Một trong những vấn đề phức tạp nhất là sự hình thành, tích tụ và phân phối năng lượng trong tế bào.

Làm thế nào để một tế bào sản xuất năng lượng? Rốt cuộc, nó không có lò phản ứng hạt nhân, cũng không có nhà máy điện, cũng không có lò hơi, dù là lò nhỏ nhất. Nhiệt độ bên trong phòng giam không đổi và rất thấp - không quá 40 °. Và bất chấp điều này, các tế bào xử lý một lượng chất nhanh chóng đến mức bất kỳ sự kết hợp hiện đại nào cũng phải ghen tị với chúng.

Làm thế nào điều này xảy ra? Tại sao năng lượng nhận được vẫn ở trong tế bào, và không được giải phóng dưới dạng nhiệt? Làm thế nào để một tế bào lưu trữ năng lượng? Trước khi trả lời những câu hỏi này, cần phải nói rằng năng lượng đi vào tế bào không phải là năng lượng cơ học hoặc điện năng, mà là năng lượng hóa học chứa trong các chất hữu cơ. Tại thời điểm này, các định luật nhiệt động lực học phát huy tác dụng. Nếu năng lượng được chứa trong các hợp chất hóa học, thì nó phải được giải phóng bằng quá trình đốt cháy của chúng, và đối với sự cân bằng nhiệt tổng thể, không quan trọng là chúng bị đốt cháy ngay lập tức hay dần dần. Ô chọn đường dẫn thứ hai.

Để đơn giản, hãy so sánh tế bào với một "nhà máy điện". Đặc biệt đối với các kỹ sư, chúng tôi nói thêm rằng "nhà máy điện" của tế bào là nhiệt. Bây giờ, hãy thử thách các đại diện của ngành năng lượng trong một cuộc cạnh tranh: ai sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn từ nhiên liệu và sử dụng nó tiết kiệm hơn - tế bào hay bất kỳ nhà máy nhiệt điện nào, tiết kiệm nhất?

Trong quá trình tiến hóa, tế bào đã tạo ra và cải tiến "nhà máy điện" của mình. Thiên nhiên đã chăm sóc tất cả các bộ phận của nó. Ô chứa "nhiên liệu", "động cơ-máy phát", "bộ điều chỉnh điện", "trạm biến áp" và "đường dây tải điện cao thế". Hãy xem tất cả trông như thế nào.

"Nhiên liệu" chính được đốt cháy bởi tế bào là cacbohydrat. Đơn giản nhất trong số đó là glucose và fructose.

Từ thực hành y tế hàng ngày, người ta biết rằng glucose là một chất dinh dưỡng thiết yếu. Ở những bệnh nhân suy dinh dưỡng nghiêm trọng, nó được tiêm tĩnh mạch, trực tiếp vào máu.

Các loại đường phức tạp hơn cũng được sử dụng làm nguồn năng lượng. Ví dụ, đường thông thường, có tên khoa học là "sucrose" và bao gồm 1 phân tử glucose và 1 phân tử fructose, có thể dùng làm nguyên liệu như vậy. Ở động vật, glycogen là nhiên liệu, một loại polymer bao gồm các phân tử glucose liên kết trong một chuỗi. Trong thực vật, có một chất tương tự như glycogen - đây là loại tinh bột được nhiều người biết đến. Cả glycogen và tinh bột đều là chất dự trữ. Cả hai đều được hoãn lại vì một ngày mưa. Tinh bột thường được tìm thấy trong các bộ phận dưới đất của cây, chẳng hạn như củ, như khoai tây. Trong tế bào cùi của lá cây cũng có nhiều tinh bột (soi dưới kính hiển vi, hạt tinh bột lấp lánh như những cục nước đá nhỏ).

Glycogen tích tụ trong gan động vật và được sử dụng từ đó khi cần thiết.

Tất cả đều phức tạp hơn glucose, đường phải được chia nhỏ thành các "khối xây dựng" ban đầu của chúng - các phân tử glucose trước khi tiêu thụ. Có những enzym đặc biệt cắt, giống như kéo, chuỗi dài của tinh bột và glycogen thành các monome riêng biệt - glucose và fructose.

Khi thiếu cacbohydrat, thực vật có thể sử dụng các axit hữu cơ trong "lò" của chúng - xitric, malic, v.v.

Hạt có dầu nảy mầm tiêu thụ chất béo, chất béo này đầu tiên được phân hủy và sau đó chuyển hóa thành đường. Điều này có thể thấy là khi chất béo trong hạt được tiêu thụ, hàm lượng đường tăng lên.

Vì vậy, các loại nhiên liệu được liệt kê. Nhưng nếu đốt ngay cái lồng đó thì không có lãi.

Đường được đốt cháy trong tế bào về mặt hóa học. Quá trình đốt cháy bình thường là sự kết hợp của nhiên liệu với oxy, quá trình oxy hóa của nó. Nhưng đối với quá trình oxy hóa, một chất không cần phải kết hợp với oxy - nó bị oxy hóa khi các điện tử bị lấy đi khỏi nó ở dạng nguyên tử hydro. Loại oxy hóa này được gọi là khử hydro("hydros" - hydro). Đường chứa nhiều nguyên tử hydro, và chúng được tách ra không phải cùng một lúc mà lần lượt được tách ra. Quá trình oxy hóa trong tế bào được thực hiện bởi một tập hợp các enzym đặc biệt giúp đẩy nhanh và chỉ đạo quá trình oxy hóa. Tập hợp các enzym này và trình tự hoạt động nghiêm ngặt của chúng tạo thành nền tảng của bộ tạo năng lượng tế bào.

