Procesy bioenergetyczne w komórce (Energia atomowa komórki). Dostarczanie komórkom energii. Źródła energii Czy istnieją inne sposoby pozyskiwania energii?

Obfity wzrost drzew tłustych,
które zakorzeniają się na jałowym piasku
zatwierdzony, wyraźnie to stwierdza
arkusze tłuszczu, tłuszcz z powietrza
absorbować...
M. V. Łomonosow

W jaki sposób energia jest magazynowana w komórce? Co to jest metabolizm? Na czym polegają procesy glikolizy, fermentacji i oddychania komórkowego? Jakie procesy zachodzą podczas jasnej i ciemnej fazy fotosyntezy? Jak powiązane są procesy metabolizmu energetycznego i plastycznego? Co to jest chemosynteza?

Lekcja-wykład

Zdolność do zamiany jednego rodzaju energii na inny (energię promieniowania na energię wiązań chemicznych, energię chemiczną na energię mechaniczną itp.) jest jedną z podstawowych właściwości istot żywych. Tutaj przyjrzymy się bliżej, jak te procesy są realizowane w organizmach żywych.

ATP JEST GŁÓWNYM NOŚNIKEM ENERGII W KOMÓRCE. Aby przeprowadzić jakiekolwiek przejawy aktywności komórkowej, wymagana jest energia. Organizmy autotroficzne otrzymują energię początkową ze Słońca podczas reakcji fotosyntezy, natomiast organizmy heterotroficzne wykorzystują jako źródło energii związki organiczne dostarczane z pożywieniem. Energia jest magazynowana przez komórki w wiązaniach chemicznych cząsteczek ATP (trifosforan adenozyny), które są nukleotydem składającym się z trzech grup fosforanowych, reszty cukrowej (rybozy) i reszty zasady azotowej (adeniny) (ryc. 52).

Ryż. 52. Cząsteczka ATP

Wiązanie pomiędzy resztami fosforanowymi nazywa się makroergicznym, gdyż przy jego rozerwaniu uwalniana jest duża ilość energii. Zazwyczaj komórka pobiera energię z ATP poprzez usunięcie tylko końcowej grupy fosforanowej. W tym przypadku tworzy się ADP (difosforan adenozyny) i kwas fosforowy i uwalniane jest 40 kJ/mol:

Cząsteczki ATP pełnią w komórce rolę uniwersalnej karty przetargowej dotyczącej energii. Dostarczane są na miejsce energochłonnego procesu, czy to enzymatycznej syntezy związków organicznych, pracy białek - silników molekularnych czy białek transportujących błonę itp. Odwrotna synteza cząsteczek ATP odbywa się poprzez przyłączenie grupy fosforanowej do ADP z absorpcją energii. Podczas reakcji komórka magazynuje energię w postaci ATP metabolizm energetyczny. Jest to ściśle powiązane z wymiana plastiku, podczas którego komórka wytwarza związki organiczne niezbędne do jej funkcjonowania.

METABOLIZM I ENERGIA W KOMÓRCE (METABOLIZM). Metabolizm to ogół wszystkich powiązanych ze sobą reakcji metabolizmu plastycznego i energetycznego. Komórki stale syntetyzują węglowodany, tłuszcze, białka i kwasy nukleinowe. Synteza związków zawsze zachodzi przy wydatku energii, czyli przy niezbędnym udziale ATP. Źródłami energii do tworzenia ATP są reakcje enzymatyczne utleniania białek, tłuszczów i węglowodanów wchodzących do komórki. Podczas tego procesu uwalniana jest energia, która jest magazynowana w ATP. Utlenianie glukozy odgrywa szczególną rolę w komórkowym metabolizmie energetycznym. Cząsteczki glukozy ulegają szeregowi kolejnych przemian.

Pierwszy etap, tzw glikoliza, zachodzi w cytoplazmie komórek i nie wymaga tlenu. W wyniku kolejnych reakcji z udziałem enzymów glukoza rozkłada się na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego. W tym przypadku zużywane są dwie cząsteczki ATP, a energia uwolniona podczas utleniania wystarcza do utworzenia czterech cząsteczek ATP. W rezultacie produkcja energii glikolizy jest niewielka i wynosi dwie cząsteczki ATP:

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

W warunkach beztlenowych (przy braku tlenu) dalsze przemiany można wiązać z różnymi typami fermentacja.

Każdy wie fermentacja kwasu mlekowego(kwaszenie mleka), które następuje na skutek działania grzybów i bakterii kwasu mlekowego. Mechanizm jest podobny do glikolizy, tyle że produktem końcowym jest tutaj kwas mlekowy. Ten rodzaj utleniania glukozy zachodzi w komórkach, gdy brakuje tlenu, np. w intensywnie pracujących mięśniach. Fermentacja alkoholowa jest chemicznie bliska fermentacji mlekowej. Różnica polega na tym, że produktami fermentacji alkoholowej są alkohol etylowy i dwutlenek węgla.

