ATP là chất mang năng lượng chính trong tế bào.Để thực hiện bất kỳ biểu hiện nào của hoạt động quan trọng của tế bào, năng lượng là cần thiết. Sinh vật tự dưỡng nhận năng lượng ban đầu từ mặt trời trong các phản ứng quang hợp, trong khi sinh vật dị dưỡng sử dụng các hợp chất hữu cơ từ thức ăn làm nguồn năng lượng. Năng lượng được tế bào lưu trữ trong các liên kết hóa học của các phân tử ATP ( adenosine triphosphate), là một nucleotit bao gồm ba nhóm photphat, một phần cặn đường (ribose) và một phần dư bazơ nitơ (adenin).

Liên kết giữa các dư lượng phốt phát được gọi là liên kết vĩ mô, vì khi nó bị đứt, một lượng lớn năng lượng sẽ được giải phóng. Thông thường, tế bào chiết xuất năng lượng từ ATP bằng cách chỉ loại bỏ nhóm photphat đầu cuối. Trong trường hợp này, ADP (adenosine diphosphate), axit photphoric được hình thành và giải phóng 40 kJ / mol.

Các phân tử ATP đóng vai trò như con chip thương lượng năng lượng chung của tế bào. Chúng được đưa đến vị trí của một quá trình sử dụng nhiều năng lượng, cho dù đó là quá trình tổng hợp bằng enzym của các hợp chất hữu cơ, hoạt động của protein vận động phân tử hoặc protein vận chuyển màng, v.v ... Quá trình tổng hợp ngược lại các phân tử ATP được thực hiện bằng cách gắn một nhóm photphat. để ADP với sự hấp thụ năng lượng. Việc dự trữ năng lượng dưới dạng ATP của tế bào được thực hiện trong quá trình phản ứng chuyển hóa năng lượng. Nó liên quan chặt chẽ đến quá trình chuyển hóa nhựa, trong đó tế bào sản xuất các hợp chất hữu cơ cần thiết cho hoạt động của nó.

Sự trao đổi chất và năng lượng trong tế bào (trao đổi chất).

Trao đổi chất là tổng thể của tất cả các phản ứng chuyển hóa nhựa và năng lượng, liên kết với nhau. Trong tế bào, quá trình tổng hợp carbohydrate, chất béo phức tạp và axit nucleic diễn ra liên tục. Một trong những quá trình quan trọng nhất trong quá trình chuyển hóa nhựa là sinh tổng hợp protein. Quá trình tổng hợp các hợp chất trong quá trình phản ứng trao đổi nhựa luôn tiêu tốn năng lượng và tiến hành với sự tham gia không thể thiếu của ATP.

Một trong những nguồn năng lượng để hình thành ATP là sự phân hủy của enzym các hợp chất hữu cơ xâm nhập vào tế bào (protein, chất béo và carbohydrate). Quá trình này giải phóng năng lượng, được lưu trữ trong ATP. Sự phân tách của glucose đóng một vai trò đặc biệt trong quá trình chuyển hóa năng lượng của tế bào. Đường này được tổng hợp do phản ứng quang hợp và có thể tích tụ trong tế bào dưới dạng polysaccharid: tinh bột và glycogen. Khi cần thiết, polysaccharid bị phá vỡ, và các phân tử glucose trải qua một loạt các biến đổi liên tiếp.

Giai đoạn đầu tiên, được gọi là đường phân, diễn ra trong tế bào chất của tế bào và không cần oxy. Kết quả của các phản ứng liên tiếp có sự tham gia của các enzym, glucose bị phân hủy thành hai phân tử axit pyruvic. Trong trường hợp này, có hai phân tử ATP tham gia và năng lượng giải phóng trong quá trình phân tách các liên kết hóa học đủ để tạo ra bốn phân tử ATP. Kết quả là, năng lượng của quá trình đường phân là nhỏ và tương đương với hai phân tử ATP:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 4 O 3 + 4H + + 2ATP

Trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy), các biến đổi tiếp theo liên quan đến các loại lên men.

Mọi người biết lên men lactic(làm chua sữa), diễn ra do hoạt động của nấm và vi khuẩn axit lactic. Cơ chế tương tự như quá trình đường phân, chỉ khác là sản phẩm cuối cùng ở đây là axit lactic. Kiểu lên men này diễn ra trong các tế bào bị thiếu oxy, ví dụ như ở các cơ hoạt động mạnh. gần với sữa lên men rượu. Sự khác biệt duy nhất là các sản phẩm của quá trình lên men rượu là rượu etylic và khí cacbonic.

Giai đoạn tiếp theo, trong đó axit pyruvic bị oxy hóa thành carbon dioxide và nước, được gọi là hô hấp tế bào. Các phản ứng liên quan đến hô hấp diễn ra trong ti thể của tế bào động thực vật và chỉ khi có oxy. Trong môi trường bên trong của ti thể, một số biến đổi hóa học diễn ra để tạo ra sản phẩm cuối cùng - cacbon đioxit. Đồng thời, ở các giai đoạn khác nhau của quá trình này, các sản phẩm phân hủy trung gian của chất ban đầu được hình thành với sự loại bỏ các nguyên tử hydro. Đến lượt mình, các nguyên tử hydro tham gia vào một số phản ứng hóa học khác, kết quả của chúng là giải phóng năng lượng và sự “bảo toàn” của nó trong các liên kết hóa học của ATP và sự hình thành các phân tử nước. Rõ ràng là để liên kết chính xác các nguyên tử hydro bị tách ra thì cần có oxy. Chuỗi biến đổi hóa học này khá phức tạp và xảy ra với sự tham gia của màng trong của ti thể, enzym và protein mang.

