Енергетика живої клітини

Як енергія запасається в клітці? Що таке метаболізм? У чому суть процесів гліколізу, бродіння і клітинного дихання? Які процеси проходять на світловий і темнової фазах фотосинтезу? Як пов’язані процеси енергетичного та пластичного обміну? Що являє собою хемосинтез?

Здатність перетворювати одні види енергії в інші (енергію випромінювання в енергію хімічних зв’язків, хімічну енергію в механічну і т. П.) Відноситься до числа фундаментальних властивостей живого. Тут ми детально розглянемо, яким чином реалізуються ці процеси у живих організмів.

АТФ – ГОЛОВНИЙ переносниками енергії в клітині. Для здійснення 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, які надходять з їжею. Енергія запасається клітинами в хімічних зв’язках молекул АТФ (аденозинтрифосфат), які представляють собою нуклеотид, що складається з трьох фосфатних груп, залишку цукру (рибози) і залишку азотистого підстави (аденіну) (рис. 52).

Зв’язок між фосфатними залишками отримала назву макроергічним, оскільки при її розриві виділяється велика кількість енергії. Звичайно клітина витягає енергію з АТФ, отщепляя тільки кінцеву фосфатну групу. При цьому утворюється АДФ (аденозиндифосфат), фосфорна кислота і звільняється 40 кДж / моль:

Молекули АТФ відіграють роль універсальної енергетичної розмінної монети клітини. Вони поставляються до місця протікання енергоємного процесу, будь то 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 кліткою енергії у вигляді АТФ здійснюється в ході реакцій енергетичного обміну. Він тісно пов’язаний з пластичним обміном, в ході якого клітина виробляє необхідні для її функціонування органічні сполуки.

ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ В КЛЕТКЕ (МЕТАБОЛІЗМ). Метаболізм – сукупність всіх реакцій пластичного і енергетичного обміну, пов’язаних між собою. У клітинах постійно йде синтез вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот. Синтез сполук завжди йде з витратою енергії, т. Е. При неодмінному участі АТФ. Джерелами енергії для утворення АТФ служать ферментативні реакції окислення надходять у клітку білків, жирів і вуглеводів. У ході цього процесу вивільняється енергія, яка акумулюється в АТФ. Особливу роль в енергетичному обміні клітини грає окислення глюкози. Молекули глюкози зазнають при цьому ряд послідовних перетворень.

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

С6Н1206 → 2С3Н403 + 4Н + + 2АТФ

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

Всім відомо молочнокисле бродіння (скисання молока), яке відбувається завдяки діяльності молочнокислих грибків і бактерій. По механізму воно схоже з гликолизом, 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 молочнокислому і спиртове бродіння. Відмінність полягає в тому, що продуктами спиртового бродіння є етиловий спирт і вуглекислий газ.

Наступний етап, в ході якого піровиноградна кислота окислюється, до вуглекислого газу і води, отримав назву клітинне дихання. Пов’язані з диханням реакції проходять в мітохондріях рослинних і тваринних клітин, і тільки при наявності кисню. Це ряд хімічних перетворень до утворення кінцевого продукту – вуглекислого газу. На різних етапах такого процесу утворюються проміжні продукти окислення вихідної речовини з відщепленням атомів водню. При цьому звільняється енергія, яка «консервується» в хімічних зв’язках АТФ, і утворюються молекули води. Стає зрозумілим, що саме для того, щоб зв’язати отщепленим атоми водню, і потрібний кисень. Даний ряд хімічних перетворень досить складний 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 результат перетворень продуктів гліколізу на мембранах мітохондрій. Всього в результаті окислення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ:

C6H12O6 + 6Н20 → 6CO2 + 6H2O + 38АТФ

У мітохондріях відбуваються кінцеві етапи окислення не тільки цукрів, але також білків і ліпідів. Ці речовини використовуються клітинами, головним чином коли добігає кінця запас вуглеводів. Спочатку витрачається жир, при окисленні якого виділяється істотно більше енергії, ніж з рівного об’єму вуглеводів і білків. Тому жир у тварин являє собою основний «стратегічний резерв» енергетичних ресурсів. У рослин ж роль енергетичного резерву грає крохмаль. При зберіганні він займає значно більше місця, ніж енергетично еквівалентне йому кількість жиру. Для рослин це не служить перешкодою, оскільки вони нерухомі і не носять, як тварини, запаси на собі. Витягти ж енергію з вуглеводів можна набагато швидше, ніж з 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, в ході якого енергія сонячних променів перетворюється на енергію хімічних зв’язків органічних сполук. У рослинних клітинах пов’язані з фотосинтезом процеси протікають в хлоропластах. Усередині цієї органели перебувають системи мембран, в які вбудовані пігменти, що вловлюють променисту енергію Сонця. Основний пігмент фотосинтезу – хлорофіл, який поглинає переважно сині й фіолетові, а також червоні промені спектру. Зелене світло при цьому відбивається, тому сам хлорофіл і містять його частини рослин здаються зеленими.

У фотосинтезі виділяють дві фази – світлову та темновую (рис. 53). Власне уловлювання і перетворення променевої енергії відбувається під час світлової фази. При поглинанні квантів світла хлорофіл переходить в збуджений стан і стає донором електронів. Його електрони передаються від одного білкового комплексу до іншого по ланцюгу перенесення електронів. Білки цього ланцюга, як і пігменти, зосереджені на внутрішній мембрані хлоропластів. При переході електрона по ланцюгу переносників він втрачає енергію, яка використовується для синтезу АТФ. Частина порушених світлом електронів використовується для відновлення НДФ (нікотінамідаденіндінуклеотіфосфат), або НАДФ · Н.

Під дією сонячного світла в хлоропластах відбувається також розщеплення молекул води – фотоліз; при цьому виникають електрони, які відшкодовують втрати їх хлорофілом; в якості побічного продукту при цьому утворюється кисень:

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

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

Сумарне рівняння фотосинтезу має наступний вигляд:

ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК І ЄДНІСТЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАСТИЧНОГО ТА ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ. Процеси синтезу АТФ відбуваються в цитоплазмі (гліколіз), в мітохондріях (клітинне дихання) і в хлоропластах (фотосинтез). Всі осуществляющиеся в ході цих процесів реакції – це реакції енергетичного обміну. Запасена у вигляді АТФ енергія витрачається в реакціях пластичного обміну для виробництва необхідних для життєдіяльності клітини білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Зауважимо, що темновая фаза фотосинтезу – це ланцюг реакцій, пластичного обміну, а світлова – енергетичного.

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

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

Хемосинтезом. До синтезу органічних речовин з неорганічних, крім фотоавтотрофов, здатні і деякі бактерії (водневі, нитрифицирующие, серобактерии та ін.). Вони здійснюють цей синтез за рахунок енергії, що виділяється при окисленні неорганічних речовин. Їх називають хемоавтотрофов. Ці хемосинтезирующие бактерії відіграють важливу роль у біосфері. Наприклад, нитрифицирующие бактерії переводять недоступні для засвоєння рослинами солі амонію в солі азотної кислоти, які добре ними засвоюються.

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

У чому полягають відмінності між пластичним і енергетичним обміном?
Як перетвориться енергія сонячних променів в світлову фазу фотосинтезу? Які процеси проходять в темновую фазу фотосинтезу?
Чому фотосинтез називають процесом віддзеркалення планетних-космічного взаємодії?

Посилання на основну публікацію