Източници на енергия в растителна клетка. Трансформация на енергията в клетката. Клетъчното дишане е в основата на живота
ЕНЕРГИЯ НА ЖИВА КЛЕТКА
Ключовите процеси, които определят разликата между живата и неживата природа, протичат на клетъчно ниво. Движението на електроните играе решаваща роля в трансформацията и преноса на енергия в живата клетка. Но енергията по никакъв начин не произхожда от самите клетки: тя идва отвън. Специалните молекулярни механизми само забавят движението му десетки хиляди пъти, позволявайки на други молекули частично да използват тази енергия, когато извършват полезна за клетката работа. Неизразходваната енергия излиза във външната среда под формата на топлина. Татяна Василевна ПОТАПОВА, водещ изследовател в Научноизследователския институт по физика и химическа биология на името на. А.Н. Белозерски, доктор на биологичните науки.
Деца на слънцето
Вселената е изпълнена с енергия, но само няколко вида от нея са подходящи за живите организми. Основният източник на енергия за по-голямата част от биологичните процеси на нашата планета е слънчевата светлина.
Клетката е основната единица на живота; тя непрекъснато работи, за да поддържа структурата си и следователно се нуждае от постоянно снабдяване с безплатна енергия. Технологично не е лесно да се реши такъв проблем, тъй като живата клетка трябва да използва енергия при постоянна (и доста ниска) температура в разредена водна среда. В хода на еволюцията, в продължение на стотици милиони години, са се образували елегантни и съвършени молекулярни механизми, които могат да действат необичайно ефективно при много меки условия. В резултат на това ефективността на клетъчната енергия се оказва много по-висока от тази на всички инженерни устройства, изобретени от човека.
Клетъчните енергийни трансформатори са комплекси от специални протеини, вградени в биологични мембрани. Независимо дали свободната енергия навлиза в клетката отвън директно със светлинни кванти (в процеса на фотосинтеза) или в резултат на окисляването на хранителни продукти с атмосферен кислород (в процеса на дишане), тя задейства движението на електрони. В резултат на това се произвеждат молекули на аденозин трифосфат (АТФ) и се увеличава електрохимичната потенциална разлика между биологичните мембрани.
АТФ и мембранният потенциал са два относително стационарни източника на енергия за всички видове вътреклетъчна работа. Нека припомним, че молекулата на аденозинтрифосфата е много ценна еволюционна придобивка. Енергията, извлечена от външен източник, се съхранява под формата на "високоенергийни връзки" между фосфатните групи. АТФ много лесно отдава своите фосфатни групи на водата или на други молекули, така че е незаменим посредник за преноса на химическа енергия.
Електрически явления
в клетъчната енергия
Механизмът, чрез който се създава АТФ, остава загадка в продължение на много години, докато не се установи, че процесът е по същество електрически. И в двата случая: за дихателната верига (набор от протеини, които извършват окисляването на субстратите с кислород) и за подобна фотосинтетична каскада се генерира протонен ток през мембраната, в която са потопени протеините. Теченията осигуряват енергия за синтеза на АТФ и също така служат като източник на енергия за някои видове работа. В съвременната биоенергетика е обичайно АТФ и протонният ток (по-точно протонният потенциал) да се разглеждат като алтернативни и взаимно конвертируеми енергийни валути. Някои функции се заплащат в една валута, други в друга.
© Т.В. Потапова
Към средата на 20в. биохимиците знаеха със сигурност, че в бактериите и митохондриите електроните преминават от редуциращи субстрати към кислород през каскада от преносители на електрони, наречена дихателна верига. Мистерията беше как преносът на електрон и синтезът на АТФ са свързани. Повече от 10 години надеждата за разкриване на тайната пламна и отново угасна. Решаваща роля изиграха не преодоляването на технически трудности, а концептуалното развитие. Свързването се оказа по принцип не химическо, а електрическо. През 1961 г. английският учен П. Мичъл публикува в списание Nature радикална идея за разрешаване на биохимичната мистерия на века: хемиосмотичната хипотеза. Идеята на Мичъл беше наистина революционна промяна на парадигмата, трансформация на концептуалната рамка и първоначално предизвика разгорещен дебат.
През 1966 г. Мичъл написва първата си книга „Хемиосмотично свързване при оксидативно и фотосинтетично фосфорилиране“. През същата година руските учени, биофизикът Е. Либерман и биохимикът В. Скулачев, измислиха как експериментално да потвърдят правотата на Мичъл. Използвайки синтетични йони, които проникват през биологична мембрана, те показаха, че дишането и фосфорилирането наистина са свързани чрез протонния потенциал. Друга сериозна стъпка в подкрепа на Мичъл направиха биофизиците от Биологическия факултет на Московския държавен университет А. Буличев, В. Андрианов, Г. Курела и Ф. Литвин. Използвайки микроелектроди, те записаха образуването на трансмембранна електрическа потенциална разлика, когато големи хлоропласти бяха осветени.
Още няколко години на дебат и щателни тестове в различни лаборатории по света - и идеите на Мичъл най-накрая бяха признати. Той е приет в Кралското общество на Великобритания (и съответно става сър), получава много престижни международни награди, а през 1978 г. получава Нобелова награда, която, противно на традицията, този път не се присъжда за откриването на нов феномен, но за предположение за съществуването му.
Оказа се, че веригата за пренос на електрони не е просто свързана с мембраната, но е вплетена в нея по такъв начин, че когато един електрон се движи от субстрата към кислорода, той
Преминаваме от вътрешната повърхност към външната. Мембраната образува затворен мехур, който не позволява на протоните да преминат, така че в резултат на „изпомпването“ на протоните се генерира потенциална разлика през мембраната: електрическа отрицателност вътре. В същото време рН се повишава: средата вътре в мехурчето се алкализира. Протоните отвън са с много по-висок електрохимичен потенциал, отколкото отвътре, сякаш са под „натиск“ както от електрическия потенциал, така и от рН градиента, които изтласкват протоните обратно през мембраната във везикулата. Живата клетка използва енергията на такива протони за извършване на различни видове работа.
