אנרגיה של תא חי. תכנית המרת אנרגיה בתא. המרת אנרגיה בתא הנשימה התאית היא הבסיס לחיים

כל תכונה של החיים, וכל ביטוי של חיים קשורים לתגובות כימיות מסוימות בתא. תגובות אלו מתאימות לעלות או לשחרור אנרגיה. מכלול התהליכים של טרנספורמציה של חומרים בתא, כמו גם בגוף, נקרא מטבוליזם.

אנבוליזם

התא בתהליך החיים שומר על קביעות הסביבה הפנימית שלו, הנקראת הומאוסטזיס. לשם כך, הוא מסנתז חומרים בהתאם למידע הגנטי שלו.

אורז. 1. תכנית חילוף החומרים.

חלק זה של חילוף החומרים, שבו נוצרות תרכובות מקרומולקולריות האופייניות לתא נתון, נקרא מטבוליזם פלסטי (הטמעה, אנבוליזם).

תגובות אנבוליזם כוללות:

• סינתזה של חלבונים מחומצות אמינו;
• היווצרות עמילן מגלוקוז;
• פוטוסינתזה;
• סינתזה של שומנים מגליצרול וחומצות שומן.

תגובות אלו אפשריות רק עם הוצאת אנרגיה. אם אנרגיה חיצונית (אור) מושקעת לפוטוסינתזה, אז עבור השאר - משאבי התא.

4 המאמרים המוביליםשקרא יחד עם זה

כמות האנרגיה המושקעת בהטמעה גדולה יותר מאשר מאוחסנת בקשרים כימיים, מכיוון שחלק ממנה משמש לוויסות התהליך.

יְרִידַת חֳמָרִים

הצד השני של חילוף החומרים והמרת אנרגיה בתא הוא חילוף חומרים אנרגטי (התפזרות, קטבוליזם).

תגובות קטבוליזם מלוות בשחרור אנרגיה.
תהליך זה כולל:

• נְשִׁימָה;
• פירוק של פוליסכרידים לחד סוכרים;
• פירוק שומנים לחומצות שומן וגליצרול ותגובות אחרות.

אורז. 2. תהליכי קטבוליזם בתא.

מערכת היחסים של תהליכי חליפין

כל התהליכים בתא קשורים קשר הדוק זה לזה, כמו גם לתהליכים בתאים ואיברים אחרים. הטרנספורמציות של חומרים אורגניים תלויות בנוכחות של חומצות אנאורגניות, מאקרו ומיקרו-אלמנטים.

תהליכי הקטבוליזם והאנבוליזם מתרחשים בו זמנית בתא והם שני מרכיבים הפוכים של חילוף החומרים.

תהליכים מטבוליים קשורים למבני תאים מסוימים:

• נְשִׁימָה- עם מיטוכונדריה;
• סינתזת חלבון- עם ריבוזומים;
• פוטוסינתזה- עם כלורופלסטים.

התא מאופיין לא בתהליכים כימיים בודדים, אלא בסדר הקבוע שבו הם מתבצעים. מווסתים מטבוליים הם חלבוני אנזימים המכוונים תגובות ומשנים את עוצמתם.

ATP

חומצה אדנוזין טריפוספורית (ATP) ממלאת תפקיד מיוחד במטבוליזם. זהו מכשיר קומפקטי לאחסון אנרגיה כימית המשמש לתגובות היתוך.

אורז. 3. סכימה של מבנה ה-ATP והפיכתו ל-ADP.

בשל חוסר היציבות שלו, ATP יוצר מולקולות ADP ו-AMP (די- ומונופוספט) עם שחרור כמות גדולה של אנרגיה לתהליכי הטמעה.

כל היצורים החיים, למעט וירוסים, מורכבים מתאי. הם מספקים את כל התהליכים הדרושים לחיים של צמח או חיה. התא עצמו יכול להיות אורגניזם נפרד. ואיך מבנה מורכב כזה יכול לחיות בלי אנרגיה? ברור שלא. אז איך מתבצעת אספקת האנרגיה לתאים? הוא מבוסס על התהליכים שנדון בהם להלן.

מתן אנרגיה לתאים: איך זה קורה?