Hô hấp tế bào đạt hiệu quả cực cao. Tổng hợp năng lượng của 30 phân tử ATP xảy ra, hai phân tử nữa được hình thành trong quá trình đường phân, và sáu phân tử ATP được hình thành do sự biến đổi các sản phẩm đường phân trên màng ty thể. Tổng cộng, kết quả của quá trình oxy hóa một phân tử glucose, 38 phân tử ATP được hình thành:

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

Ti thể trải qua giai đoạn cuối cùng của quá trình oxy hóa không chỉ đường, mà còn các hợp chất hữu cơ khác - protein và lipid. Những chất này được sử dụng bởi các tế bào, chủ yếu là khi nguồn cung cấp carbohydrate kết thúc. Đầu tiên, chất béo được tiêu thụ, trong quá trình oxy hóa, năng lượng được giải phóng nhiều hơn so với lượng carbohydrate và protein tương đương. Vì vậy, chất béo ở động vật là nguồn năng lượng “dự trữ chiến lược” chính. Ở thực vật, tinh bột đóng vai trò dự trữ năng lượng. Khi được lưu trữ, nó chiếm nhiều không gian hơn đáng kể so với một lượng chất béo tương đương năng lượng. Đối với thực vật, đây không phải là một trở ngại, vì chúng bất động và không mang theo chất dự trữ trên mình, giống như động vật. Bạn có thể chiết xuất năng lượng từ carbohydrate nhanh hơn nhiều so với từ chất béo. Protein thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong cơ thể, do đó chúng chỉ tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng khi nguồn đường và chất béo cạn kiệt, ví dụ như trong thời gian đói kéo dài.

Quang hợp. Quang hợp là một quá trình trong đó năng lượng của ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng của các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ. Trong tế bào thực vật, các quá trình liên quan đến quang hợp diễn ra trong lục lạp. Bên trong bào quan này có hệ thống màng trong đó các sắc tố được nhúng vào để thu năng lượng bức xạ của mặt trời. Sắc tố chính của quang hợp là chất diệp lục, hấp thụ chủ yếu màu xanh lam và tím, cũng như các tia màu đỏ của quang phổ. Ánh sáng xanh lục bị phản xạ, vì vậy bản thân chất diệp lục và các bộ phận thực vật chứa nó có màu xanh lục.

Phân biệt chất diệp lục một, b, c, d, công thức có sự khác biệt nhỏ. Một trong những chính là chất diệp lục. một Không có nó, quang hợp là không thể. Các chất diệp lục còn lại, được gọi là chất phụ trợ, có thể thu nhận ánh sáng có bước sóng hơi khác so với chất diệp lục. một, làm mở rộng quang phổ hấp thụ ánh sáng trong quá trình quang hợp. Các carotenoid cũng đóng vai trò tương tự, nhận biết lượng tử ánh sáng xanh lam và xanh lục. Ở các nhóm sinh vật thực vật khác nhau, sự phân bố các chất diệp lục bổ sung không giống nhau, được sử dụng trong phân loại học.

Thực tế thu nhận và chuyển đổi năng lượng bức xạ xảy ra trong pha sáng. Khi hấp thụ lượng tử ánh sáng, diệp lục chuyển sang trạng thái kích thích và trở thành chất cho điện tử. Các điện tử của nó được chuyển từ phức hợp protein này sang phức hợp protein khác dọc theo chuỗi vận chuyển điện tử. Các protein của chuỗi này, giống như sắc tố, tập trung ở màng trong của lục lạp. Khi một electron đi qua chuỗi hạt tải điện, nó sẽ mất năng lượng, năng lượng này được sử dụng để tổng hợp ATP.

Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời trong lục lạp, các phân tử nước cũng bị tách ra - quang phân, trong khi các điện tử xuất hiện để bù đắp cho sự mất mát của chúng nhờ diệp lục; như một sản phẩm phụ, tạo ra oxy.

Vì vậy, ý nghĩa chức năng của pha sáng nằm trong quá trình tổng hợp ATP và NADP · H bằng cách chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.

Trong tất cả các sắc tố thu nhận lượng tử ánh sáng, chỉ có diệp lục một có khả năng chuyển electron cho chuỗi vận chuyển. Các sắc tố còn lại trước hết chuyển năng lượng của các electron bị kích thích bởi ánh sáng đến diệp lục một, và chuỗi phản ứng của pha sáng được mô tả ở trên đã bắt đầu từ đó.

Để thực hiện pha tối Quang hợp không cần ánh sáng. Bản chất của các quá trình diễn ra ở đây là các phân tử thu được trong pha sáng được sử dụng trong một loạt các phản ứng hóa học “cố định” CO 2 ở dạng cacbohydrat. Tất cả các phản ứng của pha tối được thực hiện bên trong lục lạp, và các chất được giải phóng trong quá trình "cố định" carbon dioxide một lần nữa được sử dụng trong các phản ứng của pha sáng.

Phương trình quang hợp tổng thể là:

6CO 2 + 6H 2 O - → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Mối quan hệ và sự thống nhất của các quá trình trao đổi chất dẻo và năng lượng. Các quá trình tổng hợp ATP xảy ra trong tế bào chất (đường phân), trong ti thể (hô hấp tế bào) và trong lục lạp (quang hợp). Tất cả các phản ứng diễn ra trong các quá trình này đều là phản ứng trao đổi năng lượng. Năng lượng dự trữ dưới dạng ATP được sử dụng trong các phản ứng trao đổi nhựa để sản xuất protein, chất béo, carbohydrate và axit nucleic cần thiết cho hoạt động sống của tế bào. Lưu ý rằng pha tối của quá trình quang hợp là một chuỗi phản ứng trao đổi chất dẻo và pha sáng là năng lượng.

