Energija oslobođena u kataboličkim reakcijama pohranjuje se u obliku veza tzv makroergijski. Glavni i univerzalni molekul koji skladišti energiju je ATP.

Svi molekuli ATP-a u tijelu kontinuirano sudjeluju u nekoj vrsti reakcije, stalno se razlažu u ADP i ponovo regenerišu. Postoje tri glavna načina korišćenja ATP-a, koji se zajedno sa procesom formiranja AF nazivaju ATP ciklusom.

GLAVNI IZVORI ENERGIJE U ĆELIJI

Postoje četiri glavna procesa u ćeliji koji osiguravaju oslobađanje energije iz hemijskih veza tokom oksidacije tvari i njenog skladištenja:

1. Glikoliza (faza 2) – oksidacija molekula glukoze u dva molekula pirogrožđana kiselina, ovo proizvodi 2 molekula ATP i NADH. Dalje, pirogrožđana kiselina se pretvara u acetil-SCoA u aerobnim uslovima i u mlečnu kiselinu u anaerobnim uslovima.

2. β-Oksidacija masnih kiselina (faza 2) – oksidacija masnih kiselina u acetil-SCoA, pri čemu nastaju molekuli NADH i FADH2. ATP molekuli čista forma„ne ​​formira se.

3. Ciklus trikarboksilne kiseline(TCA ciklus, faza 3) – oksidacija acetilne grupe (kao dijela acetil-SCoA) ili drugih keto kiselina do ugljen-dioksid. Reakcije punog ciklusa

praćeni su formiranjem 1 molekula GTP-a (što je ekvivalentno jednom ATP-u), 3 molekula NADH i 1 molekula FADH2.

4. Oksidativna fosforilacija(3. faza) – NADH i FADH 2 su oksidirani, polu-

uključeni u reakcije katabolizma glukoze i masnih kiselina. U ovom slučaju, enzimi u unutrašnjoj membrani mitohondrija osiguravaju stvaranje glavne količine ćelijskog ATP-a iz ADP-a ( fosforilacija).

Glavni način na koji se ATP proizvodi u ćeliji je oksidativna fosforilacija. Međutim, postoji i drugi način za fosforilaciju ADP-a u ATP - fosforilacija supstrata. Ova metoda je povezana s prijenosom visokoenergetskog fosfata ili energije visoke energije veze bilo koje tvari (supstrata) na ADP. Takve supstance uključuju

metaboliti glikolize(1,3-difosfoglicerinska kiselina, fosfoenolpiruvat),

ciklus trikarboksilne kiseline (sukcinil-SCoA) kreatin fosfat. Energija hidrolize njihove visokoenergetske veze veća je nego u ATP-u (7,3 kcal/mol), a uloga ovih supstanci je svedena na upotrebu za fosforilaciju ADP-a.

Svi živi organizmi, osim virusa, izgrađeni su od ćelija. Oni pružaju sve procese potrebne za život biljke ili životinje. Sama ćelija može biti odvojenog organizma. I kako tako složena struktura može živjeti bez energije? Naravno da ne. Pa kako ćelije dobijaju energiju? Zasnovan je na procesima koje ćemo razmotriti u nastavku.

Opskrba ćelija energijom: kako se to događa?

Malo ćelija prima energiju izvana, one je same proizvode. imaju jedinstvene „stanice“. A izvor energije u ćeliji je mitohondrija, organela koja je proizvodi. U njemu se odvija proces ćelijskog disanja. Zbog toga se ćelije opskrbljuju energijom. Međutim, prisutni su samo u biljkama, životinjama i gljivama. Bakterijske ćelije nemaju mitohondrije. Stoga se njihove ćelije snabdijevaju energijom uglavnom kroz procese fermentacije, a ne kroz disanje.

Struktura mitohondrija

Ovo je organela sa dvostrukom membranom koja se pojavila u eukariotskoj ćeliji tokom procesa evolucije kao rezultat njene apsorpcije manjeg sloja. proteini neophodni za organele.

Unutrašnja membrana ima izbočine koje se nazivaju kriste, ili grebeni. Na kristama se odvija proces ćelijskog disanja.

Ono što se nalazi unutar dvije membrane naziva se matriks. Sadrži proteine, enzime neophodne za ubrzavanje hemijskih reakcija, kao i RNK, DNK i ribozome.

