Ceea ce produce energie în celulă. Cum celulele obțin energie. Oxigenul ca o necesitate vitală

Creșterea abundentă a copacilor grasi,
care rădăcinează pe nisipul sterp
aprobat, afirmă clar că
foi de grasime grasime grasa 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 timpul fazelor de lumină și întuneric ale fotosintezei? Cum sunt legate procesele de metabolism energetic și plastic? Ce este chimiosinteza?

Lecție-prelecție

Capacitatea de a converti un tip de energie în altul (energia radiației în energia legăturilor chimice, energia chimică în energie mecanică etc.) este una dintre proprietățile fundamentale ale viețuitoarelor. Aici vom arunca o privire mai atentă asupra modului în care aceste procese sunt realizate în organismele vii.

ATP-ul este principalul purtător de energie din celulă. Pentru a efectua orice manifestări ale activității celulare, este necesară energie. Organismele autotrofe își primesc energia inițială de la Soare în timpul reacțiilor de fotosinteză, în timp ce organismele heterotrofe folosesc compuși organici furnizați cu 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 obișnuit, celula extrage energie din ATP prin îndepărtarea numai a grupului fosfat terminal. În acest caz, se formează ADP (adenozin difosfat) și 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 grup fosfat. la ADP cu absorbția de energie. Celula stochează energie sub formă de ATP în timpul reacțiilor metabolismul energetic. Este strâns legat de schimb plastic, timp în care celula produce compușii organici necesari funcționării sale.

METABOLISM ȘI ENERGIE ÎN CELULĂ (METABOLISM). Metabolismul este totalitatea tuturor reacțiilor metabolismului plastic și energetic, interconectate. Celulele sintetizează constant carbohidrați, grăsimi, proteine ​​și acizi nucleici. Sinteza compușilor are loc 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. În timpul acestui proces, energia este eliberată și stocată în ATP. Oxidarea glucozei joacă un rol special în metabolismul energetic celular. 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, producția de energie a glicolizei este mică 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 fermentarea acidului lactic(acrisul laptelui), care apare din cauza activității ciupercilor și bacteriilor acidului lactic. Mecanismul este similar cu glicoliza, doar produsul final aici este acidul lactic. Acest tip de oxidare a glucozei apare în celule atunci când există o lipsă de oxigen, cum ar fi în mușchii care lucrează intens. Fermentația alcoolică este aproape în chimie de fermentația acidului lactic. 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 asociate cu respirația 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 produse intermediare de oxidare a substanței de pornire 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 separați este necesar oxigenul. Această serie de transformări chimice este destul de complexă și are loc cu participarea membranelor interne ale mitocondriilor, a enzimelor și a proteinelor purtătoare.

Respirația celulară este foarte eficientă. Se sintetizează 30 de molecule de ATP, se formează încă două molecule în timpul glicolizei și se formează șase molecule de ATP ca urmare a transformărilor 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

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

FOTOSINTEZĂ. Fotosinteză este un proces în timpul căruia energia razelor solare este transformată în energia legăturilor chimice ale compușilor organici. În celulele vegetale, procesele asociate cu fotosinteza au loc în cloroplaste. În interiorul acestui organel există sisteme membranare în care sunt încorporați pigmenți care captează energia radiantă a Soarelui. Principalul pigment al fotosintezei este clorofila, care absoarbe predominant albastrul și violetul, precum și razele 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 se mișcă de-a lungul unui lanț de purtători, acesta pierde energie, care este folosită pentru sinteza ATP. Unii dintre electronii excitați de lumină sunt utilizați pentru a reduce NDP (nicotinamidă adenin dinucleotiphosphate) sau NADPH.

Orez. 53. Produși de reacție ai fazelor luminoase și întunecate ale fotosintezei

Sub influența luminii solare, moleculele de apă sunt de asemenea descompuse în cloroplaste - fotoliză; în acest caz, apar electroni care compensează pierderile lor prin clorofilă; Aceasta produce oxigen ca produs secundar:

Astfel, sensul funcțional al fazei luminoase este sinteza ATP și NADPH prin conversia energiei luminoase în energie chimică.

Lumina nu este necesară pentru ca faza întunecată a fotosintezei să aibă loc. Esența proceselor care au loc aici este că moleculele de ATP și NADPH produse în faza luminoasă sunt folosite într-o serie de reacții chimice care „fixează” CO2 sub formă de carbohidrați. Toate reacțiile în fază întunecată au loc în interiorul cloroplastelor, iar dioxidul de carbon ADP și NADP eliberat în timpul „fixării” sunt din nou utilizate în reacțiile în fază ușoară pentru sinteza ATP și NADPH.

Ecuația generală pentru fotosinteză este următoarea:

RELAȚIA ȘI UNITATEA PROCESELOR DE SCHIMB DE PLASTICE ȘI ENERGIE. Procesele de sinteză a ATP au loc în citoplasmă (glicoliză), în mitocondrii (respirația celulară) și în cloroplaste (fotosinteză). Toate reacțiile care apar în timpul acestor procese sunt reacții de schimb de energie. Energia stocată sub formă de ATP este consumată în reacții 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 schimb de energie.