Удивителният напредък в рентгеновия структурен анализ на протеините направи възможно да се видят пълните пространствени структури на отделните протеинови комплекси, които изграждат дихателната верига. Протеините на електронната транспортна верига, локализирани в митохондриалните мембрани, са в състояние да променят своя абсорбционен спектър, приемайки и дарявайки електрони. Микроспектралните методи позволяват да се проследи последователността на преноса на електрони по протежение на верига от протеини и да се установи къде точно част от свободната енергия на електроните се използва за синтеза на АТФ.
Според идеята на Мичъл електрическата енергия се използва за синтезиране на АТФ от АДФ и фосфат в митохондриалните мембрани. Следователно, ако потенциалната разлика през мембраната се премахне, може да се предположи, че синтезът ще спре. Именно този ефект е демонстриран при експерименти върху изкуствени мембрани със специално синтезирани йони, които рязко повишават проводимостта на мембраните за протони. 1
Едни от първите експериментални доказателства за валидността на хипотезата на Мичъл са получени у нас през | 1970 г. под ръководството на E.A. Либерман * и В.П. Скулачева. Като индикатори за промени в електрическото поле на мембраната I бяха използвани синтетични йони, различни по своята природа и знак на заряда, но сходни в едно: | всички те лесно проникнаха през фосфолипидния филм = следният елегантен експериментален модел се появи.
Капка фосфолипиди, разтворени в органичен разтворител, се довежда до малък отвор в тефлонова плоча и моментално се затваря с плосък бимолекулен филм - изкуствена мембрана. В съд с електролит се потапя тефлонова плоча с изкуствена мембрана, която се разделя на две отделения със собствен измервателен електрод. Всичко, което остава, е да се вгради протеин, способен да генерира електричество в изкуствената мембрана, и да се добавят проникващи йони към електролита. Тогава работата на протеиновия генератор, който променя потенциалната разлика на мембраната, ще доведе до движение на проникващи йони през фосфолипидния филм, което ще бъде записано като промяна в потенциалната разлика между отделенията.
Още по-убедителен експериментален модел, позволяващ директни измервания на електрическия ток, генериран от клетъчни органели и отделни протеини, е разработен и успешно използван от L.A. Драчев, А.А. Каулен и В.П. Скулачев. Частици, генериращи електрически ток (митохондрии, бактериални хроматофори или липидни везикули с индивидуални протеини, вградени в тях), бяха принудени да се придържат към плоска изкуствена мембрана. Протонният ток, генериран от молекулите на генератора в отговор на проблясък на светлина или добавяне на подходящи химически субстрати, след това беше открит директно чрез измервателни електроди от двете страни на изкуствената мембрана.
През 1973 г. У. Стокениус и Д. Остерхелт
0 от САЩ откри необичаен светлочувствителен протеин в мембраните на violet-j: бактерии, живеещи в солени езера
1 рак от калифорнийските пустини. Този протеин, подобно на зрителния пигмент на животинското око - родопсин, съдържа производно на витамин А - ретинал, за което е наречен бактериородопсин. Американските учени Racker и Stokenius елегантно демонстрираха участието на бактериородопсин в енергийното свързване. „Чрез комбиниране на новооткрития светлочувствителен протеин на виолетови бактерии с АТФ синтаза в моделна фосфолипидна мембрана, те са получили молекулярен ансамбъл, способен да синтезира АТФ, когато светлината е включена.
В края на 1973 г. академик Ю.А. Овчинников организира проекта "Родопсин" за сравнително изследване на животински и бактериални светлочувствителни пигменти. Като част от проекта в лабораторията на V.P. Скулачев в Московския държавен университет, в моделни експерименти върху изкуствени мембрани е доказано, че бактериородопсинът е протеинов генератор на електрически ток. Вградена
Клетките, неспособни на фотосинтеза (например хората), получават енергия от храна, която е или растителна биомаса, създадена в резултат на фотосинтеза, или биомаса на други живи същества, които се хранят с растения, или останки от всякакви живи организми.
Хранителните вещества (протеини, мазнини и въглехидрати) се превръщат от животинската клетка в ограничен набор от нискомолекулни съединения - органични киселини, изградени от въглеродни атоми, които се окисляват до въглероден диоксид и вода чрез специални молекулярни механизми. В този случай се освобождава енергия, тя се натрупва под формата на електрохимична потенциална разлика върху мембраните и се използва за синтеза на АТФ или директно за извършване на определени видове работа.
Историята на изучаването на проблемите на преобразуването на енергия в животинска клетка, подобно на историята на фотосинтезата, датира от повече от два века.
В аеробните организми окислението на въглеродните атоми на органичните киселини до въглероден диоксид и вода се извършва с помощта на кислород и се нарича вътреклетъчно дишане, което се случва в специализирани частици - митохондрии. Трансформацията на окислителната енергия се извършва от ензими, разположени в строг ред във вътрешните мембрани на митохондриите. Тези ензими образуват така наречената дихателна верига и работят като генератори, създавайки електрохимична потенциална разлика през мембраната, чрез която се синтезира АТФ, подобно на това, което се случва по време на фотосинтезата.
Основната задача както на дишането, така и на фотосинтезата е да поддържа съотношението АТФ/АДФ на определено ниво, далеч от термодинамичното равновесие, което позволява на АТФ да служи като донор на енергия, измествайки равновесието на реакциите, в които участва.
Основните енергийни станции на живите клетки са митохондриите - вътреклетъчни частици с размери 0,1-10μ, покрити с две мембрани. В митохондриите свободната енергия от окисляването на храната се превръща в свободна енергия на АТФ. Когато АТФ се свързва с вода, при нормални концентрации на реагентите се освобождава свободна енергия от порядъка на 10 kcal/mol.