Ćelijsko disanje je osnova života

Odvija se u tri faze. Pogledajmo svaki od njih detaljnije.

Prva faza je pripremna

Tokom ove faze, teško organska jedinjenja dijele se na jednostavnije. Tako se proteini razlažu na aminokiseline, masti na karboksilne kiseline i glicerol, nukleinske kiseline- na nukleotide, a ugljikohidrati - na glukozu.

Glikoliza

Ovo je faza bez kiseonika. Ona leži u činjenici da se supstance dobijene tokom prve faze dalje razgrađuju. Glavni izvori energije koje ćelija koristi u ovoj fazi su molekuli glukoze. Svaki od njih se tokom glikolize raspada na dva molekula piruvata. Ovo se dešava tokom deset uzastopnih hemijskih reakcija. Kao rezultat prvih pet, glukoza se fosforilira, a zatim dijeli na dvije fosfotrioze. Sljedećih pet reakcija proizvode dva molekula i dva molekula PVA (pirogrožđane kiseline). Energija ćelije se skladišti u obliku ATP-a.

Cijeli proces glikolize može se pojednostaviti na sljedeći način:

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

Tako, upotrebom jednog molekula glukoze, dva molekula ADP-a i dvije fosforne kiseline, stanica prima dva molekula ATP-a (energije) i dva molekula pirogrožđane kiseline, koje će iskoristiti u sljedećem koraku.

Treća faza je oksidacija

Ova faza se javlja samo u prisustvu kiseonika. Hemijske reakcije ove faze odvijaju se u mitohondrijima. Ovo je glavni dio tokom kojeg se oslobađa najviše energije. U ovoj fazi, reagirajući s kisikom, razlaže se na vodu i ugljični dioksid. Osim toga, formira se 36 ATP molekula. Dakle, možemo zaključiti da su glavni izvori energije u ćeliji glukoza i pirogrožđana kiselina.

Sumirajući sve hemijske reakcije i izostavljajući detalje, možemo izraziti ceo proces ćelijskog disanja jednom pojednostavljenom jednačinom:

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

Tako, tokom disanja, iz jednog molekula glukoze, šest molekula kiseonika, trideset osam molekula ADP-a i iste količine fosforne kiseline, ćelija dobija 38 molekula ATP-a u čijem obliku se pohranjuje energija.

Raznolikost mitohondrijalnih enzima

Ćelija dobija energiju za vitalnu aktivnost putem disanja - oksidacije glukoze, a zatim pirogrožđane kiseline. Sve ove hemijske reakcije ne bi se mogle odvijati bez enzima – bioloških katalizatora. Pogledajmo one koji se nalaze u mitohondrijima, organelama odgovornim za ćelijsko disanje. Sve se one nazivaju oksidoreduktazama jer su potrebne da bi se osigurala pojava redoks reakcija.

Sve oksidoreduktaze se mogu podijeliti u dvije grupe:

• oksidaze;
• dehidrogenaza;

Dehidrogenaze se, pak, dijele na aerobne i anaerobne. Aerobne sadrže koenzim riboflavin, koji tijelo prima iz vitamina B2. Aerobne dehidrogenaze sadrže NAD i NADP molekule kao koenzime.

Oksidaze su raznovrsnije. Prije svega, podijeljeni su u dvije grupe:

• one koje sadrže bakar;
• one koje sadrže gvožđe.

Prvi uključuju polifenoloksidaze i askorbat oksidazu, drugi uključuju katalazu, peroksidazu i citokrome. Potonji su, pak, podijeljeni u četiri grupe:

• citokromi a;
• citokromi b;
• citokromi c;
• citohromi d.

Citohromi a sadrže gvožđe formil porfirin, citohromi b – gvožđe protoporfirin, c – supstituisano gvožđe mezoporfirin, d – gvožđe dihidroporfirin.

Postoje li drugi načini za dobijanje energije?

Iako ga većina ćelija dobija ćelijskim disanjem, postoje i oni anaerobne bakterije, kojima nije potreban kiseonik da bi postojali. Oni proizvode potrebnu energiju fermentacijom. To je proces tokom kojeg se uz pomoć enzima razgrađuju ugljikohidrati bez sudjelovanja kiseonika, usled čega ćelija dobija energiju. Postoji nekoliko vrsta fermentacije u zavisnosti od konačnog produkta hemijskih reakcija. To može biti mliječna kiselina, alkoholna, maslačna kiselina, aceton-butan, limunska kiselina.

