Использование энергии клетками. Регуляция высвобождения энергии

Использование энергии клетками. Регуляция высвобождения энергии

Неспособные к фотосинтезу клетки (например, человека) получают энергию из пищи, которой служит или биомасса растений, созданная в результате фотосинтеза, или биомасса других живых существ, питающихся растениями, или останки любых живых организмов.

Питательные вещества (белки, жиры и углеводы) преобразуются животной клеткой в ограниченный набор низкомолекулярных соединений – органических кислот, построенных из атомов углерода, которые с помощью специальных молекулярных механизмов окисляются до углекислоты и воды. При этом освобождается энергия, она аккумулируется в форме электрохимической разности потенциалов на мембранах и используется для синтеза АТФ или напрямую для совершения определенных видов работы.

История изучения проблем преобразования энергии в животной клетке, как и история фотосинтеза, насчитывает более двух веков.

У аэробных организмов окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды протекает с помощью кислорода и называется внутриклеточным дыханием, которое происходит в специализированных частицах – митохондриях.

Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке во внутренних мембранах митохондрий.

Эти ферменты составляют так называемую дыхательную цепь и работают как генераторы, создавая разность электрохимических потенциалов на мембране, за счет которой синтезируется АТФ, подобно тому, как это происходит при фотосинтезе.

Основная задача и дыхания и фотосинтеза — поддерживать соотношение АТФ/АДФ на определенном уровне, далеком от термодинамического равновесия, что и позволяет АТФ служить донором энергии, смещая равновесие тех реакций, в которых он участвует.

Основными энергетическими станциями живых клеток служат митохондрии — внутриклеточные частицы размером 0,1–10μ, покрытые двумя мембранами. В митохондриях свободная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ. Когда АТФ соединяется с водой, при нормальных концентрациях реагирующих веществ, выделяется свободная энергия порядка 10 ккал/моль.

Использование энергии клетками. Регуляция высвобождения энергии

В неорганической природе смесь водорода и кислорода носит название «гремучей»: достаточно небольшой искры, чтобы произошел взрыв – мгновенное образование воды с огромным выделением энергии в виде тепла.

Задача, которую выполняют ферменты дыхательной цепи: произвести «взрыв» так, чтобы освобождающаяся энергия была запасена в форме, пригодной для синтеза АТФ.

Что они и делают: упорядоченно переносят электроны от одного компонента к другому (в конечном счете, на кислород), постепенно понижая потенциал водорода и запасая энергию.

О масштабах этой работы говорят следующие цифры. Митохондрии взрослого человека среднего роста и веса перекачивают через свои мембраны около 500 г ионов водорода в день, образуя мембранный потенциал. За это же время Н+-АТФ-синтаза производит около 40 кг АТФ из АДФ и фосфата, а использующие АТФ процессы гидролизуют всю массу АТФ назад в АДФ и фосфат.

Исследования показали, что митохондриальная мембрана действует как трансформатор напряжения. Если передавать электроны субстрата от НАДН прямо к кислороду сквозь мембрану, возникнет разность потенциалов около 1 В. Но биологические мембраны – двухслойные фосфолипидные пленки не выдерживают такую разность – возникает пробой. Кроме того, для производства АТФ из АДФ, фосфата и воды требуется всего 0,25 В, значит, нужен трансформатор напряжения. И задолго до появления человека клетки «изобрели» такой молекулярный прибор. Он позволяет в четыре раза увеличить ток и за счет энергии каждого передаваемого от субстрата к кислороду электрона перенести через мембрану четыре протона благодаря строго согласованной последовательности химических реакций между молекулярными компонентами дыхательной цепи.
Итак, два главных пути генерации и регенерации АТФ в живых клетках: окислительное фосфорилирование (дыхание) и фотофосфорилирование (поглощение света), — хотя и поддерживаются разными внешними источниками энергии, но оба зависят от работы цепочек каталитических ферментов, погруженных в мембраны: внутренние мембраны митохондрий, тилакоидные мембраны хлоропластов или плазматические мембраны некоторых бактерий.

