Роль АДФ в использовании энергии. Интенсивность метаболизма в клетках

Основная разница — АДФ против АТФ

АТФ и АДФ являются молекулами, содержащими большое количество запасенной химической энергии. Аденозиновая группа АДФ и АТФ состоит из аденина, хотя они также содержат фосфатные группы. Химически АТФ означает Аденозин трифосфат и ADP обозначает Аденозин ди фосфат.

Третий фосфат АТФ присоединен к двум другим фосфатные группы с очень высокой энергетической связью, и большое количество энергии выделяется, когда эта фосфатная связь разрывается. АДФ приводит к удалению третьей фосфатной группы из АТФ.

Это ключевое различие между АТФ и АДФ, Однако по сравнению с АТФ молекула АДФ обладает гораздо меньшей химической энергией, поскольку связь между двумя последними фосфатами при высокой энергии была нарушена. Основываясь на молекулярной структуре АТФ и АДФ, они имеют свои собственные АДФ.

В этой статье давайте рассмотрим, в чем различия между ATP и ADP.

Роль АДФ в использовании энергии. Интенсивность метаболизма в клетках

Что такое трифосфат аденозина (АТФ)

Аденозинтрифосфат (АТФ) используется биологическими существами в качестве кофермента внутриклеточной химической передачи энергии в клетках для метаболизма. Другими словами, это основная молекула энергоносителя, используемая в живых существах.

АТФ образуется в результате фотофосфорилирования, аэробного дыхания и ферментации в биологических системах, что способствует накоплению фосфатной группы в молекуле АДФ.

Он состоит из аденозина, который состоит из аденинового кольца и рибозного сахара и трех фосфатных групп, также известных как трифосфат. Биосинтез АДФ в результате,

  • 1. Гликолиз
  • Глюкоза + 2NAD + + 2 Pi + 2 ADP = 2 пируват + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2О
  • 2. Брожение
  • Глюкоза = 2CH3СН (ОН) СООН + 2 АТФ

Роль АДФ в использовании энергии. Интенсивность метаболизма в клетках

Что такое аденозин ди фосфат (АДФ)

ADP состоит из аденозина, который состоит из аденинового кольца и рибозного сахара и двух фосфатных групп, также известных как дифосфат. Это жизненно важно для потока энергии в биологических системах.

Он генерируется в результате дефосфорилирования молекулы АТФ ферментами, известными как АТФазы. Расщепление фосфатной группы из АТФ приводит к выделению энергии для метаболических реакций.

Название ADP для ИЮПАК представляет собой [(2R, 3S, 4R, 5R) -5- (6-аминопурин-9-ил) -3,4-дигидроксиоксолан-2-ил] метилфосфоногидрофосфат. ADP также известен как 5'-дифосфат аденозина.

АТФ и АДФ могут иметь существенно разные физические и функциональные характеристики. Их можно разделить на следующие подгруппы,

Сокращение

ATP: Аденозин трифосфат

АДФ: Аденозин ди фосфат

Молекулярная структура

ATP:АТФ состоит из аденозина (адениновое кольцо и рибозный сахар) и трех фосфатных групп (трифосфат).

АДФ: АДФ состоит из аденозина (адениновое кольцо и рибозный сахар) и двух фосфатных групп.

Количество фосфатных групп

ATP: АТФ имеет три фосфатные группы.

АДФ: ADP имеет две фосфатные группы.

Химическая формула

ATP: Его химическая формула C10ЧАС16N5О13п3.

АДФ: Его химическая формула C10ЧАС15N5О10п2.

Молярная масса

ATP: Молярная масса составляет 507,18 г / моль.

АДФ: Молярная масса составляет 427.201 г / моль.

плотность

ATP: Плотность АТФ составляет 1,04 г / см.3.

АДФ: Плотность ADP составляет 2,49 г / мл.

Энергетическое состояние молекулы

ATP: АТФ является высокоэнергетической молекулой по сравнению с АДФ.

АДФ: АДФ представляет собой низкоэнергетическую молекулу по сравнению с АТФ.

Механизм высвобождения энергии

ATP: АТФ + H2O → АДФ + Pi ΔG˚ = −30,5 кДж / моль (−7,3 ккал / моль)

АДФ: ADP + H2O → AMP + PPi

Функции в биологической системе

ATP:

  • Метаболизм в клетках
  • Аминокислотная активация
  • Синтез макромолекул, таких как ДНК, РНК и белок
  • Активный транспорт молекул
  • Поддержание клеточной структуры
  • Способствовать клеточной сигнализации

АДФ:

  • Катаболические пути, такие как гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование
  • Активация тромбоцитов крови
  • Играть роль в митохондриальном комплексе АТФ-синтазы

В заключение, молекулы АТФ и АДФ являются типами «универсального источника энергии», и ключевым отличием между ними является количество фосфатной группы и содержание энергии.

В результате они могут иметь существенно разные физические свойства и разные биохимические роли в организме человека.

Как АТФ, так и АДФ участвуют в важных биохимических реакциях в организме человека, и поэтому они рассматриваются как жизненно важные биологические молекулы.

Рекомендации:

Voet D, Voet JG (2004). Биохимия 1 (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.

Ronnett G, Kim E, Landree L, Tu Y (2005). Метаболизм жирных кислот в качестве мишени для лечения ожирения. Physiol Behav 85 (1): 25–35.

