Энергетический процесс клетки кратко. Основные процессы, происходящие в клетке. Почему пищу надо тщательно пережёвывать

Энергия, которую надо дополнительно сообщить химической системе, чтобы “запустить” реакцию, называется энергией активации для данной реакции и служит своего рода энергетическим гребнем, который надо преодолеть .

В некатализируемых реакциях источником энергии активации служат столкновения между молекулами. Если соударяемые молекулы должным образом сориентированы, и столкновение достаточно сильное, есть шанс, что они вступят в реакцию.

Понятно, почему химики для ускорения реакций нагревают колбы: при повышении температуры скорость теплового движения и частота соударений возрастают. Но в условиях человеческого тела клетку не нагреешь, для нее это недопустимо. А реакции идут, при этом со скоростями, недостижимыми при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы - ферменты , о которых мы упоминали ранее.

Как уже говорилось, при химических превращениях самопроизвольно могут протекать те реакции, в которых энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Для остальных реакций необходим приток энергии извне. Самопроизвольную реакцию можно сравнить с падающим грузом. Первоначально покоящийся груз стремится падать вниз, понижая тем самым свою потенциальную энергию.

Так и реакция, будучи инициирована, стремится протекать в сторону образования веществ с меньшим запасом энергии. Такой процесс, в ходе которого может совершаться работа, называют спонтанным.

Но если определенным образом соединить два груза, то более тяжелый, падая, будет поднимать более легкий. И в химических, в особенности в биохимических, процессах реакция, протекающая с выделением энергии, может вызвать протекание связанной с ней реакции, требующей притока энергии извне. Такие реакции называют сопряженными.

В живых организмах сопряженные реакции очень распространены, и именно их протекание обусловливает все тончайшие явления, сопутствующие жизни и сознанию. Падающий “тяжелый груз” вызывает поднятие другого, более легкого, но на меньшую величину. Питаясь, мы поглощаем вещества с высоким качеством энергии, обусловленным Солнцем, которые затем в организме распадаются и, в конечном счете, выделяются из него, но при этом успевают высвободить энергию в количестве, достаточном для обеспечения процесса, называемого жизнью.

В клетке основным энергетическим посредником, то есть “ведущим колесом” жизни, являетс аденозинтрифосфат (АТФ) . Чем интересно это соединение? С биохимической точки зрения АТФ - молекула средних размеров, способная присоединять или “сбрасывать” концевые фосфатные группы, в которых атом фосфора окружен атомами кислорода.

Образование АТФ происходит из аденозиндифосфата (АДФ) за счет энергии, высвобождающейся при биологическом окислении глюкозы. С другой стороны, разрыв фосфатной связи в АТФ приводит к высвобождению большого количества энергии. Такую связь называют высокоэнергетической или макроэргической. Молекула АТФ содержит две таких связи, при гидролизе которых высвобождается энергия, эквивалентная 12-14 ккал.

Неизвестно, почему природа в процессе эволюции “выбрала” АТФ энергетической валютой клетки, но можно предположить несколько причин. Термодинамически эта молекула достаточно нестабильна, о чем свидетельствует большое количество энергии, выделяющейся при ее гидролизе.

Но в то же время скорость ферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, то есть молекула АТФ обладает высокой химической стабильностью, обеспечивая эффективное запасание энергии.

Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в разные участки клетки, где необходим подвод энергии для выполнения какой-либо работы. И, наконец, АТФ занимает промежуточное положение в шкале высокоэнергетических соединений, что придает ему универсальность, позволяя переносить энергию от более высокоэнергетических соединений к низкоэнергетическим.

Таким образом АТФ - это основная универсальная форма сохранения клеточной энергии, топливо клетки, доступное для использования в любой момент. А основным поставщиком энергии в клетку, как мы уже упоминали, служит глюкоза , получаемая при расщеплении углеводов. “Сгорая” в организме, глюкоза образует двуокись углерода и воду, и этот процесс обеспечивает реакции клеточного дыхания и пищеварения. Слово “сгорает” в данном случае образ, пламени внутри организма не возникает, а энергия извлекается многоступенчато химическими способами.

На первом этапе, протекающем в цитоплазме без участия кислорода, молекула глюкозы распадается на два фрагмента (две молекулы пировиноградной кислоты), и эта стадия называется гликолизом . При этом высвобождается 50 ккал/моль энергии (то есть 7% энергии, заключенной в глюкозе), часть которой рассеивается в виде тепла, а другая расходуется на образование двух молекул АТФ.

Последующее извлечение энергии из глюкозы происходит главным образом в митохондриях - силовых станциях клетки, работу которых можно сравнить с гальваническими элементами. Здесь на каждой стадии отщепляется электрон и ион водорода, и в конечном счете глюкоза разлагается до двуокиси углерода и воды.

В митохондрии электроны и ионы водорода вводятся в единую цепь окислительно-восстановительных ферментов (дыхательная цепь), передаваясь от посредника к посреднику, пока они не соединятся с кислородом. И на этом этапе для окисления используется не кислород воздуха, а кислород воды и уксусной кислоты.

Кислород воздуха является последним акцептором водорода, завершая весь процесс клеточного дыхания, именно поэтому он так необходим для жизни. Как известно, взаимодействие газообразного кислорода и водорода сопровождается взрывом (мгновенным выделением большого количества энергии).

В живых организмах этого не происходит, так как газообразного водорода не образуется, и к моменту связывания с кислородом воздуха запас свободной энергии уменьшается настолько, что реакция образования воды протекает совершенно спокойно (смотри рисунок 1 ).

Глюкоза является основным, но не единственным субстратом для выработки энергии в клетке. Вместе с углеводами в наш организм с пищей поступают жиры, белки и другие вещества, которые после расщепления также могут служить источниками энергии, превращаясь в вещества, включающиеся в биохимические реакции, протекающие в клетке.

