Procese bioenergetice în celulă (Energia nucleară a celulei). Furnizarea celulelor cu energie. Surse de energie Există și alte modalități de a obține energie?

Creșterea abundentă a copacilor grasi,
care sunt înrădăcinate pe nisipul sterp
a aprobat-o pe a lui, afirmă clar că
foi de grăsime grasă din aer
absorbi...
M. V. Lomonosov

Cum este stocată energia într-o celulă? Ce este metabolismul? Care este esența proceselor de glicoliză, fermentație și respirație celulară? Ce procese au loc în fazele de lumină și întuneric ale fotosintezei? Cum sunt legate procesele de energie și schimbul plastic? Ce este chimiosinteza?

Lecție-prelecție

Capacitatea de a converti un tip de energie în altul (energia radiantă în energia legăturilor chimice, energia chimică în energie mecanică etc.) este una dintre proprietățile fundamentale ale viețuitoarelor. Aici vom analiza în detaliu modul în care aceste procese sunt realizate în organismele vii.

ATP - PRINCIPALUL PURTĂTOR DE ENERGIE ÎN CELULĂ. Pentru implementarea oricăror manifestări ale activității vitale a celulelor, este nevoie de energie. Organismele autotrofe primesc energia inițială de la Soare în timpul reacțiilor de fotosinteză, în timp ce organismele heterotrofe folosesc compuși organici din alimente ca sursă de energie. Energia este stocată de celule în legăturile chimice ale moleculelor ATP (adenozin trifosfat), care sunt o nucleotidă constând din trei grupe fosfat, un reziduu de zahăr (riboză) și un reziduu de bază azotată (adenină) (Fig. 52).

Orez. 52. Molecula de ATP

Legătura dintre reziduurile de fosfat se numește macroergică, deoarece atunci când se rupe, se eliberează o cantitate mare de energie. În mod normal, o celulă extrage energie din ATP prin îndepărtarea doar a grupului fosfat terminal. În acest caz, se formează ADP (adenozin difosfat), acid fosforic și se eliberează 40 kJ / mol:

Moleculele de ATP joacă rolul de cip de negociere a energiei universale a celulei. Ele sunt livrate la locul unui proces consumatoare de energie, fie că este vorba de sinteza enzimatică a compușilor organici, de lucrul proteinelor - motoare moleculare sau proteine ​​de transport membranar etc. Sinteza inversă a moleculelor de ATP se realizează prin atașarea unui fosfat. grup la ADP cu absorbție de energie. Stocarea energiei sub formă de ATP de către celulă se realizează în timpul reacțiilor metabolismul energetic. El este strâns asociat cu schimb plastic timp în care celula produce compuşi organici necesari funcţionării sale.

METABOLISM ȘI ENERGIE ÎN CELULĂ (METABOLISM). Metabolism - totalitatea tuturor reacțiilor metabolismului plastic și energetic, interconectate. În celule, sinteza carbohidraților, grăsimilor, proteinelor, acizilor nucleici are loc în mod constant. Sinteza compușilor vine întotdeauna cu cheltuirea energiei, adică cu participarea indispensabilă a ATP. Sursele de energie pentru formarea ATP sunt reacțiile enzimatice de oxidare a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților care intră în celulă. Acest proces eliberează energie, care este stocată în ATP. Oxidarea glucozei joacă un rol special în metabolismul energetic al celulelor. Moleculele de glucoză suferă o serie de transformări succesive.

Prima etapă, numită glicoliza, are loc în citoplasma celulelor și nu necesită oxigen. Ca rezultat al reacțiilor succesive care implică enzime, glucoza se descompune în două molecule de acid piruvic. În acest caz, se consumă două molecule de ATP, iar energia eliberată în timpul oxidării este suficientă pentru a forma patru molecule de ATP. Ca urmare, randamentul energetic al glicolizei este mic și se ridică la două molecule de ATP:

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

În condiții anaerobe (în absența oxigenului), transformările ulterioare pot fi asociate cu diferite tipuri fermentaţie.

Toata lumea stie fermentatie lactica(acrisul laptelui), care apare din cauza activității ciupercilor și bacteriilor acidului lactic. Este similar ca mecanism cu glicoliza, doar produsul final aici este acidul lactic. Acest tip de oxidare a glucozei are loc în celulele cu deficit de oxigen, cum ar fi în mușchii care lucrează din greu. Apropiat în chimie de fermentația lactică și alcoolică. Diferența este că produsele fermentației alcoolice sunt alcoolul etilic și dioxidul de carbon.

