Energia uvoľnená pri katabolických reakciách sa ukladá vo forme väzieb tzv makroergické. Hlavnou a univerzálnou molekulou, ktorá uchováva energiu, je ATP.

Všetky molekuly ATP v tele sa neustále zúčastňujú na nejakej reakcii, neustále sa rozkladajú na ADP a znova sa regenerujú. Existujú tri hlavné spôsoby využitia ATP, ktoré sa spolu s procesom tvorby AF nazývajú ATP cyklus.

HLAVNÉ ZDROJE ENERGIE V BUNKE

V bunke prebiehajú štyri hlavné procesy, ktoré zabezpečujú uvoľňovanie energie z chemických väzieb pri oxidácii látok a jej skladovaní:

1. Glykolýza (2. stupeň) – oxidácia molekuly glukózy na dve molekuly kyselina pyrohroznová to produkuje 2 molekuly ATP a NADH. Ďalej sa kyselina pyrohroznová premieňa na acetyl-SCoA za aeróbnych podmienok a na kyselinu mliečnu za anaeróbnych podmienok.

2. β-Oxidácia mastných kyselín (2. stupeň) – oxidácia mastných kyselín na acetyl-SCoA, tu vznikajú molekuly NADH a FADH2. molekuly ATP čistej forme"netvorí sa.

3. Cyklus trikarboxylovej kyseliny(cyklus TCA, stupeň 3) – oxidácia acetylovej skupiny (ako súčasť acetyl-SCoA) alebo iných ketokyselín na oxid uhličitý. Reakcie plného cyklu

sú sprevádzané tvorbou 1 molekuly GTP (čo je ekvivalentné jednej ATP), 3 molekúl NADH a 1 molekuly FADH2.

4. Oxidačná fosforylácia(3. stupeň) – NADH a FADH 2 sú oxidované, semi-

podieľa sa na katabolických reakciách glukózy a mastných kyselín. V tomto prípade enzýmy vo vnútornej mitochondriálnej membráne zabezpečujú tvorbu hlavného množstva bunkového ATP z ADP ( fosforylácia).

Hlavným spôsobom tvorby ATP v bunke je oxidatívna fosforylácia. Existuje však aj iný spôsob, ako fosforylovať ADP na ATP – fosforylácia substrátu. Táto metóda je spojená s prenosom vysokoenergetického fosfátu alebo energie vysokoenergetickej väzby akejkoľvek látky (substrátu) na ADP. Medzi takéto látky patria

metabolity glykolýzy(kyselina 1,3-difosfoglycerová, fosfoenolpyruvát),

cyklus trikarboxylových kyselín (sukcinyl-SCoA) kreatínfosfát. Energia hydrolýzy ich vysokoenergetickej väzby je vyššia ako u ATP (7,3 kcal/mol) a úloha týchto látok je redukovaná na použitie na fosforyláciu ADP.

Všetky živé organizmy, okrem vírusov, sa skladajú z buniek. Zabezpečujú všetky procesy potrebné pre život rastliny alebo živočícha. Samotná bunka môže byť samostatný organizmus. A ako môže taká zložitá štruktúra žiť bez energie? Samozrejme, že nie. Ako teda bunky získavajú energiu? Je založená na procesoch, ktoré zvážime nižšie.

Poskytovanie energie bunkám: ako sa to deje?

Len málo buniek prijíma energiu zvonku, vyrábajú si ju sami. majú jedinečné „stanice“. A zdrojom energie v bunke sú mitochondrie, organela, ktorá ju produkuje. V ňom prebieha proces bunkového dýchania. Vďaka nej sú bunky zásobované energiou. Sú však prítomné len v rastlinách, živočíchoch a hubách. Bakteriálne bunky nemajú mitochondrie. Preto sú ich bunky zásobované energiou najmä fermentačnými procesmi a nie dýchaním.

Štruktúra mitochondrií

Ide o dvojmembránovú organelu, ktorá sa objavila v eukaryotickej bunke počas procesu evolúcie v dôsledku jej absorpcie menšej, čo môže vysvetliť skutočnosť, že mitochondrie obsahujú vlastnú DNA a RNA, ako aj mitochondriálne ribozómy, ktoré produkujú. bielkoviny potrebné pre organely.

Vnútorná membrána má výbežky nazývané cristae alebo hrebene. Proces bunkového dýchania prebieha na cristae.

To, čo je vo vnútri dvoch membrán, sa nazýva matrica. Obsahuje bielkoviny, enzýmy potrebné na urýchlenie chemických reakcií, ako aj RNA, DNA a ribozómy.