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

Când citim 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, obțineți o descriere a reacțiilor fazei întunecate a fotosintezei, când glucoza este sintetizată din apă și dioxid de carbon cu participarea ATP (schimb de plastic).

CHIMOSINTEZA. Pe lângă fotoautotrofe, unele bacterii (bacteriile cu hidrogen, bacteriile nitrificante, bacteriile sulfuroase etc.) sunt și ele capabile să sintetizeze substanțe organice din cele 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 care nu sunt disponibile pentru absorbție de către plante în săruri de acid azotic, care sunt bine absorbite de acestea.

Metabolismul celular constă din reacții de metabolism energetic și plastic. În timpul metabolismului energetic, se formează compuși organici cu legături chimice de înaltă energie - ATP. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea compușilor organici în timpul reacțiilor anaerobe (glicoliză, fermentație) și aerobe (respirație celulară); din lumina soarelui, a cărei energie este absorbită în faza de lumină (fotosinteză); din oxidarea compuşilor anorganici (chemosinteză). Energia ATP este cheltuită pentru sinteza compușilor organici necesari celulei în timpul reacțiilor de schimb plastic, care includ reacții ale 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?

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 se găsește în corpul uman - acidul adenozin trifosforic (ATP). Aceasta este o moleculă organică destul de complexă la care sunt atașate 3 reziduuri de acid fosforic anorganic încărcate negativ. Aceste reziduuri de fosfor sunt conectate la 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 în celulă funcția unui dispozitiv universal de stocare a energiei (acumulator), precum și a unei „monede” universale. 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 generată 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 sintetice și pentru îndeplinirea oricăror funcții. . Ca „plată” pentru oportunitatea de a efectua cutare sau cutare acțiune, celula este forțată să-și cheltuie aprovizionarea cu ATP. Trebuie subliniat în special: 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 o altă celulă. Fiecare celulă a corpului este forțată să sintetizeze ATP pentru nevoile sale în mod independent în cantitățile în care este necesar să-și îndeplinească funcțiile.

Trei surse de resinteză ATP în celulele umane. 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 din abundență, în timp ce oxigenul era puțin 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, celulele reproductive masculine) sunt capabile să producă energie doar prin oxidarea carbohidraților.

Procesele de oxidare primară a carbohidraților - sau mai degrabă, glucoza, care este, de fapt, 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 cu 3 atomi de carbon de acid piruvic 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) este eliberat în sânge în cantități foarte mari, deoarece este o moleculă mică care poate liber. trece prin 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. Moleculele cu trei atomi de carbon formate în citoplasmă pătrund în interiorul mitocondriilor - de obicei acid acetic (acetat). Acolo, ei sunt incluși într-un ciclu continuu de reacții, în timpul căruia atomii de carbon și hidrogen sunt separați alternativ din aceste molecule organice, care, combinându-se cu oxigenul, sunt transformate în dioxid de carbon și apă. Aceste reacții 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 procesul de oxidare mitocondrială să includă și acizi grași și aminoacizi, adică componente ale grăsimilor și proteinelor. Datorită acestei abilități, mitocondriile fac celula să fie relativ independentă de ce alimente consumă organismul: în orice caz, se va produce cantitatea necesară de energie.

O parte din energie este stocată în celulă sub forma unei molecule mai mici și mai mobile, creatina fosfat (CrP), 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. KrF 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, KrP este ușor și practic fără pierderi, capabil să ofere toată energia conținută în el moleculei de adenazin difosfat (ADP), care se transformă imediat în ATP și este pregătită 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 grupării fosfat de la CrP la ADP.

Sursa de creatină fosfat este cea mai puternică, deoarece reacția Creatinei Fosfatului cu ADP are loc foarte rapid. Cu toate acestea, rezerva de CrP în celulă este de obicei mică - de exemplu, mușchii pot lucra cu efort maxim datorită CrP timp de cel mult 6-7 s. Acest lucru este de obicei suficient pentru a declanșa 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, homeostazia devine din ce în ce mai stresată 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 o sursă glicolitică și de 5 ori mai mică decât puterea unei surse de creatină fosfat.

Caracteristici ale organizării producției de energie în diferite țesuturi ale corpului. Diferite țesuturi au niveluri diferite de mitocondrii. Se găsesc cel mai puțin în oase și grăsimea albă, majoritatea în grăsimea 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 aceasta „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 activități metabolice diferite, precum și conținutul celor mai importante enzime oxidative din aceste țesuturi. Drept urmare, metabolismul energetic suferă modificări destul de complexe, dar, în general, intensitatea sa scade odată cu vârsta și destul de semnificativ.

Celula vie are o organizare inerent instabilă și aproape neplauzibilă; Celula este capabilă să mențină o ordine foarte specifică și frumos complexă a structurii sale fragile numai datorită consumului continuu de energie.

De îndată ce furnizarea de energie se oprește, structura complexă a celulei se dezintegrează și intră într-o stare dezordonată și neorganizată. Pe lângă asigurarea proceselor chimice necesare menținerii integrității celulei, în diferite tipuri de celule, datorită conversiei energiei, implementării unei varietăți de procese mecanice, electrice, chimice și osmotice asociate cu viața corpului este asigurată.