Беленький П., Боган К.Л., Бреннер С. (январь 2007). НАД + обмен веществ в норме и патологии. Тенденции биохимии. Sci. 32 (1): 12–9.

Дженсен Т.Е., Рихтер Е.А. (2012). Регуляция метаболизма глюкозы и гликогена во время и после тренировок. J. Physiol. (Лонд.) 590 (Часть 5): 1069–76.

Ресетар А.М., Чалович Ю.М. (1995). Аденозин 5 '- (гамма-тиотрифосфат): аналог АТФ, который следует использовать с осторожностью в исследованиях сокращения мышц. биохимия 34 (49): 16039–45.

Изображение предоставлено:

«Аденозин-дифосфат-3D-шарики» Джинто (доклад) — собственная работа Это химическое изображение было создано с помощью Discovery Studio Visualizer. (CC0) через

Продукция энергии в клетке

АТФ — универсальная энергетическая «валюта» клетки. Одно из наиболее удивительных «изобретений» природы — это молекулы так называемых «макроэргических» веществ, в химической структуре которых имеется одна или несколько связей, которые выполняют функцию накопителей энергии.

В живой природе найдено несколько подобных молекул, но в организме человека встречается только одна из них — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это довольно сложная органическая молекула, к которой присоединены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фосфорной кислоты PO4-.

Именно эти фосфорные остатки связаны с органической частью молекулы «макроэргическими» связями, легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных реакциях. Однако энергия этих связей не рассеивается в пространстве в виде тепла, а используется на движение или химическое взаимодействие других молекул.

Именно благодаря этому свойству АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопителя (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты». Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию.

Согласно закону сохранения энергии, общее количество энергии, образованное в результате окислительных реакций и запасенное в виде АТФ, равно количеству энергии, которое может использовать клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ.

При этом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что она не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому АТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека. По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма существовали много миллионов лет назад в окружении растительных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем кислорода было недостаточно или не было еще вовсе.

Именно углеводы — наиболее употребимая для производства энергии в организме составная часть питательных веществ.

И хотя большинство клеток человеческого тела приобрело способность использовать в качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые (например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клетки способны производить энергию только за счет окисления углеводов.

Процессы первичного окисления углеводов — вернее, глюкозы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисления в клетках, — происходят непосредственно в цитоплазме: именно там расположены ферментные комплексы, благодаря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энергия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он может проходить во всех без исключения клетках организма человека. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз — весьма быстрый, но сравнительно малоэффективный процесс.

Образовавшаяся в клетке после завершения реакций гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышечной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так как это небольшая молекула, способная свободно проходить через клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму приходится включать специальные гомеостатические механизмы, чтобы справиться с последствиями мышечной работы или другого активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота содержит в себе еще много потенциальной химической энергии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот процесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специальные органеллы — митохондрии.

Внутренняя поверхность мембран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых молекул, среди которых большое количество окислительных ферментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цитоплазме 3-углеродные молекулы — обычно это бывает уксусная кислота (ацетат).

Там они включаются в непрерывно идущий цикл реакций, в процессе которых от этих органических молекул поочередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, соединяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду. В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая запасается в виде АТФ.

Каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисление 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2 + 17 х 2 = 36 молекулами АТФ. Не менее важно, что в процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокислоты, т. е.

составляющие жиров и белков. Благодаря этой способности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от того, какими продуктами питается организм: в любом случае необходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мелкой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ). Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из одного конца клетки в другой — туда, где в данный момент более всего нужна энергия.

КрФ не может сам отдавать энергию на процессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного импульса: для этого требуется АТФ.

Но зато КрФ легко и практически без потерь способен отдать всю заключенную в нем энергию молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же превращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превращениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки энергия, т. е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробного (с участием кислорода) митохондриального окисления, а также благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Креатинфосфатный источник — самый мощный, поскольку реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в клетке обычно невелик — например, мышцы могут с максимальным усилием работать за счет КрФ не более 6–7 с. Этого обычно достаточно, чтобы запустить второй по мощности — гликолитический — источник энергии.

Читайте также:  Схема тестирования сложных смесей мутагенов. Антимутагенез и антимутагены

В этом случае ресурс питательных веществ во много раз больше, но по мере работы происходит все большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кислоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не может продолжаться более 1,5–2 мин.

Зато за это время почти полностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в организме почти неисчерпаем.

Поэтому аэробный митохондриальный источник может работать очень долго, правда, мощность его сравнительно невелика — в 2–3 раза меньше, чем гликолитического источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях организма. Разные ткани обладают различной насыщенностью митохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего — в буром жире, печени и почках. Довольно много митохондрий в нервных клетках.

Мышцы не обладают высокой концентрацией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы — самая массивная ткань организма (около 40 % от массы тела взрослого человека), именно потребности мышечных клеток во многом определяют интенсивность и направленность всех процессов энергетического обмена. И.А.

Аршавский называл это «энергетическим правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных составляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс тканей, обладающих разной метаболической активностью, а также содержание в этих тканях важнейших окислительных ферментов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

Чем отличается АТФ от АДФ?

Из этой статьи вы узнаете, чем отличается АТФ от АДФ.

АТФ и АДФ – источники энергии в животном и растительном мире. А чем они отличаются? Узнаем в этой статье.

Что такое АТФ?

АТФ или аденозинтрифосфорная кислота – молекула, которая вырабатывает энергию во всем живом и неживом, ведь растениям тоже нужна энергия, чтобы расти.

