Trasformazione di energia nella cellula. Energia di una cellula vivente Ciò che produce energia in una cellula

L’ATP è il principale vettore di energia nella cellula. Per eseguire qualsiasi manifestazione dell'attività cellulare, è necessaria energia. Gli organismi autotrofi ricevono la loro energia iniziale dal sole durante le reazioni di fotosintesi, mentre gli organismi eterotrofi utilizzano i composti organici forniti con il cibo come fonte di energia. L'energia viene immagazzinata dalle cellule nei legami chimici delle molecole di ATP ( adenosina trifosfato), che sono un nucleotide costituito da tre gruppi fosfato, un residuo di zucchero (ribosio) e un residuo di base azotata (adenina).

Il legame tra i residui di fosfato è detto macroergico, poiché quando si rompe viene rilasciata una grande quantità di energia. Tipicamente, la cellula estrae energia dall'ATP rimuovendo solo il gruppo fosfato terminale. In questo caso si formano ADP (adenosina difosfato) e acido fosforico e vengono rilasciati 40 kJ/mol.

Le molecole di ATP svolgono il ruolo di merce di scambio energetica universale della cellula. Vengono consegnati al sito di un processo ad alta intensità energetica, che si tratti della sintesi enzimatica di composti organici, del lavoro delle proteine ​​del motore molecolare o delle proteine ​​di trasporto della membrana, ecc. La sintesi inversa delle molecole di ATP viene effettuata attaccando un gruppo fosfato a ADP con assorbimento di energia. La cellula immagazzina energia sotto forma di ATP durante le reazioni del metabolismo energetico. È strettamente correlato al metabolismo plastico, durante il quale la cellula produce i composti organici necessari al suo funzionamento.

Metabolismo delle sostanze e dell'energia nella cellula (metabolismo).

Il metabolismo si riferisce alla totalità di tutte le reazioni del metabolismo plastico ed energetico che sono interconnesse. Le cellule sintetizzano costantemente carboidrati, grassi complessi e acidi nucleici. Uno dei processi più importanti nel metabolismo plastico è la biosintesi delle proteine. La sintesi dei composti durante le reazioni di scambio plastico richiede sempre energia e avviene con la partecipazione indispensabile dell'ATP.

Una delle fonti di energia per la formazione dell'ATP è la decomposizione enzimatica dei composti organici che entrano nella cellula (proteine, grassi e carboidrati). Durante questo processo, l'energia viene rilasciata e immagazzinata nell'ATP. La degradazione del glucosio gioca un ruolo speciale nel metabolismo energetico della cellula. Questo zucchero viene sintetizzato a seguito di reazioni di fotosintesi e può accumularsi nelle cellule sotto forma di polisaccaridi: amido e glicogeno. Se necessario, i polisaccaridi si scompongono e le molecole di glucosio subiscono una serie di trasformazioni sequenziali.

La prima fase, chiamata glicolisi, avviene nel citoplasma delle cellule e non richiede ossigeno. Come risultato di reazioni successive che coinvolgono gli enzimi, il glucosio si scompone in due molecole acido piruvico. In questo caso vengono utilizzate due molecole di ATP e l'energia rilasciata durante la scissione dei legami chimici è sufficiente per produrre quattro molecole di ATP. Di conseguenza, la produzione di energia della glicolisi è piccola e ammonta a due molecole di ATP:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 4 O 3 + 4H + + 2ATP

In condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno), ulteriori trasformazioni sono associate a varie tipologie fermentazione.

Tutti sanno fermentazione dell'acido lattico(acidificazione del latte), che si verifica a causa dell'attività di funghi e batteri dell'acido lattico. Il meccanismo è simile alla glicolisi, solo che il prodotto finale qui è l'acido lattico. Questo tipo di fermentazione avviene nelle cellule quando manca l'ossigeno, ad esempio nei muscoli che lavorano intensamente. Vicino al caseificio e fermentazione alcolica. L'unica differenza è che i prodotti della fermentazione alcolica sono l'alcol etilico e l'anidride carbonica.

Viene chiamata la fase successiva, durante la quale l'acido piruvico viene ossidato in anidride carbonica e acqua respirazione cellulare. Le reazioni associate alla respirazione avvengono nei mitocondri delle cellule vegetali e animali e solo in presenza di ossigeno. Nell'ambiente interno dei mitocondri avvengono una serie di trasformazioni chimiche fino al prodotto finale: l'anidride carbonica. Allo stesso tempo, nelle varie fasi di questo processo, si formano prodotti intermedi della decomposizione della sostanza originaria con l'eliminazione degli atomi di idrogeno. Gli atomi di idrogeno, a loro volta, partecipano a una serie di altre reazioni chimiche, il cui risultato è il rilascio di energia e la sua “conservazione” nei legami chimici dell'ATP e la formazione di molecole d'acqua. Diventa chiaro che è proprio per legare gli atomi di idrogeno separati che è necessario l'ossigeno. Questa serie di trasformazioni chimiche è piuttosto complessa e avviene con la partecipazione delle membrane interne dei mitocondri, degli enzimi e delle proteine ​​trasportatrici.