După ce a învățat în vremuri relativ recente să extragă energia conținută în diverse surse nevii pentru a efectua diverse lucrări, omul a început să înțeleagă cu cât de priceput și cu ce eficiență mare transformă celula energia. Transformarea energiei într-o celulă vie este supusă acelorași legi ale termodinamicii care operează în natura neînsuflețită. Conform primei legi a termodinamicii, energia totală a unui sistem închis cu orice modificare fizică rămâne întotdeauna constantă. Conform celei de-a doua legi, energia poate exista sub două forme: sub formă de energie „liberă” sau utilă și sub formă de energie disipată inutilă. Aceeași lege spune că la orice modificare fizică există tendința de a disipa energie, adică de a reduce cantitatea de energie liberă și de a crește entropia. Între timp, o celulă vie are nevoie de o aprovizionare constantă cu energie gratuită.

Inginerul obține energia de care are nevoie în principal din energia legăturilor chimice conținute în combustibil. Prin arderea combustibilului, acesta transformă energia chimică în energie termică; apoi poate folosi energia termică pentru a roti, de exemplu, o turbină cu abur și astfel obține energie electrică. Celulele primesc, de asemenea, energie liberă prin eliberarea energiei legăturilor chimice conținute în „combustibil”. Energia este stocată în aceste conexiuni de acele celule care sintetizează nutrienții care servesc drept combustibil. Cu toate acestea, celulele folosesc această energie într-un mod foarte specific. Deoarece temperatura la care funcționează o celulă vie este aproximativ constantă, celula nu poate folosi energia termică pentru a lucra. Pentru ca munca să apară datorită energiei termice, căldura trebuie să se deplaseze de la un corp mai încălzit la unul mai puțin încălzit. Este absolut clar că celula nu își poate arde combustibilul la temperatura de ardere a cărbunelui (900°); Nici nu poate rezista la expunerea la abur supraîncălzit sau la curent de înaltă tensiune. Celula trebuie să extragă și să utilizeze energia în condiții de temperatură destul de constantă și, în plus, scăzută, mediu de iod diluat și fluctuații foarte ușoare ale concentrației ionilor de hidrogen. Pentru a dobândi capacitatea de a obține energie, celula, de-a lungul secolelor de evoluție a lumii organice, și-a îmbunătățit mecanismele moleculare remarcabile, care funcționează neobișnuit de eficient în aceste condiții blânde.

Mecanismele celulare pentru extragerea energiei sunt împărțite în două clase și, pe baza diferențelor dintre aceste mecanisme, toate celulele pot fi împărțite în două tipuri principale. Celulele de primul tip se numesc heterotrofe; Acestea includ toate celulele corpului uman și celulele tuturor animalelor superioare. Aceste celule necesită o aprovizionare constantă cu combustibil gata preparat, cu o compoziție chimică foarte complexă. Astfel de combustibili sunt carbohidrații, proteinele și grăsimile, adică componentele individuale ale altor celule și țesuturi. Celulele heterotrofe obțin energie prin arderea sau oxidarea acestor substanțe complexe (produse de alte celule) într-un proces numit respirație, care implică oxigenul molecular (O2) al atmosferei. Celulele heterotrofe folosesc această energie pentru a-și îndeplini funcțiile biologice, eliberând dioxid de carbon în atmosferă ca produs final.

Celulele aparținând celui de-al doilea tip se numesc autotrofe. Cele mai tipice celule autotrofe sunt celulele plantelor verzi. În procesul de fotosinteză, ei leagă energia luminii solare, folosind-o pentru nevoile lor. În plus, ei folosesc energia solară pentru a extrage carbonul din dioxidul de carbon atmosferic și îl folosesc pentru a construi cea mai simplă moleculă organică - molecula de glucoză. Din glucoză, celulele plantelor verzi și ale altor organisme creează molecule mai complexe care alcătuiesc compoziția lor. Pentru a furniza energia necesară pentru aceasta, celulele ard o parte din materiile prime de care dispun în timpul respirației. Din această descriere a transformărilor ciclice ale energiei din celulă, devine clar că toate organismele vii primesc în cele din urmă energie din lumina soarelui, celulele vegetale o primesc direct de la soare, iar animalele indirect.

Studiul principalelor întrebări puse în acest articol se bazează pe necesitatea unei descrieri detaliate a mecanismului de extracție a energiei primare utilizat de celulă. Majoritatea etapelor din ciclurile complexe ale respirației și fotosintezei au fost deja studiate. S-a stabilit în ce organ al celulei are loc acest sau acel proces. Respirația este efectuată de mitocondrii, care sunt prezente în număr mare în aproape toate celulele; fotosinteza este asigurată de cloroplaste – structuri citoplasmatice conținute în celulele plantelor verzi. Mecanismele moleculare care rezidă în aceste structuri celulare, compunându-le structura și permitându-le funcțiile, reprezintă următorul pas important în studiul celulei.