Hơn một tỷ năm đã trôi qua từ khi xuất hiện các sinh vật đơn bào cho đến “phát minh” ra nhân tế bào và sự ra đời của một số phát kiến ​​khác. Chỉ khi đó, con đường mới mở ra cho những sinh vật đa bào đầu tiên, nơi phát sinh ra ba giới động vật, thực vật và nấm. Các nhà khoa học châu Âu đã đưa ra một lời giải thích mới cho sự biến đổi này, điều này trái ngược với những ý tưởng đã tồn tại cho đến nay.

Người ta thường chấp nhận rằng lúc đầu các tế bào hạt nhân hoàn hảo hơn được sinh ra từ sinh vật nhân sơ, dựa trên các cơ chế năng lượng cũ, và chỉ những tân binh sau này mới có được các ti thể. Sinh vật nhân chuẩn sau này được giao một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa hơn nữa của sinh vật nhân chuẩn, nhưng không phải là vai trò của nền tảng nằm ở chính nền tảng của nó.

“Chúng tôi đã chỉ ra rằng tùy chọn đầu tiên sẽ không hoạt động. Martin giải thích để phát triển sự phức tạp của tế bào, nó cần có ty thể. “Giả thuyết của chúng tôi bác bỏ quan điểm truyền thống rằng quá trình chuyển đổi sang tế bào nhân thực chỉ cần những đột biến thích hợp,” Lane nhắc lại ông.

Chúng phát triển cùng nhau, trong khi nội bộ dần dần mài dũa một kỹ năng - tổng hợp ATP. Tế bào bên trong giảm kích thước và chuyển một số gen thứ cấp của nó vào nhân. Vì vậy, ty thể chỉ giữ lại phần DNA ban đầu mà chúng cần để hoạt động như một “nhà máy điện sống”.

Ti thể bên trong tế bào (màu xanh lục huỳnh quang). Insets: Martin (trái) và Lane. Chi tiết về nghiên cứu mới có thể được tìm thấy trong bài báo trên Nature và thông cáo báo chí của UCL (ảnh của Douglas Kline, molvol.de, nick-lane.net).

Sự xuất hiện của ti thể về mặt năng lượng có thể được so sánh với việc phát minh ra tên lửa sau xe đẩy, bởi vì các tế bào hạt nhân trung bình có thể tích lớn hơn một nghìn lần so với các tế bào không có nhân.

Có vẻ như phần sau cũng có thể phát triển về kích thước và độ phức tạp của thiết bị (có những ví dụ nổi bật riêng biệt ở đây). Nhưng trên con đường này, những sinh vật nhỏ bé có một lợi thế: khi chúng phát triển về mặt hình học, tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích giảm nhanh chóng.

Trong khi đó, các tế bào đơn giản tạo ra năng lượng với sự trợ giúp của một lớp màng bao bọc chúng. Vì vậy, trong một tế bào nhân sơ lớn có thể có nhiều chỗ cho các gen mới, nhưng nó chỉ đơn giản là không có đủ năng lượng để tổng hợp protein theo những “chỉ dẫn” này.

Sự gia tăng đơn giản các nếp gấp của màng ngoài không đặc biệt cứu vãn tình hình (mặc dù các tế bào như vậy đã được biết đến). Với phương pháp tăng công suất này, số lỗi trong hoạt động của hệ thống năng lượng cũng tăng lên. Các phân tử không mong muốn tích tụ trong tế bào có thể phá hủy nó.

Số lượng ty thể (được hiển thị bằng màu đỏ) trong một tế bào thay đổi từ một bản sao (chủ yếu ở sinh vật nhân thực đơn bào) đến hai nghìn (ví dụ, trong tế bào gan người) (hình minh họa của Odra Noel).

Ti thể là một phát minh sáng giá của tự nhiên. Bằng cách tăng số lượng của chúng, có thể tăng tiềm năng năng lượng của tế bào mà không làm phát triển bề mặt bên ngoài của nó. Hơn nữa, mỗi ty thể cũng có sẵn các cơ chế kiểm soát và sửa chữa.

Và một điểm cộng khác của sự đổi mới: DNA ty thể nhỏ và rất kinh tế. Nó không yêu cầu nhiều tài nguyên để sao chép nó. Nhưng vi khuẩn, để tăng khả năng năng lượng của chúng, chỉ có thể tạo ra nhiều bản sao của toàn bộ bộ gen của chúng. Nhưng sự phát triển như vậy nhanh chóng dẫn đến sự bế tắc về năng lượng.

So sánh năng lượng của các tế bào khác nhau và sơ đồ của chúng. a) - prokaryote trung bình ( Escherichia), b) là một prokaryote rất lớn ( Thiomargarita) và (c) eukaryote giữa ( Euglena).
Biểu đồ hiển thị (từ trên xuống dưới): công suất (watt) trên mỗi gam tế bào (d), công suất (femtowatts) trên mỗi gen (e) và công suất (picowatts) trên mỗi bộ gen đơn bội (f) (hình minh họa của Nick Lane, William Martin / Tự nhiên).

Các tác giả của công trình đã tính toán rằng về mặt lý thuyết, tế bào nhân thực trung bình có thể mang số gen nhiều hơn 200.000 lần so với vi khuẩn bình thường. Sinh vật nhân chuẩn có thể được coi như một thư viện với số lượng lớn các giá sách - hãy lấp đầy nó với những cuốn sách phù hợp với trái tim bạn. Chà, một bộ gen mở rộng hơn là cơ sở để cải thiện hơn nữa cấu trúc của tế bào và sự trao đổi chất của nó, sự xuất hiện của các mạch điều hòa mới.