Următoarea etapă, în timpul căreia acidul piruvic este oxidat în dioxid de carbon și apă, se numește respirație celulară. Reacțiile legate de respirație au loc în mitocondriile celulelor vegetale și animale și numai în prezența oxigenului. Aceasta este o serie de transformări chimice înainte de formarea produsului final - dioxid de carbon. În diferite etape ale acestui proces, se formează produși intermediari ai oxidării substanței inițiale cu eliminarea atomilor de hidrogen. În acest caz, se eliberează energie, care este „conservată” în legăturile chimice ale ATP, și se formează molecule de apă. Devine clar că tocmai pentru a lega atomii de hidrogen despărțiți este necesar oxigenul. Această serie de transformări chimice este destul de complexă și are loc cu participarea membranelor interioare ale mitocondriilor, enzimelor și proteinelor purtătoare.

Respirația celulară are o eficiență foarte mare. Există o sinteză a 30 de molecule de ATP, încă două molecule se formează în timpul glicolizei și șase molecule de ATP - ca urmare a transformării produselor de glicoliză pe membranele mitocondriale. În total, ca urmare a oxidării unei molecule de glucoză, se formează 38 de molecule de ATP:

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

În mitocondrii au loc etapele finale de oxidare nu numai a zaharurilor, ci și a proteinelor și lipidelor. Aceste substanțe sunt folosite de celule, în principal atunci când aprovizionarea cu carbohidrați se încheie. În primul rând, se consumă grăsimi, în timpul oxidării căreia se eliberează mult mai multă energie decât dintr-un volum egal de carbohidrați și proteine. Prin urmare, grăsimea la animale este principala „rezervă strategică” de resurse energetice. La plante, amidonul joacă rolul unei rezerve de energie. Când este depozitat, ocupă mult mai mult spațiu decât o cantitate echivalentă în energie de grăsime. Pentru plante, acest lucru nu este o piedică, deoarece sunt nemișcate și nu poartă rezerve asupra lor, ca animalele. Puteți extrage energie din carbohidrați mult mai repede decât din grăsimi. Proteinele îndeplinesc multe funcții importante în organism, prin urmare sunt implicate în metabolismul energetic doar atunci când resursele de zaharuri și grăsimi sunt epuizate, de exemplu, în timpul înfometării prelungite.

FOTOSINTEZĂ. Fotosinteză- este un proces prin care energia luminii solare este transformată în energia legăturilor chimice ale compuşilor organici. În celulele vegetale, procesele legate de fotosinteză au loc în cloroplaste. În interiorul acestui organel există sisteme de membrane în care sunt încorporați pigmenți care captează energia radiantă a Soarelui. Principalul pigment al fotosintezei este clorofila, care absoarbe în principal razele albastre și violete, precum și roșii ale spectrului. Lumina verde este reflectată, astfel încât clorofila însăși și părțile plantelor care o conțin par verzi.

Există două faze în fotosinteză - ușoarăȘi întuneric(Fig. 53). Captarea și conversia efectivă a energiei radiante au loc în timpul fazei de lumină. Când absoarbe cuante de lumină, clorofila intră într-o stare excitată și devine un donor de electroni. Electronii săi sunt transferați de la un complex proteic la altul de-a lungul lanțului de transport de electroni. Proteinele acestui lanț, ca și pigmenții, sunt concentrate pe membrana interioară a cloroplastelor. Când un electron trece prin lanțul purtător, acesta pierde energie, care este folosită pentru a sintetiza ATP. Unii dintre electronii excitați de lumină sunt utilizați pentru a reduce NDP (nicotinamidă adenin dinucleotiphosphate) sau NADPH.

Orez. 53. Produse ale reacțiilor fazelor luminoase și întunecate ale fotosintezei

Sub influența luminii solare în cloroplaste, are loc și scindarea moleculelor de apă - fotoliză; în acest caz, apar electroni care compensează pierderea lor de către clorofilă; Oxigenul se formează ca produs secundar:

Astfel, sensul funcțional al fazei luminoase constă în sinteza ATP și NADP·H prin transformarea energiei luminoase în energie chimică.

Faza întunecată a fotosintezei nu necesită lumină. Esența proceselor care au loc aici este că moleculele de ATP și NADP·H obținute în faza luminoasă sunt folosite într-o serie de reacții chimice care „fixează” CO2 sub formă de carbohidrați. Toate reacțiile fazei întunecate sunt efectuate în interiorul cloroplastelor, iar ADP și NADP eliberate în timpul „fixării” dioxidului de carbon sunt din nou utilizate în reacțiile fazei luminoase pentru sinteza ATP și NADP H.

Ecuația generală a fotosintezei este următoarea:

RELAȚIA ȘI UNITATEA PROCESELOR DE PLASTICE ȘI SCHIMB DE ENERGIE. Procesele de sinteză a ATP au loc în citoplasmă (glicoliză), în mitocondrii (respirația celulară) și în cloroplaste (fotosinteză). Toate reacțiile care au loc în timpul acestor procese sunt reacții de schimb de energie. Energia stocată sub formă de ATP este cheltuită în reacțiile de schimb plastic pentru producerea de proteine, grăsimi, carbohidrați și acizi nucleici necesari vieții celulei. Rețineți că faza întunecată a fotosintezei este un lanț de reacții, schimb plastic, iar faza luminoasă este energie.