Aceleași molecule bine studiate - moleculele de adenozin trifosfat (ATP) - transferă energia liberă obținută din nutrienți sau din lumina soarelui din centrele de respirație sau fotosinteză către toate părțile celulei, asigurând implementarea tuturor proceselor care necesită consum de energie. ATP a fost izolat pentru prima dată din țesutul muscular de către Loman în urmă cu aproximativ 30 de ani. Molecula de ATP conține trei grupe fosfat interconectate. Într-o eprubetă, grupul final poate fi separat de molecula ATP printr-o reacție de hidroliză care produce adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic. În timpul acestei reacții, energia liberă a moleculei de ATP este convertită în energie termică, iar entropia crește în conformitate cu a doua lege a termodinamicii. În celulă, totuși, gruparea fosfat terminală nu este pur și simplu separată în timpul hidrolizei, ci este transferată într-o moleculă specială care servește ca acceptor. O parte semnificativă a energiei libere a moleculei de ATP este reținută datorită fosforilării moleculei acceptoare, care acum, datorită energiei crescute, dobândește capacitatea de a participa la procesele care necesită consum de energie, de exemplu, în procesele de biosinteză sau contractie musculara. După îndepărtarea unei grupări fosfat în această reacție cuplată, ATP este convertit în ADP. În termodinamica celulară, ATP poate fi considerat ca forma bogată în energie sau „încărcată” a purtătorului de energie (adenozină fosfat), iar ADP ca forma săracă în energie sau „descărcat”.

„Încărcarea” secundară a purtătorului este, desigur, efectuată de unul sau altul dintre cele două mecanisme implicate în extracția energiei. În timpul procesului de respirație al celulelor animale, energia conținută în nutrienți este eliberată ca urmare a oxidării și este folosită pentru a construi ATP din ADP și fosfat. În timpul fotosintezei în celulele vegetale, energia luminii solare este convertită în energie chimică și este cheltuită pentru „încărcarea” fosfatului de adenozină, adică pentru formarea de ATP.

Experimentele folosind izotopul radioactiv al fosforului (P 32) au arătat că fosfatul anorganic este încorporat în și în afara grupului fosfat terminal al ATP cu o rată mare. În celula renală, turnover-ul grupului fosfat terminal are loc atât de repede încât timpul de înjumătățire al acestuia durează mai puțin de 1 minut; aceasta corespunde unui schimb de energie extrem de intens în celulele acestui organ. Trebuie adăugat că activitatea ATP într-o celulă vie nu este deloc magie neagră. Chimiștii cunosc multe reacții similare prin care energia chimică este transferată în sisteme nevii. Structura relativ complexă a ATP a apărut aparent numai în celulă pentru a asigura cea mai eficientă reglare a reacțiilor chimice asociate cu transferul de energie.

Rolul ATP în fotosinteză a fost clarificat abia recent. Această descoperire a făcut posibilă explicarea în mare măsură a modului în care celulele fotosintetice, în procesul de sinteză a carbohidraților, leagă energia solară - sursa primară de energie pentru toate ființele vii.

Energia din lumina soarelui este transmisă sub formă de fotoni sau cuante; Lumina de culori diferite, sau lungimi de undă diferite, este caracterizată de energii diferite. Când lumina cade pe anumite suprafețe metalice și este absorbită de aceste suprafețe, fotonii, ca urmare a ciocnirii cu electronii metalului, își transferă energia acestora. Acest efect fotoelectric poate fi măsurat datorită curentului electric generat. În celulele plantelor verzi, lumina soarelui cu anumite lungimi de undă este absorbită de pigmentul verde - clorofila. Energia absorbită transferă electroni în molecula complexă de clorofilă de la nivelul de energie de bază la un nivel superior. Astfel de electroni „excitați” tind să revină la nivelul lor principal de energie stabil, eliberând energia pe care au absorbit-o. Într-un preparat pur de clorofilă izolat dintr-o celulă, energia absorbită este reemisă sub formă de lumină vizibilă, similar cu ceea ce se întâmplă în cazul altor compuși organici și anorganici fosforescenți sau fluorescenți.

Astfel, clorofila, aflată într-o eprubetă, prin ea însăși nu este capabilă să stocheze sau să utilizeze energia luminoasă; această energie se disipează rapid, de parcă ar fi avut loc un scurtcircuit. Cu toate acestea, în celulă, clorofila este legată steric de alte molecule specifice; prin urmare, atunci când, sub influența absorbției luminii, aceasta intră într-o stare excitată, „fierbinte”, sau bogată în energie, electronii nu revin la starea lor energetică normală (neexcitată); în schimb, electronii sunt rupți din molecula de clorofilă și transportați de molecule purtătoare de electroni, care îi transferă unul altuia într-un lanț închis de reacții. Făcând această cale în afara moleculei de clorofilă, electronii excitați renunță treptat la energia lor și se întorc la locurile lor originale în molecula de clorofilă, care este apoi gata să absoarbă al doilea foton. Între timp, energia cedată de electroni este folosită pentru a forma ATP din ADP și fosfat - cu alte cuvinte, pentru a „încărca” sistemul de adenozinfosfat al celulei fotosintetice.

Purtătorii de electroni care mediază acest proces de fosforilare fotosintetică nu au fost încă pe deplin identificați. Unul dintre acești purtători pare să conțină riboflavină (vitamina B2) și vitamina K. Alții sunt clasificați provizoriu ca citocromi (proteine ​​care conțin atomi de fier înconjurate de grupări porfirine, care ca locație și structură seamănă cu porfirina clorofilei însăși). Cel puțin doi dintre acești purtători de electroni sunt capabili să lege o parte din energia pe care o transportă pentru a restabili ATP din ADP.