В неорганичната природа сместа от водород и кислород се нарича „експлозивна“: малка искра е достатъчна, за да предизвика експлозия - мигновено образуване на вода с огромно освобождаване на енергия под формата на топлина. Задачата, изпълнявана от ензимите на дихателната верига, е да предизвикат „експлозия“, така че освободената енергия да се съхранява във форма, подходяща за синтеза на АТФ. Това, което правят, е да прехвърлят електрони по подреден начин от един компонент към друг (в крайна сметка към кислород), като постепенно намаляват потенциала на водорода и съхраняват енергия.
Следните цифри показват мащаба на тази работа. Митохондриите при възрастен със среден ръст и тегло изпомпват около 500 g водородни йони на ден през мембраните си, образувайки мембранен потенциал. През същото време Н + -АТФ синтазата произвежда около 40 kg АТФ от АДФ и фосфат, а процесите, използващи АТФ, хидролизират цялата маса на АТФ обратно в АДФ и фосфат.
Изследванията показват, че митохондриалната мембрана действа като трансформатор на напрежение. Ако електроните на субстрата се прехвърлят от NADH директно към кислорода през мембраната, ще възникне потенциална разлика от около 1 V, но биологичните мембрани - двуслойните фосфолипидни филми не могат да издържат на такава разлика - възниква разпад. В допълнение, за производството на АТФ от ADP, фосфат и вода са необходими само 0,25 V, което означава, че е необходим трансформатор на напрежение. И много преди появата на човека, клетките са „изобретили“ такова молекулярно устройство. Той позволява токът да се учетвори и благодарение на енергията на всеки електрон, пренесен от субстрата към кислорода, да пренесе четири протона през мембраната поради строго координирана последователност от химични реакции между молекулярните компоненти на дихателната верига.
И така, двата основни пътя за генериране и регенериране на АТФ в живите клетки: окислително фосфорилиране (дишане) и фотофосфорилиране (абсорбция на светлина) - въпреки че се поддържат от различни външни източници на енергия, и двата зависят от работата на вериги от каталитични ензими, потопени в мембраните : вътрешните мембрани на митохондриите, тилакоидните мембрани на хлоропластите или плазмените мембрани на някои бактерии.
Жизнената дейност на клетките изисква разход на енергия. Живите системи (организми) го получават от външни източници, например от Слънцето (фототрофи, които са растения, някои видове протозои и микроорганизми) или го произвеждат сами (аеробни автотрофи) в резултат на окисляването на различни вещества ( субстрати).
И в двата случая клетките синтезират универсалната високоенергийна молекула АТФ (аденозинтрифосфорна киселина), при разрушаването на която се освобождава енергия. Тази енергия се изразходва за извършване на всички видове функции - активен транспорт на вещества, синтетични процеси, механична работа и др.
Самата молекула на АТФ е доста проста и представлява нуклеотид, състоящ се от аденин, рибозна захар и три остатъка от фосфорна киселина (фиг.). Молекулното тегло на АТФ е малко и възлиза на 500 далтона. АТФ е универсален носител и склад на енергия в клетката, която се съдържа във високоенергийни връзки между три остатъка от фосфорна киселина.
структурна формула пространствена формула
Фигура 37. Аденозин трифосфорна киселина (АТФ)
Цветове за представяне на молекули (пространствена формула): бяло – водород, червено – кислород, зелено – въглерод, синьо – азот, тъмночервено – фосфор
Разцепването само на един остатък от фосфорна киселина от молекулата на АТФ е придружено от освобождаване на значителна част от енергията - около 7,3 kcal.
Как протича процесът на съхраняване на енергия под формата на АТФ? Нека разгледаме това, като използваме примера за окисление (изгаряне) на глюкоза - общ източник на енергия за превръщане на химическите връзки на АТФ в енергия.
Фигура 38. Структурна формула
глюкоза (съдържание в човешка кръв - 100 mg%)
Окисляването на един мол глюкоза (180 g) се придружава от
е отделянето на около 690 kcal свободна енергия.
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + E (около 690 kcal)
В живата клетка това огромно количество енергия не се освобождава наведнъж, а постепенно в поетапен процес и се регулира от редица окислителни ензими. В същото време освободената енергия не се трансформира в топлинна енергия, както при горене, а се съхранява под формата на химични връзки в молекулата на АТФ (макроергични връзки) по време на синтеза на АТФ от АДФ и неорганичен фосфат. Този процес може да се сравни с работата на батерия, която се зарежда от различни генератори и може да осигури енергия на много машини и устройства. В клетката ролята на единна батерия изпълнява системата от аденозин-ди- и трифосфорни киселини. Зареждането на адениловата батерия се състои от комбиниране на ADP с неорганичен фосфат (реакция на фосфорилиране) и образуване на ATP:
ADP + F inorg ATP + H 2 O
Образуването само на 1 молекула АТФ изисква разход на външна енергия в размер на 7,3 kcal. Обратно, когато АТФ се хидролизира (разрежда батерията), се освобождава същото количество енергия. Заплащането за този енергиен еквивалент, наречен „квант биологична енергия“ в биоенергетиката, идва от външни ресурси – тоест от хранителни вещества. Ролята на АТФ в живота на клетката може да бъде представена по следния начин:
Системни функции на енергийната система
химически реакумулации с помощта на клетки
енергийни ресурси
Фиг. 39 Общ план на клетъчната енергия
Синтезът на АТФ молекулите се осъществява не само поради разграждането на въглехидрати (глюкоза), но и на протеини (аминокиселини) и мазнини (мастни киселини). Общата схема на каскадите от биохимични реакции е следната (Фигура).
