Bioenergetiska processer i cellen (cellens atomenergi). Förse celler med energi. Energikällor Finns det andra sätt att få energi?

Riklig tillväxt av feta träd,
som rotar på den karga sanden
godkänt, säger tydligt att
fettblad fett fett från luften
absorbera...
M.V. Lomonosov

Hur lagras energi i en cell? Vad är ämnesomsättning? Vad är kärnan i processerna för glykolys, fermentering och cellandning? Vilka processer äger rum under fotosyntesens ljusa och mörka faser? Hur hänger energi- och plastmetabolismens processer ihop? Vad är kemosyntes?

Lektion-föreläsning

Förmågan att omvandla en typ av energi till en annan (strålningsenergi till energi av kemiska bindningar, kemisk energi till mekanisk energi, etc.) är en av de grundläggande egenskaperna hos levande saker. Här ska vi titta närmare på hur dessa processer implementeras i levande organismer.

ATP ÄR DEN HUVUDBÄRARE AV ENERGI I CELLEN. För att utföra några manifestationer av cellaktivitet krävs energi. Autotrofa organismer får sin initiala energi från solen under fotosyntesreaktioner, medan heterotrofa organismer använder organiska föreningar som tillförs mat som energikälla. Energi lagras av celler i molekylernas kemiska bindningar ATP (adenosintrifosfat), som är en nukleotid bestående av tre fosfatgrupper, en sockerrest (ribos) och en kvävehaltig basrest (adenin) (fig. 52).

Ris. 52. ATP-molekyl

Bindningen mellan fosfatrester kallas makroerg, eftersom när den bryts frigörs en stor mängd energi. Vanligtvis extraherar cellen energi från ATP genom att endast ta bort den terminala fosfatgruppen. I detta fall bildas ADP (adenosin difosfat) och fosforsyra och 40 kJ/mol frigörs:

ATP-molekyler spelar rollen som cellens universella energiförhandlingschip. De levereras till platsen för en energikrävande process, vare sig det är den enzymatiska syntesen av organiska föreningar, arbetet med proteiner - molekylära motorer eller membrantransportproteiner, etc. Den omvända syntesen av ATP-molekyler utförs genom att fästa en fosfatgrupp till ADP med absorption av energi. Cellen lagrar energi i form av ATP under reaktioner energi metabolism. Det är nära besläktat med plastbyte, under vilken cellen producerar de organiska föreningar som är nödvändiga för dess funktion.

METABOLISM OCH ENERGI I CELLEN (METABOLISM). Metabolism är helheten av alla reaktioner av plast- och energimetabolism, sammankopplade. Cellerna syntetiserar ständigt kolhydrater, fetter, proteiner och nukleinsyror. Syntesen av föreningar sker alltid med energiförbrukning, d.v.s. med det oumbärliga deltagandet av ATP. Energikällor för bildandet av ATP är enzymatiska reaktioner av oxidation av proteiner, fetter och kolhydrater som kommer in i cellen. Under denna process frigörs energi och lagras i ATP. Glukosoxidation spelar en speciell roll i cellulär energimetabolism. Glukosmolekyler genomgår en serie successiva transformationer.

Den första etappen, kallas glykolys, äger rum i cellernas cytoplasma och kräver inte syre. Som ett resultat av successiva reaktioner som involverar enzymer, bryts glukos ner till två molekyler av pyrodruvsyra. I det här fallet förbrukas två ATP-molekyler, och energin som frigörs under oxidation är tillräcklig för att bilda fyra ATP-molekyler. Som ett resultat är energiuttaget från glykolys liten och uppgår till två ATP-molekyler:

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

Under anaeroba förhållanden (i frånvaro av syre) kan ytterligare transformationer associeras med olika typer jäsning.

Alla vet mjölksyrajäsning(mjölksyrning), som uppstår på grund av aktiviteten hos mjölksyrasvampar och bakterier. Mekanismen liknar glykolys, endast slutprodukten här är mjölksyra. Denna typ av glukosoxidation uppstår i celler när det finns syrebrist, till exempel i intensivt arbetande muskler. Alkoholjäsning är i kemin nära mjölksyrajäsning. Skillnaden är att produkterna från alkoholjäsning är etylalkohol och koldioxid.

