Един от най-сложните въпроси е образуването, натрупването и разпределението на енергията в клетката.

Как една клетка произвежда енергия?В края на краищата тя няма нито ядрен реактор, нито електроцентрала, нито парен котел, дори и най-малкият. Температурата вътре в клетката е постоянна и много ниска - не повече от 40 °. И въпреки това клетките обработват такова количество вещества и толкова бързо, че всеки съвременен комбинат би им завидял.

как става това Защо получената енергия остава в клетката, а не се отделя под формата на топлина? Как една клетка съхранява енергия? Преди да се отговори на тези въпроси, трябва да се каже, че енергията, влизаща в клетката, не е механична или електрическа, а химическа енергия, съдържаща се в органичните вещества. В този момент влизат в действие законите на термодинамиката. Ако енергията се съдържа в химичните съединения, то тя трябва да се освободи при изгарянето им и за общия топлинен баланс няма значение дали те изгарят веднага или постепенно. Клетката избира втория път.

За простота, нека сравним клетката с "електрическа централа". Специално за инженерите добавяме, че "електростанцията" на клетката е топлинна. Сега нека предизвикаме представителите на енергийната индустрия на състезание: кой ще получи повече енергия от гориво и ще го използва по-икономично - клетка или която и да е, най-икономичната топлоелектрическа централа?

В процеса на еволюция клетката създава и усъвършенства своята "електроцентрала". Природата се е погрижила за всички негови части. Клетката съдържа "гориво", "мотор-генератор", "регулатори на мощността", "трансформаторни подстанции" и "преносни линии за високо напрежение". Нека да видим как изглежда всичко.

Основното "гориво", изгаряно от клетката, са въглехидратите. Най-простите от тях са глюкозата и фруктозата.

От ежедневната медицинска практика е известно, че глюкозата е основно хранително вещество. При тежко недохранени пациенти се прилага интравенозно, директно в кръвния поток.

По-сложните захари също се използват като енергийни източници. За такъв материал може да служи например обикновената захар, която има научното наименование "захароза" и се състои от 1 молекула глюкоза и 1 молекула фруктоза. При животните гликогенът е гориво, полимер, състоящ се от молекули глюкоза, свързани във верига. В растенията има вещество, подобно на гликогена - това е добре познатото нишесте. И гликогенът, и нишестето са резервни вещества. И двете се отлагат за черни дни. Нишестето обикновено се намира в подземните части на растението, като грудки, като тези на картофите. В клетките на пулпата на листата на растенията също има много нишесте (под микроскоп нишестените зърна блестят като малки парчета лед).

Гликогенът се натрупва при животните в черния дроб и се използва оттам при необходимост.

Всички по-сложни от глюкозата, захарите трябва да бъдат разградени на техните оригинални „градивни елементи“ – глюкозни молекули преди консумация. Има специални ензими, които разрязват като ножица дългите вериги от нишесте и гликоген на отделни мономери - глюкоза и фруктоза.

При липса на въглехидрати растенията могат да използват органични киселини в своята "пещ" - лимонена, ябълчена и др.

Покълналите маслодайни семена консумират мазнини, които първо се разграждат и след това се превръщат в захар. Това се вижда от факта, че с изразходването на мазнините в семената съдържанието на захар се увеличава.

И така, видовете гориво са изброени. Но е нерентабилно клетката да я изгори веднага.

Захарите се изгарят в клетката химически. Нормалното изгаряне е комбинацията на гориво с кислород, неговото окисляване. Но за окисление, веществото не трябва да се свързва с кислород - то се окислява, когато електроните се отнемат от него под формата на водородни атоми. Този вид окисление се нарича дехидрогениране("хидрос" - водород). Захарите съдържат много водородни атоми и те се разделят не всички наведнъж, а на свой ред. Окисляването в клетката се осъществява от набор от специални ензими, които ускоряват и насочват процеса на окисление. Този набор от ензими и строгата последователност на тяхната работа са в основата на генератора на клетъчна енергия.

