Де запасається енергія у клітці. Забезпечення клітин енергією. Джерело енергії. Чим корисні вітаміни групи B

Величезне обертання гладких дерев,
які на безплідному піску корінь
свій затвердили, ясно виявляє, що
жирними листами жирний тук із повітря
вбирають...
М. В. Ломоносов

Як енергія запасається у клітці? Що таке метаболізм? У чому суть процесів гліколізу, бродіння та клітинного дихання? Які процеси відбуваються на світловій та темновій фазах фотосинтезу? Як пов'язані процеси енергетичного та пластичного обміну? Що є хемосинтез?

Урок-лекція

Здатність перетворювати одні види енергії в інші (енергію випромінювання в енергію хімічних зв'язків, хімічну енергію в механічну тощо) належить до фундаментальних властивостей живого. Тут докладно розглянемо, як реалізуються ці процеси в живих організмів.

АТФ - ГОЛОВНИЙ ПЕРЕНОСЧИК ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ. Для будь-яких проявів життєдіяльності клітин необхідна енергія. Автотрофні організми отримують вихідну енергію від Сонця в ході реакцій фотосинтезу, гетеротрофні ж як джерело енергії використовують органічні сполуки, що надходять з їжею. Енергія запасається клітинами у хімічних зв'язках молекул АТФ (аденозинтріфосфат), які є нуклеотидом, що складається з трьох фосфатних груп, залишку цукру (рибози) і залишку азотистої основи (аденіну) (рис. 52).

Рис. 52. Молекула АТФ

Зв'язок між фосфатними залишками отримав назву макроергічної, оскільки при її розриві виділяється велика кількість енергії. Зазвичай клітина отримує енергію з АТФ, відщеплюючи тільки кінцеву фосфатну групу. При цьому утворюється АДФ (аденозиндифосфат), фосфорна кислота та звільняється 40 кДж/моль:

Молекули АТФ відіграють роль універсальної енергетичної монети розмінної клітини. Вони поставляються до місця протікання енергоємного процесу, чи це ферментативний синтез органічних сполук, робота білків - молекулярних моторів або мембранних транспортних білків та ін. Зворотний синтез молекул АТФ здійснюється шляхом приєднання фосфатної групи до АДФ з поглинанням енергії. Запасання клітиною енергії як АТФ здійснюється під час реакцій енергетичного обміну. Він тісно пов'язаний з пластичним обміном, під час якого клітина виробляє необхідні її функціонування органічні сполуки.

ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ (МЕТАБОЛІЗМ). Метаболізм – сукупність усіх реакцій пластичного та енергетичного обміну, пов'язаних між собою. У клітинах постійно йде синтез вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот. Синтез з'єднань завжди йде з витратою енергії, тобто за обов'язкової участі АТФ. Джерелами енергії для утворення АТФ служать ферментативні реакції окиснення білків, жирів і вуглеводів, що надходять у клітину. У ході цього процесу вивільняється енергія, що акумулюється в АТФ. Особливу роль енергетичному обміні клітини грає окислення глюкози. Молекули глюкози зазнають у своїй ряд послідовних перетворень.

Перший етап, який отримав назву гліколіз, проходить у цитоплазмі клітин і не потребує кисню В результаті послідовних реакцій за участю ферментів глюкоза розпадається на дві молекули піровиноградної кислоти. При цьому витрачаються дві молекули АТФ, а енергії, що вивільняється при окисленні, достатньо для утворення чотирьох молекул АТФ. У результаті енергетичний вихід гліколізу невеликий і становить дві молекули АТФ:

З 6 Н1 2 0 6 → 2С 3 Н 4 0 3 + 4Н + + 2АТФ

В анаеробних умовах (за відсутності кисню) подальші перетворення можуть бути пов'язані з різними типами бродінь.

Всім відомо молочнокисле бродіння(скисання молока), яке відбувається завдяки діяльності молочнокислих грибків та бактерій. За механізмом воно подібне до гліколізу, тільки остаточним продуктом тут є молочна кислота. Цей тип окислення глюкози відбувається в клітинах при дефіциті кисню, наприклад, в інтенсивно працюючих м'язах. Близько по хімізму до молочнокислого та спиртового бродіння. Відмінність у тому, що продуктами спиртового бродіння є етиловий спирт та вуглекислий газ.

Наступний етап, під час якого піровиноградна кислота окислюється, до вуглекислого газу та води, отримав назву клітинне дихання. Пов'язані з диханням реакції проходять у мітохондріях рослинних і тваринних клітин, і лише за наявності кисню. Це ряд хімічних перетворень до утворення кінцевого продукту – вуглекислого газу. На різних етапах такого процесу утворюються проміжні продукти окиснення вихідної речовини із відщепленням атомів водню. При цьому звільняється енергія, яка «консервується» у хімічних зв'язках АТФ, та утворюються молекули води. Стає зрозумілим, що для того, щоб зв'язати відщеплені атоми водню, і потрібен кисень. Даний ряд хімічних перетворень є досить складним і відбувається за участю внутрішніх мембран мітохондрій, ферментів, білків-переносників.

Клітинне дихання має дуже високу ефективність. Відбувається синтез 30 молекул АТФ, ще дві молекули утворюються при гліколізі, і шість молекул АТФ - як наслідок перетворень продуктів гліколізу на мембранах мітохондрій. Усього внаслідок окислення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ:

C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ

У мітохондріях відбуваються кінцеві етапи окиснення не тільки цукрів, але також білків та ліпідів. Ці речовини використовуються клітинами, головним чином коли добігає кінця запас вуглеводів. Спочатку витрачається жир, при окисненні якого виділяється значно більше енергії, ніж із рівного обсягу вуглеводів і білків. Тому жир у тварин є основним «стратегічним резервом» енергетичних ресурсів. У рослин роль енергетичного резерву грає крохмаль. При зберіганні він займає значно більше місця, ніж енергетично еквівалентна кількість жиру. Для рослин це не є перешкодою, оскільки вони нерухомі і не носять, як тварини, запаси на собі. Витягти ж енергію з вуглеводів можна набагато швидше, ніж із жирів. Білки виконують в організмі багато важливих функцій, тому залучаються в енергетичний обмін тільки при вичерпанні ресурсів цукрів і жирів, наприклад, при тривалому голодуванні.

ФОТОСИНТЕЗ. Фотосинтез- це процес, під час якого енергія сонячних променів перетворюється на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. У рослинних клітинах пов'язані з фотосинтезом процеси протікають у хлоропластах. Усередині цієї органели знаходяться системи мембран, в які вбудовані пігменти, що вловлюють променисту енергію Сонця. Основний пігмент фотосинтезу - хлорофіл, який поглинає переважно сині та фіолетові, а також червоні промені спектра. Зелене світло при цьому відображається, тому сам хлорофіл і частини рослин, що містять його, здаються зеленими.

У фотосинтезі виділяють дві фази. світловуі темну(Рис. 53). Власне вловлювання та перетворення променистої енергії відбувається під час світлової фази. При поглинанні квантів світла хлорофіл перетворюється на збуджений стан і стає донором електронів. Його електрони передаються від одного білкового комплексу до іншого ланцюга перенесення електронів. Білки цього ланцюга, як і пігменти, зосереджені на внутрішній мембрані хлоропластів. При переході електрона ланцюга переносників він втрачає енергію, що використовується для синтезу АТФ. Частина збуджених світлом електронів використовується для відновлення НДФ (нікотинамідаденіндінуклеотифосфат), або НАДФ·Н.

Рис. 53. Продукти реакцій світлової та темнової фаз фотосинтезу

Під дією сонячного світла у хлоропластах відбувається також розщеплення молекул води. фотоліз; при цьому виникають електрони, які відшкодовують їх втрати хлорофілом; як побічний продукт при цьому утворюється кисень:

Таким чином, функціональний сенс світлової фази полягає в синтезі АТФ і НАДФ Н шляхом перетворення світлової енергії в хімічну.

Для реалізації темнової фази фотосинтезу світло не потрібне. Суть процесів, що проходять тут, полягає в тому, що отримані у світлову фазу молекули АТФ і НАДФ·Н використовуються в серії хімічних реакцій, що «фіксують» СОг у формі вуглеводів. Всі реакції темнової фази здійснюються всередині хлоропластів, а вуглекислоти АДФ і НАДФ, що звільняються при «фіксації», знову використовуються в реакціях світлової фази для синтезу АТФ і НАДФ·Н.

Сумарне рівняння фотосинтезу має такий вигляд:

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК І ЄДНІСТЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАСТИЧНОГО ТА ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ. Процеси синтезу АТФ відбуваються у цитоплазмі (гліколіз), у мітохондріях (клітинне дихання) та у хлоропластах (фотосинтез). Усі здійснюються під час цих процесів реакції - це реакції енергетичного обміну. Запасена як АТФ енергія витрачається у реакціях пластичного обміну для необхідних життєдіяльності клітини білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Зауважимо, що темнова фаза фотосинтезу – це ланцюг реакцій, пластичного обміну, а світлова – енергетичного.