Nästa steg, under vilket pyrodruvsyra oxideras till koldioxid och vatten, kallas cellandningen. Reaktioner förknippade med andning sker i mitokondrierna hos växt- och djurceller, och endast i närvaro av syre. Detta är en serie kemiska omvandlingar före bildandet av slutprodukten - koldioxid. I olika stadier av denna process bildas mellanprodukter av oxidation av utgångsämnet med eliminering av väteatomer. I det här fallet frigörs energi, som "bevaras" i de kemiska bindningarna av ATP, och vattenmolekyler bildas. Det blir tydligt att det är just för att binda de separerade väteatomerna som syre krävs. Denna serie av kemiska transformationer är ganska komplex och sker med deltagande av de inre membranen av mitokondrier, enzymer och bärarproteiner.

Cellandning är mycket effektiv. 30 ATP-molekyler syntetiseras, ytterligare två molekyler bildas under glykolys och sex ATP-molekyler bildas som ett resultat av transformationer av glykolysprodukter på mitokondriella membran. Totalt, som ett resultat av oxidationen av en glukosmolekyl, bildas 38 ATP-molekyler:

C6H12O6 + 6H20 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP

De sista stadierna av oxidation av inte bara sockerarter utan även proteiner och lipider förekommer i mitokondrier. Dessa ämnen används av celler, främst när tillförseln av kolhydrater tar slut. Först konsumeras fett, vars oxidation frigör betydligt mer energi än från en lika stor volym kolhydrater och proteiner. Därför representerar fett hos djur den viktigaste "strategiska reserven" av energiresurser. I växter spelar stärkelse rollen som en energireserv. När det lagras tar det upp betydligt mer plats än den energiekvivalenta mängden fett. Detta är inte ett hinder för växter, eftersom de är orörliga och inte bär förråd på sig själva, som djur. Du kan utvinna energi från kolhydrater mycket snabbare än från fett. Proteiner utför många viktiga funktioner i kroppen och är därför involverade i energiomsättningen endast när resurserna av socker och fett är uttömda, till exempel under långvarig fasta.

FOTOSYNTES. Fotosyntesär en process under vilken solstrålarnas energi omvandlas till energin från kemiska bindningar av organiska föreningar. I växtceller sker processer associerade med fotosyntes i kloroplaster. Inuti denna organell finns membransystem i vilka pigment är inbäddade som fångar solens strålningsenergi. Huvudpigmentet för fotosyntesen är klorofyll, som absorberar övervägande blått och violett, samt röda strålar från spektrumet. Grönt ljus reflekteras, så själva klorofyllet och de växtdelar som innehåller det ser gröna ut.

Det finns två faser i fotosyntesen - ljus Och mörk(Fig. 53). Själva infångningen och omvandlingen av strålningsenergi sker under ljusfasen. Vid absorbering av ljuskvanta går klorofyll in i ett exciterat tillstånd och blir en elektrondonator. Dess elektroner överförs från ett proteinkomplex till ett annat längs elektrontransportkedjan. Proteinerna i denna kedja, liksom pigment, är koncentrerade på det inre membranet av kloroplaster. När en elektron rör sig längs en kedja av bärare förlorar den energi, som används för syntesen av ATP. Några av elektronerna som exciteras av ljus används för att reducera NDP (nikotinamidadenindinukleotifosfat), eller NADPH.

Ris. 53. Reaktionsprodukter från fotosyntesens ljusa och mörka faser

Under påverkan av solljus bryts även vattenmolekyler ner i kloroplaster - fotolys; i detta fall uppstår elektroner som kompenserar för sina förluster genom klorofyll; Detta producerar syre som en biprodukt:

Den funktionella betydelsen av ljusfasen är således syntesen av ATP och NADPH genom att omvandla ljusenergi till kemisk energi.

Ljus behövs inte för att den mörka fasen av fotosyntesen ska inträffa. Kärnan i de processer som äger rum här är att ATP- och NADPH-molekylerna som produceras i den lätta fasen används i en serie kemiska reaktioner som "fixerar" CO2 i form av kolhydrater. Alla mörkfasreaktioner äger rum inuti kloroplaster, och koldioxiden ADP och NADP som frigörs under "fixering" används återigen i ljusfasreaktioner för syntes av ATP och NADPH.

Den övergripande ekvationen för fotosyntes är följande:

RELATION OCH ENHET I PLAST- OCH ENERGIUTBYTESPROCESSER. Processerna för ATP-syntes sker i cytoplasman (glykolys), i mitokondrier (cellulär andning) och i kloroplaster (fotosyntes). Alla reaktioner som sker under dessa processer är reaktioner av energiutbyte. Energin som lagras i form av ATP förbrukas i plastiska utbytesreaktioner för produktion av proteiner, fetter, kolhydrater och nukleinsyror som är nödvändiga för cellens liv. Observera att den mörka fasen av fotosyntesen är en kedja av reaktioner, plastutbyte, och den ljusa fasen är energiutbyte.