Kolejnym etapem, podczas którego kwas pirogronowy utlenia się do dwutlenku węgla i wody, jest tzw oddychania komórkowego. Reakcje związane z oddychaniem zachodzą w mitochondriach komórek roślinnych i zwierzęcych i tylko w obecności tlenu. Jest to szereg przemian chemicznych poprzedzających powstanie produktu końcowego – dwutlenku węgla. Na różnych etapach tego procesu tworzą się pośrednie produkty utleniania substancji wyjściowej z eliminacją atomów wodoru. W tym przypadku uwalniana jest energia, która jest „konserwowana” w wiązaniach chemicznych ATP i powstają cząsteczki wody. Staje się jasne, że właśnie do związania oddzielonych atomów wodoru potrzebny jest tlen. Ten ciąg przemian chemicznych jest dość złożony i zachodzi przy udziale wewnętrznych błon mitochondriów, enzymów i białek nośnikowych.

Oddychanie komórkowe jest bardzo wydajne. Syntetyzowanych jest 30 cząsteczek ATP, podczas glikolizy powstają dwie kolejne cząsteczki, a w wyniku przemian produktów glikolizy na błonach mitochondrialnych powstaje sześć cząsteczek ATP. Łącznie w wyniku utlenienia jednej cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP:

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

Końcowe etapy utleniania nie tylko cukrów, ale także białek i lipidów zachodzą w mitochondriach. Substancje te są wykorzystywane przez komórki, głównie wtedy, gdy kończy się podaż węglowodanów. Najpierw spożywany jest tłuszcz, którego utlenienie uwalnia znacznie więcej energii niż z równej objętości węglowodanów i białek. Dlatego tłuszcz zwierzęcy stanowi główną „strategiczną rezerwę” zasobów energetycznych. W roślinach skrobia pełni rolę rezerwy energetycznej. Podczas przechowywania zajmuje znacznie więcej miejsca niż równoważna energetycznie ilość tłuszczu. Nie stanowi to przeszkody dla roślin, ponieważ są nieruchome i nie niosą ze sobą zapasów, jak zwierzęta. Energię można pozyskać z węglowodanów znacznie szybciej niż z tłuszczów. Białka pełnią w organizmie wiele ważnych funkcji, dlatego biorą udział w metabolizmie energetycznym dopiero wtedy, gdy wyczerpią się zasoby cukrów i tłuszczów, np. podczas długotrwałego postu.

FOTOSYNTEZA. Fotosynteza to proces, podczas którego energia promieni słonecznych zamieniana jest na energię wiązań chemicznych związków organicznych. W komórkach roślinnych procesy związane z fotosyntezą zachodzą w chloroplastach. Wewnątrz tej organelli znajdują się systemy membran, w których osadzone są pigmenty wychwytujące energię promieniowania słonecznego. Głównym pigmentem fotosyntezy jest chlorofil, który pochłania głównie promienie niebieskie i fioletowe, a także czerwone widmo. Zielone światło jest odbijane, więc sam chlorofil i zawierające go części roślin wydają się zielone.

W procesie fotosyntezy wyróżnia się dwie fazy: światło I ciemny(ryc. 53). Rzeczywiste wychwytywanie i konwersja energii promieniowania następuje w fazie świetlnej. Pochłaniając kwanty światła, chlorofil przechodzi w stan wzbudzony i staje się donorem elektronów. Jego elektrony są przenoszone z jednego kompleksu białkowego do drugiego wzdłuż łańcucha transportu elektronów. Białka tego łańcucha, podobnie jak pigmenty, skupiają się na wewnętrznej błonie chloroplastów. Kiedy elektron porusza się wzdłuż łańcucha nośników, traci energię, która jest wykorzystywana do syntezy ATP. Część elektronów wzbudzonych światłem jest wykorzystywana do redukcji NDP (dinukleotyfosforanu nikotynoamidoadeninowego) lub NADPH.

Ryż. 53. Produkty reakcji jasnej i ciemnej fazy fotosyntezy

Pod wpływem światła słonecznego cząsteczki wody ulegają również rozkładowi w chloroplastach - fotoliza; w tym przypadku pojawiają się elektrony, które kompensują swoje straty chlorofilem; Powoduje to wytwarzanie tlenu jako produktu ubocznego:

Zatem funkcjonalnym znaczeniem fazy lekkiej jest synteza ATP i NADPH poprzez konwersję energii świetlnej na energię chemiczną.

Do zajścia ciemnej fazy fotosyntezy nie jest potrzebne światło. Istota zachodzących tu procesów polega na tym, że powstałe w fazie lekkiej cząsteczki ATP i NADPH zostają wykorzystane w szeregu reakcji chemicznych, które „wiążą” CO2 w postaci węglowodanów. Wszystkie reakcje fazy ciemnej zachodzą wewnątrz chloroplastów, a dwutlenek węgla ADP i NADP uwolniony podczas „utrwalania” jest ponownie wykorzystywany w reakcjach fazy jasnej do syntezy ATP i NADPH.

Ogólne równanie fotosyntezy jest następujące:

POWIĄZANIE I JEDNOŚĆ PROCESÓW WYMIANY TWORZYW SZTUCZNYCH I ENERGII. Procesy syntezy ATP zachodzą w cytoplazmie (glikoliza), mitochondriach (oddychanie komórkowe) i chloroplastach (fotosynteza). Wszystkie reakcje zachodzące podczas tych procesów są reakcjami wymiany energii. Energia zmagazynowana w postaci ATP jest zużywana w reakcjach wymiany plastycznej do produkcji białek, tłuszczów, węglowodanów i kwasów nukleinowych niezbędnych do życia komórki. Należy pamiętać, że ciemna faza fotosyntezy to łańcuch reakcji, wymiana plastyczna, a faza jasna to wymiana energii.