Взаємозв'язок та єдність процесів енергетичного та пластичного обміну добре ілюструє наступне рівняння:

При читанні цього рівняння зліва направо виходить процес окислення глюкози до вуглекислого газу та води під час гліколізу та клітинного дихання, пов'язаний із синтезом АТФ (енергетичний обмін). Якщо ж прочитати його справа наліво, то виходить опис реакцій темнової фази фотосинтезу, коли з води та вуглекислоти за участю АТФ синтезується глюкоза (пластичний обмін).

ХЕМОСИНТЕЗ. До синтезу органічних речовин з неорганічних, крім фотоавтотрофів, здатні деякі бактерії (водневі, нітрифікуючі, серобактерії та інших.). Вони здійснюють цей синтез за рахунок енергії, що виділяється при окисненні неорганічних речовин. Їх називають хемоавтотроф. Ці хемосинтезуючі бактерії відіграють важливу роль у біосфері. Наприклад, бактерії, що нітрифікують, переводять недоступні для засвоєння рослинами солі амонію в солі азотної кислоти, які добре ними засвоюються.

Клітинний метаболізм складають реакції енергетичного та пластичного обміну. У результаті енергетичного обміну відбувається утворення органічних сполук з макроергічними хімічними зв'язками - АТФ. Необхідна для цього енергія надходить від окислення органічних сполук у ході анаеробних (гліколіз, бродіння) та аеробних (клітинне дихання) реакцій; від сонячних променів, енергія яких засвоюється на світловій фазі (фотосинтез); від окиснення неорганічних сполук (хемосинтез). Енергія АТФ витрачається на синтез необхідних клітин органічних сполук в ході реакцій пластичного обміну, до яких відносяться і реакції темнової фази фотосинтезу.

• У чому різниця між пластичним та енергетичним обміном?
• Як перетворюється енергія сонячних променів у світлову фазу фотосинтезу? Які процеси відбуваються у темнову фазу фотосинтезу?
• Чому фотосинтез називають процесом відображення планетно-космічної взаємодії?

Як саме енергія запасається в АТФ(аденозинтрифосфат), і як вона віддається для здійснення якоїсь корисної роботи? Здається неймовірно складним, що абстрактна енергія раптом отримує матеріальний носій у вигляді молекули, що знаходиться всередині живих клітин, і що вона може вивільнятися не у вигляді тепла (що більш-менш зрозуміло), а у вигляді створення іншої молекули. Зазвичай автори підручників обмежуються фразою «енергія запасається у вигляді високоенергетичного зв'язку між частинами молекули, і віддається при розриві зв'язку, здійснюючи корисну роботу», але це нічого не пояснює.

У найзагальніших рисах ці маніпуляції з молекулами та енергією відбуваються так: спочатку. Або створюються в хлоропластах у ланцюзі схожих реакцій. На це витрачається енергія, яка отримується при контрольованому згорянні поживних речовин прямо всередині мітохондрій або енергія фотонів сонячного світла, що падають на молекулу хлорофілу. Потім АТФ доставляється у ті місця клітини, де необхідно здійснити якусь роботу. І при відщепленні від неї однієї чи двох фосфатних груп виділяється енергія, яка цю роботу й здійснює. АТФ при цьому розпадається на дві молекули: якщо відщепилася тільки одна фосфатна група, то АТФ перетворюється на АДФ(аденозинДИфосфат, що відрізняється від аденозинТРИфосфата тільки відсутністю тієї самої фосфатної групи, що відокремилася). Якщо АТФ віддала відразу дві фосфатні групи, то енергії виділяється більше, а від АТФ залишається аденозин. АМФ).

Очевидно, що клітині необхідно здійснювати і зворотний процес, перетворюючи молекули АДФ або АМФ на АТФ, щоб цикл міг повторитися. Але ці молекули-«заготівлі» можуть спокійно плавати поруч із недостатнім для перетворення на АТФ фосфатами, і ніколи з ними не об'єднатися, тому що така реакція об'єднання енергетично невигідна.

Що таке «енергетичний зиск» хімічної реакції, зрозуміти досить просто, якщо знати про другому законі термодинаміки: у Всесвіті або в будь-якій системі, ізольованій від інших, безлад може лише наростати. Тобто складноорганізовані молекули, що сидять у клітці у чинному порядку, відповідно до цього закону можуть тільки руйнуватися, утворюючи дрібніші молекули або навіть розпадаючись на окремі атоми, адже тоді буде помітно менше. Щоб зрозуміти цю думку, можна порівняти складну молекулу із зібраним із Лего літачком. Тоді дрібні молекули, на які розпадається складна, асоціюватимуться з окремими частинами цього літака, а атоми — з окремими кубиками Лего. Подивившись на акуратно зібраний літак і порівнявши його з безладною купою деталей, стає зрозумілим, чому складні молекули містять більше порядку, ніж дрібні.

Така реакція розпаду (молекул, не літака) буде енергетично вигідною, а значить може здійснюватися мимовільно, і при розпаді виділятиметься енергія. Хоча насправді і розщеплення літака буде енергетично вигідно: незважаючи на те, що самі по собі деталі відщеплюватися одна від одної не будуть і над їх відчепленням доведеться попихкати сторонній силі у вигляді пацана, який хоче використовувати ці деталі для чогось іншого, він витратить на перетворення літака на хаотичну купу деталей енергію, отриману від поїдання високоупорядкованої їжі. І що щільніше злиплися деталі, то більше енергії буде витрачено, зокрема виділено як тепла. Підсумок: шматок плюшки (джерело енергії) і літак перетворені на безладну масу, молекули повітря навколо дитини нагрілися (а отже рухаються безладніше) — хаосу стало більше, тобто розщеплення літака енергетично вигідне.

Підсумовуючи, можна сформулювати такі правила, що випливають з другого закону термодинаміки:

1. При зниженні кількості порядку енергія виділяється, відбуваються енергетично вигідні реакції

2. При збільшенні кількості порядку енергія поглинається, відбуваються енергетично-витратні реакції

На перший погляд, такий неминучий рух від порядку до хаосу унеможливлює зворотні процеси, такі як побудова з однієї заплідненої яйцеклітини та молекул поживних речовин, поглинених матір'ю-коровою, безсумнівно, дуже впорядкованого порівняно з пережованою травою теля.

Але все-таки це відбувається, і причина цього в тому, що живі організми мають одну фішку, що дозволяє підтримати прагнення Всесвіту до ентропії, і побудувати себе і своє потомство: вони об'єднують в один процес дві реакції, одна з яких енергетично вигідна, а інша енерговитратна. Таким суміщенням двох реакцій можна домогтися того, щоб енергія, що виділяється за першої реакції, з надлишком перекривала енергетичні витрати другої. У прикладі з літаком окремо взяте його розбирання енерговитратно, і без стороннього джерела енергії у вигляді зруйнованої метаболізмом пацана плюшки літак стояв би вічно.

Це як при катанні з гірки на санчатах: спочатку людина під час поглинання їжі запасає енергію, отриману внаслідок енергетично вигідних процесів розщеплення високоупорядкованої курки на молекули та атоми у його організмі. А потім витрачає цю енергію, затягуючи санчата на гору. Переміщення санок від підніжжя до вершини енергетично невигідне, тому мимоволі вони туди ніколи не закотяться, на це потрібна якась стороння енергія. І якщо енергії, отриманої від поїдання курки, буде недостатньо для подолання підйому, то процесу «скочування на санчатах з вершини гори» не буде.

Саме енерговитратні реакції ( energy-consuming reaction ) збільшують кількість порядку, поглинаючи енергію, що виділяється при сполученій реакції. І баланс між виділенням і споживанням енергії у цих сполучених реакціях завжди має бути позитивним, тобто їхня сукупність збільшуватиме кількість хаосу. Прикладом збільшення ентропії(невпорядкованості) ( entropy['entrə pɪ]) є виділення тепла при енергодаючій реакції ( energy supply reaction): сусідні з молекулами частинки речовини, що вступили в реакцію, отримують енергійні поштовхи від реагуючих, починають рухатися швидше і хаотичніше, розпихаючи в свою чергу інші молекули і атоми цього і сусідніх речовин.

