1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Перетворення енергії в клітині

Перетворення енергії в клітині

Живій клітці внутрішньо властива нестійка і майже неправдоподібна організація; клітина здатна зберігати вельмиспецифічну і прекрасну у своїй складності впорядкованість своєї тендітної структури лише завдяки безперервному споживанню енергії. Як тільки надходження енергії припиняється, складна структура клітини розпадається, і вона переходить в невпорядковане і позбавлене організації стан. Крім забезпечення хімічних процесів, необхідних для підтримки цілісності клітини, в різних типах клітин за рахунок перетворення енергії забезпечується здійснення різноманітних механічних, електричних, хімічних і осмотичних процесів, пов’язаних з життєдіяльністю організму.

Навчившись в порівняно недавній час витягувати енергію, укладену в різних неживих джерелах, для виконання різноманітної роботи, людина почала осягати, як майстерно і з якою високою ефективністю виробляє перетворення енергії клітина. Метаморфоза енергії в живій клітині підпорядковується тим самим законам термодинаміки, які діють в неживій природі. Відповідно до першого закону термодинаміки загальна енергія замкнутої системи при будь-якому фізичному зміні завжди залишається постійною. Згідно з другим законом енергія може існувати у двох формах: у формі «вільної», або «корисною» енергії, і в формі «марною, що розсіюється» енергії. Той же закон стверджує, що при будь-якому фізичному зміні спостерігається тенденція до розсіювання енергії, тобто до зменшення кількості вільної енергії і до зростання ентропії. Тим часом жива клітина потребує постійного притоку вільної енергії.

Клітини отримують вільну енергію за рахунок звільнення енергії хімічних зв’язків, укладеної в «пальному». Енергія запасається в цих зв’язках темп-клітинами, які синтезують живильні речовини, службовці таким «пальним». Однак клітини використовують цю енергію вельми специфічним чином. Оскільки температура, при якій жива клітина функціонує, приблизно постійна, клітина не може використовувати теплову енергію, щоб виробляти роботу. Для того щоб за рахунок теплової енергії могла відбуватися робота, теплота повинна переходити від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Абсолютно ясно, що клітина не може спалювати своє «пальне» при температурі згоряння вугілля (900 ° С); не може вона також витримати вплив перегрітою парою або струмом високої напруги. Клітці доводиться добувати і використовувати енергію в умовах досить постійною і притому низької температури, розведеної водного середовища і вельми незначних коливань концентрації водневих іонів. Для того щоб придбати можливість отримувати енергію, клітина протягом багатовікової еволюції органічного світу удосконалювала свої чудові молекулярні механізми, які незвичайно ефективно діють в цих м’яких умовах.

Механізми клітини, що забезпечують вилучення енергії, діляться на два класи, і на підставі відмінності в цих механізмах всі клітини можна розбити на два основних типи. Клітини першого типу називають гетеротрофних; до них відносяться всі клітини організму людини і клітини всіх вищих тварин. Цим клітинам необхідний постійний приплив готового пального вельми складного хімічного складу. Таким пальним служать для них вуглеводи, білки і жири, тобто окремі складові частини інших клітин і тканин. Гетеротрофні клітини отримують енергію, спалюючи або окисляя ці складні речовини (що виробляються іншими клітинами) в процесі, який називається диханням і в якому бере участь молекулярний кисень (02) атмосфери. Гетеротрофні клітини використовують цю енергію для виконання своїх біологічних функцій, виділяючи в атмосферу двоокис вуглецю в якості кінцевого продукту.

Клітини, що належать до другого типу, називають автотрофи-ними. Найбільш типові автотрофні клітини – це клітини зелених рослин. У процесі фотосинтезу вони пов’язують енергію сонячного світла, використовуючи її для своїх потреб. Крім того, вони за допомогою сол нечно енергії видобувають вуглець з атмосферної двоокису вуглецю і використовують його для побудови найпростішої органічної молекули – молекули глюкози. З глюкози клітини зелених рослин та інших організмів створюють більш складні молекули, що входять до їх складу. Щоб забезпечити необхідну для цього енергію, клітини в процесі дихання спалюють частину наявного в їх розпорядженні сировини. З цього опису циклічних перетворень енергії в клітині стає ясно, що всі живі організми в кінцевому рахунку отримують енергію від сонячного світла, причому рослинні клітини безпосередньо від сонця, а тварини – непрямим шляхом. Дихання здійснюється мітохондріями, наявними у великій кількості майже у всіх клітинах; фотосинтез забезпечують хлоропласти – цитоплазматические структури, що містяться в клітинах зелених рослин. Молекулярні механізми, які знаходяться в цих клітинних утвореннях, складаючи їх структуру і забезпечуючи виконання їх функцій, являють собою наступний важливий етап у вивченні клітини.