Sambandet och enheten mellan energi- och plastutbyteprocesserna illustreras väl av följande ekvation:

När vi läser denna ekvation från vänster till höger får vi processen med oxidation av glukos till koldioxid och vatten under glykolys och cellandning, associerad med syntesen av ATP (energimetabolism). Om du läser den från höger till vänster får du en beskrivning av reaktionerna i den mörka fasen av fotosyntesen, när glukos syntetiseras från vatten och koldioxid med deltagande av ATP (plastutbyte).

KEMOSYNTES. Förutom fotoautotrofer kan vissa bakterier (vätebakterier, nitrifierande bakterier, svavelbakterier etc.) också syntetisera organiska ämnen från oorganiska. De utför denna syntes på grund av den energi som frigörs under oxidationen av oorganiska ämnen. De kallas kemoautotrofer. Dessa kemosyntetiska bakterier spelar en viktig roll i biosfären. Till exempel omvandlar nitrifierande bakterier ammoniumsalter som inte är tillgängliga för absorption av växter till salpetersyrasalter, som absorberas väl av dem.

Cellulär metabolism består av reaktioner av energi och plastisk metabolism. Under energiomsättningen bildas organiska föreningar med kemiska bindningar med hög energi - ATP -. Den energi som krävs för detta kommer från oxidation av organiska föreningar under anaeroba (glykolys, fermentering) och aeroba (cellulär andning) reaktioner; från solljus, vars energi absorberas i ljusfasen (fotosyntes); från oxidation av oorganiska föreningar (kemosyntes). ATP-energi spenderas på syntesen av organiska föreningar som är nödvändiga för cellen under plastiska utbytesreaktioner, som inkluderar reaktioner av fotosyntesens mörka fas.

• Vad är skillnaden mellan plast- och energiomsättning?
• Hur omvandlas solljusenergin till fotosyntesens ljusfas? Vilka processer äger rum under fotosyntesens mörka fas?
• Varför kallas fotosyntes processen att reflektera planetarisk-kosmisk interaktion?

Varje egenskap hos levande varelser och varje manifestation av liv är förknippad med vissa kemiska reaktioner i cellen. Dessa reaktioner inträffar antingen med utgifterna eller med frigörandet av energi. Hela uppsättningen av processer för omvandling av ämnen i en cell, såväl som i kroppen, kallas metabolism.

Anabolism

Under sin livstid bibehåller en cell konstansen i sin inre miljö, kallad homeostas. För att göra detta syntetiserar den ämnen i enlighet med dess genetiska information.

Ris. 1. Metaboliskt schema.

Denna del av ämnesomsättningen, under vilken högmolekylära föreningar som är karakteristiska för en given cell skapas, kallas plastisk metabolism (assimilering, anabolism).

Anabola reaktioner inkluderar:

• syntes av proteiner från aminosyror;
• bildning av stärkelse från glukos;
• fotosyntes;
• syntes av fetter från glycerol och fettsyror.

Dessa reaktioner är endast möjliga med energiförbrukning. Om extern (ljus) energi används för fotosyntes, så för resten - cellens resurser.

TOP 4 artiklarsom läser med detta

Mängden energi som spenderas på assimilering är större än vad som lagras i kemiska bindningar, eftersom en del av den används för att reglera processen.

Katabolism

Den andra sidan av metabolism och energiomvandling i en cell är energimetabolism (dissimilation, katabolism).

Kataboliska reaktioner åtföljs av frigöring av energi.
Denna process inkluderar:

• andetag;
• nedbrytning av polysackarider till monosackarider;
• nedbrytning av fetter till fettsyror och glycerol, och andra reaktioner.

Ris. 2. Kataboliska processer i cellen.

Samband mellan utbytesprocesser

Alla processer i en cell är nära besläktade med varandra, liksom till processer i andra celler och organ. Omvandlingar av organiska ämnen beror på närvaron av oorganiska syror, makro- och mikroelement.

Processerna för katabolism och anabolism sker samtidigt i cellen och är två motsatta komponenter i ämnesomsättningen.

Metaboliska processer är associerade med vissa cellstrukturer:

• andetag- med mitokondrier;
• proteinsyntes- med ribosomer;
• fotosyntes- med kloroplaster.

En cell kännetecknas inte av individuella kemiska processer, utan av den regelbundna ordning i vilken de inträffar. Metabolismregulatorer är enzymproteiner som styr reaktioner och ändrar deras intensitet.