АТФ – сложный компонент: состоит из углеродистых атомов рибозы, объединенных атомов углерода и азота под названием аденин, и 3 молекулярных остатков фосфата.

АТФ – очень неустойчивое соединение, легко присоединяет к себе воду. При этой реакции от АТФ отсоединяется 1 молекула фосфата, плюс выделяется энергия, а именно 7,3 ккал, и АТФ переходит в АДФ. Название такой реакции – макроэргическая связь. У АТФ есть 2 макроэргические связи: одна – при переходе АТФ в АДФ, вторая – переход АДФ в АМФ.

Обратный процесс перехода АМФ в АДФ, а затем в АТФ тоже возможен, но каждый этап потребует от организма 10 ккал. А их организм берет из продуктов питания. Обратная реакция перехода от АМФ до АТФ проходит, когда мы отдыхаем, и она называется фосфорилирование.

АТФ в нашем организме всегда приберегает запас энергии, но ее хватает не намного, а только на 2-3 секунды движений, а, чтобы получить энергии больше, должна произойти реакция превращения АТФ в АДФ.

В химическом выражении молекула АТФ выглядит так

Что такое АДФ?

АДФ или аденозиндифосфорная кислота имеет в своем составе аденин, рибозу и 2 молекулярные остатки фосфата. Образуется из АТФ путем отщепления молекулы фосфора, присоединения воды и под действием кислорода. В результате получаем АДФ и энергию.

Разница АДФ от АТФ в том, что АДФ содержит в себе меньше энергии, чем АТФ.

Внимание. Чтобы организм жил и нормально развивался, получал энергию, необходимо, чтобы все время происходила реакция превращения АТФ из АДФ и АМФ, и наоборот, если этого не происходит, и все молекулы АТФ перешли в АДФ или АМФ, тогда живое существо умирает.

Сравнение АТФ и АДФ

Какие причины могут помешать реакции превращения АТФ в АДФ?

Существуют причины, по которым синтез АТФ уменьшается вплоть до полного прекращения.

Причины, которые могут помешать реакции превращения АТФ в АДФ:

  • Невозможность поступления кислорода в организм по причине его отсутствия
  • Острые заболевания дыхательных органов
  • Невозможность поступления кислорода в ткани, например при тяжелой форме анемии
  • Повреждение митохондрий из-за длительного недостаточного поступления в организм кислорода
  • Отравление организма ядами (цианиды)

Итак, теперь мы знаем, чем отличается АТФ от АДФ.

Видео: Энергетический обмен в клетке

Роль АТФ

Определение 1

АТФ – это аденозинтрифосфорная кислота, которая является основным источником клеточной энергии.

АТФ является важнейшим клеточным веществом также и потому, что относится к группе нуклеозидтрифосфатов, обеспечивая метаболизм живых клеток.

Первооткрывателем АТФ в клетке являются ученые-биохимики Суббарао, Ломан и Фиске. АТФ была открыта в 1929 году и ее исследования стали революционными в развитии биологии живых систем. Немного позднее в 1941 году Ф. Липман установил энергетическую функцию АТФ.

АТФ обладает определенными чертами строения:

  • представляет собой трифосфорный эфир аденозина;
  • образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием;
  • соединяется с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи.

Тем самым АТФ представляет собой такое соединение, которое содержит связи, гидролиз которых высвобождает колоссальное количество энергии. Подобные связи называют макроэргическими.

Образуется количество энергии, равное 40 и 60-ти кДж / моль. Также в ходе этого процесса отщепляется один или два остатка фосфорной кислоты.

Весь «химизм» описанных выше реакций можно представить следующим образом:

  • АТФ + вода → АДФ + фосфорная кислота + энергия;
  • АДФ + вода → АМФ + фосфорная кислота + энергия.

Общеизвестно, что в биоэнергетическом обмене веществ живых организмов важным является наличие двух основных моментов:

  • химическая энергия запасается путем образования АТФ при протекании катаболических реакций окисления органических субстратов;
  • химическая энергия утилизируется путем расщепления АТФ. Этот процесс сопряжен с эндергоническими реакциями анаболизма, а также другими процессами, которые также требуют энергетических затрат.

Выделяют три основных способа образования АТФ в клетке. А именно:

  • субстратное фосфорилирование, протекающее в цитоплазме клетке. Такие реакции получили название гликолиза или анаэробного этапа аэробного дыхания;
  • окислительное фосфорилирование;
  • фотофосфорилирование.

Роль АТФ в клетке

Замечание 1

Процесс фотофосфорилирования — это то же окислительное фосфорилирование лишь с одним отличием: реакции фотофосфорилирования протекают в хлоропластах клетки под действием света.

АТФ образуется во время световой стадии фотосинтеза – основного процесса получения энергии у зеленых растений, водорослей и некоторых бактерий.

Как уже отмечалось ранее, АТФ выполняет в клетке, прежде всего, энергетическую функции. Это обусловлено тем, что подобная молекула содержит две высокоэнергетические связи и обеспечивает многие физиологические и биохимические процессы. К подобным процессам можно отнести все реакции синтеза веществ в организме.

Реакции синтеза – это комплекс химических реакций, направленных на создание вещества с определенной степенью затраты энергии. При этом отмечается активный перенос молекул через клеточную мембрану, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала. Также АТФ необходима для обеспечения процесса сокращения мышц.