  • 1
  • Показать комментарии (1)
  • Свернуть комментарии (1)
  • Статья касается отличия живой и неживой природы. Эту разницу автор усматривает в процессах переноса энергии внутри живой клетки. Я не подвергаю сомнению содержание высказанных автором идей с точки зрения ее стремления к истине. Я внимательно изучаю представленный автором материал, чтобы самому добраться до понимания энергетических преобразований в живом организме, несмотря на то, что у меня инженерное образование и я не имею глубоких знаний в биологии. Тем не менее, тема меня очень интересует, в следствие интереса к созданию искусственного интеллекта и искусственной жизни.Если говорить о разнице между живой и неживой природой, то мне кажется, рассматривать в качестве ключевого момента перенос энергии в живой клетке излишне, поскольку достаточно того, что живые организмы имеют клеточное строение а неживые нет. С другой стороны подход к пониманию отличия живой и неживой природы с точки зрения внутреннего строения, мне кажется, не плодотворным и является трудным для понимания большинства людей, в том числе, и профессионалов в других областях знания. Более плодотворный подход это инженерный подход т.е. с позиции черного ящика и зависит от внешнего проявления живых и неживых объектов. Их может наблюдать любой человек и отличать между собой живые и неживые объекты. Мыслящий человек непременно обнаружит разницу, найдет и объяснит эту разницу. Ответить

Написать комментарий

Лекция 3.. 1. Принципы биоэнергетики клетки

1. Принципы биоэнергетики клетки.

2. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах.

ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступление энергии в форме, пригодной для многопланового использования.

Поскольку временной масштаб биохимических превращений, восприятия и передачи сигналов, двигательных процессов таков, что за это время изменения внешнего давления и температуры незначительны, то с достаточной степенью точности биохимические процессы в живых организмах можно рассматривать как изобарно-изотермические.

Поэтому в качестве термодинамической характеристики этих процессов можно использовать изменение изобарио-изотермпческого потенциала или энергии Гиббса ΔG. Интегрально любой процесс в таких системах может идти самопроизвольно только при уменьшении энергии Гиббса.

Поэтому все многочисленные биохимические превращения, идущие с ее увеличением (энд-эргонические), должны протекать сопряженно с процессами, сопровождающимися уменьшением энергии Гиббса (экзэргоническпми), причем суммарный итог должен характеризоваться значением ΔG < 0.

Количественной термодинамической характеристикой химического процесса является величина ΔG0, представляющая собой изменение энергии Гиббса при протекании реакции при стандартных концентрациях компонентов — исходных веществ и продуктов реакции.

Обычно в качестве таковых для растворителя принимают активность, равную единице, а для всех остальных компонентов — концентрации 1M.

Следует при этом иметь в виду, что сама по себе величина ΔG0 еще не характеризует направление процесса, которое определяется знаком величины ΔG, связанной с ΔG0 соотношением

ΔG=ΔG0+RT1nП (8.1)

Здесь П — так называемое произведение реакции, равное отношению произведения концентраций (активностей) всех продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам этих продуктов в уравнении процесса, к такому же произведению для исходных веществ.

Однако, как видно из приведенного примера, стоящая под знаком логарифма величина является функцией активности ионов водорода, т.е. рН раствора, поскольку в биологически значимых условиях, т.е.

в области значений рН, близких к 7, все три компонента находятся в частично ионизованном состоянии и доля неионизованных форм, входящих в выражение (8.2), невелика.

Более того, эта доля по-разному изменяется для каждого из компонентов при изменении рН.

Значение ΔG0' дает достаточно хорошее представление о направлении биохимического процесса в нейтральной среде, если соотношения компонентов незначительно отличаются от стехиометрическпх и если процесс без учета ионов H+ и молекул воды идет без изменения числа частиц

  • Например, для реакции изомеризации глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат ΔG0' = 1,7 кДж/моль и в соответствии с этим при 250C (298 К)
  • К- ехр[-Δ ΔG0/(RT)] = 0,5 (8.6)
  • Следовательно, в равновесной смеси концентрация глюкозо-6-фосфата примерно в два раза превышает концентрацию фруктозо-6-фосфата Для реакции фосфорилирования глюкозы, протекающей по реакции

Использование энергии клетками. Регуляция высвобождения энергии

ΔG0= -16,7 кДж/моль и, следовательно, К = 850. Это означает, что в стехиометрической смеси при рН 7 отношение концентраций продуктов к концентрациям исходных веществ в равновесии составит √K = 29, т.е. реакция пройдет в сторону образования глюкозо-6-фосфата с выходом более чем 95%.

