A katabolikus reakciók során felszabaduló energiát kötések formájában tárolják, az úgynevezett makroergikus. A fő és univerzális energiatároló molekula az ATP.

A szervezetben lévő összes ATP molekula folyamatosan részt vesz valamilyen reakcióban, folyamatosan ADP-vé bomlik és újra regenerálódik. Az ATP használatának három fő módja van, amelyeket az AF kialakulásának folyamatával együtt ATP-ciklusnak nevezünk.

FŐ ENERGIAFORRÁSOK A SEJTBEN

A sejtben négy fő folyamat zajlik, amelyek biztosítják az energia felszabadulását a kémiai kötésekből az anyagok oxidációja és tárolása során:

1. Glikolízis (2. szakasz) – egy glükózmolekula oxidációja két molekulává piroszőlősav, ez 2 molekula ATP-t és NADH-t termel. Továbbá a piroszőlősav aerob körülmények között acetil-SCoA-vá, anaerob körülmények között tejsavvá alakul.

2. Zsírsavak β-oxidációja (2. szakasz) – zsírsavak oxidációja acetil-SCoA-vá, itt keletkeznek a NADH és FADH2 molekulák. ATP molekulák tiszta forma"nem képződik.

3. Trikarbonsav ciklus(TCA ciklus, 3. szakasz) – az acetilcsoport (az acetil-SCoA részeként) vagy más ketosavak oxidációja szén-dioxid. Teljes ciklusú reakciók

1 molekula GTP (ami egy ATP-nek felel meg), 3 molekula NADH és 1 molekula FADH2 képződése kíséri.

4. Oxidatív foszforiláció(3. szakasz) – A NADH és a FADH 2 oxidált, félig

részt vesz a glükóz és a zsírsavak katabolizmusában. Ebben az esetben a belső mitokondriális membrán enzimei biztosítják a sejt ATP fő mennyiségének kialakulását az ADP-ből ( foszforiláció).

Az ATP sejtben történő előállításának fő módja az oxidatív foszforiláció. Van azonban egy másik módja is az ADP-nek ATP-vé történő foszforilezésének - szubsztrát foszforiláció. Ez a módszer bármely anyag (szubsztrát) nagyenergiájú foszfátjának vagy nagyenergiájú kötési energiájának ADP-be való átviteléhez kapcsolódik. Ilyen anyagok közé tartozik

a glikolízis metabolitjai(1,3-difoszfoglicerinsav, foszfoenolpiruvát),

trikarbonsav ciklus (szukcinil-SCoA) kreatin-foszfát. Nagyenergiájú kötésük hidrolízisének energiája magasabb, mint az ATP-é (7,3 kcal/mol), és ezeknek az anyagoknak a szerepe az ADP foszforilációjára csökken.

A vírusok kivételével minden élő szervezet sejtekből áll. Minden olyan folyamatot biztosítanak, amely egy növény vagy állat életéhez szükséges. Maga a sejt lehet külön szervezet. És hogyan élhet egy ilyen összetett szerkezet energia nélkül? Természetesen nem. Tehát hogyan jutnak a sejtek energiához? Az alábbiakban tárgyalt folyamatokon alapul.

A sejtek energiával való ellátása: hogyan történik ez?

Kevés sejt kap energiát kívülről, saját maga állítja elő. egyedi „állomásai” vannak. A sejt energiaforrása pedig a mitokondrium, az azt termelő organellum. A sejtlégzés folyamata megy végbe benne. Ennek köszönhetően a sejteket energiával látják el. Ezek azonban csak növényekben, állatokban és gombákban vannak jelen. A bakteriális sejteknek nincs mitokondriumuk. Ezért sejtjeik energiaellátását elsősorban fermentációs folyamatok, nem pedig légzés útján látják el.

A mitokondriumok szerkezete

Ez egy kettős membrán organellum, amely egy eukarióta sejtben jelent meg az evolúció során, egy kisebb sejt felszívódása következtében. Ezzel magyarázható, hogy a mitokondriumok saját DNS-t és RNS-t, valamint mitokondriális riboszómákat tartalmaznak. az organellumokhoz szükséges fehérjék.

A belső membránon cristae-knak vagy bordáknak nevezett kiemelkedések vannak. A sejtlégzés folyamata a cristae-n megy végbe.

Ami a két membrán belsejében van, azt mátrixnak nevezzük. Fehérjéket, a kémiai reakciók felgyorsításához szükséges enzimeket, valamint RNS-t, DNS-t és riboszómákat tartalmaz.