Aceasta este schema de bază pentru transformarea energiei luminoase în energia legăturilor ATP fosfat, dezvoltată de D. Arnon și alți oameni de știință.

Cu toate acestea, în procesul de fotosinteză, pe lângă legarea energiei solare, are loc și sinteza carbohidraților. Acum se crede că unii dintre electronii „fierbinți” ai moleculei de clorofilei excitate, împreună cu ionii de hidrogen proveniți din apă, provoacă reducerea (adică achiziția de electroni suplimentari sau atomi de hidrogen) a unuia dintre purtătorii de electroni - nucleotida trifosfopiridină. (TPN, în formă redusă TPN-N).

Într-o serie de reacții întunecate, numite astfel pentru că pot apărea în absența luminii, TPH-H determină reducerea dioxidului de carbon la carbohidrați. Cea mai mare parte a energiei necesare acestor reacții este furnizată de ATP. Natura acestor reacții întunecate a fost studiată în principal de M. Calvin și colegii săi. Unul dintre produsele secundare ale fotoreducției inițiale a TPN este ionul hidroxil (OH -). Deși nu avem încă date complete, se presupune că acest ion își donează electronul unuia dintre citocromi dintr-un lanț de reacții fotosintetice, al cărui produs final este oxigenul molecular. Electronii se deplasează de-a lungul lanțului de purtători, aducându-și contribuția energetică la formarea ATP și, în cele din urmă, după ce și-au cheltuit toată energia în exces, intră în molecula de clorofilă.

După cum ar fi de așteptat pe baza naturii strict regulate și secvenţiale a procesului de fotosinteză, moleculele de clorofilă nu sunt localizate aleatoriu în cloroplaste și, desigur, nu sunt pur și simplu suspendate în lichidul care umple cloroplastele. Dimpotrivă, moleculele de clorofilă formează structuri ordonate în cloroplaste - grana, între care există o întrețesere de fibre sau membrane care le separă. În interiorul fiecărei grane, molecule plate de clorofilă se află în stive; fiecare moleculă poate fi considerată analogă cu o placă separată (electrod) a unui element, grana - la elemente și totalitatea grana (adică întregul cloroplast) - la o baterie electrică.

Cloroplastele conțin, de asemenea, toate acele molecule specializate purtătoare de electroni care, împreună cu clorofila, sunt implicate în extragerea energiei din electronii „fierbinți” și în utilizarea acestei energii pentru a sintetiza carbohidrații. Cloroplastele extrase din celulă pot efectua întregul proces complex de fotosinteză.

Eficiența acestor fabrici miniaturale alimentate cu energie solară este uimitoare. În laborator, în anumite condiții speciale, se poate demonstra că în timpul procesului de fotosinteză, până la 75% din lumina care cade pe o moleculă de clorofilă este transformată în energie chimică; Cu toate acestea, această cifră nu poate fi considerată complet exactă și există încă dezbateri în acest sens. Pe teren, din cauza iluminării inegale a frunzelor de către soare, precum și dintr-o serie de alte motive, eficiența utilizării energiei solare este mult mai mică - de ordinul a câteva procente.

Astfel, molecula de glucoză, care este produsul final al fotosintezei, trebuie să conțină o cantitate destul de semnificativă de energie solară conținută în configurația sa moleculară. În timpul procesului de respirație, celulele heterotrofe extrag această energie prin descompunerea treptată a moleculei de glucoză pentru a „conserva” energia pe care o conține în legăturile de fosfat nou formate ale ATP.

Există diferite tipuri de celule heterotrofe. Unele celule (de exemplu, unele microorganisme marine) pot trăi fără oxigen; altele (de exemplu, celulele creierului) necesită absolut oxigen; altele (de exemplu, celulele musculare) sunt mai versatile și sunt capabile să funcționeze atât în ​​prezența oxigenului în mediu, cât și în absența acestuia. În plus, deși majoritatea celulelor preferă să folosească glucoza ca combustibil principal, unele dintre ele pot exista numai pe aminoacizi sau acizi grași (materia primă principală pentru sinteza cărora este aceeași glucoză). Cu toate acestea, descompunerea unei molecule de glucoză în celulele hepatice poate fi considerată un exemplu de proces de producere a energiei tipic pentru majoritatea heterotrofelor cunoscute nouă.

Cantitatea totală de energie conținută într-o moleculă de glucoză este foarte ușor de determinat. Prin arderea unei anumite cantități (probă) de glucoză în laborator, se poate demonstra că oxidarea unei molecule de glucoză produce 6 molecule de apă și 6 molecule de dioxid de carbon, iar reacția este însoțită de eliberarea de energie sub formă de căldură (aproximativ 690.000 de calorii per 1 gram moleculă, adică pentru 180 de grame de glucoză). Energia sub formă de căldură este, desigur, inutilă pentru o celulă, care funcționează la o temperatură practic constantă. Oxidarea treptată a glucozei în timpul respirației are loc, totuși, în așa fel încât cea mai mare parte a energiei libere a moleculei de glucoză este stocată într-o formă convenabilă pentru celulă.