Одні й ті ж добре вивчені молекули – молекули адено- зінтріфосфата (АТФ) – переносять отриману за рахунок поживних речовин або сонячного світла вільну енергію від центрів дихання або фотосинтезу в усі ділянки клітини, забезпечуючи здійснення всіх процесів, що протікають зі споживанням енергії.

В процесі реакції вільна енергія молекули АТФ перетворюється в теплову енергію, а ентропія при цьому у відповідності з другим законом термодинаміки зростає. У клітці, однак, кінцева фосфатна група в процесі гідролізу не просто відділяється, але переноситься на особливу молекулу, що служить акцептором. Значна частина вільної енергії молекули АТФ при цьому зберігається завдяки фосфорилюванню молекули-акцептора, яка тепер за рахунок зрослої енергії набуває можливість брати участь у процесах, що протікають зі споживанням енергії, – наприклад, у процесах біосинтезу або м’язового скорочення. Після відщеплення однієї фосфатної групи в процесі цієї поєднаної реакції АТФ перетворюється в АДФ (аденозиндифосфат). У термодинаміки клітини АТФ можна розглядати як багату енергією, або «заряджену» форму носія енергії, а АДФ – як бідну енергією, або «виряджену» форму.

Вторинна «зарядка» носія проводиться одним з двох механізмів, що беруть участь в добуванні енергії. У процесі дихання тварин клітин енергія, укладена в поживних речовинах, звільняється в результаті окислення і витрачається на побудову АТФ з АДФ і фосфату. При фотосинтезі в рослинних клітинах енергія сонячного світла перетворюється в хімічну енергію і витрачається на «зарядку» аденозінфосфата, т. Е. На освіту АТФ.

Роль АТФ у фотосинтезі вдалося з’ясувати лише недавно. Це відкриття дозволило значною мірою пояснити, яким чином фотосинтезирующие клітини в процесі синтезу вуглеводів пов’язують сонячну енергію – первинне джерело енергії всіх живих істот.

Енергія сонячного світла передається у вигляді фотонів або квантів; світло всілякої забарвлення або різної довжини хвилі характеризується різною енергією. При падінні світла на деякі металеві поверхні і поглинанні його цими поверхнями фотони в результаті зіткнення з електронами металу передають їм свою енергію. Фотоелектричний ефект можна виміряти завдяки виникає при цьому електричному струму. У клітинах зелених рослин сонячне світло з певними довжинами хвиль поглинається зеленим пігментом – хлорофілом. Поглинута енергія переводить електрони в складній молекулі хлорофілу з основного енергетичного рівня на більш високий. Подібні «збуджені» електрони прагнуть знову повернутися на свій основний стабільний енергетичний рівень, віддаючи при цьому поглинену ними енергію. У чистому препараті хлорофілу, виділеного з клітки, поглинена енергія знову випускається у формі видимого світла, аналогічно тому, як це відбувається у випадку інших фосфоресцирующих або флуоресціюючих органічних і неорганічних сполук.

Таким чином, хлорофіл, перебуваючи в пробірці, сам по собі не здатний запасати або використовувати енергію світла; енергія ця швидко розсіюється, як якщо б сталося коротке замикання. Однак у клітці хлорофіл стерически пов’язаний з іншими специфічними молекулами. Тому коли він під впливом поглинання світла приходить в збуджений стан, «гарячі», або багаті енергією електрони не повертаються у свій нормальний (не порушення) енергетичний стан, а замість цього відриваються від молекули хлорофілу і переносяться молекулами – переносниками електронів, які передають їх один одному по замкнутому ланцюзі реакцій. Проробляючи цей шлях поза молекули хлорофілу, збуджені електрони поступово віддають свою енергію і повертаються на свої колишні місця в молекулі хлорофілу, яка після цього виявляється готової до поглинання другого фотона. Тим часом енергія, віддана електронами, використовується на утворення АТФ з АДФ і фосфату, – іншими словами, на «зарядку» аденозінфосфатной системи фотосинтезуючої клітини.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Відділ дінофіти