Также к достаточно важным функциям АТФ, иллюстрирующим ее роль в клетке относят:

  • может являться медиатором в синапсах, сигнальным веществом в других клеточных взаимодействиях. Например, при пуринергической передаче сигнала;
  • АТФ регулирует биохимические процессы. Например, при участии АТФ происходит усиление и подавление активности некоторых ферментов с помощью присоединения к их регуляторным центрам молекулы;
  • участвует в создании циклического аденозинмонофосфата, который, в свою очередь, выступает посредником передачи гормональных сигналов в клетки;
  • наконец, АТФ участвует в синтезе нуклеиновых кислот (ДНК и РНК);
  • АТФ отвечает за обеспечение всех двигательных реакций организма, а именно от ее наличия зависит работа всех элементов опорно – двигательного аппарата.

Любая функция АТФ обусловлена тем, что ее используют для реализации жизненных клеточных процессов. Если АТФ не участвует в нем напрямую, то каким – либо образом обуславливает деятельность организма.

Замечание 2

Синтез АТФ в клетке фактически происходит непрерывно, поскольку организму требуется энергия абсолютно на все процессы жизнедеятельности. Своеобразным «неприкосновенным» запасом АТФ в клетке является 250 граммов данного вещества.

Во время нарушения жизнедеятельности организма, при перенесении человеком каких-либо болезней синтез АТФ происходит намного активнее, поскольку необходимо «покрывать» затраты иммунной системы. Также активизируется система терморегуляции организма, на обеспечение работы которой также требуется большое количество энергии.

Больше всего АТФ содержат такие клетки, как мышцы и нервная ткань, энергообмен в которых протекает особенно быстро. Неизменный уровень АТФ в клетках достаточно важно поддерживать, поскольку при минимальном недостатке данного вещества происходят серьёзные нарушения любого физиологического процесса.

Другими словами, АТФ является маркером стабильности развития организма человека и многих высокоорганизованных животных.

К наиболее интересным фактам, касательно АТФ можно отнести следующие:

  • в клетке около 1 млрд молекул АТФ;
  • срок жизни молекул АТФ очень короткий;
  • синтез АТФ протекает достаточно быстро.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод о том, что АТФ является часто обновляемым веществом организма человека. Продолжительность жизни молекулы АТФ составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула АТФ может зарождаться и распадаться до трех тысяч раз за сутки. В течение дня организм человека создает около 40 кг данного вещества.

На примере цикла синтеза АТФ и ее дальнейшего использования в качестве клеточного топлива рассматривают саму суть энергетического обмена внутри живого организма. Поэтому аденозинтрифосфорная кислота выполняет функцию «батарейки», которая обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки.

Значение атф в обмене веществ

Итак, клетки могут получать энергию
путем окисления органических веществ,
неорганических веществ или в виде
энергии света.

Однако для того, чтобы
эта энергия могла быть использована
клеткой, она должна быть преобразована
в энергию макроэргических связей
аденозинтрифосфорной кислоты
АТФ (или подобных веществ, например,
ГТФ, УТФ). АТФ – это универсальный
аккумулятор и переносчик высокоорганизованной
энергии в клетках.

Эта энергия используется
для биосинтеза различных веществ,
активного транспорта ионов, движения
(включая мышечное сокращение), формирования
электрических потенциалов, хемолюминесценции
(свечения) и других процессов.

АТФ синтезируется в клетках в ходе
реакций фосфорилирования– путем
присоединения к АДФ (аденозиндифосфорной
кислоте) остатка фосфорной кислоты
(неорганического фосфата). Синтез АТФ
протекает с участием ферментов, которые
объединяются под названием АТФ–синтетазы
(или просто АТФазы).

Для синтеза одного моля АТФ из АДФ и
фосфата требуется не менее 30,6 кДж
высокоорганизованной энергии. Избыток
исходной энергии рассеивается в виде
тепла (эффективность различных способов
фосфорилирования рассмотрена ниже). В
целом реакции фосфорилирования протекают
по уравнению:

  • АДФ + Фнеорг.+Е→ АТФ +Q(тепло)
  • При необходимости энергия, аккумулированная
    в молекуле АТФ, выделяется при ее
    гидролизе:
  • АТФ → АДФ + Фнеорг.+ 30,6 кДж/моль
Читайте также:  Флебоангиодисплазии. синдром клиппеля — треноне

Таким образом, в цепи последовательных
реакций фосфорилирования и гидролиза
[…АДФ + Ф → АТФ → АДФ + Ф…] происходит
постепенное рассеивание энергии в виде
тепла. Поэтому клетки нуждаются в
постоянном притоке высокоорганизованной
энергии извне.

Примечание. При крайней нехватке
АТФ происходит гидролиз АДФ до
аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) и
неорганического фосфата. В этом случае
также выделяется 30,6 кДж/моль
высокоорганизованной энергии. При
избытке АТФ ее энергия используется
для синтеза веществ с еще большей
энергетической ёмкостью, например,
креатинфосфата.

Основные типы пластического обмена

При независимом комбинировании первичных
источников энергии и углерода возможно
несколько типов пластического обмена.

Хемогетеротрофный (или простогетеротрофный) тип пластического
обмена
. Это наиболее древний тип
анаболизма, который протекает во всех
клетках.

К абсолютным гетеротрофам
относится большинство современных
организмов (животные, грибы, большинство
прокариот).

При гетеротрофном типе
анаболизма клетки нуждаются в готовых
органических веществах, которые
используются и как первичный источник
углерода, и как источник высокоорганизованной
энергии.