1. Началните етапи на окисление протичат в цитоплазмата на клетките и не изискват участието на кислород. Тази форма на окисление се нарича анаеробно окисление или по-просто - гликолиза.Основният субстрат за анаеробно окисление са хексози, главно глюкоза. По време на процеса на гликолиза настъпва непълно окисление на субстрата: глюкозата се разпада на триози (две молекули пирогроздена киселина). В същото време, за да се извърши реакцията в клетката, се изразходват две молекули АТФ, но се синтезират 4 молекули АТФ. Тоест, по метода на гликолизата, клетката "печели" само две молекули АТФ от окисляването на 1 молекула глюкоза. От гледна точка на енергийната ефективност това
нерентабилен процес по време на гликолизата се освобождава само 5% от енергията на химичните връзки на молекулата на глюкозата.
C 6 H 12 O 6 + 2P inorg + 2ADP 2 C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
Глюкоза пируват
2. Използват се триози, образувани по време на гликолиза (главно пирогроздена киселина, пируват)
се окисляват за по-нататъшно по-ефективно окисляване, но в клетъчните органели – митохондриите. В този случай се освобождава енергията на делене всекихимични връзки, което води до синтез на големи количества АТФ и консумация на кислород.
Фиг. 40 Схема на цикъла на Кребс (трикарбоксилни киселини) и окислително фосфорилиране (дихателна верига)
Тези процеси са свързани с окислителния цикъл на трикарбоксилните киселини (синоними: цикъл на Кребс, цикъл на лимонена киселина) и с веригата на пренос на електрони от един ензим към друг (респираторна верига), когато АТФ се образува от АДФ чрез добавяне на един остатък от фосфорна киселина (окислително фосфорилиране).
Концепцията „ окислително фосфорилиране“ определят синтеза на АТФ от АДФ и фосфат поради енергията на окисление на субстрати (хранителни вещества).
Под окислениеразбират отстраняването на електрони от веществото и съответно редуцирането и добавянето на електрони.
Каква е ролята на окислителното фосфорилиране при хората? Следното грубо изчисление може да даде представа за това:
Възрастен със заседнала работа консумира около 2800 kcal енергия на ден от храната. За да се получи това количество енергия чрез хидролиза на АТФ, ще са необходими 2800/7,3 = 384 мола АТФ, или 190 kg АТФ. Докато е известно, че човешкото тяло съдържа около 50 g АТФ. Следователно е ясно, че за да се задоволят енергийните нужди на тялото, тези 50 g АТФ трябва да бъдат разградени и синтезирани хиляди пъти. В допълнение, самата скорост на обновяване на АТФ в тялото се променя в зависимост от физиологичното състояние - минимум по време на сън и максимум по време на мускулна работа. Това означава, че окислителното фосфорилиране не е просто непрекъснат процес, но и широко регулиран.
Същността на окислителното фосфорилиране е свързването на два процеса, когато окислителна реакция, включваща външна енергия (ексергична реакция), носи със себе си друга, ендергична реакция на фосфорилиране на ADP с неорганичен фосфат:
A в ADF + F n
окислително фосфорилиране
Тук A b е редуцираната форма на вещество, подложено на фосфорилиращо окисление,
А o е окислената форма на веществото.
В цикъла на Кребс пируватът (CH3COCOOH), образуван в резултат на гликолизата, се окислява до ацетат и се свързва с коензим А, образувайки ацетил-коА. След няколко етапа на окисление се образува шествъглеродното съединение лимонена киселина (цитрат), което също се окислява до оксал ацетат; след това цикълът се повтаря (Схема на цикъла на трикарбовата киселина). По време на това окисление се освобождават две молекули CO 2 и електрони, които се прехвърлят към акцепторните (възприемащи) молекули на коензими (NAD - никотинамид динуклеотид) и след това се включват във веригата на пренос на електрони от един субстрат (ензим) към друг.
При пълното окисляване на един мол глюкоза до CO 2 и H 2 O в цикъла на гликолиза и трикарбоксилни киселини се образуват 38 ATP молекули с енергия на химичната връзка 324 kcal, а общият добив на свободна енергия от тази трансформация, като отбелязано по-рано, е 680 kcal. Ефективността на освобождаването на съхранената енергия в ATP е 48% (324/680 x 100% = 48%).
Общото уравнение за окисление на глюкозата в цикъла на Кребс и гликолитичния цикъл:
C 6 H 12 O 6 +6O 2 +36 ADP +P n 6CO 2 +36ATP + 42H 2 O
3. Електроните, освободени в резултат на окисление в цикъла на Кребс, се комбинират с коензима и се транспортират до веригата за пренос на електрони (респираторна верига) от един ензим към друг, където по време на процеса на пренос се получава конюгация (трансформация на енергията на електрони в енергията на химичните връзки) със синтеза на молекули ATP.
Има три участъка на дихателната верига, в които енергията на окислително-редукционния процес се трансформира в енергията на връзките на молекулите в АТФ. Тези места се наричат точки на фосфорилиране:
1. Мястото на пренос на електрон от NAD-H към флавопротеин, 10 ATP молекули се синтезират поради окислителната енергия на една глюкозна молекула,
2. Трансфер на електрони в областта от цитохром b към цитохром c 1, 12 ATP молекули се фосфорилират на молекула глюкоза,
3. Електронен трансфер в цитохром с - секция молекулярен кислород, синтезират се 12 молекули АТФ.
Общо на етапа на дихателната верига се осъществява синтезът (фосфорилирането) на 34 ATP молекули. А общият добив на АТФ в процеса на аеробно окисление на една молекула глюкоза е 40 единици.
маса 1
Енергия на окисление на глюкозата
За всяка двойка електрони, прехвърлени по веригата от NAD –H + към кислорода, се синтезират три ATP молекули
Дихателната верига е поредица от протеинови комплекси, вградени във вътрешната мембрана на митохондриите (Фигура 41).
Фиг. 41 Диаграма на местоположението на ензимите на дихателната верига във вътрешната мембрана на митохондриите:
1-NAD-H-дехидрогеназен комплекс, 1-комплекс, 3-цитохромоксидазен комплекс, 4-убихинон, 5-цито-
хром-с, 6-митохондриална матрица, вътрешна митохондриална мембрана, 8-интермембранно пространство.
