Co wytwarza energię w komórce. Jak komórki pozyskują energię. Tlen jako niezbędna rzecz

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?

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: to 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. Sam KrF nie może 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 (około 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 istotne 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.

Żywa komórka ma z natury niestabilną i prawie nieprawdopodobną organizację; Komórka jest w stanie utrzymać bardzo specyficzny i pięknie złożony porządek swojej delikatnej struktury tylko dzięki ciągłemu zużywaniu energii.

Gdy tylko dopływ energii ustanie, złożona struktura komórki rozpada się i przechodzi w stan nieuporządkowany i niezorganizowany. Oprócz zapewnienia procesów chemicznych niezbędnych do utrzymania integralności komórki, w różnych typach komórek, poprzez konwersję energii, realizuje się różnorodne procesy mechaniczne, elektryczne, chemiczne i osmotyczne związane z życiem organizmu jest zapewnione.

Nauczywszy się w stosunkowo niedawnych czasach pozyskiwać energię zawartą w różnych źródłach nieożywionych do wykonywania najróżniejszych prac, człowiek zaczął pojmować jak umiejętnie i z jaką wydajnością komórka przetwarza energię. Transformacja energii w żywej komórce podlega tym samym prawom termodynamiki, które działają w przyrodzie nieożywionej. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki całkowita energia układu zamkniętego przy każdej zmianie fizycznej zawsze pozostaje stała. Zgodnie z drugim prawem energia może występować w dwóch postaciach: w postaci „darmowej” lub użytecznej energii oraz w postaci bezużytecznej energii rozproszonej. To samo prawo stanowi, że przy każdej zmianie fizycznej istnieje tendencja do rozpraszania energii, to znaczy zmniejszania ilości darmowej energii i zwiększania entropii. Tymczasem żywa komórka potrzebuje stałego dopływu darmowej energii.

Inżynier pozyskuje potrzebną mu energię głównie z energii wiązań chemicznych zawartych w paliwie. Spalając paliwo, przekształca energię chemiczną w energię cieplną; może następnie wykorzystać energię cieplną do obracania na przykład turbiny parowej i w ten sposób uzyskać energię elektryczną. Komórki otrzymują także darmową energię poprzez uwolnienie energii wiązań chemicznych zawartych w „paliwie”. Energia jest magazynowana w tych połączeniach przez komórki syntetyzujące składniki odżywcze, które służą jako paliwo. Komórki wykorzystują jednak tę energię w bardzo specyficzny sposób. Ponieważ temperatura, w której funkcjonuje żywa komórka, jest w przybliżeniu stała, komórka nie może wykorzystywać energii cieplnej do wykonania pracy. Aby energia cieplna mogła zaistnieć, ciepło musi przejść z ciała bardziej nagrzanego do ciała mniej nagrzanego. Jest całkowicie jasne, że ogniwo nie może spalać paliwa w temperaturze spalania węgla (900°); Nie jest też w stanie wytrzymać działania przegrzanej pary ani prądu o wysokim napięciu. Ogniwo musi pozyskiwać i wykorzystywać energię w warunkach w miarę stałej i w dodatku niskiej temperatury, rozcieńczonego środowiska jodowego i bardzo niewielkich wahań stężenia jonów wodorowych. Aby nabyć zdolność pozyskiwania energii, komórka na przestrzeni wieków ewolucji świata organicznego udoskonaliła swoje niezwykłe mechanizmy molekularne, które działają niezwykle skutecznie w tych łagodnych warunkach.

Komórkowe mechanizmy pozyskiwania energii dzielą się na dwie klasy i na podstawie różnic w tych mechanizmach wszystkie komórki można podzielić na dwa główne typy. Komórki pierwszego typu nazywane są heterotroficznymi; Należą do nich wszystkie komórki ludzkiego ciała i komórki wszystkich wyższych zwierząt. Ogniwa te wymagają stałego dopływu gotowego paliwa o bardzo złożonym składzie chemicznym. Paliwami takimi są węglowodany, białka i tłuszcze, czyli poszczególne składniki innych komórek i tkanek. Komórki heterotroficzne uzyskują energię poprzez spalanie lub utlenianie tych złożonych substancji (wytwarzanych przez inne komórki) w procesie zwanym oddychaniem, w którym uczestniczy tlen cząsteczkowy (O2) z atmosfery. Komórki heterotroficzne wykorzystują tę energię do wykonywania swoich funkcji biologicznych, uwalniając dwutlenek węgla do atmosfery jako produkt końcowy.

Komórki należące do drugiego typu nazywane są autotroficznymi. Najbardziej typowymi komórkami autotroficznymi są komórki roślin zielonych. W procesie fotosyntezy wiążą energię światła słonecznego, wykorzystując ją na swoje potrzeby. Ponadto wykorzystują energię słoneczną do ekstrakcji węgla z atmosferycznego dwutlenku węgla i wykorzystania go do budowy najprostszej cząsteczki organicznej - cząsteczki glukozy. Z glukozy komórki roślin zielonych i innych organizmów tworzą bardziej złożone cząsteczki, które składają się na ich skład. Aby zapewnić niezbędną do tego energię, komórki spalają część surowców, którymi dysponują podczas oddychania. Z tego opisu cyklicznych przemian energii w komórce staje się jasne, że wszystkie żywe organizmy ostatecznie otrzymują energię ze światła słonecznego, komórki roślinne otrzymują ją bezpośrednio od słońca, a zwierzęta pośrednio.

Badanie głównych zagadnień postawionych w tym artykule opiera się na potrzebie szczegółowego opisu mechanizmu pozyskiwania energii pierwotnej stosowanego przez ogniwo. Większość etapów złożonych cykli oddychania i fotosyntezy została już zbadana. Ustalono, w którym narządzie komórki zachodzi ten lub inny proces. Oddychanie odbywa się za pomocą mitochondriów, które występują w dużych ilościach w prawie wszystkich komórkach; fotosyntezę zapewniają chloroplasty - struktury cytoplazmatyczne zawarte w komórkach roślin zielonych. Mechanizmy molekularne znajdujące się w tych strukturach komórkowych, tworzące ich strukturę i umożliwiające ich funkcje, stanowią kolejny ważny krok w badaniu komórki.

Te same dobrze zbadane cząsteczki - cząsteczki trifosforanu adenozyny (ATP) - przenoszą darmową energię uzyskaną ze składników odżywczych lub światła słonecznego z ośrodków oddychania lub fotosyntezy do wszystkich części komórki, zapewniając realizację wszystkich procesów wymagających zużycia energii. ATP został po raz pierwszy wyizolowany z tkanki mięśniowej przez Lomana około 30 lat temu. Cząsteczka ATP zawiera trzy połączone ze sobą grupy fosforanowe. W probówce grupę końcową można oddzielić od cząsteczki ATP w wyniku reakcji hydrolizy, w wyniku której powstaje difosforan adenozyny (ADP) i fosforan nieorganiczny. Podczas tej reakcji energia swobodna cząsteczki ATP zostaje zamieniona na energię cieplną, a entropia wzrasta zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Jednakże w komórce końcowa grupa fosforanowa nie jest po prostu oddzielana podczas hydrolizy, ale jest przenoszona do specjalnej cząsteczki, która służy jako akceptor. Znaczna część energii swobodnej cząsteczki ATP zostaje zatrzymana w wyniku fosforylacji cząsteczki akceptora, która teraz dzięki zwiększonej energii nabywa zdolność do uczestniczenia w procesach wymagających zużycia energii, na przykład w procesach biosyntezy lub skurcz mięśnia. Po usunięciu jednej grupy fosforanowej w tej sprzężonej reakcji ATP przekształca się w ADP. W termodynamice komórkowej ATP można uważać za bogatą w energię lub „naładowaną” formę nośnika energii (fosforan adenozyny), a ADP jako formę ubogą w energię lub „rozładowaną”.

Wtórne „ładowanie” nośnika odbywa się oczywiście za pomocą jednego lub drugiego z dwóch mechanizmów zaangażowanych w pozyskiwanie energii. W procesie oddychania komórek zwierzęcych energia zawarta w składnikach odżywczych uwalniana jest w wyniku utleniania i wykorzystywana do budowy ATP z ADP i fosforanów. Podczas fotosyntezy w komórkach roślinnych energia światła słonecznego zamieniana jest na energię chemiczną i zużywana na „ładowanie” fosforanu adenozyny, czyli na tworzenie ATP.

Eksperymenty z użyciem radioaktywnego izotopu fosforu (P 32) wykazały, że nieorganiczny fosforan jest włączany do i z końcowej grupy fosforanowej ATP z dużą szybkością. W komórce nerkowej obrót końcowej grupy fosforanowej następuje tak szybko, że jej okres półtrwania wynosi mniej niż 1 minutę; odpowiada to niezwykle intensywnej wymianie energii w komórkach tego narządu. Warto dodać, że działanie ATP w żywej komórce nie jest bynajmniej czarną magią. Chemicy znają wiele podobnych reakcji, w wyniku których energia chemiczna jest przekazywana w układach nieożywionych. Stosunkowo złożona struktura ATP najwyraźniej powstała dopiero w komórce, aby zapewnić najskuteczniejszą regulację reakcji chemicznych związanych z transferem energii.

Rola ATP w fotosyntezie została wyjaśniona dopiero niedawno. Odkrycie to pozwoliło w dużym stopniu wyjaśnić, w jaki sposób komórki fotosyntetyczne w procesie syntezy węglowodanów wiążą energię słoneczną – podstawowe źródło energii wszystkich żywych istot.

Energia światła słonecznego przekazywana jest w postaci fotonów, czyli kwantów; Światło o różnych kolorach lub różnych długościach fal charakteryzuje się różnymi energiami. Kiedy światło pada na określone powierzchnie metalu i jest przez te powierzchnie pochłaniane, fotony w wyniku zderzeń z elektronami metalu przekazują im swoją energię. Ten efekt fotoelektryczny można zmierzyć na podstawie generowanego prądu elektrycznego. W komórkach roślin zielonych światło słoneczne o określonej długości fali jest pochłaniane przez zielony pigment – ​​chlorofil. Zaabsorbowana energia przenosi elektrony w złożonej cząsteczce chlorofilu z podstawowego poziomu energetycznego na wyższy. Takie „wzbudzone” elektrony mają tendencję do powrotu do głównego stabilnego poziomu energii, uwalniając pochłoniętą energię. W czystym preparacie chlorofilu wyizolowanym z komórki pochłonięta energia jest ponownie emitowana w postaci światła widzialnego, podobnie jak ma to miejsce w przypadku innych fosforyzujących lub fluorescencyjnych związków organicznych i nieorganicznych.

Zatem chlorofil znajdujący się w probówce sam w sobie nie jest w stanie magazynować ani wykorzystywać energii świetlnej; energia ta szybko się rozprasza, tak jakby nastąpiło zwarcie. Jednakże w komórce chlorofil jest związany sterycznie z innymi określonymi cząsteczkami; dlatego też, gdy pod wpływem absorpcji światła wejdzie ono w stan wzbudzony, „gorący”, czyli bogaty w energię, elektrony nie wracają do normalnego (niewzbudzonego) stanu energetycznego; zamiast tego elektrony są odrywane od cząsteczki chlorofilu i przenoszone przez cząsteczki nośników elektronów, które przenoszą je między sobą w zamkniętym łańcuchu reakcji. Wykonując tę ​​ścieżkę poza cząsteczką chlorofilu, wzbudzone elektrony stopniowo oddają swoją energię i wracają na swoje pierwotne miejsca w cząsteczce chlorofilu, która jest wówczas gotowa do absorpcji drugiego fotonu. Tymczasem energia oddana przez elektrony jest wykorzystywana do tworzenia ATP z ADP i fosforanu – innymi słowy do „ładowania” układu fosforanu adenozyny w komórce fotosyntetycznej.

Nośniki elektronów, które pośredniczą w tym procesie fotosyntetycznej fosforylacji, nie zostały jeszcze w pełni zidentyfikowane. Wydaje się, że jeden z tych nośników zawiera ryboflawinę (witaminę B2) i witaminę K. Inne są wstępnie klasyfikowane jako cytochromy (białka zawierające atomy żelaza otoczone grupami porfirynowymi, które pod względem lokalizacji i struktury przypominają porfirynę samego chlorofilu). Co najmniej dwa z tych nośników elektronów są zdolne do wiązania części niesionej przez siebie energii w celu przywrócenia ATP z ADP.

Jest to podstawowy schemat konwersji energii świetlnej na energię wiązań fosforanowych ATP, opracowany przez D. Arnona i innych naukowców.

Jednak w procesie fotosyntezy, oprócz wiązania energii słonecznej, zachodzi także synteza węglowodanów. Obecnie uważa się, że część „gorących” elektronów wzbudzonej cząsteczki chlorofilu wraz z jonami wodoru pochodzącymi z wody powodują redukcję (czyli przejęcie dodatkowych elektronów lub atomów wodoru) jednego z nośników elektronów – nukleotydu trifosfopirydynowego (TPN, w postaci zredukowanej TPN-N).

W serii ciemnych reakcji, nazwanych tak, ponieważ mogą zachodzić przy braku światła, TPH-H powoduje redukcję dwutlenku węgla do węglowodanów. Większość energii potrzebnej do tych reakcji jest dostarczana przez ATP. Naturę tych ciemnych reakcji badał głównie M. Calvin i jego współpracownicy. Jednym z produktów ubocznych początkowej fotoredukcji TPN jest jon hydroksylowy (OH -). Choć nie mamy jeszcze pełnych danych, przyjmuje się, że jon ten oddaje swój elektron jednemu z cytochromów w łańcuchu reakcji fotosyntezy, którego końcowym produktem jest tlen cząsteczkowy. Elektrony poruszają się wzdłuż łańcucha nośników, wnosząc swój energetyczny wkład w tworzenie ATP i ostatecznie, wydawszy cały nadmiar energii, wchodzą do cząsteczki chlorofilu.

Jak można się spodziewać, biorąc pod uwagę ściśle regularny i sekwencyjny charakter procesu fotosyntezy, cząsteczki chlorofilu nie są przypadkowo rozmieszczone w chloroplastach i, oczywiście, nie są po prostu zawieszone w cieczy wypełniającej chloroplasty. Przeciwnie, cząsteczki chlorofilu tworzą w chloroplastach uporządkowane struktury – grana, pomiędzy którymi następuje przeplot włókien lub oddzielających je membran. Wewnątrz każdej grany płaskie cząsteczki chlorofilu ułożone są w stosy; każdą cząsteczkę można uznać za analogiczną do oddzielnej płytki (elektrody) pierwiastka, grana – do pierwiastków, a całość grana (czyli cały chloroplast) – do baterii elektrycznej.

Chloroplasty zawierają także wszystkie te wyspecjalizowane cząsteczki nośników elektronów, które wraz z chlorofilem biorą udział w pozyskiwaniu energii z „gorących” elektronów i wykorzystywaniu tej energii do syntezy węglowodanów. Chloroplasty wyekstrahowane z komórki mogą przeprowadzić cały złożony proces fotosyntezy.

Wydajność tych miniaturowych fabryk zasilanych energią słoneczną jest niesamowita. W laboratorium, pod pewnymi specjalnymi warunkami, można wykazać, że w procesie fotosyntezy aż 75% światła padającego na cząsteczkę chlorofilu zamienia się w energię chemiczną; Jednak liczby tej nie można uznać za całkowicie dokładną i nadal toczy się na ten temat dyskusja. W terenie, ze względu na nierównomierne oświetlenie liści przez słońce, a także z wielu innych powodów, efektywność wykorzystania energii słonecznej jest znacznie niższa – rzędu kilku procent.

Zatem cząsteczka glukozy, będąca końcowym produktem fotosyntezy, musi zawierać dość znaczną ilość energii słonecznej zawartej w jej konfiguracji molekularnej. Podczas procesu oddychania komórki heterotroficzne pobierają tę energię poprzez stopniowy rozkład cząsteczki glukozy, aby „zachować” energię zawartą w nowo utworzonych wiązaniach fosforanowych ATP.

Istnieją różne typy komórek heterotroficznych. Niektóre komórki (na przykład niektóre mikroorganizmy morskie) mogą żyć bez tlenu; inne (na przykład komórki mózgowe) absolutnie wymagają tlenu; inne (na przykład komórki mięśniowe) są bardziej wszechstronne i potrafią funkcjonować zarówno w obecności tlenu w środowisku, jak i przy jego braku. Ponadto, chociaż większość komórek woli wykorzystywać glukozę jako główne paliwo, niektóre z nich mogą istnieć wyłącznie na aminokwasach lub kwasach tłuszczowych (których głównym surowcem do syntezy jest sama glukoza). Niemniej jednak rozkład cząsteczki glukozy w komórkach wątroby można uznać za przykład procesu wytwarzania energii charakterystycznego dla większości znanych nam heterotrofów.

Całkowita ilość energii zawartej w cząsteczce glukozy jest bardzo łatwa do określenia. Spalając w laboratorium pewną ilość (próbkę) glukozy można wykazać, że w wyniku utlenienia cząsteczki glukozy powstaje 6 cząsteczek wody i 6 cząsteczek dwutlenku węgla, a reakcji towarzyszy wyzwolenie energii w postaci ciepła (około 690 000 kalorii na 1 gram cząsteczki, czyli na 180 gramów glukozy). Energia w postaci ciepła jest oczywiście bezużyteczna dla ogniwa, które pracuje w praktycznie stałej temperaturze. Stopniowe utlenianie glukozy podczas oddychania następuje jednak w taki sposób, że większość darmowej energii cząsteczki glukozy jest magazynowana w dogodnej dla komórki formie.

Dzięki temu ponad 50% całej energii uwalnianej podczas utleniania do komórki trafia w postaci energii wiązań fosforanowych. Tak wysoka sprawność wypada korzystnie w porównaniu z osiąganą zwykle w technologii, gdzie rzadko udaje się zamienić więcej niż jedną trzecią energii cieplnej uzyskanej ze spalania paliw na energię mechaniczną lub elektryczną.

Proces utleniania glukozy w komórce dzieli się na dwie główne fazy. Podczas pierwszej fazy przygotowawczej, zwanej glikolizą, sześciowęglowa cząsteczka glukozy zostaje rozbita na dwie trzywęglowe cząsteczki kwasu mlekowego. Ten pozornie prosty proces składa się nie z jednego, ale z co najmniej 11 etapów, z których każdy jest katalizowany przez własny, specjalny enzym. Złożoność tej operacji może wydawać się sprzeczna z aforyzmem Newtona „Natura entm simplex esi” („natura jest prosta”); Należy jednak pamiętać, że celem tej reakcji nie jest proste rozbicie cząsteczki glukozy na pół, ale uwolnienie z tej cząsteczki zawartej w niej energii. Każdy ze związków pośrednich zawiera grupy fosforanowe, a reakcja kończy się użyciem dwóch cząsteczek ADP i dwóch grup fosforanowych. Ostatecznie w wyniku rozkładu glukozy powstają nie tylko dwie cząsteczki kwasu mlekowego, ale dodatkowo dwie nowe cząsteczki ATP.

Do czego to prowadzi pod względem energetycznym? Równania termodynamiczne pokazują, że gdy jeden gram glukozy rozkłada się na kwas mlekowy, uwalniane jest 56 000 kalorii. Ponieważ powstanie każdego grama cząsteczki ATP wiąże 10 000 kalorii, efektywność procesu wychwytywania energii na tym etapie wynosi około 36% – liczba bardzo imponująca, biorąc pod uwagę to, z czym zwykle mamy do czynienia w technologii. Jednakże te 20 000 kalorii przekształconych w energię wiązań fosforanowych stanowi jedynie niewielki ułamek (około 3%) całkowitej energii zawartej w gramie cząsteczce glukozy (690 000 kalorii). Tymczasem wiele komórek, na przykład komórek beztlenowych czy komórek mięśniowych, które są w stanie aktywności (i w tym czasie nie są zdolne do oddychania), istnieje dzięki temu znikomemu zużyciu energii.

Po rozbiciu glukozy na kwas mlekowy komórki tlenowe w dalszym ciągu pobierają większość pozostałej energii w procesie oddychania, podczas którego trójwęglowe cząsteczki kwasu mlekowego rozkładają się na jednowęglowe cząsteczki dwutlenku węgla. Kwas mlekowy, a raczej jego utleniona postać, kwas pirogronowy, ulega jeszcze bardziej złożonej serii reakcji, z których każda jest ponownie katalizowana przez specjalny układ enzymatyczny. Najpierw związek trójwęglowy rozkłada się, tworząc aktywowaną formę kwasu octowego (acetylokoenzym A) i dwutlenek węgla. „Ugrupowanie dwuwęglowe” (acetylokoenzym A) łączy się następnie ze związkiem czterowęglowym, kwasem szczawiooctowym, tworząc kwas cytrynowy, który zawiera sześć atomów węgla. Kwas cytrynowy w wyniku serii reakcji przekształca się z powrotem w kwas szczawiooctowy, a trzy atomy węgla kwasu pirogronowego wprowadzone do tego cyklu reakcji ostatecznie wytwarzają cząsteczki dwutlenku węgla. Ten „młynek”, który „mieli” (utlenia) nie tylko glukozę, ale także cząsteczki tłuszczu i aminokwasów, wcześniej rozbite na kwas octowy, nazywany jest cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego.

Cykl został po raz pierwszy opisany przez G. Krebsa w 1937 r. Odkrycie to stanowi jeden z kamieni węgielnych współczesnej biochemii, a jego autor otrzymał w 1953 r. Nagrodę Nobla.

Cykl Krebsa śledzi utlenianie kwasu mlekowego do dwutlenku węgla; Jednak sam ten cykl nie jest w stanie wyjaśnić, w jaki sposób duże ilości energii zawartej w cząsteczce kwasu mlekowego można wyekstrahować w postaci odpowiedniej do wykorzystania w żywej komórce. Ten proces pozyskiwania energii towarzyszący cyklowi Krebsa był w ostatnich latach intensywnie badany. Ogólny obraz jest mniej więcej jasny, ale wiele szczegółów pozostaje do zbadania. Najwyraźniej podczas cyklu Krebsa elektrony przy udziale enzymów są odrywane od produktów pośrednich i przenoszone wzdłuż szeregu cząsteczek nośnikowych, zwanych łącznie łańcuchem oddechowym. Ten łańcuch cząsteczek enzymów reprezentuje ostateczną wspólną ścieżkę wszystkich elektronów usuwanych z cząsteczek składników odżywczych w procesie biologicznego utleniania. W ostatnim ogniwie tego łańcucha elektrony ostatecznie łączą się z tlenem, tworząc wodę. Zatem rozkład składników odżywczych poprzez oddychanie jest procesem odwrotnym do fotosyntezy, podczas której usunięcie elektronów z wody wytwarza tlen. Ponadto nośniki elektronów w łańcuchu oddechowym są chemicznie bardzo podobne do odpowiednich nośników biorących udział w procesie fotosyntezy. Są wśród nich np. struktury ryboflawiny i cytochromów, podobne do chloroplastów. Potwierdza to aforyzm Newtona o prostocie natury.

Podobnie jak w fotosyntezie, energia elektronów przechodzących wzdłuż tego łańcucha do tlenu jest wychwytywana i wykorzystywana do syntezy ATP z ADP i fosforanu. W rzeczywistości fosforylacja zachodząca w łańcuchu oddechowym (fosforylacja oksydacyjna) została lepiej zbadana niż fosforylacja zachodząca podczas fotosyntezy, którą odkryto stosunkowo niedawno. Ustalono na przykład, że w łańcuchu oddechowym istnieją trzy ośrodki, w których zachodzi „ładowanie” fosforanu adenozyny, tj. Tworzenie ATP. Zatem na każdą parę elektronów usuniętych z kwasu mlekowego podczas cyklu Krebsa powstają średnio trzy cząsteczki ATP.

Na podstawie całkowitego uzysku ATP można obecnie obliczyć wydajność termodynamiczną, z jaką komórka pozyskuje energię udostępnioną jej w wyniku utleniania glukozy. Wstępny rozkład glukozy na dwie cząsteczki kwasu mlekowego daje dwie cząsteczki ATP. Każda cząsteczka kwasu mlekowego ostatecznie przenosi sześć par elektronów do łańcucha oddechowego. Ponieważ każda para elektronów przechodząca przez łańcuch powoduje konwersję trzech cząsteczek ADP w ATP, w samym procesie oddychania powstaje 36 cząsteczek ATP. Kiedy powstaje każdy gram cząsteczki ATP, jak już wskazaliśmy, wiąże się około 10 000 kalorii, a zatem 38 gramów cząsteczek ATP wiąże około 380 000 z 690 000 kalorii zawartych w pierwotnej gramowej cząsteczce glukozy. Można zatem uznać, że skuteczność połączonych procesów glikolizy i oddychania wynosi co najmniej 55%.

Ekstremalna złożoność procesu oddychania jest kolejną oznaką tego, że zaangażowane mechanizmy enzymatyczne nie mogłyby działać, gdyby części składowe zostały po prostu zmieszane razem w roztworze. Tak jak mechanizmy molekularne związane z fotosyntezą mają pewną organizację strukturalną i są zawarte w chloroplastach, tak narządy oddechowe komórki – mitochondria – reprezentują ten sam uporządkowany strukturalnie system.

Komórka, w zależności od jej rodzaju i charakteru funkcji, może zawierać od 50 do 5000 mitochondriów (komórka wątroby zawiera np. około 1000 mitochondriów). Są wystarczająco duże (długość 3-4 mikronów), aby można je było zobaczyć pod zwykłym mikroskopem. Jednak ultrastrukturę mitochondriów można dostrzec jedynie pod mikroskopem elektronowym.

Na zdjęciach z mikroskopu elektronowego widać, że mitochondrium ma dwie błony, przy czym błona wewnętrzna tworzy fałdy sięgające do wnętrza mitochondrium. Niedawne badania mitochondriów wyizolowanych z komórek wątroby wykazały, że cząsteczki enzymów biorące udział w cyklu Krebsa znajdują się w matrixie, czyli rozpuszczalnej części wewnętrznej zawartości mitochondriów, natomiast enzymy łańcucha oddechowego w postaci molekularnej „ zespoły” znajdują się w membranach. Błony składają się z naprzemiennych warstw cząsteczek białka i lipidów (tłuszczu); Błony w granie chloroplastów mają tę samą strukturę.

Istnieje zatem wyraźne podobieństwo w strukturze tych dwóch głównych „elektrowni”, od których zależy cała aktywność życiowa komórki, ponieważ jedna z nich „magazynuje” energię słoneczną w wiązaniach fosforanowych ATP, a druga przekształca energię zawartą w składnikach odżywczych na energię ATP.

Postępy współczesnej chemii i fizyki umożliwiły w ostatnim czasie wyjaśnienie struktury przestrzennej niektórych dużych cząsteczek, np. cząsteczek szeregu białek i DNA, czyli cząsteczek zawierających informację genetyczną.

Kolejnym ważnym krokiem w badaniu komórki jest ustalenie lokalizacji dużych cząsteczek enzymów (które same w sobie są białkami) w błonach mitochondriów, gdzie znajdują się one wraz z lipidami – układ zapewniający właściwą orientację każdej cząsteczki katalizatora i możliwość jego interakcji z późniejszym ogniwem całego mechanizmu roboczego. „Schemat połączeń” mitochondriów jest już jasny!

Współczesne informacje na temat elektrowni ogniwa pokazują, że pozostawia ono daleko w tyle nie tylko klasyczną energię, ale także najnowsze, znacznie wspanialsze osiągnięcia techniki.

Elektronika osiągnęła niesamowity sukces w projektowaniu i zmniejszaniu rozmiarów elementów urządzeń komputerowych. Jednak wszystkich tych sukcesów nie da się porównać z absolutnie niewiarygodną miniaturyzacją najbardziej złożonych mechanizmów konwersji energii powstałych w procesie ewolucji organicznej i obecnych w każdej żywej komórce.

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 uwolnienie 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.

Nie da się zrozumieć budowy i „działania” ludzkiego ciała bez zrozumienia, jak zachodzi metabolizm w komórce. Każdy żywa komórka musi stale wytwarzać energię. Potrzebuje energii, aby wytworzyć ciepło i syntetyzować (tworzyć) niektóre niezbędne substancje chemiczne, takie jak białka lub substancje dziedziczne. Energia Komórka potrzebuje tego, żeby się poruszać. Komórki ciała, zdolne do wykonywania ruchów, nazywane są muskularnymi. Mogą się skurczyć. To wprawia w ruch nasze ręce, nogi, serce i jelita. Wreszcie do wytworzenia prądu elektrycznego potrzebna jest energia: dzięki niej niektóre części ciała „komunikują się” z innymi. A połączenie między nimi zapewniają przede wszystkim komórki nerwowe.

Skąd komórki czerpią energię? Odpowiedź brzmi: to im pomaga ATP. Pozwól mi wyjaśnić. Komórki spalają składniki odżywcze, uwalniając przy tym pewną ilość energii. Używają go do syntezy specjalnej substancji chemicznej, która magazynuje tak bardzo potrzebną im energię. Substancja ta nazywa się adenozynotrifosforan(w skrócie ATP). Kiedy cząsteczka ATP zawarta w komórce ulega rozkładowi, uwalniana jest zgromadzona w niej energia. Dzięki tej energii komórka może wytwarzać ciepło, prąd elektryczny, syntetyzować substancje chemiczne czy wykonywać ruchy. W skrócie, ATP aktywuje cały „mechanizm” komórki.

Tak wygląda cienki, zabarwiony krąg tkanki pobranej... pod mikroskopem. przysadka mózgowa- wyrostek mózgowy wielkości grochu. Są to plamy czerwone, żółte, niebieskie, fioletowe, a także plamy w kolorze cielistym komórki z jądrami. Każdy typ komórek przysadki wydziela jeden lub więcej ważnych hormonów.

Porozmawiajmy teraz bardziej szczegółowo o tym, jak komórki uzyskują ATP. Znamy już odpowiedź. Komórki spalić składniki odżywcze. Mogą to zrobić na dwa sposoby. Po pierwsze, spalaj węglowodany, głównie glukozę, przy braku tlenu. W wyniku tego powstaje substancja, którą chemicy nazywają kwasem pirogronowym, a sam proces rozkładu węglowodanów nazywa się glikolizą. W wyniku glikolizy powstaje zbyt mało ATP: rozpadowi jednej cząsteczki glukozy towarzyszą powstawanie tylko dwóch cząsteczek ATP. Glikoliza jest mało wydajna – to najstarsza forma pozyskiwania energii. Pamiętaj, że życie powstało w wodzie, czyli w środowisku, w którym było bardzo mało tlenu.

Po drugie, komórki ciała spalają kwas pirogronowy, tłuszcze i białka w obecności tlenu. Wszystkie te substancje zawierają węgiel i wodór. W tym przypadku spalanie zachodzi w dwóch etapach. Najpierw komórka pobiera wodór, następnie natychmiast zaczyna rozkładać pozostałą ramę węglową i pozbywa się dwutlenku węgla - uwalnia go przez błonę komórkową. W drugim etapie wodór wyekstrahowany z składników odżywczych ulega spaleniu (utlenieniu). Tworzy się woda i uwalniana jest duża ilość energii. Komórki mają go w wystarczającej ilości, aby zsyntetyzować wiele cząsteczek ATP (utlenianie np. dwóch cząsteczek kwasu mlekowego, produktu redukcji kwasu pirogronowego, daje 36 cząsteczek ATP).

Opis ten wydaje się suchy i abstrakcyjny. Tak naprawdę każdy z nas widział, jak zachodzi proces wytwarzania energii. Pamiętacie reportaże telewizyjne z portów kosmicznych o startach rakiet? Wznoszą się w górę dzięki niesamowitej ilości energii uwalnianej podczas… utleniania wodoru, czyli spalania go w tlenie.

Rakiety kosmiczne o wysokości wieży pędzą w niebo dzięki ogromnej energii uwalnianej podczas spalania wodoru w czystym tlenie. Ta sama energia podtrzymuje życie w komórkach naszego ciała. Tylko w nich reakcja utleniania przebiega etapami. Ponadto zamiast energii cieplnej i kinetycznej nasze komórki najpierw wytwarzają paliwo komórkowe” – ATP.

Ich zbiorniki paliwa są wypełnione ciekłym wodorem i tlenem. Kiedy silniki się uruchamiają, wodór zaczyna się utleniać, a ogromna rakieta szybko wznosi się w niebo. Być może wydaje się to niewiarygodne, a jednak: ta sama energia, która unosi rakietę kosmiczną w niebo, wspiera także życie w komórkach naszego ciała.

Tyle że w ogniwach nie następuje eksplozja i nie buchnie z nich snop płomienia. Utlenianie zachodzi etapami, dlatego zamiast energii cieplnej i kinetycznej powstają cząsteczki ATP.