Quá trình oxy hóa trong cơ thể sống được gọi là quá trình hô hấp, vì vậy chúng ta sẽ sử dụng cách diễn đạt dễ hiểu hơn dưới đây. Hô hấp nội bào, được đặt tên tương tự với quá trình sinh lý của hô hấp, có liên quan chặt chẽ với nó. Chúng ta sẽ nói rõ hơn về các quá trình của quá trình hô hấp ở phần sau.

Hãy tiếp tục so sánh một tế bào với một nhà máy điện. Bây giờ chúng ta cần tìm trong đó những bộ phận của nhà máy điện, nếu không có nó nó sẽ chạy không tải. Rõ ràng là năng lượng thu được từ quá trình đốt cháy cacbohydrat và chất béo phải được cung cấp cho người tiêu dùng. Điều này có nghĩa là cần phải có một “đường truyền điện áp cao” di động. Đối với một nhà máy điện thông thường, điều này tương đối đơn giản - các dây điện cao thế được kéo qua rừng taiga, thảo nguyên, sông ngòi và năng lượng được cung cấp thông qua chúng cho các nhà máy và nhà máy.

Tế bào cũng có "dây điện cao thế" phổ thông của riêng nó. Chỉ trong nó, năng lượng được truyền theo phương pháp hóa học, và tất nhiên, một hợp chất hóa học đóng vai trò như một “sợi dây”. Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của nó, chúng tôi xin giới thiệu một vấn đề nhỏ trong quá trình vận hành nhà máy điện. Giả sử rằng năng lượng từ đường dây cao áp không thể được cung cấp cho người tiêu dùng bằng dây dẫn. Trong trường hợp này, dễ dàng nhất là sạc pin điện từ đường dây cao áp, vận chuyển đến người tiêu dùng, vận chuyển pin đã qua sử dụng trở lại ... Trong lĩnh vực năng lượng, tất nhiên, điều này không có lãi. Một phương pháp tương tự như lồng rất có lợi.

Như một pin trong tế bào, một hợp chất được sử dụng phổ biến cho hầu hết mọi sinh vật - axit adenosine triphosphoric (chúng ta đã nói về nó).

Không giống như năng lượng của các liên kết photphoether khác (2-3 kilocalories), năng lượng liên kết của các gốc photphat ở đầu tận cùng (đặc biệt là cực) trong ATP rất cao (lên đến 16 kilocalories); vì vậy kết nối này được gọi là macroergic».

ATP được tìm thấy trong cơ thể ở bất cứ nơi nào cần năng lượng. Sự tổng hợp các hợp chất khác nhau, hoạt động của các cơ, sự di chuyển của roi trong động vật nguyên sinh - ATP mang năng lượng đi khắp nơi.

Quá trình "sạc" ATP trong tế bào diễn ra như sau. Adenosine diphosphoric acid - ADP (ATP không có 1 nguyên tử photpho) thích hợp cho nơi giải phóng năng lượng. Khi năng lượng có thể được liên kết, ADP kết hợp với phốt pho, có số lượng lớn trong tế bào, và "bất tử" năng lượng vào kết nối này. Bây giờ chúng ta cần phương tiện đi lại. Nó bao gồm các enzym đặc biệt - phosphopherase ("fera" - tôi mang), theo yêu cầu, "lấy" ATP và chuyển nó đến vị trí hoạt động. Tiếp theo là đến lượt của "đơn vị nhà máy điện" cuối cùng - máy biến áp bậc thang. Họ phải hạ điện áp và cung cấp một dòng điện đã an toàn cho người tiêu dùng. Vai trò này được thực hiện bởi các phosphopherase giống nhau. Việc chuyển năng lượng từ ATP sang chất khác được thực hiện qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên, ATP kết hợp với chất này, sau đó xảy ra sự sắp xếp lại bên trong các nguyên tử phốt pho, và cuối cùng, phức hợp bị phá vỡ - ADP bị tách ra, và phốt pho giàu năng lượng vẫn "treo" trên chất mới. Chất mới hóa ra không bền hơn nhiều do dư thừa năng lượng và có khả năng xảy ra nhiều phản ứng khác nhau.

V. N. Seluyanov, V. A. Rybakov, M. P. Shestakov

Chương 1

1.1.3. Hóa sinh tế bào (năng lượng)

Các quá trình co cơ, truyền xung thần kinh, tổng hợp protein, v.v. đi kèm với chi phí năng lượng. Tế bào chỉ sử dụng năng lượng dưới dạng ATP. Việc giải phóng năng lượng có trong ATP được thực hiện nhờ vào enzym ATPase, enzym này có ở tất cả các vị trí cần cung cấp năng lượng của tế bào. Khi năng lượng được giải phóng, các phân tử ADP, F, N. được hình thành. Quá trình tổng hợp ATP được thực hiện chủ yếu do sự cung cấp CRF. Khi CrF nhường năng lượng cho quá trình tổng hợp ATP, Cr và F được hình thành, các phân tử này lan truyền qua tế bào chất và kích hoạt hoạt động của enzym liên quan đến tổng hợp ATP. Có hai cách hình thành ATP chính: kỵ khí và hiếu khí (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988, v.v.).

con đường kỵ khí hoặc đường phân kỵ khí liên kết với các hệ thống enzim nằm trên màng của lưới cơ chất và trong cơ quan. Khi Kr và F xuất hiện bên cạnh các enzym này, một chuỗi phản ứng hóa học được khởi động, trong đó glycogen hoặc glucose bị phân hủy thành pyruvate với sự hình thành các phân tử ATP. Các phân tử ATP ngay lập tức từ bỏ năng lượng của chúng để tái tổng hợp CRP, và ADP và F lại được sử dụng trong quá trình đường phân để tạo thành một phân tử ATP mới. Pyruvate có hai khả năng chuyển đổi:

1) Biến thành Acetyl coenzyme A, trải qua quá trình phosphoryl oxy hóa trong ti thể để tạo thành các phân tử carbon dioxide, nước và ATP. Con đường trao đổi chất này - glycogen-pyruvate-ty thể-carbon dioxide và nước - được gọi là đường phân hiếu khí.