Повернемося ще раз до отримання енергії з їжі: шматок Banoffee Pie набагато більш впорядкований, ніж маса, що вийшла в результаті пережовування, що потрапила в шлунок. Яка, у свою чергу, складається з великих, більш упорядкованих молекул, ніж ті, на які її розщепить кишечник. А вони у свою чергу будуть доставлені в клітини тіла, де від них будуть відривати вже окремі атоми і навіть електрони... І на кожному етапі збільшення хаосу в окремо взятому шматку торта відбуватиметься виділення енергії, яку вловлюють органи та органели щасливого поїдавця, запасаючи її в вигляді АТФ (енерговитратно), пускаючи на побудову нових потрібних молекул (енерговитратно) або на нагрівання тіла (теж енерговитратно). У системі «людина — Banoffee Pie — Всесвіт» порядку в результаті цього стало менше (за рахунок руйнування кейка і виділення теплової енергії органелами, що його переробляють), але в окремо взятому людському тілі щастя порядку стало більше (за рахунок виникнення нових молекул, частин органел цілих клітинних органів).

Якщо повернутися до молекули АТФ, після цього термодинамічного відступу стає зрозуміло, що створення її з складових частин (дрібніших молекул) необхідно витратити енергію, отриману від енергетично вигідних реакцій. Один із способів її створення докладно описаний, інший (дуже схожий) використовується в хлоропластах, де замість енергії протонного градієнта використовується енергія фотонів, випущених Сонцем.

Можна виділити три групи реакцій, у яких виробляється АТФ (дивись схему справа):

• розщеплення глюкози та жирних кислот на великі молекули в цитоплазмі вже дозволяє отримати деяку кількість АТФ (невелика, на одну розщеплену на цьому етапі молекулу глюкози припадає лише 2 отримані молекули АТФ). Але основна мета цього етапу полягає у створенні молекул, що використовуються в дихальному ланцюзі мітохондрій.
• подальше розщеплення отриманих на попередньому етапі молекул у циклі Кребса, що протікає в матриксі мітохондрій, дає лише одну молекулу АТФ, його основна мета та сама, що і в минулому пункті.
• Нарешті накопичені на попередніх етапах молекули застосовуються в дихальному ланцюгу мітохондрій для виробництва АТФ, і ось тут його виділяється багато (про це докладніше нижче).

Якщо описати все це більш розгорнуто, поглянувши на ті ж реакції з точки зору отримання та витрат енергії, вийде:

0. Молекули їжі акуратно спалюються (окислюються) у первинному розщепленні, що відбувається в цитоплазмі клітини, а також у ланцюзі хімічних реакцій під назвою «цикл Кребса», що протікає вже в матриксі мітохондрій. енергодаючачастина підготовчого етапу.

В результаті поєднання з цими енергетично вигідними реакціями інших, вже енергетично невигідних реакцій створення нових молекул утворюються 2 молекули АТФ і кілька молекул інших речовин. енерговитратначастина підготовчого етапу. Ці молекули, що попутно утворюються, є переносниками високоенергетичних електронів, які будуть використані в дихальному ланцюгу мітохондрій на наступному етапі.

1. На мембранах мітохондрій, бактерій та деяких архей відбувається енергодаюче відщеплення протонів та електронів від молекул, отриманих у попередньому етапі (але не від АТФ). Проходження електронів по комплексах дихального ланцюга (I, III і IV на схемі зліва) показано жовтими звивистими стрілками, проходження через ці комплекси (отже, і через внутрішню мембрану мітохондрії) протонів - червоними стрілками.

Чому електрони не можна просто відщепити від молекули-переносника з використанням потужного окислювача-кисню і використовувати енергію, що виділяється? Навіщо передавати їх від одного комплексу до іншого, адже врешті-решт вони до того ж кисню і приходять? Виявляється, чим більша різниця в здатності притягувати електрони у електронодаючої ( відновлювача) та електроноберучої ( окислювача) молекул, що у реакції передачі електрона, тим більша енергія виділяється за цієї реакції.

Різниця в такій здатності у утворюються в циклі Кребса молекул-переносників електронів і кисню така, що енергії, що виділилася при цьому, було б достатньо для синтезу декількох молекул АТФ. Але через такий різкий перепад в енергії системи ця реакція протікала б з майже вибуховою міццю, і майже вся енергія виділялася б у вигляді неуловлюваного тепла, тобто фактично губилася.

Живі клітини ж ділять цю реакцію на кілька маленьких стадій, спочатку передаючи електрони від слабо притягуючих молекул-носіїв до трохи сильнішого першого комплексу в дихальному ланцюгу, від нього до ще трохи сильнішого притягуючого убіхінону(або коензиму Q-10), чия задача полягає в перетягуванні електронів до наступного, ще трохи сильніше дихального комплексу, що притягує, який отримує свою частину енергії від цього вибуху, що не відбувся, пускаючи її на прокачування протонів через мембрану.. І так до моменту, поки електрони не зустрінуться нарешті з киснем, притягнувшись до нього, прихопивши пару протонів і не утворюють молекулу води. Такий поділ однієї потужної реакцію дрібні кроки дозволяє майже половину корисної енергії направити скоєння корисної роботи: у разі створення протонного електрохімічного градієнта, Про який йтиметься в другому пункті.

Як саме енергія електронів, що передаються, допомагає сполученої енерговитратної реакції прокачування протонів через мембрану, зараз тільки починають з'ясовувати. Швидше за все, присутність електрично зарядженої частинки (електрона) впливає конфігурацію того місця у вбудованому в мембрану протеїні, де він знаходиться: так, що ця зміна провокує затягування протона в протеїн та його рух через протеїновий канал у мембрані. Важливо те, що енергія, отримана в результаті відщеплення високоенергетичних електронів від молекули-носія і підсумкової передачі їх кисню, запасається у вигляді протонного градієнта.

2. Енергія протонів, що накопичилися в результаті подій з пункту 1 із зовнішньої сторони мембрани і прагнуть потрапити на внутрішню сторону, складається з двох однонаправлених сил:

• електричної(позитивний заряд протонів прагне перейти в місце накопичення негативних зарядів з іншого боку мембрани) і
• хімічної(як у будь-яких інших речовин, протони намагаються рівномірно розсіятися у просторі, поширившись із місць зі своїми високої концентрацією у місця, де їх мало)

Електричне тяжіння протонів до негативно зарядженої стороні внутрішньої мембрани є набагато потужнішою силою, ніж виникає через різницю в концентрації протонів їхнє прагнення перейти у місце з меншою концентрацією (це позначено шириною стрілок на схемі вгорі). Спільна енергія цих сил, що тягнуть, настільки велика, що її вистачає і на переміщення протонів усередину мембрани, і на підживлення супутньої енерговитратної реакції: створення АТФ з АДФ і фосфату.

Розглянемо докладніше, чому на це потрібна енергія, і як саме енергія прагнення протонів перетворюється на енергію хімічного зв'язку між двома частинами молекули АТФ.

Молекула АДФ (на схемі праворуч) не прагне обзаводитися ще однією фосфатною групою: той атом кисню, якого ця група може прикріпитися, заряджений як і негативно, як і фосфат, отже вони взаємно відштовхуються. І взагалі АДФ не має наміру вступати в реакції, вона хімічно пасивна. У фосфату, своєю чергою, до атома фосфору, який міг стати місцем зв'язку фосфату і АДФ під час створення молекули АТФ, приєднаний власний атом кисню, отже і він ініціативи виявити неспроможна.

Тому ці молекули необхідно зв'язати одним ферментом, розгорнути їх так, щоб зв'язки між ними та «зайвими» атомами ослабли і розірвалися, а після цього підвести два хімічно активні кінця цих молекул, на яких атоми відчувають нестачу і надлишок електронів, один до одного.

Потрапили в поле взаємної досяжності іони фосфору (P +) і кисню (O -) зв'язуються міцним ковалентним зв'язком за рахунок того, що спільно опановують один електрон, що спочатку належав кисню. Цим обробним молекули ферментом є АТФ-синтаза, А енергію на зміну і своєї конфігурації, і взаємного розташування АДФ і фосфату вона отримує від протонів, що проходять через неї. Протонам енергетично вигідно потрапити на протилежно заряджений бік мембрани, де ще їх мало, а єдиний шлях проходить через фермент, «ротор» якого протони попутно обертають.

Будова АТФ-синтази показана на схемі праворуч. Її елемент, що обертається за рахунок проходження протонів, виділений фіолетовим кольором, а на рухомій картинці внизу показана схема його обертання і створення при цьому молекул АТФ. Фермент працює практично як молекулярний мотор, перетворюючи електрохімічнуенергію струму протонів в механічну енергіютертя двох наборів протеїнів один про одного: обертається «ніжка» треть про нерухомі протеїни «капелюшки гриба», при цьому субодиниці «капелюшки» змінюють свою форму. Ця механічна деформація перетворюється на енергію хімічних зв'язківпри синтезі АТФ, коли молекули АДФ і фосфату обробляються і розгортаються необхідним освіти між ними ковалентного зв'язку образом.