Процесът на окисление в живите организми се нарича дишане, така че по-долу ще използваме този по-разбираем израз. Вътреклетъчното дишане, наречено така по аналогия с физиологичния процес на дишане, е тясно свързано с него. По-нататък ще говорим повече за процесите на дишане.

Нека продължим сравнението на клетка с електроцентрала. Сега трябва да намерим в него онези части от електроцентралата, без които тя ще работи на празен ход. Ясно е, че енергията, получена от изгарянето на въглехидрати и мазнини, трябва да бъде доставена на потребителя. Това означава, че е необходима клетъчна „преносна линия с високо напрежение“. За обикновена електроцентрала това е сравнително просто - високоволтови проводници се изтеглят над тайгата, степите, реките и чрез тях се доставя енергия на заводи и фабрики.

Клетката има и свой собствен, универсален "жица за високо напрежение". Само в него енергията се предава химически и, разбира се, химическо съединение служи като „жица“. За да разберем принципа на неговата работа, въвеждаме малко усложнение в работата на електроцентралата. Да приемем, че енергията от линия с високо напрежение не може да бъде доставена на потребителя по проводници. В този случай ще бъде най-лесно да зареждате електрически батерии от линия с високо напрежение, да ги транспортирате до потребителя, да транспортирате използваните батерии обратно и т.н. В енергийния сектор това, разбира се, е нерентабилно. Подобен метод на клетка е много полезен.

Като батерия в клетката се използва съединение, което е универсално за почти всички организми - аденозинтрифосфорна киселина (вече говорихме за това).

За разлика от енергията на други фосфоетерни връзки (2-3 килокалории), енергията на свързване на крайните (особено крайните) фосфатни остатъци в АТФ е много висока (до 16 килокалории); така се нарича тази връзка макроергичен».

АТФ се намира в тялото навсякъде, където е необходима енергия. Синтезът на различни съединения, работата на мускулите, движението на камшичетата в протозоите - АТФ носи енергия навсякъде.

"Зареждането" на АТФ в клетката става по следния начин. Аденозин дифосфорната киселина - АДФ (АТФ без 1 фосфорен атом) е подходяща за мястото на освобождаване на енергия. Когато енергията може да се свърже, ADP се комбинира с фосфора, който е в големи количества в клетката, и "загражда" енергията в тази връзка. Сега имаме нужда от транспорт. Състои се от специални ензими - фосфоферази ("фера" - нося), които при поискване "грабват" АТФ и го пренасят до мястото на действие. След това идва ред на последния, последен "блок на електроцентралата" - понижаващи трансформатори. Те трябва да намалят напрежението и да дадат вече безопасен ток на консуматора. Тази роля се изпълнява от същите фосфоферази. Прехвърлянето на енергия от АТФ към друго вещество се извършва на няколко етапа. Първо, АТФ се комбинира с това вещество, след това настъпва вътрешно пренареждане на фосфорните атоми и накрая комплексът се разпада - АДФ се отделя и богатият на енергия фосфор остава „висящ“ върху новото вещество. Новото вещество се оказва много по-нестабилно поради излишъка на енергия и е способно на различни реакции.

В. Н. Селуянов, В. А. Рибаков, М. П. Шестаков

Глава 1

1.1.3. Клетъчна биохимия (енергия)

Процесите на мускулна контракция, предаване на нервен импулс, синтез на протеини и т.н. са свързани с енергийни разходи. Клетките използват енергия само под формата на АТФ. Освобождаването на енергията, съдържаща се в АТФ, се осъществява благодарение на ензима АТФаза, който присъства във всички места на клетката, където е необходима енергия. Тъй като енергията се освобождава, се образуват молекули ADP, F, N. Ресинтезът на АТФ се извършва главно поради доставката на CRF. Когато CrF отделя енергията си за ресинтеза на АТФ, се образуват Cr и F. Тези молекули се разпространяват през цитоплазмата и активират ензимната активност, свързана със синтеза на АТФ. Има два основни начина за образуване на АТФ: анаеробен и аеробен (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988 и др.).