2) Với sự trợ giúp của enzyme LDH M (lactate dehydrogenase loại cơ), pyruvate được chuyển thành lactate. Con đường chuyển hóa này - glycogen-pyruvate-lactate - được gọi là đường phân kỵ khí và kèm theo đó là sự hình thành và tích tụ các ion hydro.

cách hiếu khí, hoặc quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, liên kết với hệ thống ty thể. Khi Cr và F xuất hiện gần ti thể với sự trợ giúp của CPKase ti thể, quá trình tái tổng hợp CrF xảy ra do ATP được hình thành trong ti thể. ADP và P được quay trở lại ty thể để tạo thành phân tử ATP mới. Có hai con đường trao đổi chất để tổng hợp ATP:

1) đường phân hiếu khí;
2) quá trình oxy hóa lipid (chất béo).

Các quá trình hiếu khí có liên quan đến sự hấp thụ các ion hydro, và trong các sợi cơ chậm (MF của tim và cơ hoành), enzyme LDH H (lactate dehydrogenase của loại tim) chiếm ưu thế, giúp chuyển hóa lactate thành pyruvate một cách mạnh mẽ hơn. Do đó, trong quá trình hoạt động của các sợi cơ chậm (SMF), có sự đào thải nhanh chóng các ion lactat và hydro.

Sự gia tăng lactate và H trong MW dẫn đến ức chế quá trình oxy hóa chất béo, và quá trình oxy hóa chất béo tăng cường dẫn đến sự tích tụ của citrate trong tế bào, và nó ức chế các enzym đường phân.

Giới thiệu

1.1

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 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 các liên kết được gọi là macroergic. Phân tử chính và phổ quát dự 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?

Các cách để có 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 bộ phận 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.

ATP là "tiền tệ" năng lượng chung của tế bào. Một trong những "phát minh" đáng kinh ngạc nhất của tự nhiên là các phân tử của những chất được gọi là "macroergic", trong cấu trúc hóa học của chúng có một hoặc nhiều liên kết hoạt động như thiết bị lưu trữ năng lượng. Một số phân tử tương tự đã được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng chỉ một trong số chúng, axit adenosine triphosphoric (ATP), được tìm thấy trong cơ thể con người. Đây là một phân tử hữu cơ khá phức tạp, trong đó có 3 gốc tích điện âm của axit photphoric vô cơ PO được gắn vào. Chính các gốc phốt pho này được liên kết với phần hữu cơ của phân tử bằng các liên kết "macroergic", dễ bị phá hủy trong các phản ứng nội bào khác nhau. Tuy nhiên, năng lượng của các liên kết này không bị tiêu tán trong không gian dưới dạng nhiệt, mà được sử dụng cho chuyển động hoặc tương tác hóa học của các phân tử khác. Nhờ đặc tính này mà ATP thực hiện chức năng của một kho dự trữ năng lượng chung (bộ tích lũy) trong tế bào, cũng như một “đơn vị tiền tệ” chung. Rốt cuộc, hầu hết mọi biến đổi hóa học xảy ra trong tế bào đều hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng năng lượng được hình thành do phản ứng oxy hóa và được lưu trữ dưới dạng ATP bằng lượng năng lượng mà tế bào có thể sử dụng cho các quá trình tổng hợp và thực hiện bất kỳ chức năng nào. . Như một "khoản thanh toán" để có cơ hội thực hiện hành động này hoặc hành động kia, tế bào buộc phải sử dụng nguồn cung cấp ATP. Trong trường hợp này, cần nhấn mạnh rằng phân tử ATP quá lớn nên nó không thể đi qua màng tế bào. Do đó, ATP được tạo ra trong một tế bào không thể được sử dụng bởi một tế bào khác. Mỗi tế bào của cơ thể buộc phải tự tổng hợp ATP cho nhu cầu của mình với số lượng cần thiết để thực hiện các chức năng của nó.

Ba nguồn tái tổng hợp ATP trong các tế bào của cơ thể con người. Rõ ràng, tổ tiên xa xôi của các tế bào của cơ thể người đã tồn tại từ nhiều triệu năm trước, được bao quanh bởi các tế bào thực vật, cung cấp cho chúng quá nhiều carbohydrate, và không có đủ oxy hoặc hoàn toàn không có. Đó là carbohydrate là thành phần được sử dụng nhiều nhất của các chất dinh dưỡng để sản xuất năng lượng trong cơ thể. Và mặc dù hầu hết các tế bào của cơ thể con người đã có được khả năng sử dụng protein và chất béo làm nguyên liệu thô năng lượng, một số tế bào (ví dụ, thần kinh, máu đỏ, giới tính nam) chỉ có thể sản xuất năng lượng do quá trình oxy hóa cacbohydrat. .

Các quá trình ôxy hóa ban đầu của cacbohydrat - hay đúng hơn là glucose, trên thực tế, là chất tạo thành cơ chất chính của quá trình ôxy hóa trong tế bào - xảy ra trực tiếp trong tế bào chất: ở đó có các phức hợp enzyme, do đó phân tử glucose là một phần bị phá hủy, và năng lượng được giải phóng được lưu trữ dưới dạng ATP. Quá trình này được gọi là đường phân, nó có thể diễn ra trong tất cả các tế bào của cơ thể con người mà không có ngoại lệ. Kết quả của phản ứng này, từ một phân tử 6 cacbon của glucose, hai phân tử 3 cacbon của axit pyruvic và hai phân tử ATP được hình thành.