Bunkové dýchanie je základom života

Prebieha v troch etapách. Pozrime sa na každú z nich podrobnejšie.

Prvá etapa je prípravná

Počas tejto fázy je to ťažké Organické zlúčeniny sú rozdelené na jednoduchšie. Bielkoviny sa teda rozkladajú na aminokyseliny, tuky na karboxylové kyseliny a glycerol, nukleových kyselín- na nukleotidy a sacharidy - na glukózu.

Glykolýza

Toto je štádium bez kyslíka. Spočíva v tom, že látky získané počas prvého stupňa sa ďalej štiepia. Hlavnými zdrojmi energie, ktoré bunka v tomto štádiu využíva, sú molekuly glukózy. Každá z nich sa počas glykolýzy rozpadne na dve molekuly pyruvátu. K tomu dochádza počas desiatich po sebe nasledujúcich chemických reakcií. V dôsledku prvých piatich je glukóza fosforylovaná a potom rozdelená na dve fosfotriózy. Nasledujúcich päť reakcií produkuje dve molekuly a dve molekuly PVA (kyselina pyrohroznová). Energia bunky je uložená vo forme ATP.

Celý proces glykolýzy možno zjednodušiť takto:

2NAD+ 2ADP + 2H3PO4 + C6H12O6 → 2H20 + 2NAD. H2 + 2C3H403 + 2ATP

Použitím jednej molekuly glukózy, dvoch molekúl ADP a dvoch kyselín fosforečných teda bunka dostane dve molekuly ATP (energie) a dve molekuly kyseliny pyrohroznovej, ktoré využije v ďalšom kroku.

Tretím stupňom je oxidácia

Táto fáza sa vyskytuje iba v prítomnosti kyslíka. Chemické reakcie tohto štádia prebiehajú v mitochondriách. Toto je hlavná časť, počas ktorej sa uvoľňuje najviac energie. V tomto štádiu sa pri reakcii s kyslíkom rozkladá na vodu a oxid uhličitý. Okrem toho vzniká 36 molekúl ATP. Môžeme teda konštatovať, že hlavnými zdrojmi energie v bunke sú glukóza a kyselina pyrohroznová.

Ak zhrnieme všetky chemické reakcie a vynecháme detaily, môžeme vyjadriť celý proces bunkového dýchania jednou zjednodušenou rovnicou:

602 + C6H1206 + 38ADP + 38H3PO4 → 6C02 + 6H20 + 38ATP.

Bunka tak pri dýchaní z jednej molekuly glukózy, šiestich molekúl kyslíka, tridsiatich ôsmich molekúl ADP a rovnakého množstva kyseliny fosforečnej dostane 38 molekúl ATP, v podobe ktorého sa ukladá energia.

Rozmanitosť mitochondriálnych enzýmov

Bunka získava energiu pre životne dôležitú činnosť dýchaním – oxidáciou glukózy a následne kyseliny pyrohroznovej. Všetky tieto chemické reakcie by nemohli prebiehať bez enzýmov – biologických katalyzátorov. Pozrime sa na tie, ktoré sa nachádzajú v mitochondriách, organelách zodpovedných za bunkové dýchanie. Všetky sa nazývajú oxidoreduktázy, pretože sú potrebné na zabezpečenie výskytu redoxných reakcií.

Všetky oxidoreduktázy možno rozdeliť do dvoch skupín:

• oxidázy;
• dehydrogenáza;

Dehydrogenázy sa zase delia na aeróbne a anaeróbne. Aeróbne obsahujú koenzým riboflavín, ktorý telo prijíma z vitamínu B2. Aeróbne dehydrogenázy obsahujú molekuly NAD a NADP ako koenzýmy.

Oxidázy sú rôznorodejšie. V prvom rade sú rozdelené do dvoch skupín:

• tie, ktoré obsahujú meď;
• ktoré obsahujú železo.

Prvé zahŕňajú polyfenoloxidázy a askorbátoxidázu, druhé zahŕňajú katalázu, peroxidázu a cytochrómy. Tie sú zase rozdelené do štyroch skupín:

• cytochrómy a;
• cytochrómy b;
• cytochrómy c;
• cytochrómy d.

Cytochrómy a obsahujú formyl porfyrín železa, cytochrómy b - protoporfyrín železa, c - substituovaný mezoporfyrín železa, d - dihydroporfyrín železa.

Existujú aj iné spôsoby získavania energie?

