Всяко свойство на живите и всяко проявление на живота е свързано с определени химични реакции в клетката. Тези реакции протичат или с цената, или с освобождаването на енергия. Цялата съвкупност от процеси на трансформация на веществата в клетката, както и в тялото, се нарича метаболизъм.
Анаболизъм
Клетката в процеса на живот поддържа постоянството на своята вътрешна среда, наречена хомеостаза. За да направи това, той синтезира вещества в съответствие със своята генетична информация.
Ориз. 1. Схема на метаболизма.
Тази част от метаболизма, в която се създават макромолекулни съединения, характерни за дадена клетка, се нарича пластичен метаболизъм (асимилация, анаболизъм).
Анаболните реакции включват:
- синтез на протеини от аминокиселини;
- образуване на нишесте от глюкоза;
- фотосинтеза;
- синтез на мазнини от глицерол и мастни киселини.
Тези реакции са възможни само с разход на енергия. Ако за фотосинтезата се изразходва външна (светлинна) енергия, то за останалата част - ресурсите на клетката.
ТОП 4 статиикоито четат заедно с това
Количеството енергия, изразходвано за асимилация, е по-голямо от това, което се съхранява в химични връзки, тъй като част от него се използва за регулиране на процеса.
Катаболизъм
Другата страна на метаболизма и преобразуването на енергията в клетката е енергийният метаболизъм (дисимилация, катаболизъм).
Реакциите на катаболизъм са придружени от освобождаване на енергия.
Този процес включва:
- дъх;
- разграждане на полизахаридите в монозахариди;
- разграждане на мазнини в мастни киселини и глицерол и други реакции.
Ориз. 2. Процеси на катаболизъм в клетката.
Връзката на обменните процеси
Всички процеси в клетката са тясно свързани помежду си, както и с процесите в други клетки и органи. Трансформациите на органичните вещества зависят от наличието на неорганични киселини, макро- и микроелементи.
Процесите на катаболизъм и анаболизъм протичат едновременно в клетката и са два противоположни компонента на метаболизма.
Метаболитните процеси са свързани с определени клетъчни структури:
- дъх- с митохондрии;
- протеинов синтез- с рибозоми;
- фотосинтеза- с хлоропласти.
Клетката се характеризира не с отделни химични процеси, а с закономерния ред, в който те се извършват. Метаболитните регулатори са ензимни протеини, които насочват реакциите и променят интензивността им.
АТФ
Аденозинтрифосфорната киселина (АТФ) играе специална роля в метаболизма. Това е компактно химическо устройство за съхранение на енергия, използвано за реакции на термоядрен синтез.
Ориз. 3. Схема на структурата на АТФ и превръщането му в АДФ.
Поради своята нестабилност, АТФ образува ADP и AMP молекули (ди- и монофосфат) с освобождаване на голямо количество енергия за асимилационни процеси.
Всички живи организми, с изключение на вирусите, са изградени от клетки. Те осигуряват всички процеси, необходими за живота на растение или животно. Самата клетка може да бъде отделен организъм. И как може такава сложна структура да живее без енергия? Разбира се, че не. И така, как се осъществява енергийното снабдяване на клетките? Тя се основава на процесите, които ще разгледаме по-долу.
Осигуряване на клетките с енергия: как се случва?
Малко клетки получават енергия отвън, те сами я произвеждат. имат свои собствени "станции". А източникът на енергия в клетката са митохондриите – органелата, която я произвежда. Това е процес на клетъчно дишане. Благодарение на него клетките се снабдяват с енергия. Те обаче присъстват само в растенията, животните и гъбите. Митохондриите отсъстват в бактериалните клетки. Следователно при тях осигуряването на клетките с енергия се дължи главно на процесите на ферментация, а не на дишане.
Структурата на митохондриите
Това е двумембранен органоид, появил се в еукариотната клетка по време на еволюцията в резултат на поглъщането й от по-малка.Това може да обясни факта, че митохондриите съдържат собствена ДНК и РНК, както и митохондриални рибозоми, които произвеждат протеини, необходими за органели.
Вътрешната мембрана има израстъци, наречени кристи или гребени. На кристалите протича процесът на клетъчно дишане.
Това, което е вътре в двете мембрани, се нарича матрица. Съдържа протеини, ензими, необходими за ускоряване на химичните реакции, както и РНК, ДНК и рибозоми.
Клетъчното дишане е в основата на живота
Провежда се на три етапа. Нека разгледаме всеки от тях по-подробно.