Relația și unitatea proceselor de energie și schimb plastic este bine ilustrată de următoarea ecuație:

Citind această ecuație de la stânga la dreapta, obținem procesul de oxidare a glucozei în dioxid de carbon și apă în timpul glicolizei și respirației celulare, asociat cu sinteza ATP (metabolismul energetic). Dacă îl citiți de la dreapta la stânga, atunci obțineți o descriere a reacțiilor fazei întunecate a fotosintezei, când glucoza este sintetizată din apă și dioxid de carbon cu participarea ATP (metabolismul plastic).

CHIMOSINTEZA. Pe lângă fotoautotrofe, anumite bacterii (bacteriile hidrogen, nitrificante, sulfuroase etc.) sunt și ele capabile să sintetizeze substanțe organice din substanțe anorganice. Ei realizează această sinteză datorită energiei eliberate în timpul oxidării substanțelor anorganice. Se numesc chimioautotrofe. Aceste bacterii chemosintetice joacă un rol important în biosferă. De exemplu, bacteriile nitrificatoare transformă sărurile de amoniu inaccesibile plantelor în săruri de acid azotic, care sunt bine absorbite de acestea.

Metabolismul celular este alcătuit din reacții de metabolism energetic și plastic. În cursul metabolismului energetic, are loc formarea de compuși organici cu legături chimice macroergice - ATP. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea compușilor organici în timpul reacțiilor anaerobe (glicoliză, fermentație) și aerobe (respirație celulară); din razele solare, a căror energie este absorbită în faza luminoasă (fotosinteză); din oxidarea compuşilor anorganici (chemosinteză). Energia ATP este cheltuită pentru sinteza compușilor organici necesari celulei în cursul reacțiilor de schimb plastic, care includ reacțiile fazei întunecate a fotosintezei.

• Care sunt diferențele dintre plastic și metabolismul energetic?
• Cum se transformă energia luminii solare în faza luminoasă a fotosintezei? Ce procese au loc în timpul fazei întunecate a fotosintezei?
• De ce se numește fotosinteza proces de reflectare a interacțiunii planetar-cosmice?

Orice proprietate a celor vii și orice manifestare a vieții este asociată cu anumite reacții chimice din celulă. Aceste reacții merg fie cu costul, fie cu eliberarea de energie. Întregul set de procese de transformare a substanțelor din celulă, precum și din organism, se numește metabolism.

Anabolism

Celula în procesul vieții menține constanta mediului său intern, numită homeostazie. Pentru a face acest lucru, sintetizează substanțe în conformitate cu informațiile sale genetice.

Orez. 1. Schema metabolismului.

Această parte a metabolismului, în care se creează compuși macromoleculari caracteristici unei celule date, se numește metabolism plastic (asimilare, anabolism).

Reacțiile de anabolism includ:

• sinteza proteinelor din aminoacizi;
• formarea amidonului din glucoză;
• fotosinteză;
• sinteza grăsimilor din glicerol și acizi grași.

Aceste reacții sunt posibile numai cu cheltuirea energiei. Dacă energia externă (luminoasă) este cheltuită pentru fotosinteză, atunci pentru restul - resursele celulei.

TOP 4 articolecare citesc împreună cu asta

Cantitatea de energie cheltuită pentru asimilare este mai mare decât cea stocată în legăturile chimice, deoarece o parte din ea este folosită pentru reglarea procesului.

catabolism

Cealaltă parte a metabolismului și conversiei energiei în celulă este metabolismul energetic (disimilare, catabolism).

Reacțiile de catabolism sunt însoțite de eliberarea de energie.
Acest proces include:

• suflare;
• descompunerea polizaharidelor în monozaharide;
• descompunerea grăsimilor în acizi grași și glicerol și alte reacții.

Orez. 2. Procese de catabolism în celulă.

Relația proceselor de schimb

Toate procesele din celulă sunt strâns legate între ele, precum și cu procesele din alte celule și organe. Transformările substanțelor organice depind de prezența acizilor anorganici, macro și microelemente.

Procesele de catabolism și anabolism au loc simultan în celulă și sunt două componente opuse ale metabolismului.

Procesele metabolice sunt asociate cu anumite structuri celulare:

• suflare- cu mitocondrii;
• sinteza proteinei- cu ribozomi;
• fotosinteză- cu cloroplaste.

Celula este caracterizată nu de procese chimice individuale, ci de ordinea regulată în care sunt efectuate. Regulatorii metabolici sunt proteine ​​enzimatice care direcţionează reacţiile şi le modifică intensitatea.