תאים מעטים מקבלים אנרגיה מבחוץ, הם מייצרים אותה בעצמם. יש להם "תחנות" משלהם. ומקור האנרגיה בתא הוא המיטוכונדריה – האברון המייצר אותה. זהו תהליך הנשימה התאית. בשל כך, התאים מסופקים באנרגיה. עם זאת, הם קיימים רק בצמחים, בעלי חיים ופטריות. מיטוכונדריה חסרות בתאי חיידקים. לכן, בהם, אספקת התאים עם אנרגיה מתרחשת בעיקר בשל תהליכי התסיסה, ולא הנשימה.

מבנה המיטוכונדריה

זהו אורגנואיד דו-ממברני שהופיע בתא איקריוטי במהלך האבולוציה כתוצאה מספיגתו של אחד קטן יותר. זה יכול להסביר את העובדה שהמיטוכונדריה מכילות DNA ו-RNA משלהן, כמו גם ריבוזומים מיטוכונדריאליים המייצרים חלבונים הדרושים עבור אברונים.

לממברנה הפנימית יש יציאות הנקראות cristae, או רכסים. על הקריסטה מתרחש תהליך הנשימה התאית.

מה שנמצא בתוך שני הממברנות נקרא המטריצה. הוא מכיל חלבונים, אנזימים הדרושים להאצת תגובות כימיות, כמו גם RNA, DNA וריבוזומים.

נשימה תאית היא הבסיס לחיים

זה מתרחש בשלושה שלבים. בואו נסתכל על כל אחד מהם ביתר פירוט.

השלב הראשון הוא הכנה

בשלב זה, תרכובות אורגניות מורכבות מתפרקות לפשוטות יותר. לפיכך, חלבונים מתפרקים לחומצות אמינו, שומנים לחומצות קרבוקסיליות וגליצרול, חומצות גרעין לנוקלאוטידים ופחמימות לגלוקוז.

גליקוליזה

זהו השלב האנוקסי. זה טמון בעובדה שהחומרים שהתקבלו בשלב הראשון מפורקים עוד יותר. מקורות האנרגיה העיקריים שהתא משתמש בהם בשלב זה הם מולקולות גלוקוז. כל אחד מהם בתהליך הגליקוליזה מתפרק לשתי מולקולות של פירובט. זה קורה במהלך עשר תגובות כימיות רצופות. בשל חמשת הראשונים, הגלוקוז עובר זרחון ואז מתפצל לשתי פוספוטריוזות. חמש התגובות הבאות מייצרות שתי מולקולות ושתי מולקולות של PVC (חומצה פירובית). האנרגיה של התא מאוחסנת בצורה של ATP.

ניתן לפשט את כל תהליך הגליקוליזה באופן הבא:

2NAD + 2ADP + 2H 3 RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2OVER. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

כך, באמצעות מולקולת גלוקוז אחת, שתי מולקולות ADP ושתי חומצות זרחתיות, התא מקבל שתי מולקולות ATP (אנרגיה) ושתי מולקולות חומצה פירובית, שבהן הוא ישתמש בשלב הבא.

השלב השלישי הוא חמצון

שלב זה מתרחש רק בנוכחות חמצן. התגובות הכימיות של שלב זה מתרחשות במיטוכונדריה. זהו החלק העיקרי שבמהלכו משתחררת מירב האנרגיה. בשלב זה, בתגובה עם חמצן, הוא מתפרק למים ופחמן דו חמצני. בנוסף, 36 מולקולות ATP נוצרות בתהליך זה. אז, אנו יכולים להסיק שמקורות האנרגיה העיקריים בתא הם גלוקוז וחומצה פירובית.

אם נסכם את כל התגובות הכימיות והשמטת הפרטים, נוכל לבטא את כל תהליך הנשימה התאית באמצעות משוואה פשוטה אחת:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 RO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

כך, במהלך הנשימה, ממולקולת גלוקוז אחת, שש מולקולות חמצן, שלושים ושמונה מולקולות ADP ואותה כמות של חומצה זרחתית, מקבל התא 38 מולקולות ATP, שבצורתן אוגרת אנרגיה.