Първият етап е подготвителен
По време на този етап сложните органични съединения се разграждат на по-прости. Така протеините се разграждат на аминокиселини, мазнините на карбоксилни киселини и глицерол, нуклеиновите киселини на нуклеотиди и въглехидратите на глюкоза.
гликолиза
Това е аноксичният стадий. Това се крие във факта, че веществата, получени по време на първия етап, се разграждат допълнително. Основните източници на енергия, които клетката използва на този етап, са молекулите на глюкозата. Всеки от тях в процеса на гликолиза се разлага до две молекули пируват. Това се случва по време на десет последователни химични реакции. Благодарение на първите пет, глюкозата се фосфорилира и след това се разделя на две фосфотриози. Следните пет реакции произвеждат две молекули и две молекули PVC (пирувинова киселина). Енергията на клетката се съхранява под формата на АТФ.
Целият процес на гликолиза може да се опрости, както следва:
2NAD + 2ADP + 2H 3 RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2 НАД. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP
Така, използвайки една молекула глюкоза, две молекули ADP и две фосфорна киселина, клетката получава две молекули АТФ (енергия) и две молекули пирогроздена киселина, които ще използва в следващата стъпка.
Третият етап е окисление
Тази стъпка се извършва само в присъствието на кислород. Химичните реакции на този етап протичат в митохондриите. Това е основната част, по време на която се отделя най-много енергия. На този етап, реагирайки с кислорода, той се разпада на вода и въглероден диоксид. Освен това в този процес се образуват 36 ATP молекули. И така, можем да заключим, че основните източници на енергия в клетката са глюкозата и пирогроздената киселина.
Обобщавайки всички химични реакции и пропускайки подробностите, можем да изразим целия процес на клетъчно дишане с едно опростено уравнение:
6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 RO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.
Така по време на дишането от една молекула глюкоза, шест молекули кислород, тридесет и осем молекули ADP и същото количество фосфорна киселина клетката получава 38 молекули АТФ, под формата на които се съхранява енергия.
Разнообразие от митохондриални ензими
Клетката получава енергия за живот чрез дишане - окисление на глюкоза, а след това и пирогроздена киселина. Всички тези химични реакции не биха могли да протичат без ензими – биологични катализатори. Нека да разгледаме тези, които са в митохондриите - органелите, отговорни за клетъчното дишане. Всички те се наричат оксидоредуктази, тъй като са необходими за осигуряване на протичането на редокс реакции.
Всички оксидоредуктази могат да бъдат разделени на две групи:
- оксидази;
- дехидрогенази;
Дехидрогеназите от своя страна се делят на аеробни и анаеробни. Аеробните храни съдържат коензима рибофлавин, който тялото получава от витамин В2. Аеробните дехидрогенази съдържат NAD и NADP молекули като коензими.
Оксидазите са по-разнообразни. На първо място, те са разделени на две групи:
- такива, които съдържат мед;
- тези, които съдържат желязо.
Първите включват полифенолоксидази, аскорбатоксидаза, вторите - каталаза, пероксидаза, цитохроми. Последните от своя страна се делят на четири групи:
- цитохроми а;
- цитохроми b;
- цитохроми c;
- цитохроми d.
Цитохромите a съдържат железен формилпорфирин, цитохромите b съдържат железен протопорфирин, c съдържат заместен железен мезопорфирин и d съдържат железен дихидропорфирин.
Има ли други начини за получаване на енергия?
Докато повечето клетки го получават чрез клетъчно дишане, има и анаеробни бактерии, които не се нуждаят от кислород, за да оцелеят. Те произвеждат необходимата енергия чрез ферментация. Това е процес, при който въглехидратите се разграждат с помощта на ензими без участието на кислород, в резултат на което клетката получава енергия. Има няколко вида ферментация в зависимост от крайния продукт на химичните реакции. Тя може да бъде млечна киселина, алкохол, маслена киселина, ацетон-бутан, лимонена киселина.
Например, помислете, че може да се изрази по следния начин:
C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2
Това означава, че бактерията разгражда една молекула глюкоза на една молекула етилов алкохол и две молекули въглероден оксид (IV).
В. Н. Селуянов, В. А. Рибаков, М. П. Шестаков
Глава 1
1.1.3. Клетъчна биохимия (енергия)
Процесите на мускулна контракция, предаване на нервен импулс, синтез на протеини и т.н. са свързани с енергийни разходи. Клетките използват енергия само под формата на АТФ. Освобождаването на енергията, съдържаща се в АТФ, се осъществява благодарение на ензима АТФаза, който присъства във всички места на клетката, където е необходима енергия. Тъй като енергията се освобождава, се образуват молекули ADP, F, N. Ресинтезът на АТФ се извършва главно поради доставката на CRF. Когато CrF отделя енергията си за ресинтеза на АТФ, се образуват Cr и F. Тези молекули се разпространяват през цитоплазмата и активират ензимната активност, свързана със синтеза на АТФ. Има два основни начина за образуване на АТФ: анаеробен и аеробен (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988 и др.).