Hoci ho väčšina buniek získava bunkovým dýchaním, existujú aj také anaeróbne baktérie, ktoré na existenciu nepotrebujú kyslík. Vyrábajú potrebnú energiu fermentáciou. Ide o proces, pri ktorom sa pomocou enzýmov štiepia sacharidy bez účasti kyslíka, v dôsledku čoho bunka dostáva energiu. Existuje niekoľko typov fermentácie v závislosti od konečného produktu chemických reakcií. Môže to byť kyselina mliečna, alkohol, kyselina maslová, acetón-bután, kyselina citrónová.

Uvažujme napríklad, že to možno vyjadriť nasledujúcou rovnicou:

C6H1206 → C2H5OH + 2C02

To znamená, že baktéria rozkladá jednu molekulu glukózy na jednu molekulu etylalkohol a dve molekuly oxidu uhlíka (IV).

Bunky neschopné fotosyntézy (napríklad ľudia) získavajú energiu z potravy, ktorou je buď rastlinná biomasa vytvorená ako výsledok fotosyntézy, alebo biomasa iných živých bytostí, ktoré sa živia rastlinami, alebo zvyšky akýchkoľvek živých organizmov.

Živiny (bielkoviny, tuky a sacharidy) premieňa živočíšna bunka na obmedzený súbor nízkomolekulárnych zlúčenín - organických kyselín vybudovaných z atómov uhlíka, ktoré sa pomocou špeciálnych molekulárne mechanizmy oxidujú na oxid uhličitý a vodu. V tomto prípade sa energia uvoľňuje, hromadí sa vo forme elektrochemického potenciálového rozdielu na membránach a využíva sa na syntézu ATP alebo priamo na vykonávanie určitých druhov prác.

História štúdia problémov premeny energie na živočíšna bunka, rovnako ako história fotosyntézy siaha viac ako dve storočia do minulosti.

V aeróbnych organizmoch prebieha oxidácia uhlíkových atómov organických kyselín na oxid uhličitý a vodu pomocou kyslíka a nazýva sa intracelulárne dýchanie, ktoré prebieha v špecializovaných časticiach – mitochondriách. Transformáciu oxidačnej energie vykonávajú enzýmy umiestnené v prísnom poradí vo vnútorných membránach mitochondrií. Tieto enzýmy tvoria takzvaný dýchací reťazec a fungujú ako generátory, čím vytvárajú rozdiel elektrochemického potenciálu cez membránu, cez ktorú sa syntetizuje ATP, podobne ako pri fotosyntéze.

Hlavnou úlohou dýchania aj fotosyntézy je udržiavať pomer ATP/ADP na určitej úrovni, ďaleko od termodynamickej rovnováhy, čo umožňuje ATP slúžiť ako donor energie a posúvať tak rovnováhu reakcií, na ktorých sa zúčastňuje.

Hlavnými energetickými stanicami živých buniek sú mitochondrie - vnútrobunkové častice o veľkosti 0,1-10μ, pokryté dvoma membránami. V mitochondriách sa voľná energia z oxidácie potravy premieňa na voľnú energiu ATP. Keď sa ATP spojí s vodou, pri normálnych koncentráciách reaktantov sa uvoľní voľná energia rádovo 10 kcal/mol.

V anorganickej prírode sa zmes vodíka a kyslíka nazýva „výbušná“: na výbuch stačí malá iskra - okamžitá tvorba vody s obrovským uvoľnením energie vo forme tepla. Úlohou enzýmov dýchacieho reťazca je vyvolať „výbuch“, aby sa uvoľnená energia uložila vo forme vhodnej na syntézu ATP. Robia to, že prenášajú elektróny usporiadaným spôsobom z jednej zložky na druhú (v konečnom dôsledku do kyslíka), čím postupne znižujú potenciál vodíka a ukladajú energiu.

Nasledujúce obrázky ukazujú rozsah tejto práce. Mitochondrie u dospelého človeka priemernej výšky a hmotnosti pumpujú cez svoje membrány asi 500 g vodíkových iónov denne, čím vytvárajú membránový potenciál. Počas toho istého času H+-ATP syntáza vyprodukuje asi 40 kg ATP z ADP a fosfátu a procesy využívajúce ATP hydrolyzujú celú hmotu ATP späť na ADP a fosfát.