ATP

Acidul adenozin trifosforic (ATP) joacă un rol deosebit în metabolism. Este un dispozitiv compact de stocare a energiei chimice utilizat pentru reacțiile de fuziune.

Orez. 3. Schema structurii ATP și transformarea lui în ADP.

Datorită instabilității sale, ATP formează molecule de ADP și AMP (di- și monofosfat) cu eliberarea unei cantități mari de energie pentru procesele de asimilare.

Toate organismele vii, cu excepția virusurilor, sunt formate din celule. Ele asigură toate procesele necesare pentru viața unei plante sau a unui animal. Celula în sine poate fi un organism separat. Și cum poate o structură atât de complexă să trăiască fără energie? Desigur că nu. Deci, cum are loc alimentarea cu energie a celulelor? Se bazează pe procesele pe care le vom discuta mai jos.

Furnizarea celulelor cu energie: cum se întâmplă?

Puține celule primesc energie din exterior, o produc singure. au propriile „stații”. Iar sursa de energie din celulă este mitocondriile - organele care o produc. Este procesul de respirație celulară. Datorită acesteia, celulele sunt asigurate cu energie. Cu toate acestea, ele sunt prezente numai în plante, animale și ciuperci. Mitocondriile sunt absente în celulele bacteriene. Prin urmare, în ele, furnizarea celulelor cu energie are loc în principal datorită proceselor de fermentație, și nu a respirației.

Structura mitocondriilor

Acesta este un organoid cu două membrane care a apărut în celula eucariotă în timpul evoluției ca urmare a absorbției uneia mai mici.Aceasta poate explica faptul că mitocondriile conțin propriul ADN și ARN, precum și ribozomi mitocondriali care produc proteinele necesare pentru organele.

Membrana interioară are excrescențe numite crestae sau creste. Pe cresta are loc procesul de respirație celulară.

Ceea ce se află în interiorul celor două membrane se numește matrice. Conține proteine, enzime necesare pentru a accelera reacțiile chimice, precum și ARN, ADN și ribozomi.

Respirația celulară este baza vieții

Are loc în trei etape. Să ne uităm la fiecare dintre ele mai detaliat.

Prima etapă este pregătitoare

În această etapă, compușii organici complecși sunt descompuși în alții mai simpli. Astfel, proteinele se descompun în aminoacizi, grăsimile în acizi carboxilici și glicerol, acizii nucleici în nucleotide și carbohidrații în glucoză.

glicoliza

Aceasta este etapa anoxică. Constă în faptul că substanțele obținute în prima etapă sunt în continuare descompuse. Principalele surse de energie pe care celula le folosește în acest stadiu sunt moleculele de glucoză. Fiecare dintre ele în procesul de glicoliză se descompune în două molecule de piruvat. Acest lucru se întâmplă în timpul a zece reacții chimice succesive. Datorită primelor cinci, glucoza este fosforilată și apoi împărțită în două fosfotrioze. Următoarele cinci reacții produc două molecule și două molecule de PVC (acid piruvic). Energia celulei este stocată sub formă de ATP.

Întregul proces de glicoliză poate fi simplificat după cum urmează:

2NAD + 2ADP + 2H 3 RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H2O + 2OVER. H2 + 2C3H4O3 + 2ATP

Astfel, folosind o moleculă de glucoză, două molecule de ADP și două de acid fosforic, celula primește două molecule de ATP (energie) și două molecule de acid piruvic, pe care le va folosi în etapa următoare.

A treia etapă este oxidarea

Această etapă are loc numai în prezența oxigenului. Reacțiile chimice ale acestei etape au loc în mitocondrii. Aceasta este partea principală în care se eliberează cea mai mare energie. În această etapă, reacționând cu oxigenul, se descompune în apă și dioxid de carbon. În plus, în acest proces se formează 36 de molecule de ATP. Deci, putem concluziona că principalele surse de energie din celulă sunt glucoza și acidul piruvic.

Rezumând toate reacțiile chimice și omițând detaliile, putem exprima întregul proces de respirație celulară cu o singură ecuație simplificată:

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

Astfel, în timpul respirației, dintr-o moleculă de glucoză, șase molecule de oxigen, treizeci și opt de molecule de ADP și aceeași cantitate de acid fosforic, celula primește 38 de molecule de ATP, sub forma cărora este stocată energie.

Diversitatea enzimelor mitocondriale

Celula primește energie pentru viață prin respirație - oxidarea glucozei și apoi acidul piruvic. Toate aceste reacții chimice nu ar putea avea loc fără enzime - catalizatori biologici. Să ne uităm la cele care se află în mitocondrii - organele responsabile de respirația celulară. Toate sunt numite oxidoreductaze, deoarece sunt necesare pentru a asigura apariția reacțiilor redox.