И така, пълното окисляване на първоначалния субстрат завършва с освобождаване на свободна енергия, значителна част от която (до 50%) се изразходва за синтеза на молекули на АТФ, образуването на CO 2 и другата половина на свободната енергията на окислението на субстрата отива за следните нужди на клетката:
1. За биосинтеза на макромолекули (протеини, мазнини, въглехидрати),
2. За процесите на движение и свиване,
3. За активен транспорт на вещества през мембраните,
4. Да се осигури трансфер на генетична информация.
Фиг. 42 Обща диаграма на процеса на окислително фосфорилиране в митохондриите.
1- външна мембрана на митохондрия, 2- вътрешна мембрана, 3- ензим АТФ синтетаза, вграден във вътрешната мембрана.
Синтез на АТФ молекули
Синтезът на АТФ се извършва във вътрешната мембрана на митохондриите, гледайки в матрицата (фиг. 42 по-горе, в нея са вградени специализирани ензимни протеини, които участват изключително в синтеза на АТФ от АДФ и неорганичен фосфат P n -). АТФ синтетаза (ATP-S). В електронен микроскоп тези ензими имат много характерен външен вид, за който са наречени „гъбени тела“ (фиг.). Тези структури изцяло покриват вътрешната повърхност на митохондриалната мембрана, насочена в матрикса
по думите на известния биоенергетик проф. Тихонова A.N., ATF-S е „най-малкият и най-съвършен мотор в природата“.
Фиг.43 Локализация АТФ синтетази в мито мембраната хондрии (животински клетки) и хлоропласти (растителни клетки). Сините области са зони с висока концентрация на H + (киселинна зона), оранжевите зони са области с ниска концентрация на H +. Долу: пренос на водородни йони H + през мембраната по време на синтеза (а) и хидролизата (б) на АТФ
Ефективността на този ензим е такава, че една молекула е в състояние да извърши 200 цикъла на ензимно активиране в секунда, докато се синтезират 600 ATP молекули.
Интересна подробност за работата на този двигател е, че той съдържа въртящи се части и се състои от роторна част и статор, а роторът се върти обратно на часовниковата стрелка (фиг. 44).
Мембранната част на ATP-C или факторът на конюгация F0 е хидрофобен протеинов комплекс. Вторият фрагмент на ATP-C - фактор на конюгиране F 1 - излиза от мембраната под формата на гъбовидно образувание. В митохондриите на животинските клетки ATP-C е вграден във вътрешната мембрана и комплексът F 1 е обърнат към матрицата.
Образуването на АТФ от ADP и Fn се извършва в каталитичните центрове на фактора на конюгиране F 1. Този протеин може лесно да се изолира от митохондриалната мембрана, като същевременно запазва способността да хидролизира молекулата на АТФ, но губи способността да синтезира АТФ. Способността да се синтезира АТФ е свойство на единичен комплекс F 0 F 1 в митохондриалната мембрана (Фигура 1 а) Това се дължи на факта, че синтезът на АТФ с помощта на АТФ-С е свързан с транспорта на H + протони през него в посока от F 0 rF 1 (Фигура 1 а) . Движещата сила за работата на ATP-C е протонният потенциал, създаден от респираторната електротранспортна верига e - .
ATP-C е обратима молекулярна машина, която катализира както синтеза, така и хидролизата на ATP. В режим на синтез на АТФ ензимът работи, използвайки енергията на H + протони, прехвърлени под влиянието на разликата в протонния потенциал. В същото време ATP-C работи и като протонна помпа - благодарение на енергията на хидролизата на ATP, той изпомпва протони от област с нисък протонен потенциал към област с висок потенциал (Фигура 1b). Сега е известно, че каталитичната активност на ATP-C е пряко свързана с въртенето на неговата роторна част. Беше показано, че молекулата F 1 върти фрагмента на ротора в дискретни скокове със стъпка от 120 0 . Един оборот на 120 0 се придружава от хидролиза на една молекула АТФ.
Забележително качество на въртящия се двигател ATF-S е неговата изключително висока ефективност. Беше показано, че работата, извършена от двигателя при завъртане на роторната част на 120 0, почти точно съвпада с количеството енергия, съхранявана в молекулата на АТФ, т.е. Ефективността на двигателя е близо до 100%.
Таблицата показва сравнителни характеристики на няколко вида молекулярни двигатели, работещи в живи клетки. Сред тях ATP-S се откроява с най-добрите си свойства. По ефективност на работа и сила, която развива, той значително превъзхожда всички познати в природата молекулярни двигатели и, разбира се, всички създадени от човека.
Таблица 2 Сравнителни характеристики на молекулярните двигатели на клетките (по: Kinoshitaetal, 1998).
Молекулата F 1 на комплекса ATP-C е приблизително 10 пъти по-силна от акто-миозиновия комплекс, молекулярна машина, специализирана в извършването на механична работа. Така, много милиони години на еволюция преди да се появи човекът, изобретил колелото, предимствата на въртеливото движение вече са били осъзнати от природата на молекулярно ниво.
Количеството работа, което ATP-S върши, е невероятно. Общата маса на ATP молекулите, синтезирани в тялото на възрастен човек на ден, е около 100 kg. Това не е изненадващо, тъй като тялото претърпява множество
биохимични процеси, използващи АТФ. Следователно, за да може тялото да живее, неговият ATP-C трябва постоянно да се върти, като незабавно попълва резервите на ATP.
Ярък пример за молекулярни електродвигатели е работата на бактериалните флагели. Бактериите плуват със средна скорост от 25 µm/s, а някои от тях плуват със скорост над 100 µm/s. Това означава, че за една секунда бактерията изминава разстояние 10 или повече пъти по-голямо от собствения си размер. Ако един плувец измине разстояние десет пъти по-голямо от собствения си ръст за една секунда, тогава той ще преплува 100-метрова писта за 5 секунди!