Ca rezultat, celula primește mai mult de 50% din toată energia eliberată în timpul oxidării sub formă de energie de legătură fosfat. O astfel de eficiență ridicată se compară favorabil cu cea care se obține de obicei în tehnologie, unde rareori este posibil să se transforme mai mult de o treime din energia termică obținută din arderea combustibilului în energie mecanică sau electrică.

Procesul de oxidare a glucozei în celulă este împărțit în două faze principale. În timpul primei faze, sau pregătitoare, numită glicoliză, molecula de glucoză cu șase atomi de carbon este descompusă în două molecule de acid lactic cu trei atomi de carbon. Acest proces aparent simplu constă nu în unul, ci în cel puțin 11 etape, fiecare pas fiind catalizat de propria sa enzimă specială. Complexitatea acestei operații poate părea să contrazică aforismul lui Newton „Natura entm simplex esi” („natura este simplă”); Cu toate acestea, trebuie amintit că scopul acestei reacții nu este pur și simplu de a împărți molecula de glucoză în jumătate, ci de a elibera energia conținută în ea din această moleculă. Fiecare dintre intermediari conține grupări fosfat, iar reacția ajunge să utilizeze două molecule ADP și două grupări fosfat. În cele din urmă, ca urmare a defalcării glucozei, nu se formează doar două molecule de acid lactic, ci, în plus, se formează două noi molecule de ATP.

La ce duce acest lucru în termeni energetici? Ecuațiile termodinamice arată că atunci când un gram de glucoză este descompus pentru a forma acid lactic, se eliberează 56.000 de calorii. Deoarece formarea fiecărei molecule-gram de ATP leagă 10.000 de calorii, eficiența procesului de captare a energiei în această etapă este de aproximativ 36% - o cifră foarte impresionantă, bazată pe ceea ce avem de-a face de obicei în tehnologie. Cu toate acestea, aceste 20.000 de calorii transformate în energie legată de fosfat reprezintă doar o mică fracțiune (aproximativ 3%) din energia totală conținută într-o moleculă gram de glucoză (690.000 de calorii). Între timp, multe celule, de exemplu, celulele anaerobe sau celulele musculare, care sunt în stare de activitate (și în acest moment incapabile de respirație), există din cauza acestei utilizări nesemnificative a energiei.

După descompunerea glucozei în acid lactic, celulele aerobe continuă să extragă cea mai mare parte a energiei rămase prin procesul de respirație, în timpul căruia moleculele de acid lactic cu trei atomi de carbon sunt descompuse în molecule de dioxid de carbon cu un singur carbon. Acidul lactic, sau mai degrabă forma sa oxidată, acidul piruvic, suferă o serie și mai complexă de reacții, fiecare dintre aceste reacții fiind din nou catalizată de un sistem enzimatic special. În primul rând, compusul cu trei atomi de carbon se descompune pentru a forma forma activată de acid acetic (acetil coenzima A) și dioxid de carbon. „Franța cu două atomi de carbon” (acetil coenzima A) se combină apoi cu un compus cu patru atomi de carbon, acidul oxalacetic, pentru a produce acid citric, care conține șase atomi de carbon. Acidul citric, printr-o serie de reacții, este convertit înapoi în acid oxaloacetic, iar cei trei atomi de carbon ai acidului piruvic alimentați în acest ciclu de reacții produc în cele din urmă molecule de dioxid de carbon. Această „moară”, care „macină” (oxidează) nu numai glucoza, ci și moleculele de grăsime și aminoacizi, descompuse anterior în acid acetic, este cunoscută ca ciclul Krebs sau ciclul acidului citric.

Ciclul a fost descris pentru prima dată de G. Krebs în 1937. Această descoperire reprezintă una dintre pietrele de temelie ale biochimiei moderne, iar autorul său a fost distins cu Premiul Nobel în 1953.

Ciclul Krebs urmărește oxidarea acidului lactic la dioxid de carbon; Cu toate acestea, acest ciclu singur nu poate explica modul în care cantitățile mari de energie conținute în molecula de acid lactic pot fi extrase într-o formă adecvată pentru utilizare într-o celulă vie. Acest proces de extracție a energiei care însoțește ciclul Krebs a fost studiat intens în ultimii ani. Imaginea de ansamblu este mai mult sau mai puțin clară, dar multe detalii rămân de explorat. Aparent, în timpul ciclului Krebs, electronii, cu participarea enzimelor, sunt rupți din produsele intermediare și transferați de-a lungul unui număr de molecule purtătoare, numite colectiv lanț respirator. Acest lanț de molecule de enzime reprezintă calea comună finală a tuturor electronilor îndepărtați din moleculele de nutrienți în procesul de oxidare biologică. În ultima verigă a acestui lanț, electronii se combină în cele din urmă cu oxigenul pentru a forma apă. Astfel, descompunerea nutrienților prin respirație este procesul invers al fotosintezei, în care îndepărtarea electronilor din apă produce oxigen. Mai mult decât atât, purtătorii de electroni din lanțul respirator sunt foarte asemănători din punct de vedere chimic cu purtătorii corespunzători implicați în procesul de fotosinteză. Printre acestea se numără, de exemplu, riboflavină și structuri de citocrom, similare cu cele ale cloroplastei. Aceasta confirmă aforismul lui Newton despre simplitatea naturii.