анаеробен пътили анаеробна гликолизасвързани с ензимни системи, разположени върху мембраната на саркоплазмения ретикулум и в саркоплазмата. Когато Kr и F се появят до тези ензими, се стартира верига от химични реакции, по време на които гликогенът или глюкозата се разлагат до пируват с образуването на ATP молекули. Молекулите на АТФ незабавно предават енергията си за ресинтеза на CRP, а АДФ и F отново се използват в гликолизата за образуване на нова молекула на АТФ. Пируватът има две възможности за преобразуване:

1) Превръща се в ацетил коензим А, претърпява окислително фосфорилиране в митохондриите, за да образува въглероден диоксид, вода и молекули на АТФ. Този метаболитен път - гликоген-пируват-митохондрии-въглероден диоксид и вода - се нарича аеробна гликолиза.

2) С помощта на ензима LDH M (лактат дехидрогеназа от мускулен тип), пируватът се превръща в лактат. Този метаболитен път - гликоген-пируват-лактат - се нарича анаеробна гликолизаи се придружава от образуване и натрупване на водородни йони.

аеробика,или окислително фосфорилиране, свързано с митохондриалната система. Когато Cr и F се появят близо до митохондриите с помощта на митохондриална CPKase, възниква ресинтез на CrF поради ATP, образуван в митохондриите. ADP и P се връщат в митохондриите, за да образуват нова ATP молекула. Има два метаболитни пътя за синтез на АТФ:

1) аеробна гликолиза;
2) окисляване на липиди (мазнини).

Аеробните процеси са свързани с абсорбцията на водородни йони, а в бавните мускулни влакна (MF на сърцето и диафрагмата) преобладава ензимът LDH H (лактат дехидрогеназа от сърдечен тип), който по-интензивно превръща лактата в пируват. Следователно, по време на функционирането на бавните мускулни влакна (SMF), има бързо елиминиране на лактатни и водородни йони.

Увеличаването на лактат и H в MW води до инхибиране на окислението на мазнините, а интензивното окисление на мазнини води до натрупване на цитрат в клетката и инхибира гликолизните ензими.

Въведение

1.1

Здравейте всички! Исках да посветя тази статия на клетъчното ядро ​​и ДНК. Но преди това трябва да се докоснем до това как клетката съхранява и използва енергия (благодаря). Почти навсякъде ще засегнем въпроси, свързани с енергията. Нека първо да ги разгледаме.

От какво можете да получите енергия? Да на всичко! Растенията използват светлинна енергия. Някои бактерии също. Тоест, органичните вещества се синтезират от неорганични вещества поради светлинна енергия. + Има хемотрофи. Те синтезират органични вещества от неорганични, като използват енергията на окисление на амоняк, сероводород и други вещества. И има ти и аз. Ние сме хетеротрофи. Кои са те? Това са тези, които не знаят как да синтезират органични вещества от неорганични. Тоест хемосинтезата и фотосинтезата, това не е за нас. Взимаме готова органична материя (ядем я). Ние го разглобяваме на части и или го използваме като строителен материал, или го унищожаваме за енергия.
Какво точно можем да анализираме за енергия? Протеини (първо ги разделя на аминокиселини), мазнини, въглехидрати и етилов алкохол (но това не е задължително). Тоест всички тези вещества могат да се използват като енергийни източници. Но за да го съхраняваме, ние използваме мазнини и въглехидрати. Обичам въглехидрати! Гликогенът е основният запас от въглехидрати в нашето тяло.

Състои се от остатъци от глюкоза. Тоест, това е дълга, разклонена верига, състояща се от еднакви връзки (глюкоза). Ако имаме нужда от енергия, отделяме едно парче от края на веригата и чрез окисляването му получаваме енергия. Този метод за получаване на енергия е характерен за всички клетки на тялото, но има особено много гликоген в клетките на черния дроб и мускулната тъкан.

Сега нека поговорим за мазнините. Съхранява се в специални клетки на съединителната тъкан. Името им е адипоцити. Всъщност това са клетки с огромно количество мазнини вътре.