Toate oxidoreductazele pot fi împărțite în două grupe:

• oxidaze;
• dehidrogenaze;

Dehidrogenazele, la rândul lor, sunt împărțite în aerobe și anaerobe. Alimentele aerobe conțin coenzima riboflavină, pe care organismul o primește din vitamina B2. Dehidrogenazele aerobe conțin molecule NAD și NADP ca coenzime.

Oxidazele sunt mai diverse. În primul rând, acestea sunt împărțite în două grupe:

• cele care conțin cupru;
• cele care contin fier.

Primele includ polifenol oxidaze, ascorbat oxidază, cele din urmă - catalaza, peroxidază, citocromi. Acestea din urmă, la rândul lor, sunt împărțite în patru grupe:

• citocromii a;
• citocromii b;
• citocromii c;
• citocromi d.

Citocromii a contin ironformilporfirina, citocromii b contin protoporfirina de fier, c contin mezoporfirina de fier substituita si d contin dihidroporfirina de fier.

Există și alte moduri de a obține energie?

În timp ce majoritatea celulelor îl obțin prin respirație celulară, există și bacterii anaerobe care nu au nevoie de oxigen pentru a supraviețui. Ele produc energia necesară prin fermentare. Acesta este un proces în care carbohidrații sunt descompuneți cu ajutorul enzimelor fără participarea oxigenului, ca urmare a căruia celula primește energie. Există mai multe tipuri de fermentație în funcție de produsul final al reacțiilor chimice. Poate fi acid lactic, alcool, butiric, acetonă-butan, acid citric.

De exemplu, luați în considerare că poate fi exprimat după cum urmează:

C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2

Adică, bacteria descompune o moleculă de glucoză într-o moleculă de alcool etilic și două molecule de oxid de carbon (IV).

ATP este „moneda” energetică universală a celulei. Una dintre cele mai uimitoare „invenții” ale naturii sunt moleculele așa-numitelor substanțe „macroergice”, în structura chimică a cărora există una sau mai multe legături care acționează ca dispozitive de stocare a energiei. Mai multe molecule similare au fost găsite în natură, dar doar una dintre ele, acidul adenozin trifosforic (ATP), se găsește în corpul uman. Aceasta este o moleculă organică destul de complexă, la care sunt atașate 3 reziduuri încărcate negativ de acid fosforic anorganic PO. Aceste reziduuri de fosfor sunt conectate cu partea organică a moleculei prin legături „macroergice”, care sunt ușor distruse în timpul diferitelor reacții intracelulare. Cu toate acestea, energia acestor legături nu este disipată în spațiu sub formă de căldură, ci este folosită pentru mișcarea sau interacțiunea chimică a altor molecule. Datorită acestei proprietăți, ATP îndeplinește funcția de stocare (acumulator) de energie universală în celulă, precum și de „monedă” universală. La urma urmei, aproape fiecare transformare chimică care are loc într-o celulă fie absoarbe, fie eliberează energie. Conform legii conservării energiei, cantitatea totală de energie formată ca urmare a reacțiilor oxidative și stocată sub formă de ATP este egală cu cantitatea de energie pe care celula o poate folosi pentru procesele sale de sinteză și pentru îndeplinirea oricăror funcții. . Ca o „plată” pentru oportunitatea de a efectua cutare sau cutare acțiune, celula este forțată să-și cheltuie aprovizionarea cu ATP. În acest caz, trebuie subliniat faptul că molecula de ATP este atât de mare încât nu este capabilă să treacă prin membrana celulară. Prin urmare, ATP produs într-o celulă nu poate fi utilizat de altă celulă. Fiecare celulă a corpului este forțată să sintetizeze ATP pentru nevoile ei singură în cantitățile în care este necesar să-și îndeplinească funcțiile.

Trei surse de resinteză ATP în celulele corpului uman. Aparent, strămoșii îndepărtați ai celulelor corpului uman au existat cu multe milioane de ani în urmă, înconjurați de celule vegetale, care le-au furnizat carbohidrați în exces și nu era suficient oxigen sau deloc. Carbohidrații sunt cea mai folosită componentă a nutrienților pentru producerea de energie în organism. Și deși majoritatea celulelor corpului uman au dobândit capacitatea de a folosi proteinele și grăsimile ca materii prime energetice, unele (de exemplu, nervoase, sângele roșu, sexul masculin) sunt capabile să producă energie numai datorită oxidării carbohidraților. .

Procesele de oxidare primară a carbohidraților - sau mai degrabă, glucoza, care, de fapt, constituie principalul substrat al oxidării în celule - au loc direct în citoplasmă: acolo sunt localizate complexele enzimatice, datorită cărora molecula de glucoză este parțial distruse, iar energia eliberată este stocată sub formă de ATP. Acest proces se numește glicoliză, poate avea loc în toate celulele corpului uman fără excepție. Ca rezultat al acestei reacții, dintr-o moleculă de glucoză cu 6 atomi de carbon se formează două molecule de acid piruvic cu 3 atomi de carbon și două molecule de ATP.