ATP

Adenosintrifosforsyra (ATP) spelar en speciell roll i ämnesomsättningen. Det är en kompakt lagringsenhet för kemisk energi som används för fusionsreaktioner.

Ris. 3. Schema för ATP:s struktur och dess omvandling till ADP.

På grund av sin instabilitet bildar ATP molekyler av ADP och AMP (di- och monofosfat) med frisättning av en stor mängd energi för assimileringsprocesser.

Alla levande organismer, utom virus, är gjorda av celler. De tillhandahåller alla processer som är nödvändiga för en växts eller ett djurs liv. En cell i sig kan vara en separat organism. Och hur kan en så komplex struktur leva utan energi? Självklart inte. Så hur får celler energi? Det är baserat på de processer som vi kommer att överväga nedan.

Att förse celler med energi: hur går det till?

Få celler får energi utifrån, de producerar den själva. har unika "stationer". Och energikällan i cellen är mitokondrien, organellen som producerar den. Processen med cellandning sker i den. På grund av det förses cellerna med energi. Men de finns bara i växter, djur och svampar. Bakterieceller har inga mitokondrier. Därför tillförs deras celler energi huvudsakligen genom jäsningsprocesser snarare än andning.

Strukturen av mitokondrier

Detta är en dubbelmembranorganell som dök upp i en eukaryot cell under evolutionsprocessen som ett resultat av dess absorption av en mindre.Detta kan förklara det faktum att mitokondrier innehåller sitt eget DNA och RNA, samt mitokondriella ribosomer som producerar proteiner som behövs för organeller.

Det inre membranet har utsprång som kallas cristae, eller åsar. Processen med cellandning sker på cristae.

Det som finns inuti de två membranen kallas matrisen. Den innehåller proteiner, enzymer som är nödvändiga för att påskynda kemiska reaktioner, såväl som RNA, DNA och ribosomer.

Cellandning är grunden för livet

Det sker i tre steg. Låt oss titta på var och en av dem mer i detalj.

Det första steget är förberedande

Under detta skede bryts komplexa organiska föreningar ner till enklare. Således bryts proteiner ner till aminosyror, fetter till karboxylsyror och glycerol, nukleinsyror till nukleotider och kolhydrater till glukos.

Glykolys

Detta är det syrefria stadiet. Det ligger i det faktum att de ämnen som erhålls under det första steget bryts ner ytterligare. De huvudsakliga energikällorna som cellen använder i detta skede är glukosmolekyler. Var och en av dem bryts ner till två pyruvatmolekyler under glykolys. Detta sker under tio på varandra följande kemiska reaktioner. Som ett resultat av de första fem fosforyleras glukos och delas sedan upp i två fosfortrioser. De följande fem reaktionerna producerar två molekyler och två molekyler av PVA (pyrodruvsyra). Cellens energi lagras i form av ATP.

Hela processen med glykolys kan förenklas enligt följande:

2NAD+ 2ADP + 2H3PO4 + C6H12O6 → 2H2O + 2NAD. H2 + 2C3H4O3 + 2ATP

Således, genom att använda en molekyl glukos, två molekyler ADP och två fosforsyra, får cellen två molekyler ATP (energi) och två molekyler pyrodruvsyra, som den kommer att använda i nästa steg.

Det tredje steget är oxidation

Detta stadium inträffar endast i närvaro av syre. De kemiska reaktionerna i detta stadium sker i mitokondrierna. Detta är huvuddelen under vilken mest energi frigörs. I detta skede, som reagerar med syre, bryts det ner till vatten och koldioxid. Dessutom bildas 36 ATP-molekyler. Så vi kan dra slutsatsen att de viktigaste energikällorna i cellen är glukos och pyrodruvsyra.

Genom att sammanfatta alla kemiska reaktioner och utelämna detaljer, kan vi uttrycka hela processen för cellandning med en förenklad ekvation:

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

Således, under andning, från en molekyl glukos, sex syremolekyler, trettioåtta molekyler ADP och samma mängd fosforsyra, får cellen 38 molekyler ATP, i form av vilken energi lagras.

Mångfald av mitokondriella enzymer

Cellen får energi för vital aktivitet genom andning - oxidation av glukos och sedan pyrodruvsyra. Alla dessa kemiska reaktioner skulle inte kunna ske utan enzymer - biologiska katalysatorer. Låt oss titta på de som finns i mitokondrier, de organeller som ansvarar för cellandning. Alla kallas oxidoreduktaser eftersom de behövs för att säkerställa uppkomsten av redoxreaktioner.