מגוון של אנזימים מיטוכונדריה

התא מקבל אנרגיה לחיים באמצעות נשימה - חמצון של גלוקוז, ולאחר מכן חומצה פירובית. כל התגובות הכימיות הללו לא יכלו להתרחש ללא אנזימים - זרזים ביולוגיים. בואו נסתכל על אלה שנמצאים במיטוכונדריה - האברונים האחראים על הנשימה התאית. כולם נקראים oxidoreductases, כי הם נחוצים כדי להבטיח את התרחשות של תגובות חיזור.

ניתן לחלק את כל ה-oxidoreductases לשתי קבוצות:

• אוקסידאזים;
• דהידרוגנאזות;

Dehydrogenases, בתורו, מחולקים אירובי ואנאירובי. מזונות אירוביים מכילים את הקואנזים ריבופלבין, אותו הגוף מקבל מוויטמין B2. דהידרוגנאז אירובי מכיל מולקולות NAD ו-NADP כקו-אנזימים.

אוקסידאזות מגוונות יותר. קודם כל, הם מחולקים לשתי קבוצות:

• אלה המכילים נחושת;
• אלה המכילים ברזל.

הראשונים כוללים פוליפנול אוקסידאז, אסקורבט אוקסידאז, האחרון - קטלאז, פרוקסידאז, ציטוכרומים. האחרונים, בתורם, מחולקים לארבע קבוצות:

• ציטוכרומים א;
• ציטוכרומים b;
• ציטוכרומים ג;
• ציטוכרומים ד.

ציטוכרומים a מכילים ברזל פורמילפורפירין, ציטוכרומים b מכילים פרוטופורפירין ברזל, c מכילים מזופורפירין ברזל חלופי, ו-d מכילים ברזל דיהידרופורין.

האם יש דרכים אחרות לקבל אנרגיה?

בעוד שרוב התאים משיגים אותו באמצעות נשימה תאית, ישנם גם חיידקים אנאירוביים שאינם זקוקים לחמצן כדי לשרוד. הם מייצרים את האנרגיה הדרושה באמצעות תסיסה. זהו תהליך שבמהלכו בעזרת אנזימים מתפרקות פחמימות ללא השתתפות חמצן, וכתוצאה מכך התא מקבל אנרגיה. ישנם מספר סוגי תסיסה בהתאם לתוצר הסופי של תגובות כימיות. זה יכול להיות חומצה לקטית, אלכוהול, בוטירית, אצטון-בוטאן, חומצת לימון.

לדוגמה, שקול זה יכול להתבטא באופן הבא:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

כלומר, החיידק מפרק מולקולה אחת של גלוקוז למולקולה אחת של אלכוהול אתילי ושתי מולקולות של תחמוצת פחמן (IV).

V. N. Seluyanov, V. A. Rybakov, M. P. Shestakov

פרק 1

1.1.3. ביוכימיה של התא (אנרגיה)

תהליכי התכווצות השרירים, העברת דחף עצבי, סינתזת חלבון וכו' מגיעים עם עלויות אנרגיה. תאים משתמשים באנרגיה רק ​​בצורה של ATP. שחרור האנרגיה הכלולה ב-ATP מתבצע הודות לאנזים ATPase, הקיים בכל מקומות התא בהם נדרשת אנרגיה. עם שחרור האנרגיה נוצרות מולקולות ADP, F, N. סינתזה מחדש של ATP מתבצעת בעיקר עקב אספקת CRF. כאשר CrF מוותר על האנרגיה שלו לסינתזה מחדש של ATP, נוצרים Cr ו-F. מולקולות אלו מתפשטות דרך הציטופלזמה ומפעילות את הפעילות האנזימטית הקשורה לסינתזה של ATP. קיימות שתי דרכים עיקריות ליצירת ATP: אנאירובית ואירובית (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988, וכו').