Na primjer, uzmite u obzir. Može se izraziti sljedećom jednadžbom:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Odnosno, bakterija razlaže jedan molekul glukoze u jedan molekul etil alkohol i dva molekula ugljik(IV) oksida.

Ćelije koje nisu sposobne za fotosintezu (na primjer, ljudi) dobivaju energiju iz hrane, koja je ili biljna biomasa nastala kao rezultat fotosinteze, ili biomasa drugih živih bića koja se hrane biljkama, ili ostaci bilo kojeg živog organizma.

Hranjive tvari (proteini, masti i ugljikohidrati) životinjska stanica pretvara u ograničen skup jedinjenja niske molekularne težine - organske kiseline izgrađene od atoma ugljika, koje uz pomoć posebnih molekularni mehanizmi oksidiraju u ugljični dioksid i vodu. U tom slučaju se oslobađa energija, akumulira se u obliku elektrohemijske razlike potencijala na membranama i koristi se za sintezu ATP-a ili direktno za obavljanje određenih vrsta posla.

Istorija proučavanja problema konverzije energije u životinjska ćelija, kao i istorija fotosinteze, seže više od dva veka unazad.

U aerobnim organizmima oksidacija atoma ugljika organskih kiselina u ugljični dioksid i vodu odvija se uz pomoć kisika i naziva se intracelularno disanje, koje se događa u specijaliziranim česticama - mitohondrijima. Transformaciju energije oksidacije provode enzimi koji se nalaze u strogom redu u unutrašnjim membranama mitohondrija. Ovi enzimi čine takozvani respiratorni lanac i rade kao generatori, stvarajući elektrohemijsku potencijalnu razliku kroz membranu, kroz koju se sintetiše ATP, slično onome što se dešava tokom fotosinteze.

Glavni zadatak i disanja i fotosinteze je održavanje odnosa ATP/ADP na određenom nivou, daleko od termodinamičke ravnoteže, što omogućava ATP-u da služi kao donator energije, pomjerajući ravnotežu reakcija u kojima učestvuje.

Glavne energetske stanice živih ćelija su mitohondrije - unutarćelijske čestice veličine 0,1-10μ, prekrivene s dvije membrane. U mitohondrijima se slobodna energija oksidacije hrane pretvara u slobodnu energiju ATP-a. Kada se ATP spoji s vodom, pri normalnim koncentracijama reaktanata, oslobađa se slobodna energija reda veličine 10 kcal/mol.

U anorganskoj prirodi, mješavina vodika i kisika naziva se "eksplozivom": mala iskra je dovoljna da izazove eksploziju - trenutno stvaranje vode s ogromnim oslobađanjem energije u obliku topline. Zadatak koji obavljaju enzimi respiratornog lanca je da proizvedu “eksploziju” tako da se oslobođena energija pohrani u obliku pogodnom za sintezu ATP-a. Ono što oni rade je da prenose elektrone na uredan način s jedne komponente na drugu (u konačnici na kisik), postepeno smanjujući potencijal vodika i pohranjujući energiju.

Sljedeće brojke pokazuju obim ovog posla. Mitohondrije odrasle osobe prosječne visine i težine pumpaju oko 500 g vodonikovih jona dnevno kroz svoje membrane, proizvodeći membranski potencijal. Za to isto vrijeme, H + -ATP sintaza proizvodi oko 40 kg ATP-a iz ADP-a i fosfata, a procesi koji koriste ATP hidrolizuju cijelu masu ATP-a natrag u ADP i fosfat.

Istraživanja su pokazala da mitohondrijska membrana djeluje kao transformator napona. Ako prenesete elektrone supstrata iz NADH direktno na kisik kroz membranu, nastat će razlika potencijala od oko 1 V biološke membrane- dvoslojni fosfolipidni filmovi ne mogu izdržati takvu razliku - dolazi do raspada. Osim toga, za proizvodnju ATP-a iz ADP-a, fosfata i vode potrebno je samo 0,25 V, što znači da je potreban naponski transformator. I mnogo prije pojave čovjeka, ćelije su "izmislile" takav molekularni uređaj. Omogućava da se struja učetvorostruči i da, zbog energije svakog elektrona koji se prenosi sa supstrata na kisik, prenese četiri protona kroz membranu zbog striktno koordinisanog slijeda kemijskih reakcija između molekularnih komponenti respiratornog lanca.