A sejtlégzés az élet alapja

Három szakaszban zajlik. Nézzük mindegyiket részletesebben.

Az első szakasz az előkészítő

Ebben a szakaszban nehéz szerves vegyületek egyszerűbbekre oszlanak. Így a fehérjék aminosavakra, a zsírok karbonsavakra és glicerinre bomlanak, nukleinsavak- nukleotidokhoz és szénhidrátokhoz - glükózhoz.

Glikolízis

Ez az oxigénmentes szakasz. Ez abban rejlik, hogy az első szakaszban nyert anyagokat tovább bontják. A fő energiaforrások, amelyeket a sejt ebben a szakaszban használ, a glükózmolekulák. Mindegyikük két piruvát molekulára bomlik a glikolízis során. Ez tíz egymást követő kémiai reakció során következik be. Az első öt eredményeként a glükóz foszforilálódik, majd két foszfotriózra hasad. A következő öt reakció során két molekula és két PVA (piroszőlősav) molekula keletkezik. A sejt energiája ATP formájában raktározódik.

A glikolízis teljes folyamata a következőképpen egyszerűsíthető:

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

Így egy glükózmolekula, két ADP molekula és két foszforsav felhasználásával a sejt két molekula ATP-t (energia) és két molekula piroszőlősavat kap, amelyeket a következő lépésben használ fel.

A harmadik szakasz az oxidáció

Ez a szakasz csak oxigén jelenlétében következik be. Ennek a szakasznak a kémiai reakciói a mitokondriumokban mennek végbe. Ez az a fő rész, amely során a legtöbb energia szabadul fel. Ebben a szakaszban oxigénnel reagálva vízzé és szén-dioxiddá bomlik. Ezenkívül 36 ATP-molekula képződik. Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a sejt fő energiaforrásai a glükóz és a piroszőlősav.

Összefoglalva az összes kémiai reakciót és a részleteket kihagyva, a sejtlégzés teljes folyamatát egyetlen leegyszerűsített egyenlettel fejezhetjük ki:

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

Így a légzés során egy glükózmolekulából, hat oxigénmolekulából, harmincnyolc molekula ADP-ből és ugyanennyi foszforsavból a sejt 38 molekula ATP-t kap, amelyek formájában az energia tárolódik.

A mitokondriális enzimek sokfélesége

A sejt a létfontosságú tevékenységhez a légzés révén kap energiát – a glükóz, majd a piroszőlősav oxidációja révén. Mindezek a kémiai reakciók nem mehettek végbe enzimek – biológiai katalizátorok – nélkül. Nézzük meg azokat, amelyek a mitokondriumokban, a sejtlégzésért felelős organellumokban találhatók. Mindegyiket oxidoreduktáznak nevezik, mert szükségesek a redox-reakciók létrejöttéhez.

Minden oxidoreduktáz két csoportra osztható:

• oxidázok;
• dehidrogenáz;

A dehidrogenázokat viszont aerob és anaerob csoportokra osztják. Az aerobok a riboflavin koenzimet tartalmazzák, amelyet a szervezet a B2-vitaminból kap. Az aerob dehidrogenázok NAD és NADP molekulákat tartalmaznak koenzimként.

Az oxidázok változatosabbak. Először is két csoportra oszthatók:

• réztartalmúak;
• amelyek vasat tartalmaznak.

Az előbbiek közé tartoznak a polifenoloxidázok és az aszkorbát-oxidáz, az utóbbiak a kataláz, a peroxidáz és a citokrómok. Az utóbbiak viszont négy csoportra oszthatók:

• citokrómok a;
• citokrómok b;
• citokrómok c;
• citokrómok d.

A citokrómok a vas-formil-porfirint, a citokrómok b - vas protoporfirint, c - szubsztituált vas-mezoporfirint, d - vas-dihidroporfirint tartalmaznak.

Vannak más módok az energiaszerzésre?

Bár a legtöbb sejt sejtlégzés útján jut hozzá, vannak ilyenek is anaerob baktériumok, amelyek létezéséhez nincs szükség oxigénre. Erjedés útján állítják elő a szükséges energiát. Ez egy olyan folyamat, melynek során enzimek segítségével a szénhidrátok oxigén közreműködése nélkül lebomlanak, aminek eredményeként a sejt energiát kap. A kémiai reakciók végtermékétől függően többféle fermentáció létezik. Ez lehet tejsav, alkohol, vajsav, aceton-bután, citromsav.