Alla oxidoreduktaser kan delas in i två grupper:

• oxidaser;
• dehydrogenas;

Dehydrogenaser delas i sin tur in i aeroba och anaeroba. Aeroba innehåller koenzym riboflavin, som kroppen får från vitamin B2. Aeroba dehydrogenaser innehåller NAD- och NADP-molekyler som koenzymer.

Oxidaser är mer olika. Först och främst är de indelade i två grupper:

• de som innehåller koppar;
• de som innehåller järn.

Den första inkluderar polyfenoloxidaser och askorbatoxidas, den andra inkluderar katalas, peroxidas och cytokromer. De senare är i sin tur indelade i fyra grupper:

• cytokromer a;
• cytokromer b;
• cytokromer c;
• cytokromer d.

Cytokromer a innehåller järnformylporfyrin, cytokromer b - järnprotoporfyrin, c - substituerad järnmesoporfyrin, d - järndihydroporfyrin.

Finns det andra sätt att få energi?

Även om de flesta celler får det genom cellandning, finns det också anaeroba bakterier som inte kräver syre för att existera. De producerar den nödvändiga energin genom jäsning. Detta är en process under vilken, med hjälp av enzymer, kolhydrater bryts ner utan deltagande av syre, vilket resulterar i att cellen får energi. Det finns flera typer av jäsning beroende på slutprodukten av kemiska reaktioner. Det kan vara mjölksyra, alkohol, smörsyra, aceton-butan, citronsyra.

Tänk till exempel att det kan uttryckas med följande ekvation:

C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2

Det vill säga att bakterien bryter ner en molekyl glukos till en molekyl etylalkohol och två molekyler koloxid (IV).

ATP är cellens universella energi-”valuta”. En av naturens mest fantastiska "uppfinningar" är molekylerna av så kallade "makroerga" ämnen, i vars kemiska struktur det finns en eller flera bindningar som fungerar som energilagringsanordningar. Flera liknande molekyler har hittats i naturen, men bara en av dem finns i människokroppen - adenosintrifosforsyra (ATP). Detta är en ganska komplex organisk molekyl till vilken 3 negativt laddade oorganiska fosforsyrarester PO är fästa. Det är dessa fosforrester som är kopplade till den organiska delen av molekylen genom "makroerga" bindningar, som lätt förstörs under olika intracellulära reaktioner. Energin från dessa bindningar försvinner dock inte i rymden i form av värme, utan används för rörelse eller kemisk interaktion mellan andra molekyler. Det är tack vare denna egenskap som ATP i cellen utför funktionen av en universell energilagringsenhet (ackumulator), såväl som en universell "valuta". När allt kommer omkring, nästan varje kemisk omvandling som sker i en cell antingen absorberar eller frigör energi. Enligt lagen om bevarande av energi är den totala mängden energi som genereras som ett resultat av oxidativa reaktioner och lagras i form av ATP lika med mängden energi som cellen kan använda för sina syntetiska processer och utförandet av alla funktioner . Som en "betalning" för möjligheten att utföra den eller den åtgärden, tvingas cellen att förbruka sin tillgång på ATP. Det bör särskilt betonas: ATP-molekylen är så stor att den inte kan passera genom cellmembranet. Därför kan ATP som produceras i en cell inte användas av en annan cell. Varje cell i kroppen tvingas syntetisera ATP för sina behov oberoende i de kvantiteter där det är nödvändigt att utföra sina funktioner.

Tre källor till ATP-återsyntes i mänskliga celler. Tydligen existerade de avlägsna förfäderna till människokroppens celler för många miljoner år sedan omgivna av växtceller, som försåg dem med kolhydrater i överflöd, medan det fanns lite eller inget syre. Det är kolhydrater som är den mest använda komponenten av näringsämnen för energiproduktion i kroppen. Och även om de flesta celler i människokroppen har förvärvat förmågan att använda proteiner och fetter som energiråvaror, kan vissa celler (till exempel nervceller, rött blod, manliga reproduktionsceller) producera energi endast genom oxidation av kolhydrater.

Processerna för primär oxidation av kolhydrater - eller snarare glukos, som i själva verket är det huvudsakliga substratet för oxidation i celler - sker direkt i cytoplasman: det är där enzymkomplex är lokaliserade, på grund av vilka glukosmolekylen är delvis förstörs, och den frigjorda energin lagras i form av ATP. Denna process kallas glykolys, den kan ske i alla celler i människokroppen utan undantag. Som ett resultat av denna reaktion bildas två 3-kolmolekyler pyrodruvsyra och två molekyler ATP från en 6-kolsmolekyl glukos.