Dakle, dva glavna puta za generiranje i regeneraciju ATP-a u živim stanicama: oksidativna fosforilacija (disanje) i fotofosforilacija (apsorpcija svjetlosti) - iako podržani različitim vanjskim izvorima energije, oba ovise o radu lanaca katalitičkih enzima uronjenih u membrane. : unutrašnje membrane mitohondrija, tilakoidne membrane hloroplasta ili plazma membrane neke bakterije.

Nemoguće je razumjeti kako je ljudsko tijelo strukturirano i „radi“ bez razumijevanja kako se metabolizam odvija u ćeliji. Svaki živa ćelija moraju stalno proizvoditi energiju. Potrebna joj je energija za generiranje topline i sintetiziranje (kreiranje) nekih vitalnih kemikalija, poput proteina ili nasledna supstanca. EnergijaĆeliji je to potrebno za kretanje. Tjelesne ćelije, sposobni za pokrete nazivaju se mišićnim. Mogu se smanjiti. Ovo pokreće naše ruke, noge, srce i crijeva. Konačno, energija je potrebna za proizvodnju struja: zahvaljujući njemu neki delovi tela „komuniciraju“ sa drugima. A vezu između njih prvenstveno pružaju nervne ćelije.

Odakle ćelije dobijaju energiju? Odgovor je: pomaže im ATP. Dopusti mi da objasnim. Ćelije gore hranljive materije, i oslobađa se određena količina energije. Koriste ga da sintetiziraju specijal Hemijska supstanca, koji akumulira energiju koja im je toliko potrebna. Ova supstanca se zove adenozin trifosfat(skraćeno ATP). Kada se molekul ATP sadržan u ćeliji razgradi, energija pohranjena u ćeliji se oslobađa. Zahvaljujući ovoj energiji, ćelija može proizvoditi toplotu, električnu struju, sintetizirati hemikalije ili vršiti pokrete. Ukratko, ATP aktivira ceo „mehanizam“ ćelije.

Ovako izgleda tanak, obojeni krug tkiva uzet iz... pod mikroskopom. hipofiza- moždani dodatak veličine zrna graška. Crvena, žuta, plava, ljubičaste mrlje, kao i mrlje u boji mesa ćelije sa jezgrom. Svaka vrsta ćelije hipofize luči jedan ili više vitalnih hormona.

Hajde sada da razgovaramo detaljnije o tome kako ćelije dobijaju ATP. Već znamo odgovor. Ćelije sagorevaju hranljive materije. Oni to mogu učiniti na dva načina. Prvo, sagorite ugljikohidrate, uglavnom glukozu, u nedostatku kisika. Time nastaje supstanca koju kemičari nazivaju pirogrožđanom kiselinom, a sam proces razgradnje ugljikohidrata naziva se glikoliza. Kao rezultat glikolize, proizvodi se premalo ATP-a: razgradnjom jedne molekule glukoze nastaju samo dvije molekule ATP-a. Glikoliza je neefikasna – to je najstariji oblik ekstrakcije energije. Zapamtite da je život nastao u vodi, odnosno u sredini u kojoj je bilo vrlo malo kiseonika.

drugo, ćelije tela sagorevaju pirogrožđanu kiselinu, masti i proteine ​​u prisustvu kiseonika. Sve ove tvari sadrže ugljik i vodik. U ovom slučaju, sagorijevanje se odvija u dvije faze. Prvo, ćelija ekstrahuje vodonik, zatim odmah počinje da razgrađuje preostali ugljenični okvir i oslobađa se ugljen-dioksida - kroz stanične membrane izvodi ga napolje. U drugoj fazi, vodonik ekstrahovan iz nutrijenata se spaljuje (oksidira). Nastaje voda i oslobađa se velika količina energije. Ćelije ga imaju dovoljno da sintetiziraju mnoge molekule ATP-a (oksidacijom, na primjer, dva molekula mliječne kiseline, redukcionog produkta pirogrožđane kiseline, nastaje 36 molekula ATP-a).

Ovaj opis izgleda suvo i apstraktno. Zapravo, svako od nas je vidio kako se odvija proces stvaranja energije. Sjećate li se televizijskih izvještaja sa svemirskih luka o lansiranju raketa? Oni se uzdižu uvis zbog nevjerovatne količine energije koja se oslobađa tokom... oksidacije vodonika, odnosno kada se sagorijeva u kisiku.

Svemirske rakete visine tornja jure u nebo zbog ogromne energije koja se oslobađa kada se vodik sagorijeva u čisti kiseonik. Ova ista energija održava život u ćelijama našeg tela. Samo u njima se reakcija oksidacije odvija u fazama. Osim toga, umjesto toplinske i kinetičke energije, naše ćelije prvo stvaraju ćelijsko gorivo" - ATP.

Njihovi rezervoari za gorivo su napunjeni tečnim vodonikom i kiseonikom. Kada se motori pokrenu, vodonik počinje da oksidira i ogromna raketa brzo poleti u nebo. Možda izgleda nevjerovatno, a opet: ista energija koja vas nosi svemirska raketa, podržava život u ćelijama našeg tela.

Osim što u ćelijama ne dolazi do eksplozije i iz njih ne izbija snop plamena. Oksidacija se odvija u fazama, pa se stoga umjesto toplinske i kinetičke energije formiraju molekuli ATP-a.

Bilo koje svojstvo živih bića i bilo koja manifestacija života povezana je sa određenim hemijske reakcije u kavezu. Ove reakcije se javljaju ili s trošenjem ili s oslobađanjem energije. Cijeli skup procesa transformacije tvari u ćeliji, kao iu tijelu, naziva se metabolizam.

Anabolizam

Ćelija održava svoju postojanost unutrašnje okruženje nazvana homeostaza. Da bi to učinio, sintetizira supstance u skladu sa svojim genetskim informacijama.

Rice. 1. Metabolička šema.

Ovaj dio metabolizma, tokom kojeg se stvaraju visokomolekularna jedinjenja karakteristična za datu ćeliju, naziva se plastični metabolizam (asimilacija, anabolizam).

Anaboličke reakcije uključuju:

• sinteza proteina iz aminokiselina;
• stvaranje škroba iz glukoze;
• fotosinteza;
• sinteza masti iz glicerola i masnih kiselina.

Ove reakcije su moguće samo uz utrošak energije. Ako se vanjska (svjetlosna) energija troši na fotosintezu, onda za ostalo - resursi ćelije.

TOP 4 člankakoji čitaju uz ovo

Količina energije koja se troši na asimilaciju veća je od one u kojoj je pohranjena hemijske veze, jer se dio koristi za regulaciju procesa.

Katabolizam

Druga strana metabolizma i pretvorbe energije u ćeliji je energetski metabolizam(disimilacija, katabolizam).

Kataboličke reakcije su praćene oslobađanjem energije.
Ovaj proces uključuje:

• dah;
• razlaganje polisaharida u monosaharide;
• razlaganje masti u masna kiselina i glicerol i druge reakcije.

Rice. 2. Katabolički procesi u ćeliji.

Međusobna povezanost procesa razmjene

Svi procesi u ćeliji su usko povezani jedni s drugima, kao i sa procesima u drugim ćelijama i organima. Transformacije organska materija zavise od prisustva neorganskih kiselina, makro- i mikroelemenata.

Procesi katabolizma i anabolizma odvijaju se istovremeno u ćeliji i dvije su suprotne komponente metabolizma.

Metabolički procesi povezani su sa određenim ćelijskim strukturama:

• dah- sa mitohondrijama;
• sinteza proteina- sa ribozomima;
• fotosinteza- sa hloroplastima.

Ćeliju ne karakterišu pojedinačni hemijski procesi, već pravilan redosled po kojem se odvijaju. Regulatori metabolizma su proteini enzima koji usmjeravaju reakcije i mijenjaju njihov intenzitet.

ATP

Adenozin trifosforna kiselina (ATP) igra posebnu ulogu u metabolizmu. To je kompaktni uređaj za skladištenje kemijske energije koji se koristi za fuzijske reakcije.

Rice. 3. Šema strukture ATP-a i njegova konverzija u ADP.

Zbog svoje nestabilnosti, ATP formira molekule ADP i AMP (di- i monofosfat) oslobađanjem velika količina energije za procese asimilacije.