Ca și în fotosinteză, energia electronilor care trec de-a lungul acestui lanț către oxigen este captată și utilizată pentru a sintetiza ATP din ADP și fosfat. De fapt, această fosforilare care are loc în lanțul respirator (fosforilarea oxidativă) a fost mai bine studiată decât fosforilarea care are loc în timpul fotosintezei, care a fost descoperită relativ recent. Este bine stabilit, de exemplu, că există trei centre în lanțul respirator în care are loc „încărcarea” fosfatului de adenozină, adică formarea de ATP. Astfel, pentru fiecare pereche de electroni îndepărtați din acidul lactic în timpul ciclului Krebs, se formează în medie trei molecule de ATP.

Pe baza randamentului total de ATP, acum este posibil să se calculeze eficiența termodinamică cu care o celulă extrage energia pusă la dispoziție prin oxidarea glucozei. Descompunerea preliminară a glucozei în două molecule de acid lactic produce două molecule de ATP. Fiecare moleculă de acid lactic transferă în cele din urmă șase perechi de electroni în lanțul respirator. Deoarece fiecare pereche de electroni care trece prin lanț provoacă conversia a trei molecule de ADP în ATP, 36 de molecule de ATP sunt produse în timpul procesului de respirație în sine. Când se formează fiecare moleculă de grame de ATP, se leagă aproximativ 10.000 de calorii, așa cum am indicat deja și, prin urmare, 38 de molecule de grame de ATP leagă aproximativ 380.000 din cele 690.000 de calorii conținute în molecula de grame inițială de glucoză. Eficiența proceselor cuplate de glicoliză și respirație poate fi astfel considerată a fi de cel puțin 55%.

Complexitatea extremă a procesului de respirație este un alt indiciu că mecanismele enzimatice implicate nu ar putea funcționa dacă părțile constitutive ar fi pur și simplu amestecate împreună în soluție. Așa cum mecanismele moleculare asociate cu fotosinteza au o anumită organizare structurală și sunt conținute în cloroplast, organele respiratorii ale celulei - mitocondriile - reprezintă același sistem ordonat structural.

O celulă, în funcție de tipul ei și de natura funcției sale, poate conține de la 50 la 5000 de mitocondrii (o celulă hepatică conține, de exemplu, aproximativ 1000 de mitocondrii). Sunt suficient de mari (3-4 microni lungime) pentru a fi văzute cu un microscop obișnuit. Cu toate acestea, ultrastructura mitocondriilor este vizibilă doar la microscop electronic.

În micrografiile electronice se poate observa că mitocondria are două membrane, membrana interioară formând pliuri care se extind în corpul mitocondriei. Un studiu recent al mitocondriilor izolate din celulele hepatice a arătat că moleculele enzimatice implicate în ciclul Krebs sunt localizate în matrice, sau o parte solubilă a conținutului intern al mitocondriilor, în timp ce enzimele lanțului respirator, sub formă moleculară „ ansambluri”, sunt situate în membrane. Membranele constau din straturi alternante de molecule de proteine ​​si lipide (grasime); Membranele din granul cloroplastelor au aceeași structură.

Astfel, există o asemănare clară în structura acestor două „centrale electrice” principale, de care depinde întreaga activitate vitală a celulei, deoarece una dintre ele „stochează” energia solară în legăturile fosfatice ale ATP, iar cealaltă transformă energia conținută de nutrienți în energie ATP .

Progresele în chimia și fizica moderne au făcut recent posibilă clarificarea structurii spațiale a unor molecule mari, de exemplu, moleculele unui număr de proteine ​​și ADN, adică moleculele care conțin informații genetice.

Următorul pas important în studierea celulei este acela de a afla locația moleculelor mari de enzime (care sunt ele însele proteine) în membranele mitocondriale, unde sunt localizate împreună cu lipide - un aranjament care asigură orientarea corectă a fiecărei molecule de catalizator și posibilitatea interacțiunii sale cu legătura ulterioară a întregului mecanism de lucru. „Schema de conexiuni” a mitocondriilor este deja clară!

Informațiile moderne despre centralele electrice ale celulei arată că aceasta lasă în urmă nu numai energia clasică, ci și cele mai noi, mult mai strălucitoare realizări ale tehnologiei.

Electronica a obținut un succes uimitor în ceea ce privește aspectul și reducerea dimensiunii componentelor dispozitivelor de calcul. Totuși, toate aceste succese nu pot fi comparate cu miniaturizarea absolut incredibilă a celor mai complexe mecanisme de conversie a energiei dezvoltate în procesul de evoluție organică și prezente în fiecare celulă vie.

Orice proprietate a ființelor vii și orice manifestare a vieții este asociată cu anumite reacții chimice din celulă. Aceste reacții apar fie cu cheltuirea, fie cu eliberarea de energie. Întregul set de procese de transformare a substanțelor într-o celulă, precum și în organism, se numește metabolism.

Anabolism

Pe parcursul vieții, o celulă menține constanta mediului său intern, numită homeostazie. Pentru a face acest lucru, sintetizează substanțe în conformitate cu informațiile sale genetice.

Orez. 1. Schema metabolică.

Această parte a metabolismului, în timpul căreia se creează compuși cu molecule înalte, caracteristice unei celule date, se numește metabolism plastic (asimilare, anabolism).