Wzajemne powiązanie i jedność procesów wymiany energii i tworzyw sztucznych dobrze ilustruje następujące równanie:

Czytając to równanie od lewej do prawej, otrzymujemy proces utleniania glukozy do dwutlenku węgla i wody podczas glikolizy i oddychania komórkowego, związany z syntezą ATP (metabolizm energetyczny). Czytając od prawej do lewej otrzymamy opis reakcji ciemnej fazy fotosyntezy, kiedy glukoza syntetyzowana jest z wody i dwutlenku węgla przy udziale ATP (wymiana plastyczna).

CHEMOSYNTEZA. Oprócz fotoautotrofów niektóre bakterie (bakterie wodorowe, bakterie nitryfikacyjne, bakterie siarkowe itp.) są również zdolne do syntezy substancji organicznych z nieorganicznych. Dokonują tej syntezy dzięki energii uwalnianej podczas utleniania substancji nieorganicznych. Nazywa się je chemoautotrofami. Te chemosyntetyczne bakterie odgrywają ważną rolę w biosferze. Na przykład bakterie nitryfikacyjne przekształcają sole amonowe niedostępne dla roślin w sole kwasu azotowego, które są przez nie dobrze wchłaniane.

Metabolizm komórkowy składa się z reakcji metabolizmu energetycznego i plastycznego. Podczas metabolizmu energetycznego powstają związki organiczne z wysokoenergetycznymi wiązaniami chemicznymi – ATP. Potrzebna do tego energia pochodzi z utleniania związków organicznych podczas reakcji beztlenowych (glikoliza, fermentacja) i tlenowych (oddychanie komórkowe); ze światła słonecznego, którego energia jest pochłaniana w fazie świetlnej (fotosynteza); z utleniania związków nieorganicznych (chemosynteza). Energia ATP jest zużywana na syntezę związków organicznych niezbędnych komórce podczas reakcji wymiany plastycznej, do których zaliczają się reakcje ciemnej fazy fotosyntezy.

• Jakie są różnice między metabolizmem plastycznym a energetycznym?
• W jaki sposób energia światła słonecznego przekształca się w fazę świetlną fotosyntezy? Jakie procesy zachodzą w ciemnej fazie fotosyntezy?
• Dlaczego fotosyntezę nazywa się procesem odzwierciedlania interakcji planetarno-kosmicznej?

Każda właściwość istot żywych i wszelkie przejawy życia są powiązane z pewnymi reakcjami chemicznymi zachodzącymi w komórce. Reakcje te zachodzą albo z wydatkowaniem, albo z uwolnieniem energii. Cały zestaw procesów transformacji substancji w komórce, a także w organizmie, nazywa się metabolizmem.

Anabolizm

Przez całe życie komórka utrzymuje stałość swojego środowiska wewnętrznego, zwaną homeostazą. W tym celu syntetyzuje substancje zgodnie ze swoją informacją genetyczną.

Ryż. 1. Schemat metaboliczny.

Ta część metabolizmu, podczas której powstają charakterystyczne dla danej komórki związki wielkocząsteczkowe, nazywana jest metabolizmem plastycznym (asymilacja, anabolizm).

Reakcje anaboliczne obejmują:

• synteza białek z aminokwasów;
• tworzenie skrobi z glukozy;
• fotosynteza;
• synteza tłuszczów z glicerolu i kwasów tłuszczowych.

Reakcje te są możliwe tylko przy wydatku energii. Jeśli energia zewnętrzna (świetlna) zostanie przeznaczona na fotosyntezę, to na resztę - zasoby komórki.

TOP 4 artykułyktórzy czytają razem z tym

Ilość energii zużywanej na asymilację jest większa niż ta zmagazynowana w wiązaniach chemicznych, ponieważ część z niej jest wykorzystywana do regulacji procesu.

Katabolizm

Drugą stroną metabolizmu i przemian energetycznych w komórce jest metabolizm energetyczny (dysymilacja, katabolizm).

Reakcjom katabolicznym towarzyszy uwalnianie energii.
Proces ten obejmuje:

• oddech;
• rozkład polisacharydów na monosacharydy;
• rozkład tłuszczów na kwasy tłuszczowe i glicerol oraz inne reakcje.

Ryż. 2. Procesy kataboliczne w komórce.

Wzajemne powiązanie procesów wymiany

Wszystkie procesy zachodzące w komórce są ściśle powiązane ze sobą, a także z procesami zachodzącymi w innych komórkach i narządach. Przemiany substancji organicznych zależą od obecności kwasów nieorganicznych, makro- i mikroelementów.

Procesy katabolizmu i anabolizmu zachodzą w komórce jednocześnie i są dwoma przeciwstawnymi składnikami metabolizmu.

Procesy metaboliczne są powiązane z pewnymi strukturami komórkowymi:

• oddech- z mitochondriami;
• synteza białek- z rybosomami;
• fotosynteza- z chloroplastami.

Komórkę charakteryzują nie pojedyncze procesy chemiczne, ale regularna kolejność ich występowania. Regulatory metabolizmu to białka enzymatyczne, które kierują reakcjami i zmieniają ich intensywność.

ATP

Szczególną rolę w metabolizmie odgrywa kwas adenozynotrójfosforowy (ATP). Jest to kompaktowy magazyn energii chemicznej stosowany w reakcjach termojądrowych.