Если число частиц в реакции возрастает, то уменьшение абсолютных значений концентраций компонентов будет способствовать смещению равновесия в сторону продуктов реакции.

Например, реакция превращения фруктозо-1 ,б-дифосфата в смесь глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата характеризуется довольно высоким положительным значением величины ΔG0' = 23,8 кДж/моль.

Однако при концентрациях компонентов 10-4M в стехиометрической смеси всех трех компонентов ΔG составит

ΔG = +23,8 + RT1n(10-4) = 23,8 — 22,8 = 1 кДж/моль, (8.7)

т.е. близко к нулю. В равновесной смеси при этом будут присутствовать соизмеримые количества исходного вещества и продуктов реакции.

Большое число важных для биоэнергетики процессов являются окислительно-восстановительными. Для таких процессов наряду со значением ΔG0 можно использовать величину ΔE0 — стандартную разность окислительно-восстановительных потенциалов для двух сопряженных пар окислитель-восстановитель, участвующих в превращении. Связь между этими величинами имеет вид

Использование энергии клетками. Регуляция высвобождения энергии

ΔE0=ΔG0/(nF), (8.8)

где n — число электронов, переносимых от восстановителя к окислителю; F — постоянная Фарадея.

Удобство такого представления прежде всего состоит в том, что появляется возможность характеризовать относительные окислительные, а следовательно, и восстановительные свойства каждой сопряженной пары и тем самым расположить их в определенный ряд в порядке убывания потенциала Е°. Величина ΔE0 для любого процесса получается в виде разности величин E0 для каждой из двух участвующих в процессе пар.

Так же как и для значений ΔG0, в биохимии принято пользоваться величинами E0, полученными для стандартного состояния, соответствующего рН 7.

Читайте также:  Почечный чай при беременности: польза и вред лечебного напитка

Принципы биоэнергетики клетки.

Биоэнергетика клетки представляет собой совокупность процессов превращения энергии в биологических системах: извлечение энергии из окружающей среды, аккумулирование и использование для жизнедеятельности клетки. В основе биоэнергетики лежат законы физики и химии, приложимы законы термодинамики.

Метаболизм веществ и энергии представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии в живой клетке, а также между клеткой и окружающей средой. С точки зрения биоэнергетики метаболизм подразделяется на катаболизм – совокупность биохимических реакций, связанных с извлечением химической энергии, аккумулированной в расщепляемом соединении, и анаболизм – её использование.

Основные функции метаболизма:

1. Извлечение энергии из окружающей среды путём распада поступивших в клетку органических соединений или поглощения квантов света с образованием высокоэнергетических соединений, в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки.

2. использование энергии для синтеза эндогенных соединений (или для транспорта уже готовых соединений в клетку), являющихся предшественниками макромолекулярных компонентов клетки; для совершения работы (осмотической, электрической, механической).

3. Синтез из предшественников структурных компонентов клетки (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других соединений), а также их распад и обновление.

4. Синтез и распад биомолекул со специальным назначением (гормоны, ферменты).

Клетку можно представить как изолированную изотермическую систему (поддерживается постоянство температуры и давления).

Раздел биохимии изучающий энергетику клетки называется биохимическая термодинамика. Основная задача: изучение взаимоотношений между химической и другими формами энергии.

Основные понятия биохимической термодинамики:

Система — совокупность веществ, подлежащих изучению. Всё что не входит и находится за пределами системы – окружающая среда.

Характеристику перехода системы из одного состояния в другое можно представить следующими термодинамическими функциями: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, свободная энергия. В основном имеют место работа с изменениями функций системы.

Внутренняя энергия представляет собой полную энергию системы. Определяется только состоянием системы в данный момент и не зависит от предыстории системы.

Энтальпия – теплосодержание системы. В классической термодинамике

  1. где PV- работа системы, связанная с изменением давления и объема.
  2. Поскольку реакции протекают при неизменном давлении и в мало изменяющемся объеме системы разница между внутренней энергией и энтальпией пренебрежимо мала.
  3. Энтропия – функция системы, которая характеризует степень неупорядоченности системы.
  4. S = k*lnW,
  5. k – газовая постоянная на одну молекулу (R деленная на число Авогадро).
  6. W – термодинамическая вероятность, число энергетических уровней, которыми обладает молекула.

С повышением температуры энтропия возрастает. С понижением температуры W уменьшается, при абсолютном нуле становится равным единице.