анаеробен пътили анаеробна гликолизасвързани с ензимни системи, разположени върху мембраната на саркоплазмения ретикулум и в саркоплазмата. Когато Kr и F се появят до тези ензими, се стартира верига от химични реакции, по време на които гликогенът или глюкозата се разлагат до пируват с образуването на ATP молекули. Молекулите на АТФ незабавно предават енергията си за ресинтеза на CRP, а АДФ и F отново се използват в гликолизата за образуване на нова молекула на АТФ. Пируватът има две възможности за преобразуване:
1) Превръща се в ацетил коензим А, претърпява окислително фосфорилиране в митохондриите, за да образува въглероден диоксид, вода и молекули на АТФ. Този метаболитен път - гликоген-пируват-митохондрии-въглероден диоксид и вода - се нарича аеробна гликолиза.
2) С помощта на ензима LDH M (лактат дехидрогеназа от мускулен тип), пируватът се превръща в лактат. Този метаболитен път - гликоген-пируват-лактат - се нарича анаеробна гликолизаи се придружава от образуване и натрупване на водородни йони.
аеробика,или окислително фосфорилиране, свързано с митохондриалната система. Когато Cr и F се появят близо до митохондриите с помощта на митохондриална CPKase, възниква ресинтез на CrF поради ATP, образуван в митохондриите. ADP и P се връщат в митохондриите, за да образуват нова ATP молекула. Има два метаболитни пътя за синтез на АТФ:
- 1) аеробна гликолиза;
2) окисляване на липиди (мазнини).
Аеробните процеси са свързани с абсорбцията на водородни йони, а в бавните мускулни влакна (MF на сърцето и диафрагмата) преобладава ензимът LDH H (лактат дехидрогеназа от сърдечен тип), който по-интензивно превръща лактата в пируват. Следователно, по време на функционирането на бавните мускулни влакна (SMF), има бързо елиминиране на лактатни и водородни йони.
Увеличаването на лактат и H в MW води до инхибиране на окислението на мазнините, а интензивното окисление на мазнини води до натрупване на цитрат в клетката и инхибира гликолизните ензими.
| Въведение |
1.1 |
Един от най-сложните въпроси е образуването, натрупването и разпределението на енергията в клетката.
Как една клетка произвежда енергия?В края на краищата тя няма нито ядрен реактор, нито електроцентрала, нито парен котел, дори и най-малкият. Температурата вътре в клетката е постоянна и много ниска - не повече от 40 °. И въпреки това клетките обработват такова количество вещества и толкова бързо, че всеки съвременен комбинат би им завидял.
как става това Защо получената енергия остава в клетката, а не се отделя под формата на топлина? Как една клетка съхранява енергия? Преди да се отговори на тези въпроси, трябва да се каже, че енергията, влизаща в клетката, не е механична или електрическа, а химическа енергия, съдържаща се в органичните вещества. В този момент влизат в действие законите на термодинамиката. Ако енергията се съдържа в химичните съединения, то тя трябва да се освободи при изгарянето им и за общия топлинен баланс няма значение дали те изгарят веднага или постепенно. Клетката избира втория път.
За простота, нека сравним клетката с "електрическа централа". Специално за инженерите добавяме, че "електростанцията" на клетката е топлинна. Сега нека предизвикаме енергийните представители на състезание: кой ще получи повече енергия от горивото и ще го използва по-икономично - клетка или която и да е, най-икономичната топлоелектрическа централа?
В процеса на еволюция клетката създава и усъвършенства своята "електроцентрала". Природата се е погрижила за всички негови части. Клетката съдържа "гориво", "мотор-генератор", "регулатори на мощността", "трансформаторни подстанции" и "преносни линии за високо напрежение". Нека да видим как изглежда всичко.
Основното "гориво", изгаряно от клетката, са въглехидратите. Най-простите от тях са глюкозата и фруктозата.
От ежедневната медицинска практика е известно, че глюкозата е основно хранително вещество. При тежко недохранени пациенти се прилага интравенозно, директно в кръвния поток.