Ryż. 3. Schemat budowy ATP i jego konwersji do ADP.

Ze względu na swoją niestabilność ATP tworzy cząsteczki ADP i AMP (di- i monofosforanu) z uwolnieniem dużej ilości energii do procesów asymilacji.

Wszystkie żywe organizmy, z wyjątkiem wirusów, zbudowane są z komórek. Zapewniają wszystkie procesy niezbędne do życia rośliny lub zwierzęcia. Sama komórka może być odrębnym organizmem. I jak tak złożona struktura może żyć bez energii? Oczywiście nie. Jak więc komórki pozyskują energię? Opiera się na procesach, które rozważymy poniżej.

Dostarczanie komórkom energii: jak to się dzieje?

Niewiele komórek otrzymuje energię z zewnątrz, same ją wytwarzają. mają unikalne „stacje”. Źródłem energii w komórce jest mitochondrium, organella, która ją wytwarza. Zachodzi w nim proces oddychania komórkowego. Dzięki niemu komórki otrzymują energię. Występują jednak jedynie w roślinach, zwierzętach i grzybach. Komórki bakteryjne nie mają mitochondriów. Dlatego ich komórki zaopatrywane są w energię głównie poprzez procesy fermentacji, a nie oddychanie.

Struktura mitochondriów

Jest to organella dwubłonowa, która pojawiła się w komórce eukariotycznej w procesie ewolucji w wyniku wchłonięcia przez nią mniejszej, co może wyjaśniać fakt, że mitochondria zawierają własne DNA i RNA oraz mitochondrialne rybosomy wytwarzające białka niezbędne dla organelli.

Wewnętrzna membrana ma występy zwane cristae lub grzbietami. Na cristae zachodzi proces oddychania komórkowego.

To, co znajduje się wewnątrz obu membran, nazywa się matrycą. Zawiera białka, enzymy niezbędne do przyspieszenia reakcji chemicznych, a także RNA, DNA i rybosomy.

Oddychanie komórkowe jest podstawą życia

Odbywa się w trzech etapach. Przyjrzyjmy się każdemu z nich bardziej szczegółowo.

Pierwszy etap ma charakter przygotowawczy

Na tym etapie złożone związki organiczne rozkładają się na prostsze. W ten sposób białka rozkładają się na aminokwasy, tłuszcze na kwasy karboksylowe i glicerol, kwasy nukleinowe na nukleotydy, a węglowodany na glukozę.

Glikoliza

To jest etap beztlenowy. Polega to na tym, że substancje otrzymane w pierwszym etapie ulegają dalszemu rozkładowi. Głównymi źródłami energii, którą komórka wykorzystuje na tym etapie, są cząsteczki glukozy. Każdy z nich podczas glikolizy rozkłada się na dwie cząsteczki pirogronianu. Dzieje się tak podczas dziesięciu kolejnych reakcji chemicznych. W wyniku pierwszych pięciu glukoza ulega fosforylacji, a następnie rozpadowi na dwie fosfotriozy. W wyniku następnych pięciu reakcji powstają dwie cząsteczki i dwie cząsteczki PVA (kwasu pirogronowego). Energia komórki magazynowana jest w postaci ATP.

Cały proces glikolizy można uprościć w następujący sposób:

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

Zatem wykorzystując jedną cząsteczkę glukozy, dwie cząsteczki ADP i dwie cząsteczki kwasu fosforowego, komórka otrzymuje dwie cząsteczki ATP (energię) i dwie cząsteczki kwasu pirogronowego, które wykorzysta w kolejnym kroku.

Trzeci etap to utlenianie

Ten etap zachodzi tylko w obecności tlenu. Reakcje chemiczne tego etapu zachodzą w mitochondriach. Jest to główna część, podczas której uwalniane jest najwięcej energii. Na tym etapie reagując z tlenem rozkłada się na wodę i dwutlenek węgla. Ponadto powstaje 36 cząsteczek ATP. Możemy zatem stwierdzić, że głównymi źródłami energii w komórce są glukoza i kwas pirogronowy.

Podsumowując wszystkie reakcje chemiczne i pomijając szczegóły, cały proces oddychania komórkowego możemy wyrazić jednym uproszczonym równaniem:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 PO 4 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP.

Zatem podczas oddychania z jednej cząsteczki glukozy, sześciu cząsteczek tlenu, trzydziestu ośmiu cząsteczek ADP i tej samej ilości kwasu fosforowego komórka otrzymuje 38 cząsteczek ATP, w postaci którego magazynowana jest energia.

Różnorodność enzymów mitochondrialnych

Komórka otrzymuje energię do czynności życiowych poprzez oddychanie – utlenianie glukozy, a następnie kwasu pirogronowego. Wszystkie te reakcje chemiczne nie mogłyby zachodzić bez enzymów – katalizatorów biologicznych. Przyjrzyjmy się tym, które znajdują się w mitochondriach, organellach odpowiedzialnych za oddychanie komórkowe. Wszystkie nazywane są oksydoreduktazami, ponieważ są niezbędne do zapewnienia wystąpienia reakcji redoks.

Wszystkie oksydoreduktazy można podzielić na dwie grupy:

• oksydazy;
• dehydrogenaza;

Dehydrogenazy z kolei dzielą się na tlenowe i beztlenowe. Aerobowe zawierają koenzym ryboflawinę, którą organizm otrzymuje z witaminy B2. Dehydrogenazy tlenowe zawierają cząsteczki NAD i NADP jako koenzymy.