Свободная энергия биохимических реакций представляет собой часть внутренней энергии клетки, которая может быть превращена в полезную работу химического синтеза, механического движения, транспорта веществ и т.д.

Высокоэнергетические соединения занимают центральное положение в превращениях веществ и энергии клетки. Химическая связь в таких соединениях носит название макроэргической связи.

Вокруг нее и локализована свободная энергия.

Разрыв высокоэнергетической связи всегда сопровождается отщеплением от высокоэнергетического соединения химической группы и переносом на его молекулу какого-либо акцептора.

К важнейшим веществам такой природы относятся обширный класс фосфорорганических соединений, включающий в себя ангидриды фосфорной кислоты, ацилфосфаты, гуанидинфосфаты. К высокоэнергетическим соединениям относятся также ряд тиоловых эфиров и эфиров аминокислот. Центральное место занимает АТФ – аденозинтрифосфат.

АТФ, АДФ и АМФ образуют адениловую систему. АТФ образуется в ходе эндергонической реакции – реакции фосфорилирования.

АДФ + H3PO4 → АТФ

В этой реакции используется либо энергия, извлекаемая при окислении фрагментов питательных веществ, связанном с субстратным фосфорилированием, либо энергия, выделяющаяся при переносе электронов по дыхательной цепи, сопряженном с окислительным фосфорилированием, либо энергия, получаемая за счет фотосинтетического фосфорилирования.

Регистр лекарственных средств России РЛС Пациент 2003. — Москва, Регистр Лекарственных Средств России, 2002. — Энергетические процессы в организме

◄ Листать назад Оглавление Листать вперед ►

Для нормального функционирования, поддержания процессов жизнеобеспечения, выполнения определенных функций организму необходима энергия. Течение любого процесса: физического, химического или информационного, возможно только при эффективной работе систем энергообеспечения.

Как уже говорилось ранее в разделе 1.1.2, естественно протекающие в природе процессы сопровождаются увеличением энтропии, то есть беспорядка. Живая же система (клетка или организм в целом) служит примером области пространства, ограниченной ее мембраной, где в течение длительного периода жизни, в результате целенаправленной созидательной деятельности энтропия не повышается.

Энтропия здоровой клетки не повышается.
  • Попробуем ориентировочно оценить, сколько энергии заключено в клетке. Если допустить, что у человека с массой тела 80 кг клеточная масса достигает 80%, и его организм состоит из 1014 клеток, то средняя масса 1 клетки составит:
  • (80 · 0,8) ÷ 1014 = 64 · 10-14 кг
  • Если теперь воспользоваться формулой Эйнштейна E0 = mC2 для определения собственной энергии покоящегося тела, то можно подсчитать, что энергия клетки равна:
  • E0 =(64 · 10-14) · (3 · 108)2 = 5,76 · 104 Дж

Чтобы представить масштабы этой энергии, можно напомнить, что при сгорании 1 кг каменного угля выделяется 27·106 Дж. То есть в клетке заключена энергия, эквивалентная энергии, выделяемой при сгорании 2 г угля.

В клетке заключена энергия, эквивалентная энергии выделяющейся при сгорании 2 г угля.

Описывая энергетические процессы, мы прежде всего должны коснуться химической энергии, заключенной во внутриклеточных соединениях. В каждом химическом соединении состоящем из определенного числа атомов, заключено некоторое количество энергии, определяемое его структурой.

В химической реакции структура соединений изменяется, и при расщеплении связей высвобождается энергия, которая была в свое время затрачена на их образование.

Совокупность окислительно-восстановительных реакций в клетке, протекающих с участием молекулярного кислорода и сопровождающихся запасанием энергии, называется клеточным дыханием.

Клеточное дыхание является важнейшей частью обмена веществ и энергии в организме и отличается от других химических процессов, протекающих с поглощением кислорода (например окисление жиров), созданием запаса энергии в виде АТФ.

В живой клетке основными источниками энергии служат вещества, поступающие из окружающей среды, – углеводы (сахара), белки, жиры, расщепленные в процессе пищеварения до более простых соединений.

Эти соединения вступают в реакцию с кислородом и окисляются до воды и углекислого газа. При этом высвобождается энергия. Типичное количество высвобождающейся энергии составляет 20 000 Дж на 1 г углеводов.

Почти вдвое больше химической энергии на 1 г запасено в жире животных.

Клетка извлекает энергию из питательных веществ и запасает ее для своей жизнедеятельности, а также выполнения специальных функций.

Вот почему нам необходимо потреблять вещества, обладающие высоким качеством энергии. В процессе их расщепления, высвобождается энергия, необходимая клеткам для жизнедеятельности и выполнения специальных функций.

На Земле высокое качество энергии в веществах, которые мы потребляем, первоначально обусловлено Солнцем, температура которого столь высока, что запасается энергия, характеризующаяся очень низкой энтропией.

Природа устроила так, что эта энергия, проливающаяся в виде излучения, сначала поглощается растениями в процессе фотосинтеза, и затем процесс передачи и преобразования энергии продолжается в организмах животных.

Применительно к химической реакции можно сказать, что она будет протекать только тогда, когда энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных вещества. Но это не означает, что если в ходе реакции энергия высвобождается, то она обязательно произойдет.

Многие потенциально энергетически выгодные реакции в природе не происходят, на их пути стоит некий барьер. Иначе бы все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили.

Например, превращение глюкозы в воду и углекислый газ (то есть горение) – энергетически очень выгодный процесс:

C6 H12 O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2 O + 686 ккал,

однако сахар на воздухе вполне устойчив. Что же это за барьер, не дающий исчезнуть в пламени всем горючим материалам на Земле?

Представьте, что по наклонной плоскости катится мяч. Даже не зная законов физики, можно утверждать, что он будет катиться, пока сохраняется наклон. Теперь допустим, что на его пути оказалась лунка, мяч закатился в нее и застрял там. Он готов катиться дальше, но, чтобы продолжить движение, ему надо сообщить дополнительную энергию, причем тем большую, чем глубже лунка.

Так и в химических, в том числе протекающих в живых организмах (биохимических), реакциях. Исходное соединение – это, образно говоря, “мяч в лунке”, пока не сообщишь ему определенную энергию, в реакцию оно не вступит, даже если эта реакция энергетически выгодна.

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.

Читайте также:  Сколько по времени кормить ребенка грудью

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, является 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 1.4.11).

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.

https://www.youtube.com/watch?v=RYf4jMUZNes\u0026t=60s

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 B1, 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.

Литература

  1. Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с.
  2. Винчестер А. Основы современной биологии / Пер. с англ. М.Д. Гроздовой. – М.: Мир, 1967. – 328 с., ил.
  3. Робертис Э. де, Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки / Под ред. С.Я. Залкинда; Пер. с англ. А.В. Михеевой, В.И. Самойлова, И.В. Цоглиной, Ю.А. Шаронова. – М.: Мир, 1973. – 488 с.
  4. Стратанович Р.Л. Теория информации. – М.: Сов. радио, 1975. – 424 с.
  5. Физиология человека: Учебник / Под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 608 с., ил.
  6. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с., ил.
  7. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудного. – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.
  8. Юсупов Г.А. Энергоинформационная медицина. Гомеопатия. Электропунктура по Р.Фоллю. – М.: Издательский дом “Московские новости”, 2000 – 331 с., ил.

◄ Листать назад Оглавление Листать вперед ►

Урок 24. энергетика живой клетки — Естествознание — 10 класс — Российская электронная школа

ВАЖНО!

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключаются ключевые различия между живой и неживой природой. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого.

Из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей. В зависимости от типа питания организмы разделают на автотрофов (от греч. «авто» — сам, «трофос» — питание) и гетеротрофов (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание) .

Главным переносчиком энергии в клетке являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) Энергия в АТФ запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата:

АТФ → АДФ + Ф + E

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.

https://www.youtube.com/watch?v=RYf4jMUZNes\u0026t=179s

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Фотосинтез

Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. Различают в фотосинтезе две фазы: световую и темовую.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла ион начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов.

Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз).

Энергия возбуждённого электрона используется на синтез АТФ и молекулу НАДФ (переносчик водорода) – в этом биологический смысл световой фазы фотосинтеза.

  • Побочными продуктами фотолиза воды становятся кислород и свободные электроны:
  • 2Н2О→ Н+ + 4е- + О2
  • Сущность реакции темновой фазы можно выразить следующим уравнением:
  • СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6 +АДФ + НАДФ+

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу.

Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии.

Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для построения макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой.