Tất cả các sinh vật sống, ngoại trừ vi rút, đều được tạo thành từ các tế bào. Chúng cung cấp tất cả các quy trình cần thiết cho sự sống của động thực vật. Bản thân tế bào có thể là một sinh vật riêng biệt. Và làm thế nào một cấu trúc phức tạp như vậy có thể sống mà không có năng lượng? Dĩ nhiên là không. Vậy việc cung cấp năng lượng cho tế bào diễn ra như thế nào? Nó dựa trên các quy trình mà chúng ta sẽ thảo luận dưới đây.

Cung cấp năng lượng cho tế bào: nó xảy ra như thế nào?

Rất ít tế bào nhận năng lượng từ bên ngoài, chúng tự sản sinh ra. có "trạm" của riêng họ. Và nguồn năng lượng trong tế bào là ti thể - cơ quan sản xuất ra nó. Đó là quá trình hô hấp tế bào. Do đó, các tế bào được cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, chúng chỉ có ở thực vật, động vật và nấm. Ti thể không có trong tế bào vi khuẩn. Vì vậy, ở chúng, việc cung cấp năng lượng cho tế bào chủ yếu do quá trình lên men chứ không phải do hô hấp.

Cấu trúc của ti thể

Đây là một organoid hai màng xuất hiện trong tế bào nhân thực trong quá trình tiến hóa do nó hấp thụ một tế bào nhỏ hơn. Điều này có thể giải thích thực tế là ti thể chứa DNA và RNA của chính chúng, cũng như ribosome ty thể sản xuất protein cần thiết cho các bào quan.

Màng trong có các lỗ phát triển ra ngoài được gọi là cristae, hoặc các đường gờ. Trên màng tế bào diễn ra quá trình hô hấp tế bào.

Những gì bên trong hai màng được gọi là ma trận. Nó chứa các protein, enzyme cần thiết để tăng tốc độ phản ứng hóa học, cũng như RNA, DNA và ribosome.

Hô hấp tế bào là cơ sở của sự sống

Nó diễn ra trong ba giai đoạn. Hãy xem xét từng chi tiết hơn.

Giai đoạn đầu tiên là chuẩn bị

Trong giai đoạn này, các hợp chất hữu cơ phức tạp được chia thành các hợp chất đơn giản hơn. Do đó, protein phân hủy thành axit amin, chất béo thành axit cacboxylic và glycerol, axit nucleic thành nucleotide, và carbohydrate thành glucose.

đường phân

Đây là giai đoạn thiếu khí. Nó nằm trong thực tế là các chất thu được trong giai đoạn đầu tiên bị phá vỡ thêm. Các nguồn năng lượng chính mà tế bào sử dụng ở giai đoạn này là các phân tử glucose. Mỗi trong số chúng trong quá trình đường phân sẽ phân hủy thành hai phân tử pyruvate. Điều này xảy ra trong mười phản ứng hóa học liên tiếp. Do năm đầu tiên, glucose được phosphoryl hóa và sau đó tách thành hai phosphotrioses. Năm phản ứng sau đây tạo ra hai phân tử và hai phân tử PVC (axit pyruvic). Năng lượng của tế bào được lưu trữ dưới dạng ATP.

Toàn bộ quá trình đường phân có thể được đơn giản hóa như sau:

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

Do đó, sử dụng một phân tử glucose, hai phân tử ADP và hai axit photphoric, tế bào nhận được hai phân tử ATP (năng lượng) và hai phân tử axit pyruvic, chúng sẽ sử dụng trong bước tiếp theo.

Giai đoạn thứ ba là quá trình oxy hóa

Bước này chỉ xảy ra khi có oxy. Các phản ứng hóa học của bước này diễn ra trong ti thể. Đây là phần chính trong đó năng lượng được giải phóng nhiều nhất. Ở giai đoạn này, phản ứng với oxy, nó phân hủy thành nước và carbon dioxide. Ngoài ra, 36 phân tử ATP được hình thành trong quá trình này. Vì vậy, chúng ta có thể kết luận rằng các nguồn năng lượng chính trong tế bào là glucose và axit pyruvic.

Tổng hợp tất cả các phản ứng hóa học và bỏ qua các chi tiết, chúng ta có thể biểu diễn toàn bộ quá trình hô hấp tế bào bằng một phương trình đơn giản:

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

Như vậy, trong quá trình hô hấp, từ một phân tử glucose, sáu phân tử oxy, ba mươi tám phân tử ADP và cùng một lượng axit photphoric, tế bào nhận được 38 phân tử ATP, dưới dạng năng lượng được dự trữ.

Sự đa dạng của các enzym ti thể

Tế bào nhận năng lượng cho sự sống thông qua quá trình hô hấp - quá trình oxy hóa glucose, và sau đó là axit pyruvic. Tất cả các phản ứng hóa học này không thể diễn ra nếu không có enzym - chất xúc tác sinh học. Chúng ta hãy xem xét những gì có trong ti thể - bào quan chịu trách nhiệm cho quá trình hô hấp tế bào. Tất cả chúng được gọi là các chất oxy hóa, vì chúng cần thiết để đảm bảo xảy ra các phản ứng oxy hóa khử.

Tất cả các sản phẩm oxy hóa có thể được chia thành hai nhóm:

• oxydaza;
• dehydrogenase;

Lần lượt, các dehydrogenase được chia thành hiếu khí và kỵ khí. Thực phẩm hiếu khí chứa coenzyme riboflavin, mà cơ thể nhận được từ vitamin B2. Các dehydrogenase hiếu khí chứa các phân tử NAD và NADP dưới dạng coenzyme.