Фундаментальные исследования в области теории информации привели к появлению понятия информационной энергии (или энергии информационного воздействия), как разности между определенностью и неопределенностью. Здесь же хотелось бы отметить, что клетка потребляет и тратит информационную энергию на ликвидацию неопределенности в каждый момент своего жизненного цикла. Это приводит к реализации жизненного цикла без увеличения энтропии.

Нарушение процессов энергетического обмена под влиянием различных воздействий приводит к сбоям на отдельных стадиях и вследствие этих сбоев к нарушению подсистемы жизнедеятельности клетки и всего организма в целом. Если количество и распространенность этих нарушений превышают компенсаторные возможности гомеостатических механизмов в организме, то система выходит из под управления, клетки перестают работать синхронно. На уровне организма это проявляется в виде различных патологических состояний.

Так, недостаток витамина B 1 , участвующего в работе некоторых ферментов, приводит к блокированию окисления пировиноградной кислоты, избыток гормонов щитовидной железы нарушает синтез АТФ и т.д. Смертельные исходы при инфаркте миокарда, отравлении угарным газом или цианистым калием также связаны с блокированием процесса клеточного дыхания путем ингибирования или разобщения последовательных реакций. Через подобные механизмы опосредованно и действие многих бактериальных токсинов.

Таким образом, функционирование клетки, ткани, органа, системы органов или организма как системы поддерживается саморегуляторными механизмами, оптимальное течение которых, в свою очередь, обеспечивается биофизическими, биохимическими, энергетическими и информационными процессами.

Совокупность всех значений термодинамических параметров, необходимых для описания системы, называется термодинамическим состоянием .

Физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое определяется значениями параметров начального и конечного состояний и не зависит от перехода, называется функцией состояния (термодинамическим потенциалом ).

Функциями состояния являются:

· внутренняя энергия;

· энтальпия;

· энтропия;

· свободная энергия;

· химический и электрохимический потенциалы.

Количество какой-либо величины, переносимое в единицу времени через некоторую поверхность, называется потоком этой величины.

Явление, при котором один процесс энергетически обеспечивает протекание второго процесса, называется сопряжением .

Процесс, который является источником энергии, называется …
сопрягающим . Процесс, на который тратиться энергия называется сопряженным .

Первый и второй законы термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, который звучит следующим образом: теплота сообщенная системе, расходуется на приращение внутренней энергии системы и совершение системой работы над внешними силами, различные виды энергии могут переходить друг в друга, но при этих превращениях Ī энергия не исчезает и не появляется из ничего. Это означает, что для замкнутой системы
∆U = ∆Q –W, где ∆U – изменение внутренней энергии системы; ∆Q — тепло, поглощенное системой; W – работа, совершаемая системой. [Внутренняя энергия отличается от теплоты и работы тем, что она всегда меняется одинаково при переходе из одного состояния в другое независимо от пути перехода!].

Изменение тепловой энергии ∆Q изолированной системы пропорционально абсолютной температуре T, то есть ∆Q = T ∙ ∆S, где ∆S — коэффициент пропорциональности, который называется изменением энтропии.

Второй закон термодинамики существует в двух формулировках. Первая формулировка (формулировка Клаузиуса) звучит следующим образом: невозможен самопроизвольный переход тепла от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой. Вторая формулировка (формулировка Томсона) говорит о том, что невозможно создание вечного двигателя ĪĪ рода, то есть такого циклического процесса, в результате которого всё поглощенное системой тепло расходовалось бы на совершение работы. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы в необратимом процессе возрастает, а в обратимом процессе остается неизменной. Энтропия – это функция состояния системы, дифференциал которой в бесконечно малом обратимом процессе равен отношению бесконечно малому количеству тепла, сообщенного системе, к абсолютной температуре последней (ΔS=ΔQ:T). Единица измерения энтропии — Дж/К. Энтропия есть мера неупорядоченности системы: если энтропия растет, то это означает, что система стремится перейти в состояние с большей термодинамической вероятностью, то есть в состояние менее упорядоченное. Из второго закона термодинамики следует вывод: при постоянной температуре тепловую энергию невозможно превратить в механическую работу. Так как тепловая энергия обусловлена хаотическим движением частиц, то сумма векторов скорости этих частиц в любом направлении равна нулю. В механическую же работу можно превратить только ту энергию, которая представляет собой однонаправленное движение тел (кинетическую энергию летящего тела, энергию движущихся ионов или электронов в электрическом поле).

Вывод по двум законам:

Первый закон устанавливает количественное соотношение между теплотой, работой и изменением внутренней энергией, но не определяет направление термодинамического процесса. Он выполняется всегда и для любых систем. Основное соотношение термодинамики: TΔS ≥ ΔU+W.

Второй закон является статистическим и справедлив для систем с большим, конечным числом частиц. Он указывает наиболее вероятное направление процесса. Если утверждается, что данный процесс невозможен, то следует понимать, что вероятность его совершения существует, но ничтожно мала.

Таблица 1. Термодинамические потенциалы

Превращение энергии в живой клетке. В живой клетке химическая энергия, которая запасается в органических соединениях, превращается в осмотическую, электрическую и механическую энергии. Так, например, химическая энергия глюкозы превращается в ходе клеточного окисления частично в тепло, частично – в энергию макроэргических связей АТФ. За счет гидролиза АТФ может происходить перенос веществ из области меньшей в область большей концентрации (осмотическая работа), перенос ионов в область более высокого электрического потенциала (электрическая работа), в организме животного – сокращение мышц (механическая работа). При этом происходит перевод части химической энергии АТФ в осмотическую, электрическую и механическую энергию.

Свободная энергия и электрохимический потенциал. Электрическая, осмотическая и химическая энергия клетки используется для совершения работы, то есть для направленного перемещения частиц против действующих на них сил. Количественной мерой превращения этих видов энергии служит изменение свободной энергии (∆F). ΔF – это свободная энергия Гельмгольца (ΔF =ΔU – TΔS). Так как она зависит от условий протекания процесса, в частности от концентрации реагирующих веществ, то стали использовать так называемый термодинамический потенциал Гиббса 1 моля вещества ΔG. В химии для незаряженных частиц он называется химическим потенциалом – μ, дл заряженных частиц –электрохимическим потенциалом — μ.

Протекание химических реакций в жидкой фазе не изменяет давления, но может изменить объём. Поэтому для таких систем вместо изменения внутренней энергии используют изменение энтальпии (∆H), которое равно ∆U+p∆V, где p – давление, ∆V – изменение объёма. [Примечание: энтальпия – функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии и давлении]. Согласно законам термодинамики между изменением внутренней энергии и изменением энтальпии существует соотношение: ∆G = ∆H -T∆S (при t и p = const), где ΔG — термодинамический потенциал Гиббса, ΔH – внутренняя энергия, T * ΔS – тепловая энергия.

В физико-химических системах изменение свободной энергии обычно описывают через изменение электрохимического потенциала (∆μ): ∆G=m∙∆μ, где m – количество вещества (моли) в системе. Изменение электрохимического потенциала при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 определяется изменением химической, осмотической и электрической энергий: ∆μ = μ 02 -μ 01 +RT ln (c 2 /c 1) + zF (φ 2 -φ 1). Тогда ∆G = m μ 02 -μ 01 +RT ln (c 2 /c 1) + zF (φ 2 -φ 1).

Физический смысл электрохимического потенциала заключается в том, что его изменение равно работе, которую необходимо затратить, чтобы:

1. синтезировать 1 моль вещества (состояние 2) из исходных веществ (состояние 1) и поместить его в растворитель (слагаемое μ 02 -μ 01) – химическая работа;

2. сконцентрировать раствор от концентрации с 1 до с 2 [слагаемое RT ln (c 2 /c 1)] – осмотическая работа;

3. преодолеть силы электрического отталкивания, возникающие при наличии разности потенциалов (φ 2 -φ 1) между растворами [слагаемое zF (φ 2 -φ 1 ] – электрическая работа.

Необходимо отметить, что слагаемые могут быть как положительными, так и отрицательными.

Второй закон термодинамики и условие равновесия. Второй закон термодинамики гласит, что в изолированной системе не может увеличиваться свободная энергия. Иначе говоря, в системе, где ∆H = 0, ∆G = -T∆S ≤0. Пока энергетические превращения в данной системе сопровождаются переходами разных видов энергии друг в друга без их перехода в тепло, то есть ∆G=0, все эти процессы обратимы. Но, как только часть энергии превратится в тепловую, процесс становится необратимым. Понятие обратимости процесса связано с понятием динамического равновесия. Равновесие – это такое состояние системы, при котором каждая частица может переходить из некоторого состояния 1 в некоторое состояние 2 и обратно, но в целом доля состояний 1 и состояний 2 в системе не изменяется. В физико-химических системах равновесны процессы, при которых ∆μ = ∆G/m = 0, то есть μ 02 -μ 01 +RT ln (c 2 /c 1) + zF (φ 2 -φ 1)= 0.

В равновесии могут находиться субстраты и продукты биохимической реакции или ионы по обе стороны мембраны. Поэтому существуют приложения к уравнению, описывающего равновесное состояние системы:

1. уравнение константы химического равновесия: ∆μ 0 = -RT lnK, где К – константа равновесия;

2. уравнение равновесного мембранного потенциала (уравнение Нернста): если клеточная мембрана проницаема для какого-то одного иона, то на мембране устанавливается равновесный мембранный потенциал: φ Μ = φ 1 –φ 2 = RT/zF lnc 1 /c 2 , при температуре 37С 0 φ Μ = 60· ln(с 1 /с 2) мВ. Для более краткого написания ввели понятие безразмерного потенциала ψ Μ , который равен ln(с 1 /с 2), тогда уравнение Нернста будет выглядеть так ψ Μ = ψ 1 – ψ 2 = ln(с 1 /с 2).

3. распределение Больцмана: если в молекуле существуют два энергетических электронных уровня с энергиями Е 1 и Е 2 , то можно найти заселенность этих уровней электронами в состоянии равновесия: ∆E = E 2 – E 1 .

Экспериментальное определение термодинамических параметров биологических систем. Для определения термодинамических параметров биологических систем используются два метода: определение теплопродукции (калориметрия) и измерение констант равновесия. Так как объект, находящийся в калориметре, не производит работы, изменение энергии (энтальпии) можно считать равным количеству выделившегося тепла ∆Q. Так находят изменение энтальпии ∆H в ходе изучаемого биофизического процесса или биохимической реакции. Другой метод изучения термодинамических параметров основан на измерении констант равновесия при разных температурах. Но этот метод пригоден только тогда, когда изменение энтальпии и изменение энтропии не зависят от температуры. В этом случае пользуются уравнением Вант-Гоффа: lnK = -∆H/RT + ∆S/R (для одного моля вещества).

Организмы как термодинамические системы. При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:

1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;

2) процессы в живых системах имеют необратимый характер;

3) живые системы далеки от равновесия;

4) биологические системы гетерофазны, структурированы и отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул.

Всё это отличает биологические системы от изолированных и близких к состоянию равновесия систем. Поэтому для более адекватного описания свойств живых систем необходимо применять термодинамику необратимых процессов. В отличие от классической термодинамики, в термодинамике необратимых процессов рассматривается ход процессов во времени. Фундаментальным понятием в классической термодинамике является понятие равновесного состояния. В термодинамике необратимых процессов важным понятием является понятие стационарного состояния системы.

Примечание: Необходимо учитывать, что живой организм постоянно развивается и изменяется и поэтому в целом не является стационарной системой. При этом существует допуск: в течение небольшого интервала времени состояние некоторых его участков принимается за стационарное.

В отличие от термодинамического равновесия стационарное состояние характеризуется

· постоянным притоком веществ в систему и удалением продуктов обмена;

· постоянной затратой свободной энергии, которая поддерживает постоянство концентраций веществ в системе;

· постоянством термодинамических параметров (включая внутреннюю энергию и энтропию).

Система в стационарном состоянии может быть как закрытой так и открытой. Открытая система может существовать лишь за счет притока энергии извне и оттока энергии в окружающую среду. В биологических системах наиболее важными потоками являются потоки веществ и электрических зарядов.

Потоки веществ в результате диффузии и электродиффузии. 1. Главной движущей силой при переносе частиц с помощью простой диффузии является градиент концентрации. Поток вещества в результате диффузии через мембрану клетки рассчитывается позакону Фика для пассивного переноса веществ через мембрану: Φ = –DK/l (c вн -c вв) = –P(c вн -c вв), где Φ – поток; D – коэффициент диффузии; К – коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей водной фазой; l – толщина мембраны; c вв – концентрация частиц внутри клетки; с вн – концентрация частиц снаружи клетки; P – коэффициент проницаемости. Если рассматривать диффузию с позиций превращения энергии, то расчет необходимо вести по следующему уравнению: Φ = – uc (dG/dx), где u = D/RT — коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости диффузии молекул и называется подвижностью. Таким образом, поток пропорционален концентрации вещества и градиенту термодинамического потенциала в направлении тока.

2. Главной движущей силой при переносе заряженных частиц в отсутствии градиента концентрации является электрическое поле. В этом случае пользуются уравнением Теорелла: Φ = – cu (dμ/dx), где μ – электрохимический потенциал. Итак, поток равен произведению концентрации носителя на его подвижность и на градиент его электрохимического потенциала. Знак «–« указывает на то, что поток направлен в сторону убывания μ. Кроме того, пользуются электродиффузионным уравнением Нернста – Планка: Φ = –uRT (dc/dx) –cuz Fdφ/dx.

Потоки и термодинамические силы, обуславливающие протекание жизненно важных процессов, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Сопряженные потоки и силы в неравновесной термодинамике

Термодинамика стационарного состояния. Открытые системы обладают специфическими особенностями: сопряжением потоков и возникновением стационарных состояний. Эти особенности открытых систем объясняет термодинамика линейных необратимых процессов. Она описывает одновременное протекание различных взаимосвязанных стационарных процессов. Теорию термодинамики линейных необратимых процессов сформулировал Онзагер. Экспериментальной основой этой теории являются феноменологические законы, которые устанавливают линейную зависимость между потоками и силами их вызывающими (см.табл.2). Допустим, что в системе имеются два потока – поток тепла (Φ 1) и диффузионный поток массы (Φ 2) и две обобщающие силы – разность температур X 1 и разность концентраций X 2 . Согласно Онзагеру, в открытой системе каждый поток зависит от всех присутствующих сил, и наоборот, то есть

Φ 1 = L 11 X 1 + L 12 X 2

Φ 2 = L 21 X 1 + L 22 X 2 ,

где L 12 и др.- коэффициенты пропорциональности между потоком 1 и силой 2 и т.д.

Эти уравнения называются феноменологическими уравнениями Онзагера. Они указывают на зависимость входных и выходных потоков, как от сопряженных, так и от несопряженных им сил. Как показал Онзагер, вблизи равновесия коэффициенты пропорциональности между потоками равны друг другу (L 12 = L 21). Иначе говоря, равное действие вызывает равную ответную реакцию. Например, тормозящее действие, которое оказывает движущийся растворитель на растворенное вещество, равно сопротивлению, которое растворенное вещество оказывает на растворитель.

В природе существует ситуация, когда потоки, идущие с повышением энергии, самостоятельно идти не могут, но могут протекать при действии каких-либо сил. Это явление называетсясопряжением потоков. Критерием возможности сопряжения потоков в системе является положительное значение диссипативной функции ψ = Τ/V dS/dt ≥ 0, где Τ – абсолютная температура; dS/dt – скорость продукции энтропии; V – объем системы.

Диссипативная функция является мерой рассеяния энергии системы в тепло. Она определяет скорость возрастания энтропии в системе, в которой протекают необратимые процессы. Чем выше величина диссипативной функции, тем быстрее энергия всех видов превращается в тепловую. Кроме этого диссипативная функция определяет возможность самопроизвольного протекания процесса: при ψ>0 процесс возможен, при ψ<0 – нет.

Термодинамика показывает, что если система неравновесна, но близка к равновесию, то ψ может быть представлена суммой произведений обобщенных сил — Xi и обобщенных потоков — Φi, то есть суммой мощностей процессов ψ = ∑ΦiXi ≥0. Положительное значение диссипативной функции ψ означает, что в любом преобразователе энергии входная мощность должна превышать выходную. В большинстве биологических процессов происходит преобразование химической энергии в осмотическую, электрическую и механическую. Во всех этих процессах происходит диссипация части химической энергии в тепло. Для биологических процессов эффективность сопряжения составляет 80-90%, то есть всего 10-20% энергии переходит в тепло.

Стационарное состояние открытой системы характеризуется теоремой Пригожина: в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии в системе постоянна по времени и минимальна по величине.

Если критерием эволюции системы в классической термодинамике является то, что энтропия для необратимых процессов в изолированной системе стремится к максимальной величине(критерий Клаузиуса ), то в открытой системе производство энтропии стремится к минимуму(критерий Пригожина ). Критерий Пригожина (Δψ>0) — критерий устойчивости – при отклонении от устойчивого состояния Δψ<0. Это является доказательством того, что второй закон термодинамики выполняется в живой природе.

Из теоремы Пригожина следует, что, если система выведена из стационарного состояния, то она будет изменяться до тех пор, пока удельная скорость продукции энтропии не примет наименьшего значения. То есть пока диссипативная функция не достигнет минимума.

Пути преобразования энергии в живой клетке. Молекулярный механизм сопряжения реакций окисления и фосфорилирования был расшифрован Митчеллом в 1976 году. Автор разработал хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования. Вторая часть теории Митчелла заключается в том, что в мембране существует асимметричная АТФ-аза, которая работает обратимо, то есть может быть и АТФ-синтетазой:

АТФ + НОН (атф-аза) АДФ + Ф + 2Н +

Асимметричность в действии АТФ-азы заключается в том, что

а) при гидролизе АТФ протон Н+ и гидроксил ОН- захватываются по разные стороны от мембраны;

б) при синтезе АТФ вода диссоциирует на ОН-, который поступает в более закисленную от мембраны сторону, и Н+, который диффундирует в противоположную сторону.

В целом процесс фосфорилирования АДФ осуществляется за счет изменения свободной энергии при нейтрализации иона ОН- в кислой среде, и иона Н+ в щелочной среде.

С точки зрения преобразования энергии процесс окислительного фосфорилирования состоит из двух стадий:

1. Превращение химической энергии переноса электронов в энергию, связанную с разностью электрохимических потенциалов протонов в результате сопряжения переноса электрона по дыхательной цепи и переноса протона через мембрану. При этом: Δμ H+ = FΔφ M + RT ln ( 1 / 2), где Δμ H+ — разность электрохимических потенциалов; Δφ M – разность электрических потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны митохондрий; ( 1 и 2 – концентрации протонов в окружающей среде и внутри митохондрий.

2. Превращение энергии, определяемой разностью электрических потенциалов, в химическую энергию макроэргической связи АТФ (сопряжение переноса 2Н+ и синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата). Это условно можно изобразить в виде Δμ H+ → QUOTE ~ ~.

В настоящее время показано, что при наличии разности электрохимических потенциалов Н+ на сопрягающей мембране может совершаться не только химическая работа (синтез АТФ), но и осмотическая работа (при транспорте различных соединений через мембраны), механическая работа (движение жгутиков у бактерий), а также выделяться тепло (теплорегуляторное разобщение окислительного фосфолирилирования).

Символически хемиосмотическая теория сопряжения процессов окисления (т.е. переноса электронов – e) и фосфорилирования (синтез макроэргов — QUOTE ~ ~) может быть представлена в виде схемы e QUOTE Δμ H+ QUOTE QUOTE ~ ~. Из этой схемы вытекают следующие основные следствия хемиосмотической теории:

1. Если Δμ H+ = 0, то при переносе электронов не происходит синтез АТФ.

2. При работе дыхательной цепи происходит генерация мембранного потенциала (е→Δφ M).

3. Создание достаточного по величине электрического потенциала на энергосопрягающей мембране со знаком «+» снаружи приведет к синтезу АТФ из АДФ и ортофосфата (Δφ M → QUOTE ~) ~).

4. За счет мембранного потенциала можно остановить и даже «повернуть вспять» поток электронов в дыхательной цепи (Δφ M →e).

5. При гидролизе АТФ на сопрягающей мембране происходит генерация мембранного потенциала (QUOTE ~ ~ → Δφ M).

Итак, основные виды работы в живой клетке – электрическая и осмотическая – выполняются при непосредственном участии биологических мембран. Центральную роль в энергетике клетки играют процессы синтеза и распада АТФ. В клетке АТФ является аккумулятором химической энергии.

Энергия используется для различных химических реакций, протекающих в клетке. Одни организмы используют энергию солнечного света для биохимических процессов - это растения, а другие используют энергию химических связей в веществах, получаемых в процессе питания, - это животные организмы. Вещества из пищи извлекаются с помощью расщепления или биологического окисления в процессе клеточного дыхания.

Клеточное дыхание - это биохимический процесс в клетке, протекающий в присутствии ферментов, в результате которого выделяется вода и углекислый газ, энергия запасается в виде макроэнергетических связей молекул АТФ. Если этот процесс протекает в присутствии кислорода, то он носит название «аэробный». Если же он происходит без кислорода, то он называется «анаэробным.

Биологическое окисление включает три основных стадии:

1. Подготовительную,

2. Бескислородную (гликолиз),

3. Полное расщепление органических веществ (в присутствии кислорода).

Подготовительный этап. Поступившие с пищей вещества расщепляются до мономеров. Этот этап начинается в желудочно-кишечном тракте или в лизосомах клетки. Полисахариды распадаются на моносахариды, белки – на аминокислоты, жиры – на глицерины и жирные кислоты. Выделяющаяся на этой стадии энергия рассеивается в виде тепла. Надо отметить, что для энергетических процессов клетки используют именно углеводы, а лучше - моносахариды. А мозг может использовать для своей работы только моносахарид - глюкозу.

Глюкоза в процессе гликолиза распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшая их судьба зависит от присутствия в клетке кислорода. Если в клетке присутствует кислород, то пировиноградная кислота приходит в митохондрии для полного окисления до углекислого газа и воды (аэробное дыхание). Если кислорода нет, то в животных тканях пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту. Эта стадия проходит в цитоплазме клетки. В результате гликолиза образуется всего две молекулы АТФ.

Для полного окисления глюкозы обязательно необходим кислород. На третьем этапе в митохондриях происходит полное окисление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды. В результате образуется еще 36 молекул АТФ.

Всего на трех этапах образуется 38 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы, учитывая две АТФ, полученные в процессе гликолиза.

Таким образом, мы рассмотрели энергетические процессы, происходящие в клетках. Охарактеризовали этапы биологического окисления. На этом наш урок окончен, всего вам доброго, до свидания!

Отличие дыхания от горения . Дыхание, происходящее в клетке, нередко сравнивают с процессом горения. Оба процесса происходят в присутствии кислорода, выделении энергии и продуктов окисления. Но, в отличие от горения, дыхание - это упорядоченный процесс биохимических реакций, протекающий в присутствии ферментов. При дыхании углекислый газ возникает как конечный продукт биологического окисления, а в процессе горения образование углекислого газа происходит путем прямого соединения водорода с углеродом. Также во время дыхания образуется определенное количество молекул АТФ. То есть дыхание и горение - это принципиально разные процессы.

Биомедицинское значение. Для медицины важен не только метаболизм глюкозы, но также фруктозы и галактозы. Особенно важна в медицине способность к образованию АТФ в отсутствии кислорода. Это позволяет поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в условиях недостаточной эффективности аэробного окисления. Ткани с повышенной гликолитической активностью способны сохранять активность в периоды кислородного голодания. В сердечной мышце возможности осуществления гликолиза ограничены. Она тяжело переносит нарушение кровоснабжения, что может привести к ишемии. Известно несколько болезней, обусловленных отсутствием ферментов, которые регулируют гликолиз:

— гемолитическая анемия (в быстрорастущих раковых клетках гликолиз идет со скоростью превышающей возможности цикла лимонной кислоты), что способствует повышенному синтезу молочной кислоты в органах и тканях. Повышенное содержание молочной кислоты в организме может быть симптомом рака.

Брожение. Микробы способны получать энергию в процессе брожения. Брожение известно людям с незапамятных времен, например, при изготовлении вина. Еще ранее было известно о молочнокислом брожении. Люди потребляли молочные продукты, не подозревая, что эти процессы связаны с деятельностью микроорганизмов. Это впервые доказал Луи Пастер. Причем разные микроорганизмы выделяют разные продукты брожения. Сейчас мы поговорим о спиртовом и молочнокислом брожении. В результате образуется этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия. Пивовары и виноделы использовали некоторые виды дрожжей для стимуляции брожения, в результате которого сахара превращаются в спирт. Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В нашей стране традиционно используются дрожжи сахаромицеты. В Америке - бактерии рода псевдомонас. А в Мексике используются бактерии «подвижные палочки». Наши дрожжи, как правило, сбраживают гексозы (шестиуглеродные моносахариды), такие как глюкоза или фруктоза. Процесс образования спирта можно представить следующим образом: из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы спирта, две молекулы углекислого газа и две молекулы АТФ. Этот способ менее выгоден, чем аэробные процессы, но позволяет поддерживать жизнь в условиях отсутствия кислорода. А теперь давайте поговорим о кисломолочном брожении. Одна молекула глюкозы образует две молекулы молочной кислоты и при этом выделяется две молекулы АТФ. Молочнокислое брожение широко используется для производства молочных продуктов: сыр, простокваша, йогурты. Также молочная кислота используется при изготовлении безалкогольных напитков.

Способность к фотосинтезу - основной признак зеленых растений.Растения как все живые организмы должны питаться, дышать, удалять ненужные вещества, расти, размножаться, реагировать на изменения окружающей среды . Все это обеспечивается работой соответствующих органов организма. Обычно органы формируют системы органов, которые совместной работой обеспечивают выполнение той или иной функции живого организма. Таким образом, живой организм можно представить как биосистему. Каждый орган в живом растении выполняет определенную работа.Корень поглощает из почвы воду с минеральными веществами и укрепляет растение в почве. Стебель выносит листья к свету. По стеблю передвигается вода, а также минеральные и органические вещества. В хлоропластах листа на свету из неорганических веществ образуются органические вещества, которыми питаются клетки всех органов растения . Листья испаряют воду.

Если нарушается работа какого-либо одного органа организма, то это может вызвать нарушение работы других органов и всего организма. Если, например, через корень перестанет поступать вода, то все растение может погибнуть. Если в растении не образуется достаточно хлорофилла в листьях, то оно не сможет синтезировать для своей жизнедеятельность достаточное количество органических веществ.

Таким образом жизнедеятельность организма обеспечивается взаимосвязанной работой всех систем органов. Жизнедеятельность - это все процессы, которые протекают в организме.

Благодаря питанию организм живет и растет. В процессе питания из окружающей среды поглощаются необходимые вещества. Далее в организме они усваиваются. Из почвы растения поглощают воду и минеральные вещества. Надземные зеленые органы растений из воздуха поглощают углекислый газ. Вода и углекислый газ используются растениями для синтеза органических веществ, которые используются растением для обновления клеток тела, роста и развития.

В процессе дыхания происходит газообмен. Из окружающей среды поглощается кислород, а из организма выделяется углекислый газ и пары воды. Кислород необходим всем живым клеткам для выработки энергии.

В процессе обмена веществ образуются ненужные организму вещества, которые выделяются в окружающую среду.

Когда растение достигает определенных размеров и необходимого для ее вида возраста, если оно находится в достаточно благоприятных условиях среды, то оно приступает к размножению. В результате размножения увеличивается количество особей.

В отличие от подавляющего большинства животных растения растут в течение всей жизни.

Приобретение организмов новых свойств называется развитием.

На питание, дыхание, обмен веществ, рост и развитие, а также размножение оказывают влияние условия среды обитания растения. Если они не достаточно благоприятны, то растение может плохо расти и развиваться, его процессы жизнедеятельности будут подавлены. Таким образом, жизнедеятельность растений зависит от окружающей среды.

Вопрос 3_Клеточная оболочка, её функции, состав, структура. Первичная и вторичная оболочка.

Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).Оболочка клеток . Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны.У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.

Клеточная оболочка или стенка - жёсткая оболочка клетки, расположенная снаружи от цитоплазматической мембраны и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции. Обнаруживается у большинства бактерий, архей, грибов и растений. Животные и многие простейшие не имеют клеточной стенки.

Функции клеточной оболочки:

1. Транспортная функция обеспечивает избирательную регуляцию обмена веществ между клеткой и внешней средой, поступления веществ в клетку (за счет полупроницаемости мембраны), а также регуляцию водного баланса клетки

1.1. Трансмембранный транспорт (т. е. через мембрану) :
- Диффузия
- Пассивный транспорт = облегченная диффузия
- Активный = избирательный транспорт (с участием АТФ и ферментов) .

1.2. Транспорт в мембранной упаковке:
- Экзоцитоз - выделение веществ из клетки
- Эндоцитоз (фаго- и пиноцитоз) - поглощение веществ клеткой

2) Рецепторная функция .
3) Опорная («скелет») - поддерживает форму клетки, придает прочность. Это, главным образом, функция клеточной стенки.
4) Изоляция клетки (ее живого содержимого) от окружающей среды.
5) Защитная функция.
6) Контакт с соседними клетками. Объединение клеток в ткани .

Данный видеоурок посвящен теме «Обеспечение клеток энергией». На этом занятии мы рассмотрим энергетические процессы в клетке и изучим, как происходит обеспечение клеток энергией. Вы узнаете также, что такое клеточное дыхание, из каких этапов оно состоит. Подробно обсудите каждый из этих этапов.

БИОЛОГИЯ 9 КЛАСС

Тема: Клеточный уровень

Урок 13. Обеспечение клеток энергией

Степанова Анна Юрьевна

к. б.н., доц. МГУИЭ

Москва

Сегодня мы поговорим об обеспечении клеток энергией. Энергия используется для различных химических реакций, протекающих в клетке. Одни организмы используют энергию солнечного света для биохимических процессов - это растения, а другие используют энергию химических связей в веществах, получаемых в процессе питания, - это животные организмы. Вещества из пищи извлекаются с помощью расщепления или биологического окисления в процессе клеточного дыхания.

Биологическое окисление включает три основных стадии:

1. Подготовительную,

2. Бескислородную (гликолиз),

3. Полное расщепление органических веществ (в присутствии кислорода).

Гемолитическая анемия (в быстрорастущих раковых клетках гликолиз идет со скоростью превышающей возможности цикла лимонной кислоты), что способствует повышенному синтезу молочной кислоты в органах и тканях. Повышенное содержание молочной кислоты в организме может быть симптомом рака.

Преизобильное ращение тучных дерев,
которые на бесплодном песку корень
свой утвердили, ясно изъявляет, что
жирными листами жирный тук из воздуха
впитывают...
М. В. Ломоносов

Как энергия запасается в клетке? Что такое метаболизм? В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания? Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза? Как связаны процессы энергетического и пластического обмена? Что представляет собой хемосинтез?

Урок-лекция

Способность преобразовывать одни виды энергии в другие (энергию излучения в энергию химических связей, химическую энергию в механическую и т. п.) относится к числу фундаментальных свойств живого. Здесь мы подробно рассмотрим, каким образом реализуются эти процессы у живых организмов.

АТФ - ГЛАВНЫЙ ПЕРЕНОСЧИК ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ . Для осуществления любых проявлений жизнедеятельности клеток необходима энергия. Автотрофные организмы получают исходную энергию от Солнца в ходе реакций фотосинтеза, гетеротрофные же в качестве источника энергии используют органические соединения, поступающие с пищей. Энергия запасается клетками в химических связях молекул АТФ (аденозинтрифосфат) , которые представляют собой нуклеотид, состоящий из трех фосфатных групп, остатка сахара (рибозы) и остатка азотистого основания (аденина) (рис. 52).

Рис. 52. Молекула АТФ

Связь между фосфатными остатками получила название макроэргической, поскольку при ее разрыве выделяется большое количество энергии. Обычно клетка извлекает энергию из АТФ, отщепляя только концевую фосфатную группу. При этом образуется АДФ (аденозиндифосфат), фосфорная кислота и освобождается 40 кДж/моль:

Молекулы АТФ играют роль универсальной энергетической разменной монеты клетки. Они поставляются к месту протекания энергоемкого процесса, будь то ферментативный синтез органических соединений, работа белков - молекулярных моторов или мембранных транспортных белков и др. Обратный синтез молекул АТФ осуществляется путем присоединения фосфатной группы к АДФ с поглощением энергии. Запасание клеткой энергии в виде АТФ осуществляется в ходе реакций энергетического обмена . Он тесно связан с пластическим обменом , в ходе которого клетка производит необходимые для ее функционирования органические соединения.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ (МЕТАБОЛИЗМ) . Метаболизм - совокупность всех реакций пластического и энергетического обмена, связанных между собой. В клетках постоянно идет синтез углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот. Синтез соединений всегда идет с затратой энергии, т. е. при непременном участии АТФ. Источниками энергии для образования АТФ служат ферментативные реакции окисления поступающих в клетку белков, жиров и углеводов. В ходе этого процесса высвобождается энергия, которая аккумулируется в АТФ. Особую роль в энергетическом обмене клетки играет окисление глюкозы. Молекулы глюкозы претерпевают при этом ряд последовательных превращений.

Первый этап, получивший название гликолиз , проходит в цитоплазме клеток и не требует кислорода. В результате последовательных реакций с участием ферментов глюкоза распадается на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом расходуются две молекулы АТФ, а высвобождающейся при окислении энергии достаточно для образования четырех молекул АТФ. В итоге энергетический выход гликолиза невелик и составляет две молекулы АТФ:

С 6 Н1 2 0 6 → 2С 3 Н 4 0 3 + 4Н + + 2АТФ

В анаэробных условиях (при отсутствии кислорода) дальнейшие превращения могут быть связаны с различными типами брожений .

Всем известно молочнокислое брожение (скисание молока), которое происходит благодаря деятельности молочнокислых грибков и бактерий. По механизму оно сходно с гликолизом, только окончательным продуктом здесь является молочная кислота. Этот тип окисления глюкозы происходит в клетках при дефиците кислорода, например в интенсивно работающих мышцах. Близко по химизму к молочнокислому и спиртовое брожение. Различие заключается в том, что продуктами спиртового брожения являются этиловый спирт и углекислый газ.

Следующий этап, в ходе которого пировиноградная кислота окисляется, до углекислого газа и воды, получил название клеточное дыхание . Связанные с дыханием реакции проходят в митохондриях растительных и животных клеток, и только при наличии кислорода. Это ряд химических превращений до образования конечного продукта - углекислого газа. На различных этапах такого процесса образуются промежуточные продукты окисления исходного вещества с отщеплением атомов водорода. При этом освобождается энергия, которая «консервируется» в химических связях АТФ, и образуются молекулы воды. Становится понятным, что именно для того, чтобы связать отщепленные атомы водорода, и требуется кислород. Данный ряд химических превращений достаточно сложный и происходит с участием внутренних мембран митохондрий, ферментов, белков-переносчиков.

Клеточное дыхание имеет очень высокую эффективность. Происходит синтез 30 молекул АТФ, еще две молекулы образуются при гликолизе, и шесть молекул АТФ - как результат превращений продуктов гликолиза на мембранах митохондрий. Всего в результате окисления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ:

C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ

В митохондриях происходят конечные этапы окисления не только сахаров, но также белков и липидов. Эти вещества используются клетками, главным образом когда подходит к концу запас углеводов. Вначале расходуется жир, при окислении которого выделяется существенно больше энергии, чем из равного объема углеводов и белков. Поэтому жир у животных представляет собой основной «стратегический резерв» энергетических ресурсов. У растений же роль энергетического резерва играет крахмал. При хранении он занимает значительно больше места, чем энергетически эквивалентное ему количество жира. Для растений это не служит помехой, поскольку они неподвижны и не носят, как животные, запасы на себе. Извлечь же энергию из углеводов можно гораздо быстрее, чем из жиров. Белки выполняют в организме многие важные функции, поэтому вовлекаются в энергетический обмен только при исчерпании ресурсов сахаров и жиров, например при длительном голодании.

ФОТОСИНТЕЗ . Фотосинтез - это процесс, в ходе которого энергия солнечных лучей преобразуется в энергию химических связей органических соединений. В растительных клетках связанные с фотосинтезом процессы протекают в хлоропластах. Внутри этой органеллы находятся системы мембран, в которые встроены пигменты, улавливающие лучистую энергию Солнца. Основной пигмент фотосинтеза - хлорофилл, который поглощает преимущественно синие и фиолетовые, а также красные лучи спектра. Зеленый свет при этом отражается, поэтому сам хлорофилл и содержащие его части растений кажутся зелеными.

В фотосинтезе выделяют две фазы - световую и темновую (рис. 53). Собственно улавливание и преобразование лучистой энергии происходит во время световой фазы. При поглощении квантов света хлорофилл переходит в возбужденное состояние и становится донором электронов. Его электроны передаются от одного белкового комплекса к другому по цепи переноса электронов. Белки этой цепи, как и пигменты, сосредоточены на внутренней мембране хлоропластов. При переходе электрона по цепи переносчиков он теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Часть возбужденных светом электронов используется для восстановления НДФ (никотинамидадениндинуклеотифосфат), или НАДФ·Н.

Рис. 53. Продукты реакций световой и темновой фаз фотосинтеза

Под действием солнечного света в хлоропластах происходит также расщепление молекул воды - фотолиз ; при этом возникают электроны, которые возмещают потери их хлорофиллом; в качестве побочного продукта при этом образуется кислород:

Таким образом, функциональный смысл световой фазы заключается в синтезе АТФ и НАДФ·Н путем преобразования световой энергии в химическую.

Для реализации темновой фазы фотосинтеза свет не нужен. Суть проходящих здесь процессов заключается в том, что полученные в световую фазу молекулы АТФ и НАДФ·Н используются в серии химических реакций, «фиксирующих» СОг в форме углеводов. Все реакции темновой фазы осуществляются внутри хлоропластов, а освобождающиеся при «фиксации» углекислоты АДФ и НАДФ вновь используются в реакциях световой фазы для синтеза АТФ и НАДФ·Н.

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:

ВЗАИМОСВЯЗЬ И ЕДИНСТВО ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА . Процессы синтеза АТФ происходят в цитоплазме (гликолиз), в митохондриях (клеточное дыхание) и в хлоропластах (фотосинтез). Все осуществляющиеся в ходе этих процессов реакции - это реакции энергетического обмена. Запасенная в виде АТФ энергия расходуется в реакциях пластического обмена для производства необходимых для жизнедеятельности клетки белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Заметим, что темновая фаза фотосинтеза - это цепь реакций, пластического обмена, а световая - энергетического.

Взаимосвязь и единство процессов энергетического и пластического обмена хорошо иллюстрирует следующее уравнение:

При чтении этого уравнения слева направо получается процесс окисления глюкозы до углекислого газа и воды в ходе гликолиза и клеточного дыхания, связанный с синтезом АТФ (энергетический обмен). Если же прочесть его справа налево, то получается описание реакций темновой фазы фотосинтеза, когда из воды и углекислоты при участии АТФ синтезируется глюкоза (пластический обмен).

ХЕМОСИНТЕЗ . К синтезу органических веществ из неорганических, кроме фотоавтотрофов, способны и некоторые бактерии (водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.). Они осуществляют этот синтез за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Их называют хемоавтотрофами. Эти хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Например, нитрифицирующие бактерии переводят недоступные для усвоения растениями соли аммония в соли азотной кислоты, которые хорошо ими усваиваются.

Клеточный метаболизм составляют реакции энергетического и пластического обмена. В ходе энергетического обмена происходит образование органических соединений с макроэргическими химическими связями - АТФ. Необходимая для этого энергия поступает от окисления органических соединений в ходе анаэробных (гликолиз, брожение) и аэробных (клеточное дыхание) реакций; от солнечных лучей, энергия которых усваивается на световой фазе (фотосинтез); от окисления неорганических соединений (хемосинтез). Энергия АТФ расходуется на синтез необходимых клетке органических соединений в ходе реакций пластического обмена, к которым относятся и реакции темновой фазы фотосинтеза.

В чем заключаются различия между пластическим и энергетическим обменом?
Как преобразуется энергия солнечных лучей в световую фазу фотосинтеза? Какие процессы проходят в темновую фазу фотосинтеза?
Почему фотосинтез называют процессом отражения планетно-космического взаимодействия?