מסלול אנאירוביאוֹ גליקוליזה אנאירוביתהקשורים למערכות אנזימטיות הממוקמות על הממברנה של הרשת הסרקופלזמית ובסרקופלזמה. כאשר Kr ו-F מופיעים ליד האנזימים הללו, מתחילה שרשרת של תגובות כימיות, שבמהלכן מתפרקים גליקוגן או גלוקוז לפירובט עם היווצרות מולקולות ATP. מולקולות ATP מוותרות מיד על האנרגיה שלהן לסינתזה מחדש של CRP, ו-ADP ו-F משמשים שוב בגליקוליזה ליצירת מולקולת ATP חדשה. לפירובט יש שתי אפשרויות להמרה:

1) הופכים לקואנזים אצטיל A, עוברים זרחון חמצוני במיטוכונדריה ליצירת מולקולות פחמן דו חמצני, מים ו-ATP. המסלול המטבולי הזה - גליקוגן-פירובאט-מיטוכונדריה-פחמן דו חמצני ומים - נקרא גליקוליזה אירובית.

2) בעזרת האנזים LDH M (לקטט דהידרוגנאז מסוג שריר), הפירובט הופך ללקטאט. המסלול המטבולי הזה - גליקוגן-פירובאט-לקטט - נקרא גליקוליזה אנאירוביתוהוא מלווה בהיווצרות והצטברות של יוני מימן.

דרך אירובית,או זרחון חמצוני, הקשור למערכת המיטוכונדריה. כאשר Cr ו-F מופיעים ליד המיטוכונדריה בעזרת CPKase המיטוכונדריאלי, מתרחשת סינתזה מחדש של CrF עקב ATP שנוצר במיטוכונדריה. ADP ו-P מוחזרים למיטוכונדריה כדי ליצור מולקולת ATP חדשה. ישנם שני מסלולים מטבוליים לסינתזת ATP:

1) גליקוליזה אירובית;
2) חמצון של שומנים (שומנים).

תהליכים אירוביים קשורים לספיגה של יוני מימן, ובסיבי שריר איטיים (MF של הלב והסרעפת), שולט האנזים LDH H (ליב-סוג lactate dehydrogenase), אשר הופך בצורה אינטנסיבית יותר לקטט לפירובט. לכן, במהלך תפקודם של סיבי שריר איטיים (SMF), יש סילוק מהיר של יוני לקטט ומימן.

עלייה ב-Lactate ו-H ב-MW מביאה לעיכוב חמצון השומן, וחמצון שומן אינטנסיבי מביא להצטברות ציטראט בתא, והוא מעכב אנזימים של גליקוליזה.

מבוא

1.1

אחד הנושאים המורכבים ביותר הוא היווצרות, הצטברות והפצה של אנרגיה בתא.

איך תא מייצר אנרגיה?אחרי הכל, אין לו לא כור גרעיני, לא תחנת כוח, וגם לא דוד קיטור, אפילו הקטן ביותר. הטמפרטורה בתוך התא קבועה ונמוכה מאוד - לא יותר מ-40 מעלות. ולמרות זאת, תאים מעבדים כמות כזו של חומרים וכל כך מהר שכל קומבייה מודרנית תקנא בהם.

איך זה קורה? מדוע האנרגיה המתקבלת נשארת בתא, ואינה משתחררת בצורת חום? איך תא אוגר אנרגיה? לפני שנענה על שאלות אלו, יש לומר כי האנרגיה הנכנסת לתא אינה מכנית או חשמלית, אלא אנרגיה כימית הכלולה בחומרים אורגניים. בשלב זה נכנסים לתמונה חוקי התרמודינמיקה. אם אנרגיה כלולה בתרכובות כימיות, אז היא חייבת להשתחרר על ידי הבעירה שלהן, ולאיזון החום הכולל אין זה משנה אם הן נשרפות מיד או בהדרגה. התא בוחר את הנתיב השני.

לשם הפשטות, בואו נשווה את התא ל"תחנת כוח". במיוחד למהנדסים נוסיף ש"תחנת הכוח" של התא היא תרמית. עכשיו בואו נאתגר את נציגי האנרגיה לתחרות: מי יקבל יותר אנרגיה מדלק וישתמש בה בצורה חסכונית יותר - תא או כל, תחנת הכוח התרמית החסכונית ביותר?

בתהליך האבולוציה, התא יצר ושיפר את "תחנת הכוח" שלו. הטבע דאג לכל חלקיו. התא מכיל "דלק", "מנוע-גנרטור", "ווסת כוח", "תחנות משנה" ו"קווי הולכה במתח גבוה". בוא נראה איך הכל נראה.

ה"דלק" העיקרי שנשרף בתא הוא פחמימות. הפשוטים שבהם הם גלוקוז ופרוקטוז.

ידוע מהפרקטיקה הרפואית היומיומית שגלוקוז הוא מרכיב תזונתי חיוני. בחולים עם תת תזונה חמורה, הוא מנוהל תוך ורידי, ישירות לזרם הדם.

סוכרים מורכבים יותר משמשים גם כמקורות אנרגיה. לדוגמה, סוכר רגיל, בעל השם המדעי "סוכרוז" ומורכב ממולקולה אחת של גלוקוז וממולקולה אחת של פרוקטוז, יכול לשמש כחומר כזה. בבעלי חיים, גליקוגן הוא דלק, פולימר המורכב ממולקולות גלוקוז המקושרות בשרשרת. בצמחים קיים חומר הדומה לגליקוגן – זהו העמילן הידוע. גם גליקוגן וגם עמילן הם חומרי רזרבה. שניהם נדחים ליום גשום. עמילן נמצא בדרך כלל בחלקים התת-קרקעיים של הצמח, כמו פקעות, כמו אלו של תפוחי אדמה. גם בתאי עיסת עלי הצמח יש הרבה עמילן (במיקרוסקופ גרגרי עמילן נוצצים כמו חתיכות קרח קטנות).

גליקוגן מצטבר בבעלי חיים בכבד ומשם משתמשים בו לפי הצורך.

כולם מורכבים יותר מגלוקוז, סוכרים חייבים להתפרק ל"אבני הבניין" המקוריות שלהם - מולקולות גלוקוז לפני הצריכה. ישנם אנזימים מיוחדים שחותכים, כמו מספריים, שרשראות ארוכות של עמילן וגליקוגן למונומרים נפרדים - גלוקוז ופרוקטוז.

עם מחסור בפחמימות, צמחים יכולים להשתמש בחומצות אורגניות ב"כבשן" שלהם - לימון, מאלית וכו'.

זרעי שמן נובטים צורכים שומן, אשר מתפרק תחילה ולאחר מכן הופך לסוכר. ניתן לראות זאת מהעובדה שככל שהשומן שבזרעים נצרך, תכולת הסוכר עולה.

אז, סוגי הדלק מפורטים. אבל זה לא משתלם לכלוב לשרוף אותו מיד.

סוכרים נשרפים בתא בצורה כימית. בעירה רגילה היא השילוב של דלק עם חמצן, החמצון שלו. אבל בשביל חמצון, חומר לא חייב להתאחד עם חמצן - הוא מתחמצן כשלוקחים ממנו אלקטרונים בצורה של אטומי מימן. סוג זה של חמצון נקרא דה-הידרוגנציה("הידרו" - מימן). סוכרים מכילים אטומי מימן רבים, והם מתפצלים לא בבת אחת, אלא בתורם. החמצון בתא מתבצע על ידי קבוצה של אנזימים מיוחדים המאיצים ומכוונים את תהליך החמצון. מערכת אנזימים זו והרצף הקפדני של עבודתם מהווים את הבסיס של מחולל האנרגיה התאית.

תהליך החמצון באורגניזמים חיים נקרא נשימה, ולכן נשתמש בביטוי המובן יותר הזה בהמשך. נשימה תוך-תאית, המכונה כך באנלוגיה לתהליך הפיזיולוגי של הנשימה, קשורה אליו קשר הדוק. נדבר יותר על תהליכי הנשימה בהמשך.

נמשיך בהשוואה של תא עם תחנת כוח. כעת עלינו למצוא בו את אותם חלקים של תחנת הכוח, שבלעדיהם היא תפעל ללא תנועה. ברור שאת האנרגיה המתקבלת משריפת פחמימות ושומנים יש לספק לצרכן. המשמעות היא שיש צורך ב"קו תמסורת במתח גבוה" סלולרי. עבור תחנת כוח רגילה זה פשוט יחסית - חוטי מתח גבוה נמשכים מעל הטייגה, הערבות, הנהרות, ודרכם מסופקת אנרגיה למפעלים ולמפעלים.

לתא יש גם "חוט מתח גבוה" אוניברסלי משלו. רק בו מועברת אנרגיה כימית, וכמובן, תרכובת כימית משמשת "חוט". כדי להבין את עקרון פעולתו, אנו מכניסים סיבוך קטן לתפעול תחנת הכוח. הבה נניח שלא ניתן לספק אנרגיה מקו מתח גבוה לצרכן באמצעות חוטים. במקרה זה יהיה הכי קל להטעין סוללות חשמליות מקו מתח גבוה, להעביר אותן לצרכן, להחזיר סוללות משומשות וכו'. בתחום האנרגיה זה כמובן לא משתלם. שיטה דומה לכלוב מועילה מאוד.

כסוללה בתא משתמשים בתרכובת שהיא אוניברסלית כמעט לכל האורגניזמים - חומצה אדנוזין טריפוספורית (כבר דיברנו על זה).

בניגוד לאנרגיה של קשרי פוספטר אחרים (2-3 קילוקלוריות), אנרגיית הקישור של שאריות הפוספט הסופיות (במיוחד הקיצוניות) ב-ATP גבוהה מאוד (עד 16 קילוקלוריות); אז החיבור הזה נקרא מאקרו-אירגי».

ATP נמצא בגוף בכל מקום בו נדרשת אנרגיה. סינתזה של תרכובות שונות, עבודת השרירים, תנועת דגלים בפרוטוזואה - ATP נושא אנרגיה לכל מקום.

"טעינת" ATP בתא מתרחשת באופן הבא. חומצה דיפוספורית אדנוזין - ADP (ATP ללא 1 אטום זרחן) מתאימה למקום שחרור האנרגיה. כאשר ניתן לקשור אנרגיה, ADP מתחבר עם זרחן, שנמצא בכמויות גדולות בתא, ו"מלמל" את האנרגיה לתוך החיבור הזה. עכשיו אנחנו צריכים תחבורה. הוא מורכב מאנזימים מיוחדים - פוספופראזים ("פרה" - אני נושא), שעל פי דרישה "תופסים" ATP ומעבירים אותו למקום הפעולה. לאחר מכן מגיע תורה של "יחידת תחנת הכוח" האחרונה והאחרונה - שנאים יורדים. הם חייבים להוריד את המתח ולתת זרם בטוח כבר לצרכן. תפקיד זה מבוצע על ידי אותם phosphopherases. העברת האנרגיה מ-ATP לחומר אחר מתבצעת במספר שלבים. ראשית, ATP מתחבר עם החומר הזה, לאחר מכן מתרחש סידור מחדש פנימי של אטומי זרחן, ולבסוף, הקומפלקס מתפרק - ADP מופרד, וזרחן עשיר באנרגיה נשאר "תלוי" על החומר החדש. החומר החדש מתברר כלא יציב הרבה יותר בגלל עודף האנרגיה ומסוגל לתגובות שונות.

יותר ממיליארד שנים חלפו מהופעתם של אורגניזמים חד-תאיים ועד "המצאת" גרעין התא ולידתם של מספר חידושים נוספים. רק אז נפתחה הדרך ליצורים הרב-תאיים הראשונים, שהולידו את שלוש הממלכות של בעלי חיים, צמחים ופטריות. מדענים אירופאים הציגו הסבר חדש לשינוי הזה, המנוגד לרעיונות שהיו קיימים עד כה.

מקובל כי בתחילה נולדו תאים גרעיניים מושלמים יותר מפרוקריוטים, בהסתמך על מנגנוני האנרגיה הישנים, ורק מאוחר יותר מגויסים רכשו מיטוכונדריה. לאלו האחרונים הוקצה תפקיד חשוב בהמשך האבולוציה של האוקריוטים, אך לא תפקיד אבן הפינה שנמצאת בבסיסה.

"הראינו שהאפשרות הראשונה לא תעבוד. כדי לפתח את המורכבות של התא, הוא זקוק למיטוכונדריה", מסביר מרטין. "ההשערה שלנו מפריכה את ההשקפה המסורתית לפיה המעבר לתאים איקריוטים דורש רק את המוטציות המתאימות", מהדהד לו ליין.

הם התפתחו יחד, בעוד האנדוסימביונט חידד בהדרגה מיומנות אחת - סינתזה של ATP. התא הפנימי ירד בגודלו והעביר חלק מהגנים המשניים שלו לגרעין. אז המיטוכונדריה שמרה רק על החלק הזה מה-DNA המקורי שהם צריכים כדי לעבוד כ"תחנת כוח חיה".

מיטוכונדריה בתוך התא (פלורסנט ירוק). הוספות: מרטין (משמאל) וליין. ניתן למצוא פרטים על המחקר החדש במאמר Nature ובהודעה לעיתונות של UCL (תמונות מאת Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

ניתן להשוות את הופעת המיטוכונדריה במונחים של אנרגיה עם המצאת רקטה אחרי עגלה, מכיוון שתאים גרעיניים גדולים בממוצע בנפחם פי אלף מאשר תאים ללא גרעין.

האחרון, כך נראה, יכול גם לגדול בגודלו ובמורכבותו של המכשיר (יש כאן דוגמאות בודדות בולטות). אבל בדרך זו, ליצורים זעירים יש מלכוד: ככל שהם גדלים מבחינה גיאומטרית, היחס בין שטח הפנים לנפח יורד במהירות.

בינתיים, תאים פשוטים מייצרים אנרגיה בעזרת ממברנה המכסה אותם. אז בתא פרוקריוטי גדול אולי יש הרבה מקום לגנים חדשים, אבל פשוט אין לו מספיק אנרגיה לסנתז חלבונים לפי ה"הוראות" הללו.

עלייה פשוטה בקפלים של הממברנה החיצונית אינה מצילה במיוחד את המצב (למרות שתאים כאלה ידועים). בשיטה זו של הגדלת הספק, גדל גם מספר השגיאות בתפעול מערכת האנרגיה. בתא מצטברות מולקולות לא רצויות שיכולות להרוס אותו.

מספר המיטוכונדריות (מוצגות באדום) בתא אחד משתנה מעותק בודד (בעיקר באאוקריוטים חד-תאיים) לאלפיים (לדוגמה, בתאי כבד אנושיים) (איור מאת אודרה נואל).

מיטוכונדריה הן המצאה מבריקה של הטבע. על ידי הגדלת מספרם, ניתן להגדיל את פוטנציאל האנרגיה של התא מבלי להצמיח את פני השטח החיצוניים שלו. יתרה מכך, לכל מיטוכונדריון יש גם מנגנוני בקרה ותיקון מובנים.

ועוד פלוס של חדשנות: DNA מיטוכונדריאלי קטן וחסכוני מאוד. זה לא דורש הרבה משאבים כדי להעתיק אותו. אבל חיידקים, כדי להגביר את יכולות האנרגיה שלהם, יכולים ליצור רק עותקים רבים של כל הגנום שלהם. אבל התפתחות כזו מובילה במהירות למבוי סתום אנרגטי.

השוואה בין האנרגיה של תאים שונים והסכמות שלהם. א) - פרוקריוט ממוצע ( Escherichia), ב) הוא פרוקריוט גדול מאוד ( Thiomargarita) ו-(ג) איקריוט אמצעי ( יוגלנה).
התרשימים מציגים (מלמעלה למטה): הספק (וואט) לגרם של תא (d), הספק (פמטוואט) לגן (e), והספק (פיקו-וואט) לגנום הפלואידי (f) (איורים של ניק ליין, וויליאם מרטין/טבע).

מחברי העבודה חישבו שתא איקריוטי ממוצע יכול לשאת תיאורטית פי 200,000 יותר גנים מהחיידק הממוצע. אפשר לחשוב על אוקריוטים כאל ספרייה עם מספר רב של מדפים - מלאו אותה בספרים כאוות נפשכם. ובכן, גנום מורחב יותר הוא הבסיס לשיפור נוסף של מבנה התא ומטבוליזם שלו, הופעת מעגלים רגולטוריים חדשים.