La respirazione cellulare è estremamente efficiente. Si verifica la sintesi energetica di 30 molecole di ATP, durante la glicolisi si formano altre due molecole e sei molecole di ATP si formano a seguito di trasformazioni sulle membrane mitocondriali dei prodotti della glicolisi. In totale, come risultato dell'ossidazione di una molecola di glucosio, si formano 38 molecole di ATP:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP

Le fasi finali dell'ossidazione non solo degli zuccheri, ma anche di altri composti organici - proteine ​​e lipidi - avvengono nei mitocondri. Queste sostanze vengono utilizzate dalle cellule soprattutto quando termina l'apporto di carboidrati. Innanzitutto viene consumato il grasso, la cui ossidazione rilascia molta più energia rispetto a un uguale volume di carboidrati e proteine. Il grasso negli animali rappresenta quindi la principale “riserva strategica” di risorse energetiche. Nelle piante l'amido svolge il ruolo di riserva energetica. Una volta immagazzinato, occupa molto più spazio rispetto alla quantità equivalente di energia del grasso. Questo non è un ostacolo per le piante, poiché sono immobili e non portano con sé provviste, come gli animali. Puoi estrarre energia dai carboidrati molto più velocemente che dai grassi. Le proteine ​​svolgono molte funzioni importanti nell'organismo, e quindi sono coinvolte nel metabolismo energetico solo quando le risorse di zuccheri e grassi sono esaurite, ad esempio durante il digiuno prolungato.

Fotosintesi. La fotosintesi è un processo durante il quale l'energia della luce solare viene convertita nell'energia dei legami chimici dei composti organici. Nelle cellule vegetali, i processi associati alla fotosintesi si verificano nei cloroplasti. All'interno di questo organello sono presenti sistemi di membrane in cui sono incorporati i pigmenti che catturano l'energia radiante del sole. Il pigmento principale della fotosintesi è la clorofilla, che assorbe principalmente i raggi blu e viola, nonché i raggi rossi dello spettro. La luce verde viene riflessa, quindi la clorofilla stessa e le parti delle piante che la contengono appaiono verdi.

Ci sono le clorofille UN, B, C, D, le cui formule presentano piccole differenze. La principale è la clorofilla UN, senza di essa la fotosintesi è impossibile. Le restanti clorofille, dette ausiliarie, sono in grado di catturare la luce di una lunghezza d'onda leggermente diversa rispetto alla clorofilla UN, che espande lo spettro di assorbimento della luce durante la fotosintesi. Lo stesso ruolo è svolto dai carotenoidi, che percepiscono i quanti di luce blu e verde. In diversi gruppi di organismi vegetali, la distribuzione delle clorofille aggiuntive non è la stessa, utilizzata nella tassonomia.

L'effettiva cattura e conversione dell'energia radiante avviene durante fase leggera. Quando assorbe i quanti di luce, la clorofilla entra in uno stato eccitato e diventa un donatore di elettroni. I suoi elettroni vengono trasferiti da un complesso proteico all'altro lungo la catena di trasporto degli elettroni. Le proteine ​​di questa catena, come i pigmenti, sono concentrate sulla membrana interna dei cloroplasti. Quando un elettrone si muove lungo una catena di trasportatori, perde energia, che viene utilizzata per la sintesi dell'ATP.

Sotto l'influenza della luce solare, le molecole d'acqua vengono anche divise nei cloroplasti: fotolisi, che produce elettroni che compensano le loro perdite da parte della clorofilla; come sottoprodotto, che produce ossigeno.

Pertanto, il significato funzionale della fase luminosa è la sintesi di ATP e NADPH convertendo l'energia luminosa in energia chimica.

Di tutti i pigmenti che catturano i quanti di luce, solo la clorofilla UN in grado di trasferire elettroni alla catena di trasporto. I restanti pigmenti trasferiscono prima l'energia degli elettroni eccitati dalla luce alla clorofilla UN, e da esso inizia la catena di reazioni della fase leggera sopra descritta.

Per l'implementazione fase oscura La fotosintesi non richiede luce. L'essenza dei processi che si svolgono qui è che le molecole ottenute nella fase leggera vengono utilizzate in una serie di reazioni chimiche che “fissano” la CO 2 sotto forma di carboidrati. Tutte le reazioni della fase oscura si svolgono all'interno dei cloroplasti e le sostanze rilasciate durante la “fissazione” dell'anidride carbonica vengono nuovamente utilizzate nelle reazioni della fase luminosa.

L’equazione generale per la fotosintesi è:

6СО 2 + 6Н 2 О –→ С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Interrelazione e unità dei processi del metabolismo plastico ed energetico. I processi di sintesi dell'ATP avvengono nel citoplasma (glicolisi), nei mitocondri (respirazione cellulare) e nei cloroplasti (fotosintesi). Tutte le reazioni che si verificano durante questi processi sono reazioni di scambio energetico. L'energia immagazzinata sotto forma di ATP viene consumata in reazioni di scambio plastico per la produzione di proteine, grassi, carboidrati e acidi nucleici necessari alla vita della cellula. Si noti che la fase oscura della fotosintesi è una catena di reazioni di scambio plastico e la fase luminosa è uno scambio di energia.

ENERGIA CELLULARE DERIVANTE DALL'OSSIDAZIONE DI SOSTANZE ORGANICHE

Trasformazione biologico sostanze in una gabbia. Le sostanze organiche (carboidrati, grassi, proteine, vitamine, ecc.) si formano nelle cellule vegetali a partire da anidride carbonica, acqua e sali minerali.

Mangiando le piante, gli animali ottengono sostanze organiche in forma finita. L'energia immagazzinata in queste sostanze passa con loro nelle cellule degli organismi eterotrofi.

Nelle cellule degli organismi eterotrofi viene convertita l'energia dei composti organici durante la loro ossidazione energia ATP. In questo caso, gli organismi eterotrofi rilasciano anidride carbonica e acqua, che vengono nuovamente utilizzate dagli organismi autotrofi per il processo di fotosintesi.

L'energia immagazzinata nell'ATP viene spesa per mantenere tutti i processi vitali: la biosintesi delle proteine ​​e di altri composti organici, il movimento, la crescita e la divisione delle cellule.

Tutte le cellule degli organismi viventi hanno la capacità di farlo convertire un tipo di energia in un altro. In quali organelli cellulari avvengono i processi di estrazione dell'energia immagazzinata nei composti organici? Si è scoperto che la fase finale della scomposizione e dell'ossidazione delle molecole di glucosio in anidride carbonica con rilascio di energia avviene nei mitocondri.

Perché l'energia viene rilasciata durante l'ossidazione dei composti organici? Gli elettroni nelle molecole dei composti organici hanno una grande riserva di energia; sembrano essere elevati ad un livello energetico elevato. L'energia viene rilasciata quando gli elettroni si spostano da un livello elevato a un livello inferiore nella propria o in un'altra molecola o atomo che è in grado di essere ricevitori di elettroni.

L'ossigeno funge da ricevitore di elettroni.

Questo è il suo principale ruolo biologico. Per questo abbiamo bisogno dell'ossigeno dell'aria.

Parlando di fotosintesi abbiamo paragonato l'elettrone della clorofilla, eccitato dalla luce, ad una pietra sollevata in altezza: cadendo dall'alto perde energia. Questo confronto è appropriato anche nel caso dell'ossidazione di composti organici.

L'ossigeno, necessario per i processi di ossidazione, entra nel corpo durante la respirazione. Pertanto, il processo di respirazione è direttamente correlato all'ossidazione biologica. I processi di ossidazione biologica delle sostanze organiche vengono effettuati nei mitocondri.

È noto che quando le sostanze organiche bruciano si formano anidride carbonica e acqua. In questo caso l'energia viene rilasciata sotto forma di calore. Pertanto, aggiungendo ossigeno e ossidando, ad esempio, bruciano legna da ardere, petrolio e gas (metano).

L'ossidazione delle sostanze organiche è accompagnata anche dalla formazione di anidride carbonica e acqua. Ma l'ossidazione biologica è fondamentalmente diversa dalla combustione. I processi di ossidazione biologica avvengono in più fasi, con la partecipazione di un numero di enzimi. Quando le sostanze organiche bruciano, quasi tutta l'energia viene rilasciata sotto forma di calore.

Durante l'ossidazione biologica, circa il 50% dell'energia delle sostanze organiche viene convertita nell'energia dell'ATP, così come in altre molecole portatrici di energia. Il restante 50% dell'energia di ossidazione viene convertita in calore. Poiché i processi di ossidazione enzimatica avvengono per fasi, l'energia termica viene rilasciata gradualmente e ha il tempo di dissiparsi nell'ambiente esterno senza danneggiare le proteine ​​termosensibili e le altre sostanze cellulari. Questa è la principale differenza tra i processi di ossidazione che si verificano negli organismi viventi e la combustione.

Crescita abbondante di alberi grassi,
che radicano sulla sterile sabbia
approvato, lo afferma chiaramente
fogli di grasso grasso grasso dall'aria
assorbire...
MV Lomonosov

Come viene immagazzinata l'energia in una cellula? Cos'è il metabolismo? Qual è l'essenza dei processi di glicolisi, fermentazione e respirazione cellulare? Quali processi hanno luogo durante le fasi di luce e di buio della fotosintesi? Come sono correlati i processi del metabolismo energetico e plastico? Cos'è la chemiosintesi?

Lezione-lezione

La capacità di convertire un tipo di energia in un altro (l'energia delle radiazioni in energia dei legami chimici, l'energia chimica in energia meccanica, ecc.) è una delle proprietà fondamentali degli esseri viventi. Qui daremo uno sguardo più da vicino a come questi processi vengono implementati negli organismi viventi.

L'ATP È IL PRINCIPALE VETTORE DI ENERGIA NELLA CELLULA. Per eseguire qualsiasi manifestazione dell'attività cellulare, è necessaria energia. Gli organismi autotrofi ricevono la loro energia iniziale dal Sole durante le reazioni di fotosintesi, mentre gli organismi eterotrofi utilizzano i composti organici forniti con il cibo come fonte di energia. L'energia viene immagazzinata dalle cellule nei legami chimici delle molecole ATP (adenosina trifosfato), che sono un nucleotide costituito da tre gruppi fosfato, un residuo di zucchero (ribosio) e un residuo di base azotata (adenina) (Fig. 52).

Riso. 52. Molecola di ATP

Il legame tra i residui di fosfato è detto macroergico, poiché quando si rompe viene rilasciata una grande quantità di energia. Tipicamente, la cellula estrae energia dall'ATP rimuovendo solo il gruppo fosfato terminale. In questo caso si formano ADP (adenosina difosfato) e acido fosforico e vengono rilasciati 40 kJ/mol:

Le molecole di ATP svolgono il ruolo di merce di scambio energetica universale della cellula. Vengono consegnati al sito di un processo ad alta intensità energetica, che si tratti della sintesi enzimatica di composti organici, del lavoro delle proteine ​​- motori molecolari o proteine ​​di trasporto di membrana, ecc. La sintesi inversa delle molecole di ATP viene effettuata attaccando un gruppo fosfato all’ADP con l’assorbimento di energia. La cellula immagazzina energia sotto forma di ATP durante le reazioni metabolismo energetico. È strettamente correlato a scambio di plastica, durante il quale la cellula produce i composti organici necessari al suo funzionamento.

METABOLISMO ED ENERGIA NELLA CELLULA (METABOLISMO). Il metabolismo è la totalità di tutte le reazioni del metabolismo plastico ed energetico, interconnesse. Le cellule sintetizzano costantemente carboidrati, grassi, proteine ​​e acidi nucleici. La sintesi dei composti avviene sempre con dispendio di energia, cioè con la partecipazione indispensabile di ATP. Le fonti energetiche per la formazione di ATP sono reazioni enzimatiche di ossidazione di proteine, grassi e carboidrati che entrano nella cellula. Durante questo processo, l'energia viene rilasciata e immagazzinata nell'ATP. L’ossidazione del glucosio svolge un ruolo speciale nel metabolismo energetico cellulare. Le molecole di glucosio subiscono una serie di trasformazioni successive.

La prima fase, chiamata glicolisi, avviene nel citoplasma delle cellule e non richiede ossigeno. Come risultato di reazioni successive che coinvolgono gli enzimi, il glucosio si scompone in due molecole di acido piruvico. In questo caso vengono consumate due molecole di ATP e l'energia rilasciata durante l'ossidazione è sufficiente per formare quattro molecole di ATP. Di conseguenza, la produzione di energia della glicolisi è piccola e ammonta a due molecole di ATP:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

In condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno), ulteriori trasformazioni possono essere associate a varie tipologie fermentazione.

Tutti sanno fermentazione dell'acido lattico(acidificazione del latte), che si verifica a causa dell'attività di funghi e batteri dell'acido lattico. Il meccanismo è simile alla glicolisi, solo che il prodotto finale qui è l'acido lattico. Questo tipo di ossidazione del glucosio si verifica nelle cellule quando c'è carenza di ossigeno, come nei muscoli che lavorano intensamente. La fermentazione alcolica è chimicamente vicina alla fermentazione dell'acido lattico. La differenza è che i prodotti della fermentazione alcolica sono l'alcol etilico e l'anidride carbonica.

Viene chiamata la fase successiva, durante la quale l'acido piruvico viene ossidato in anidride carbonica e acqua respirazione cellulare. Le reazioni associate alla respirazione avvengono nei mitocondri delle cellule vegetali e animali e solo in presenza di ossigeno. Questa è una serie di trasformazioni chimiche prima della formazione del prodotto finale: l'anidride carbonica. Nelle varie fasi di questo processo si formano prodotti intermedi di ossidazione della sostanza di partenza con eliminazione degli atomi di idrogeno. In questo caso si libera energia, che viene “conservata” nei legami chimici dell'ATP, e si formano molecole d'acqua. Diventa chiaro che è proprio per legare gli atomi di idrogeno separati che è necessario l'ossigeno. Questa serie di trasformazioni chimiche è piuttosto complessa e avviene con la partecipazione delle membrane interne dei mitocondri, degli enzimi e delle proteine ​​trasportatrici.

La respirazione cellulare è molto efficiente. Vengono sintetizzate 30 molecole di ATP, altre due molecole si formano durante la glicolisi e sei molecole di ATP si formano come risultato della trasformazione dei prodotti della glicolisi sulle membrane mitocondriali. In totale, come risultato dell'ossidazione di una molecola di glucosio, si formano 38 molecole di ATP:

C6H12O6 + 6H20 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP

Le fasi finali dell'ossidazione non solo degli zuccheri, ma anche delle proteine ​​e dei lipidi si verificano nei mitocondri. Queste sostanze vengono utilizzate dalle cellule soprattutto quando termina la fornitura di carboidrati. Innanzitutto viene consumato il grasso, la cui ossidazione rilascia molta più energia rispetto a un uguale volume di carboidrati e proteine. Il grasso negli animali rappresenta quindi la principale “riserva strategica” di risorse energetiche. Nelle piante l'amido svolge il ruolo di riserva energetica. Una volta immagazzinato, occupa molto più spazio rispetto alla quantità equivalente di energia del grasso. Questo non è un ostacolo per le piante, poiché sono immobili e non portano con sé provviste, come gli animali. Puoi estrarre energia dai carboidrati molto più velocemente che dai grassi. Le proteine ​​svolgono molte funzioni importanti nell'organismo, e quindi sono coinvolte nel metabolismo energetico solo quando le risorse di zuccheri e grassi sono esaurite, ad esempio durante il digiuno prolungato.

FOTOSINTESI. Fotosintesiè un processo durante il quale l'energia dei raggi solari viene convertita nell'energia dei legami chimici dei composti organici. Nelle cellule vegetali, i processi associati alla fotosintesi si verificano nei cloroplasti. All'interno di questo organello sono presenti sistemi di membrane in cui sono incorporati i pigmenti che catturano l'energia radiante del Sole. Il pigmento principale della fotosintesi è la clorofilla, che assorbe prevalentemente i raggi blu e viola, nonché i raggi rossi dello spettro. La luce verde viene riflessa, quindi la clorofilla stessa e le parti delle piante che la contengono appaiono verdi.

Ci sono due fasi nella fotosintesi: leggero E buio(Fig. 53). L'effettiva cattura e conversione dell'energia radiante avviene durante la fase luminosa. Quando assorbe i quanti di luce, la clorofilla entra in uno stato eccitato e diventa un donatore di elettroni. I suoi elettroni vengono trasferiti da un complesso proteico all'altro lungo la catena di trasporto degli elettroni. Le proteine ​​di questa catena, come i pigmenti, sono concentrate sulla membrana interna dei cloroplasti. Quando un elettrone si muove lungo una catena di trasportatori, perde energia, che viene utilizzata per la sintesi dell'ATP. Alcuni degli elettroni eccitati dalla luce vengono utilizzati per ridurre l’NDP (nicotinammide adenina dinucleotifosfato) o NADPH.

Riso. 53. Prodotti di reazione delle fasi chiara e oscura della fotosintesi

Sotto l'influenza della luce solare, anche le molecole d'acqua vengono scomposte nei cloroplasti - fotolisi; in questo caso compaiono elettroni che compensano le loro perdite da parte della clorofilla; Questo produce ossigeno come sottoprodotto:

Pertanto, il significato funzionale della fase luminosa è la sintesi di ATP e NADPH convertendo l'energia luminosa in energia chimica.

La luce non è necessaria affinché si verifichi la fase oscura della fotosintesi. L'essenza dei processi che si svolgono qui è che le molecole di ATP e NADPH prodotte nella fase leggera vengono utilizzate in una serie di reazioni chimiche che “fissano” la CO2 sotto forma di carboidrati. Tutte le reazioni della fase oscura hanno luogo all'interno dei cloroplasti e l'anidride carbonica ADP e NADP rilasciata durante la “fissazione” viene nuovamente utilizzata nelle reazioni della fase chiara per la sintesi di ATP e NADPH.

L’equazione generale per la fotosintesi è la seguente:

RELAZIONE E UNITÀ DEI PROCESSI DI SCAMBIO DELLA PLASTICA E DELL'ENERGIA. I processi di sintesi dell'ATP avvengono nel citoplasma (glicolisi), nei mitocondri (respirazione cellulare) e nei cloroplasti (fotosintesi). Tutte le reazioni che si verificano durante questi processi sono reazioni di scambio energetico. L'energia immagazzinata sotto forma di ATP viene consumata in reazioni di scambio plastico per la produzione di proteine, grassi, carboidrati e acidi nucleici necessari alla vita della cellula. Si noti che la fase oscura della fotosintesi è una catena di reazioni, lo scambio plastico, e la fase luminosa è lo scambio di energia.

L'interrelazione e l'unità dei processi di scambio energetico e plastico è ben illustrata dalla seguente equazione:

Leggendo questa equazione da sinistra a destra, otteniamo il processo di ossidazione del glucosio in anidride carbonica e acqua durante la glicolisi e la respirazione cellulare, associato alla sintesi di ATP (metabolismo energetico). Se lo leggi da destra a sinistra, otterrai una descrizione delle reazioni della fase oscura della fotosintesi, quando il glucosio viene sintetizzato da acqua e anidride carbonica con la partecipazione di ATP (scambio plastico).

CHEMIOSINTESI. Oltre ai fotoautotrofi, alcuni batteri (batteri dell'idrogeno, batteri nitrificanti, batteri dello zolfo, ecc.) sono anche in grado di sintetizzare sostanze organiche da quelle inorganiche. Eseguono questa sintesi grazie all'energia rilasciata durante l'ossidazione delle sostanze inorganiche. Si chiamano chemioautotrofi. Questi batteri chemiosintetici svolgono un ruolo importante nella biosfera. Ad esempio, i batteri nitrificanti convertono i sali di ammonio che non sono disponibili per l'assorbimento da parte delle piante in sali di acido nitrico, che vengono da loro ben assorbiti.

Il metabolismo cellulare è costituito da reazioni del metabolismo energetico e plastico. Durante il metabolismo energetico si formano composti organici con legami chimici ad alta energia - ATP. L'energia necessaria a questo scopo proviene dall'ossidazione dei composti organici durante le reazioni anaerobiche (glicolisi, fermentazione) e aerobiche (respirazione cellulare); dalla luce solare, la cui energia viene assorbita nella fase luminosa (fotosintesi); dall'ossidazione di composti inorganici (chemiosintesi). L'energia ATP viene spesa per la sintesi dei composti organici necessari per la cellula durante le reazioni di scambio plastico, che includono le reazioni della fase oscura della fotosintesi.

• Quali sono le differenze tra metabolismo plastico ed energetico?
• Come viene convertita l'energia della luce solare nella fase luminosa della fotosintesi? Quali processi avvengono durante la fase oscura della fotosintesi?
• Perché la fotosintesi è chiamata il processo di riflessione dell'interazione planetario-cosmica?

L'energia rilasciata nelle reazioni cataboliche viene immagazzinata sotto forma di legami chiamati macroergico. La molecola principale e universale che immagazzina energia è l'ATP.

Tutte le molecole di ATP nel corpo partecipano continuamente a qualche tipo di reazione, vengono costantemente scomposte in ADP e rigenerate nuovamente. Esistono tre modi principali di utilizzare l'ATP che, insieme al processo di formazione della FA, sono chiamati ciclo dell'ATP.

PRINCIPALI FONTI DI ENERGIA NELLA CELLULA

Esistono quattro processi principali nella cellula che assicurano il rilascio di energia dai legami chimici durante l'ossidazione delle sostanze e il suo stoccaggio:

1. Glicolisi (fase 2) – ossidazione di una molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico, che produce 2 molecole di ATP e NADH. Inoltre, l’acido piruvico viene convertito in acetil-SCoA in condizioni aerobiche e in acido lattico in condizioni anaerobiche.

2. β-ossidazione degli acidi grassi (fase 2) – ossidazione degli acidi grassi ad acetil-SCoA, qui si formano le molecole NADH e FADH2. Le molecole di ATP non si formano “nella loro forma pura”.

3. Ciclo dell'acido tricarbossilico(Ciclo TCA, fase 3) – ossidazione del gruppo acetile (come parte dell’acetil-SCoA) o di altri chetoacidi in anidride carbonica. Reazioni a ciclo completo

sono accompagnati dalla formazione di 1 molecola di GTP (che equivale a 1 ATP), 3 molecole di NADH e 1 molecola di FADH2.

4. Fosforilazione ossidativa(3° stadio) – NADH e FADH 2 sono ossidati, semi-

coinvolti nelle reazioni di catabolismo del glucosio e degli acidi grassi. In questo caso, gli enzimi nella membrana mitocondriale interna assicurano la formazione della maggior parte di ATP cellulare dall'ADP ( fosforilazione).

Il modo principale in cui l'ATP viene prodotto nella cellula è la fosforilazione ossidativa. Tuttavia, esiste anche un altro modo per fosforilare l'ADP in ATP: fosforilazione del substrato. Questo metodo è associato al trasferimento di fosfato ad alta energia o di energia di legame ad alta energia di qualsiasi sostanza (substrato) all'ADP. Tali sostanze includono

metaboliti della glicolisi(acido 1,3-difosfoglicerico, fosfoenolpiruvato),

ciclo dell'acido tricarbossilico (succinil-SCoA) creatina fosfato. L'energia di idrolisi del loro legame ad alta energia è superiore a quella dell'ATP (7,3 kcal/mol) e il ruolo di queste sostanze è ridotto all'uso per la fosforilazione dell'ADP.