По-сложните захари също се използват като енергийни източници. За такъв материал може да служи например обикновената захар, която има научното наименование "захароза" и се състои от 1 молекула глюкоза и 1 молекула фруктоза. При животните гликогенът е гориво, полимер, състоящ се от молекули глюкоза, свързани във верига. В растенията има вещество, подобно на гликогена - това е добре познатото нишесте. И гликогенът, и нишестето са резервни вещества. И двете се отлагат за черни дни. Нишестето обикновено се намира в подземните части на растението, като грудки, като тези на картофите. В клетките на пулпата на листата на растенията също има много нишесте (под микроскоп нишестените зърна блестят като малки парчета лед).
Гликогенът се натрупва при животните в черния дроб и се използва оттам при необходимост.
Всички по-сложни от глюкозата, захарите трябва да бъдат разградени на техните оригинални „градивни елементи“ – глюкозни молекули преди консумация. Има специални ензими, които разрязват като ножица дългите вериги от нишесте и гликоген на отделни мономери - глюкоза и фруктоза.
При липса на въглехидрати растенията могат да използват органични киселини в своята "пещ" - лимонена, ябълчена и др.
Покълналите маслодайни семена консумират мазнини, които първо се разграждат и след това се превръщат в захар. Това се вижда от факта, че с изразходването на мазнините в семената съдържанието на захар се увеличава.
И така, видовете гориво са изброени. Но е нерентабилно клетката да я изгори веднага.
Захарите се изгарят в клетката химически. Нормалното изгаряне е комбинацията на гориво с кислород, неговото окисляване. Но за окисление едно вещество не трябва да се свързва с кислород - то се окислява, когато електроните се отнемат от него под формата на водородни атоми. Този вид окисление се нарича дехидрогениране("хидрос" - водород). Захарите съдържат много водородни атоми и те се разделят не всички наведнъж, а на свой ред. Окисляването в клетката се осъществява от набор от специални ензими, които ускоряват и насочват процеса на окисление. Този набор от ензими и строгата последователност на тяхната работа са в основата на генератора на клетъчна енергия.
Процесът на окисление в живите организми се нарича дишане, така че по-долу ще използваме този по-разбираем израз. Вътреклетъчното дишане, наречено така по аналогия с физиологичния процес на дишане, е тясно свързано с него. По-нататък ще говорим повече за процесите на дишане.
Нека продължим сравнението на клетка с електроцентрала. Сега трябва да намерим в него онези части от електроцентралата, без които тя ще работи на празен ход. Ясно е, че енергията, получена от изгарянето на въглехидрати и мазнини, трябва да бъде доставена на потребителя. Това означава, че е необходима клетъчна „преносна линия с високо напрежение“. За обикновена електроцентрала това е сравнително просто - високоволтови проводници се изтеглят над тайгата, степите, реките и чрез тях се доставя енергия на заводи и фабрики.
Клетката има и свой собствен, универсален "жица за високо напрежение". Само в него енергията се предава химически и, разбира се, химическо съединение служи като „жица“. За да разберем принципа на неговата работа, въвеждаме малко усложнение в работата на електроцентралата. Да приемем, че енергията от линия с високо напрежение не може да бъде доставена на потребителя по проводници. В този случай ще бъде най-лесно да зареждате електрически батерии от линия с високо напрежение, да ги транспортирате до потребителя, да транспортирате използваните батерии обратно и т.н. В енергийния сектор това, разбира се, е нерентабилно. Подобен метод на клетка е много полезен.
Като батерия в клетката се използва съединение, което е универсално за почти всички организми - аденозинтрифосфорна киселина (вече говорихме за това).
За разлика от енергията на други фосфоетерни връзки (2-3 килокалории), енергията на свързване на крайните (особено крайните) фосфатни остатъци в АТФ е много висока (до 16 килокалории); така се нарича тази връзка макроергичен».
АТФ се намира в тялото навсякъде, където е необходима енергия. Синтезът на различни съединения, работата на мускулите, движението на камшичетата в протозоите - АТФ носи енергия навсякъде.
"Зареждането" на АТФ в клетката става по следния начин. Аденозин дифосфорната киселина - АДФ (АТФ без 1 фосфорен атом) е подходяща за мястото на освобождаване на енергия. Когато енергията може да се свърже, ADP се комбинира с фосфора, който е в големи количества в клетката, и "загражда" енергията в тази връзка. Сега имаме нужда от транспорт. Състои се от специални ензими - фосфоферази ("фера" - нося), които при поискване "грабват" АТФ и го пренасят до мястото на действие. След това идва ред на последния, последен "блок на електроцентралата" - понижаващи трансформатори. Те трябва да намалят напрежението и да дадат вече безопасен ток на консуматора. Тази роля се изпълнява от същите фосфоферази. Прехвърлянето на енергия от АТФ към друго вещество се извършва на няколко етапа. Първо, АТФ се комбинира с това вещество, след това настъпва вътрешно пренареждане на фосфорните атоми и накрая комплексът се разпада - АДФ се отделя и богатият на енергия фосфор остава "висящ" върху новото вещество. Новото вещество се оказва много по-нестабилно поради излишъка на енергия и е способно на различни реакции.
От появата на едноклетъчните организми до „изобретяването“ на клетъчното ядро и раждането на редица други иновации са изминали повече от милиард години. Едва тогава се отваря пътят към първите многоклетъчни същества, които дават началото на трите царства на животни, растения и гъби. Европейски учени предложиха ново обяснение за тази трансформация, което противоречи на досегашните представи.
Общоприето е, че първоначално по-съвършени ядрени клетки са се родили от прокариоти, разчитайки на старите енергийни механизми, и едва по-късно новобранците са придобили митохондрии. На последните е отредена важна роля в по-нататъшната еволюция на еукариотите, но не и ролята на крайъгълния камък, който лежи в самата му основа.
„Показахме, че първият вариант няма да работи. За да развие сложността на клетката, тя се нуждае от митохондрии “, обяснява Мартин. „Нашата хипотеза опровергава традиционния възглед, че преходът към еукариотни клетки изисква само правилните мутации“, повтаря го Лейн.
Те се развиват заедно, докато ендосимбионтът постепенно усъвършенства едно умение - синтеза на АТФ. Вътрешната клетка намалява по размер и прехвърля някои от своите вторични гени в ядрото. Така че митохондриите запазиха само тази част от оригиналната ДНК, която им беше необходима, за да работят като „жива електроцентрала“.
Митохондриите вътре в клетката (флуоресцират в зелено). Вмъквания: Мартин (вляво) и Лейн. Подробности за новото проучване могат да бъдат намерени в статията на Nature и прессъобщението на UCL (снимки от Дъглас Клайн, molevol.de, nick-lane.net).
Появата на митохондриите по отношение на енергията може да се сравни с изобретяването на ракета след количка, тъй като ядрените клетки са средно хиляда пъти по-големи от клетките без ядро.
Последното, изглежда, също може да нарасне по размер и сложност на устройството (тук има отделни поразителни примери). Но по този път малките същества имат уловка: докато растат геометрично, съотношението на повърхността към обема бързо намалява.
Междувременно простите клетки генерират енергия с помощта на мембрана, която ги покрива. Така че в голяма прокариотна клетка може да има достатъчно място за нови гени, но тя просто няма достатъчно енергия, за да синтезира протеини според тези „инструкции“.
Простото увеличаване на гънките на външната мембрана не спестява особено ситуацията (въпреки че такива клетки са известни). С този метод за увеличаване на мощността се увеличава и броят на грешките в работата на енергийната система. В клетката се натрупват нежелани молекули, които могат да я унищожат.
Броят на митохондриите (показани в червено) в една клетка варира от едно копие (предимно в едноклетъчни еукариоти) до две хиляди (например в човешки чернодробни клетки) (илюстрация от Odra Noel).
Митохондриите са брилянтно изобретение на природата. Чрез увеличаване на техния брой е възможно да се увеличи енергийният потенциал на клетката, без да нараства външната й повърхност. Освен това всяка митохондрия също има вградени механизми за контрол и възстановяване.
И още един плюс на иновацията: митохондриалната ДНК е малка и много икономична. Не изисква много ресурси, за да го копирате. Но бактериите, за да увеличат енергийните си възможности, могат да създадат само много копия на целия си геном. Но подобно развитие бързо води до енергийна задънена улица.
Сравнение на енергията на различни клетки и техните схеми. а) – среден прокариот ( Ешерихия), б) е много голям прокариот ( Тиомаргарита) и (c) среден еукариот ( еуглена).
Диаграмите показват (отгоре надолу): мощност (ватове) на грам клетка (d), мощност (фемтовати) на ген (e) и мощност (пиковати) на хаплоиден геном (f) (илюстрации от Nick Lane, William Мартин/Природа).
Авторите на работата изчисляват, че средната еукариотна клетка теоретично може да носи 200 000 пъти повече гени от средната бактерия. Еукариотите могат да се разглеждат като библиотека с голям брой рафтове - напълнете я с книги до насита. Е, по-разширеният геном е основата за по-нататъшно подобряване на структурата на клетката и нейния метаболизъм, появата на нови регулаторни вериги.