Glicoliza este un proces foarte rapid, dar relativ ineficient. Acidul piruvic format în celulă după terminarea reacțiilor de glicoliză se transformă aproape imediat în acid lactic și uneori (de exemplu, în timpul muncii musculare grele) intră în sânge în cantități foarte mari, deoarece aceasta este o moleculă mică care poate trece liber. membrana celulară. O astfel de eliberare masivă de produse metabolice acide în sânge perturbă homeostazia, iar organismul trebuie să activeze mecanisme homeostatice speciale pentru a face față consecințelor muncii musculare sau a altor acțiuni active.

Acidul piruvic format ca urmare a glicolizei conține încă multă energie chimică potențială și poate servi ca substrat pentru oxidarea ulterioară, dar aceasta necesită enzime speciale și oxigen. Acest proces are loc în multe celule care conțin organele speciale - mitocondriile. Suprafața interioară a membranelor mitocondriale este compusă din molecule mari de lipide și proteine, inclusiv un număr mare de enzime oxidative. În interiorul mitocondriilor pătrund molecule cu 3 atomi de carbon formate în citoplasmă - de obicei este acid acetic (acetat). Acolo, ei sunt incluși într-un ciclu continuu de reacții, în timpul căruia atomii de carbon și hidrogen sunt separați alternativ de aceste molecule organice, care, atunci când sunt combinate cu oxigen, se transformă în dioxid de carbon și apă. În aceste reacții, se eliberează o cantitate mare de energie, care este stocată sub formă de ATP. Fiecare moleculă de acid piruvic, care a trecut printr-un ciclu complet de oxidare în mitocondrii, permite celulei să obțină 17 molecule de ATP. Astfel, oxidarea completă a unei molecule de glucoză oferă celulei 2+17x2 = 36 molecule de ATP. Este la fel de important ca acizii grași și aminoacizii, adică componentele grăsimilor și proteinelor, să poată fi, de asemenea, incluși în procesul de oxidare mitocondrială. Datorită acestei abilități, mitocondriile fac celula să fie relativ independentă de ce alimente consumă organismul: în orice caz, se va obține cantitatea necesară de energie.

O parte din energie este stocată în celulă sub forma unei molecule de creatină fosfat (CrP), care este mai mică și mai mobilă decât ATP. Această moleculă mică se poate deplasa rapid de la un capăt la altul al celulei - acolo unde este cea mai necesară energie în acest moment. CrF în sine nu poate da energie proceselor de sinteză, contracție musculară sau conducere a unui impuls nervos: aceasta necesită ATP. Dar, pe de altă parte, CRF este ușor și practic fără pierderi capabil să dea toată energia conținută în el moleculei de adenazin difosfat (ADP), care se transformă imediat în ATP și este gata pentru transformări biochimice ulterioare.

Astfel, energia cheltuită în timpul funcționării celulei, adică. ATP poate fi reînnoit datorită a trei procese principale: glicoliză anaerobă (fără oxigen), oxidarea mitocondrială aerobă (cu participarea oxigenului) și, de asemenea, datorită transferului grupului fosfat de la CrF la ADP.

Sursa de creatină fosfat este cea mai puternică, deoarece reacția CrF cu ADP este foarte rapidă. Cu toate acestea, furnizarea de CrF în celulă este de obicei mică - de exemplu, mușchii pot lucra cu efort maxim datorită CrF timp de cel mult 6-7 s. Acest lucru este de obicei suficient pentru a porni a doua cea mai puternică sursă de energie - glicolitică. În acest caz, resursa de nutrienți este de multe ori mai mare, dar pe măsură ce munca progresează, există o tensiune în creștere în homeostazie din cauza formării acidului lactic, iar dacă o astfel de muncă este efectuată de mușchii mari, nu poate dura mai mult de 1,5 -2 minute. Dar în acest timp, mitocondriile sunt aproape complet activate, care sunt capabile să ardă nu numai glucoza, ci și acizii grași, a căror aprovizionare în organism este aproape inepuizabilă. Prin urmare, o sursă mitocondrială aerobă poate funcționa foarte mult timp, deși puterea sa este relativ scăzută - de 2-3 ori mai mică decât sursa glicolitică și de 5 ori mai mică decât puterea sursei de creatină fosfat.

Caracteristici ale organizării producției de energie în diferite țesuturi ale corpului. Diferite țesuturi au o saturație diferită a mitocondriilor. Sunt mai puțin în oase și grăsime albă, mai ales în grăsime brună, ficat și rinichi. Există destul de multe mitocondrii în celulele nervoase. Mușchii nu au o concentrație mare de mitocondrii, dar datorită faptului că mușchii scheletici sunt cel mai masiv țesut al corpului (aproximativ 40% din greutatea corporală a unui adult), nevoile celulelor musculare determină în mare măsură intensitatea și direcția tuturor proceselor de metabolism energetic. I.A. Arshavsky a numit această „regula energetică a mușchilor scheletici”.