При рассматриваемом типе пластического
обмена сложные органические вещества
расщепляются на относительно простые:
моносахариды, аминокислоты, жирные
кислоты и глицерин. Перечисленные
продукты используются клеткой как
строительный материал для синтеза
собственных сложных органических
веществ.

Высокоорганизованная энергия выделяется
в ходе реакций энергетического обмена
(катаболизма, или диссимиляции), то есть
в результате окисления органических
веществ. Существует два основных типа
катаболизма: анаэробное брожение и
аэробное дыхание.

Анаэробноеброжение
это большая группа катаболических
реакций. Окислителями (акцепторами
электронов и протонов) служат разнообразные
органические вещества. Результатом
анаэробного брожения является образование
органических окисленных соединений:
спиртов, альдегидов и кислот.

Это наиболее
древний тип энергетического обмена,
который протекает в клетках всех
организмов. Разные типы брожения
различаются по эффективности. Например,
при молочнокислом брожении в виде АТФ
запасается 40,8% выделившейся энергии, а
при спиртовом брожении – лишь 29,1%.

Остальная энергия рассеивается в виде
тепла.

Аэробноедыхание– это
полное окисление органических веществ
до СО2и Н2О. Окислителем
(акцептором электронов и протонов)
служит молекулярный кислород. Аэробное
дыхание происходит в клетках большинства
современных организмов. Эффективность
аэробного дыхания составляет 40,4%.

Рассмотренные типы катаболизма тесно
связаны между собой.

Многие клетки в
присутствии О2осуществляют
аэробное дыхание, а при недостатке О2переходят на анаэробное брожение или
анаэробное дыхание с использованием
неорганических окислителей – сульфатов,
нитратов, трехвалентного железа.

Существует обширная группа бактерий –факультативных анаэробов, которые
переносят длительное отсутствие
кислорода. В то же время, существуют иоблигатные анаэробы, для которых
O2является ядом.

Фотоавтотрофный тип пластического
обмена (фотосинтез).
Фотоавтотрофы– это фотосинтезирующие организмы,
которые используют световую энергию
для восстановления СО2.
Восстановителями СО2являются
электроны.

Донором электронов в
большинстве случаев (у большинства
растений) служит вода. У прокариот и
некоторых низших эукариот донорами
электронов служат: сероводород, жирные
кислоты, молекулярный водород.

Таким
образом,фотосинтезэто
синтез органических веществ из
неорганических с затратой световой
энергии
.

У некоторых прокариот существует
фотогетерофный тип пластического
обмена, при котором световая энергия
используется для образования сложных
органических веществ из более простых
органических соединений, например, из
органических кислот и спиртов. В настоящее
времяфотогетеротрофыпредставлены
немногими видами пурпурных несерных
бактерий.

Хемоавтотрофный тип пластического
обмена (хемосинтез)
.Хемоавтотрофы– это хемосинтезирующие (литоавтотрофные)
организмы, которые используют для
восстановления СО2энергию
окисления неорганических веществ с
помощью кислорода (аэробные хемоавтотрофы)
или нитратов (анаэробные хемоавтотрофы).

К хемоавтотрофам относятся многие
прокариоты: железобактерии (Fe+2окисляется доFe+3),
бесцветные серобактерии (сероводород
окисляется до серы, а сера – до сульфатов),
нитрифицирующие бактерии (аммоний
окисляется до нитритов, а нитриты – до
нитратов).

Таким образом,хемосинтез
– это синтез органических соединений
из неорганических с использованием
энергии окисления неорганических
веществ
.

Макроэргические соединения (сахарофосфаты, АТФ, УДФ и др.). Их роль в метаболизме клетки

Макроэргические соединения — органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией, или макроэргические связи. Эти соединения образуются в результате фото- и хемосинтеза и биологического окисления.

К Макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и другие вещества, распад которых сопровождается освобождением свободной энергии, используемой клетками для осуществления биосинтеза необходимых веществ или различных видов работы.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — нуклеотид, образованный аденозином и тремя остатками фосфорной кислоты. Во всех живых организмах выполняет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии. Под действием специальных ферментов концевые фосфатные группы отщепляются с освобождением энергии, которая идет на синтетические и другие процессы жизнедеятельности.

Аденозиндифосфат (АДФ) — нуклеотид, образованный аденозоном и двумя остатками фосфорной кислоты. Участвует в энергетическом обмене живых организмов.

АДФ получает энергию путем дефосфорилирование фосфоэнолпировиноградной кислоты под действием фермента трансфосфорилазы, которая переносит макроэргическую связь с кислоты на АДФ.

Уридиндифосфорная кислота (УДФ) и ее производные принимают участие во взаимопревращении углеводов.

При биосинтезе гликозидной связи используется уридиндифосфатглюкоза (УДФГ), образующаяся из глюкозы_1_фосфата и уридинтрифосфата (УИФ). Если УДФГ передает глюкозу фруктозе, то образуется сахароза, а если цепочке декстрина — полисахарид. Аналогично образуются гликозиды, гликопротеиды и др.

Взаимопревращение моносахаридов проходит через фосфорные эфиры сахаров или их уридиндифосфатпроизводные (УДФ-производные). УДФ-производные сахаров представляют собой тот или иной сахар, соединенный через два остатка фосфорной кислоты с уридином.

