Mi termel energiát a sejtben. Hogyan jutnak a sejtek energiához. Az oxigén, mint létszükséglet

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 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 mitokondriumokban 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.

Az élő sejt eredendően instabil és szinte valószínűtlen szervezettel rendelkezik; A cella törékeny szerkezetének nagyon sajátos és szépen összetett rendjét csak a folyamatos energiafelhasználásnak köszönheti.

Amint az energiaellátás leáll, a sejt összetett szerkezete felbomlik, és rendezetlen, rendezetlen állapotba kerül. A sejt integritásának megőrzéséhez szükséges kémiai folyamatok biztosítása mellett a különböző típusú sejtekben az energiaátalakítás következtében a szervezet életével összefüggő különféle mechanikai, elektromos, kémiai és ozmotikus folyamatok megvalósítása. biztosított.

Miután az ember a viszonylag újabb időkben megtanulta a különféle élettelen forrásokban lévő energiát a különféle munkák elvégzéséhez kinyerni, kezdte megérteni, hogy a sejt milyen ügyesen és milyen nagy hatékonysággal alakítja át az energiát. Az energia átalakulása egy élő sejtben ugyanazoknak a termodinamikai törvényeknek van alávetve, amelyek az élettelen természetben is működnek. A termodinamika első főtétele szerint egy zárt rendszer összenergiája bármilyen fizikai változás mellett mindig állandó marad. A második törvény szerint az energia két formában létezhet: "ingyenes" vagy hasznos energia formájában és haszontalanul szétszórt energia formájában. Ugyanez a törvény kimondja, hogy bármilyen fizikai változás esetén hajlamosak vagyunk az energia disszipációjára, vagyis a szabad energia mennyiségének csökkentésére és az entrópia növelésére. Eközben egy élő sejtnek állandó szabadenergia-ellátásra van szüksége.

A mérnök a szükséges energiát főként az üzemanyagban lévő kémiai kötések energiájából szerzi. Tüzelőanyag elégetésével a kémiai energiát hőenergiává alakítja; azután a hőenergiát felhasználhatja például egy gőzturbina forgatására, és így elektromos energiát nyerhet. A sejtek az „üzemanyagban” található kémiai kötések energiájának felszabadításával is szabad energiát kapnak. Az energiát ezekben a kapcsolatokban tárolják azok a sejtek, amelyek szintetizálják a tápanyagként szolgáló tápanyagokat. A sejtek azonban nagyon specifikus módon használják fel ezt az energiát. Mivel az élő sejt működési hőmérséklete megközelítőleg állandó, a sejt nem tudja felhasználni a hőenergiát a munkához. Ahhoz, hogy a hőenergia miatt munka jöjjön létre, a hőnek egy jobban fűtött testről egy kevésbé fűtöttre kell átjutnia. Teljesen világos, hogy a cella nem tudja elégetni tüzelőanyagát a szén égési hőmérsékletén (900°); Nem bírja a túlhevített gőz vagy nagyfeszültségű áram hatását sem. A cellának meglehetősen állandó, ráadásul alacsony hőmérséklet, híg jódtartalmú környezet és a hidrogénionok koncentrációjának igen csekély ingadozása mellett kell energiát nyernie és felhasználnia. Az energiaszerzés képességének elsajátítása érdekében a sejt a szerves világ évszázados fejlődése során javította figyelemre méltó molekuláris mechanizmusait, amelyek szokatlanul hatékonyan működnek ilyen enyhe körülmények között.

Az energia kinyerésére szolgáló sejtes mechanizmusok két osztályba sorolhatók, és e mechanizmusok különbségei alapján minden sejt két fő típusra osztható. Az első típusú sejteket heterotrófoknak nevezzük; Ezek közé tartozik az emberi test összes sejtje és minden magasabbrendű állat sejtje. Ezekhez a cellákhoz nagyon összetett kémiai összetételű, kész üzemanyag állandó utánpótlására van szükség. Ilyen üzemanyagok a szénhidrátok, fehérjék és zsírok, azaz más sejtek és szövetek egyedi komponensei. A heterotróf sejtek ezen összetett anyagok (más sejtek által termelt) elégetésével vagy oxidálásával nyernek energiát a légzésnek nevezett folyamat során, amely a légkör molekuláris oxigénjével (O2) vesz részt. A heterotróf sejtek ezt az energiát biológiai funkcióik ellátására használják fel, végtermékként szén-dioxidot juttatva a légkörbe.