Výskum ukázal, že mitochondriálna membrána funguje ako napäťový transformátor. Ak prenesiete elektróny substrátu z NADH priamo na kyslík cez membránu, vznikne potenciálny rozdiel asi 1 V biologické membrány- dvojvrstvové fosfolipidové filmy takýto rozdiel nevydržia - dochádza k rozpadu. Navyše na výrobu ATP z ADP, fosfátu a vody je potrebných len 0,25 V, čo znamená, že je potrebný napäťový transformátor. A dlho pred príchodom človeka bunky „vynašli“ takéto molekulárne zariadenie. Umožňuje štvornásobné zvýšenie prúdu a vďaka energii každého elektrónu preneseného zo substrátu na kyslík preniesť cez membránu štyri protóny vďaka prísne koordinovanej sekvencii chemických reakcií medzi molekulárnymi zložkami dýchacieho reťazca.

Takže dve hlavné cesty na tvorbu a regeneráciu ATP v živých bunkách: oxidačná fosforylácia (dýchanie) a fotofosforylácia (absorpcia svetla) - hoci sú podporované rôznymi vonkajšími zdrojmi energie, obe závisia od práce reťazcov katalytických enzýmov ponorených do membrán. : vnútorné membrány mitochondrií, tylakoidné membrány chloroplastov príp plazmatické membrány niektoré baktérie.

Je nemožné pochopiť, ako je ľudské telo štruktúrované a „funguje“ bez toho, aby sme pochopili, ako prebieha metabolizmus v bunke. Každý živá bunka musí neustále vyrábať energiu. Potrebuje energiu na generovanie tepla a syntézu (vytvorenie) niektorých životne dôležitých chemikálií, ako sú bielkoviny alebo dedičná látka. Energia bunka to potrebuje na pohyb. Bunky tela, schopné robiť pohyby sa nazývajú svalové. Môžu sa zmenšiť. To dáva do pohybu naše ruky, nohy, srdce a črevá. Nakoniec je na výrobu potrebná energia elektriny: vďaka nemu niektoré časti tela „komunikujú“ s inými. A spojenie medzi nimi zabezpečujú predovšetkým nervové bunky.

Odkiaľ bunky získavajú energiu? Odpoveď znie: pomáha im to ATP. Nechaj ma vysvetliť. Bunky horia živiny a uvoľní sa určité množstvo energie. Používajú ho na syntézu špeciálneho Chemická látka, ktorá akumuluje energiu, ktorú tak veľmi potrebujú. Táto látka je tzv adenosintrifosfátu(skrátene ATP). Keď sa molekula ATP obsiahnutá v bunke rozpadne, uvoľní sa v nej uložená energia. Vďaka tejto energii môže bunka produkovať teplo, elektrický prúd, syntetizovať chemikálie alebo vykonávať pohyby. V skratke, ATP aktivuje celý „mechanizmus“ bunky.

Takto vyzerá tenký, zafarbený kruh tkaniva odobratý z... pod mikroskopom. hypofýza- mozgový prívesok veľkosti hrášku. Červená, žltá, modrá, fialové škvrny, ako aj fľaky telovej farby sú bunky s jadrami. Každý typ buniek hypofýzy vylučuje jeden alebo viac životne dôležitých hormónov.

Teraz si povedzme podrobnejšie o tom, ako bunky získavajú ATP. Odpoveď už poznáme. Bunky spáliť živiny. Môžu to urobiť dvoma spôsobmi. Najprv spálite sacharidy, hlavne glukózu, v neprítomnosti kyslíka. Vzniká tak látka, ktorú chemici nazývajú kyselina pyrohroznová a samotný proces rozkladu sacharidov sa nazýva glykolýza. V dôsledku glykolýzy vzniká príliš málo ATP: rozklad jednej molekuly glukózy je sprevádzaný tvorbou iba dvoch molekúl ATP. Glykolýza je neefektívna – je to najstaršia forma získavania energie. Pamätajte, že život vznikol vo vode, teda v prostredí, kde bolo veľmi málo kyslíka.

po druhé, telových buniek spáliť kyselinu pyrohroznovú, tuky a bielkoviny za prítomnosti kyslíka. Všetky tieto látky obsahujú uhlík a vodík. V tomto prípade prebieha spaľovanie v dvoch fázach. Najprv bunka extrahuje vodík, potom okamžite začne rozkladať zostávajúci uhlíkový rám a zbaví sa oxidu uhličitého - prostredníctvom bunková membrána vezme ho von. V druhej fáze sa vodík extrahovaný zo živín spaľuje (oxiduje). Vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo energie. Bunky ho majú dostatok na syntézu mnohých molekúl ATP (oxidáciou napr. dvoch molekúl kyseliny mliečnej, redukčného produktu kyseliny pyrohroznovej, vzniká 36 molekúl ATP).