Ако е необходимо, тялото извлича мазнини от тези клетки, частично ги разгражда и транспортира. На мястото на доставка настъпва окончателното разделяне с освобождаване и трансформация на енергия.

Доста популярен въпрос: "Защо не може цялата енергия да се съхранява като мазнини или гликоген?"
Тези енергийни източници имат различни цели. От гликогена може да се получи енергия доста бързо. Разцепването му започва почти веднага след началото на мускулната работа, достигайки пик за 1-2 минути. Разграждането на мазнините протича с няколко порядъка по-бавно. Тоест, ако спите или бавно ходите някъде - имате постоянен разход на енергия и той може да бъде осигурен чрез разграждане на мазнините. Но веднага щом решите да ускорите (сървърите паднаха, хукнаха да го вземат), ще трябва да го направите много енергияи не можете да го получите бързо чрез разделяне на мазнините. Тук се нуждаем от гликоген.

Има още една важна разлика. Гликогенът свързва много вода. Приблизително 3 g вода на 1 g гликоген. Тоест за 1 кг гликоген това вече са 3 кг вода. Не е оптимално... С мазнините е по-лесно. Липидните молекули (мазнини=липиди), в които се съхранява енергия, не са заредени, за разлика от молекулите на водата и гликогена. Такива молекули се наричат ​​хидрофобни (буквално, страх от вода). Молекулите на водата са поляризирани. Ето как изглежда.

По същество положително заредените водородни атоми взаимодействат с отрицателно заредените кислородни атоми. Получава се стабилно и енергийно благоприятно състояние.
Сега си представете липидните молекули. Те не са заредени и не могат нормално да взаимодействат с поляризирани водни молекули. Следователно смес от липиди с вода е енергийно неизгодна. Липидните молекули не са в състояние да адсорбират вода, както прави гликогенът. Те се "скупчват" в така наречените липидни капки, обградени от мембрана от фосфолипиди (едната им страна е заредена и е обърната към водата отвън, другата е незаредена и гледа към липидите на капката). В резултат на това имаме стабилна система, която ефективно съхранява липидите и нищо повече.

Добре, разбрахме формите, в които се съхранява енергията. Какво се случва с нея след това? Тук отделяме молекула глюкоза от гликоген. Превърна го в енергия. Какво означава?
Нека направим малко отклонение.

Всяка секунда в една клетка протичат около 1 000 000 000 реакции. По време на реакция едно вещество се трансформира в друго. Какво се случва тогава с вътрешната му енергия? Тя може да намалее, да се увеличи или да остане непроменена. Ако намалее -> освобождава се енергия. Ако се увеличи -> трябва да вземете енергия отвън. Тялото обикновено комбинира такива реакции. Тоест енергията, освободена по време на една реакция, се използва за извършване на втората.

Така че в тялото има специални съединения, макроерги, които са способни да натрупват и пренасят енергия по време на реакцията. В състава им има една или няколко химични връзки, в които се натрупва тази енергия. Сега можем да се върнем към глюкозата. Енергията, освободена по време на неговия разпад, ще се съхранява във връзките на тези макроерги.

Да вземем пример.

Най-разпространеният макроерг (енергийна валута) на клетката е АТФ (аденозин трифосфат).

Изглежда така.

Състои се от азотната основа аденин (една от 4-те, използвани за кодиране на информация в ДНК), рибозна захар и три остатъка от фосфорна киселина (и следователно аденозин трифосфат). Именно във връзките между остатъците от фосфорна киселина се съхранява енергия. С елиминирането на един остатък от фосфорна киселина се образува ADP (аденозин дифосфат). ADP може да освободи енергия, като разцепи друг остатък и се превърне в AMP (аденозин монофосфат). Но ефективността на отделения втори остатък е много по-ниска. Следователно, обикновено тялото се стреми да получи отново АТФ от АДФ. Случва се така. По време на разграждането на глюкозата освободената енергия се изразходва за образуването на връзка между два остатъка от фосфорна киселина и образуването на АТФ. Процесът е многоетапен и засега ще го пропуснем.