Сахарофосфаты являются источником фосфорного питания растений. Могут быть соли орто-, мета- и пирофосфорной кислоты и органические фосфаты. Лучшие из них — водорастворимые калиевые, натриевые, аммониевые, кальциевые и магниевые соли фосфорной кислоты.

Для растений необходимо, чтобы осадки относительно равномерно распределялись в период активного роста.

Под засухой понимают режим погоды, характеризующийся отсутствием осадков, повышением температуры воздуха и падением относительной влажности воздуха. Различают два типа засухи — атмосферную и почвенную.

Следует подчеркнуть, что засуха, за очень редким исключением, всегда начинается как атмосферная засуха, переходя затем в почвенную. В то же время атмосферная засуха может быть и при отсутствии почвенной, когда она проявляется в виде горячего ветра-суховея.

Вред от суховея наблюдается и тогда, когда в почве еще имеются значительные запасы воды.

Если в почве имеется недостаточное количество доступной для растения воды, то отрицательное влияние перегрева становится особенно сильным. Перегрев вызывает повреждение растения, называемое запалом. Запал обнаруживается через некоторое время в виде различно окрашенных некротических пятен на листьях. На пшенице появляются желтые пятна, на овсе — красные, у большинства растений — коричневые.

Встречается и другой вид повреждений от атмосферной засухи — захват. Он наблюдается реже, чем запал, и проявляется в том случае, когда при сравнительно не очень высоких температурах наблюдаются сильный ветер и большая сухость воздуха. При этом листья просто высыхают, сохраняя зеленую окраску.

Недостаток воды в тканях растений (водный дефицит) может возникнуть в жаркую солнечную погоду к середине дня, при этом увеличивается сосущая сила листьев, что активирует поступление воды из почвы. Растение регулирует уровень водного дефицита открытием или закрытием устьиц. В этот период происходит временное завядание листьев. Обычно в вечерние и утренние часы это явление устраняется.

Отсутствие в почве доступной для растения воды приводит к глубокому завяданию. Это завядание чаще всего приводит к гибели растения.

Характерным признаком устойчивого водного дефицита является сохранение его в тканях утром, прекращение выделения пасоки из срезанного стебля.

Действие засухи приводит в первую очередь к уменьшению в клетках свободной воды, что нарушает гидратные оболочки белков цитоплазмы и сказывается на функции белков-ферментов.

Приспособление растений к засухе. Известно, что растения неодинаково реагируют на перегрев и обезвоживание в разные периоды онтогенеза.

У каждого вида в онтогенезе имеется такой период, когда недостаток воды резко сказывается на течении всех физиологических процессов, этот период называется критическим периодом.

Из этого, однако, не следует, что остальные периоды своего развития растение не нуждается в воде и не страдает от ее недостатка.

Установлено, что вязкость цитоплазмы, ее эластичность в критический период резко падают, что и является одним из условий высокой чувствительности растений к перегреву и обезвоживанию в этот период развития. В критический период происходят интенсивные ростовые процессы и образование новых органов — цветков.

Ф.Д. Сказкин считал, что высшие растения в своем онтогенезе повторяют черты далекого прошлого и во время формирования половых органов и оплодотворения нуждаются в повышенной обводненности тканей. Сказкин считает, что началом критического периода следует считать момент появления материнских клеток пыльцы в археспориальной ткани пыльников, а концом данного периода — оплодотворение.

Засухоустойчивые сорта при значительном водном дефиците характеризуются синтетической направленностью в работе своих ферментов, тогда как у менее засухоустойчивых преобладает гидролитическая направленность.

Засухоустойчивые сорта озимой пшеницы характеризуются большим содержанием связанной воды, которая трудно обменивается во время засухи, повышенной концентрацией клеточного сока в период цветения и налива зерна, высшим порогом коагуляции белков, более интенсивным накоплением сухого вещества зерна, более стойкой к неблагоприятным условиям пигментной системой. Этим и характеризуется физиологическая природа засухоустойчивости растений.

Атф и ее роль в клетке

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек и т. д.

Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями :

Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) н высвобождается порция энергии:

АДФ также может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии; при этом АДФ преобразуется в аденозин-монофосфат (АМФ), который далее не гидролизуется:

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях:

Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

Таким образом, АТФ — это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.

Читайте также:  Дизметаболические нефропатии у детей

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов «Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы»

Энергетический обмен в организме : Farmf | литература для фармацевтов

Энергетический обмен в организме

В процессе жизнедеятельности организм непрерывно расходует энергию: на синтез различных соединений, на совершение мы­шечной работы, на осуществление дыхания, пищеварения, кро­вообращения, на поддержание температуры тела, на преодоление осмотических сил во время секреторных и выделительных про­цессов, на поддержание, мембранных потенциалов и т. д.. Эту энергию клетки получают из белков, жиров и углеводов пищи. Все превращения веществ связаны с энергетическими превраще­ниями. В процессе обмена веществ сложные органические веще­ства с большим содержанием энергии превращаются в результа­те окислительных процессов в менее сложные вещества, при этом происходит освобождение энергии, которая переходит из одного вида в другой. В конечном итоге все виды энергии пере­ходят в тепловую; часть энергий сразу выделяется в виде тепла ~ первичное тепло, после использования АТФ часть энергии трансформируется во вторичное тепло.