Odată cu vârsta, două componente importante ale metabolismului energetic se modifică simultan: se modifică raportul dintre masele de țesuturi cu activitate metabolică diferită, precum și conținutul celor mai importante enzime oxidative din aceste țesuturi. Drept urmare, metabolismul energetic suferă modificări destul de complexe, dar, în general, intensitatea acestuia scade odată cu vârsta și destul de semnificativ.

Salutare tuturor! Am vrut să dedic acest articol nucleului celular și ADN-ului. Dar înainte de asta, trebuie să ne referim la modul în care celula stochează și utilizează energia (mulțumesc). Vom atinge probleme legate de energie aproape peste tot. Să le aruncăm mai întâi o privire.

Din ce poți obține energie? Da de tot! Plantele folosesc energia luminii. De asemenea, unele bacterii. Adică, substanțele organice sunt sintetizate din substanțe anorganice datorită energiei luminii. + Există chimiotrofe. Ei sintetizează substanțe organice din cele anorganice folosind energia de oxidare a amoniacului, hidrogenului sulfurat și a altor substanțe. Și acolo suntem tu și eu. Suntem heterotrofi. Cine sunt ei? Aceștia sunt cei care nu știu să sintetizeze substanțele organice din cele anorganice. Adică chimiosinteza și fotosinteza, asta nu este pentru noi. Luăm materie organică gata preparată (o mâncăm). Îl dezasamblam în bucăți și fie îl folosim ca material de construcție, fie îl distrugem pentru energie.
Ce anume putem analiza pentru energie? Proteine ​​(mai întâi parcurgându-le în aminoacizi), grăsimi, carbohidrați și alcool etilic (dar acest lucru este opțional). Adică toate aceste substanțe pot fi folosite ca surse de energie. Dar pentru a-l stoca, folosim grăsimi și carbohidrați. Iubesc carbohidrații! Glicogenul este principalul carbohidrat de stocare în corpul nostru.

Este alcătuit din reziduuri de glucoză. Adică este un lanț lung, ramificat, format din legături identice (glucoză). Dacă avem nevoie de energie, despărțim o bucată de la capătul lanțului și oxidând-o obținem energie. Acest mod de obținere a energiei este tipic pentru toate celulele corpului, dar există mai ales mult glicogen în celulele ficatului și țesutului muscular.

Acum să vorbim despre grăsime. Este stocat în celule speciale ale țesutului conjunctiv. Numele lor este adipocite. De fapt, acestea sunt celule cu o picătură uriașă de grăsime în interior.

Dacă este necesar, organismul extrage grăsimea din aceste celule, se descompune parțial și le transportă. La locul de livrare, despicarea finală are loc odată cu eliberarea și transformarea energiei.

O întrebare destul de populară: „De ce nu poate fi stocată toată energia sub formă de grăsime sau glicogen?”
Aceste surse de energie au scopuri diferite. Energia poate fi obținută din glicogen destul de repede. Divizarea acestuia începe aproape imediat după începerea lucrului muscular, atingând un vârf cu 1-2 minute. Descompunerea grăsimilor se desfășoară cu câteva ordine de mărime mai lent. Adică dacă dormi, sau mergi încet undeva - ai un consum constant de energie, iar acesta poate fi asigurat prin împărțirea grăsimilor. Dar de îndată ce decideți să accelerați (serverele au căzut, au fugit să o ridice), va trebui să o faceți multă energieși nu o puteți obține rapid prin împărțirea grăsimilor. Aici avem nevoie de glicogen.

Există o altă diferență importantă. Glicogenul leagă multă apă. Aproximativ 3 g de apă la 1 g de glicogen. Adică, pentru 1 kg de glicogen, este deja 3 kg de apă. Nu optim... Cu grăsime e mai ușor. Moleculele de lipide (grasimi=lipide) in care este stocata energia nu sunt incarcate, spre deosebire de moleculele de apa si glicogen. Astfel de molecule sunt numite hidrofobe (literalmente, frică de apă). Moleculele de apă sunt polarizate. Așa arată.

În esență, atomii de hidrogen încărcați pozitiv interacționează cu atomii de oxigen încărcați negativ. Se dovedește o stare stabilă și favorabilă energetic.
Acum imaginați-vă moleculele de lipide. Ele nu sunt încărcate și nu pot interacționa în mod normal cu moleculele de apă polarizate. Prin urmare, un amestec de lipide cu apă este defavorabil energetic. Moleculele de lipide nu sunt capabile să adsorbi apa, așa cum face glicogenul. Ele „se adună” în așa-numitele picături lipidice, înconjurate de o membrană de fosfolipide (una dintre părțile lor este încărcată și este orientată spre apă din exterior, cealaltă nu este încărcată și se uită la lipidele picăturii). Drept urmare, avem un sistem stabil care stochează eficient lipidele și nimic mai mult.