A második típusba tartozó sejteket autotrófnak nevezzük. A legjellemzőbb autotróf sejtek a zöld növények sejtjei. A fotoszintézis során megkötik a napfény energiáját, szükségleteik kielégítésére használják fel. Ezenkívül a napenergiával szén-dioxidot vonnak ki a légköri szén-dioxidból, és azt a legegyszerűbb szerves molekula - a glükózmolekula - felépítésére használják. A glükózból a zöld növények és más élőlények sejtjei összetettebb molekulákat hoznak létre, amelyek összetételüket alkotják. Az ehhez szükséges energia biztosítására a sejtek a légzés során a rendelkezésükre álló nyersanyagok egy részét elégetik. A sejtben végbemenő ciklikus energiaátalakulás leírásából világossá válik, hogy végső soron minden élő szervezet a napfényből kap energiát, a növényi sejtek közvetlenül a naptól, az állatok pedig közvetetten.

A cikkben feltett fő kérdések vizsgálata azon alapul, hogy részletesen le kell írni a sejt által használt primerenergia-kivonási mechanizmust. A légzés és a fotoszintézis összetett ciklusainak legtöbb lépését már tanulmányozták. Megállapították, hogy a sejt melyik szervében megy végbe ez vagy az a folyamat. A légzést mitokondriumok végzik, amelyek szinte minden sejtben nagy számban jelen vannak; a fotoszintézist a kloroplasztiszok - a zöld növények sejtjeiben található citoplazmatikus struktúrák - biztosítják. Az ezekben a sejtstruktúrákban rejlő molekuláris mechanizmusok, amelyek felépítésüket és funkcióikat lehetővé teszik, jelentik a következő fontos lépést a sejt tanulmányozásában.

Ugyanazok a jól tanulmányozott molekulák - adenozin-trifoszfát (ATP) molekulák - a tápanyagokból vagy a napfényből nyert szabad energiát a légzési vagy fotoszintézis központjaiból juttatják el a sejt minden részébe, biztosítva az összes energiafogyasztást igénylő folyamat megvalósítását. Az ATP-t Loman izolálta először izomszövetből körülbelül 30 évvel ezelőtt. Az ATP molekula három összekapcsolt foszfátcsoportot tartalmaz. Egy kémcsőben a végcsoport elválasztható az ATP-molekulától egy hidrolízis reakcióval, amely adenozin-difoszfátot (ADP) és szervetlen foszfátot termel. A reakció során az ATP molekula szabad energiája hőenergiává alakul, és a termodinamika második főtételének megfelelően az entrópia növekszik. A sejtben azonban a terminális foszfátcsoport nem egyszerűen elválik a hidrolízis során, hanem egy speciális molekulába kerül át, amely akceptorként szolgál. Az ATP molekula szabad energiájának jelentős része az akceptor molekula foszforilációja miatt megmarad, amely most a megnövekedett energia hatására képessé válik arra, hogy részt vegyen az energiafelhasználást igénylő folyamatokban, például a bioszintézis folyamataiban, ill. izomösszehúzódás. Egy foszfátcsoport eltávolítása után ebben a kapcsolt reakcióban az ATP ADP-vé alakul. A celluláris termodinamikában az ATP az energiahordozó (adenozin-foszfát) energiában gazdag vagy "töltött" formájának tekinthető, az ADP-re pedig az energiaszegény vagy "kisütött" forma.

A hordozó másodlagos „töltését” természetesen az energiakinyerésben részt vevő két mechanizmus egyike vagy másika végzi. Az állati sejtek légzési folyamata során a tápanyagokban lévő energia felszabadul az oxidáció következtében, és ATP-t építenek ADP-ből és foszfátból. A növényi sejtekben a fotoszintézis során a napfény energiája kémiai energiává alakul, és az adenozin-foszfát „töltésére”, azaz az ATP képzésére fordítódik.