Các oxydase đa dạng hơn. Trước hết, chúng được chia thành hai nhóm:

• những loại có chứa đồng;
• những loại có chứa sắt.

Loại thứ nhất bao gồm polyphenol oxidase, ascorbate oxidase, loại thứ hai - catalase, peroxidase, cytochromes. Đến lượt mình, nhóm thứ hai được chia thành bốn nhóm:

• các tế bào nhiễm sắc thể a;
• nhiễm sắc thể b;
• nhiễm sắc thể c;
• các tế bào sinh dục (cytochromes) d.

Các cytochromes a chứa sắt formylporphyrin, cytochromes b chứa sắt protoporphyrin, c chứa mesoporphyrin sắt thay thế, và d chứa sắt dihydroporphyrin.

Có những cách nào khác để lấy năng lượng không?

Trong khi hầu hết các tế bào có được nó thông qua hô hấp tế bào, cũng có những vi khuẩn kỵ khí không cần oxy để tồn tại. Chúng tạo ra năng lượng cần thiết thông qua quá trình lên men. Đây là một quá trình trong đó, với sự trợ giúp của các enzym, carbohydrate bị phân hủy mà không có sự tham gia của oxy, do đó tế bào nhận được năng lượng. Có một số kiểu lên men phụ thuộc vào sản phẩm cuối cùng của các phản ứng hóa học. Nó có thể là axit lactic, rượu, butyric, axeton-butan, axit xitric.

Ví dụ, hãy xem xét Nó có thể được diễn đạt như sau:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Tức là vi khuẩn phân hủy một phân tử glucoza thành một phân tử rượu etylic và hai phân tử ôxít cacbon (IV).

Các con đường thông thường của quá trình dị hóa

http://biokhimija.ru/obshhwie-puti-katabolizma/razobshhiteli-ingibitory.html

Sự trao đổi chất là gì?

Sự trao đổi chất là một hoạt động tế bào có mục đích và được phối hợp cao, được cung cấp bởi sự tham gia của nhiều hệ thống enzym liên kết với nhau, và bao gồm hai quá trình không thể tách rời đồng hóa và dị hóa.

Nó thực hiện ba chức năng chuyên biệt:

1. Năng lượng cung cấp năng lượng hóa học cho tế bào

2. Nhựa- tổng hợp các đại phân tử như các khối xây dựng,

3. Riêng- tổng hợp và phân hủy các phân tử sinh học cần thiết để thực hiện các chức năng tế bào cụ thể.

Đồng hóa

Đồng hóa là quá trình sinh tổng hợp protein, polysaccharid, lipid, axit nucleic và các đại phân tử khác từ các phân tử tiền chất nhỏ. Vì nó đi kèm với một sự phức tạp của cấu trúc, nó đòi hỏi năng lượng. Nguồn của năng lượng đó là năng lượng của ATP.

Chu trình NADP-NADPH

Ngoài ra, để sinh tổng hợp một số chất (axit béo, cholesterol), cần có các nguyên tử hydro giàu năng lượng - nguồn của chúng là NADPH. Các phân tử NADPH được hình thành trong các phản ứng oxy hóa glucose-6-phosphate theo con đường pentose và oxaloacetate bởi enzyme malic. Trong các phản ứng đồng hóa, NADPH tặng các nguyên tử hydro của nó cho các phản ứng tổng hợp và bị oxy hóa thành NADP. Đây là cách nó được hình thành NADP-NADPH-đi xe đạp.

Dị hóa

Dị hóa là sự phân hủy và oxy hóa các phân tử hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm cuối cùng đơn giản hơn. Đi kèm với nó là sự giải phóng năng lượng chứa trong cấu trúc phức tạp của các chất. Phần lớn năng lượng được giải phóng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Một phần nhỏ hơn của năng lượng này bị "chặn" bởi các coenzyme của các phản ứng oxy hóa. Ở TRÊN và HAM MÊ, một số trong số đó được sử dụng ngay lập tức để tổng hợp ATP.

Cần lưu ý rằng các nguyên tử hydro được giải phóng trong phản ứng oxy hóa của các chất có thể được tế bào sử dụng chỉ theo hai cách:

· Trên đồng hóa phản ứng trong thành phần NADPH.

· Trên Sự hình thành ATP trong ty thể trong quá trình oxy hóa NADH và FADN 2.

Tất cả quá trình dị hóa có điều kiện được chia thành ba giai đoạn:

Xảy ra trong ruột(tiêu hóa thức ăn) hoặc trong lysosome trong quá trình phân hủy các phân tử vốn đã không cần thiết. Trong trường hợp này, khoảng 1% năng lượng chứa trong phân tử được giải phóng. Nó tản ra dưới dạng nhiệt.

Các chất được hình thành trong quá trình thủy phân nội bào hoặc thâm nhập vào tế bào từ máu thường được chuyển đổi ở giai đoạn thứ hai thành axit pyruvic, một nhóm acetyl (như một phần của acetyl-S-CoA) và thành một số phân tử hữu cơ nhỏ khác. Bản địa hóa giai đoạn thứ hai - dịch bào và ty thể.

Một phần năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt và khoảng 13% năng lượng của chất bị hấp thụ, tức là được lưu trữ dưới dạng liên kết macroergic của ATP.

Sơ đồ các con đường chung và cụ thể của quá trình dị hóa

Tất cả các phản ứng của giai đoạn này đi đến ty thể. Acetyl-SCoA tham gia vào các phản ứng của chu trình axit tricarboxylic và bị oxy hóa thành carbon dioxide. Các nguyên tử hydro được giải phóng kết hợp với NAD và FAD và khôi phục chúng. Sau đó, NADH và FADH 2 chuyển hydro đến chuỗi các enzym hô hấp nằm trên màng trong của ti thể. Đây, là kết quả của một quá trình được gọi là " oxy hóa phosphoryl nước được tạo thành và sản phẩm chính của quá trình oxy hóa sinh học là ATP.