  • Разработка основных норм питания разных групп населения.
  • Физиологические нормы питания для различных возрастных и профессиональных групп населения дифференцированы в зави­симости oт:
  • – пола;
    – возраста;
    – состояния здоровья;
    – профессии;
  • – климатических условий
  • Особенность: у женщин учитывают состояние беременности и лактации.
  • Профессия: используется лечебно – профилактическое питание для работающих с вредными производственными факторами, применяют продукты (молоко, вареная свекла, морковь, творог, сыр, соки), которые либо снижают действие вредного фактора, либо способствуют его быстрому выведению из организма.

Состояние здоровья:
– лечебное питание: в стационарах, 15 столов (диет).
– диетическое питание: для людей, страдающих хроническими заболеваниями вне обострения. Ограничение продуктов, блюд, формы приготовления.

Исследование энергетического обмена в клинике.

1. Для диагностики и прогноза заболевания, наблюдения за его течением и эффективностью лечебных мероприятий
2.

Исследование энергетического обмена при физической на­грузке позволяет выяснить функциональную недостаточность сердечно – сосудистой и дыхательной системы, которая не обнаруживается в состоянии покоя.
3.

Исследование энергетического обмена у реконвалесцентов может служить основанием; для определения времени восстанов­ления работоспособности,

4. У спортсменов позволяет выяснить эффективность трени­ровки, предельных возможностей спортсмена.

  1. Приход и расход питательных веществ.
  2. Приход — суточный рацион питания.
  3. Расход:
    – на обеспечение пластических процессов: рост и обновление клеточных элементов тканей.
  4. – энергетическое обеспечение физиологических процессов: электрических, химических, осмотических, механических.
  5. Суточная потребность: определяется физиологическими нормами питания для различных возрастных и профессиональных групп населения.
  6. У адекватно питающегося взрослого человека с достаточной дви­гательной активностью обычно имеет место энергетическое рав­новесие: поступление в организм энергии соответствует ее рас­ходу.
  7. Методы физиологической калоримерии
  8. Методы оценки энергетического баланса основаны на двух принципах:
    – прямого измерения количества выделившегося тепла (прямая калориметрия);
  9. – непрямого измерения путем определения количества погло­щаемого кислорода и выделяемого углекислого газа (непрямая калориметрия).
  10. Прямая калориметрия:

1. водяная;
2. воздушная;
3. изотермическая;

4. компенсационная.

Непрямая калориметрии:

1. метод Крога;
2. метод Шатерникова;

3. метод Дугласа-Холдейна.

  • Непрямая (косвенная) калориметрия
  • Не проводится теплоизмерение, осуществляется газовый анализ: определяется химический состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха с помощью газоанализаторов.
  • На основании газоанализа определяют:
    1. Объем потребленного организмом кислорода;

2. Объем выделенного из организма углекислого газа.

Показатели косвенно отражают интенсивность окислительных процессов. На основании полученных данных рассчитывают ды­хательный коэффициент.

ДК = VСО2 / VО2

Дыхательный коэффициент – это отношение выделенного угле­кислого газа к объему потребленного организмом кислорода.
Значение этого показателя зависит от того, какие вещества и в каком количестве окисляются в организме.

При окислении углеводов ДК = 1, так как
С2Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О
ДК = 6:6 = 1.

При окислении белков ДК=0,8; жиров ДК=0,7.

В организме осуществляется смешанный тип окисления и ре­зультирующая сумма ДК зависит от количественного соотноше­ния 3-х типов реакций.
Так как человек находится на смешанном питании в стандарт­ных условиях ДК=0,85-0,86.

  1. Определение калорической стоимости кислорода.
  2. Калорическая стоимость кислорода – это количество тепло­вой энергии в килокалориях, выделяемой из организма при потреблении 1 л кислорода.
  3. Данный показатель зависит от дыхательного коэффициента и определяется по специальным таблицам, где каждому значению ДК соответствует значение калорической стоимости кислорода.

Например: ДК = 0,8; КС = 4,801 ккал,
ДК = 0,9; КС = 4,924 ккал.
Таким образом, данные газоанализа переводят в тепловые еди­ницы.

Объем кислорода, потребленный организмом в единицу вре­мени (сутки, час, минута).

Появляется возможность определить количество тепла, выде­ленного организмом в единицу времени. Используется табличная калорическая стоимость кислорода и умножается на объем ки­слорода.

Методы косвенной калориметрии

1. Методы закрытых систем.

Используются замкнутые камеры, в которые помещается иссле­дуемый объект. Температура постоянная = 18-20° С. Постоянная влажность. В камеру подается кислород, прибор показывает расход кислорода. Из камеры удаляется отработанный воздух, проходит через фильтры поглотителей. Прибор поглотителя уг­лекислого газа покажет объем газа, выделенного из организма.

Метод Шатерникова в клинике не используется.

Метод Крога.

Крог предложил метаболиметр. Дыхательный коэффициент не определяется, для анализа используется стандартная величина ДК=0,86; т.е. допускается, что пациент находится на смешанном питании.

В ходе дыхания часть кислорода, который находится в метаболиметре, поглощается организмом. Выдыхаемый воздух поступа­ет в метаболиметр и поглощается натронной известью, следова­тельно, в метаболиметре поддерживается низкая концентрация углекислого газа, что не делает воздух вредным для здоровья и дыхания.

Через несколько минут происходит опускание верхнего цилинд­ра, так как уменьшается объем кислорода. На специальной шка­ле можно определить объем кислорода, потребленного организ­мом. Объем углекислого газа не определяется, так как значение ДК принимают стандартное.