Ciao a tutti! Ho voluto dedicare questo articolo al nucleo cellulare e al DNA. Ma prima dobbiamo parlare di come la cellula immagazzina e utilizza l’energia (grazie). Toccheremo le questioni legate all'energia quasi ovunque. Scopriamoli in anticipo.

Da cosa puoi ottenere energia? Sì, assolutamente! Le piante utilizzano l'energia luminosa. Anche alcuni batteri. Cioè, le sostanze organiche vengono sintetizzate da quelle inorganiche utilizzando l'energia luminosa. + Ci sono chemiotrofi. Sintetizzano le sostanze organiche da quelle inorganiche utilizzando l'energia dell'ossidazione dell'ammoniaca, dell'idrogeno solforato e di altre sostanze. Ed eccoci lì, tu ed io. Siamo eterotrofi. Loro chi sono? Questi sono coloro che non sanno sintetizzare le sostanze organiche da quelle inorganiche. Cioè, la chemiosintesi e la fotosintesi non fanno per noi. Prendiamo la materia organica già pronta (la mangiamo). Lo smontiamo in pezzi e lo usiamo come materiale da costruzione o lo distruggiamo per ottenere energia.
Cosa possiamo analizzare esattamente per quanto riguarda l’energia? Proteine ​​(scomponendole prima in aminoacidi), grassi, carboidrati e alcol etilico (ma questo è facoltativo). Cioè, tutte queste sostanze possono essere utilizzate come fonti di energia. Ma per memorizzarlo usiamo grassi e carboidrati. Adoro i carboidrati! Nel nostro corpo, il principale carboidrato di riserva è il glicogeno.

È costituito da residui di glucosio. Cioè, è una catena lunga e ramificata composta da unità identiche (glucosio). Se abbiamo bisogno di energia, stacchiamo un pezzo alla volta dall'estremità della catena e ossidandolo otteniamo energia. Questo metodo per ottenere energia è caratteristico di tutte le cellule del corpo, ma soprattutto c'è molto glicogeno nelle cellule del fegato e del tessuto muscolare.

Ora parliamo di grasso. È immagazzinato in speciali cellule del tessuto connettivo. Il loro nome è adipociti. Essenzialmente, si tratta di cellule con un'enorme goccia di grasso all'interno.

Se necessario, il corpo rimuove il grasso da queste cellule, lo scompone parzialmente e lo trasporta. Nel momento della consegna avviene la scissione finale con il rilascio e la trasformazione dell'energia.

Una domanda piuttosto popolare: “Perché tutta l’energia non può essere immagazzinata sotto forma di grasso o glicogeno?”
Queste fonti energetiche hanno scopi diversi. L'energia può essere ottenuta dal glicogeno abbastanza rapidamente. La sua degradazione inizia quasi immediatamente dopo l'inizio del lavoro muscolare, raggiungendo il picco in 1-2 minuti. La scomposizione dei grassi avviene diversi ordini di grandezza più lentamente. Cioè, se dormi o cammini lentamente da qualche parte, hai un dispendio energetico costante e può essere fornito scomponendo i grassi. Ma non appena decidi di accelerare (i server sono caduti, sei corso a raccoglierli), all'improvviso ne avrai bisogno molta energia e non sarai in grado di ottenerlo rapidamente scomponendo i grassi. È qui che abbiamo bisogno del glicogeno.

C'è un'altra differenza importante. Il glicogeno lega molta acqua. Circa 3 g di acqua per 1 g di glicogeno. Cioè, per 1 kg di glicogeno sono già 3 kg di acqua. Non ottimale... È più facile con i grassi. Le molecole lipidiche (grassi = lipidi), che immagazzinano energia, non sono cariche, a differenza delle molecole di acqua e glicogeno. Tali molecole sono chiamate idrofobe (letteralmente, hanno paura dell'acqua). Le molecole d'acqua sono polarizzate. Questo è quello che sembra.

Essenzialmente, gli atomi di idrogeno caricati positivamente interagiscono con gli atomi di ossigeno caricati negativamente. Il risultato è uno stato stabile ed energeticamente favorevole.
Ora immaginiamo le molecole lipidiche. Non sono caricati e non possono interagire normalmente con le molecole d'acqua polarizzate. Pertanto una miscela di lipidi con acqua è energeticamente sfavorevole. Le molecole lipidiche non sono in grado di assorbire acqua, come fa il glicogeno. Si “aggregano” nelle cosiddette goccioline lipidiche, circondate da una membrana di fosfolipidi (un lato di esse è carico ed è rivolto verso l'acqua esterna, l'altro non è carico ed è rivolto verso i lipidi della goccia). Di conseguenza, abbiamo un sistema stabile che immagazzina efficacemente i lipidi e niente di extra.

Ok, abbiamo scoperto in quali forme viene immagazzinata l'energia. Cosa le succederà dopo? Quindi separiamo una molecola di glucosio dal glicogeno. L'hanno trasformato in energia. Cosa significa?
Facciamo una piccola digressione.

Ogni secondo in una cellula si verificano circa 1.000.000.000 di reazioni. Quando avviene una reazione, una sostanza si trasforma in un'altra. Cosa succede alla sua energia interna? Può diminuire, aumentare o rimanere invariato. Se diminuisce -> viene rilasciata energia. Se aumenta -> è necessario prendere energia dall'esterno. Il corpo di solito combina tali reazioni. Cioè, l'energia rilasciata durante una reazione va a realizzare la seconda.

Quindi nel corpo ci sono composti speciali, i macroerg, che sono in grado di accumulare e trasferire energia durante la reazione. Contengono uno o più legami chimici in cui si accumula questa energia. Ora puoi tornare al glucosio. L'energia rilasciata durante il suo decadimento verrà immagazzinata nelle connessioni di questi macroerg.

Vediamolo con un esempio.

Il macroerg (moneta energetica) più comune della cellula è l'ATP (adenosina trifosfato).

Sembra qualcosa del genere.

È costituito dalla base azotata adenina (una delle 4 utilizzate per codificare le informazioni nel DNA), dallo zucchero ribosio e da tre residui di acido fosforico (da cui l'adenosina TRIfosfato). È nei legami tra i residui di acido fosforico che si accumula l'energia. Quando un residuo di acido fosforico viene eliminato, si forma ADP (adenosina difosfato). L'ADP può rilasciare energia rompendo un altro residuo e trasformandosi in AMP (adenosina monofosfato). Ma l’efficienza della scissione del secondo residuo è molto inferiore. Pertanto, l’organismo solitamente cerca di ottenere nuovamente ATP dall’ADP. Funziona più o meno così. Durante la scomposizione del glucosio, l'energia rilasciata viene spesa per la formazione di un legame tra due residui di acido fosforico e la formazione di ATP. Il processo è in più fasi e per ora lo salteremo.

L'ATP risultante è una fonte universale di energia. Viene utilizzato ovunque, dalla sintesi proteica (è necessaria l'energia per combinare gli aminoacidi) al lavoro muscolare. Le proteine ​​motorie che eseguono la contrazione muscolare utilizzano l'energia immagazzinata nell'ATP per modificare la loro conformazione. Un cambiamento nella conformazione è un riorientamento di una parte di una grande molecola rispetto ad un'altra. Sembra qualcosa del genere.

Cioè, l'energia del legame chimico viene convertita in energia meccanica. Ecco alcuni esempi reali di proteine ​​che utilizzano l'ATP per svolgere il proprio lavoro.

Incontra la miosina. Proteina motrice. Muove grandi formazioni intracellulari e partecipa alla contrazione muscolare. Tieni presente che ha due "gambe". Utilizzando l'energia immagazzinata in 1 molecola di ATP, effettua un cambiamento conformazionale, essenzialmente un passaggio. L'esempio più chiaro della transizione dell'energia chimica dell'ATP in energia meccanica.

Il secondo esempio è la pompa Na/K. Nella prima fase lega tre molecole di Na e una di ATP. Utilizzando l'energia dell'ATP, cambia conformazione, liberando Na dalla cellula. Lega poi due molecole di potassio e, ritornando alla sua conformazione originaria, trasferisce il potassio nella cellula. Questo è estremamente importante; consente di mantenere normali livelli di Na intracellulare.

Ma sul serio, allora:

Pausa. Perché abbiamo bisogno dell’ATP? Perché non possiamo utilizzare direttamente l'energia immagazzinata nel glucosio? È banale che se si ossida il glucosio in CO2 in una sola volta, una quantità estremamente grande di energia verrà immediatamente rilasciata. E la maggior parte si dissiperà sotto forma di calore. Pertanto, la reazione è divisa in fasi. Ognuno rilascia un po' di energia, questa viene immagazzinata e la reazione continua finché la sostanza non è completamente ossidata.

Vorrei riassumere. L’energia è immagazzinata nei grassi e nei carboidrati. Può essere estratto più velocemente dai carboidrati, ma può essere immagazzinato di più nei grassi. Per eseguire le reazioni, la cellula utilizza composti ad alta energia in cui è immagazzinata l'energia della scomposizione di grassi, carboidrati, ecc.... L'ATP è il principale composto di questo tipo nella cellula. Fondamentalmente, prendilo e usalo. Tuttavia, non l'unico. Ma ne parleremo più avanti.

PS Ho cercato di semplificare il più possibile il materiale, quindi c'erano alcune imprecisioni. Chiedo perdono ai biologi zelanti.

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