Скоростта на въртене на бактериалните електродвигатели варира от 50-100 об / мин до 1000 об / мин, като същевременно те са много икономични и консумират не повече от 1% от енергийните ресурси на клетката.
Фигура 44. Схема на въртене на роторната субединица на АТФ синтетазата.
По този начин както ензимите на дихателната верига, така и синтезът на АТФ са локализирани във вътрешната митохондриална мембрана.
В допълнение към синтеза на АТФ, енергията, освободена по време на транспорта на електрони, също се съхранява под формата на протонен градиент върху митохондриалната мембрана. В същото време се получава повишена концентрация на H + йони (протони) между външната и вътрешната мембрана. Полученият протонен градиент от матрицата в междумембранното пространство служи като движеща сила за синтеза на АТФ (фиг. 42). По същество вътрешната мембрана на митохондриите с вградени АТФ синтетази е перфектна протонна електроцентрала, доставяща енергия за клетъчния живот с висока ефективност.
Когато се достигне определена потенциална разлика (220 mV) през мембраната, АТФ синтетазата започва да транспортира протони обратно в матрицата; в този случай енергията на протоните се преобразува в енергията на синтеза на химичните връзки на АТФ. Ето как окислителните процеси се съчетават със синтетичните
mi в процеса на фосфорилиране на ADP до ATP.
Енергия на окислителното фосфорилиране
дебел
Синтезът на АТФ по време на окисляването на мастни киселини и липиди е още по-ефективен. При пълното окисляване на една молекула мастна киселина, например палмитинова киселина, се образуват 130 молекули АТФ. Промяната в свободната енергия на киселинното окисление е ∆G = -2340 kcal, а енергията, натрупана в АТФ, е около 1170 kcal.
Енергия на окислителното разграждане на аминокиселините
По-голямата част от метаболитната енергия, произведена в тъканите, се осигурява от окисляването на въглехидратите и особено на мазнините; при възрастен до 90% от всички енергийни нужди се покриват от тези два източника. Останалата част от енергията (в зависимост от диетата от 10 до 15%) се доставя от процеса на окисление на аминокиселините (ориз по цикъла на Кребс).
Изчислено е, че една клетка на бозайник съдържа средно около 1 милион (10 6 ) ATP молекули. По отношение на всички клетки на човешкото тяло (10 16 –10 17 ) това възлиза на 10 23 АТФ молекули. Общата енергия, съдържаща се в тази маса на АТФ, може да достигне стойности от 10 24 ккал! (1 J = 2,39x 10 -4 kcal). При 70 kg човек общото количество АТФ е 50 g, по-голямата част от които се консумират и ресинтезират ежедневно.
Един от най-трудните въпроси е образуването, натрупването и разпределението на енергията в клетката.
Как една клетка произвежда енергия?В края на краищата тя няма нито ядрен реактор, нито електроцентрала, нито парен котел, дори и най-малкият. Температурата в клетката е постоянна и много ниска - не повече от 40°. И въпреки това клетките обработват толкова много вещества и толкова бързо, че всяко съвременно растение би им завидяло.
как става това Защо получената енергия остава в клетката и не се отделя като топлина? Как една клетка съхранява енергия? Преди да се отговори на тези въпроси, трябва да се каже, че енергията, влизаща в клетката, не е механична или електрическа, а химическа енергия, съдържаща се в органичните вещества. На този етап влизат в сила законите на термодинамиката. Ако енергията се съдържа в химичните съединения, то тя трябва да се освободи чрез изгарянето им, като за общия топлинен баланс няма значение дали изгарят веднага или постепенно. Клетката избира втория път.
За простота, нека оприличим клетката на „електроцентрала“. Специално за инженерите ще добавим, че “електростанцията” на клетката е топлинна. Сега нека предизвикаме представителите на енергийния сектор на състезание: кой ще получи повече енергия от горивото и ще го използва по-икономично - клетка или която и да е, най-икономичната топлоелектрическа централа?
В процеса на еволюция клетката създава и подобрява своята „електростанция“. Природата се погрижи за всички негови части. Клетката съдържа „гориво“, „мотор-генератор“, „регулатори на мощността му“, „трансформаторни подстанции“ и „проводи за високо напрежение“. Нека да видим как изглежда всичко това.
Основното „гориво“, изгаряно от клетката, са въглехидратите. Най-простите от тях са глюкозата и фруктозата.
От ежедневната медицинска практика е известно, че глюкозата е основно хранително вещество. При тежко недохранени пациенти се прилага интравенозно, директно в кръвта.
По-сложните захари също се използват като енергийни източници. Например обикновената захар, наречена научно захароза и състояща се от 1 молекула глюкоза и 1 молекула фруктоза, може да служи като такъв материал. При животните горивото е гликоген, полимер, състоящ се от молекули глюкоза, свързани във верига. Растенията съдържат вещество, подобно на гликогена - това е добре познатото нишесте. И гликогенът, и нишестето са вещества за съхранение. И двете се оставят настрана за черни дни. Нишестето обикновено се намира в подземни части на растението, като грудки като картофи. В клетките на пулпата на листата на растенията също има много нишесте (под микроскоп нишестените зърна блестят като малки парчета лед).
Гликогенът се натрупва в черния дроб на животните и се използва оттам при необходимост.
Всички захари, които са по-сложни от глюкозата, трябва да се разградят на своите оригинални „градивни елементи“ – глюкозни молекули – преди да бъдат консумирани. Има специални ензими, които разрязват като ножица дългите вериги от нишесте и гликоген на отделни мономери - глюкоза и фруктоза.
Ако има недостиг на въглехидрати, растенията могат да използват органични киселини в своята „камина“ - лимонена, ябълчена и др.
Покълналите маслодайни семена консумират мазнини, които първо се разграждат и след това се превръщат в захар. Това се вижда от факта, че с изразходването на мазнини в семената съдържанието на захар се увеличава.
И така, видовете гориво са изброени. Но за клетката не е изгодно да го изгаря веднага.
Захарите се изгарят химически в клетката. Конвенционалното изгаряне е комбинацията от гориво с кислород, неговото окисляване. Но за да се окисли, едно вещество не трябва да се свързва с кислород - то се окислява, когато от него се отстранят електрони под формата на водородни атоми. Това окисление се нарича дехидрогениране("хидрос" - водород). Захарите съдържат много водородни атоми и те не се отделят наведнъж, а един по един. Окисляването в клетката се осъществява от набор от специални ензими, които ускоряват и насочват окислителните процеси. Този набор от ензими и строгият ред на тяхната работа са в основата на генератора на клетъчна енергия.
Процесът на окисление в живите организми се нарича дишане, така че по-нататък ще използваме този по-разбираем израз. Вътреклетъчното дишане, наречено така по аналогия с физиологичния процес на дишане, е много тясно свързано с него. Ще ви разкажем повече за дихателните процеси по-нататък.
Нека продължим да сравняваме клетка с електроцентрала. Сега трябва да намерим в него онези части от електроцентралата, без които тя ще работи на празен ход. Ясно е, че енергията, получена от изгарянето на въглехидрати и мазнини, трябва да бъде доставена на потребителя. Това означава, че е необходима клетъчна „преносна линия с високо напрежение“. За конвенционална електроцентрала това е сравнително просто - проводници с високо напрежение са опънати над тайгата, степите и реките и чрез тях енергията се доставя на заводи и фабрики.
Клетката има и собствен универсален „проводник за високо напрежение“. Само в него енергията се пренася химически, а „проводниците“, естествено, са химически съединения. За да разберем принципа на неговата работа, нека въведем малко усложнение в работата на електроцентралата. Да приемем, че енергията от линия с високо напрежение не може да бъде доставена на потребителя чрез проводници. В този случай най-лесният начин би бил да зареждате електрически батерии от линия с високо напрежение, да ги транспортирате до потребителя, да транспортирате използваните батерии обратно и т.н. В енергийния сектор това, разбира се, е нерентабилно. И подобен метод е много полезен за клетката.
Като батерия в клетката клетката използва универсално за почти всички организми съединение - аденозинтрифосфорна киселина (вече говорихме за нея).
За разлика от енергията на други фосфоестерни връзки (2-3 килокалории), енергията на свързване на крайните (особено най-външните) фосфатни остатъци в АТФ е много висока (до 16 килокалории); следователно такава връзка се нарича „ макроергичен».
АТФ се намира в тялото навсякъде, където е необходима енергия. Синтезът на различни съединения, работата на мускулите, движението на камшичетата в протозоите - АТФ носи енергия навсякъде.
„Зареждането“ на АТФ в клетката става така. Аденозин дифосфорната киселина - ADP (ATP без 1 фосфорен атом) е подходяща за мястото, където се отделя енергия. Когато енергията може да бъде свързана, ADP се комбинира с фосфора, който се намира в големи количества в клетката, и „заключва“ енергията в тази връзка. Сега имаме нужда от транспортна подкрепа. Състои се от специални ензими - фосфоферази ("фера" - нося), които при поискване "грабват" АТФ и го прехвърлят на мястото на действие. След това идва ред на последния, последен „блок на електроцентралата“ - понижаващи трансформатори. Те трябва да намалят напрежението и да осигурят безопасен ток на консуматора. Същите фосфоферази изпълняват тази роля. Прехвърлянето на енергия от АТФ към друго вещество се извършва на няколко етапа. Първо, АТФ се комбинира с това вещество, след това настъпва вътрешно пренареждане на фосфорните атоми и накрая комплексът се разпада - АДФ се отделя и богатият на енергия фосфор остава „висящ“ върху новото вещество. Новото вещество се оказва много по-нестабилно поради излишната енергия и е способно на различни реакции.
АТФ е универсалната енергийна „валута“ на клетката.Едно от най-удивителните „изобретения“ на природата са молекулите на така наречените „макроергични“ вещества, в чиято химична структура има една или повече връзки, които действат като устройства за съхранение на енергия. В природата са открити няколко подобни молекули, но само една от тях се среща в човешкото тяло – аденозинтрифосфорна киселина (АТФ). Това е доста сложна органична молекула, към която са прикрепени 3 отрицателно заредени остатъка от неорганична фосфорна киселина PO. Именно тези фосфорни остатъци са свързани с органичната част на молекулата чрез „макроергични“ връзки, които лесно се разрушават по време на различни вътреклетъчни реакции. Енергията на тези връзки обаче не се разсейва в пространството под формата на топлина, а се използва за движение или химично взаимодействие на други молекули. Благодарение на това свойство АТФ изпълнява в клетката функцията на универсално устройство за съхранение на енергия (акумулатор), както и на универсална „валута“. В края на краищата почти всяка химическа трансформация, която се случва в клетката, или абсорбира, или освобождава енергия. Съгласно закона за запазване на енергията общото количество енергия, генерирано в резултат на окислителни реакции и съхранявано под формата на АТФ, е равно на количеството енергия, което клетката може да използва за своите синтетични процеси и изпълнението на всякакви функции . Като „заплащане“ за възможността да извърши това или онова действие, клетката е принудена да изразходва своя запас от АТФ. Трябва да се подчертае специално: молекулата на АТФ е толкова голяма, че не може да премине през клетъчната мембрана. Следователно АТФ, произведен в една клетка, не може да се използва от друга клетка. Всяка клетка на тялото е принудена да синтезира АТФ за своите нужди самостоятелно в количествата, в които е необходимо да изпълнява функциите си.