Một phần năng lượng của phân tử được giải phóng ở giai đoạn này bị tiêu tán dưới dạng nhiệt, và khoảng 46% năng lượng của chất ban đầu được đồng hóa, tức là được lưu trữ trong các liên kết của ATP và GTP.

Vai trò của ATP

Năng lượng giải phóng trong các phản ứng dị hóa, được lưu trữ dưới dạng trái phiếu được gọi là macroergic. Phân tử chính và phổ quát có chức năng lưu trữ năng lượng và nếu cần thiết, cho nó đi là ATP.

Tất cả các phân tử ATP trong tế bào liên tục tham gia vào bất kỳ phản ứng nào, liên tục bị phá vỡ thành ADP và tái tạo trở lại.

Có ba cách chính sử dụng ATP

Quá trình sinh tổng hợp các chất

vận chuyển các chất qua màng

thay đổi hình dạng của tế bào và chuyển động của nó.

Các quá trình này cùng với quá trình giáo dục ATP được đặt tên Chu trình ATP:

Sự lưu thông của ATP trong hoạt động sống của tế bào

ATP đến từ đâu trong tế bào?

Cách để lấy năng lượng trong tế bào

Có bốn quá trình chính trong tế bào đảm bảo giải phóng năng lượng từ các liên kết hóa học trong quá trình oxy hóa các chất và quá trình lưu trữ của nó:

1. Glycolysis (giai đoạn 2 của quá trình oxy hóa sinh học) - quá trình oxy hóa một phân tử glucose thành hai phân tử axit pyruvic, với sự hình thành của 2 phân tử ATP và NADH. Hơn nữa, axit pyruvic được chuyển đổi thành acetyl-SCoA trong điều kiện hiếu khí và thành axit lactic trong điều kiện kỵ khí.

2. β-Quá trình oxy hóa axit béo (giai đoạn 2 của quá trình oxy hóa sinh học) - quá trình oxy hóa axit béo thành acetyl-SCoA, các phân tử được hình thành ở đây NADH và FADN 2. Các phân tử ATP "ở dạng tinh khiết" không xuất hiện.

3. Chu trình axit triacboxylic (CTC, giai đoạn 3 của quá trình oxy hóa sinh học) - sự oxy hóa nhóm acetyl (như một phần của acetyl-SCoA) hoặc các axit keto khác thành carbon dioxide. Phản ứng đầy đủ chu kỳ kèm theo sự hình thành của 1 phân tử GTP(tương đương với một ATP), 3 phân tử NADH và 1 phân tử FADN 2.

4. Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa (giai đoạn 3 của quá trình oxy hóa sinh học) - NADH và FADH 2 bị oxy hóa, thu được trong các phản ứng dị hóa glucose, axit amin và axit béo. Đồng thời, các enzim của chuỗi hô hấp trên màng trong của ti thể cung cấp cho sự hình thành lớn hơn các phần của tế bào ATP.

Hai cách để tổng hợp ATP

Cách chính để có được ATP trong tế bào là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, xảy ra trong cấu trúc của màng trong của ti thể. Đồng thời, năng lượng của các nguyên tử hydro của các phân tử NADH và FADH 2 được hình thành trong quá trình đường phân, TCA và quá trình oxy hóa axit béo được chuyển thành năng lượng của các liên kết ATP.

Tuy nhiên, cũng có một cách khác để phosphoryl hóa ADP thành ATP - phosphoryl hóa cơ chất. Phương pháp này liên quan đến việc chuyển macroergic phosphate hoặc năng lượng của liên kết macroergic của một chất (chất nền) đến ADP. Những chất này bao gồm các chất chuyển hóa của quá trình đường phân ( Axit 1,3-diphosphoglyceric, phosphoenolpyruvate), chu trình axit tricacboxylic ( succinyl-SCoA) và creatine phốt phát. Năng lượng thủy phân liên kết macroergic của chúng cao hơn 7,3 kcal / mol trong ATP, và vai trò của các chất này bị giảm xuống việc sử dụng năng lượng này để phosphoryl hóa phân tử ADP thành ATP.

NĂNG LƯỢNG CỦA TẾ BÀO SỐNG

Các quá trình quan trọng xác định sự khác biệt giữa bản chất hữu hình và vô tri xảy ra ở cấp độ tế bào. Sự chuyển động của các electron đóng một vai trò quyết định trong quá trình chuyển hóa và truyền năng lượng trong tế bào sống. Nhưng năng lượng không có cách nào bắt nguồn từ chính các tế bào: nó đến từ bên ngoài. Các cơ chế phân tử đặc biệt chỉ làm chậm chuyển động của nó hàng chục nghìn lần, cho phép các phân tử khác sử dụng một phần năng lượng này để thực hiện công việc hữu ích cho tế bào. Năng lượng chưa được nạp ra môi trường bên ngoài dưới dạng nhiệt. Tatyana Vasilyevna POTAPOVA, Nhà nghiên cứu hàng đầu tại N.I. MỘT. Belozersky, Tiến sĩ Khoa học Sinh học.

Những đứa con của mặt trời

Vũ trụ chứa đầy năng lượng, nhưng chỉ có một số loại năng lượng thích hợp cho các sinh vật sống. Nguồn năng lượng chính cho phần lớn các quá trình sinh học trên hành tinh của chúng ta là ánh sáng mặt trời.

Tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống, nó liên tục hoạt động để duy trì cấu trúc, do đó cần được cung cấp năng lượng tự do liên tục. Về mặt công nghệ, không dễ để cô ấy giải quyết một vấn đề như vậy, vì tế bào sống phải sử dụng năng lượng ở nhiệt độ không đổi (và hơn nữa, khá thấp) trong môi trường nước loãng. Trong quá trình tiến hóa, trải qua hàng trăm triệu năm, các cơ chế phân tử thanh lịch và hoàn hảo đã được hình thành, có thể hoạt động với hiệu quả bất thường trong điều kiện rất ôn hòa. Kết quả là, hiệu quả của năng lượng tế bào cao hơn nhiều so với bất kỳ thiết bị kỹ thuật nào do con người phát minh ra.

Máy biến thế năng lượng tế bào là phức hợp của các protein đặc biệt được nhúng trong màng sinh học. Bất kể năng lượng tự do xâm nhập vào tế bào từ bên ngoài trực tiếp với lượng tử ánh sáng (trong quá trình quang hợp) hay là kết quả của quá trình oxy hóa các sản phẩm thực phẩm bằng oxy trong khí quyển (trong quá trình hô hấp), nó bắt đầu chuyển động của các electron. Kết quả là, các phân tử adenosine triphosphate (ATP) được tạo ra và sự khác biệt về điện thế điện hóa trên các màng sinh học tăng lên.

ATP và điện thế màng là hai nguồn năng lượng tương đối tĩnh cho tất cả các loại công việc nội bào. Hãy nhớ lại rằng phân tử adenosine triphosphate là một quá trình thu nhận tiến hóa rất có giá trị. Năng lượng khai thác từ nguồn bên ngoài được lưu trữ dưới dạng "liên kết năng lượng cao" giữa các nhóm photphat. ATP rất sẵn lòng hiến tặng các nhóm photphat của nó cho nước hoặc cho các phân tử khác, vì vậy nó là chất trung gian không thể thiếu để chuyển năng lượng hóa học.

hiện tượng điện

trong năng lượng tế bào

Cơ chế tạo ra ATP vẫn là một bí ẩn trong nhiều năm, cho đến khi người ta phát hiện ra rằng quá trình này thực chất là điện. Trong cả hai trường hợp: cả đối với chuỗi hô hấp (một tập hợp các protein thực hiện quá trình oxy hóa chất nền bằng oxy) và đối với một dòng thác quang hợp tương tự, một dòng proton được tạo ra qua màng mà các protein được nhúng vào. Dòng điện cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp ATP, đồng thời cũng là nguồn năng lượng cho một số loại công việc. Trong năng lượng sinh học hiện đại, người ta thường coi ATP và dòng điện proton (chính xác hơn là thế năng proton) là những đơn vị tiền tệ năng lượng thay thế và có thể chuyển đổi lẫn nhau. Một số tính năng được thanh toán bằng một loại tiền tệ, một số tính năng khác.

© T.V. Potapova

Đến giữa TK XX. các nhà hóa sinh học đã biết chắc chắn rằng ở vi khuẩn và ty thể, các điện tử di chuyển từ chất nền có thể khử thành ôxy thông qua một dòng các chất mang điện tử được gọi là chuỗi hô hấp. Bí ẩn là cách thức chuyển điện tử và tổng hợp ATP được kết hợp với nhau. Trong hơn 10 năm, hy vọng khám phá bí mật lại bùng lên và vụt tắt. Vai trò quyết định không phải do việc khắc phục những khó khăn về kỹ thuật, mà bởi sự phát triển khái niệm. Sự liên hợp hóa ra, về nguyên tắc, không phải là hóa học, mà là điện. Năm 1961, nhà khoa học người Anh P. Mitchell đã công bố trên tạp chí "Nature" một ý tưởng cấp tiến để giải quyết bí ẩn sinh hóa của thế kỷ: giả thuyết hóa trị. Ý tưởng của Mitchell là một sự thay đổi mô hình thực sự mang tính cách mạng, một sự chuyển đổi của khuôn khổ khái niệm, và ban đầu đã gây tranh cãi.

Năm 1966, Mitchell viết cuốn sách đầu tiên của mình, Chemiosmotic Coupling in Oxidative and Quangynthetic Phosphorylation. Cùng năm đó, các nhà khoa học Nga, nhà lý sinh E. Lieberman và nhà hóa sinh V. Skulachev, đã tìm ra cách thực nghiệm để xác nhận tính đúng đắn của Mitchell. Với sự trợ giúp của các ion tổng hợp xuyên qua màng sinh học, họ đã chỉ ra rằng quá trình hô hấp và quá trình phosphoryl hóa thực sự được liên kết thông qua điện thế proton. A. Bulychev, V. Andrianov, G. Kurella và F. Litvin, các nhà lý sinh từ Khoa Sinh học của Đại học Tổng hợp Moscow, đã thực hiện một bước quan trọng khác để ủng hộ Mitchell. Sử dụng vi điện cực, họ đã ghi nhận sự hình thành của sự chênh lệch điện thế xuyên màng khi các lục lạp lớn được chiếu sáng.

Thêm vài năm tranh chấp và kiểm tra tỉ mỉ trong các phòng thí nghiệm khác nhau trên thế giới - và ý tưởng của Mitchell cuối cùng đã được công nhận. Ông đã được nhận vào Hiệp hội Hoàng gia Anh (và theo đó, trở thành một ngài), nhận được nhiều giải thưởng quốc tế danh giá, và năm 1978 được trao giải Nobel, trái với truyền thống, lần này được trao không phải cho việc phát hiện ra một hiện tượng mới, nhưng để đoán về sự tồn tại của nó.

Chuỗi vận chuyển điện tử hóa ra không chỉ được kết nối với màng, mà còn được kết nối với nó theo cách mà khi một điện tử di chuyển từ chất nền đến ôxy, proto-

chúng ta di chuyển từ bề mặt bên trong ra bên ngoài. Màng tạo thành một bong bóng kín không cho proton đi qua tốt, do đó, kết quả của việc "bơm ra" proton, một sự khác biệt về điện thế được tạo ra qua màng: độ âm điện bên trong. Đồng thời, pH tăng lên: môi trường bên trong bong bóng trở nên kiềm. Các proton bên ngoài có điện thế điện hóa cao hơn nhiều so với bên trong, như thể chịu "áp lực" từ cả điện thế và gradient pH, đẩy các proton trở lại qua màng vào bong bóng. Một tế bào sống sử dụng năng lượng của các proton như vậy để thực hiện nhiều loại công việc khác nhau.

Những tiến bộ đáng chú ý trong phân tích nhiễu xạ tia X của protein đã giúp chúng ta có thể nhìn thấy cấu trúc không gian hoàn chỉnh của các phức hợp protein riêng lẻ tạo nên chuỗi hô hấp. Các protein chuỗi vận chuyển điện tử khu trú trong màng ti thể có thể thay đổi phổ hấp thụ của chúng bằng cách nhận và cho điện tử. Các phương pháp kính hiển vi giúp bạn có thể theo dõi trình tự chuyển điện tử dọc theo chuỗi protein và tìm ra vị trí cụ thể nào của năng lượng tự do của điện tử được sử dụng để tổng hợp ATP.

Theo ý tưởng của Mitchell, năng lượng điện được sử dụng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphate trong màng ty thể. Do đó, nếu sự chênh lệch điện thế qua màng bị loại bỏ, có thể cho rằng quá trình tổng hợp sẽ dừng lại. Chính hiệu ứng này đã được chứng minh trong quá trình thí nghiệm trên màng nhân tạo bằng cách sử dụng các ion tổng hợp đặc biệt, làm tăng mạnh độ dẫn điện của màng đối với proton. một

Một trong những bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về tính đúng đắn của giả thuyết Mitchell đã thu được ở nước ta ở | 1970 dưới sự chỉ đạo của E.A. Lieberman * và V.P. Skulachev. Các ion tổng hợp được sử dụng làm chất chỉ thị cho sự thay đổi của điện trường trên màng I, khác nhau về bản chất và dấu hiệu điện tích, nhưng giống nhau ở một điểm: | chúng đều dễ dàng xuyên qua màng phospholipid. Sau nhiều lần thử = thí nghiệm thanh lịch sau mô hình đã phát triển.

Một giọt photpholipit hòa tan trong dung môi hữu cơ được đưa đến một lỗ nhỏ trên tấm Teflon, và ngay lập tức nó được bao phủ bởi một màng hai phân tử phẳng - một màng nhân tạo. Một tấm Teflon có màng nhân tạo được nhúng vào một bình chứa chất điện phân, chia thành hai ngăn với điện cực đo riêng ở mỗi ngăn. Nó vẫn là để xây dựng một protein có khả năng tạo ra điện vào màng nhân tạo và thêm các ion thâm nhập vào chất điện phân. Sau đó, hoạt động của bộ tạo protein, làm thay đổi sự chênh lệch điện thế qua màng, sẽ dẫn đến sự di chuyển của các ion xuyên qua màng phospholipid, chúng sẽ được ghi lại là sự thay đổi chênh lệch điện thế giữa các ngăn.

Một mô hình thí nghiệm thậm chí còn thuyết phục hơn, cho phép đo trực tiếp dòng điện được tạo ra bởi các bào quan tế bào và các protein riêng lẻ, đã được L.A phát triển và sử dụng thành công. Drachev, A.A. Kaulen và V.P. Skulachev. Các hạt tạo ra dòng điện (ti thể, tế bào sắc tố của vi khuẩn, hoặc các túi lipid với các protein riêng lẻ được nhúng trong chúng) buộc phải bám vào một màng nhân tạo phẳng. Sau đó, dòng proton do các phân tử máy phát tạo ra khi phản ứng với một tia sáng hoặc việc bổ sung các chất nền hóa học thích hợp được phát hiện trực tiếp bằng cách đo các điện cực trên cả hai mặt của màng nhân tạo.

Năm 1973 W. Stockenius và D. Osterhelt

0 từ Hoa Kỳ đã phát hiện ra một loại protein nhạy cảm với ánh sáng bất thường trong màng của violet-j: vi khuẩn sống trong hồ muối

1 rah của sa mạc California. Protein này, giống như sắc tố thị giác của mắt động vật - rhodopsin, chứa một dẫn xuất của vitamin A - retinal, mà nó được đặt tên là vi khuẩn * bacteriorhodopsin. Các nhà khoa học Mỹ Wrecker và Stockenius 1 đã chứng minh một cách trang nhã sự tham gia của dopsin bacteriorho-G trong quá trình liên hợp năng lượng. Bằng cách kết hợp protein cảm nhận ánh sáng mới được phát hiện của vi khuẩn màu tím với = ATP synthase trong màng phospholipid mô hình, họ thu được một quần thể phân tử có khả năng tổng hợp ATP khi ánh sáng được bật.

Cuối năm 1973, Viện sĩ Yu.A. Ovchinnikov đã tổ chức dự án "Rhodopsin" để nghiên cứu so sánh các sắc tố cảm quang của động vật và vi khuẩn. Trong khuôn khổ dự án trong phòng thí nghiệm của V.P. Skulachev tại Đại học Tổng hợp Moscow trong các thí nghiệm mô hình trên màng nhân tạo, người ta đã chứng minh được rằng bacteriorhodopsin là chất tạo ra dòng điện protein. được xây dựng trong