A foszfor radioaktív izotópjával (P 32) végzett kísérletek azt mutatták, hogy a szervetlen foszfát nagy sebességgel épül be az ATP terminális foszfátcsoportjába, illetve abból kikerül. A vesesejtben a terminális foszfátcsoport átalakulása olyan gyorsan megy végbe, hogy felezési ideje kevesebb, mint 1 perc; ez egy rendkívül intenzív energiacserének felel meg e szerv sejtjeiben. Hozzá kell tenni, hogy az ATP aktivitása egy élő sejtben semmiképpen sem fekete mágia. A kémikusok sok hasonló reakciót ismernek, amelyek során a kémiai energia átadódik az élettelen rendszerekben. Az ATP viszonylag összetett szerkezete láthatóan csak a sejtben keletkezett, hogy biztosítsa az energiaátadással kapcsolatos kémiai reakciók leghatékonyabb szabályozását.

Az ATP szerepe a fotoszintézisben csak nemrégiben tisztázódott. Ez a felfedezés nagymértékben lehetővé tette annak magyarázatát, hogy a fotoszintetikus sejtek a szénhidrátszintézis folyamatában miként kötik meg a napenergiát - minden élőlény elsődleges energiaforrását.

A napfény energiája fotonok vagy kvantumok formájában továbbítódik; A különböző színű, vagy különböző hullámhosszúságú fényt különböző energiák jellemzik. Amikor a fény bizonyos fémfelületekre esik, és ezek a felületek elnyelik, a fotonok a fém elektronjaival való ütközés következtében energiájukat adják át nekik. Ez a fotoelektromos hatás a keletkező elektromos áram miatt mérhető. A zöld növények sejtjeiben bizonyos hullámhosszú napfényt a zöld pigment - klorofill - nyeli el. Az elnyelt energia a komplex klorofillmolekulában lévő elektronokat az alapenergia szintről magasabb szintre viszi át. Az ilyen „izgatott” elektronok hajlamosak visszatérni fő stabil energiaszintjükre, felszabadítva az általuk elnyelt energiát. A sejtből izolált tiszta klorofillkészítményben az elnyelt energia látható fény formájában újra kibocsátásra kerül, hasonlóan ahhoz, ami más foszforeszkáló vagy fluoreszkáló szerves és szervetlen vegyületek esetében történik.

Így a klorofill kémcsőben önmagában nem képes a fényenergia tárolására vagy felhasználására; ez az energia gyorsan eloszlik, mintha rövidzárlat történt volna. A sejtben azonban a klorofill sztérikusan kötődik más specifikus molekulákhoz; ezért amikor a fényelnyelés hatására gerjesztett, "forró" vagy energiában gazdag állapotba kerül, az elektronok nem térnek vissza normál (gerjesztetlen) energiaállapotukba; ehelyett a klorofill molekulából az elektronok szakadnak ki és az elektronhordozó molekulák hordozzák őket, amelyek zárt reakcióláncban adják át őket egymásnak. Ezt az utat a klorofillmolekulán kívül haladva a gerjesztett elektronok fokozatosan feladják energiájukat, és visszatérnek eredeti helyükre a klorofillmolekulában, amely ezután készen áll a második foton elnyelésére. Eközben az elektronok által leadott energiát ADP-ből és foszfátból ATP-képződésre használják fel, vagyis a fotoszintetikus sejt adenozin-foszfát rendszerének „feltöltésére”.

A fotoszintetikus foszforilációs folyamatot közvetítő elektronhordozókat még nem sikerült teljesen azonosítani. Úgy tűnik, hogy ezen hordozók egyike riboflavint (B2-vitamint) és K-vitamint tartalmaz. Másokat feltételesen a citokrómok közé sorolnak (porfirincsoportokkal körülvett vasatomokat tartalmazó fehérjék, amelyek elhelyezkedésében és szerkezetében magára a klorofill porfirinére hasonlítanak). Ezen elektronhordozók közül legalább kettő képes megkötni az általuk hordozott energia egy részét, hogy visszaállítsa az ATP-t az ADP-ből.