Oksydazy są bardziej zróżnicowane. Przede wszystkim dzieli się je na dwie grupy:

• zawierające miedź;
• te zawierające żelazo.

Do pierwszych należą polifenolooksydazy i oksydaza askorbinianowa, do drugich zalicza się katalaza, peroksydaza i cytochromy. Te ostatnie z kolei dzielą się na cztery grupy:

• cytochromy a;
• cytochromy b;
• cytochromy c;
• cytochromy d.

Cytochromy a zawierają formyloporfirynę żelaza, cytochromy b - protoporfirynę żelaza, c - podstawiona mezoporfirynę żelaza, d - dihydroporfirynę żelaza.

Czy istnieją inne sposoby pozyskiwania energii?

Chociaż większość komórek uzyskuje ją poprzez oddychanie komórkowe, istnieją również bakterie beztlenowe, które nie potrzebują tlenu do istnienia. Wytwarzają niezbędną energię poprzez fermentację. Jest to proces, podczas którego przy pomocy enzymów, bez udziału tlenu, rozkładane są węglowodany, w wyniku czego komórka otrzymuje energię. Istnieje kilka rodzajów fermentacji w zależności od końcowego produktu reakcji chemicznych. Może to być kwas mlekowy, alkohol, kwas masłowy, aceton-butan, kwas cytrynowy.

Rozważmy na przykład, że można to wyrazić za pomocą następującego równania:

C 6 H 12 O 6 → C2H5OH + 2CO2

Oznacza to, że bakteria rozkłada jedną cząsteczkę glukozy na jedną cząsteczkę alkoholu etylowego i dwie cząsteczki tlenku węgla (IV).

ATP jest uniwersalną „walutą” energetyczną komórki. Jednym z najbardziej niesamowitych „wynalazków” natury są cząsteczki tzw. substancji „makroergicznych”, w których strukturze chemicznej znajduje się jedno lub więcej wiązań, które pełnią funkcję urządzeń magazynujących energię. W przyrodzie odkryto kilka podobnych cząsteczek, jednak w organizmie człowieka występuje tylko jedna z nich – kwas adenozynotrójfosforowy (ATP). Jest to dość złożona cząsteczka organiczna, do której przyłączone są 3 ujemnie naładowane nieorganiczne reszty kwasu fosforowego PO. To właśnie te reszty fosforu są połączone z organiczną częścią cząsteczki wiązaniami „makroergicznymi”, które łatwo ulegają zniszczeniu podczas różnych reakcji wewnątrzkomórkowych. Jednak energia tych wiązań nie jest rozpraszana w przestrzeni w postaci ciepła, ale jest wykorzystywana do ruchu lub interakcji chemicznych innych cząsteczek. To dzięki tej właściwości ATP pełni w komórce funkcję uniwersalnego nośnika energii (akumulatora), a także uniwersalnej „waluty”. W końcu prawie każda przemiana chemiczna zachodząca w komórce albo pochłania, albo uwalnia energię. Zgodnie z prawem zachowania energii całkowita ilość energii powstałej w wyniku reakcji utleniania i zmagazynowanej w postaci ATP jest równa ilości energii, którą komórka może wykorzystać do swoich procesów syntezy i wykonywania dowolnych funkcji . W ramach „zapłaty” za możliwość wykonania tej czy innej akcji komórka zmuszona jest zużyć zapasy ATP. Należy szczególnie podkreślić: cząsteczka ATP jest tak duża, że ​​nie jest w stanie przejść przez błonę komórkową. Dlatego ATP wyprodukowany w jednej komórce nie może zostać wykorzystany przez inną komórkę. Każda komórka organizmu zmuszona jest samodzielnie syntetyzować ATP na swoje potrzeby w takich ilościach, w jakich jest to niezbędne do wykonywania jej funkcji.

Trzy źródła resyntezy ATP w komórkach ludzkich. Najwyraźniej odlegli przodkowie komórek ludzkiego ciała istnieli wiele milionów lat temu w otoczeniu komórek roślinnych, które dostarczały im obfitych węglowodanów, podczas gdy tlenu było niewiele lub nie było go wcale. To właśnie węglowodany są najczęściej wykorzystywanym składnikiem składników odżywczych do produkcji energii w organizmie. I chociaż większość komórek ludzkiego ciała nabyła zdolność wykorzystywania białek i tłuszczów jako surowców energetycznych, niektóre (na przykład komórki nerwowe, czerwonej krwi, męskie komórki rozrodcze) są zdolne do wytwarzania energii jedynie poprzez utlenianie węglowodanów.

Procesy pierwotnego utleniania węglowodanów - a raczej glukozy, która w rzeczywistości jest głównym substratem utleniania w komórkach - zachodzą bezpośrednio w cytoplazmie: tam zlokalizowane są kompleksy enzymatyczne, dzięki czemu cząsteczka glukozy jest częściowo ulega zniszczeniu, a uwolniona energia jest magazynowana w postaci ATP. Proces ten nazywa się glikolizą i może zachodzić we wszystkich bez wyjątku komórkach organizmu człowieka. W wyniku tej reakcji z jednej 6-węglowej cząsteczki glukozy powstają dwie 3-węglowe cząsteczki kwasu pirogronowego i dwie cząsteczki ATP.