  1. Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции окисления глюкозы.
  2. На стадии гликолиза (бескислородного расщепления) в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ:
  3. С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ
Читайте также:  4 причины дефицита веса у ребенка

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания, образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С6Н12О6+6О2+6Н2О+32АДФ+32Ф→6СО2+12Н2О +32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения.

В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота).

Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей.

Расщепление жиров происходит с более значительным выделением энергии (чем углеводов), но этот процесс более длительный. Потреблённые белки в первую очередь идут на построение собственных белков клетки, и вовлекаются в энергетический обмен в крайних случаях.

Поэтому питание должно быть сбалансированным.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ.

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

Добытая энергия извне запасается в универсальных биологических аккумуляторах АТФ в виде химических связей.

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Сравнение энергетического и пластического обменов

Лекция 11 Основной и общий обмен энергии. Обмен и использование энергии при разном физиологическом состоянии

Рассматриваемые
вопросы:

  1. Превращение энергии в организме.

2.
Энергетический баланс организма.

Обмен
энергии и обмен веществ – это два
взаимосвязанных, одновременно протекающих
процесса. При распаде питательных
веществ в организме выделяется энергия,
которая расходуется на синтез специфических
соединений и процессы жизнедеятельности.

Поэтому раздельное рассмотрение
промежуточного обмена веществ и обмена
энергии делается лишь в дидактических
целях, для простоты их понимания. В
зоотехнической практике это оправдывается
ещё и тем, что энергия является одним
из важнейших нормируемых показателей
рационов животных.

Её дефицит часто
служит основным фактором, лимитирующим
высокую продуктивность животных,
особенно молочную.

Энергетика
организма подчиняется первому и второму
законам термодинамики.

Первый закон,
известный как закон сохранения энергии,
гласит, что энергия не исчезает и не
возникает вновь, она лишь переходит из
одной формы в другую.

Организм животного
должен получать энергию в доступной
для него форме из окружающей среды и
возвращать в среду соответствующее
количество энергии в форме, менее
пригодной для использования.

Второй
закон термодинамики, определяющий
направление превращений энергии,
утверждает, что энергия самопроизвольно
может переходить только с более высокого
уровня на более низкий, причём способность
совершать работу при этом уменьшается.

Потенциальная энергия переходит в
кинетическую, при этом часть энергии
превращается в тепловую и теряется
системой (первичное тепло). В закрытой
системе это приводит к увеличению
энтропии,
т.е. меры неупорядоченности.

Однако
живой организм с точки зрения термодинамики
относится к гетерогенной открытой
системе, т.к. обменивается со средой
веществами и энергией.

Превращение
энергии в организме

В
организм животных поступает энергия,
содержащаяся в питательных веществах
корма. Эта энергия должна обеспечить
расходы на поддержание жизни и синтез
определённой продукции (молока, яиц,
шерсти, отложений белка и жира в теле).

Освобождение
энергии питательных веществ происходит
в незначительной степени при переваривании
высокомолекулярных соединений до
мономеров в желудочно-кишечном тракте,
а главным образом в ходе промежуточного
обмена в клетках. Энергетика обмена
веществ в клетках основывается на трёх
главных принципах, которые отличают её
от энергетических процессов в неживой
природе:

1) химическая энергия может превращаться
в работу и другие формы энергии без предварительного превращения
её в тепловую; организм – это
хемодинамический, а не тепловой двигатель,
энергия используется в нём с большей
эффективностью;

  1. освобождение энергии происходит поэтапно, небольшими порциями, что предохраняет организм от «энергетического взрыва» и обеспечивает более полную утилизацию энергии;

  2. сохранение и использование энергии, освободившейся при распаде углеводов, белков и жиров, осуществляется путём превращения её в энергию других веществ (макроэргов), являющихся биологическими аккумуляторами энергии;

Освобождение
и аккумуляция энергии в клетках происходят
в процессе промежуточного обмена, в
ходе образования ключевых метаболитов
и их окисления в цикле трикарбоновых
кислот, с освобождением Н2
и образованием СО2.

Таким
образом, сущность энергетического
обмена состоит в освобождении электронов
из питательных веществ и использовании
их энергии для обеспечения химических
процессов организма.