Ez a D. Arnon és más tudósok által kidolgozott alapséma a fényenergia ATP-foszfát kötések energiájává történő átalakítására.

A fotoszintézis folyamatában azonban a napenergia megkötése mellett szénhidrátszintézis is megtörténik. Ma már úgy gondolják, hogy a gerjesztett klorofillmolekula néhány "forró" elektronja a vízből származó hidrogénionokkal együtt az egyik elektronhordozó - trifoszfopiridin nukleotid - redukcióját (azaz további elektronok vagy hidrogénatomok felvételét) okozza. (TPN, redukált formában TPN-N).

A sötét reakciók sorozatában, amelyeket azért neveztek el, mert fény hiányában is előfordulhatnak, a TPH-H a szén-dioxid szénhidráttá redukálását okozza. Az ezekhez a reakciókhoz szükséges energia nagy részét az ATP biztosítja. E sötét reakciók természetét főként M. Calvin és munkatársai tanulmányozták. A TPN kezdeti fotoredukciójának egyik mellékterméke a hidroxil-ion (OH -). Bár még nem áll rendelkezésünkre teljes adat, feltételezhető, hogy ez az ion a fotoszintetikus reakciók láncolatában az egyik citokrómnak adományozza elektronját, amelynek végterméke a molekuláris oxigén. Az elektronok a hordozó lánc mentén mozognak, energetikailag hozzájárulva az ATP képződéséhez, és végül minden felesleges energiájuk elhasználása után belépnek a klorofillmolekulába.

Ahogy az elvárható a fotoszintézis folyamatának szigorúan szabályos és szekvenciális jellege alapján, a klorofillmolekulák nem véletlenszerűen helyezkednek el a kloroplasztiszokban, és természetesen nem egyszerűen szuszpendálódnak a kloroplasztiszokat kitöltő folyadékban. Éppen ellenkezőleg, a klorofillmolekulák rendezett struktúrákat alkotnak a kloroplasztiszokban - gránában, amelyek között rostok vagy membránok összefonódnak, amelyek elválasztják őket. Mindegyik gránában lapos klorofillmolekulák hevernek halomban; minden molekula analógnak tekinthető egy elem külön lemezével (elektródával), a grana az elemekhez, a grana összessége (azaz a teljes kloroplaszt) pedig egy elektromos akkumulátorhoz.

A kloroplasztiszok tartalmazzák mindazokat a speciális elektronhordozó molekulákat is, amelyek a klorofillal együtt részt vesznek az energia kinyerésében a „forró” elektronokból, és ezt az energiát szénhidrátok szintetizálására használják fel. A sejtből kivont kloroplasztok a fotoszintézis teljes komplex folyamatát képesek végrehajtani.

E miniatűr napelemes gyárak hatékonysága elképesztő. A laboratóriumban bizonyos speciális feltételek mellett kimutatható, hogy a fotoszintézis folyamata során a klorofillmolekulára eső fény akár 75%-a kémiai energiává alakul; Ez az adat azonban nem tekinthető teljesen pontosnak, és még mindig vita folyik erről. A terepen a levelek egyenlőtlen napfény általi megvilágítása, valamint számos egyéb ok miatt a napenergia felhasználás hatékonysága jóval alacsonyabb - több százalékos nagyságrendű.

Így a glükózmolekulának, amely a fotoszintézis végterméke, meglehetősen jelentős mennyiségű napenergiát kell tartalmaznia molekuláris konfigurációjában. A légzési folyamat során a heterotróf sejtek a glükózmolekula fokozatos lebontásával vonják ki ezt az energiát, hogy „megőrizzék” az ATP újonnan képződött foszfátkötéseiben található energiát.

Különböző típusú heterotróf sejtek léteznek. Egyes sejtek (például egyes tengeri mikroorganizmusok) oxigén nélkül is élhetnek; mások (például agysejtek) feltétlenül oxigént igényelnek; mások (például izomsejtek) sokoldalúbbak, és képesek a környezet oxigén jelenlétében és annak hiányában is működni. Ezen túlmenően, bár a legtöbb sejt előszeretettel használja a glükózt fő tüzelőanyagként, néhányuk kizárólag aminosavakon vagy zsírsavakon létezhet (amelyek szintézisének fő nyersanyaga ugyanaz a glükóz). Ennek ellenére a glükózmolekula lebontása a májsejtekben a legtöbb általunk ismert heterotrófra jellemző energiatermelési folyamat példájának tekinthető.