Glykolys är en mycket snabb, men relativt ineffektiv process. Pyrodruvsyra, som bildas i cellen efter slutförandet av glykolysreaktioner, förvandlas nästan omedelbart till mjölksyra och släpps ibland (till exempel vid tungt muskelarbete) ut i blodet i mycket stora mängder, eftersom det är en liten molekyl som kan fritt passera genom cellmembranet. En sådan massiv frisättning av sura metaboliska produkter i blodet stör homeostasen, och kroppen måste aktivera speciella homeostatiska mekanismer för att klara av konsekvenserna av muskelarbete eller annan aktiv verkan.

Pyrodruvsyra som bildas till följd av glykolys innehåller fortfarande mycket potentiell kemisk energi och kan fungera som ett substrat för ytterligare oxidation, men detta kräver speciella enzymer och syre. Denna process sker i många celler som innehåller speciella organeller - mitokondrier. Den inre ytan av mitokondriella membran består av stora lipid- och proteinmolekyler, inklusive ett stort antal oxidativa enzymer. Trekolsmolekyler som bildas i cytoplasman tränger in i mitokondrierna - vanligtvis ättiksyra (acetat). Där ingår de i en kontinuerligt pågående cykel av reaktioner, under vilken kol- och väteatomer växelvis spjälkas av från dessa organiska molekyler, som i kombination med syre omvandlas till koldioxid och vatten. Dessa reaktioner frigör en stor mängd energi, som lagras i form av ATP. Varje molekyl av pyrodruvsyra, som har gått igenom en hel cykel av oxidation i mitokondrierna, tillåter cellen att erhålla 17 molekyler ATP. Således ger den fullständiga oxidationen av 1 glukosmolekyl cellen 2+17x2 = 36 ATP-molekyler. Det är lika viktigt att processen för mitokondriell oxidation också kan inkludera fettsyror och aminosyror, dvs komponenter av fetter och proteiner. Tack vare denna förmåga gör mitokondrier cellen relativt oberoende av vilken mat kroppen äter: i alla fall kommer den nödvändiga mängden energi att produceras.

En del av energin lagras i cellen i form av en mindre och mer rörlig molekyl, kreatinfosfat (CrP), än ATP. Det är denna lilla molekyl som snabbt kan förflytta sig från ena änden av cellen till den andra – dit där energi behövs som mest för tillfället. KrF i sig kan inte ge energi till processerna för syntes, muskelkontraktion eller ledning av en nervimpuls: detta kräver ATP. Men å andra sidan är KrP lätt och praktiskt taget utan förluster kapabel att ge all energi som finns i den till adenazindifosfatmolekylen (ADP), som omedelbart förvandlas till ATP och är redo för ytterligare biokemiska omvandlingar.

Således förbrukas energin under cellens funktion, dvs. ATP kan förnyas på grund av tre huvudprocesser: anaerob (syrefri) glykolys, aerob (med deltagande av syre) mitokondriell oxidation, och även på grund av överföringen av fosfatgruppen från CrP till ADP.

Kreatinfosfatkällan är den mest kraftfulla, eftersom reaktionen mellan kreatinfosfat och ADP sker mycket snabbt. Reserven av CrP i cellen är dock vanligtvis liten - till exempel kan muskler arbeta med maximal ansträngning på grund av CrP i högst 6-7 s. Detta är vanligtvis tillräckligt för att utlösa den näst mest kraftfulla - glykolytiska - energikällan. I det här fallet är näringsresursen många gånger större, men i takt med att arbetet fortskrider blir homeostasen alltmer stressad på grund av bildningen av mjölksyra, och om sådant arbete utförs av stora muskler kan det inte pågå mer än 1,5-2 minuter. Men under denna tid aktiveras mitokondrier nästan helt, som kan bränna inte bara glukos utan också fettsyror, vars tillförsel i kroppen är nästan outtömlig. Därför kan en aerob mitokondriell källa fungera under mycket lång tid, även om dess kraft är relativt låg - 2-3 gånger mindre än en glykolytisk källa och 5 gånger mindre än kraften hos en kreatinfosfatkälla.

Funktioner i organisationen av energiproduktion i olika vävnader i kroppen. Olika vävnader har olika nivåer av mitokondrier. De finns minst i ben och vitt fett, mest i brunt fett, lever och njurar. Det finns ganska många mitokondrier i nervceller. Muskler har inte en hög koncentration av mitokondrier, men på grund av att skelettmusklerna är den mest massiva vävnaden i kroppen (cirka 40 % av en vuxens kroppsvikt) är det muskelcellernas behov som till stor del avgör intensiteten och riktning för alla energimetabolismprocesser. I.A. Arshavsky kallade detta "skelettmusklernas energiregel."