Vegyük például, hogy ez a következő egyenlettel fejezhető ki:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Vagyis a baktérium egy glükózmolekulát bont le egy molekulává etilalkoholés két molekula szén(IV)-oxid.

A fotoszintézisre képtelen sejtek (például az ember) élelmiszerből nyernek energiát, amely vagy a fotoszintézis eredményeként létrejövő növényi biomassza, vagy más, növényekből táplálkozó élőlények biomasszája, vagy bármely élő szervezet maradványa.

A tápanyagokat (fehérjéket, zsírokat és szénhidrátokat) az állati sejt korlátozott számú kis molekulatömegű vegyületté - szénatomokból felépülő szerves savakká - alakítja át, melyeket speciálisan molekuláris mechanizmusok szén-dioxiddá és vízzé oxidálódik. Ebben az esetben energia szabadul fel, amely elektrokémiai potenciálkülönbség formájában halmozódik fel a membránokon, és az ATP szintézisére vagy közvetlenül bizonyos típusú munkák elvégzésére szolgál.

Az energiává alakítás problémáinak tanulmányozásának története állati sejt, akárcsak a fotoszintézis története, több mint két évszázadra nyúlik vissza.

Az aerob szervezetekben a szerves savak szénatomjainak szén-dioxiddá és vízzé történő oxidációja oxigén segítségével történik, és intracelluláris légzésnek nevezik, amely speciális részecskékben - mitokondriumokban - fordul elő. Az oxidációs energia átalakítását a mitokondriumok belső membránjában szigorú sorrendben elhelyezkedő enzimek végzik. Ezek az enzimek alkotják az úgynevezett légzési láncot, és generátorként működnek, elektrokémiai potenciálkülönbséget hozva létre a membránon keresztül, amelyen keresztül az ATP szintetizálódik, hasonlóan ahhoz, ami a fotoszintézis során történik.

Mind a légzés, mind a fotoszintézis fő feladata az ATP/ADP arány egy bizonyos szinten tartása, távol a termodinamikai egyensúlytól, ami lehetővé teszi, hogy az ATP energiadonorként szolgáljon, eltolja azon reakciók egyensúlyát, amelyekben részt vesz.

Az élő sejtek fő energiaállomásai a mitokondriumok - 0,1-10 μ méretű intracelluláris részecskék, amelyeket két membrán borít. A mitokondriumokban az élelmiszer oxidációjából származó szabad energia ATP szabad energiává alakul. Amikor az ATP vízzel keveredik, a reagensek normál koncentrációja mellett 10 kcal/mol nagyságrendű szabadenergia szabadul fel.

A szervetlen természetben a hidrogén és az oxigén keverékét „robbanásveszélyesnek” nevezik: egy kis szikra elegendő ahhoz, hogy robbanást okozzon - a víz azonnali képződését hatalmas energiafelszabadulás mellett hő formájában. A légzési lánc enzimeinek feladata, hogy „robbanást” hozzanak létre, hogy a felszabaduló energiát az ATP szintézisére alkalmas formában tárolják. Amit csinálnak, az az elektronok rendezett átvitele egyik komponensből a másikba (végső soron az oxigénbe), fokozatosan csökkentve a hidrogén potenciálját és energiát tárolva.

A következő ábrák ennek a munkának a mértékét mutatják. Egy átlagos magasságú és testsúlyú felnőtt mitokondriumai naponta körülbelül 500 g hidrogéniont pumpálnak át a membránjukon, Membránpotenciál. Ugyanezen idő alatt a H + -ATP szintáz körülbelül 40 kg ATP-t termel ADP-ből és foszfátból, és az ATP-felhasználó folyamatok az ATP teljes tömegét visszahidrolizálják ADP-vé és foszfáttá.

A kutatások kimutatták, hogy a mitokondriális membrán feszültségtranszformátorként működik. Ha a szubsztrát elektronokat a NADH-ból közvetlenül az oxigénbe viszi át a membránon keresztül, körülbelül 1 V potenciálkülönbség keletkezik biológiai membránok- a kétrétegű foszfolipid filmek nem tudnak ellenállni egy ilyen különbségnek - lebomlás következik be. Ezenkívül az ATP ADP-ből, foszfátból és vízből történő előállításához csak 0,25 V szükséges, ami azt jelenti, hogy feszültségváltóra van szükség. És jóval az ember megjelenése előtt a sejtek „feltaláltak” egy ilyen molekuláris eszközt. Lehetővé teszi az áramerősség megnégyszereződését, és az egyes elektronok energiája révén, amelyek a szubsztrátról az oxigénre jutnak át, négy proton átjuttatását a membránon a légzési lánc molekuláris komponensei közötti szigorúan összehangolt kémiai reakciósorozatnak köszönhetően.