Reacțiile anabolice includ:

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

Aceste reacții sunt posibile doar cu cheltuirea energiei. Dacă energia externă (lumină) 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 aceasta este folosită pentru a regla procesul.

Catabolism

Cealaltă parte a metabolismului și transformării energiei într-o celulă este metabolismul energetic (disimilare, catabolism).

Reacțiile catabolice 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 catabolice în celulă.

Interrelaţionarea proceselor de schimb

Toate procesele dintr-o 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 apar 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.

O celulă este caracterizată nu de procese chimice individuale, ci de ordinea regulată în care apar. Regulatorii metabolismului 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 conversia acestuia 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.

Este imposibil de înțeles cum este structurat și „funcționează” corpul uman fără a înțelege cum are loc metabolismul în celulă. Fiecare celula vie trebuie să producă în mod constant energie. Ea are nevoie de energie pentru a genera căldură și a sintetiza (a crea) unele substanțe chimice vitale, precum proteinele sau substanțele ereditare. Energie Celula are nevoie de ea pentru a se mișca. Celulele corpului, capabile să facă mișcări se numesc musculare. Se pot micsora. Acest lucru ne pune în mișcare brațele, picioarele, inima și intestinele. În cele din urmă, este nevoie de energie pentru a genera curent electric: datorită acestuia, unele părți ale corpului „comună” cu altele. Și legătura dintre ele este asigurată în primul rând de celulele nervoase.

De unde obțin celulele energie? Răspunsul este: îi ajută ATP. Lasă-mă să explic. Celulele ard nutrienții, iar în acest proces este eliberată o anumită cantitate de energie. Îl folosesc pentru a sintetiza o substanță chimică specială care stochează energia de care au atât de multă nevoie. Această substanță se numește adenozin trifosfat(abreviat ca ATP). Când o moleculă de ATP conținută într-o celulă este descompusă, energia stocată în ea este eliberată. Datorită acestei energii, celula poate produce căldură, curent electric, poate sintetiza substanțe chimice sau poate face mișcări. În scurt, ATP activează întregul „mecanism” al celulei.

Așa arată un cerc subțire, colorat de țesut luat din... la microscop. glanda pituitară- un apendice cerebral de mărimea unui bob de mazăre. Pete roșii, galbene, albastre, violete, precum și pete de culoarea cărnii sunt celule cu nuclee. Fiecare tip de celulă pituitară secretă unul sau mai mulți hormoni vitali.

Acum să vorbim mai detaliat despre modul în care celulele obțin ATP. Știm deja răspunsul. Celulele arde nutrienții. Ei pot face acest lucru în două moduri. În primul rând, ardeți carbohidrații, în principal glucoza, în absența oxigenului. Aceasta produce o substanță pe care chimiștii o numesc acid piruvic, iar procesul însuși de descompunere a carbohidraților se numește glicoliză. Ca urmare a glicolizei, se produce prea puțin ATP: descompunerea unei molecule de glucoză este însoțită de formarea a doar două molecule de ATP. Glicoliza este ineficientă - este cea mai veche formă de extracție a energiei. Amintiți-vă că viața își are originea în apă, adică într-un mediu în care era foarte puțin oxigen.

În al doilea rând, celulele corpului arde acidul piruvic, grăsimile și proteinele în prezența oxigenului. Toate aceste substanțe conțin carbon și hidrogen. În acest caz, arderea are loc în două etape. În primul rând, celula extrage hidrogenul, apoi începe imediat să descompună cadrul de carbon rămas și scapă de dioxid de carbon - îl eliberează prin membrana celulară. În a doua etapă, hidrogenul extras din nutrienți este ars (oxidat). Se formează apă și se eliberează o cantitate mare de energie. Celulele au suficient pentru a sintetiza multe molecule de ATP (oxidarea, de exemplu, a două molecule de acid lactic, un produs al reducerii acidului piruvic, produce 36 de molecule de ATP).

Această descriere pare uscată și abstractă. De fapt, fiecare dintre noi a văzut cum are loc procesul de generare a energiei. Îți amintești reportajele de televiziune din porturile spațiale despre lansările de rachete? Ele urcă în sus datorită cantității incredibile de energie eliberată în timpul... oxidării hidrogenului, adică atunci când este ars în oxigen.

Rachetele spațiale de înălțimea unui turn se îndreaptă spre cer datorită energiei enorme care este eliberată atunci când hidrogenul este ars în oxigen pur. Aceeași energie menține viața în celulele corpului nostru. Numai în ele reacția de oxidare se desfășoară în etape. În plus, în loc de energie termică și cinetică, celulele noastre creează mai întâi combustibil celular" - ATP.

Rezervoarele lor de combustibil sunt umplute cu hidrogen lichid și oxigen. Când motoarele pornesc, hidrogenul începe să se oxideze, iar racheta uriașă zboară rapid spre cer. Poate că acest lucru pare incredibil și totuși: aceeași energie care transportă o rachetă spațială spre cer susține și viața în celulele corpului nostru.

Cu excepția faptului că nu are loc nicio explozie în celule și un snop de flacără nu izbucnește din ele. Oxidarea are loc în etape și, prin urmare, se formează molecule de ATP în loc de energie termică și cinetică.