Glycolysis là một quá trình rất nhanh, nhưng tương đối kém hiệu quả. Axit pyruvic được hình thành trong tế bào sau khi hoàn thành các phản ứng đường phân gần như ngay lập tức chuyển thành axit lactic và đôi khi (ví dụ, trong quá trình làm việc nặng nhọc) đi vào máu với số lượng rất lớn, vì đây là một phân tử nhỏ có thể tự do đi qua. màng tế bào. Việc giải phóng ồ ạt các sản phẩm chuyển hóa có tính axit vào máu làm rối loạn cân bằng nội môi và cơ thể phải bật các cơ chế cân bằng nội môi đặc biệt để đối phó với hậu quả của hoạt động cơ bắp hoặc các hoạt động tích cực khác.

Axit pyruvic được hình thành do quá trình đường phân vẫn chứa nhiều năng lượng hóa học tiềm năng và có thể dùng làm chất nền cho quá trình oxy hóa tiếp theo, nhưng điều này cần có các enzym và oxy đặc biệt. Quá trình này xảy ra ở nhiều tế bào có chứa bào quan đặc biệt - ty thể. Bề mặt bên trong của màng ti thể được cấu tạo bởi các phân tử lipid và protein lớn, bao gồm một số lượng lớn các enzym oxy hóa. Bên trong ty thể, các phân tử 3 cacbon được hình thành trong tế bào chất xâm nhập vào - thường đó là axit axetic (axetat). Ở đó, chúng được đưa vào một chu kỳ phản ứng liên tục liên tục, trong đó các nguyên tử cacbon và hydro lần lượt tách ra khỏi các phân tử hữu cơ này, khi kết hợp với oxy, chúng sẽ biến thành carbon dioxide và nước. Trong các phản ứng này, một lượng lớn năng lượng được giải phóng, được lưu trữ dưới dạng ATP. Mỗi phân tử axit pyruvic, đã trải qua một chu trình oxy hóa hoàn toàn trong ti thể, cho phép tế bào thu được 17 phân tử ATP. Như vậy, quá trình oxy hóa hoàn toàn 1 phân tử glucôzơ sẽ cung cấp cho tế bào 2 + 17x2 = 36 phân tử ATP. Điều quan trọng không kém là các axit béo và axit amin, tức là các thành phần của chất béo và protein, cũng có thể được bao gồm trong quá trình oxy hóa ti thể. Nhờ khả năng này, ty thể làm cho tế bào tương đối độc lập với thực phẩm mà cơ thể ăn: trong mọi trường hợp, sẽ thu được lượng năng lượng cần thiết.

Một phần năng lượng được lưu trữ trong tế bào dưới dạng phân tử creatine phosphate (CrP), nhỏ hơn và di động hơn ATP. Chính phân tử nhỏ này có thể nhanh chóng di chuyển từ đầu này sang đầu kia của tế bào - đến nơi cần năng lượng nhất lúc này. Bản thân CrF không thể cung cấp năng lượng cho các quá trình tổng hợp, co cơ hoặc dẫn truyền xung thần kinh: điều này cần có ATP. Nhưng mặt khác, CRF dễ dàng và thực tế mà không mất mát, có thể cung cấp tất cả năng lượng chứa trong nó cho phân tử adenazine diphosphate (ADP), phân tử này ngay lập tức biến thành ATP và sẵn sàng cho các biến đổi sinh hóa tiếp theo.

Do đó, năng lượng tiêu hao trong quá trình hoạt động của tế bào, tức là ATP có thể được đổi mới do ba quá trình chính: đường phân kỵ khí (không có oxy), hiếu khí (với sự tham gia của oxy) oxy hóa ty thể, và cũng do chuyển nhóm phosphate từ CrF sang ADP.

Nguồn creatine phosphate là mạnh nhất, vì phản ứng của CrF với ADP diễn ra rất nhanh. Tuy nhiên, nguồn cung cấp CrF trong tế bào thường ít - ví dụ, cơ bắp có thể hoạt động với nỗ lực tối đa do CrF trong thời gian không quá 6-7 s. Điều này thường là đủ để bắt đầu nguồn năng lượng mạnh thứ hai - glycolytic -. Trong trường hợp này, nguồn dinh dưỡng lớn hơn nhiều lần, nhưng khi công việc tiến triển, sự căng thẳng trong cân bằng nội môi ngày càng tăng do sự hình thành axit lactic, và nếu công việc đó được thực hiện bởi các cơ lớn, nó không thể kéo dài hơn 1,5- 2 phút. Nhưng trong thời gian này, ty thể gần như được kích hoạt hoàn toàn, có khả năng đốt cháy không chỉ glucose, mà còn cả axit béo, nguồn cung cấp cho cơ thể hầu như không cạn kiệt. Do đó, nguồn ti thể hiếu khí có thể hoạt động trong một thời gian rất dài, mặc dù công suất của nó tương đối thấp - ít hơn 2-3 lần so với nguồn glycolytic và 5 lần so với công suất của nguồn creatine phosphate.

Đặc điểm của việc tổ chức sản xuất năng lượng trong các mô khác nhau của cơ thể. Các mô khác nhau có độ bão hòa của ti thể khác nhau. Chúng có ít nhất trong xương và mỡ trắng, nhiều nhất là mỡ nâu, gan và thận. Có khá nhiều ti thể trong tế bào thần kinh. Cơ bắp không có nồng độ ti thể cao, nhưng do thực tế là cơ xương là mô lớn nhất của cơ thể (khoảng 40% trọng lượng cơ thể của một người trưởng thành), nhu cầu của các tế bào cơ sẽ quyết định phần lớn cường độ và chiều hướng của tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng. I.A. Arshavsky gọi đây là "quy luật năng lượng của cơ xương."