Tehát az ATP élő sejtekben történő előállításának és regenerációjának két fő útja: az oxidatív foszforiláció (légzés) és a fotofoszforiláció (fényelnyelés) - bár különböző külső energiaforrások támogatják, mindkettő a membránokba merült katalitikus enzimláncok munkájától függ. : a mitokondriumok belső membránjai , a kloroplasztiszok tilakoid membránjai ill plazmamembránok néhány baktérium.

Lehetetlen megérteni, hogyan épül fel és „működik” az emberi test anélkül, hogy megértené, hogyan megy végbe az anyagcsere a sejtben. Minden egyes élő sejt folyamatosan energiát kell termelnie. Energiára van szüksége a hőtermeléshez és néhány létfontosságú vegyi anyag szintetizálásához (létrehozásához), például fehérjékhez vagy örökletes anyag. Energia A sejtnek szüksége van rá, hogy mozogjon. Testsejtek, mozgásra képes nevezzük izmos. Összezsugorodhatnak. Ez mozgásba hozza karjainkat, lábainkat, szívünket és beleinket. Végül az előállításhoz energiára van szükség elektromosság: ennek köszönhetően egyes testrészek „kommunikálnak” másokkal. A köztük lévő kapcsolatot pedig elsősorban az idegsejtek biztosítják.

Honnan nyernek energiát a sejtek? A válasz: segít nekik ATP. Hadd magyarázzam. A sejtek égnek tápanyagok, és bizonyos mennyiségű energia szabadul fel. Egy speciális szintetizálására használják Vegyi anyag, amely felhalmozza a szükséges energiát. Ezt az anyagot nevezik adenozin-trifoszfát(rövidítve ATP). Amikor egy sejtben található ATP-molekula lebomlik, a benne tárolt energia felszabadul. Ennek az energiának köszönhetően a sejt hőt, elektromos áramot termelhet, vegyi anyagokat szintetizálhat, vagy mozgásokat végezhet. Röviden, ATP aktiválja a sejt teljes „mechanizmusát”.

Így néz ki mikroszkóp alatt egy vékony, színezett szövetkör, amelyből... vettek ki. agyalapi mirigy- borsó nagyságú agyi függelék. Piros, sárga, kék, lila foltok, valamint a hússzínű foltok is sejtmaggal rendelkező sejtek. Az agyalapi mirigy sejtjei mindegyik típusa egy vagy több létfontosságú hormont választ ki.

Most beszéljünk részletesebben arról, hogyan jutnak a sejtek ATP-hez. Már tudjuk a választ. Sejtek elégetni a tápanyagokat. Ezt kétféleképpen tehetik meg. Először is égesse el a szénhidrátokat, főleg a glükózt oxigén hiányában. Ez egy olyan anyagot termel, amelyet a vegyészek piroszőlősavnak neveznek, és magát a szénhidrát lebontási folyamatot glikolízisnek nevezik. A glikolízis következtében túl kevés ATP termelődik: egy glükózmolekula lebomlása mindössze két ATP-molekula képződésével jár együtt. A glikolízis nem hatékony – ez az energiakinyerés legrégebbi formája. Ne feledje, hogy az élet a vízben keletkezett, vagyis egy olyan környezetben, ahol nagyon kevés oxigén volt.

Másodszor, testsejtekégesse el a piroszőlősavat, a zsírokat és a fehérjéket oxigén jelenlétében. Mindezek az anyagok szenet és hidrogént tartalmaznak. Ebben az esetben az égés két szakaszban történik. Először a sejt hidrogént von ki, majd azonnal elkezdi lebontani a maradék szénkeretet és megszabadul a szén-dioxidtól - sejt membrán kivezeti. A második szakaszban a tápanyagokból kinyert hidrogént elégetik (oxidálják). Víz képződik, és nagy mennyiségű energia szabadul fel. A sejteknek elegendő belőle sok ATP-molekula szintetizálásához (például két molekula tejsav, a piroszőlősav redukciós termékének oxidációja során 36 ATP-molekula keletkezik).

Ez a leírás száraznak és elvontnak tűnik. Valójában mindannyian láttuk, hogyan megy végbe az energiatermelés folyamata. Emlékszel az űrkikötőkből rakétakilövésekről szóló televíziós riportokra? Felfelé szárnyalnak a hihetetlen mennyiségű energia miatt, amely a hidrogén oxidációja során szabadul fel, vagyis amikor oxigénben elégetik.