Med åldern förändras två viktiga komponenter i energimetabolismen på en gång: förhållandet mellan massorna av vävnader med olika metaboliska aktiviteter förändras, liksom innehållet av de viktigaste oxidativa enzymerna i dessa vävnader. Som ett resultat genomgår energimetabolismen ganska komplexa förändringar, men i allmänhet minskar dess intensitet med åldern, och ganska avsevärt.

Hej alla! Jag ville ägna den här artikeln åt cellkärnan och DNA. Men innan dess behöver vi beröra hur cellen lagrar och använder energi (tack). Vi kommer att beröra energirelaterade frågor nästan överallt. Låt oss ta reda på dem i förväg.

Vad kan du få energi ifrån? Ja av allt! Växter använder ljusenergi. Vissa bakterier också. Det vill säga, organiska ämnen syntetiseras från oorganiska med hjälp av ljusenergi. + Det finns kemotrofer. De syntetiserar organiska ämnen från oorganiska med hjälp av energin för oxidation av ammoniak, vätesulfid och andra ämnen. Och där är du och jag. Vi är heterotrofer. Vilka är dom? Det här är de som inte vet hur man syntetiserar organiska ämnen från oorganiska. Det vill säga, kemosyntes och fotosyntes är inte för oss. Vi tar färdigt organiskt material (vi äter det). Vi plockar isär den i bitar och antingen använder den som byggmaterial eller förstör den för att få energi.
Vad exakt kan vi analysera för energi? Proteiner (först bryta ner dem till aminosyror), fetter, kolhydrater och etylalkohol (men detta är valfritt). Det vill säga att alla dessa ämnen kan användas som energikällor. Men för att lagra den använder vi fetter och kolhydrater. Jag älskar kolhydrater! I vår kropp är den huvudsakliga lagringskolhydraten glykogen.

Den består av glukosrester. Det vill säga, det är en lång, grenad kedja som består av identiska enheter (glukos). Om vi ​​behöver energi delar vi av en bit i taget från kedjans ände och genom att oxidera den får vi energi. Denna metod för att få energi är karakteristisk för alla kroppens celler, men det finns särskilt mycket glykogen i cellerna i levern och muskelvävnaden.

Nu ska vi prata om fett. Det lagras i speciella bindvävsceller. Deras namn är adipocyter. I huvudsak är dessa celler med en enorm fettdroppe inuti.

Vid behov tar kroppen bort fett från dessa celler, bryter delvis ner det och transporterar det. Vid leveranspunkten sker slutlig splittring med frigöring och omvandling av energi.

En ganska populär fråga: "Varför kan du inte lagra all din energi som fett eller glykogen?"
Dessa energikällor har olika syften. Energi kan erhållas från glykogen ganska snabbt. Dess nedbrytning börjar nästan omedelbart efter starten av muskelarbetet och når en topp på 1-2 minuter. Nedbrytningen av fetter sker flera storleksordningar långsammare. Det vill säga, om du sover eller går långsamt någonstans har du en konstant energiförbrukning, och den kan tillhandahållas genom att bryta ner fetter. Men så fort du bestämmer dig för att öka hastigheten (servrarna föll, du sprang för att hämta dem), kommer du plötsligt behöva mycket energi och du kommer inte att kunna få det snabbt genom att bryta ner fetter. Det är här vi behöver glykogen.

Det finns en annan viktig skillnad. Glykogen binder mycket vatten. Cirka 3 g vatten per 1 g glykogen. Det vill säga för 1 kg glykogen är detta redan 3 kg vatten. Inte optimalt... Det är lättare med fett. Lipidmolekyler (fetter = lipider), som lagrar energi, är inte laddade, till skillnad från vatten- och glykogenmolekyler. Sådana molekyler kallas hydrofoba (bokstavligen rädd för vatten). Vattenmolekyler är polariserade. Så här ser det ut.

I huvudsak interagerar positivt laddade väteatomer med negativt laddade syreatomer. Resultatet är ett stabilt och energiskt gynnsamt tillstånd.
Låt oss nu föreställa oss lipidmolekyler. De är inte laddade och kan inte interagera normalt med polariserade vattenmolekyler. Därför är en blandning av lipider med vatten energimässigt ogynnsam. Lipidmolekyler kan inte adsorbera vatten, som glykogen gör. De "klumpar sig" till så kallade lipiddroppar, omgivna av ett membran av fosfolipider (den ena sidan av dem är laddad och vetter mot vattnet utanför, den andra är inte laddad och vetter mot droppens lipider). Som ett resultat har vi ett stabilt system som effektivt lagrar lipider och inget extra.