Полученият АТФ е универсален източник на енергия. Използва се във всичко - от протеиновия синтез (необходима е енергия за комбиниране на аминокиселини) до мускулната работа. Моторните протеини, които извършват мускулна контракция, използват енергията, съхранявана в АТФ, за да променят своята конформация. Конформационната промяна е преориентиране на една част от голяма молекула спрямо друга. Изглежда така.

Тоест енергията на химичната връзка се преобразува в механична енергия. Ето реални примери за протеини, които използват АТФ, за да вършат работата си.

Запознайте се, това е миозин. двигателен протеин. Той осъществява движението на големи вътреклетъчни образувания и участва в мускулната контракция. Моля, имайте предвид, че има два "крака". Използвайки енергията, съхранявана в 1 ATP молекула, той извършва една конформационна промяна, всъщност една стъпка. Най-показателният пример за преобразуване на химическата енергия на АТФ в механична.

Вторият пример е Na/K помпата. На първия етап той свързва три Na молекули и една ATP. Използвайки енергията на АТФ, той променя своята конформация, изхвърляйки Na извън клетката. След това свързва две калиеви молекули и, връщайки се в първоначалната си конформация, пренася калия в клетката. Това е изключително важно, което ви позволява да поддържате нивото на вътреклетъчния Na в нормата.

Но сериозно, тогава:

Пауза. Защо се нуждаем от АТФ? Защо не можем да използваме директно енергията, съхранявана в глюкозата? Банално, ако окислите глюкозата до CO2 наведнъж, незабавно ще се освободи изключително голямо количество енергия. И по-голямата част от него ще се разсее като топлина. Следователно реакцията е разделена на етапи. При всеки се отделя малко енергия, тя се съхранява и реакцията продължава, докато веществото се окисли напълно.

Нека го обобщя. Енергията се съхранява в мазнини и въглехидрати. Можете да го извлечете по-бързо от въглехидрати, но можете да съхранявате повече в мазнини. За извършване на реакции клетката използва високоенергийни съединения, в които се съхранява енергията на разграждането на мазнини, въглехидрати и т.н. ... ATP е основното такова съединение в клетката. Всъщност вземете го и го използвайте. Въпреки това, не единственият. Но повече за това по-късно.

P.S. Опитах се да опростя максимално материала, така че се появиха някои неточности. Моля ревностните биолози да ми простят.

Тагове: Добавете тагове

Всички живи организми, с изключение на вирусите, са изградени от клетки. Те осигуряват всички процеси, необходими за живота на растение или животно. Самата клетка може да бъде отделен организъм. И как може такава сложна структура да живее без енергия? Разбира се, че не. И така, как се осъществява енергийното снабдяване на клетките? Тя се основава на процесите, които ще разгледаме по-долу.

Осигуряване на клетките с енергия: как се случва?

Малко клетки получават енергия отвън, те сами я произвеждат. имат свои собствени "станции". А източникът на енергия в клетката са митохондриите – органелата, която я произвежда. Това е процес на клетъчно дишане. Благодарение на него клетките се снабдяват с енергия. Те обаче присъстват само в растенията, животните и гъбите. Митохондриите отсъстват в бактериалните клетки. Следователно при тях осигуряването на клетките с енергия се дължи главно на процесите на ферментация, а не на дишане.

Структурата на митохондриите

Това е двумембранен органоид, появил се в еукариотната клетка по време на еволюцията в резултат на усвояването й от по-малък.Това може да обясни факта, че митохондриите съдържат собствена ДНК и РНК, както и митохондриални рибозоми, които произвеждат протеини, необходими за органели.

Вътрешната мембрана има израстъци, наречени кристи или гребени. На кристалите протича процесът на клетъчно дишане.

Това, което е вътре в двете мембрани, се нарича матрица. Съдържа протеини, ензими, необходими за ускоряване на химичните реакции, както и РНК, ДНК и рибозоми.

Клетъчното дишане е в основата на живота

Провежда се на три етапа. Нека разгледаме всеки от тях по-подробно.

Първият етап е подготвителен

По време на този етап сложните органични съединения се разграждат на по-прости. Така протеините се разграждат на аминокиселини, мазнините на карбоксилни киселини и глицерол, нуклеиновите киселини на нуклеотиди и въглехидратите на глюкоза.

гликолиза

Това е аноксичният стадий. Това се крие във факта, че веществата, получени по време на първия етап, се разграждат допълнително. Основните източници на енергия, които клетката използва на този етап, са молекулите на глюкозата. Всеки от тях в процеса на гликолиза се разлага до две молекули пируват. Това се случва по време на десет последователни химични реакции. Благодарение на първите пет, глюкозата се фосфорилира и след това се разделя на две фосфотриози. Следните пет реакции произвеждат две молекули и две молекули PVC (пирувинова киселина). Енергията на клетката се съхранява под формата на АТФ.

Целият процес на гликолиза може да се опрости, както следва:

2NAD + 2ADP + 2H 3 RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2 НАД. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Така, използвайки една молекула глюкоза, две молекули ADP и две фосфорна киселина, клетката получава две молекули АТФ (енергия) и две молекули пирогроздена киселина, които ще използва в следващата стъпка.

Третият етап е окисление

Тази стъпка се извършва само в присъствието на кислород. Химичните реакции на този етап протичат в митохондриите. Това е основната част, по време на която се отделя най-много енергия. На този етап, реагирайки с кислорода, той се разпада на вода и въглероден диоксид. Освен това в този процес се образуват 36 ATP молекули. И така, можем да заключим, че основните източници на енергия в клетката са глюкозата и пирогроздената киселина.

Обобщавайки всички химични реакции и пропускайки подробностите, можем да изразим целия процес на клетъчно дишане с едно опростено уравнение:

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

Така по време на дишането от една молекула глюкоза, шест молекули кислород, тридесет и осем молекули ADP и същото количество фосфорна киселина клетката получава 38 молекули АТФ, под формата на които се съхранява енергия.

Разнообразие от митохондриални ензими

Клетката получава енергия за живот чрез дишане - окисление на глюкоза, а след това и пирогроздена киселина. Всички тези химични реакции не биха могли да протичат без ензими – биологични катализатори. Нека да разгледаме тези, които са в митохондриите - органелите, отговорни за клетъчното дишане. Всички те се наричат ​​оксидоредуктази, тъй като са необходими за осигуряване на протичането на редокс реакции.

Всички оксидоредуктази могат да бъдат разделени на две групи:

• оксидази;
• дехидрогенази;

Дехидрогеназите от своя страна се делят на аеробни и анаеробни. Аеробните храни съдържат коензима рибофлавин, който тялото получава от витамин В2. Аеробните дехидрогенази съдържат NAD и NADP молекули като коензими.

Оксидазите са по-разнообразни. На първо място, те са разделени на две групи:

• такива, които съдържат мед;
• тези, които съдържат желязо.

Първите включват полифенолоксидази, аскорбатоксидаза, вторите - каталаза, пероксидаза, цитохроми. Последните от своя страна се делят на четири групи:

• цитохроми а;
• цитохроми b;
• цитохроми c;
• цитохроми d.

Цитохромите a съдържат железен формилпорфирин, цитохромите b съдържат железен протопорфирин, c съдържат заместен железен мезопорфирин и d съдържат железен дихидропорфирин.

Има ли други начини за получаване на енергия?

Докато повечето клетки го получават чрез клетъчно дишане, има и анаеробни бактерии, които не се нуждаят от кислород, за да оцелеят. Те произвеждат необходимата енергия чрез ферментация. Това е процес, при който въглехидратите се разграждат с помощта на ензими без участието на кислород, в резултат на което клетката получава енергия. Има няколко вида ферментация в зависимост от крайния продукт на химичните реакции. Тя може да бъде млечна киселина, алкохол, маслена киселина, ацетон-бутан, лимонена киселина.

Например, помислете, че може да се изрази по следния начин:

C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2

Това означава, че бактерията разгражда една молекула глюкоза на една молекула етилов алкохол и две молекули въглероден оксид (IV).