Glikoliza jest procesem bardzo szybkim, ale stosunkowo nieefektywnym. Kwas pirogronowy powstający w komórce po zakończeniu reakcji glikolizy niemal natychmiast zamienia się w kwas mlekowy i czasami (np. podczas ciężkiej pracy mięśni) przedostaje się do krwi w bardzo dużych ilościach, gdyż jest to mała cząsteczka, która może swobodnie przejść przez błonę komórkową. Tak masowe uwalnianie kwaśnych produktów przemiany materii do krwi zaburza homeostazę, a organizm musi włączyć specjalne mechanizmy homeostatyczne, aby poradzić sobie z konsekwencjami pracy mięśni lub innego aktywnego działania.

Kwas pirogronowy powstały w wyniku glikolizy nadal zawiera dużo potencjalnej energii chemicznej i może służyć jako substrat do dalszego utleniania, ale wymaga to specjalnych enzymów i tlenu. Proces ten zachodzi w wielu komórkach, które zawierają specjalne organelle – mitochondria. Wewnętrzna powierzchnia błon mitochondrialnych zbudowana jest z dużych cząsteczek lipidów i białek, w tym dużej liczby enzymów oksydacyjnych. Do wnętrza mitochondriów wnikają trójwęglowe cząsteczki powstałe w cytoplazmie – najczęściej jest to kwas octowy (octan). Tam włączane są w nieprzerwanie trwający cykl reakcji, podczas których z cząsteczek organicznych naprzemiennie oddzielają się atomy węgla i wodoru, które łącząc się z tlenem przekształcają się w dwutlenek węgla i wodę. Reakcje te uwalniają dużą ilość energii, która jest magazynowana w postaci ATP. Każda cząsteczka kwasu pirogronowego, po przejściu pełnego cyklu utleniania w mitochondriach, pozwala komórce pozyskać 17 cząsteczek ATP. Zatem całkowite utlenienie 1 cząsteczki glukozy zapewnia komórce 2+17x2 = 36 cząsteczek ATP. Równie istotne jest to, że proces utleniania mitochondriów może obejmować także kwasy tłuszczowe i aminokwasy, czyli składniki tłuszczów i białek. Dzięki tej zdolności mitochondria czynią komórkę względnie niezależną od pożywienia, jakie spożywa organizm: w każdym przypadku zostanie wytworzona wymagana ilość energii.

Część energii jest magazynowana w komórce w postaci mniejszej i bardziej mobilnej cząsteczki, fosforanu kreatyny (CrP), niż ATP. To właśnie ta mała cząsteczka potrafi szybko przemieszczać się z jednego końca komórki na drugi – tam, gdzie w danym momencie energia jest najbardziej potrzebna. KrF nie może sam dostarczać energii do procesów syntezy, skurczu mięśni lub przewodzenia impulsu nerwowego: wymaga to ATP. Z drugiej jednak strony KrP łatwo i praktycznie bez strat jest w stanie oddać całą zawartą w nim energię cząsteczce difosforanu adenazyny (ADP), która natychmiast zamienia się w ATP i jest gotowa do dalszych przemian biochemicznych.

Tym samym energia wydatkowana podczas funkcjonowania komórki, tj. Odnawianie ATP możliwe jest dzięki trzem głównym procesom: beztlenowej (beztlenowej) glikolizy, tlenowemu (z udziałem tlenu) utlenianiu mitochondriów, a także dzięki przeniesieniu grupy fosforanowej z CrP do ADP.

Źródło fosforanu kreatyny jest najpotężniejsze, ponieważ reakcja fosforanu kreatyny z ADP zachodzi bardzo szybko. Jednak zapas CrP w komórce jest zwykle niewielki – np. mięśnie mogą pracować z maksymalnym wysiłkiem pod wpływem CrP nie dłużej niż 6-7 s. Zwykle wystarcza to, aby uruchomić drugie najpotężniejsze – glikolityczne – źródło energii. W tym przypadku zasób składników odżywczych jest wielokrotnie większy, jednak w miarę postępu pracy homeostaza staje się coraz bardziej napięta ze względu na powstawanie kwasu mlekowego i jeśli taką pracę wykonują duże mięśnie, nie może ona trwać dłużej niż 1,5-2 minuty. Ale w tym czasie mitochondria są prawie całkowicie aktywowane, które są zdolne do spalania nie tylko glukozy, ale także kwasów tłuszczowych, których zapasy w organizmie są prawie niewyczerpane. Zatem tlenowe źródło mitochondrialne może działać bardzo długo, choć jego moc jest stosunkowo niewielka – 2-3 razy mniejsza niż źródło glikolityczne i 5 razy mniejsza niż moc źródła fosforanu kreatyny.

Cechy organizacji wytwarzania energii w różnych tkankach organizmu. Różne tkanki mają różny poziom mitochondriów. Najmniej ich można znaleźć w kościach i białym tłuszczu, najwięcej w brunatnym tłuszczu, wątrobie i nerkach. W komórkach nerwowych znajduje się sporo mitochondriów. Mięśnie nie posiadają dużej koncentracji mitochondriów, jednak w związku z tym, że mięśnie szkieletowe są najmasywniejszą tkanką organizmu (ok. 40% masy ciała dorosłego człowieka), to właśnie potrzeby komórek mięśniowych w dużej mierze determinują intensywność i intensywność kierunek wszystkich procesów metabolizmu energetycznego. I.A. Arshavsky nazwał to „regułą energetyczną mięśni szkieletowych”.

Wraz z wiekiem zmieniają się jednocześnie dwa ważne składniki metabolizmu energetycznego: zmienia się stosunek mas tkanek o różnej aktywności metabolicznej, a także zawartość w tych tkankach najważniejszych enzymów oksydacyjnych. W rezultacie metabolizm energetyczny ulega dość złożonym zmianom, jednak generalnie jego intensywność maleje wraz z wiekiem i to dość znacząco.

Cześć wszystkim! Chciałem poświęcić ten artykuł jądru komórkowego i DNA. Ale wcześniej musimy poruszyć kwestię tego, w jaki sposób komórka przechowuje i wykorzystuje energię (dzięki). Tematykę energetyczną poruszymy niemal wszędzie. Rozwiążmy je z wyprzedzeniem.

Z czego można czerpać energię? Tak, ze wszystkiego! Rośliny wykorzystują energię świetlną. Niektóre bakterie też. Oznacza to, że substancje organiczne syntetyzuje się z substancji nieorganicznych przy użyciu energii świetlnej. + Istnieją chemotrofy. Syntetyzują substancje organiczne z nieorganicznych wykorzystując energię utleniania amoniaku, siarkowodoru i innych substancji. I oto ty i ja jesteśmy. Jesteśmy heterotrofami. Kim oni są? To ci, którzy nie wiedzą, jak syntetyzować substancje organiczne z nieorganicznych. Oznacza to, że chemosynteza i fotosynteza nie są dla nas. Bierzemy gotową materię organiczną (jemy ją). Rozbieramy go na kawałki i albo wykorzystujemy jako materiał budowlany, albo niszczymy, aby uzyskać energię.
Co dokładnie możemy analizować pod kątem energii? Białka (najpierw rozkładając je na aminokwasy), tłuszcze, węglowodany i alkohol etylowy (ale jest to opcjonalne). Oznacza to, że wszystkie te substancje można wykorzystać jako źródła energii. Ale do przechowywania go używamy tłuszcze i węglowodany. Kocham węglowodany! W naszym organizmie głównym węglowodanem magazynującym jest glikogen.

Składa się z reszt glukozy. Oznacza to, że jest to długi, rozgałęziony łańcuch składający się z identycznych jednostek (glukozy). Jeśli potrzebujemy energii, oddzielamy po kawałku od końca łańcucha i utleniając go, uzyskujemy energię. Ten sposób pozyskiwania energii jest charakterystyczny dla wszystkich komórek organizmu, jednak szczególnie dużo glikogenu znajduje się w komórkach wątroby i tkanki mięśniowej.

Porozmawiajmy teraz o tłuszczu. Jest magazynowany w specjalnych komórkach tkanki łącznej. Nazywają się adipocyty. Zasadniczo są to komórki z ogromną kroplą tłuszczu w środku.

W razie potrzeby organizm usuwa z tych komórek tłuszcz, częściowo go rozkłada i transportuje. W momencie dostarczenia następuje ostateczne rozszczepienie wraz z uwolnieniem i przemianą energii.

Dość popularne pytanie: „Dlaczego cała energia nie może być magazynowana w postaci tłuszczu lub glikogenu?”
Te źródła energii mają różne cele. Energię można dość szybko pozyskać z glikogenu. Jego rozkład rozpoczyna się niemal natychmiast po rozpoczęciu pracy mięśni, osiągając szczyt w ciągu 1-2 minut. Rozkład tłuszczów następuje o kilka rzędów wielkości wolniej. Oznacza to, że jeśli śpisz lub spacerujesz gdzieś powoli, wydatek energetyczny jest stały i można go zapewnić poprzez rozkład tłuszczów. Ale gdy tylko zdecydujesz się przyspieszyć (serwery upadły, pobiegłeś, aby je podnieść), nagle będziesz potrzebować dużó energii i nie będziesz w stanie uzyskać tego szybko poprzez rozkładanie tłuszczów. Tutaj właśnie potrzebujemy glikogenu.

Jest jeszcze jedna ważna różnica. Glikogen wiąże dużo wody. Około 3 g wody na 1 g glikogenu. Oznacza to, że na 1 kg glikogenu przypada już 3 kg wody. Nieoptymalne... Z tłuszczem jest łatwiej. Cząsteczki lipidów (tłuszcze = lipidy), które magazynują energię, nie są naładowane, w przeciwieństwie do cząsteczek wody i glikogenu. Takie cząsteczki nazywane są hydrofobowymi (dosłownie boją się wody). Cząsteczki wody są spolaryzowane. Tak to wygląda.

Zasadniczo dodatnio naładowane atomy wodoru oddziałują z ujemnie naładowanymi atomami tlenu. Rezultatem jest stabilny i korzystny energetycznie stan.
Teraz wyobraźmy sobie cząsteczki lipidów. Nie są naładowane i nie mogą normalnie oddziaływać ze spolaryzowanymi cząsteczkami wody. Dlatego mieszanina lipidów z wodą jest energetycznie niekorzystna. Cząsteczki lipidów nie są w stanie adsorbować wody tak jak glikogen. „Zbijają się” w tzw. kropelki lipidów, otoczone błoną fosfolipidową (jedna strona jest naładowana i zwrócona w stronę wody na zewnątrz, druga nie jest naładowana i zwrócona jest w stronę lipidów kropli). Dzięki temu mamy stabilny system, który skutecznie magazynuje lipidy i nic więcej.

OK, odkryliśmy, w jakich formach magazynowana jest energia. Co się z nią dalej dzieje? Oddzieliliśmy więc cząsteczkę glukozy od glikogenu. Zamienili to w energię. Co to znaczy?
Zróbmy małą dygresję.

Co sekundę w komórce zachodzi około 1 000 000 000 reakcji. Kiedy zachodzi reakcja, jedna substancja przekształca się w inną. Co się dzieje z jego energią wewnętrzną? Może się zmniejszyć, zwiększyć lub pozostać niezmieniona. Jeśli maleje -> energia jest uwalniana. Jeśli wzrośnie -> musisz pobrać energię z zewnątrz. Organizm zazwyczaj łączy takie reakcje. Oznacza to, że energia uwolniona podczas jednej reakcji zostaje wykorzystana do przeprowadzenia drugiej.

Zatem w organizmie znajdują się specjalne związki, makroergy, które podczas reakcji potrafią gromadzić i przekazywać energię. Zawierają jedno lub kilka wiązań chemicznych, w których gromadzi się ta energia. Teraz możesz wrócić do glukozy. Energia uwolniona podczas jego rozpadu będzie magazynowana w połączeniach tych makroergów.

Spójrzmy na to na przykładzie.

Najpopularniejszym makroergem (walutą energetyczną) komórki jest ATP (trifosforan adenozyny).

Wygląda mniej więcej tak.

Składa się z zasady azotowej, adeniny (jednej z 4 używanych do kodowania informacji w DNA), cukru rybozy i trzech reszt kwasu fosforowego (stąd trójfosforan adenozyny). Energia gromadzi się w wiązaniach pomiędzy resztami kwasu fosforowego. Po wyeliminowaniu jednej reszty kwasu fosforowego powstaje ADP (difosforan adenozyny). ADP może uwolnić energię poprzez rozbicie innej pozostałości i przekształcenie w AMP (MONOfosforan adenozyny). Jednak skuteczność oddzielenia drugiej reszty jest znacznie niższa. Dlatego organizm zwykle stara się ponownie pozyskać ATP z ADP. To idzie mniej więcej tak. Podczas rozkładu glukozy uwolniona energia jest zużywana na tworzenie wiązania między dwiema resztami kwasu fosforowego i tworzenie ATP. Proces jest wieloetapowy i na razie go pominiemy.

Powstały ATP jest uniwersalnym źródłem energii. Znajduje zastosowanie wszędzie, od syntezy białek (do połączenia aminokwasów potrzebna jest energia) po pracę mięśni. Białka motoryczne odpowiedzialne za skurcz mięśni wykorzystują energię zmagazynowaną w ATP do zmiany swojej konformacji. Zmiana konformacji to reorientacja jednej części dużej cząsteczki względem drugiej. Wygląda mniej więcej tak.

Oznacza to, że energia wiązań chemicznych jest przekształcana w energię mechaniczną. Oto prawdziwe przykłady białek, które wykorzystują ATP do wykonania pracy.

Poznaj miozynę. Białko motoryczne. Porusza duże formacje wewnątrzkomórkowe i bierze udział w skurczu mięśni. Należy pamiętać, że ma dwie „nogi”. Wykorzystując energię zgromadzoną w 1 cząsteczce ATP, przeprowadza jedną zmianę konformacyjną, w zasadzie jeden etap. Najbardziej wyraźny przykład przejścia energii chemicznej ATP na energię mechaniczną.

Drugim przykładem jest pompa Na/K. W pierwszym etapie wiąże trzy cząsteczki Na i jedną ATP. Wykorzystując energię ATP, zmienia konformację, uwalniając Na z komórki. Następnie wiąże dwie cząsteczki potasu i wracając do swojej pierwotnej konformacji, przenosi potas do komórki. Jest to niezwykle ważne, pozwala na utrzymanie prawidłowego wewnątrzkomórkowego poziomu Na.

Ale tak na poważnie:

Pauza. Dlaczego potrzebujemy ATP? Dlaczego nie możemy bezpośrednio wykorzystać energii zmagazynowanej w glukozie? To banalne, że jeśli jednorazowo utlenisz glukozę do CO2, natychmiast uwolniona zostanie niezwykle duża ilość energii. Większość z nich rozproszy się w postaci ciepła. Dlatego reakcję dzieli się na etapy. Każdy z nich uwalnia trochę energii, jest ona magazynowana i reakcja trwa aż do całkowitego utlenienia substancji.

Podsumuję. Energia magazynowana jest w tłuszczach i węglowodanach. Można go szybciej wyekstrahować z węglowodanów, ale więcej można zmagazynować w tłuszczach. Do przeprowadzenia reakcji komórka wykorzystuje związki wysokoenergetyczne, w których magazynowana jest energia rozkładu tłuszczów, węglowodanów itp.... Głównym tego typu związkiem w komórce jest ATP. Zasadniczo, weź to i używaj. Jednak nie jedyny. Ale o tym później.

P.S. Starałem się maksymalnie uprościć materiał, dlatego pojawiły się pewne nieścisłości. Proszę gorliwych biologów o wybaczenie.

Tagi: Dodaj tagi