Три източника на ресинтез на АТФ в човешки клетки.Очевидно далечните предшественици на клетките на човешкото тяло са съществували преди много милиони години, заобиколени от растителни клетки, които са ги снабдявали с въглехидрати в изобилие, докато е имало малко или никакъв кислород. Именно въглехидратите са най-използваният компонент на хранителните вещества за производство на енергия в тялото. И въпреки че повечето клетки на човешкото тяло са придобили способността да използват протеини и мазнини като енергийни суровини, някои (например нервни, червени кръвни, мъжки репродуктивни) клетки са способни да произвеждат енергия само чрез окисляване на въглехидрати.
Процесите на първично окисление на въглехидратите - или по-скоро на глюкозата, която всъщност е основният субстрат на окисление в клетките - протичат директно в цитоплазмата: там се намират ензимни комплекси, благодарение на които молекулата на глюкозата е частично се унищожава, а освободената енергия се съхранява под формата на АТФ. Този процес се нарича гликолиза, той може да се проведе във всички клетки на човешкото тяло без изключение. В резултат на тази реакция две 3-въглеродни молекули на пирогроздена киселина и две молекули на АТФ се образуват от една 6-въглеродна молекула на глюкоза.
Гликолизата е много бърз, но относително неефективен процес. Пирогроздената киселина, образувана в клетката след приключване на реакциите на гликолиза, почти веднага се превръща в млечна киселина и понякога (например при тежка мускулна работа) се освобождава в кръвта в много големи количества, тъй като е малка молекула, която може свободно преминават през клетъчната мембрана. Такова масивно освобождаване на киселинни метаболитни продукти в кръвта нарушава хомеостазата и тялото трябва да включи специални хомеостатични механизми, за да се справи с последствията от мускулната работа или други активни действия.
Пирогроздената киселина, образувана в резултат на гликолиза, все още съдържа много потенциална химическа енергия и може да служи като субстрат за по-нататъшно окисляване, но това изисква специални ензими и кислород. Този процес се случва в много клетки, които съдържат специални органели - митохондрии. Вътрешната повърхност на митохондриалните мембрани е съставена от големи липидни и протеинови молекули, включително голям брой окислителни ензими. Тривъглеродните молекули, образувани в цитоплазмата, проникват вътре в митохондриите - обикновено оцетна киселина (ацетат). Там те се включват в непрекъснат цикъл от реакции, по време на които въглеродните и водородните атоми се отделят последователно от тези органични молекули, които, комбинирайки се с кислорода, се превръщат във въглероден диоксид и вода. Тези реакции освобождават голямо количество енергия, която се съхранява под формата на АТФ. Всяка молекула пирогроздена киселина, преминала през пълен цикъл на окисление в митохондриите, позволява на клетката да получи 17 молекули АТФ. Така пълното окисляване на 1 молекула глюкоза осигурява на клетката 2+17x2 = 36 молекули АТФ. Също толкова важно е, че процесът на митохондриално окисление може да включва и мастни киселини и аминокиселини, т.е. компоненти на мазнини и протеини. Благодарение на тази способност митохондриите правят клетката относително независима от това какви храни яде тялото: във всеки случай ще бъде произведено необходимото количество енергия.
Част от енергията се съхранява в клетката под формата на по-малка и по-подвижна молекула, креатин фосфат (CrP), отколкото АТФ. Именно тази малка молекула може бързо да се придвижи от единия край на клетката до другия – там, където енергията е най-необходима в момента. Самият KrF не може да даде енергия на процесите на синтез, мускулна контракция или провеждане на нервен импулс: това изисква ATP. Но от друга страна, KrP лесно и практически без загуби може да предаде цялата енергия, съдържаща се в него, на молекулата на аденазин дифосфат (ADP), която веднага се превръща в АТФ и е готова за по-нататъшни биохимични трансформации.
Така енергията, изразходвана по време на функционирането на клетката, т.е. АТФ може да се обнови поради три основни процеса: анаеробна (безкислородна) гликолиза, аеробно (с участието на кислород) митохондриално окисление, както и поради прехвърлянето на фосфатната група от CrP към ADP.
Източникът на креатин фосфат е най-мощният, тъй като реакцията на креатин фосфата с ADP настъпва много бързо. Въпреки това, резервът на CrP в клетката обикновено е малък - например, мускулите могат да работят с максимално усилие поради CrP за не повече от 6-7 s. Това обикновено е достатъчно, за да задейства втория най-мощен - гликолитичен - източник на енергия. В този случай хранителният ресурс е многократно по-голям, но с напредването на работата хомеостазата се натоварва все повече поради образуването на млечна киселина и ако такава работа се извършва от големи мускули, тя не може да продължи повече от 1,5-2 минути. Но през това време почти напълно се активират митохондриите, които са способни да изгарят не само глюкоза, но и мастни киселини, чийто запас в тялото е почти неизчерпаем. Следователно аеробният митохондриален източник може да работи много дълго време, въпреки че неговата мощност е сравнително ниска - 2-3 пъти по-малка от гликолитичния източник и 5 пъти по-малка от мощността на източника на креатин фосфат.
Характеристики на организацията на производството на енергия в различни тъкани на тялото.Различните тъкани имат различни нива на митохондрии. Те се намират най-малко в костите и бялата мазнина, най-много в кафявата мазнина, черния дроб и бъбреците. В нервните клетки има доста митохондрии. Мускулите нямат висока концентрация на митохондрии, но поради факта, че скелетните мускули са най-масивната тъкан на тялото (около 40% от телесното тегло на възрастен), нуждите на мускулните клетки до голяма степен определят интензивността и посока на всички процеси на енергийния метаболизъм. И.А. Аршавски нарече това "енергийно правило на скелетните мускули".
С възрастта два важни компонента на енергийния метаболизъм се променят наведнъж: съотношението на масите на тъканите с различна метаболитна активност се променя, както и съдържанието на най-важните окислителни ензими в тези тъкани. В резултат на това енергийният метаболизъм претърпява доста сложни промени, но като цяло интензивността му намалява с възрастта, и то доста значително.
Зареждане...
