmolekulát a glikogénről. Energiává változtatták. Mit jelent?
Tegyünk egy kis kitérőt.

Egy sejtben másodpercenként körülbelül 1 000 000 000 reakció megy végbe. Amikor egy reakció bekövetkezik, az egyik anyag átalakul egy másikká. Mi történik a belső energiájával? Csökkenhet, növekedhet vagy változatlan maradhat. Ha csökken -> energia szabadul fel. Ha növekszik -> kívülről kell energiát venni. A szervezet általában kombinálja az ilyen reakciókat. Vagyis az egyik reakció során felszabaduló energia a második végrehajtására megy el.

Tehát a szervezetben speciális vegyületek, makroergek vannak, amelyek a reakció során képesek felhalmozni és energiát átadni. Egy vagy több kémiai kötést tartalmaznak, amelyekben ez az energia felhalmozódik. Most visszatérhet a glükózhoz. A bomlása során felszabaduló energia ezeknek a makroergeknek a kapcsolataiban raktározódik.

Nézzük meg egy példával.

A sejt leggyakoribb makroergje (energia valuta) az ATP (adenozin-trifoszfát).

Valahogy így néz ki.

A nitrogéntartalmú adenin bázisból (az egyik a DNS-ben található információ kódolására használt 4 bázisból), a cukor-ribózból és három foszforsav-maradékból áll (tehát adenozin-trifoszfát). A foszforsavmaradékok közötti kötésekben halmozódik fel az energia. Ha egy foszforsav maradékot eltávolítunk, ADP (adenozin-difoszfát) képződik. Az ADP úgy szabadíthat fel energiát, hogy egy másik maradékot letör, és AMP-vé (adenozin-MONOfoszfát) alakul. De a második maradék leválasztásának hatékonysága sokkal alacsonyabb. Ezért a szervezet általában arra törekszik, hogy ismét ATP-t nyerjen az ADP-ből. Ez valahogy így megy. A glükóz lebontása során a felszabaduló energiát két foszforsavmaradék közötti kötés kialakítására és az ATP képződésére fordítják. A folyamat többlépcsős, és egyelőre kihagyjuk.

A keletkező ATP univerzális energiaforrás. Mindenhol alkalmazzák, a fehérjeszintézistől (az aminosavak kombinálásához energia kell) az izommunkáig. Az izomösszehúzódást végző motorfehérjék az ATP-ben tárolt energiát használják fel konformációjuk megváltoztatására. A konformáció változása egy nagy molekula egyik részének a másikhoz viszonyított átorientációja. Valahogy így néz ki.

Vagyis a kémiai kötés energiája mechanikai energiává alakul. Íme valódi példák olyan fehérjékre, amelyek ATP-t használnak a munkához.

Ismerje meg a miozint. Motor fehérje. Megmozgatja a nagy intracelluláris képződményeket és részt vesz az izomösszehúzódásban. Felhívjuk figyelmét, hogy két „lába” van. Az 1 ATP molekulában tárolt energia felhasználásával egyetlen konformációs változást hajt végre, lényegében egy lépést. A legvilágosabb példa az ATP kémiai energiájának mechanikai energiává való átalakulására.

A második példa a Na/K szivattyú. Az első szakaszban három Na-molekulát és egy ATP-t köt meg. Az ATP energiáját felhasználva megváltoztatja a konformációt, Na felszabadul a sejtből. Ezután megköt két káliummolekulát, és visszatérve eredeti konformációjához, káliumot juttat a sejtbe. Ez rendkívül fontos, lehetővé teszi a normál intracelluláris Na-szint fenntartását.

De akkor komolyan:

Szünet. Miért van szükségünk ATP-re? Miért nem tudjuk közvetlenül felhasználni a glükózban tárolt energiát? Elcsépelt dolog, hogy ha a glükózt egyszerre CO2-vé oxidálja, rendkívül nagy mennyiségű energia szabadul fel azonnal. És nagy része hőként eloszlik. Ezért a reakció szakaszokra oszlik. Mindegyik felszabadít egy kis energiát, elraktározódik, és a reakció addig tart, amíg az anyag teljesen oxidálódik.

Hadd foglaljam össze. Az energia zsírokban és szénhidrátokban raktározódik. Szénhidrátból gyorsabban kinyerhető, de a zsírokban több raktározható. A reakciók lebonyolításához a sejt nagy energiájú vegyületeket használ, amelyekben a zsírok, szénhidrátok stb. lebontásának energiája raktározódik... Az ATP a fő ilyen vegyület a sejtben. Alapvetően vedd el és használd. Azonban nem az egyetlen. De erről majd később.

P.S. Igyekeztem a lehető legnagyobb mértékben leegyszerűsíteni az anyagot, így volt néhány pontatlanság. Arra kérem a buzgó biológusokat, hogy bocsássák meg.

Címkék: Címkék hozzáadása