A glükózmolekulában lévő teljes energiamennyiség nagyon könnyen meghatározható. Bizonyos mennyiségű (minta) glükóz laboratóriumi elégetésével kimutatható, hogy egy glükózmolekula oxidációja során 6 molekula víz és 6 molekula szén-dioxid keletkezik, és a reakciót energia felszabadulása kíséri hő (körülbelül 690 000 kalória 1 gramm molekulánként, azaz 180 gramm glükózra). A hő formájában megjelenő energia természetesen haszontalan egy cella számára, amely gyakorlatilag állandó hőmérsékleten működik. A glükóz fokozatos oxidációja a légzés során azonban oly módon megy végbe, hogy a glükózmolekula szabad energiájának nagy része a sejt számára kényelmes formában raktározódik.

Ennek eredményeként a sejt az oxidáció során felszabaduló összes energia több mint 50%-át foszfátkötési energia formájában kapja meg. Az ilyen magas hatásfok kedvezőbb ahhoz, amit a technikában általában elérnek, ahol ritkán lehet a tüzelőanyag elégetésével nyert hőenergia több mint egyharmadát mechanikai vagy elektromos energiává alakítani.

A sejtben a glükóz oxidációjának folyamata két fő fázisra oszlik. Az első vagy előkészítő fázisban, amelyet glikolízisnek neveznek, a glükóz hat szénatomos molekulája két három szénatomos tejsavmolekulára bomlik. Ez az egyszerűnek tűnő folyamat nem egy, hanem legalább 11 lépésből áll, és mindegyik lépést a saját speciális enzime katalizálja. E művelet bonyolultsága ellentmondhat Newton „Natura entm simplex esi” („a természet egyszerű”) aforizmájának; Nem szabad azonban elfelejteni, hogy ennek a reakciónak nem az a célja, hogy egyszerűen kettévágja a glükózmolekulát, hanem a benne lévő energia felszabadítása ebből a molekulából. Mindegyik intermedier tartalmaz foszfátcsoportokat, és a reakció két ADP-molekula és két foszfátcsoport felhasználásával végződik. Végső soron a glükóz lebomlása következtében nemcsak két tejsavmolekula, hanem ezen felül két új ATP-molekula is képződik.

Mihez vezet ez energetikai szempontból? A termodinamikai egyenletek azt mutatják, hogy ha egy gramm glükózt lebontva tejsav keletkezik, 56 000 kalória szabadul fel. Mivel minden egyes gramm-molekula ATP képződése 10 000 kalóriát köt meg, az energiabefogási folyamat hatékonysága ebben a szakaszban körülbelül 36% - ez egy nagyon lenyűgöző adat annak alapján, amivel általában meg kell küzdenünk a technológiában. Azonban ez a 20 000 kalória, amely a foszfátkötés energiájává alakul át, csak egy kis töredékét (körülbelül 3%-át) teszi ki az egy gramm glükózmolekulában található teljes energiának (690 000 kalória). Eközben sok sejt, például anaerob sejtek vagy izomsejtek, amelyek aktív állapotban vannak (és jelenleg nem képesek lélegezni), léteznek ennek a jelentéktelen energiafelhasználásnak köszönhetően.