Toronymagasságú űrrakéták rohannak az égbe a hidrogén elégetésekor felszabaduló hatalmas energia miatt. tiszta oxigén. Ugyanez az energia tartja fenn az életet testünk sejtjeiben. Csak bennük megy végbe az oxidációs reakció szakaszosan. Ráadásul a hő- és kinetikus energia helyett sejtjeink először cellás tüzelőanyagot hoznak létre." ATP.

Üzemanyagtartályaik tele vannak folyékony hidrogénnel és oxigénnel. Amikor a motorok beindulnak, a hidrogén oxidálódni kezd, és a hatalmas rakéta gyorsan az égbe repül. Talán hihetetlennek tűnik, és mégis: ugyanaz az energia, ami felvisz téged űrrakéta, támogatja az életet testünk sejtjeiben.

Kivéve, hogy a cellákban nem történik robbanás, és nem tör ki belőlük egy lángszál sem. Az oxidáció szakaszosan megy végbe, ezért a termikus és kinetikus energia helyett ATP-molekulák képződnek.

Az élőlények bármely tulajdonsága és az élet bármely megnyilvánulása bizonyoshoz kapcsolódik kémiai reakciók ketrecben. Ezek a reakciók energiafelhasználással vagy felszabadulással lépnek fel. Az anyagok átalakítási folyamatainak teljes sorozatát a sejtben, valamint a szervezetben metabolizmusnak nevezik.

Anabolizmus

Egy sejt fenntartja saját állandóságát belső környezet homeosztázisnak nevezik. Ennek érdekében genetikai információinak megfelelően anyagokat szintetizál.

Rizs. 1. Anyagcsere séma.

Az anyagcserének ezt a részét, amelynek során az adott sejtre jellemző nagy molekulatömegű vegyületek jönnek létre, plasztikus anyagcserének (asszimilációnak, anabolizmusnak) nevezzük.

Az anabolikus reakciók a következők:

• fehérjék szintézise aminosavakból;
• keményítő képződése glükózból;
• fotoszintézis;
• zsírok szintézise glicerinből és zsírsavakból.

Ezek a reakciók csak energiaráfordítással lehetségesek. Ha külső (fény) energiát fordítanak a fotoszintézisre, akkor a többire - a sejt erőforrásaira.

TOP 4 cikkakik ezzel együtt olvasnak

Az asszimilációra fordított energia mennyisége nagyobb, mint amennyit elraktározunk kémiai kötések, mert egy része a folyamat szabályozására szolgál.

Katabolizmus

Az anyagcsere és az energiaátalakítás másik oldala a sejtben az energiaanyagcsere(disszimiláció, katabolizmus).

A katabolikus reakciókat energiafelszabadulás kíséri.
Ez a folyamat a következőket tartalmazza:

• lehelet;
• poliszacharidok lebontása monoszacharidokká;
• zsírok lebontása a zsírsavés glicerin, és egyéb reakciók.

Rizs. 2. Katabolikus folyamatok a sejtben.

Cserefolyamatok kölcsönhatása

A sejtben zajló összes folyamat szorosan összefügg egymással, valamint más sejtekben és szervekben zajló folyamatokkal. Átváltozások szerves anyag szervetlen savak, makro- és mikroelemek jelenlététől függ.

A katabolizmus és az anabolizmus folyamatai egyszerre mennek végbe a sejtben, és az anyagcsere két ellentétes összetevője.

Az anyagcsere folyamatok bizonyos sejtstruktúrákhoz kapcsolódnak:

• lehelet- mitokondriumokkal;
• protein szintézis- riboszómákkal;
• fotoszintézis- kloroplasztiszokkal.

Egy sejtet nem az egyedi kémiai folyamatok, hanem azok szabályos sorrendje jellemzi. Az anyagcsere-szabályozók olyan enzimfehérjék, amelyek irányítják a reakciókat és megváltoztatják azok intenzitását.

ATP

Az adenozin-trifoszforsav (ATP) különleges szerepet játszik az anyagcserében. Ez egy kompakt kémiai energiatároló eszköz, amelyet fúziós reakciókhoz használnak.

Rizs. 3. Az ATP szerkezetének és ADP-vé való átalakulásának vázlata.

Instabilitása miatt az ATP felszabadulásával ADP és AMP (di- és monofoszfát) molekulákat képez. nagy mennyiség energia az asszimilációs folyamatokhoz.