Введення в енергетику клітини

Живі клітини підтримують структуру, рівень метаболізму, здійснюють диференціювання, діляться і забезпечують свою функціональну активність, завдяки постійному припливу енергії ззовні. Енергія хімічних зв’язків жирів і вуглеводів в процесі їх окислення використовується клітиною для синтезу енергетично багатих сполук, які витрачаються в клітці для її потреб. Основними носіями енергії в клітині є молекули АТФ – аденозинтрифосфату. Схема молекули АТФ представлена ​​на рис. 7.1. До складу цієї молекули входять азотисті основи аденін, з’єднаний з п’ятивуглеводним цукром рибозой, до якої послідовно приєднані три залишку фосфорної кислоти. Найбільш енергоємною є хімічний зв’язок між другим і третім залишками фосфорної кислоти. Молекула АТФ використовується клітиною як основний носій енергії у всіх клітинних структурах і гіалоплазме. Розчин АТФ, приготований в пробірці, дуже нестійкий. При кімнатній температурі АТФ швидко руйнується з утворенням АДФ (аденозиндифосфату) і звільненням третього залишку фосфорної кислоти. Вільна енергія розсіюється у вигляді теплової енергії. У клітці енергія АТФ використовується для фосфорилювання ферментів або структурних білків. Приєднання залишку фосфорної кислоти до білкової молекулі змінює розподіл зарядів в ній, що призводить до зміни просторової структури молекули. Фосфорилювання викликає підвищення або зниження активності ферментів, впливає на характеристики структурних білків.

У клітці енергія АТФ використовується у всіх синтетичних процесах (синтез білка, ДНК, РНК, глікогену і т. Д.). До 80% енергії АТФ може використовуватися в процесах транспорту через мембрану. Відомі такі види транспорту, як активний і пасивний транспорт невеликих молекул і іонів, ендоцитоз і екзоцитоз. Клітка здійснює механічну роботу, що вимагає витрат АТФ: забезпечує переміщення різних вакуолей і хромосом в процесі розподілу, рух війок і джгутиків, освіта псевдоподий, скорочення м’язових клітин. Між зовнішньою і внутрішньою середовищем клітини завжди існує різниця потенціалів, природа якої – в різниці концентрацій позитивно і негативно заряджених іонів. Іони калію знаходяться переважно всередині клітин, а іони натрію – у позаклітинному просторі. На підтримку різниці потенціалів затрачається робота, що вимагає енергетичних витрат.
Принцип утворення АТФ однаковий у всіх типах клітин. Синтез АТФ відбувається з АДФ і залишку фосфорної кислоти, і завжди цей процес пов’язаний з окислювально-відновними реакціями. У таких реакціях органічні сполуки окислюються, звільняючи при цьому протони (Н +) і електрони (℮).
У клітинах існують органічні молекули небілкової природи, які здатні прийняти на себе протони й електрони і перенести їх в інші місця, де ті в свою чергу можуть бути використані. Це молекули никотинамидадениндинуклеотид (НАД) і нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ). НАД – окислена форма, НАДН – відновлена ​​форма, відповідно НАДФ – окислена форма, НАДФ • Н – відновлена.
І в рослинних, і в тваринних клітинах синтез молекул АТФ, використовуваних на будь-які потреби клітини, відбувається в результаті двох послідовних процесів – гліколізу і мітохондріального дихання. Крім того, в рослинній клітині утворення АТФ відбувається також у процесі фотосинтезу, світловий його фази. Частина утворилася АТФ використовується безпосередньо в хлоропластах для синтезу органічних сполук в темновой фазі фотосинтезу. Щороку за рахунок фотосинтезу на Землі утворюється близько 200 мільярдів тонн органічних речовин і 150 мільярдів тонн кисню. У процесі фотосинтезу освіту АТФ відбувається за рахунок використання вільної сонячної енергії, а не енергії хімічних зв’язків, як це відбувається в процесах гліколізу і дихання. Фотосинтез – єдиний процес, в результаті якого в живих клітинах запасається вільна енергія.
Як уже зазначалося, в клітинах всіх типів АТФ утворюється за рахунок використання енергії хімічних зв’язків вуглеводів і жирів у процесах їх окислення. Найбільш докладно вивчений процес окислення вуглеводів, зокрема глюкози. У разі використання в процесах окислення, пов’язаних з синтезом АТФ, виключно глюкози маса тіла людини повинна була б збільшитися на 25 кг. Однак цього не відбувається, оскільки використовується ще й енергія, що отримується при розщепленні жирів. Жири є найбільш енергоємними сполуками клітин. Вони зосереджені в основному в жировій тканині, звідки потоком крові переносяться в інші клітини. Оскільки найбільш вивчений процес окислення глюкози, пов’язаний з синтезом АТФ, ми приведемо його в якості прикладу.
Процес окислення глюкози, пов’язаний з синтезом АТФ, відбувається послідовно в результаті проходження двох фаз: гліколізу і дихання.
Гліколіз – це процес безкисневого окислення глюкози, пов’язаний з синтезом АТФ з АДФ і залишку фосфорної кислоти. Гліколіз відбувається безпосередньо в гіалоплазме, там, де функціонують ферменти гліколізу. В результаті цього процесу використовується тільки 10% енергії хімічних зв’язків молекули глюкози. В результаті окислення однієї шестіуглеродних молекули глюкози в процесі гліколізу утворюється дві молекули трехуглеродного сполуки – піровиноградної кислоти і дві молекули АТФ. Це складний процес, що складається з 11 послідовних реакцій, кожна з яких каталізується своїм ферментом. У процесі гліколізу переносником електронів і протонів є молекули НАДФ · Н у відновленій формі. Протони й електрони використовуються в інших метаболічних шляхах клітини.
Незважаючи на те, що коефіцієнт корисної дії цього процесу невеликий, відомі клітини, які живуть тільки за рахунок гліколізу. Насамперед, це анаеробні бактерії, одноклітинні кишкові паразити, ембріональні клітини на ранніх стадіях розвитку до появи кровоносної системи, а також еритроцити, у яких повністю відсутні мітохондрії. Переважно за рахунок гліколізу живуть пухлинні клітини, особливо в твердих пухлинних утвореннях, де порушено кровопостачання.
Більшість клітин синтезують значну частину молекул АТФ при подальшому кисневому окисленні піровиноградної кислоти, що утворилася в процесі гліколізу в гіалоплазме, до одноуглеродних молекул вуглекислого газу. Окислення відбувається в результаті складного ланцюга послідовних реакцій, які відомі як цикл Кребса. Цей процес називається клітинним диханням і відбувається він у мітохондріях.
Сумарне рівняння дихання:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О
При повному окисленні однієї молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ: 36 молекул в процесі дихання і 2 молекули в процесі гліколізу. Освіта АТФ за рахунок фосфорилювання АДФ і весь процес синтезу АТФ, пов’язаний з кисневим окисленням органічних сполук, називається окислювальним фосфорилюванням. Перш, ніж розібратися у вузлових етапах цього процесу розглянемо структуру мітохондрій.

Питання
1. Які клітинні процеси потребують витрат енергії?
2. З яких компонентів синтезується АТФ у клітині?
3. Що таке гліколіз? Де він відбувається? У чому його значення?
4. Який процес, пов’язаний з синтезом АТФ, відбувається в мітохондріях?
5. Яку роль в клітці виконують молекули НАД і НАДФ?
6. Перерахуйте процеси, пов’язані з синтезом АТФ в рослинній клітині.
7. Що таке фосфорилирование ферментів або структурних білків? У чому значення?

Посилання на основну публікацію