Кожна АТФ-синтаза здатна синтезувати до 100 молекул АТФ в секунду, і на кожну синтезовану молекулу АТФ через синтетазу має пройти близько трьох протонів. Більшість синтезованих у клітинах АТФ утворюється саме цим шляхом, і лише невелика частина є результатом первинної обробки молекул їжі, що відбувається поза мітохондріями.

Будь-якої миті в типовій живій клітині знаходиться приблизно мільярд молекул АТФ. У багатьох клітинах вся ця АТФ змінюється (тобто використовується і створюється знову) кожні 1-2 хвилини. Середня людина у стані спокою використовує кожні 24 години масу АТФ, приблизно рівну її власної маси.

Загалом майже половина енергії, що виділяється при окисленні глюкози або жирних кислот до вуглекислого газу та води, уловлюється та використовується для протікання енергетично невигідної реакції утворення АТФ з АДФ та фосфатів. Коефіцієнт корисної дії в розмірі 50% - це дуже непогано, наприклад двигун автомобіля пускає на корисну роботу лише 20% енергії, що міститься в паливі. При цьому решта енергії в обох випадках розсіюється у вигляді тепла, і так само, як деякі автомобілі, тварини постійно витрачають цей надлишок (хоч і не повністю, звичайно) на розігрівання тіла. У процесі згаданих реакцій одна молекула глюкози, поступово розщеплена до вуглекислого газу і води, постачає клітині 30 молекул АТФ.

Отже, з тим, звідки береться енергія і як вона запасається в АТФ, все більш-менш зрозуміло. Залишилося зрозуміти, як саме запасена енергія віддається і що при цьому відбуваєтьсяна молекулярно-атомному рівні.

Утворений ковалентний зв'язок між АДФ та фосфатом називається високоенергетичноїз двох причин:

• при її руйнуванні виділяється багато енергії
• електрони, що беруть участь у створенні цього зв'язку (тобто обертаються навколо атомів кисню і фосфору, між якими цей зв'язок утворено) високоенергетичні, тобто знаходяться на високих орбітах навколо ядер атомів. І їм було б енергетично вигідно перескочити на нижчий рівень, виділивши надлишок енергії, але поки вони знаходяться саме в цьому місці, скріплюючи атоми кисню і фосфору, «стрибнути» не вдасться.

Це прагнення електронів впасти на зручнішу низькоенергетичну орбіту забезпечує і легкість руйнування високоенергетичного зв'язку, і що виділяється при цьому у вигляді фотона (що є переносником електромагнітної взаємодії) енергію. Залежно від того, які молекули будуть підставлені ферментами до молекули АТФ, що руйнується, яка саме молекула поглине випущений електроном фотон, можуть відбуватися різні варіанти подій. Але щоразу енергія, запасена у вигляді високоенергетичного зв'язку, використовуватиметься на якісь потреби клітини:

Сценарій 1:фосфат можна перенести на молекулу іншої речовини. При цьому високоенергетичні електрони утворюють новий зв'язок вже між фосфатом і крайнім атомом цієї молекули-реципієнта. Умовою протікання такої реакції є її енергетична вигода: у цьому новому зв'язку електрон повинен мати трохи меншу енергію, ніж коли він був частиною молекули АТФ, випустивши частину енергії у вигляді фотона зовні.

Ціль такої реакції полягає в активації молекули-рецепієнта (на схемі зліва вона позначена В-ВІН): до приєднання фосфату вона була пасивною і не могла вступити в реакцію з іншою пасивною молекулою ААле тепер вона є власником запасу енергії у вигляді високоенергетичного електрона, а значить може її кудись витратити. Наприклад, на те, щоб приєднати до себе молекулу А, яку без такого фінта вухами (тобто високої енергії сполучного електрона) приєднати неможливо. Фосфат у своїй від'єднується, зробивши свою справу.

Виходить такий ланцюжок реакцій:

1. АТФ+ пасивна молекула В ➡️ АДФ+ активна за рахунок приєднаного фосфату молекула В-Р

2. активована молекула В-Р+ пасивна молекула А➡️сполучені молекули А-В+ фосфат, що відщепився ( Р)

Обидві ці реакції енергетично вигідні: у кожній з них бере участь високоенергетичний сполучний електрон, який при руйнуванні одного зв'язку та побудові іншого втрачає частину своєї енергії у вигляді випромінювання фотона. Внаслідок цих реакцій з'єдналися дві пасивні молекули. Якщо розглянути реакцію сполук цих молекул безпосередньо (пасивна молекула В+ пасивна молекула А➡️сполучені молекули А-В), вона виявляється енергетично витратною, і відбутися неспроможна. Клітини «вчиняють неможливе», поєднуючи цю реакцію з енергетично вигідною реакцією розщеплення АТФ на АДФ та фосфат під час здійснення тих двох реакцій, які описані вище. Відщеплення відбувається у два етапи, кожному з яких частина енергії сполучного електрона витрачається скоєння корисної роботи, саме створення необхідних зв'язків між двома молекулами, у тому числі виходить третя ( А-В), необхідна для функціонування клітини.

Сценарій 2:фосфат може бути відщеплений одномоментно від молекули АТФ, а енергія, що виділяється, вловлюється ферментом або робочим протеїном і витрачається на здійснення корисної роботи.

Як можна вловити щось настільки невідчутне, як мізерне обурення електромагнітного поля в момент падіння електрона на нижчу орбіту? Дуже просто: за допомогою інших електронів і за допомогою атомів, здатних поглинути фотон, що виділяється при цьому електроном.

Атоми, що становлять молекули, скріплені в міцні ланцюжки та кільця за рахунок (такий ланцюжок є незгорнутим протеїном на картинці праворуч). А окремі частини цих молекул притягнуті одна до одної слабкішими електромагнітними взаємодіями (наприклад, водневими зв'язками або силами Ван дер Ваальса), що дозволяє їм форкуватися в складні структури. Деякі з цих конфігурацій атомів дуже стабільні, і ніяке обурення електромагнітного поля їх не похитне.. не похитне.. загалом, вони стійкі. А деякі досить рухливі, і досить легкого електромагнітного стусана, щоб вони змінили свою конфігурацію (зазвичай це не ковалентні зв'язки). І саме такий стусан дає їм той фотон-переносник електромагнітного поля, що прилетів, випущений перейшов на нижчу орбіту електроном при від'єднанні фосфату.

Зміни конфігурації протеїнів в результаті розщеплення молекул АТФ відповідальні за найдивовижніші події, що відбуваються в клітині. Напевно, ті, хто цікавляться клітинними процесами хоча б на рівні «подивлюся їх анімацію на youtube», натикалися на відео, що показує протеїнову молекулу. кінезіна, у прямому значенні слова крокуючу, переставляючи ноги, по нитці клітинного скелета, перетягуючи приєднаний до неї вантаж.

Саме відщеплення фосфату від АТФ забезпечує це крокування, і ось яким чином:

Кінезін ( kinesin) відноситься до особливого виду протеїнів, яким властиво спонтанно міняти свою конформацію(Взаємне становище атомів у молекулі). Залишений у спокої, він випадково переходить з конформації 1, в якій він прикріплений однією «ногою» до актинового філаменту ( actin filament) - найтоншої нитки, що утворює цитоскелетклітини ( cytoskeleton), в конформацію 2, зробивши таким чином крок уперед і стоячи на двох ногах. З конформації 2 він з рівною ймовірністю перейде як у конформацію 3 (приставляє задню ногу до передньої), так і назад в конформацію 1. Тому руху кінезину в якомусь напрямку не відбувається, він безцільно фланує.

Але все змінюється, чи варто йому з'єднатися з молекулою АТФ. Як показано на схемі ліворуч, приєднання АТФ до кінезину, що знаходиться в конформації 1, призводить до зміни його просторового положення і він переходить у конформацію 2. Причина цього - взаємний електромагнітний вплив молекул АТФ та кінезину один на одного. Ця реакція є оборотною, тому що енергії не було витрачено, і якщо АТФ від'єднається від кінезину, він просто підніме «ногу», залишившись на місці, і чекатиме наступну молекулу АТФ.

Але якщо вона затримається, то через взаємне тяжіння цих молекул зв'язок, що утримує фосфат у межах АТФ, руйнується. Енергія, що виділилася при цьому, а так само розпад АТФ на дві молекули (які вже інакше впливають своїми електромагнітними полями на атоми кінезину) призводять до того, що конформація кінезину змінюється: він «підтягує задню ногу». Залишилося зробити крок уперед, що відбувається при від'єднанні АДФ і фосфату, повертає кінезин у вихідну конформацію 1.

В результаті гідролізу АТФ кінезин зрушив праворуч, і як тільки до нього приєднається наступна молекула, він зробить ще одну пару кроків, використавши запасну в ній енергію.

Важливо, що кінезин, що знаходиться в конформації 3 з приєднаними АДФ і фосфатом, не може повернутися в конформацію 2, зробивши крок назад. Це пояснюється тим самим принципом відповідності другому закону терморегуляції: перехід системи «кінезин + АТФ» з конформації 2 в конформацію 3 супроводжується виділенням енергії, а значить зворотний перехід буде енерговитратним. Щоб він стався, треба звідкись взяти енергію на з'єднання АДФ із фосфатом, а взяти її в цій ситуації нема звідки. Тому сполученому з АТФ кінезину відкритий шлях тільки в один бік, що і дозволяє робити корисну роботу з перетягування чогось з одного кінця клітини в інший. Кінезин наприклад бере участь у розтягуванні хромосом клітини, що ділиться при мітоз(процес розподілу еукаріотичних клітин). А м'язовий протеїн міозинбіжить уздовж актинових філаментів, викликаючи скорочення м'язів.

Цей рух буває дуже швидким: деякі моторні(відповідають різні форми клітинної рухливості) протеїни, задіяні в реплікації генів, мчать уздовж ланцюжка ДНК зі швидкістю тисячі нуклеотидів за секунду.

Усі вони пересуваються за рахунок гідролізуАТФ (руйнування молекули з приєднанням до менших молекул атомів, що виходять в результаті розпаду, взятих з молекули води. Гідроліз показаний на правій частині схеми взаємоперетворення АТФ і АДФ). Або за рахунок гідролізу ГТФщо відрізняється від АТФ тільки тим, що до його складу входить інший нуклеотид (гуанін).

Сценарій 3: відщеплення від АТФ або іншої подібної молекули, що містить нуклеотид, відразу двох фосфатних груп призводить до ще більшого викиду енергії, ніж коли відщеплюється лише один фосфат. Такий потужний викид дозволяє створювати міцний сахарофосфатний кістяк молекул ДНК і РНК:

1. для того, щоб нуклеотиди могли приєднуватися до ланцюга ДНК або РНК, що будується, їх потрібно активувати, приєднавши дві молекули фосфату. Це енерговитратна реакція, яка виконується клітинними ферментами.

2. фермент ДНК- або РНК-полімераза (на схемі внизу не показаний) приєднує активований нуклеотид (на схемі показаний ГТФ) до полінуклеотиду, що будується, і каталізує відщеплення двох фосфатних груп. Енергія, що виділилася використовується на створення зв'язку між фосфатною групою одного нуклеотиду і рибозою іншого. Створені в результаті зв'язку не є високоенергетичними, а значить зруйнувати їх не просто, що є перевагою для побудови молекули, що містить спадкову інформацію або передає клітини.

У природі можливе спонтанне перебіг лише енергетично вигідних реакцій, що зумовлено другим законом термодинаміки

Тим не менш, живі клітини можуть поєднувати дві реакції, одна з яких дає трохи більше енергії, ніж поглинає друга, і таким чином здійснювати енерговитратні реакції. Енерговитратні реакції спрямовані на створення з окремих молекул і атомів більших молекул, клітинних органел і цілих клітин, тканин, органів та багатоклітинних живих істот, а також на запасання енергії для їх метаболізму

Запасання енергії здійснюється за рахунок контрольованого та поступового руйнування органічних молекул (енергодаючий процес), пов'язаного зі створенням молекул-енергоносіїв (енерговитратний процес). Фотосинтезуючі організми запасають таким чином енергію сонячних фотонів, що вловлюються хлорофілом.

Молекули-енергоносії поділяються на дві групи: що зберігають енергію у вигляді високоенергетичного зв'язку або як приєднаного високоенергетичного електрона. Втім, у першій групі висока енергія забезпечується таким же високоенергетичним електроном, тому можна сказати, що енергія запасається в загнаних на високий рівень електронах, що знаходяться у складі різних молекул

Запасена таким чином енергія віддається так само двома способами: руйнуванням високоенергетичного зв'язку або передачі високоенергетичних електронів для поступового зниження їх енергії. В обох випадках енергія виділяється у вигляді випромінювання переходить на нижчий енергетичний рівень електроном частинки-переносника електромагнітного поля (фотона) і тепла. Цей фотон уловлюється таким чином, щоб була виконана корисна робота (утворення необхідної для метаболізму молекули в першому випадку та прокачування протонів через мембрану мітохондрії у другому)

Запасена у вигляді протонного градієнта енергія використовується для синтезу АТФ, а також інших клітинних процесів, які залишилися за рамками цього розділу (думаю, ніхто не в образі, враховуючи її розмір). А синтезована АТФ використовується так, як описано у попередньому пункті.

Зі споживаної нами їжа виробляється енергія, яка необхідна для здійснення будь-яких функцій нашого організму - від ходьби та здатності говорити до перетравлення та дихання. Але чому ми часто скаржимося на брак енергії, дратівливість чи млявість? Відповідь у тому, яка їжа становить наш повсякденний раціон.

Вироблення енергії

Крім води та повітря, наш організм постійно потребує регулярного припливу їжі, яка і забезпечує запаси енергії, необхідної для руху, дихання, терморегуляції, роботи серця, кровообігу та діяльності головного мозку. Вражаюче, але навіть у стані спокою наш мозок споживає близько 50% енергії, що запасається з поглиненої їжі, причому споживання енергії різко зростає під час інтенсивної мозкової діяльності, наприклад, під час складання іспитів. Яким чином відбувається перетворення їжі на енергію?

У процесі травлення, детальніше описаному у відповідному розділі (-79), відбувається розпад їжі до окремих молекул глюкози, які потім потрапляють через стінку кишечника в кров. З кровотоком глюкоза переноситься в печінку, де фільтрується і відкладається про запас. Гіпофіз (розташована в головному мозку заліза внутрішньої секреції) подає підшлунковій і щитовидній залозам сигнал на викид гормонів, які змушують печінку викинути глюкозу в кров'яне русло, після чого кров доставляє її до тих органів і м'язів, які відчувають у ній потребу.

Досягши потрібного органу, молекули глюкози проникають у клітини, де і перетворюються на джерело енергії, яка доступна для використання клітин. Таким чином, процес постійного постачання органів енергії залежить від рівня глюкози в крові.

Для того, щоб збільшити запаси енергії організму, ми повинні вживати певні види продуктів, зокрема здатних підвищувати рівень обміну речовин і підтримувати необхідний рівень енергії. Щоб зрозуміти, як усе це відбувається, розглянемо такі вопросы:

Як їжа перетворюється на енергію?

У кожній клітині нашого тіла є мітохондрії. Тут компоненти, що входять до складу харчових продуктів, зазнають серії хімічних перетворень, у результаті утворюється енергія. Кожна клітина в даному випадку є мініатюрною електростанцією. Цікаво, що кількість мітохондрій у кожній клітині залежить від енергетичних потреб. При регулярних фізичних вправах воно зростає, щоб забезпечити велике вироблення необхідної енергії. І навпаки, малорухливий спосіб життя призводить до зниження вироблення енергії та, відповідно, зменшення кількості мітохондрій. Для перетворення на енергію необхідні різні поживні речовини, кожна з яких обумовлює різні етапи процесу одержання енергії (див. Енергетична їжа). Тому споживана їжа повинна бути не тільки ситною, але й утримувати всі типи поживних речовин, необхідні для вироблення енергії: вуглеводи, білки та жири.

ДУЖЕ ВАЖЛИВО ОБМЕЖИТИ ЗМІСТ У РАЦІОНІ ПРОДУКТІВ, ЩО ВІДБИРАЮТЬ ЕНЕРГІЮ АБО ПЕРЕПАТНИХ ЇЇ ОСВІТИ. ВСІ ПОДІБНІ ПРОДУКТИ СТИМУЛЮЮТЬ ВИКИД ГОРМОНУ АДРЕНАЛІНУ.

Для нормального функціонування організму важливо підтримувати постійний рівень глюкози в крові (див. Підтримання нормального рівня цукру в крові – 46). З цією метою бажано віддавати перевагу їжі з низьким глікемічним індексом. Додаючи до кожної трапези або закуски протеїни та клітковину, ви цим сприяєте накопиченню достатньої кількості необхідної енергії.

Вуглеводи та глюкоза

Енергія, яку ми отримуємо з їжі, надходить переважно від вуглеводів, ніж білків або жирів. Вуглеводи з більшою легкістю перетворюються на глюкозу і є завдяки цьому найзручнішим джерелом енергії для організму.

Глюкоза може бути витрачена на енергетичні потреби негайно, або відкладається про запас у печінці та м'язах. Вона зберігається у вигляді глікогену, який, при необхідності, легко перетворюється на неї знову. При синдромі "бийся або біжи" (див.), глікоген вивільняється в кров'яне русло для забезпечення організму додатковою енергією. Запасається глікоген у розчинній формі.

Білки мають бути врівноважені вуглеводами

Хоча вуглеводи та білки необхідні всім, співвідношення їх можуть коливатися в залежності від індивідуальних потреб та звичок. Оптимальне співвідношення підбирається індивідуально методом спроб і помилок, але можна керуватися даними, представленими в таблиці на стор.43.

Будьте обережнішими з білками. Завжди додавайте до них високоякісні складні вуглеводи, наприклад, щільні овочі або зерна злакових. Переважання білкової їжі призводить до підкислення внутрішнього середовища організму, тоді як вона має бути слабко лужною. Внутрішня система саморегуляції дозволяє організму повертатися до підлуженого стану у вигляді вивільнення кальцію з кісток. Зрештою це може порушити структуру кісток, призвести до остеопорозу, у якому нерідко трапляються переломи.

Оздоровчі напої та закуски, що містять глюкозу, забезпечують швидкий приплив енергії, проте ефект цей швидкоплинний. Понад те, він супроводжується виснаженням запасів накопичених організмом енергії. Під час занять спортом ви витрачаєте багато енергії, тому можете перед ними «підзаправитися» соєвим сиром зі свіжими ягодами.

Гарне харчування, гарний настрій

Спробуйте трохи підвищити споживання білків, одночасно знижуючи кількість вуглеводів, або навпаки, поки не визначте оптимальний рівень енергетики.

Енергетичні потреби протягом життя

Потреба додаткової енергії виникає в нас на різних етапах життя. У дитинстві, наприклад, енергія необхідна для зростання та навчання, у підлітковому віці – для забезпечення гормональних та фізичних зрушень у період статевого дозрівання. При вагітності потреба в енергії зростає як у матері, так і у плода, а при стресі зайва енергія витрачається протягом усього життя. Крім того, людині, яка веде активний спосіб життя, потрібно більше енергії, ніж звичайним людям.

Розкрадачі енергії

Дуже важливо обмежити вміст у раціоні продуктів, що відбирають енергію або перешкоджають її утворенню. До таких продуктів відноситься алкоголь, чай, кава та шипучі напої, а також торти, бісквіти та солодощі. Всі подібні продукти стимулюють викид гормону адреналіну, який утворюється у надниркових залозах. Найшвидше адреналін утворюється за так званого синдрому «бийся або біжи», коли нам щось загрожує. Викид адреналіну мобілізує організм до дії. Серце починає битися прискорено, легені поглинають більше повітря, печінка вивільняє в кров більше глюкози, а кров приливає туди, де вона потрібніша – наприклад, до ніг. Постійно підвищена освіта адреналіну, зокрема, при відповідному харчуванні може вести до неминучого відчуття втоми.

Стрес також вважають одним із розкрадачів енергії, оскільки при стресі відбувається викид запасеної глюкози з печінки та м'язів, що призводить до короткострокового сплеску енергії з подальшим станом тривалої втоми.

Енергія та емоції

При синдромі «бийся або біжи», глікоген (запасені вуглеводи) надходить із печінки в кров, що призводить до підвищення рівня цукру в ній. З огляду на це тривалий стресовий стан здатний серйозно вплинути на рівень цукру в крові. Аналогічний вплив мають кофеїн і нікотин; останні сприяють секреції двох гормонів – кортизону та адреналіну, – які втручаються у процес травлення та спонукають печінку викидати запасений глікоген.

Їжа, багата на енергію

Найбільш багатими в енергетичному відношенні є продукти, що містять комплекс вітамінів групи В: В1, В2, В3, В5, В6, В12, В9 (фолієва кислота) та біотин. Всі вони удосталь зустрічаються в зернах проса, гречки, жита, квиноа (південно-американський злак, дуже популярний на Заході), кукурудзи та ячменю. У проростаючих зернах енергетична цінність зростає багаторазово - поживну цінність проростків підвищують ферменти, що сприяють росту. Багато вітамінів міститься також у свіжій зелені.

Для енергетики організму важливе значення мають також вітамін С, який присутній у фруктах (наприклад, в апельсинах) та овочах (картопля, перець); магній, якого багато в зелені, горіхах та насінні; цинк (яєчний жовток, риба, насіння соняшника); залізо (зерна, гарбузове насіння, сочевиця); мідь (оболонка бразильського горіха, овес, лосось, гриби), а також кофермент Q10, який присутній у яловичині, сардинах, шпинаті та арахісі.

Підтримання нормального рівня цукру в крові

Як часто доводилося вам прокидатися вранці в поганому настрої, відчуваючи млявість, розбитість, і відчуваючи нагальну необхідність поспати ще годину-другу? І життя здається ні на радість. Або, можливо, промучившись до полудня, ви ставите питанням, а чи дотягнете до обіду. Ще гірше, коли втома долає вас після обіду, до кінця робочого дня, і ви не уявляєте, як дістанетеся додому. А там треба ще вечерю приготувати. А потім – з'їсти. І чи не питаєте ви себе: «Господи, і куди тільки останні сили поділися?»

Постійна втома та відсутність енергії можуть бути викликані різними причинами, але найчастіше є наслідком бідного раціону та/або нерегулярного харчування, а також зловживання стимуляторами, що допомагають “протриматись”.

Депресія, дратівливість та різкі перепади настрою, поряд з передменструальним синдромом, спалахами гніву, хвилюванням та нервозністю – можуть бути результатом дисбалансу в процесі утворення енергії, недостатності харчування та частому сидінні на химерних дієтах.

Отримавши уявлення про те, як і з чого утворюється енергія в нашому організмі, ми можемо в стислий термін підвищити свою енергетику, що дозволить не тільки зберігати працездатність та гарний настрій протягом усього дня, але й забезпечить здоровий глибокий сон ночами.

З клітин складаються всі живі організми, окрім вірусів. Вони забезпечують всі необхідні для життя рослини чи тварини процеси. Клітина сама може бути окремим організмом. І хіба така складна структура може жити без енергії? Звичайно, ні. То як же відбувається забезпечення клітин енергією? Воно базується на процесах, які ми розглянемо нижче.

Забезпечення клітин енергією: як це відбувається?

Деякі клітини отримують енергію ззовні, вони виробляють її самі. мають своєрідні "станції". І джерелом енергії в клітині є мітохондрія - органоїд, який її виробляє. У ньому відбувається процес клітинного дихання. За рахунок нього відбувається забезпечення клітин енергією. Однак присутні вони тільки у рослин, тварин та грибів. У клітинах бактерій мітохондрії відсутні. Тому в них забезпечення клітин енергією відбувається в основному за рахунок процесів бродіння, а не дихання.

Будова мітохондрії

Це двомембранний органоїд, який з'явився в еукаріотичній клітині в процесі еволюції в результаті поглинання нею дрібнішою.

Внутрішня мембрана має вирости, які називаються кристи, або гребені. На кристах відбувається процес клітинного дихання.

Те, що знаходиться всередині двох мембран називається матрикс. У ньому розташовані білки, ферменти, необхідні прискорення хімічних реакцій, і навіть молекули РНК, ДНК і рибосоми.

Клітинне дихання - основа життя

Воно проходить у три етапи. Давайте розглянемо кожен із них докладніше.

Перший етап - підготовчий

Під час цієї стадії складні органічні сполуки розщеплюються більш прості. Так, білки розпадаються до амінокислот, жири – до карбонових кислот та гліцерину, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів, а вуглеводи – до глюкози.

Гліколіз

Це безкисневий етап. Він у тому, що речовини, отримані під час першого етапу, розщеплюються далі. Головні джерела енергії, які використовує клітина на цьому етапі, — молекули глюкози. Кожна з них у процесі гліколізу розпадається до двох молекул пірувату. Це відбувається протягом десяти послідовних хімічних реакцій. Внаслідок перших п'яти глюкоза фосфорилюється, а потім розщеплюється на дві фосфотріози. При наступних п'яти реакціях утворюється дві молекули та дві молекули ПВК (піровиноградної кислоти). Енергія клітини і запасається у вигляді АТФ.

Весь процес гліколізу можна спрощено зобразити таким чином:

2НАД+ 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + З 6 Н 12 Про 6 → 2Н 2 Про + 2НАД. Н 2 +2С 3 Н 4 Про 3 + 2АТФ

Таким чином, використовуючи одну молекулу глюкози, дві молекули АДФ та дві фосфорної кислоти, клітина отримує дві молекули АТФ (енергія) та дві молекули піровиноградної кислоти, яку вона використовуватиме на наступному етапі.

Третій етап – окислення

Ця стадія відбувається лише за наявності кисню. Хімічні реакції цього етапу відбуваються у мітохондріях. Саме це і є основна частина, під час якої вивільняється найбільше енергії. На цьому етапі вступаючи в реакцію з киснем, розщеплюється до води та вуглекислого газу. Крім того, утворюється 36 молекул АТФ. Отже, можна дійти невтішного висновку, що основні джерела енергії у клітині — глюкоза і піровиноградна кислота.

Підсумовуючи всі хімічні реакції та опускаючи подробиці, можна виразити весь процес клітинного дихання одним спрощеним рівнянням:

6О 2 + З 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 → 6СО 2 + 6Н2О + 38АТФ.

Таким чином, у ході дихання з однієї молекули глюкози, шести молекул кисню, тридцяти восьми молекул АДФ та такої ж кількості фосфорної кислоти клітина отримує 38 молекул АТФ, як і запасається енергія.

Різноманітність ферментів мітохондрій

Енергію для життєдіяльності клітина отримує за рахунок дихання - окиснення глюкози, а потім піровиноградної кислоти. Усі ці хімічні реакції не могли б проходити без ферментів – біологічних каталізаторів. Давайте розглянемо ті з них, які знаходяться в мітохондріях – органоїдах, які відповідають за клітинне дихання. Всі вони називаються оксидоредуктазами, тому що потрібні для забезпечення протікання окисно-відновних реакцій.

Усі оксидоредуктази можна розділити на дві групи:

• оксидази;
• дегідрогенази;

Дегідрогенази, у свою чергу, діляться на аеробні та анаеробні. Аеробні містять у своєму складі кофермент рибофлавіну, який організм отримує з вітаміну В2. Аеробні дегідрогенази містять як коферменти молекули НАД і НАДФ.

Оксидази різноманітніші. Насамперед вони поділяються на дві групи:

• ті, що містять мідь;
• ті, у складі яких є залізо.

До перших відносяться поліфенолоксидази, аскорбатоксидаза, до других – каталаза, пероксидаза, цитохроми. Останні, у свою чергу, поділяються на чотири групи:

• цитохроми a;
• цитохроми b;
• цитохроми c;
• цитохроми d.

Цитохроми а містять у своєму складі залізоформілпорфірин, цитохроми b - залізопротопорфірин, c - заміщений залізомезопорфірин, d - залізодигідропорфірин.

Чи можливі інші шляхи отримання енергії?

Незважаючи на те, що більшість клітин отримують її в результаті клітинного дихання, існують також анаеробні бактерії, для існування яких не потрібен кисень. Вони виробляють потрібну енергію шляхом бродіння. Це процес, у ході якого за допомогою ферментів вуглеводи розщеплюються без участі кисню, внаслідок чого клітина отримує енергію. Розрізняють кілька видів бродіння залежно від кінцевого продукту хімічних реакцій. Воно буває молочнокисле, спиртове, маслянокисле, ацетон-бутанове, лимоннокисле.

Наприклад розглянемо Його можна висловити ось таким рівнянням:

З 6 Н 12 Про 6 → З 2 Н 5 ВІН + 2СО 2

Тобто одну молекулу глюкози бактерія розщеплює до однієї молекули етилового спирту та двох молекул оксиду (IV) карбону.

Організм постійно пов'язаний з обміном енергії. Реакції енергетичного обміну відбуваються постійно, навіть коли ми спимо. Після складних хімічних змін харчові речовини перетворюються з високомолекулярних на прості, що супроводжується виділенням енергії. Це все енергетичний обмін.

Енергетичні запити організму під час бігу дуже великі. Наприклад, за 2,5-3 години бігу витрачається близько 2600 калорій (це марафонська дистанція), що значно перевищує енерговитрати ведучого малорухливий спосіб життя людини за день. Під час забігу енергія черпається організмом із запасів м'язового глікогену та жирів.

М'язовий глікоген, що є складним ланцюгом молекул глюкози, накопичується в активних групах м'язів. В результаті аеробного гліколізу та двох інших хімічних процесів глікоген перетворюється на аденозинтрифосфат (АТФ).

Молекула АТФ є основним джерелом енергії в нашому організмі. Підтримка енергетичного балансу та енергетичного обміну відбувається на рівні клітини. Від дихання клітини залежить швидкість та витривалість бігуна. Тому, щоб досягти найвищих результатів, треба забезпечити клітину киснем на всю дистанцію. Для цього потрібні тренування.

Енергія в організмі людини. Етапи енергетичного обміну.

Ми завжди отримуємо та витрачаємо енергію. У вигляді їжі ми отримуємо основні поживні речовини або готові органічні речовини, це білки жири та вуглеводи.Перший етап, це травлення, тут не відбувається виділення енергії, яку наш організм може запасти.

Травний процес спрямований не так на отримання енергії, але в те, щоб розбити великі молекули на дрібні. В ідеалі все має розщепитися до мономерів. Вуглеводи розщеплюється до глюкози, фруктози та галактози. Жири - до гліцерину та жирних кислот, білки до амінокислот.

Дихання клітини

Крім травлення, є друга частина чи етап. Це подих. Ми дихаємо та нагнітаємо повітря у легені, але це не основна частина дихання. Дихання, коли наші клітини, використовуючи кисень, спалюють поживні речовини до води і вуглекислого газу, щоб отримати енергію. Це кінцевий етап отримання енергії, який проходить у кожній нашій клітині.

Основним джерелом харчування людини є вуглеводи, що накопичуються у м'язах у вигляді глікогену, глікогену зазвичай вистачає на 40-45 хвилин бігу. Після закінчення цього часу організм повинен перейти на інше джерело енергії. Це жири. Жири – це альтернативна енергія глікогену.

Альтернативна енергія- Це означає необхідність вибору одного з двох джерел енергії або жири або глікоген. Наш організм може отримувати енергію лише з якогось одного джерела.

Біг на довгі дистанції відрізняється від бігу на короткі дистанції тим, що організм стаєра неминуче переходить до використання м'язових жирів як додаткового джерела енергії.

Жирні кислоти - це не вдалий замінник вуглеводів, так як на їх виділення та використання йде набагато більше енергії та часу. Але якщо глікоген закінчився, то організму нічого не залишається, як пустити в хід жири, видобуваючи в такий спосіб необхідну енергію. Виходить, що жири завжди запасний варіант для організму.

Зауважу, що жири, що використовуються при бігу, - це жири, що містяться в м'язових волокнах, а не жирові прошарки, що покривають тіло.

При спалюванні чи розщепленні будь-якої органічної речовини виходять відходи виробництва, це вуглекислий газ та вода. Наша органіка, це білки, жири та вуглеводи. Вуглекислий газ видихається разом із повітрям, а вода використовується організмом чи виводиться із потом чи сечею.

Переварюючи поживні речовини, наш організм якусь частину енергії втрачає як тепла. Так гріється і втрачає енергію в порожнечу двигун в автомобілі, так і м'язи бігуна витрачають величезну кількість енергії. перетворюючи хімічну енергію на механічну. Причому ККД становить близько 50%, тобто половина енергії йде у вигляді тепла у повітря.

Можна виділити основні етапи енергетичного обміну:

Ми їмо, щоб отримати поживні речовини, розщеплюємо їх, потім за допомогою кисню йде процес окиснення, у результаті отримуємо енергію. Частина енергії завжди йде у вигляді тепла, а частину ми запасаємо. Енергія запасається у вигляді хімічної сполуки, яка називається - АТФ.

Що таке АТФ?

АТФ - аденозинтрифосфат, що має велике значення в обміні енергії та речовин в організмах. АТФ є універсальним джерелом енергії всім біохімічних процесів, які у живих системах.

В організмі АТФ є однією з найчастіше оновлюваних речовин, так у людини тривалість життя однієї молекули АТФ менше хвилини. Протягом доби одна молекула АТФ проходить у середньому 2000-3000 циклів ресинтезу. Людський організм синтезує близько 40 кг АТФ щодня, але містить у кожен конкретний момент приблизно 250 р, тобто запасу АТФ у організмі мало створюється, й у нормальної життєдіяльності необхідно постійно синтезувати нові молекули АТФ.

Висновок: Наш організм може сам собі запасати енергію у вигляді хімічної сполуки. Це АТФ.

Атф складається з азотистої основи- аденіну, рибози та трифосфату - залишків фосфорної кислоти.

Для створення АТф потрібно багато енергії, але при її руйнуванні можна повернути цю енергію. Наш організм, розщеплюючи поживні речовини, створює молекулу АТФ, та був, коли йому потрібна енергія, він розщеплює молекулу АТФ чи розщеплює зв'язку молекули. Відщеплюючи один із залишків фосфорної кислоти можна отримати близько-40кДж. ⁄ моль.

Так відбувається завжди, тому що нам постійно потрібна енергія, особливо під час бігу. Джерела введення енергії в організм можуть бути різні (м'ясо. Фрукти. Овочі і т. д.) . Внутрішнє джерело енергії одне — це АТФ. Життя молекули менше за хвилину. тому організм постійно розщеплює та відтворює АТФ.

Енергія розщеплення. Енергія клітини

Дисиміляція

Основну енергію отримуємо з глюкози як молекули АТФ. Оскільки енергія нам потрібна завжди, ці молекули прийдуть в організм туди, де потрібно віддати енергію.

АТФ віддає енергію, і при цьому розщеплюється до АДФ аденозиндіфосфат.АДФ- це та сама молекула АТФ, тільки без одного залишку фосфорної кислоти. Ді це значить два. Глюкоза, розщеплюючись віддає енергію, яку забирає АДФ та відновлює свій фосфорний залишок, перетворюючись на АТФ, яка знову готова витратити енергію. Так відбувається постійно.

Цей процес називається - дисиміляцією.(Руйнування).В даному випадку для отримання енергії треба зруйнувати молекулу АТФ.

Асиміляція

Але є й інший процес. Можна будувати власні речовини з витратою енергії. Цей процес називається - асиміляція. З дрібніших створювати більші речовини. Виробництво власних білків, нуклеїнових кислот, жирів та вуглеводів.

Наприклад, ви з'їли шматок м'яса, М'ясо - це білок, який повинен розщепитися до амінокислот, з цих амінокислот будуть зібрані або синтезовані власні білки, які стануть вашими м'язами. На це піде якась частина енергії.

Одержання енергії. Що таке гліколіз?

Один із процесів отримання енергії для всіх живих організмів, це гліколіз. Гліколіз можна зустріти у цитоплазмі будь-якої нашої клітини. Назва «гліколіз» походить від грец. - солодкий та грецький. - Розчинення.

Гліколіз – ферментативний процес послідовного розщеплення глюкози у клітинах, що супроводжується синтезом АТФ. Це 13 ферментативних реакцій. Гліколіз при аеробнихумовах веде до утворення піровиноградної кислоти (пірувата).

Гліколіз у анаеробнихумовах веде до утворення молочної кислоти (лактату). Гліколіз є основним шляхом катаболізму глюкози в організмі тварин.

Гліколіз - один із найдавніших метаболічних процесів, відомий майже у всіх живих організмів. Імовірно, гліколіз з'явився понад 3,5 млрд років тому у первинних. прокаріотів. (Прокаріоти – це організми, у клітинах яких відсутнє оформлене ядро. Його функції виконує нуклеотид (тобто «подібний до ядра»); на відміну від ядра, нуклеотид не має власної оболонки).

Анаеробний гліколіз

Анаеробний гліколіз - це спосіб отримати енергію з молекули глюкози, не використовуючи кисень. Процес гліколізу (розщеплення) - це процес окислення глюкози, при якому з однієї молекули глюкози утворюються дві молекули. піровиноградної кислоти.

Молекула глюкози щепиться на дві половинки, які можна називати- піруват, це те саме, що і піровиноградна кислота. Кожна половинка пірувату може відновити молекулу АТФ. Виходить, одна молекула глюкози при розщепленні може відновити дві молекули АТФ.

При тривалому бігу або при бігу в анаеробному режимі через якийсь час стає важко дихати, втомлюються м'язи ніг, ноги стають важкими, вони, як і ви, перестають отримувати достатню кількість кисню.

Тому, що процес одержання енергії у м'язах закінчується на гліколізі. Тому м'язи починають хворіти та відмовляються працювати через відсутність енергії. Утворюється молочна кислотаабо лактат.Виходить, що швидше біжить атлет, тим швидше він виробляє лактат. Рівень лактату у крові тісно пов'язані з інтенсивністю виконання вправи.

Аеробний гліколіз

Сам собою гліколіз є повністю анаеробним процесом, тобто вимагає для протікання реакцій присутності кисню. Але погодьтеся, що одержання при гліколізі двох молекул АТФ це дуже мало.

Тому в організмі є альтернативний варіант отримання енергії із глюкози. Але вже за участю кисню. Це кисневе дихання. яким кожен із нас володіє, або аеробний гліколіз. Аеробний гліколіз здатний швидко відновлювати запаси АТФ у м'язі.

Під час динамічних навантажень, таких як біг, плавання тощо, відбувається аеробний гліколіз. тобто якщо ви біжите і не задихаєтеся, а спокійно розмовляєте з поруч товаришем, що біжить, то можна сказати, що ви біжите в аеробному режимі.

Дихання або аеробний гліколіз відбувається в мітохондріяхпід впливом спеціальних ферментів і потребує витрат кисню, відповідно і часу з його доставку.

Окислення відбувається в кілька етапів, спочатку йде гліколіз, але дві молекули пірувату, що утворилися в ході проміжного етапу цієї реакції, не перетворюються на молекули молочної кислоти, а проникають у мітохондрії, де окислюються в циклі Кребса до вуглекислого газу СО2 і води Н2О і дають енергію для виробництва ще 36 молекул АТФ.

Мітохондрії-це спеціальні органоїди, які знаходяться в клітині, тому і існує таТаке дихання відбувається у всіх організмів яким потрібен кисень, у тому числі і нам з вами.

Гліколіз – катаболічний шлях виняткової важливості. Він забезпечує енергією клітинні реакції, у тому числі синтез білка. Проміжні продукти гліколізу застосовуються при синтезі жирів. Піруват також може бути використаний для синтезу аланіну, аспартату та інших сполук. Завдяки гліколізу продуктивність мітохондрій та доступність кисню не обмежують потужність м'язів при короткочасних граничних навантаженнях. Аеробне окиснення в 20 разів ефективніше за анаеробний гліколіз.

Що таке мітохондрія?

Мітохондрія (від грец. μίτος - нитка і χόνδρος - зернятко, крупинка) - двомембранний сферичний або еліпсоїдний органоїд діаметром зазвичай близько 1 мікрометра. Енергетична станція клітини; основна функція - окислення органічних сполук і використання енергії, що звільняється при їх розпаді, для генерації електричного потенціалу, синтезу АТФ і термогенезу.

Число мітохондрій у клітині непостійне. Їх особливо багато у клітинах, у яких потреба у кисні велика. Залежно від того, в яких ділянках клітини в кожний конкретний момент відбувається підвищене споживання енергії, мітохондрії в клітині здатні переміщатися цитоплазмою в зони найбільшого енергоспоживання.

Функції мітохондрій

Однією з основних функцій мітохондрій є синтез АТФ – універсальної форми хімічної енергії у будь-якій живій клітині. Подивіться, на вході дві молекули пірувата, а на виході величезна кількість «багато чого». Це «багато чого» називається «Цикл Кребса». До речі, за відкриття цього циклу Ганс Кребс отримав Нобелівську премію.

Можна сказати, що це цикл трикарбонових кислот. У цьому циклі багато речовин послідовно перетворюються одна на одну. Втім, як ви зрозуміли, ця штука дуже важлива і зрозуміла для біохіміків. Іншими словами, це ключовий етап дихання всіх клітин, які використовують кисень.

У результаті на виході ми отримуємо - вуглекислий газ, воду та 36 молекул АТФ. Нагадаю, що гліколіз (без участі кисню) давав лише дві молекули АТФ однією молекулу глюкози. Тому, коли наші м'язи починають працювати без кисню, вони сильно втрачають ефективність. Саме тому всі тренування спрямовані на те, щоб м'язи якнайдовше могли працювати на кисні.

Будова мітохондрії

Мітохондрія володіє двома мембранами: зовнішньою та внутрішньою. Головна функція зовнішньої мембрани – це відокремлення органоїду від цитоплазми клітини. Вона складається з біліпідного шару і білків, що пронизують його, через які здійснюється транспорт молекул і іонів, необхідних мітохондрії для роботи.

У той час як зовнішня мембрана гладка, внутрішня утворює численні складки.кристи, які суттєво збільшують її площу. Внутрішня мембрана здебільшого складається з білків, серед яких присутні ферменти дихального ланцюга, транспортні білки та великі АТФ – синтетазні комплекси. Саме тут відбувається синтез АТФ. Між зовнішньою та внутрішньою мембраною знаходиться міжмембранний простір з властивими йому ферментами.
Внутрішній простір мітохондрій називається матрикс. Тут розташовані ферментні системи окислення жирних кислот та пірувату, ферменти циклу Кребса, а також спадковий матеріал мітохондрій – ДНК, РНК та білоксинтезуючий апарат.

Мітохондрія – це єдине джерело енергії клітин. Розташовані в цитоплазмі кожної клітини, мітохондрії можна порівняти з «батарейками», які виробляють, зберігають і розподіляють необхідну для клітини енергію.
Людські клітини містять у середньому 1500 мітохондрій. Їх особливо багато в клітинах з інтенсивним метаболізмом (наприклад, у м'язах чи печінці).
Мітохондрії рухливі та переміщуються в цитоплазмі залежно від потреб клітини. Завдяки наявності власної ДНК вони розмножуються та самознищуються незалежно від поділу клітини.
Клітини не можуть функціонувати без мітохондрій, без них життя не можливе.