Theo tuổi tác, hai thành phần quan trọng của quá trình chuyển hóa năng lượng thay đổi cùng một lúc: tỷ lệ khối lượng của các mô có hoạt động trao đổi chất khác nhau thay đổi, cũng như hàm lượng của các enzym oxy hóa quan trọng nhất trong các mô này. Kết quả là, quá trình chuyển hóa năng lượng trải qua những thay đổi khá phức tạp, nhưng nhìn chung, cường độ của nó giảm dần theo tuổi tác và khá đáng kể.

Hoạt động quan trọng của tế bào đòi hỏi chi phí năng lượng. Các hệ thống sống (sinh vật) nhận nó từ các nguồn bên ngoài, ví dụ, từ Mặt trời (quang dưỡng là thực vật, một số loại động vật nguyên sinh và vi sinh vật), hoặc tự sản sinh ra nó (sinh vật tự dưỡng hiếu khí) do quá trình oxy hóa các chất khác nhau ( chất nền).

Trong cả hai trường hợp, tế bào tổng hợp phân tử ATP năng lượng cao phổ quát (axit adenosine triphosphoric), sự phá hủy phân tử này sẽ giải phóng năng lượng. Năng lượng này được sử dụng để thực hiện tất cả các loại chức năng - vận chuyển tích cực các chất, các quá trình tổng hợp, công việc cơ học, v.v.

Bản thân phân tử ATP khá đơn giản và là một nucleotide bao gồm adenin, đường ribose và ba gốc axit photphoric (Hình.). Trọng lượng phân tử của ATP nhỏ và là 500 dalton. ATP là chất mang và dự trữ năng lượng phổ quát trong tế bào, được chứa trong các liên kết năng lượng cao giữa ba gốc axit photphoric.

công thức cấu trúc công thức không gian

Hình 37. Axit adenosine triphosphoric (ATP)

Màu sắc phân tử ( công thức không gian): trắng - hiđro, đỏ - oxi, xanh lá cây - cacbon, xanh lam - nitơ, đỏ sẫm - photpho

Việc tách chỉ một gốc axit photphoric từ một phân tử ATP đi kèm với việc giải phóng một phần năng lượng đáng kể - khoảng 7,3 kcal.

Quá trình dự trữ năng lượng dưới dạng ATP diễn ra như thế nào? Hãy xem xét điều này trên ví dụ về quá trình oxy hóa (đốt cháy) glucose - một nguồn năng lượng phổ biến để chuyển hóa các liên kết hóa học của ATP thành năng lượng.

Hình 38. Công thức cấu trúc

glucose (hàm lượng trong máu người - 100 mg%)

Quá trình oxy hóa một mol glucozơ (180 g) đi kèm với

được tạo ra bằng cách giải phóng khoảng 690 kcal năng lượng tự do.

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + E (khoảng 690 kcal)

Trong một tế bào sống, lượng năng lượng khổng lồ này không được giải phóng ngay lập tức mà dần dần theo quy trình từng bước và được điều hòa bởi một số enzym oxy hóa. Trong trường hợp này, năng lượng giải phóng không được chuyển thành nhiệt năng như trong quá trình đốt cháy, mà được lưu trữ dưới dạng liên kết hóa học trong phân tử ATP (liên kết macroergic) trong quá trình tổng hợp ATP từ ADP và photphat vô cơ. Quá trình này có thể được so sánh với hoạt động của pin, được sạc từ nhiều máy phát điện khác nhau và có thể cung cấp năng lượng cho nhiều máy móc và thiết bị. Trong tế bào, vai trò của một pin thống nhất được thực hiện bởi hệ thống các axit adenosine-di và tri-phosphoric. Sạc pin adenyl bao gồm sự kết hợp của ADP với photphat vô cơ (phản ứng phosphoryl hóa) và sự hình thành ATP:

ADP + F inorg ATP + H 2 O

Để hình thành chỉ 1 phân tử ATP, cần năng lượng từ bên ngoài vào khoảng 7,3 kcal. Ngược lại, khi ATP bị thủy phân (pin phóng điện), cùng một lượng năng lượng được giải phóng. Việc thanh toán cho năng lượng tương đương này, được gọi là năng lượng sinh học “lượng tử năng lượng sinh học”, đến từ các nguồn lực bên ngoài - nghĩa là chi phí cho các chất dinh dưỡng. Vai trò của ATP trong hoạt động sống của tế bào có thể được biểu diễn như sau:

Chức năng hệ thống năng lượng

tái tích tụ các tế bào đã sử dụng

nguồn năng lượng

Hình 39 Sơ đồ chung về năng lượng tế bào

Quá trình tổng hợp các phân tử ATP xảy ra không chỉ do sự phân hủy carbohydrate (glucose), mà còn cả protein (axit amin) và chất béo (axit béo). Sơ đồ tổng quát của các tầng phản ứng sinh hóa như sau (Hình.).

1. Các giai đoạn ban đầu của quá trình oxy hóa xảy ra trong tế bào chất của tế bào và không cần sự tham gia của oxy. Hình thức oxy hóa này được gọi là oxy hóa kỵ khí, hay đơn giản hơn - đường phân. Cơ chất chính cho quá trình oxy hóa kỵ khí là hexoza, chủ yếu là glucoza. Trong quá trình đường phân xảy ra quá trình oxi hóa không hoàn toàn cơ chất: glucozơ bị phân hủy thành triose (hai phân tử axit pyruvic). Đồng thời, hai phân tử ATP được sử dụng để thực hiện phản ứng trong tế bào, nhưng 4 phân tử ATP cũng được tổng hợp. Tức là, bằng phương pháp đường phân, tế bào chỉ “kiếm được” hai phân tử ATP trong quá trình oxy hóa 1 phân tử glucose. Về mặt hiệu quả năng lượng, điều này

Trong quá trình đường phân, chỉ có 5% năng lượng của các liên kết hóa học trong phân tử glucozơ được giải phóng.

C 6 H 12 O 6 + 2F inorg + 2ADP 2 C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O

Glucose pyruvate

2. Các bộ ba được hình thành trong quá trình đường phân (chủ yếu là axit pyruvic, pyruvate) được sử dụng

được lưu trữ để oxy hóa hiệu quả hơn, nhưng đã có trong bào quan của tế bào - ty thể. Đồng thời, năng lượng tách ra được giải phóng tất cả các liên kết hóa học, dẫn đến tổng hợp một lượng lớn ATP và tiêu thụ oxy.

Hình 40 Sơ đồ chu trình Krebs (axit tricarboxylic) và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa (chuỗi hô hấp)

Các quá trình này gắn liền với chu trình oxy hóa của axit tricarboxylic (từ đồng nghĩa: chu trình Krebs, chu trình axit xitric) và với chuỗi chuyển điện tử từ enzyme này sang enzyme khác (chuỗi hô hấp), khi ATP được hình thành từ ADP bằng cách thêm một lượng dư axit photphoric. (oxy hóa phosphoryl).

Khái niệm " oxy hóa phosphoryl“Xác định sự tổng hợp ATP từ ADP và photphat do năng lượng của quá trình oxy hóa cơ chất (chất dinh dưỡng).

Dưới Quá trình oxy hóa hiểu được sự bứt electron khỏi một chất, tương ứng - sự phục hồi - sự bổ sung electron.

Vai trò của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa đối với con người là gì? Một ý tưởng về điều này có thể được đưa ra bằng cách tính toán sơ bộ sau:

Một người trưởng thành ít vận động tiêu thụ năng lượng khoảng 2800 kcal mỗi ngày với thức ăn. Để thu được một lượng năng lượng như vậy khi thủy phân ATP, cần 2800 / 7,3 \ u003d 384 mol ATP, hay 190 kg ATP. Trong khi người ta biết rằng cơ thể con người chứa khoảng 50 g ATP. Vì vậy, rõ ràng là để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong cơ thể, 50 g ATP này phải được phân chia và tổng hợp lại hàng nghìn lần. Ngoài ra, tốc độ đổi mới ATP trong cơ thể thay đổi tùy thuộc vào trạng thái sinh lý - mức tối thiểu khi ngủ và mức tối đa khi làm việc cơ bắp. Và điều này có nghĩa là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa không chỉ là một quá trình liên tục, mà còn được điều chỉnh trong một phạm vi rộng.

Bản chất của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa là sự kết hợp của hai quá trình, khi một phản ứng oxy hóa bao gồm năng lượng từ bên ngoài (phản ứng dị ứng) mang theo một phản ứng dị ứng khác của sự phosphoryl hóa ADP với photphat vô cơ:

A trong ADP + F n

quá trình oxy hóa phosphoryl hóa

Ở đây A in là dạng khử của một chất trải qua quá trình oxy hóa phosphoryl hóa,

Và o là dạng oxi hóa của chất.

Trong chu trình Krebs, pyruvate (CH 3 COCOOH) được hình thành do quá trình đường phân bị oxy hóa thành axetat và kết hợp với coenzyme A, tạo thành acetyl-coA. Sau một số giai đoạn ôxy hóa, hợp chất axit xitric sáu cacbon (citrat) được hình thành, axit này cũng bị ôxy hóa thành axetat oxal; sau đó chu trình được lặp lại (Đề án của chu trình tricacb. axit). Trong quá trình oxy hóa này, hai phân tử CO 2 và các điện tử được giải phóng, chúng được chuyển đến các phân tử tiếp nhận (tiếp nhận) của các co-enzym (NAD - nicotinamide dinucleotide) và sau đó tham gia vào chuỗi chuyển điện tử từ cơ chất (enzyme) này sang chất nền khác.

Với quá trình oxy hóa hoàn toàn một mol glucozơ thành CO 2 và H 2 O trong chu trình đường phân và axit tricacboxylic, 38 phân tử ATP được hình thành với năng lượng liên kết hóa học là 324 kcal, và tổng năng lượng tự do của quá trình chuyển hóa này là ghi nhận trước đó, là 680 kcal. Hiệu suất của đầu ra của năng lượng dự trữ trong ATP là 48% (324/680 x100% = 48%).

Phương trình tổng thể cho quá trình oxy hóa glucose trong chu trình Krebs và chu trình đường phân:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 +36 ADP + F n 6CO 2 + 36ATP + 42H 2 O

3. Các điện tử được giải phóng do kết quả của quá trình oxy hóa trong chu trình Krebs được kết hợp với một đồng enzim và được vận chuyển đến chuỗi truyền điện tử (chuỗi hô hấp) từ enzim này sang enzim khác, ở đó, trong quá trình chuyển giao, sự liên hợp xảy ra (sự biến đổi của năng lượng electron thành năng lượng của liên kết hóa học) với sự tổng hợp của các phân tử ATP.