2. Методы открытых систем.

Метод называется Дугласа – Холдейна.

Для забора выдыхаемого воздуха используется мешок Дугласа. Испытуемый вдыхает воздух атмосферы, а отработанный воздух поступает в мешок. Через несколько минут выдыхаемый воздух поступает в газоанализатор, который выдает информацию о со­держании кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе.

Содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере постоян­но, следовательно, по изменениям концентраций кислорода и углекислого Таза вычисляется объем потребленного кислорода и выделенного углекислого газа в единицу времени. Дальнейший расчет проводится по схеме. Им пользуются все клиники, где имеются больные с нарушениями энергетического обмена.

Основной обмен и факторы, влияющие на его величину

Основной обмен – это физиологический показатель, отражаю­щий уровень энергетических процессов в стандартных условиях, которые максимально приближены к состоянию функционально­го покоя организма.

Косвенно отражает интенсивность обмена энергии в условиях мышечного и психического покоя. Это минимальный уровень энергетических затрат: базальный уровень энергетического обме­на.

Для определение основного обмена необходимо выполнение 5 условий:

1. Время – исследование проводится утром до 9 часов после сна.
2. Натощак, так как прием и действие пищи вызывает интен­сификацию энергетических процессов: специфически динамиче­ское действие пищи (СДД).
3. Температура комфорта в помещении: 18-20° С.
4. Исследование проводится лежа, т.е. в состоянии мышечного покоя.

5. Предварительно исключается прием фармакологических препаратов, влияющих на энергетические процессы; а также нар­котических веществ.

В данных условиях у здорового взрослого человека основной обмен составляет от 1600 до 1800 ккал. Допустимые колебания + 10%.

Факторы, определяющие потребность организма в энергии.

1. Уровень обменных процессов, направленных на сохранение постоянства внутренней среды организма и самообновление его морфологических структур.
2. Расход энергии на питание/ адаптацию организма к меняю­щимся условиям окружающей среды, на трудовую деятельность и активный отдых.

  • Q = ОО + МД + СДД.
    Q – энерготраты;
    ОО – основной обмен;
    МД – мышечная деятельность;
  • СДД – специфическое динамическое действие пищи.
  • Затраты энергии в условиях основного обмена.

1. Химические процессы в организме.
2. Механическая работа, выполняемая отдельными органами:
– сердце;
– дыхательная система (дыхательные мышцы);
– кровеносные сосуды;
– кровеносные сосуды;
– кишечник.

3. Постоянная деятельность железисто- секреторного аппарата.

  1. Факторы, повышающие основной обмен
  2. Внешние факторы:

1. Мышечная работа;
2. Изменение температуры окружающей среды;
3. Процессы переваривания и усвоения пищи;
4. Нервно-эмоциональное напряжение;
5. Условно-рефлекторная деятельность и другие нервные влияния;

6. Эндокринные заболевания.

Внутренние факторы:

1. Возраст;
2. Масса тела (вес);
3. Рост;

4. Пол.

  • Совокупность основного обмена и энергетических трат организ­ма, обеспечивающих его жизнедеятельность в условиях терморе­гуляторной, эмоциональной, пищевой и рабочей нагрузок назы­вают рабочим обменом.
  • Терморегуляторное повышение интенсивности обмена веществ и энергии развивается в условиях охлаждения и может достигать 300%.
  • При эмоциях увеличение расхода энергии у взрослого человека составляет 40-90% от уровня основного обмена и связано главным образом с вовлечением мышечных реакций – фазных и
  • тонических.
  • Во время сна уровень метаболизма на 10-15% ниже, чем в ус­ловиях бодрствования, что обусловлено расслаблением мышц, снижением тонуса симпатическом нервной системы, снижением выработки гормонов надпочечников и щитовидной железы, уве­личивающих катаболизм.

Специфическое динамическое действие пищи представляет собой повышение расхода энергии, связанное с превращением пита­тельных веществ в организме, после их всасывания из пищева­рительного тракта. Так прием белковой пищи увеличивает обмен на 30-40%, а при питании жирами и углеводами обмен увеличи­вается на 4-15%.

Регуляция обмена энергии

На уровне отдельных клеток и органов можно обнаружить нали­чие местных механизмов регуляции процесса энергообразования. Так, при повышении активности и расхода энергии в клетках организма накапливается АДФ и неорганический фосфат, обра­зующийся при расщеплении молекулы АТФ.

Повышение кон­центрации АДФ является фактором, ускоряющим ресинтез АТФ. Неорганический фосфат играет роль сигнального фактора, который по принципу обратной связи активируй пластические процессы клетки.

В результате яри длительном повышении на­грузки увеличивается синтез структур и растут функциональные возможности клетки,

Регуляция процессов в целом организме осуществляется вегета­тивной нервной и эндокринной системами. В гипоталамусе рас­положены центры голода, жажды, пищевого и питьевого насы­щения; раздражение «эрготропных» и «трофотроиных» зон гипо­таламуса может приводить к значительному преобладанию соот­ветственно катаболических или анаболических процессов.

Гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной и других эндокринных желез оказывают влияние как на рост, размножение. Развитие организма, так и на соотношение процессов анаболизма и  катаболизма.

Лимбическая кора больших полушарий способствует вегетатив­ному, в том числе метаболическому обеспечению, эмоциональных реакций. Новая кора может быть субстратом: для выработки индивидуальных механизмов регуляции – условных рефлексов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector