L'énergie libérée lors des réactions cataboliques est stockée sous forme de liaisons appelées macroergique. La molécule principale et universelle qui stocke l’énergie est l’ATP.

Toutes les molécules d'ATP présentes dans le corps participent continuellement à une sorte de réaction, sont constamment décomposées en ADP et régénérées à nouveau. Il existe trois manières principales d’utiliser l’ATP qui, avec le processus de formation de l’AF, sont appelées cycle de l’ATP.

PRINCIPALES SOURCES D'ÉNERGIE DANS LA CELLULE

Il existe quatre processus principaux dans la cellule qui assurent la libération de l'énergie des liaisons chimiques lors de l'oxydation des substances et de son stockage :

1. Glycolyse (étape 2) – oxydation d’une molécule de glucose en deux molécules acide pyruvique, cela produit 2 molécules d’ATP et de NADH. De plus, l'acide pyruvique est converti en acétyl-SCoA dans des conditions aérobies et en acide lactique dans des conditions anaérobies.

2. β-oxydation des acides gras (étape 2) – oxydation des acides gras en acétyl-SCoA, ici les molécules NADH et FADH2 se forment. Molécules d'ATP forme pure"ne se forme pas.

3. Cycle de l'acide tricarboxylique(cycle TCA, étape 3) – oxydation du groupe acétyle (dans le cadre de l’acétyl-SCoA) ou d’autres acides cétoniques pour gaz carbonique. Réactions en cycle complet

s'accompagnent de la formation d'1 molécule de GTP (qui équivaut à un ATP), de 3 molécules de NADH et d'1 molécule de FADH2.

4. La phosphorylation oxydative(3ème étape) – NADH et FADH 2 sont oxydés, semi-

impliqué dans les réactions de catabolisme du glucose et des acides gras. Dans ce cas, les enzymes de la membrane interne des mitochondries assurent la formation de l'essentiel de l'ATP cellulaire à partir de l'ADP ( phosphorylation).

La principale manière dont l’ATP est produite dans la cellule est la phosphorylation oxydative. Cependant, il existe également un autre moyen de phosphoryler l'ADP en ATP : phosphorylation du substrat. Cette méthode est associée au transfert de phosphate à haute énergie ou d'énergie de liaison à haute énergie de toute substance (substrat) vers l'ADP. Ces substances comprennent

métabolites de la glycolyse(acide 1,3-diphosphoglycérique, phosphoénolpyruvate),

cycle de l'acide tricarboxylique (succinyl-SCoA) créatine phosphate. L'énergie d'hydrolyse de leur liaison à haute énergie est supérieure à celle de l'ATP (7,3 kcal/mol), et le rôle de ces substances est réduit à l'utilisation pour la phosphorylation de l'ADP.

Tous les organismes vivants, à l’exception des virus, sont constitués de cellules. Ils assurent tous les processus nécessaires à la vie d'une plante ou d'un animal. La cellule elle-même peut être organisme séparé. Et comment une structure aussi complexe peut-elle vivre sans énergie ? Bien sûr que non. Alors, comment les cellules obtiennent-elles de l’énergie ? Il est basé sur les processus que nous examinerons ci-dessous.

Fournir de l’énergie aux cellules : comment cela se passe-t-il ?

Peu de cellules reçoivent de l’énergie de l’extérieur ; elles la produisent elles-mêmes. avoir des « stations » uniques. Et la source d’énergie dans la cellule est la mitochondrie, l’organite qui la produit. Le processus de respiration cellulaire s'y déroule. Grâce à cela, les cellules reçoivent de l'énergie. Cependant, ils ne sont présents que chez les plantes, les animaux et les champignons. Les cellules bactériennes ne possèdent pas de mitochondries. Par conséquent, leurs cellules sont alimentées en énergie principalement par les processus de fermentation plutôt que par la respiration.

La structure des mitochondries

Il s'agit d'un organite à double membrane apparu dans une cellule eucaryote au cours du processus d'évolution à la suite de l'absorption d'une cellule plus petite. Cela peut expliquer le fait que les mitochondries contiennent leur propre ADN et ARN, ainsi que des ribosomes mitochondriaux qui les produisent. protéines nécessaires aux organites.

La membrane interne présente des projections appelées crêtes ou crêtes. Le processus de respiration cellulaire se produit sur les crêtes.

Ce qui se trouve à l’intérieur des deux membranes s’appelle la matrice. Il contient des protéines, des enzymes nécessaires pour accélérer les réactions chimiques, ainsi que de l'ARN, de l'ADN et des ribosomes.

La respiration cellulaire est la base de la vie

Cela se déroule en trois étapes. Examinons chacun d'eux plus en détail.

La première étape est préparatoire

Durant cette étape, difficile composés organiques sont divisés en plus simples. Ainsi, les protéines se décomposent en acides aminés, les graisses en acides carboxyliques et glycérol, acides nucléiques- aux nucléotides, et aux glucides - au glucose.

Glycolyse

C'est l'étape sans oxygène. Cela réside dans le fait que les substances obtenues lors de la première étape sont encore décomposées. Les principales sources d’énergie utilisées par la cellule à ce stade sont les molécules de glucose. Chacun d'eux se décompose en deux molécules de pyruvate lors de la glycolyse. Cela se produit au cours de dix réactions chimiques consécutives. À la suite des cinq premiers, le glucose est phosphorylé puis divisé en deux phosphotrioses. Les cinq réactions suivantes produisent deux molécules et deux molécules de PVA (acide pyruvique). L'énergie de la cellule est stockée sous forme d'ATP.

L'ensemble du processus de glycolyse peut être simplifié comme suit :

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

Ainsi, en utilisant une molécule de glucose, deux molécules d’ADP et deux d’acide phosphorique, la cellule reçoit deux molécules d’ATP (énergie) et deux molécules d’acide pyruvique, qu’elle utilisera à l’étape suivante.

La troisième étape est l'oxydation

Cette étape se produit uniquement en présence d'oxygène. Les réactions chimiques de cette étape se produisent dans les mitochondries. C’est la partie principale durant laquelle le plus d’énergie est libérée. À ce stade, réagissant avec l’oxygène, il se décompose en eau et dioxyde de carbone. De plus, 36 molécules d'ATP sont formées. Nous pouvons donc conclure que les principales sources d’énergie de la cellule sont le glucose et l’acide pyruvique.

En résumant toutes les réactions chimiques et en omettant les détails, nous pouvons exprimer l'ensemble du processus de respiration cellulaire avec une équation simplifiée :

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

Ainsi, lors de la respiration, à partir d'une molécule de glucose, six molécules d'oxygène, trente-huit molécules d'ADP et la même quantité d'acide phosphorique, la cellule reçoit 38 molécules d'ATP, sous forme desquelles l'énergie est stockée.

Diversité des enzymes mitochondriales

La cellule reçoit de l'énergie pour ses activités vitales par la respiration - l'oxydation du glucose puis de l'acide pyruvique. Toutes ces réactions chimiques ne pourraient avoir lieu sans enzymes – des catalyseurs biologiques. Regardons ceux qui se trouvent dans les mitochondries, les organites responsables de la respiration cellulaire. Toutes sont appelées oxydoréductases car elles sont nécessaires pour garantir l’apparition de réactions redox.

Toutes les oxydoréductases peuvent être divisées en deux groupes :

• les oxydases;
• déshydrogénase;

Les déshydrogénases, à leur tour, sont divisées en aérobies et anaérobies. Les aérobies contiennent la coenzyme riboflavine, que le corps reçoit de la vitamine B2. Les déshydrogénases aérobies contiennent des molécules NAD et NADP comme coenzymes.

Les oxydases sont plus diversifiées. Tout d’abord, ils sont divisés en deux groupes :

• ceux contenant du cuivre ;
• ceux contenant du fer.

Les premiers comprennent les polyphénoloxydases et l'ascorbate oxydase, les seconds comprennent la catalase, la peroxydase et les cytochromes. Ces derniers, à leur tour, sont divisés en quatre groupes :

• cytochromes a;
• cytochromes b;
• cytochromes c;
• cytochromes d.

Les cytochromes a contiennent du fer formyl porphyrine, les cytochromes b - de la protoporphyrine de fer, c - de la mésoporphyrine de fer substituée, d - de la dihydroporphyrine de fer.

Existe-t-il d'autres moyens d'obtenir de l'énergie ?

Bien que la plupart des cellules l'obtiennent par la respiration cellulaire, il existe également bactéries anaérobies, qui n’ont pas besoin d’oxygène pour exister. Ils produisent l'énergie nécessaire par fermentation. Il s'agit d'un processus au cours duquel, à l'aide d'enzymes, les glucides sont décomposés sans la participation d'oxygène, ce qui permet à la cellule de recevoir de l'énergie. Il existe plusieurs types de fermentation en fonction du produit final des réactions chimiques. Il peut s'agir d'acide lactique, alcoolique, butyrique, acétone-butane, acide citrique.

Par exemple, considérons qu'il peut être exprimé par l'équation suivante :

C6H12O6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Autrement dit, la bactérie décompose une molécule de glucose en une seule molécule. alcool éthylique et deux molécules d'oxyde de carbone (IV).

Les cellules incapables de photosynthèse (par exemple, les humains) obtiennent de l'énergie à partir de la nourriture, qui est soit de la biomasse végétale créée à la suite de la photosynthèse, soit de la biomasse d'autres êtres vivants qui se nourrissent de plantes, soit des restes de tout organisme vivant.

Les nutriments (protéines, graisses et glucides) sont convertis par la cellule animale en un ensemble limité de composés de faible poids moléculaire - des acides organiques construits à partir d'atomes de carbone qui, à l'aide de composés spéciaux mécanismes moléculaires s'oxyder en dioxyde de carbone et en eau. Dans ce cas, de l'énergie est libérée, elle s'accumule sous forme de différence de potentiel électrochimique sur les membranes et est utilisée pour la synthèse de l'ATP ou directement pour effectuer certains types de travaux.

Histoire de l'étude des problèmes de conversion d'énergie en cellule animale, comme l'histoire de la photosynthèse, remonte à plus de deux siècles.

Dans les organismes aérobies, l'oxydation des atomes de carbone des acides organiques en dioxyde de carbone et en eau se produit à l'aide de l'oxygène et est appelée respiration intracellulaire, qui se produit dans des particules spécialisées - les mitochondries. La transformation de l'énergie d'oxydation est réalisée par des enzymes situées dans un ordre strict dans les membranes internes des mitochondries. Ces enzymes constituent ce qu'on appelle la chaîne respiratoire et fonctionnent comme des générateurs, créant une différence de potentiel électrochimique à travers la membrane, à travers laquelle l'ATP est synthétisée, semblable à ce qui se produit lors de la photosynthèse.

La tâche principale de la respiration et de la photosynthèse est de maintenir le rapport ATP/ADP à un certain niveau, loin de l'équilibre thermodynamique, ce qui permet à l'ATP de servir de donneur d'énergie, modifiant l'équilibre des réactions auxquelles il participe.

Les principales stations énergétiques des cellules vivantes sont les mitochondries - des particules intracellulaires de 0,1 à 10 μ, recouvertes de deux membranes. Dans les mitochondries, l’énergie libre issue de l’oxydation des aliments est convertie en énergie libre d’ATP. Lorsque l’ATP se combine à l’eau, à des concentrations normales de réactifs, une énergie libre de l’ordre de 10 kcal/mol est libérée.

Dans la nature inorganique, un mélange d'hydrogène et d'oxygène est appelé « explosif » : une petite étincelle suffit à provoquer une explosion - la formation instantanée d'eau avec une énorme libération d'énergie sous forme de chaleur. La tâche des enzymes de la chaîne respiratoire est de produire une « explosion » afin que l’énergie libérée soit stockée sous une forme adaptée à la synthèse de l’ATP. Ce qu'ils font, c'est transférer des électrons de manière ordonnée d'un composant à un autre (finalement vers l'oxygène), réduisant progressivement le potentiel de l'hydrogène et stockant de l'énergie.

Les chiffres suivants indiquent l'ampleur de ce travail. Les mitochondries chez un adulte de taille et de poids moyens pompent environ 500 g d'ions hydrogène par jour à travers leurs membranes, produisant ainsi potentiel de membrane. Pendant ce même temps, la H + -ATP synthase produit environ 40 kg d'ATP à partir de l'ADP et du phosphate, et les processus utilisant l'ATP hydrolysent la totalité de la masse d'ATP en ADP et en phosphate.

Des recherches ont montré que la membrane mitochondriale agit comme un transformateur de tension. Si vous transférez les électrons du substrat du NADH directement à l'oxygène à travers la membrane, une différence de potentiel d'environ 1 V apparaîtra. membranes biologiques- les films phospholipidiques bicouches ne peuvent pas supporter une telle différence - une dégradation se produit. De plus, pour produire de l'ATP à partir d'ADP, de phosphate et d'eau, seulement 0,25 V est nécessaire, ce qui signifie qu'un transformateur de tension est nécessaire. Et bien avant l’avènement de l’homme, les cellules ont « inventé » un tel dispositif moléculaire. Il permet de quadrupler le courant et, grâce à l'énergie de chaque électron transféré du substrat à l'oxygène, de transférer quatre protons à travers la membrane grâce à une séquence strictement coordonnée de réactions chimiques entre les composants moléculaires de la chaîne respiratoire.

Ainsi, les deux principales voies de génération et de régénération de l'ATP dans les cellules vivantes : la phosphorylation oxydative (respiration) et la photophosphorylation (absorption de la lumière) - bien que soutenues par différentes sources d'énergie externes, toutes deux dépendent du travail de chaînes d'enzymes catalytiques immergées dans les membranes. : les membranes internes des mitochondries , les membranes thylakoïdes des chloroplastes ou membranes plasmiques quelques bactéries.

Il est impossible de comprendre comment le corps humain est structuré et « fonctionne » sans comprendre comment le métabolisme se produit dans la cellule. Chaque cellule vivante doit constamment produire de l’énergie. Elle a besoin d'énergie pour générer de la chaleur et synthétiser (créer) certains produits chimiques vitaux, tels que des protéines ou des protéines. substance héréditaire. Énergie La cellule en a besoin pour bouger. Cellules du corps, capables d'effectuer des mouvements sont appelés musculaires. Ils peuvent rétrécir. Cela met nos bras, nos jambes, notre cœur et nos intestins en mouvement. Enfin, il faut de l'énergie pour produire électricité: grâce à lui, certaines parties du corps « communiquent » avec d’autres. Et la connexion entre eux est principalement assurée par les cellules nerveuses.

D’où les cellules tirent-elles leur énergie ? La réponse est : cela les aide ATP. Laisse-moi expliquer. Les cellules brûlent nutriments, et une certaine quantité d’énergie est libérée. Ils l'utilisent pour synthétiser un Substance chimique, qui accumule l’énergie dont ils ont tant besoin. Cette substance est appelée l'adénosine triphosphate(en abrégé ATP). Lorsqu’une molécule d’ATP contenue dans une cellule est décomposée, l’énergie qui y est stockée est libérée. Grâce à cette énergie, la cellule peut produire de la chaleur, du courant électrique, synthétiser des produits chimiques ou encore effectuer des mouvements. En bref, ATP active tout le « mécanisme » de la cellule.

Voici à quoi ressemble un mince cercle teinté de tissu prélevé... au microscope. glande pituitaire- un appendice cérébral de la taille d'un pois. Rouge, jaune, bleu, taches violettes, ainsi que des taches de couleur chair sont cellules avec noyaux. Chaque type de cellule hypophysaire sécrète une ou plusieurs hormones vitales.

Parlons maintenant plus en détail de la manière dont les cellules obtiennent l'ATP. Nous connaissons déjà la réponse. Cellules brûler les nutriments. Ils peuvent le faire de deux manières. Tout d’abord, brûlez les glucides, principalement le glucose, en l’absence d’oxygène. Cela produit une substance que les chimistes appellent acide pyruvique, et le processus de dégradation des glucides lui-même est appelé glycolyse. À la suite de la glycolyse, trop peu d'ATP est produit : la dégradation d'une molécule de glucose s'accompagne de la formation de seulement deux molécules d'ATP. La glycolyse est inefficace : c’est la forme d’extraction d’énergie la plus ancienne. N’oubliez pas que la vie est née dans l’eau, c’est-à-dire dans un environnement où il y avait très peu d’oxygène.

Deuxièmement, cellules du corps brûler l'acide pyruvique, les graisses et les protéines en présence d'oxygène. Toutes ces substances contiennent du carbone et de l'hydrogène. Dans ce cas, la combustion se déroule en deux étapes. Tout d'abord, la cellule extrait l'hydrogène, puis commence immédiatement à décomposer la structure carbonée restante et à se débarrasser du dioxyde de carbone - grâce à membrane cellulaire l'emmène dehors. Dans un deuxième temps, l’hydrogène extrait des nutriments est brûlé (oxydé). De l'eau se forme et une grande quantité d'énergie est libérée. Les cellules en ont suffisamment pour synthétiser de nombreuses molécules d'ATP (l'oxydation, par exemple, de deux molécules d'acide lactique, produit de réduction de l'acide pyruvique, produit 36 ​​molécules d'ATP).

Cette description semble sèche et abstraite. En fait, chacun de nous a vu comment se déroule le processus de production d’énergie. Vous vous souvenez des reportages télévisés depuis les ports spatiaux sur les lancements de fusées ? Ils montent en flèche en raison de l'incroyable quantité d'énergie libérée lors de... l'oxydation de l'hydrogène, c'est-à-dire lorsqu'il est brûlé dans l'oxygène.

Des fusées spatiales de la hauteur d'une tour se précipitent dans le ciel en raison de l'énorme énergie libérée lorsque l'hydrogène est brûlé. oxygène pur. Cette même énergie entretient la vie dans les cellules de notre corps. Ce n'est que chez eux que la réaction d'oxydation se déroule par étapes. De plus, au lieu de l'énergie thermique et cinétique, nos cellules créent d'abord du carburant cellulaire" - ATP.

Leurs réservoirs de carburant sont remplis d'hydrogène liquide et d'oxygène. Lorsque les moteurs démarrent, l’hydrogène commence à s’oxyder et l’énorme fusée s’envole rapidement dans le ciel. Cela semble peut-être incroyable, et pourtant : la même énergie qui vous porte Fusée spatiale, soutient la vie dans les cellules de notre corps.

Sauf qu’aucune explosion ne se produit dans les cellules et qu’une gerbe de flamme n’en jaillit pas. L'oxydation se produit par étapes et des molécules d'ATP se forment donc à la place de l'énergie thermique et cinétique.

Toute propriété des êtres vivants et toute manifestation de la vie est associée à certains réactions chimiques dans une cage. Ces réactions se produisent soit avec la dépense, soit avec la libération d'énergie. L'ensemble des processus de transformation des substances dans une cellule, ainsi que dans le corps, est appelé métabolisme.

Anabolisme

Une cellule maintient la constance de son environnement interne appelée homéostasie. Pour ce faire, il synthétise des substances en fonction de son information génétique.

Riz. 1. Schéma métabolique.

Cette partie du métabolisme, au cours de laquelle sont créés des composés de haut poids moléculaire caractéristiques d'une cellule donnée, est appelée métabolisme plastique (assimilation, anabolisme).

Les réactions anabolisantes comprennent :

• synthèse de protéines à partir d'acides aminés;
• formation d'amidon à partir du glucose ;
• photosynthèse;
• synthèse de graisses à partir de glycérol et d'acides gras.

Ces réactions ne sont possibles qu’avec une dépense d’énergie. Si l'énergie externe (lumineuse) est dépensée pour la photosynthèse, alors pour le reste - les ressources de la cellule.

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La quantité d’énergie dépensée pour l’assimilation est supérieure à celle stockée dans liaisons chimiques, car une partie est utilisée pour réguler le processus.

Catabolisme

L’autre aspect du métabolisme et de la conversion d’énergie dans la cellule est le métabolisme énergétique(dissimilation, catabolisme).

Les réactions cataboliques s'accompagnent d'une libération d'énergie.
Ce processus comprend :

• haleine;
• décomposition des polysaccharides en monosaccharides;
• décomposition des graisses en acide gras et le glycérol, et d'autres réactions.

Riz. 2. Processus cataboliques dans la cellule.

Interrelation des processus d'échange

Tous les processus dans une cellule sont étroitement liés les uns aux autres, ainsi qu'aux processus dans d'autres cellules et organes. Transformations matière organique dépendent de la présence d'acides inorganiques, de macro et microéléments.

Les processus de catabolisme et d’anabolisme se produisent simultanément dans la cellule et constituent deux composantes opposées du métabolisme.

Les processus métaboliques sont associés à certaines structures cellulaires :

• haleine- avec des mitochondries ;
• synthèse des protéines- avec des ribosomes ;
• photosynthèse- avec des chloroplastes.

Une cellule n’est pas caractérisée par des processus chimiques individuels, mais par l’ordre régulier dans lequel ils se produisent. Les régulateurs du métabolisme sont des protéines enzymatiques qui dirigent les réactions et modifient leur intensité.

ATP

L'acide adénosine triphosphorique (ATP) joue un rôle particulier dans le métabolisme. Il s'agit d'un dispositif compact de stockage d'énergie chimique utilisé pour les réactions de fusion.

Riz. 3. Schéma de la structure de l'ATP et de sa conversion en ADP.

En raison de son instabilité, l'ATP forme des molécules d'ADP et d'AMP (di- et monophosphate) avec libération grande quantitéénergie pour les processus d’assimilation.