Có ba phần của chuỗi hô hấp, trong đó năng lượng của quá trình oxy hóa khử được chuyển hóa thành năng lượng của các liên kết của các phân tử trong ATP. Những vị trí này được gọi là điểm phosphoryl hóa:

1. Vị trí chuyển điện tử từ NAD-H đến flavoprotein, 10 phân tử ATP được tổng hợp do năng lượng oxy hóa của một phân tử glucose,

2. Sự chuyển electron trong khu vực từ cytochrome b đến cytochrome c 1, 12 phân tử ATP được phosphoryl hóa trên mỗi phân tử glucose,

3. Chuyển electron trong khu vực cytochrome c - oxy phân tử, 12 phân tử ATP được tổng hợp.

Tổng cộng, ở giai đoạn của chuỗi hô hấp, 34 phân tử ATP được tổng hợp (phosphoryl hóa). Và tổng sản lượng ATP trong quá trình oxy hóa hiếu khí của một phân tử glucose là 40 đơn vị.

Bảng 1

Năng lượng của quá trình oxy hóa glucose

Đối với mỗi cặp electron đi qua chuỗi từ NAD-H + ​​đến oxy, ba phân tử ATP được tổng hợp.

Chuỗi hô hấp là một chuỗi phức hợp protein nằm trong màng trong của ti thể (Hình 41).

Hình 41 Sơ đồ bố trí của chuỗi enzim trong chuỗi hô hấp ở màng trong của ti thể:

Phức hợp 1-NAD-H-dehydrogenase, phức hợp c 1, phức hợp 3-cytochrome oxidase, 4-ubiquinone, 5-cyto-

crom-c, chất nền 6 ti thể, màng trong ti thể, 8 gian gian màng.

Vì vậy, quá trình oxy hóa hoàn toàn cơ chất ban đầu kết thúc với việc giải phóng năng lượng tự do, một phần đáng kể (lên đến 50%) được dành cho quá trình tổng hợp các phân tử ATP, sự hình thành CO 2 và nước. năng lượng tự do của quá trình oxy hóa cơ chất được cung cấp cho các nhu cầu sau đây của tế bào:

1. Để sinh tổng hợp các đại phân tử (protein, chất béo, carbohydrate),

2. Đối với các quá trình chuyển động và co lại,

3. Để vận chuyển tích cực các chất qua màng,

4. Để đảm bảo việc chuyển giao thông tin di truyền.

Hình 42 Sơ đồ tổng quát của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa trong ti thể.

1 - màng ngoài của ti thể, 2 - màng trong, 3 - enzym ATP synthetase được xây dựng ở màng trong.

Tổng hợp các phân tử ATP

Quá trình tổng hợp ATP xảy ra ở màng trong của ti thể, nhìn vào chất nền (Hình 42 ở trên). Các protein enzyme chuyên biệt được xây dựng bên trong nó, tham gia độc quyền vào quá trình tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ. ATP synthetases (ATP-C). Trong kính hiển vi điện tử, các enzym này có hình dạng rất đặc trưng, ​​chúng được gọi là “thể nấm” (Hình.). Những cấu trúc này hoàn toàn nằm trên bề mặt bên trong của màng ty thể hướng đến chất nền.

nhà nghiên cứu nổi tiếng về năng lượng sinh học prof. Tikhonova A.N., ATF-S là “động cơ nhỏ nhất và hoàn hảo nhất trong tự nhiên”.

Hình 43 Bản địa hóa

ATP synthetase trong màng phân bào

chondria (tế bào động vật) và lục lạp (tế bào thực vật).

Vùng màu xanh lam là vùng có nồng độ H + tăng lên (vùng có tính axit), vùng màu cam là vùng có nồng độ H + thấp.

Dưới cùng: chuyển các ion hydro H + qua màng trong quá trình tổng hợp (a) và thủy phân (b) ATP

Hiệu quả của enzym này là một phân tử có thể thực hiện 200 chu kỳ hoạt hóa enzym mỗi giây, trong khi 600 phân tử ATP được tổng hợp.

Một chi tiết thú vị về hoạt động của động cơ này là nó chứa các bộ phận quay và bao gồm một phần rôto và một stato, hơn nữa, rôto quay ngược chiều kim đồng hồ. (Hình 44)

Phần màng của ATP-C, hay yếu tố liên hợp F 0, là một phức hợp protein kỵ nước. Đoạn thứ hai của ATP-C - yếu tố liên hợp F 1 - nhô ra khỏi màng dưới dạng hình nấm. Trong ty thể của tế bào động vật, ATP-C được xây dựng trong màng trong, và phức hợp F 1 được quay về phía chất nền.

Sự hình thành ATP từ ADP và Fn xảy ra ở các tâm xúc tác của yếu tố liên hợp F 1. Loại protein này có thể dễ dàng phân lập khỏi màng ti thể, tuy vẫn giữ được khả năng thủy phân phân tử ATP, nhưng mất khả năng tổng hợp ATP. Khả năng tổng hợp ATP là một đặc tính của một phức hợp đơn F 0 F 1 trong màng ti thể (Hình 1 a) Điều này là do thực tế là quá trình tổng hợp ATP với sự trợ giúp của ATP-C được liên kết với sự vận chuyển của Các proton H + xuyên qua nó theo hướng từ F 0 rF 1 (Hình 1 a). Động lực cho công việc của ATP-C là thế proton được tạo ra bởi chuỗi vận chuyển electron hô hấp e -.

ATP-C là một cỗ máy phân tử thuận nghịch, xúc tác cho cả quá trình tổng hợp và thủy phân ATP. Trong phương thức tổng hợp ATP, công việc của enzim được thực hiện do năng lượng của proton H + được chuyển giao dưới tác dụng của sự chênh lệch điện thế proton. Đồng thời, ATP-C cũng hoạt động như một máy bơm proton - do năng lượng của quá trình thủy phân ATP, nó sẽ bơm proton từ vùng có thế proton thấp sang vùng có thế năng cao (Hình 1b). Hiện nay người ta đã biết rằng hoạt động xúc tác của ATP-C liên quan trực tiếp đến chuyển động quay của phần rôto của nó. Người ta chỉ ra rằng phân tử F 1 quay đoạn rôto theo các bước nhảy rời rạc với bước là 120 0. Một vòng quay trên 120 0 đi kèm với sự thủy phân của một phân tử ATP.