A glükóz tejsavvá történő lebontása után az aerob sejtek továbbra is a légzési folyamaton keresztül vonják ki a fennmaradó energia nagy részét, melynek során a három szénatomos tejsavmolekulák egy szén-dioxid molekulákká bomlanak le. A tejsav, vagy inkább oxidált formája, a piroszőlősav, még bonyolultabb reakciósorozaton megy keresztül, e reakciók mindegyikét ismét egy speciális enzimrendszer katalizálja. Először a három szénatomos vegyület lebomlik, és ecetsav (acetil-koenzim A) és szén-dioxid aktivált formáját képezi. A „két szénatomos rész” (acetil-koenzim A) ezután egy négy szénatomos vegyülettel, az oxálecetsavval egyesül, és hat szénatomot tartalmazó citromsavat állít elő. A citromsav egy sor reakció során visszaalakul oxálecetsavvá, és az ebbe a reakcióciklusba betáplált piroszőlősav három szénatomja végül szén-dioxid molekulákat termel. Ez a „malom”, amely nemcsak a glükózt, hanem a korábban ecetsavvá bomló zsír- és aminosavmolekulákat is „őröl” (oxidál) Krebs-ciklusnak vagy citromsavciklusnak nevezik.

A ciklust először G. Krebs írta le 1937-ben. Ez a felfedezés a modern biokémia egyik sarokköve, szerzőjét 1953-ban Nobel-díjjal tüntették ki.

A Krebs-ciklus nyomon követi a tejsav oxidációját szén-dioxiddá; Ez a ciklus azonban önmagában nem tudja megmagyarázni, hogy a tejsavmolekulában lévő nagy mennyiségű energia hogyan nyerhető ki élő sejtben történő felhasználásra alkalmas formában. Ezt a Krebs-ciklust kísérő energiakinyerési folyamatot az elmúlt években intenzíven tanulmányozták. Az összkép többé-kevésbé tiszta, de sok részletet még fel kell fedezni. Úgy tűnik, a Krebs-ciklus során az elektronok enzimek részvételével elszakadnak a köztes termékektől, és számos hordozómolekula mentén, összefoglaló néven légzési láncon kerülnek át. Ez az enzimmolekulák lánca jelenti a végső közös utat a tápmolekulákból a biológiai oxidáció során eltávolított összes elektron számára. A lánc utolsó láncszemében az elektronok végül oxigénnel egyesülve vizet képeznek. Így a tápanyagok légzés útján történő lebontása a fotoszintézis fordított folyamata, amelyben az elektronok vízből történő eltávolítása oxigént termel. Ezenkívül a légzési lánc elektronhordozói kémiailag nagyon hasonlóak a fotoszintézis folyamatában részt vevő megfelelő hordozókhoz. Ezek között vannak például a kloroplasztiszhoz hasonló riboflavin és citokróm szerkezetek. Ez megerősíti Newton aforizmáját a természet egyszerűségéről.

A fotoszintézishez hasonlóan az ezen a láncon az oxigénhez jutó elektronok energiáját rögzítik, és az ATP ADP-ből és foszfátból történő szintetizálására használják fel. Valójában ezt a légzési láncban előforduló foszforilációt (oxidatív foszforilációt) jobban tanulmányozták, mint a fotoszintézis során fellépő foszforilációt, amelyet viszonylag nemrég fedeztek fel. Szilárdan megállapították például, hogy a légzési láncban három központ van, amelyekben az adenozin-foszfát „töltése”, azaz az ATP képződése történik. Így a Krebs-ciklus során a tejsavból eltávolított minden elektronpárra átlagosan három ATP-molekula képződik.

A teljes ATP-hozam alapján ma már kiszámítható, hogy egy sejt milyen termodinamikai hatásfokkal vonja ki a glükóz oxidációja által rendelkezésére bocsátott energiát. A glükóz előzetes lebontása két tejsavmolekulára két molekula ATP-t eredményez. Minden tejsavmolekula végül hat pár elektront ad át a légzőláncnak. Mivel a láncon áthaladó elektronpárok mindegyike három ADP-molekula ATP-vé való átalakulását idézi elő, maga a légzési folyamat során 36 ATP-molekula keletkezik. Amikor minden gramm ATP-molekula képződik, körülbelül 10 000 kalória kötődik, amint azt már jeleztük, és ezért 38 gramm ATP-molekula körülbelül 380 000-et köt meg az eredeti grammos glükózmolekulában található 690 000 kalóriából. A glikolízis és a légzés összekapcsolt folyamatainak hatékonysága így legalább 55%-osnak tekinthető.

A légzési folyamat rendkívül összetettsége egy másik jele annak, hogy az érintett enzimatikus mechanizmusok nem működhetnének, ha az alkotórészeket egyszerűen összekevernék oldatban. Ahogy a fotoszintézishez kapcsolódó molekuláris mechanizmusok bizonyos szerkezeti felépítéssel rendelkeznek, és a kloroplasztiszban találhatók, a sejt légzőszervei - a mitokondriumok - ugyanazt a szerkezetileg rendezett rendszert képviselik.

Egy sejt típusától és funkcióinak jellegétől függően 50-5000 mitokondriumot tartalmazhat (egy májsejt például körülbelül 1000 mitokondriumot tartalmaz). Elég nagyok (3-4 mikron hosszúak) ahhoz, hogy normál mikroszkóppal is láthatóak legyenek. A mitokondriumok ultrastruktúrája azonban csak elektronmikroszkóp alatt látható.

Az elektronmikroszkópos felvételeken látható, hogy a mitokondriumnak két membránja van, a belső membrán redőket képez, amelyek benyúlnak a mitokondrium testébe. Egy nemrégiben végzett májsejtekből izolált mitokondriumok vizsgálata kimutatta, hogy a Krebs-ciklusban részt vevő enzimmolekulák a mátrixban vagy a mitokondriumok belső tartalmának oldható részében helyezkednek el, míg a légzőlánc enzimei molekuláris formában. szerelvények” találhatók a membránokban. A membránok fehérje és lipid (zsír) molekulák váltakozó rétegeiből állnak; A kloroplasztiszok granájában lévő membránok szerkezete azonos.

Így egyértelmű a hasonlóság e két fő „erőmű” felépítésében, amelytől a sejt teljes élettevékenysége függ, mert az egyik az ATP foszfátkötéseiben „tárolja” a napenergiát, a másik pedig átalakítja. a tápanyagokban lévő energia ATP energiává .

A modern kémia és fizika fejlődése a közelmúltban lehetővé tette néhány nagy molekula térbeli szerkezetének tisztázását, például számos fehérje és DNS molekulái, azaz a genetikai információt tartalmazó molekulák.

A sejt tanulmányozásának következő fontos lépése a nagy enzimmolekulák (melyek maguk is fehérjék) elhelyezkedésének kiderítése a mitokondriális membránokban, ahol a lipidekkel együtt elhelyezkednek – ez az elrendezés biztosítja az egyes katalizátormolekulák megfelelő orientációját és a kölcsönhatás lehetősége a teljes működési mechanizmus későbbi kapcsolatával. A mitokondriumok „bekötési rajza” már világos!

A cella erőműveivel kapcsolatos modern információk azt mutatják, hogy nemcsak a klasszikus energiát hagyja maga mögött, hanem a technológia legújabb, sokkal briliánsabb vívmányait is.

Az elektronika elképesztő sikereket ért el a számítástechnikai eszközök alkatrészeinek elrendezésében és méretének csökkentésében. Mindezek a sikerek azonban nem hasonlíthatók össze a szerves evolúció során kialakult és minden élő sejtben jelenlévő legösszetettebb energiaátalakítási mechanizmusok teljesen hihetetlen miniatürizálásával.

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.

Lehetetlen megérteni, hogyan épül fel és „működik” az emberi test anélkül, hogy megértené, hogyan megy végbe az anyagcsere a sejtben. Minden egyes élő sejt folyamatosan energiát kell termelnie. Energiára van szüksége a hőtermeléshez és néhány létfontosságú vegyi anyag, például fehérjék vagy örökletes anyagok szintetizálásához (létrehozásához). Energia A sejtnek szüksége van rá, hogy mozogjon. Testsejtek, mozgásra képes az úgynevezett izmos. Összesüllyedhetnek. Ez mozgásba hozza karjainkat, lábainkat, szívünket és beleinket. Végül az elektromos áram előállításához energiára van szükség: ennek köszönhetően egyes testrészek „kommunikálnak” másokkal. A köztük lévő kapcsolatot pedig elsősorban az idegsejtek biztosítják.

Honnan nyernek energiát a sejtek? A válasz: segít nekik ATP. Hadd magyarázzam. A sejtek elégetik a tápanyagokat, és a folyamat során bizonyos mennyiségű energia szabadul fel. Egy speciális vegyszer szintetizálására használják, amely tárolja a szükséges energiát. Ezt az anyagot nevezik adenozin-trifoszfát(rövidítve ATP). Amikor egy sejtben található ATP-molekula lebomlik, a benne tárolt energia felszabadul. Ennek az energiának köszönhetően a sejt hőt, elektromos áramot termelhet, vegyi anyagokat szintetizálhat vagy mozgásokat végezhet. Röviden, ATP aktiválja a sejt teljes „mechanizmusát”.

Így néz ki mikroszkóp alatt egy vékony, színezett szövetkör, amelyből... vettek ki. agyalapi mirigy- borsó nagyságú agyi függelék. Piros, sárga, kék, lila foltok, valamint hússzínű foltok vannak sejtmaggal rendelkező sejtek. Az agyalapi mirigy sejtjei mindegyik típusa egy vagy több létfontosságú hormont választ ki.

Most beszéljünk részletesebben arról, hogyan jutnak a sejtek ATP-hez. A választ már tudjuk. Sejtek elégetni a tápanyagokat. Ezt kétféleképpen tehetik meg. Először is égesse el a szénhidrátokat, főleg a glükózt oxigén hiányában. Ez egy olyan anyagot termel, amelyet a vegyészek piroszőlősavnak neveznek, és magát a szénhidrát lebontási folyamatot glikolízisnek nevezik. A glikolízis következtében túl kevés ATP termelődik: egy glükózmolekula lebomlása mindössze két ATP molekula képződésével jár együtt. A glikolízis nem hatékony – ez az energiakinyerés legrégebbi formája. Ne feledje, hogy az élet a vízben keletkezett, vagyis egy olyan környezetben, ahol nagyon kevés oxigén volt.

Másodszor, testsejtekégesse el a piroszőlősavat, a zsírokat és a fehérjéket oxigén jelenlétében. Mindezek az anyagok szenet és hidrogént tartalmaznak. Ebben az esetben az égés két szakaszban történik. Először a sejt kivonja a hidrogént, majd azonnal elkezdi lebontani a megmaradt szénkeretet, és megszabadul a szén-dioxidtól – a sejtmembránon keresztül engedi ki. A második szakaszban a tápanyagokból kinyert hidrogént elégetik (oxidálják). Víz képződik, és nagy mennyiségű energia szabadul fel. A sejteknek elegendő belőle sok ATP-molekula szintetizálásához (például két molekula tejsav, a piroszőlősav redukciójának terméke oxidációja során 36 ATP-molekula keletkezik).

Ez a leírás száraznak és elvontnak tűnik. Valójában mindannyian láttuk, hogyan megy végbe az energiatermelés folyamata. Emlékszel az űrkikötőkből rakétakilövésekről szóló televíziós riportokra? Felfelé szárnyalnak a hihetetlen mennyiségű energia miatt, amely a hidrogén oxidációja során szabadul fel, vagyis amikor oxigénben elégetik.

Az űrrakéták toronymagasságban rohannak az égbe annak a hatalmas energiának köszönhetően, amely a hidrogén tiszta oxigénben történő elégetésekor szabadul fel. Ugyanez az energia tartja fenn az életet testünk sejtjeiben. Csak bennük megy végbe az oxidációs reakció szakaszosan. Ráadásul a hő- és kinetikus energia helyett sejtjeink először cellás tüzelőanyagot hoznak létre." ATP.

Üzemanyagtartályaik tele vannak folyékony hidrogénnel és oxigénnel. Amikor a motorok beindulnak, a hidrogén oxidálódni kezd, és a hatalmas rakéta gyorsan az égbe repül. Talán ez hihetetlennek tűnik, és mégis: ugyanaz az energia, amely egy űrrakétát visz az ég felé, támogatja az életet testünk sejtjeiben is.

Kivéve, hogy a cellákban nem történik robbanás, és nem tör ki belőlük egy lángszál sem. Az oxidáció szakaszosan megy végbe, ezért a termikus és kinetikus energia helyett ATP-molekulák képződnek.