Okej, vi kom på vilka former energi lagras i. Vad händer med henne härnäst? Så vi delar av en glukosmolekyl från glykogen. De förvandlade det till energi. Vad betyder det?
Låt oss göra en liten avvikelse.

Cirka 1 000 000 000 reaktioner inträffar i en cell varje sekund. När en reaktion inträffar omvandlas ett ämne till ett annat. Vad händer med hans inre energi? Den kan minska, öka eller förbli oförändrad. Om den minskar -> frigörs energi. Om det ökar -> behöver du ta energi utifrån. Kroppen kombinerar vanligtvis sådana reaktioner. Det vill säga energin som frigörs under en reaktion går till att utföra den andra.

Så i kroppen finns det speciella föreningar, makroerg, som kan ackumuleras och överföra energi under reaktionen. De innehåller en eller flera kemiska bindningar i vilka denna energi ackumuleras. Nu kan du återgå till glukos. Energin som frigörs under dess förfall kommer att lagras i anslutningarna till dessa makroerg.

Låt oss titta på det med ett exempel.

Den vanligaste makroergen (energivalutan) i cellen är ATP (adenosintrifosfat).

Det ser ut ungefär så här.

Den består av den kvävehaltiga basen adenin (en av fyra som används för att koda information i DNA), sockerribosen och tre fosforsyrarester (därav adenosin TRIfosfat). Det är i bindningarna mellan fosforsyrarester som energi ackumuleras. När en fosforsyrarest elimineras bildas ADP (Adenosindifosfat). ADP kan frigöra energi genom att bryta av ytterligare en rest och förvandlas till AMP (Adenosin MONOfosfat). Men effektiviteten för att dela av den andra resten är mycket lägre. Därför strävar kroppen vanligtvis efter att få ATP från ADP igen. Det går ungefär så här. Under nedbrytningen av glukos läggs den frigjorda energin på bildning av en bindning mellan två fosforsyrarester och bildning av ATP. Processen är i flera steg och vi kommer att hoppa över den tills vidare.

Den resulterande ATP är en universell energikälla. Det används överallt, från proteinsyntes (energi behövs för att kombinera aminosyror) till muskelarbete. Motorproteiner som utför muskelkontraktion använder energin som lagras i ATP för att ändra sin konformation. En förändring i konformation är en omorientering av en del av en stor molekyl i förhållande till en annan. Det ser ut ungefär så här.

Det vill säga att kemisk bindningsenergi omvandlas till mekanisk energi. Här är verkliga exempel på proteiner som använder ATP för att göra arbete.

Möt myosin. Motorprotein. Den förflyttar stora intracellulära formationer och deltar i muskelkontraktion. Observera att den har två "ben". Genom att använda energin som lagras i 1 ATP-molekyl, utför den en konformationsförändring, i huvudsak ett steg. Det mest tydliga exemplet på övergången av ATP kemisk energi till mekanisk energi.

Det andra exemplet är Na/K-pumpen. I det första steget binder det tre Na-molekyler och en ATP. Genom att använda energin från ATP ändrar den konformationen och frigör Na från cellen. Det binder sedan två kaliummolekyler och återgår till sin ursprungliga konformation och överför kalium till cellen. Detta är extremt viktigt, det låter dig bibehålla normala intracellulära Na-nivåer.

Men seriöst alltså:

Paus. Varför behöver vi ATP? Varför kan vi inte använda energin som lagras i glukos direkt? Det är banalt att om du oxiderar glukos till CO2 på en gång, kommer en extremt stor mängd energi att frigöras omedelbart. Och det mesta kommer att försvinna som värme. Därför är reaktionen uppdelad i steg. Var och en frigör lite energi, den lagras och reaktionen fortsätter tills ämnet är helt oxiderat.

Låt mig sammanfatta. Energi lagras i fetter och kolhydrater. Det kan utvinnas snabbare från kolhydrater, men mer kan lagras i fett. För att utföra reaktioner använder cellen högenergiföreningar där energin för nedbrytning av fetter, kolhydrater etc. lagras... ATP är den huvudsakliga sådan föreningen i cellen. I princip, ta det och använd det. Dock inte den enda. Men mer om det senare.

P.S. Jag försökte förenkla materialet så mycket som möjligt, så det fanns några felaktigheter. Jag ber nitiska biologer att förlåta mig.

Taggar: Lägg till taggar