Bine, ne-am dat seama de formele în care este stocată energia. Ce se întâmplă cu ea în continuare? Aici despărțim o moleculă de glucoză de glicogen. L-a transformat în energie. Ce înseamnă?
Să facem o mică digresiune.

Într-o celulă au loc aproximativ 1.000.000.000 de reacții în fiecare secundă. În timpul unei reacții, o substanță este transformată în alta. Ce se întâmplă atunci cu energia lui internă? Poate scădea, crește sau rămâne neschimbat. Dacă scade -> se eliberează energie. Dacă crește -> trebuie să iei energie din exterior. De obicei, organismul combină astfel de reacții. Adică, energia eliberată în timpul unei reacții este folosită pentru a realiza a doua.

Deci, în organism există compuși speciali, macroergi, care sunt capabili să acumuleze și să transfere energie în timpul reacției. În compoziția lor există una sau mai multe legături chimice în care se acumulează această energie. Acum putem reveni la glucoză. Energia eliberată în timpul descompunerii sale va fi stocată în legăturile acestor macroergi.

Să luăm un exemplu.

Cel mai comun macroerg (moneda energetică) a celulei este ATP (adenozin trifosfat).

Arata asa.

Constă din adenină de bază azotată (una dintre cele 4 utilizate pentru a codifica informațiile din ADN), zahăr riboză și trei resturi de acid fosforic (și, prin urmare, adenozină TRIfosfat). În legăturile dintre reziduurile de acid fosforic este stocată energia. Odată cu eliminarea unui reziduu de acid fosforic, se formează ADP (adenozin difosfat). ADP poate elibera energie prin desprinderea unui alt reziduu și transformându-se în AMP (Adenozină MONOfosfat). Dar eficiența separarii celui de-al doilea reziduu este mult mai mică. Prin urmare, de obicei, organismul caută să obțină din nou ATP din ADP. Se întâmplă așa. În timpul descompunerii glucozei, energia eliberată este cheltuită pentru formarea unei legături între două resturi de acid fosforic și formarea de ATP. Procesul este în mai multe etape și deocamdată îl vom omite.

ATP-ul rezultat este o sursă universală de energie. Este folosit în orice, de la sinteza proteinelor (este nevoie de energie pentru a combina aminoacizii) până la munca musculară. Proteinele motorii care efectuează contracția musculară folosesc energia stocată în ATP pentru a-și schimba conformația. O schimbare conformațională este o reorientare a unei părți a unei molecule mari în raport cu alta. Arata asa.

Adică, energia legăturii chimice este transformată în energie mecanică. Iată exemple reale de proteine ​​care folosesc ATP pentru a-și face treaba.

Faceți cunoștință cu aceasta este miozina. proteine ​​motorii. Ea realizează mișcarea formațiunilor intracelulare mari și este implicată în contracția musculară. Vă rugăm să rețineți că are două „picioare”. Folosind energia stocată într-o moleculă de ATP, efectuează o schimbare conformațională, de fapt un pas. Cel mai ilustrativ exemplu de conversie a energiei chimice a ATP în energie mecanică.

Al doilea exemplu este pompa Na/K. În prima etapă, leagă trei molecule de Na și un ATP. Folosind energia ATP, își schimbă conformația, aruncând Na din celulă. Apoi leagă două molecule de potasiu și, revenind la conformația inițială, transferă potasiul în celulă. Lucrul este extrem de important, vă permite să mențineți nivelul de Na intracelular în normă.

Dar serios, atunci:

Pauză. De ce avem nevoie de ATP? De ce nu putem folosi direct energia stocată în glucoză? Simplu, dacă oxidezi glucoza la CO2 la un moment dat, o cantitate extrem de mare de energie va fi eliberată instantaneu. Și cea mai mare parte se va disipa sub formă de căldură. Prin urmare, reacția este împărțită în etape. Pe fiecare se eliberează puțină energie, se depozitează, iar reacția continuă până când substanța este complet oxidată.

Lasă-mă să rezumam. Energia este stocată în grăsimi și carbohidrați. Îl poți extrage mai repede din carbohidrați, dar poți stoca mai mult în grăsimi. Pentru a efectua reacții, celula folosește compuși cu înaltă energie, în care este stocată energia de descompunere a grăsimilor, carbohidraților etc. ... ATP este principalul astfel de compus din celulă. De fapt, ia-l și folosește-l. Cu toate acestea, nu singurul. Dar mai multe despre asta mai târziu.

P.S. Am încercat să simplific cât mai mult materialul, așa că au apărut unele inexactități. Rog biologii zeloși să mă ierte.

Etichete: Adăugați etichete