Tento opis pôsobí sucho a abstraktne. V skutočnosti každý z nás videl, ako prebieha proces výroby energie. Pamätáte si televízne správy z kozmických prístavov o štartoch rakiet? Stúpajú nahor kvôli neuveriteľnému množstvu energie uvoľnenej počas oxidácie vodíka, to znamená, keď sa spaľuje v kyslíku.

Vesmírne rakety s výškou veže sa rútia do neba kvôli obrovskej energii, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní vodíka. čistý kyslík. Tá istá energia udržuje život v bunkách nášho tela. Iba v nich prebieha oxidačná reakcia v etapách. Okrem toho naše bunky namiesto tepelnej a kinetickej energie najskôr vytvárajú bunkové palivo“ - ATP.

Ich palivové nádrže sú naplnené kvapalným vodíkom a kyslíkom. Keď sa motory naštartujú, vodík začne oxidovať a obrovská raketa rýchlo vyletí k oblohe. Možno sa to zdá neuveriteľné, a predsa: rovnaká energia, ktorá vás nesie hore vesmírna raketa, podporuje život v bunkách nášho tela.

Až na to, že v článkoch nedochádza k výbuchu a nevyšľahá z nich snop plameňa. Oxidácia prebieha v etapách, a preto sa namiesto tepelnej a kinetickej energie tvoria molekuly ATP.

Akákoľvek vlastnosť živých vecí a akýkoľvek prejav života je spojený s určitým chemické reakcie v klietke. K týmto reakciám dochádza buď pri výdaji alebo výdaji energie. Celý súbor procesov premeny látok v bunke, ako aj v tele, sa nazýva metabolizmus.

Anabolizmus

Bunka si zachováva svoju stálosť vnútorné prostredie nazývaná homeostáza. K tomu syntetizuje látky v súlade so svojou genetickou informáciou.

Ryža. 1. Metabolická schéma.

Táto časť metabolizmu, pri ktorej vznikajú vysokomolekulárne zlúčeniny charakteristické pre danú bunku, sa nazýva plastický metabolizmus (asimilácia, anabolizmus).

Anabolické reakcie zahŕňajú:

• syntéza bielkovín z aminokyselín;
• tvorba škrobu z glukózy;
• fotosyntéza;
• syntéza tukov z glycerolu a mastných kyselín.

Tieto reakcie sú možné len s vynaložením energie. Ak sa vonkajšia (svetelná) energia vynakladá na fotosyntézu, potom na zvyšok - zdroje bunky.

TOP 4 článkyktorí spolu s týmto čítajú

Množstvo energie vynaloženej na asimiláciu je väčšie ako to, čo je uložené chemické väzby, pretože časť sa používa na reguláciu procesu.

Katabolizmus

Druhá strana metabolizmu a premeny energie v bunke je energetický metabolizmus(disimilácia, katabolizmus).

Katabolické reakcie sú sprevádzané uvoľňovaním energie.
Tento proces zahŕňa:

• dych;
• štiepenie polysacharidov na monosacharidy;
• rozklad tukov na mastné kyseliny a glycerol a ďalšie reakcie.

Ryža. 2. Katabolické procesy v bunke.

Vzájomný vzťah výmenných procesov

Všetky procesy v bunke spolu úzko súvisia, ako aj s procesmi v iných bunkách a orgánoch. Premeny organickej hmoty závisia od prítomnosti anorganických kyselín, makro- a mikroprvkov.

Procesy katabolizmu a anabolizmu prebiehajú v bunke súčasne a sú to dve protichodné zložky metabolizmu.

Metabolické procesy sú spojené s určitými bunkovými štruktúrami:

• dych- s mitochondriami;
• Syntézy bielkovín- s ribozómami;
• fotosyntéza- s chloroplastmi.

Bunku charakterizujú nie jednotlivé chemické procesy, ale pravidelné poradie, v ktorom sa vyskytujú. Regulátory metabolizmu sú enzýmové proteíny, ktoré riadia reakcie a menia ich intenzitu.

ATP

Kyselina adenozíntrifosforečná (ATP) hrá špeciálnu úlohu v metabolizme. Je to kompaktné zariadenie na uchovávanie chemickej energie používané na fúzne reakcie.

Ryža. 3. Schéma štruktúry ATP a jeho premena na ADP.

Vďaka svojej nestabilite ATP vytvára molekuly ADP a AMP (di- a monofosfát) s uvoľňovaním veľké množstvá energie pre asimilačné procesy.