Một chất lượng đáng chú ý của động cơ quay ATF-C là hiệu suất đặc biệt cao. Người ta chỉ ra rằng công mà động cơ thực hiện khi phần rôto quay 120 0 gần như trùng khớp chính xác với lượng năng lượng được lưu trữ trong phân tử ATP, tức là Hiệu suất động cơ gần 100%.

Bảng cho thấy các đặc điểm so sánh của một số loại động cơ phân tử hoạt động trong tế bào sống. Trong số đó, ATP-C nổi bật với những đặc tính tốt nhất của nó. Xét về hiệu quả của công việc và lực mà nó phát triển, nó vượt qua đáng kể tất cả các động cơ phân tử được biết đến trong tự nhiên và tất nhiên, tất cả những động cơ do con người tạo ra.

Bảng 2 Các đặc điểm so sánh về động cơ phân tử của tế bào (theo: Kinoshitaetal, 1998).

Phân tử F 1 của phức hợp ATP-C mạnh hơn khoảng 10 lần so với phức hợp acto-myosin, một cỗ máy phân tử chuyên thực hiện công cơ học. Vì vậy, hàng triệu năm tiến hóa trước khi con người phát minh ra bánh xe xuất hiện, những ưu điểm của chuyển động quay đã được tự nhiên nhận ra ở cấp độ phân tử.

Số lượng công việc mà ATP-C thực hiện là quá tải. Tổng khối lượng phân tử ATP được tổng hợp trong cơ thể một người trưởng thành mỗi ngày là khoảng 100 kg. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì rất nhiều

quá trình sinh hóa sử dụng ATP. Vì vậy, để cơ thể sống được, ATP-C của nó phải liên tục quay, bổ sung kịp thời lượng dự trữ ATP.

Một ví dụ nổi bật của động cơ điện phân tử là hoạt động của trùng roi vi khuẩn. Vi khuẩn bơi với tốc độ trung bình 25 µm / s, và một số trong số chúng bơi với tốc độ trên 100 µm / s. Điều này có nghĩa là trong một giây, vi khuẩn di chuyển trên một khoảng cách lớn hơn gấp 10 lần hoặc hơn kích thước của chính nó. Nếu một vận động viên bơi được quãng đường dài gấp 10 lần chiều cao b của anh ta trong một giây, thì anh ta sẽ bơi được quãng đường dài 100 mét trong 5 giây!

Tốc độ quay của động cơ điện của vi khuẩn từ 50-100 vòng / phút đến 1000 vòng / phút, rất tiết kiệm và tiêu thụ không quá 1% nguồn năng lượng của tế bào.

Hình 44. Sơ đồ quay của tiểu đơn vị quay của ATP synthetase.

Do đó, cả các enzym của chuỗi hô hấp và tổng hợp ATP đều được định vị trong màng trong của ti thể.

Ngoài quá trình tổng hợp ATP, năng lượng được giải phóng trong quá trình vận chuyển điện tử cũng được lưu trữ dưới dạng gradien proton trên màng ti thể. Đồng thời, sự gia tăng nồng độ ion H + (proton) xảy ra giữa các màng ngoài và màng trong. Gradient proton nổi lên từ ma trận đến không gian giữa màng đóng vai trò là động lực trong quá trình tổng hợp ATP (Hình 42). Về bản chất, màng trong của ti thể được tích hợp sẵn ATP synthetase là một nhà máy năng lượng proton hoàn hảo, cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của tế bào với hiệu suất cao.

Khi đạt đến sự chênh lệch điện thế nhất định (220 mV) qua màng, ATP synthetase bắt đầu vận chuyển proton trở lại chất nền; trong trường hợp này, năng lượng của proton được chuyển thành năng lượng của quá trình tổng hợp các liên kết hóa học của ATP. Đây là cách các quá trình oxy hóa được kết hợp với quá trình tổng hợp

mi trong quá trình phosphoryl hóa ADP thành ATP.

Năng lượng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa

mập mạp

Hiệu quả hơn nữa là tổng hợp ATP trong quá trình oxy hóa axit béo và lipid. Với quá trình oxy hóa hoàn toàn một phân tử axit béo, ví dụ, palmitic, 130 phân tử ATP được hình thành. Sự thay đổi năng lượng tự do của quá trình oxy hóa axit là ∆G = -2340 kcal, còn năng lượng tích lũy trong ATP khoảng 1170 kcal.

Năng lượng của quá trình phân cắt oxy hóa của các axit amin

Phần lớn năng lượng trao đổi chất được tạo ra trong các mô được cung cấp bởi quá trình oxy hóa cacbohydrat và đặc biệt là chất béo; Ở một người trưởng thành, có tới 90% nhu cầu năng lượng được đáp ứng từ hai nguồn này. Phần năng lượng còn lại (tùy theo khẩu phần từ 10 đến 15%) được cung cấp bởi quá trình oxy hóa các axit amin (gạo thuộc chu trình Krebs).

Người ta ước tính rằng trung bình một tế bào động vật có vú chứa khoảng 1 triệu (10 6 ) Các phân tử ATP. Xét về tất cả các tế bào của cơ thể con người (10 16 –10 17 ) đây là 10 23 Các phân tử ATP. Tổng năng lượng có trong khối lượng ATP này có thể đạt tới giá trị 10 24 kcal! (1 J = 2,39x 10 -4 kcal). Ở một người nặng 70 kg, tổng lượng ATP là 50 g, phần lớn được tiêu thụ hàng ngày và được tổng hợp lại.