АТФ
– это «текущий» источник энергии для
организма, её запасы сравнительно
невелики и постоянно обновляются.
Резервными же источниками энергии
являются гликоген печени и мышц, кетоновые
тела, триацилглицериды жировой ткани,
а при определённых условиях мобилизуемые
белки печени и мышц. Эти соединения
включаются в метаболический цикл
описанными выше путями.

Химическая
энергия в виде АТФ является как бы
универсальной «энергетической валютой»
и может необратимо превращаться во все
другие формы энергии (механическую,
электрическую, тепловую).

Клетки
используют эту энергию, а для её возмещения
перерабатывают соответствующее
количество энергетических источников.

Энергия АТФ обеспечивает процессы
мышечного сокращения, активного
мембранного транспорта, передачи
информации, биосинтеза.

В
ходе трансформации химической энергии
совершается та или иная работа:
механическая – при сокращении мышц,
электрическая – при передаче нервного
импульса, осмотическая – при трансмембранном
переносе вещества; часть энергии
переходит в потенциальную энергию
химического синтеза.

Как
и образование АТФ, её распад и перенос
энергии сопряжены с энергетическими
тратами. Эта энергия (составляющая около
половины всей химической энергии АТФ)
не может быть использована организмом,
освобождается в виде первичного тепла
и выводится из организма.

В
конечном же итоге энергия выполненной
работы также превращается в тепловую
и выделяется в виде вторичного тепла.

Так, мышцы, сокращаясь, производят
механическую работу, но выделенное при
этом тепло отдаётся в окружающую среду
(отсюда «согревание» при мышечной
работе).

Механическая энергия, приданная
крови сокращениями сердца, тратится на
преодоление трения; при этом кинетическая
энергия движения переходит в тепловую
и также отдаётся в среду.

Таким
образом, потенциальная энергия корма
эквивалентна потерям тепла и отложениям
в теле (продуктах).

У животных, закончивших
рост и не дающих продукции, количество
выделенного тепла эквивалентно количеству
затраченной энергии на процессы
жизнедеятельности при данных условиях.

Именно на этом принципе определения
теплопродукции основаны методы
определения затрат энергии животными
с целью научного обоснования калорийности
их питания.

  • Поскольку
    все формы энергии, участвующие в обмене
    веществ, могут быть превращены в тепло,
    для их выражения используются тепловые
    единицы системы СИ или внесистемные
    единицы:
  • 1 джоуль (Дж) = 0,239
    кал
  • 1 калория = 4,187 Дж
  • 1 л О2 (в окислительном
    метаболизме) = 20,08 кДж.
  • Энергетический
    баланс организма
  • Энергетический
    баланс

    это разность между количеством энергии,
    поступающей с кормом, и количеством
    энергии, расходуемой организмом.
  • Очевидно,
    что при избыточном питании, превышающем
    расходы энергии, будет происходить
    накопление энергетических запасов в
    организме (в основном в виде жира), при
    недостаточном питании – уменьшение
    собственных энергетических ресурсов.
  • Определение
    баланса энергии включает два этапа:
    определение калорийности питательных
    веществ, потребляемых животными с
    кормами, и определение всех энергетических
    трат организма. Для продуктивного
    животного с уравновешенным энергетическим
    балансом это соотношение выражается
    следующей формулой:
  • Ек
    = Q
    + W
    + R,
    или Ек =
    Q1
    + R,
  • Ек
    — энергия,
    поступившая с кормом; Q
    и Q1
    – тепло,
    выделившееся из организма; W
    – произведённая работа; R
    – химически связанная энергия в экскретах
    и продуктах животноводства (молоке,
    яйцах, шерсти, мышечных или жировых
    отложениях).

Калорийность
питательных веществ рациона определяют
в специальном приборе – калометрической
бомбе

замкнутой камере, погружённой в водяную
баню, где пробы сжигаются в атмосфере
чистого кислорода.

Следует, однако,
иметь в виду, что физическая (при сжигании
в бомбе) и физиологическая тепловая
ценность питательных веществ неодинакова.
В организме калорийность пищевых веществ
несколько снижается вследствие потерь
при всасывании.

Белки в организме
окисляются не полностью; аминогруппы
отщепляются от молекулы белка и выводятся
с мочой в виде мочевины, содержащей
запас энергии.

  1. Контрольные
    вопросы:
  2. 1.
    Обмен энергии и обмен веществ
  3. 2. Превращение
    энергии в организме
  4. 3. Энергетический
    баланс организма
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector