Energiaallikad taimerakus. Rakkude biokeemia (energeetika). Üldised katabolismi teed

Elusrakul on olemuslikult ebastabiilne ja peaaegu ebatõenäoline organisatsioon; rakk suudab säilitada oma hapra struktuuri väga spetsiifilise ja oma keerukuses kauni korrastatuse vaid tänu pidevale energiatarbimisele.

Niipea, kui energiavarustus peatub, laguneb raku keeruline struktuur ja see läheb korratu ja organisatsioonita olekusse. Lisaks raku terviklikkuse säilitamiseks vajalike keemiliste protsesside pakkumisele tagavad erinevat tüüpi rakud energia muundamise tõttu mitmesuguste mehaaniliste, elektriliste, keemiliste ja osmootsete protsesside rakendamise, mis on seotud raku elutähtsa aktiivsusega. organism.

Olles suhteliselt hiljuti õppinud erinevatest elututest allikatest sisalduvat energiat erinevate tööde tegemiseks ammutama, hakkas inimene mõistma, kui osavalt ja kui suure efektiivsusega rakk energiamuundust tekitab. Energia muundumine elusrakus järgib samu termodünaamika seadusi, mis toimivad elutus looduses. Termodünaamika esimese seaduse kohaselt jääb suletud süsteemi koguenergia mistahes füüsikalise muutuse korral alati konstantseks. Teise seaduse kohaselt võib energia eksisteerida kahel kujul: "vaba" ehk kasuliku energia ja kasutult hajutatud energia kujul. Sama seadus ütleb, et mis tahes füüsilise muutusega kaasneb tendents energia hajumisele, st vaba energia hulga vähendamisele ja entroopia suurenemisele. Samal ajal vajab elusrakk pidevat vaba energia sissevoolu.

Insener saab vajaliku energia peamiselt kütuses sisalduvate keemiliste sidemete energiast. Kütuse põletamisel muudab see keemilise energia soojusenergiaks; ta saab seejärel kasutada soojusenergiat näiteks auruturbiini pöörlemiseks ja sel viisil elektrienergiat hankida. Rakud saavad ka tasuta energiat, vabastades "kütuses" sisalduvate keemiliste sidemete energia. Nendesse ühendustesse salvestavad energiat need rakud, mis sünteesivad kütusena kasutatavaid toitaineid. Kuid rakud kasutavad seda energiat väga spetsiifilisel viisil. Kuna temperatuur, mille juures elusrakk toimib, on ligikaudu konstantne, ei saa rakk töö tegemiseks soojusenergiat kasutada. Selleks, et soojusenergia toimiks, tuleb kuumemalt kehalt soojust külmemale üle kanda. On täiesti selge, et element ei saa oma kütust põletada kivisöe põlemistemperatuuril (900°); see ei talu ka kokkupuudet ülekuumendatud auruga ega kõrgepingevooluga. Rakk peab energiat ammutama ja kasutama üsna püsiva ja pealegi madala temperatuuri, lahjendatud joodikeskkonna ning vesinikioonide kontsentratsiooni väga väikeste kõikumiste tingimustes. Energia vastuvõtmise võime omandamiseks on rakk orgaanilise maailma sajanditepikkuse evolutsiooni jooksul täiustanud oma märkimisväärseid molekulaarseid mehhanisme, mis nendes leebetes tingimustes toimivad ebatavaliselt tõhusalt.

Energia ammutamist tagavad raku mehhanismid jagunevad kahte klassi ning nende mehhanismide erinevuste põhjal võib kõik rakud jagada kahte põhitüüpi. Esimest tüüpi rakke nimetatakse heterotroofseteks; nende hulka kuuluvad kõik inimkeha rakud ja kõigi kõrgemate loomade rakud. Need rakud vajavad pidevat väga keerulise keemilise koostisega valmiskütuse sissevoolu. Nende jaoks on kütuseks süsivesikud, valgud ja rasvad, st teiste rakkude ja kudede eraldiseisvad komponendid. Heterotroofsed rakud saavad energiat nende (teiste rakkude poolt toodetud) keeruliste ainete põletamisel või oksüdeerimisel protsessis, mida nimetatakse hingamiseks, mis hõlmab atmosfääri molekulaarset hapnikku (O 2 ). Heterotroofsed rakud kasutavad seda energiat oma bioloogiliste funktsioonide täitmiseks, vabastades samal ajal süsinikdioksiidi lõpptootena atmosfääri.

Teise tüüpi rakke nimetatakse autotroofseteks. Kõige tüüpilisemad autotroofsed rakud on roheliste taimede rakud. Fotosünteesi käigus seovad nad päikesevalguse energiat, kasutades seda oma vajadusteks. Lisaks kasutavad nad päikeseenergiat atmosfääri süsihappegaasist süsiniku eraldamiseks ja kasutavad seda kõige lihtsama orgaanilise molekuli – glükoosi molekuli – ehitamiseks. Glükoosist loovad roheliste taimede ja teiste organismide rakud keerukamaid molekule, mis moodustavad nende koostise. Selleks vajaliku energia saamiseks põletavad hingamisprotsessis olevad rakud osa nende käsutuses olevast toorainest. Sellest rakus toimuvate energia tsükliliste muundumiste kirjeldusest selgub, et kõik elusorganismid saavad energiat lõpuks päikesevalgusest ja taimerakud saavad seda otse päikeselt ja loomad - kaudselt.

Käesolevas artiklis püstitatud peamiste küsimuste uurimine tugineb vajadusele üksikasjalikult kirjeldada raku kasutatava energia ammutamise primaarset mehhanismi. Enamikku hingamise ja fotosünteesi keeruliste tsüklite etappe on juba uuritud. On kindlaks tehtud, millises konkreetses rakuorganis see või teine protsess toimub. Hingamist teostavad mitokondrid, mida leidub suurel hulgal peaaegu kõigis rakkudes; fotosünteesi tagavad kloroplastid – roheliste taimede rakkudes sisalduvad tsütoplasmaatilised struktuurid. Nendes rakuvormides olevad molekulaarsed mehhanismid, mis moodustavad nende struktuuri ja tagavad nende funktsioonide täitmise, on järgmine oluline etapp raku uurimisel.

Samad hästi uuritud molekulid - adenosiintrifosfaadi (ATP) molekulid - kannavad toitainetest või päikesevalgusest saadud vaba energia hingamis- või fotosünteesikeskustest raku kõikidesse osadesse, tagades kõigi energiatarbimisega kaasnevate protsesside elluviimise. ATP eraldas esimest korda lihaskoest Loman umbes 30 aastat tagasi. ATP molekul sisaldab kolme omavahel seotud fosfaatrühma. Katseklaasis saab lõpprühma ATP molekulist eraldada hüdrolüüsireaktsiooniga, mille tulemusena saadakse adenosiindifosfaat (ADP) ja anorgaaniline fosfaat. Selle reaktsiooni käigus muudetakse ATP molekuli vaba energia soojusenergiaks ja entroopia suureneb vastavalt termodünaamika teisele seadusele. Kuid rakus ei eraldata terminaalset fosfaatrühma lihtsalt hüdrolüüsi teel, vaid see kantakse üle spetsiaalsesse molekuli, mis toimib aktseptorina. Samal ajal säilib märkimisväärne osa ATP molekuli vabast energiast aktseptormolekuli fosforüülimise tõttu, mis nüüd tänu suurenenud energiale omandab võime osaleda energiat tarbivates protsessides, näiteks biosünteesi või lihaste kontraktsiooni protsessides. Pärast ühe fosfaatrühma eraldamist selles sidestatud reaktsioonis muundatakse ATP ADP-ks. Rakkude termodünaamikas võib ATP-d pidada energiakandja (adenosiinfosfaadi) energiarikkaks ehk "laetud" vormiks ja ADP-d energiavaeseks ehk "tühjenenud" vormiks.

Kandja sekundaarset "laadimist" teostab loomulikult üks või teine kahest energia ammutamisega seotud mehhanismist. Loomarakkude hingamise käigus vabaneb oksüdatsiooni tulemusena toitainetes sisalduv energia, mis kulub ADP-st ja fosfaadist ATP ehitamiseks. Taimerakkudes toimuva fotosünteesi käigus muudetakse päikesevalguse energia keemiliseks energiaks ja kulutatakse adenosiinfosfaadi "laadimiseks", st ATP moodustumiseks.

Fosfori radioaktiivse isotoobiga (P 32) tehtud katsed on näidanud, et anorgaaniline fosfaat satub kiiresti ATP terminaalsesse fosfaatrühma ja lahkub sealt uuesti. Neerurakus on terminaalse fosfaatrühma uuenemine nii kiire, et selle poolväärtusaeg on alla 1 minuti; see vastab äärmiselt intensiivsele energiavahetusele selle organi rakkudes. Olgu lisatud, et ATP aktiivsus elusrakus pole sugugi must maagia. Keemikud tunnevad paljusid analoogseid reaktsioone, millega keemilist energiat elututes süsteemides üle kantakse. ATP suhteliselt keeruline struktuur tekkis ilmselt ainult rakus - et tagada energiaülekandega seotud keemiliste reaktsioonide kõige tõhusam reguleerimine.

ATP rolli fotosünteesis on alles hiljuti selgitatud. See avastus võimaldas suures osas selgitada, kuidas fotosünteesirakud seovad süsivesikute sünteesi protsessis päikeseenergiat - kõigi elusolendite peamist energiaallikat.

Päikesevalguse energia kandub edasi footonite ehk kvantidena; erinevat värvi või erineva lainepikkusega valgust iseloomustavad erinevad energiad. Kui valgus langeb mõnele metallpinnale ja neeldub nendesse pindadesse, annavad footonid metallielektronidega kokkupõrke tagajärjel neile oma energia üle. Seda fotoelektrilist efekti saab mõõta tekkiva elektrivooluga. Roheliste taimede rakkudes neelab teatud lainepikkusega päikesevalgust roheline pigment - klorofüll. Neeldunud energia kannab kompleksses klorofülli molekulis olevad elektronid põhienergiatasemelt kõrgemale tasemele. Sellised "ergastatud" elektronid kipuvad naasma uuesti oma peamisele stabiilsele energiatasemele, andes ära neelatud energia. Rakust eraldatud puhtas klorofülli preparaadis kiirgab neeldunud energia uuesti nähtava valguse kujul, nagu ka teiste fosforestseeruvate või fluorestseeruvate orgaaniliste ja anorgaaniliste ühendite puhul.

Seega ei suuda klorofüll katseklaasis olles iseenesest valgusenergiat salvestada ega kasutada; see energia hajub kiiresti, nagu oleks tekkinud lühis. Kuid rakus on klorofüll steeriliselt seotud teiste spetsiifiliste molekulidega; seetõttu, kui see valguse neeldumise mõjul satub ergastatud olekusse, "kuuma" või energiarikkasse olekusse, ei naase elektronid oma normaalsesse (ergastamata) energiaolekusse; selle asemel eralduvad elektronid klorofülli molekulist ja kannavad neid edasi elektronide kandjamolekulid, mis annavad need suletud reaktsiooniahelas üksteisele edasi. Tehes seda teed väljaspool klorofülli molekuli, loobuvad ergastatud elektronid järk-järgult oma energiast ja naasevad oma algsesse kohtadesse klorofülli molekulis, mis on seejärel valmis teise footoni neelama. Samal ajal kasutatakse elektronide poolt loovutatud energiat ADP-st ja fosfaadist ATP moodustamiseks – teisisõnu fotosünteesiraku adenosiinfosfaatsüsteemi "laadimiseks".

Seda fotosünteetilise fosforüülimise protsessi vahendavad elektronkandjad ei ole veel täielikult kindlaks tehtud. Üks neist kandjatest näib sisaldavat riboflaviini (vitamiin B2) ja vitamiini K. Teised liigitatakse tinglikult tsütokroomideks (valgud, mis sisaldavad raua aatomeid, mida ümbritsevad porfüriinirühmad, mis oma asukohalt ja struktuurilt meenutavad klorofülli porfüriini). Vähemalt kaks neist elektronikandjatest on võimelised siduma osa oma energiast, et taastada ATP ADP-st.

See on D. Arnoni ja teiste teadlaste poolt välja töötatud põhiskeem valgusenergia muundamiseks ATP fosfaatsidemete energiaks.

Fotosünteesi protsessis toimub aga lisaks päikeseenergia sidumisele ka süsivesikute süntees. Praegu arvatakse, et mõned ergastatud klorofülli molekuli "kuumad" elektronid koos veest pärinevate vesinikioonidega põhjustavad ühe elektronikandja - trifosfopüridiini nukleotiidi - redutseerumist (st täiendavate elektronide või vesinikuaatomite tootmist). (TPN, vähendatud kujul TPN-N).

Pimedate reaktsioonide seerias, mida nimetatakse seetõttu, et need võivad toimuda valguse puudumisel, põhjustab TPN-N süsinikdioksiidi redutseerumise süsivesikuteks. Enamik nende reaktsioonide jaoks vajalikust energiast pärineb ATP-st. Nende tumedate reaktsioonide olemust uurisid peamiselt M. Calvin ja tema kaastöötajad. Üks ESRD esialgse fotoreduktsiooni kõrvalsaadustest on hüdroksüülioon (OH-). Kuigi meil pole veel täielikke andmeid, eeldatakse, et see ioon loovutab oma elektroni ühele fotosünteesireaktsioonide ahela tsütokroomidest, mille lõpp-produktiks on molekulaarne hapnik. Elektronid liiguvad mööda kandjate ahelat, andes oma energiapanuse ATP moodustumisse, ja lõpuks, olles kulutanud kogu oma liigse energia, sisenevad nad klorofülli molekuli.

Nagu eeldati fotosünteesiprotsessi rangelt korrapärasest ja järjestikusest olemusest, ei ole klorofülli molekulid kloroplastides juhuslikult paigutatud ja loomulikult ei hõlju neid lihtsalt kloroplaste täitvas vedelikus. Vastupidi, klorofülli molekulid moodustavad kloroplastides - grana - korrastatud struktuure, mille vahel on kiudude või membraanide põimumine, mis neid eraldab. Igas granaadis on lamedad klorofülli molekulid kuhjades; iga molekuli võib pidada analoogseks elemendi eraldiseisva plaadi (elektroodiga), terad elementide ja terade komplekti (st kogu kloroplasti) analoogiks elektriakuga.

Kloroplastid sisaldavad ka kõiki neid spetsialiseeritud molekule – elektronide kandjaid, mis koos klorofülliga osalevad energia ammutamisel "kuumadest" elektronidest ja selle energia kasutamisest süsivesikute sünteesimiseks. Rakust ekstraheeritud kloroplastid võivad läbi viia kogu keeruka fotosünteesi protsessi.

Nende miniatuursete päikeseenergial töötavate tehaste efektiivsus on hämmastav. Laboris saab teatud eritingimustel näidata, et fotosünteesi käigus muundub kuni 75% klorofülli molekulile langevast valgusest keemiliseks energiaks; seda arvu ei saa siiski päris täpseks pidada ja sellel teemal on endiselt vaidlusi. Põllul on nii lehtede ebaühtlase valgustatuse tõttu päikese poolt kui ka mitmel muul põhjusel päikeseenergia kasutamise efektiivsus palju madalam – umbes paar protsenti.

Seega peab glükoosimolekul, mis on fotosünteesi lõpp-produkt, sisaldama küllaltki märkimisväärsel hulgal oma molekulaarses konfiguratsioonis sisalduvat päikeseenergiat. Hingamisprotsessis ekstraheerivad heterotroofsed rakud seda energiat glükoosi molekuli järkjärgulise lõhustamise teel, et "säilitada" selles sisalduvat energiat äsja moodustunud ATP fosfaatsidemetes.

Heterotroofseid rakke on erinevat tüüpi. Mõned rakud (näiteks mõned mere mikroorganismid) võivad elada ilma hapnikuta; teised (nagu ajurakud) vajavad absoluutselt hapnikku; teised (näiteks lihasrakud) on mitmekülgsemad ja on võimelised toimima nii hapniku olemasolul keskkonnas kui ka selle puudumisel. Lisaks, kuigi enamik rakke eelistab peamise kütusena kasutada glükoosi, võivad mõned neist eksisteerida ainult aminohapete või rasvhapete arvelt (mille sünteesi põhitooraineks on ikka sama glükoos). Sellegipoolest võib glükoosimolekuli lagunemist maksarakkudes pidada enamikule meile tuntud heterotroofidele tüüpilise energiatootmisprotsessi näiteks.

Glükoosi molekulis sisalduva energia koguhulka on väga lihtne määrata. Põletades laboris teatud kogust (proovi) glükoosi, saab näidata, et glükoosi molekuli oksüdeerumisel moodustub 6 veemolekuli ja 6 süsinikdioksiidi molekuli ning reaktsiooniga kaasneb energia vabanemine kujul. soojust (ligikaudu 690 000 kalorit 1 grammi molekuli kohta, st 180 grammi glükoosi kohta). Soojuse kujul olev energia on peaaegu konstantsel temperatuuril töötava raku jaoks loomulikult kasutu. Glükoosi järkjärguline oksüdeerumine hingamisel toimub aga nii, et suurem osa glükoosimolekuli vabast energiast salvestub rakule sobival kujul.

Selle tulemusena saab rakk üle 50% kogu oksüdatsiooni käigus vabanevast energiast fosfaatsideme energia kujul. Selline kõrge kasutegur on soodsalt võrreldav sellega, mida tavaliselt saavutatakse tehnoloogias, kus harva on võimalik muuta üle kolmandiku kütuse põletamisel saadavast soojusenergiast mehaaniliseks või elektrienergiaks.

Glükoosi oksüdatsiooniprotsess rakus jaguneb kaheks põhifaasiks. Esimeses ehk ettevalmistavas faasis, mida nimetatakse glükolüüsiks, jagatakse kuue süsinikuga glükoosimolekul kaheks kolmesüsiniklikuks piimhappemolekuliks. See pealtnäha lihtne protsess koosneb mitte ühest, vaid vähemalt 11 etapist, kusjuures iga etappi katalüüsib erinev ensüüm. Võib tunduda, et selle operatsiooni keerukus on vastuolus Newtoni aforismiga "Natura entm simplex esi" ("loodus on lihtne"); siiski tuleb meeles pidada, et selle reaktsiooni eesmärk ei ole lihtsalt glükoosi molekuli pooleks jagamine, vaid selles molekulis sisalduva energia eraldamine. Iga vaheühend sisaldab fosfaatrühmi ja selle tulemusena kasutatakse reaktsioonis kahte ADP molekuli ja kahte fosfaatrühma. Lõppkokkuvõttes ei moodustu glükoosi lagunemise tulemusena mitte ainult kaks piimhappemolekuli, vaid lisaks kaks uut ATP molekuli.

Mida see energia mõttes tähendab? Termodünaamilised võrrandid näitavad, et ühe grammi glükoosi molekuli lagundamisel piimhappe moodustumisel vabaneb 56 000 kalorit. Kuna iga ATP-gramm-molekuli moodustamiseks on seotud 10 000 kalorit, on energia kogumise protsessi efektiivsus selles etapis umbes 36% – väga muljetavaldav näitaja võrreldes sellega, millega tavaliselt tehnoloogias tegeletakse. Kuid need 20 000 kalorit, mis on muudetud fosfaatsideme energiaks, moodustavad vaid väikese osa (umbes 3%) kogu energiast, mis sisaldub grammi glükoosi molekulis (690 000 kalorit). Samal ajal eksisteerivad paljud rakud, näiteks anaeroobsed rakud või lihasrakud, mis on aktiivses olekus (ja praegu ei saa hingata), selle tühise energiakasutuse tõttu.

Pärast glükoosi lagundamist piimhappeks jätkavad aeroobsed rakud suurema osa järelejäänud energiast eraldamist hingamise kaudu, mille käigus kolme süsinikuga piimhappemolekulid lagunevad ühe süsinikdioksiidi molekulideks. Piimhape või õigemini selle oksüdeeritud vorm püroviinamarihape läbib veelgi keerulisema reaktsioonide jada, millest igaüks katalüüsib jällegi spetsiifiline ensüümsüsteem. Esiteks laguneb kolme süsinikuga ühend, moodustades äädikhappe (atsetüülkoensüüm A) ja süsinikdioksiidi aktiveeritud vormi. "Kahe süsiniku fragment" (atsetüülkoensüüm A) ühineb seejärel nelja süsinikuühendiga oksaloäädikhappega, mille tulemuseks on kuus süsinikuaatomit sisaldav sidrunhape. Reaktsioonide käigus muudetakse sidrunhape uuesti oksaloäädikhappeks ja selles reaktsioonitsüklis "serveeritud" püroviinamarihappe kolm süsinikuaatomit annavad lõpuks süsinikdioksiidi molekulid. Seda "veskit", mis "jahvatab" (oksüdeerib) mitte ainult glükoosi, vaid ka varem äädikhappeks lagunenud rasva ja aminohappe molekule, tuntakse Krebsi tsükli või sidrunhappe tsüklina.

Tsüklit kirjeldas esmakordselt G. Krebs aastal 1937. See avastus on üks kaasaegse biokeemia alustalasid ja selle autor pälvis 1953. aastal Nobeli preemia.

Krebsi tsükkel jälgib piimhappe oksüdeerumist süsinikdioksiidiks; aga see tsükkel üksi ei suuda seletada, kuidas saab piimhappemolekulis sisalduvaid suuri energiakoguseid elusrakus kasutamiseks sobival kujul ekstraheerida. Seda Krebsi tsükliga kaasnevat energia ammutamise protsessi on viimastel aastatel intensiivselt uuritud. Üldpilt on enam-vähem selge, kuid palju detaile tuleb veel uurida. Ilmselt eralduvad Krebsi tsükli ajal ensüümide osalusel elektronid vaheproduktidest ja kanduvad üle mitmete kandjamolekulide kaudu, mis on ühendatud hingamisahela üldnimetuse alla. See ensüümi molekulide ahel kujutab kõigi elektronide viimast ühist teed, mis on bioloogilise oksüdatsiooni käigus toitainete molekulidest eemaldatud. Selle ahela viimases lülis ühinevad elektronid lõpuks hapnikuga, moodustades vee. Seega on toitainete lagunemine hingamise käigus fotosünteesi pöördprotsess, mille käigus elektronide eemaldamine veest viib hapniku moodustumiseni. Pealegi on hingamisahela elektronkandjad keemiliselt väga sarnased vastavate fotosünteesi protsessis osalevate kandjatega. Nende hulgas on näiteks riboflaviini ja kloroplasti omadega sarnaseid tsütokroomi struktuure. See kinnitab Newtoni aforismi looduse lihtsuse kohta.

Nagu fotosünteesi puhul, püütakse kinni mööda seda ahelat hapnikuni liikuvate elektronide energia ja seda kasutatakse ATP sünteesimiseks ADP-st ja fosfaadist. Tegelikult on seda hingamisahelas toimuvat fosforüülimist (oksüdatiivne fosforüülimine) paremini uuritud kui suhteliselt hiljuti avastatud fotosünteesi käigus toimuvat fosforüülimist. Näiteks on kindlalt kindlaks tehtud, et hingamisahelas on kolm keskust, milles adenosiinfosfaat on "laetud", st moodustub ATP. Seega moodustub iga Krebsi tsükli jooksul piimhappest lõhustatud elektronide paari kohta keskmiselt kolm ATP molekuli.

ATP kogutoodangu põhjal on praegu võimalik välja arvutada termodünaamiline efektiivsus, millega rakk ekstraheerib glükoosi oksüdeerimisel talle kättesaadavaks tehtud energiat. Glükoosi esialgne jagamine kaheks piimhappemolekuliks annab kaks ATP molekuli. Iga piimhappemolekul kannab lõpuks kuus paari elektrone hingamisahelasse. Kuna iga ahelat läbiv elektronide paar põhjustab kolme ADP molekuli muundumise ATP-ks, tekib tegeliku hingamise käigus 36 ATP molekuli. Nagu me juba märkisime, on iga grammi ATP molekuli moodustamisel seotud umbes 10 000 kalorit ja seetõttu seob 38 grammi ATP molekuli ligikaudu 380 000 algses grammi glükoosi molekulis sisalduvast 690 000 kalorist. Seega võib glükolüüsi ja hingamise seotud protsesside efektiivsust lugeda vähemalt 55%-ks.

Hingamisprotsessi äärmuslik keerukus on veel üks märk sellest, et selles osalevad ensümaatilised mehhanismid ei saaks toimida, kui koostisained lihtsalt lahusesse segada. Nii nagu fotosünteesiga seotud molekulaarsetel mehhanismidel on teatud struktuurne korraldus ja need sisalduvad kloroplastis, esindavad ka raku hingamisorganid – mitokondrid – sama struktuurselt korrastatud süsteemi.

Sõltuvalt selle tüübist ja funktsiooni iseloomust võib rakus olla 50 kuni 5000 mitokondrit (maksarakk sisaldab näiteks umbes 1000 mitokondrit). Need on piisavalt suured (pikkusega 3-4 mikronit), et olla tavalise mikroskoobiga nähtavad. Mitokondrite ultrastruktuur on aga märgatav ainult elektronmikroskoobis.

Elektronmikrograafidel on näha, et mitokondril on kaks membraani, kusjuures sisemine membraan moodustab voldid, mis ulatuvad mitokondrite kehasse. Hiljutine maksarakkudest eraldatud mitokondrite uuring näitas, et Krebsi tsüklis osalevate ensüümide molekulid paiknevad maatriksis ehk mitokondrite sisemise sisu lahustuvas osas, hingamisahela ensüümid aga molekulaarses vormis. ansamblid" asuvad membraanides. Membraanid koosnevad vahelduvatest valgu- ja lipiidide (rasva) molekulide kihtidest; kloroplastide grana membraanidel on sama struktuur.

Seega on nende kahe peamise "elektrijaama" ehituses selge sarnasus, millest sõltub kogu raku eluiga, sest üks neist "salvestab" päikeseenergiat ATP fosfaatsidemetesse ja teine muundab toitainetes sisalduv energia ATP energiaks.

Kaasaegse keemia ja füüsika edusammud on viimasel ajal võimaldanud selgitada teatud suurte molekulide, näiteks mitmete valkude ja DNA molekulide, st geneetilist teavet sisaldavate molekulide ruumilist struktuuri.

Järgmiseks oluliseks sammuks raku uurimisel on välja selgitada suurte ensüümmolekulide (mis ise on valgud) asukoht mitokondriaalsetes membraanides, kus need paiknevad koos lipiididega – selline paigutus, mis tagab iga katalüsaatori molekuli õige orientatsiooni. ja selle koostoime võimalus kogu töömehhanismi järgneva lüliga. Mitokondrite "ühendusskeem" on juba selge!

Kaasaegne teave raku elektrijaamade kohta näitab, et see jätab kaugele maha mitte ainult klassikalise energia, vaid ka tehnika uusimad, palju säravamad saavutused.

Elektroonika on saavutanud hämmastavat edu arvutusseadmete koostisosade paigutusel ja suuruse vähendamisel. Kõiki neid õnnestumisi ei saa aga võrrelda orgaanilise evolutsiooni käigus välja töötatud ja igas elusrakus esinevate kõige keerukamate energia muundamise mehhanismide täiesti uskumatu miniaturiseerimisega.

Üldised katabolismi teed

http://biokhimija.ru/obshhwie-puti-katabolizma/razobshhiteli-ingibitory.html

Mis on ainevahetus?

Ainevahetus on väga koordineeritud ja sihipärane rakutegevus, mille tagavad paljude omavahel seotud ensümaatiliste süsteemide osalemine ja mis hõlmab kahte lahutamatut protsessi anabolism Ja katabolism.

See täidab kolme erifunktsiooni:

1. Energia rakkude varustamine keemilise energiaga

2. Plastikust– makromolekulide kui ehitusplokkide süntees,

3. Konkreetne– spetsiifiliste rakufunktsioonide täitmiseks vajalike biomolekulide süntees ja lagundamine.

Anabolism

Anabolism on valkude, polüsahhariidide, lipiidide, nukleiinhapete ja muude makromolekulide biosüntees väikestest prekursormolekulidest. Kuna sellega kaasneb konstruktsiooni tüsistus, nõuab see energiat. Sellise energia allikaks on ATP energia.

NADP-NADPH tsükkel

Samuti on teatud ainete (rasvhapped, kolesterool) biosünteesiks vaja energiarikkaid vesinikuaatomeid – nende allikaks on NADPH. NADPH molekulid moodustuvad glükoos-6-fosfaadi oksüdatsioonireaktsioonides pentoosi rajas ja oksaloatsetaadis õunensüümi toimel. Anabolismireaktsioonides loovutab NADPH oma vesinikuaatomid sünteetilistele reaktsioonidele ja oksüdeeritakse NADP-ks. Nii see moodustub NADP-NADPH- tsükkel.

Katabolism

Katabolism on keerukate orgaaniliste molekulide lagunemine ja oksüdeerimine lihtsamateks lõpptoodeteks. Sellega kaasneb ainete keerulises struktuuris sisalduva energia vabanemine. Suurem osa vabanenud energiast hajub soojusena. Väiksema osa sellest energiast "peavad kinni" oksüdatiivsete reaktsioonide koensüümid. ÜLAL Ja FAD, osa sellest kasutatakse kohe ATP sünteesiks.

Tuleb märkida, et ainete oksüdatsioonireaktsioonides vabanevaid vesinikuaatomeid saab rakk kasutada ainult kahel viisil:

· peal anaboolsed reaktsioonid kompositsioonis NADPH.

· peal ATP moodustumine mitokondrites oksüdatsiooni ajal NADH Ja FADN 2.

Kogu katabolism jaguneb tinglikult kolmeks etapiks:

Juhtub sisse sooled(toidu seedimine) või lüsosoomides niigi mittevajalike molekulide lagunemise käigus. Sel juhul vabaneb umbes 1% molekulis sisalduvast energiast. See hajub soojusena.

Intratsellulaarse hüdrolüüsi käigus tekkinud või verest rakku tungivad ained muundatakse tavaliselt teises etapis püroviinamarihappeks, atsetüülrühmaks (atsetüül-S-CoA osana) ja mõneks muuks väikeseks orgaaniliseks molekuliks. Teise etapi lokaliseerimine - tsütosool Ja mitokondrid.

Osa energiast hajub soojusena ja ligikaudu 13% aine energiast neeldub, s.o. säilitatakse ATP makroergiliste sidemete kujul.

Katabolismi üldiste ja spetsiifiliste radade skeem

Kõik selle etapi reaktsioonid lähevad mitokondrid. Atsetüül-SCoA osaleb trikarboksüülhappe tsükli reaktsioonides ja oksüdeerub süsinikdioksiidiks. Vabanenud vesinikuaatomid ühinevad NAD ja FAD-iga ning taastavad need. Pärast seda kannavad NADH ja FADH 2 vesiniku hingamisteede ensüümide ahelasse mitokondrite sisemembraanil. Siin on protsessi, mida nimetatakse " oksüdatiivne fosforüülimine tekib vesi ja bioloogilise oksüdatsiooni põhiproduktiks on ATP.

Osa selles etapis vabanenud molekuli energiast hajub soojusena ning ligikaudu 46% algaine energiast omastatakse, s.o. säilitatakse ATP ja GTP sidemetes.

ATP roll

Reaktsioonides vabanev energia katabolism, salvestatakse võlakirjade kujul, mida nimetatakse makroergiline. Peamine ja universaalne molekul, mis energiat talletab ja vajadusel ära annab, on ATP.

Kõik rakus olevad ATP molekulid osalevad pidevalt mis tahes reaktsioonides, lagunevad pidevalt ADP-ks ja regenereeritakse uuesti.

On kolm peamist viisi kasutada ATP

Ainete biosüntees

ainete transport läbi membraanide

muutus raku kujus ja liikumises.

Need protsessid koos protsessiga haridust ATP-d nimetatakse ATP tsükkel:

ATP tsirkulatsioon raku elus

Kust ATP rakus tuleb?

Rakku energia hankimise viisid

Rakus on neli peamist protsessi, mis tagavad energia vabanemise keemilistest sidemetest ainete oksüdeerumisel ja selle säilitamisel:

1. Glükolüüs (bioloogilise oksüdatsiooni 2. etapp) - glükoosimolekuli oksüdeerimine kaheks püroviinamarihappe molekuliks, mille käigus moodustub 2 molekuli ATP Ja NADH. Lisaks muudetakse püroviinamarihape aeroobsetes tingimustes atsetüül-SCoA-ks ja anaeroobsetes tingimustes piimhappeks.

2. Rasvhapete β-oksüdatsioon (bioloogilise oksüdatsiooni 2. etapp) - rasvhapete oksüdatsioon atsetüül-SCoA-ks, siin tekivad molekulid NADH Ja FADN 2. ATP molekulid "puhtal kujul" ei ilmu.

3. Trikarboksüülhappe tsükkel (CTC, bioloogilise oksüdatsiooni 3. etapp) - atsetüülrühma (atsetüül-SCoA osana) või teiste ketohapete oksüdeerimine süsinikdioksiidiks. Täistsükli reaktsioonidega kaasneb 1 molekuli moodustumine GTP(mis võrdub ühe ATP-ga), 3 molekuli NADH ja 1 molekul FADN 2.

4. Oksüdatiivne fosforüülimine (bioloogilise oksüdatsiooni 3. etapp) - oksüdeeritakse NADH ja FADH 2, mis saadakse glükoosi, aminohapete ja rasvhapete katabolismi reaktsioonides. Samal ajal pakuvad moodustumist mitokondrite sisemembraanil olevad hingamisahela ensüümid suurem raku osad ATP.

Kaks võimalust ATP sünteesimiseks

Peamine viis ATP saamiseks rakus on oksüdatiivne fosforüülimine, mis toimub mitokondrite sisemembraani struktuurides. Samal ajal muundatakse glükolüüsi, TCA ja rasvhapete oksüdatsiooni käigus moodustunud NADH ja FADH 2 molekulide vesinikuaatomite energia ATP sidemete energiaks.

Siiski on ka teine viis ADP fosforüülimiseks ATP-ks - substraadi fosforüülimine. Seda meetodit seostatakse makroergilise fosfaadi või aine (substraadi) makroergilise sideme energia ülekandmisega ADP-le. Nende ainete hulka kuuluvad glükolüüsi metaboliidid ( 1,3-difosfoglütseriinhape, fosfoenoolpüruvaat), trikarboksüülhappe tsükkel ( suktsinüül-SCoA) Ja kreatiinfosfaat. Nende makroergilise sideme hüdrolüüsi energia ATP-s on suurem kui 7,3 kcal/mol ja nende ainete roll taandub selle energia kasutamisele ADP molekuli fosforüülimisel ATP-ks.

Fotosünteesivõimetud rakud (näiteks inimesel) saavad energiat toidust, milleks on kas fotosünteesi tulemusena tekkinud taimede biomass või teiste taimi söövate elusolendite biomass või mis tahes elusorganismide jäänused.

Toitained (valgud, rasvad ja süsivesikud) muundab loomarakk piiratud hulgaks madala molekulmassiga ühendeid – süsinikuaatomitest üles ehitatud orgaanilisteks hapeteks, mis spetsiaalsete molekulaarsete mehhanismide abil oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks ja veeks. See vabastab energiat, see koguneb membraanidele elektrokeemilise potentsiaali erinevusena ja seda kasutatakse ATP sünteesimiseks või otseselt teatud tüüpi tööde tegemiseks.

Loomarakus energia muundamise probleemide uurimise ajalugu, nagu ka fotosünteesi ajalugu, ulatub enam kui kahe sajandi taha.

Aeroobsetes organismides toimub orgaaniliste hapete süsinikuaatomite oksüdatsioon süsinikdioksiidiks ja veeks hapniku abil ning seda nimetatakse rakusiseseks hingamiseks, mis toimub spetsiaalsetes osakestes - mitokondrites. Oksüdatsioonienergia transformatsiooni viivad läbi ensüümid, mis paiknevad mitokondrite sisemembraanides ranges järjekorras. Need ensüümid moodustavad nn hingamisahela ja töötavad generaatoritena, luues membraanil elektrokeemiliste potentsiaalide erinevuse, mille tõttu sünteesitakse ATP-d, nagu see juhtub fotosünteesi ajal.

Nii hingamise kui ka fotosünteesi põhiülesanne on säilitada ATP / ADP suhe teatud tasemel, kaugel termodünaamilisest tasakaalust, mis võimaldab ATP-l olla energiadoonor, nihutades nende reaktsioonide tasakaalu, milles ta osaleb.

Elusrakkude peamised energiajaamad on mitokondrid – kahe membraaniga kaetud rakusisesed osakesed suurusega 0,1-10μ. Mitokondrites muundatakse toidu oksüdatsiooni vaba energia ATP vabaks energiaks. Kui ATP ühineb veega, vabaneb reagentide normaalsete kontsentratsioonide korral vaba energia suurusjärgus 10 kcal / mol.

Anorgaanilises looduses nimetatakse vesiniku ja hapniku segu "plahvatusohtlikuks": piisab väikesest sädemest, et tekitada plahvatus - vee hetkeline moodustumine koos tohutu energia vabanemisega soojuse kujul. Ülesanne, mida hingamisahela ensüümid täidavad, on tekitada "plahvatus", nii et vabanenud energia salvestub ATP sünteesiks sobival kujul. Mida nad teevad: kannavad elektrone korrapäraselt ühelt komponendilt teisele (lõpuks hapnikku), alandades järk-järgult vesiniku potentsiaali ja salvestades energiat.

Järgmised joonised näitavad selle töö ulatust. Keskmise pikkuse ja kehakaaluga täiskasvanud inimese mitokondrid pumpavad läbi oma membraanide umbes 500 g vesinikioone päevas, moodustades membraanipotentsiaali. Samal ajal toodab H + -ATP süntaas ADP-st ja fosfaadist umbes 40 kg ATP-d ning ATP-d kasutavad protsessid hüdrolüüsivad kogu ATP massi tagasi ADP-ks ja fosfaadiks.

Uuringud on näidanud, et mitokondriaalne membraan toimib pingetrafona. Kui substraadi elektronid kanduvad NADH-st membraani kaudu otse hapnikku, tekib potentsiaalide erinevus umbes 1 V. Kuid bioloogilised membraanid – kahekihilised fosfolipiidkiled ei pea sellisele erinevusele vastu – tekib rike. Lisaks on ADP-st, fosfaadist ja veest ATP tootmiseks vaja vaid 0,25 V, mis tähendab, et vaja on pingetrafot. Ja ammu enne inimese tulekut "leiutasid" rakud sellise molekulaarse seadme. See võimaldab teil voolu neli korda suurendada ja iga substraadist hapnikku kantud elektroni energia tõttu kanda neli prootonit läbi membraani hingamisahela molekulaarsete komponentide vahelise keemiliste reaktsioonide rangelt kooskõlastatud järjestuse tõttu.

Niisiis, kaks peamist viisi ATP genereerimiseks ja regenereerimiseks elusrakkudes: oksüdatiivne fosforüülimine (hingamine) ja fotofosforüülimine (valguse neeldumine) sõltuvad mõlemad membraanidesse sukeldatud katalüütiliste ensüümide ahelate tööst, kuigi neid toetavad erinevad välised energiaallikad. : mitokondrite sisemembraanid, kloroplastide tülakoidmembraanid või mõnede bakterite plasmamembraanid.

Keemilistes reaktsioonides, kui lihtsate molekulide vahel moodustuvad sidemed, kulub energia, purunemisel energia vabaneb.

Roheliste taimede fotosünteesi käigus muundatakse päikesevalguse energia süsinikdioksiidi ja veemolekulide vahel tekkivate keemiliste sidemete energiaks. Moodustub glükoosimolekul: CO 2 + H 2 O + Q (energia) \u003d C 6 H 12 O 6.

Glükoos on inimeste ja enamiku loomade peamine energiaallikas.

Selle energia assimilatsiooni protsessi nimetatakse "oksüdatiivseks fosforüülimiseks". Oksüdatsiooni käigus vabanev energia (Q) kasutatakse koheselt adenosiindifosforhappe (ADP) fosforüülimiseks:

ADP+P+Q (energia)=ATP

Selgub, et raku adenosiintrifosforhappe (ATP) "universaalne energiavaluuta". Seda saab kasutada igal ajal kehale kasulike tööde või soojendamise jaoks.

ATP®ADP+P+Q (energia)

Glükoosi oksüdatsiooniprotsess toimub kahes etapis.

1. Anaeroobne (hapnikuvaba) oksüdatsioon ehk glükolüüs toimub raku siledal endoplasmaatilisel retikulumil. Selle tulemusena rebeneb glükoos kaheks osaks ja vabanevast energiast piisab kahe ATP molekuli sünteesiks.

2. Aeroobne (hapniku) oksüdatsioon. Kaks osa glükoosi (2 püroviinamarihappe molekuli) jätkavad hapniku juuresolekul oksüdatiivsete reaktsioonide jada. See etapp toimub mitokondritel ja viib molekulide edasise rebenemiseni ja energia vabanemiseni.

Ühe glükoosi molekuli oksüdatsiooni teise etapi tulemuseks on 6 süsinikdioksiidi molekuli, 6 veemolekuli ja energia moodustumine, millest piisab 36 ATP molekuli sünteesiks.

Teise etapi oksüdatsiooni substraatidena saab kasutada mitte ainult glükoosist saadud molekule, vaid ka lipiidide, valkude, alkoholide ja muude energiamahukate ühendite oksüdatsiooni tulemusena saadud molekule.

Äädikhappe aktiivne vorm - A-CoA (atsetüülkoensüüm A või atsetüülkoensüüm A) on kõigi nende ainete (glükoos, aminohapped, rasvhapped ja teised) oksüdatsiooni vaheprodukt.

A-CoA on süsivesikute, valkude ja lipiidide ainevahetuse ristumiskoht.

Glükoosi ja muude energiat kandvate substraatide ülejäägiga hakkab keha neid ladestuma. Sel juhul oksüdeeritakse glükoos tavapärasel viisil piim- ja püroviinamarihappeks, seejärel A-CoA-ks. Lisaks saab A-CoA rasvhapete ja rasvamolekulide sünteesi aluseks, mis ladestuvad nahaalusesse rasvkoesse. Vastupidi, glükoosi puudumisel sünteesitakse see valkudest ja rasvadest A-CoA (glükoneogenees) kaudu.

Vajadusel saab täiendada ka mitteasendamatute aminohapete varusid teatud valkude ehituseks.

ELUSRAKU ENERGIA

Põhiprotsessid, mis määravad elusa ja eluta looduse erinevuse, toimuvad rakutasandil. Elektronide liikumine mängib elusraku sees energia muundamisel ja ülekandmisel otsustavat rolli. Kuid energia ei pärine mingil juhul rakkudest endist: see tuleb väljastpoolt. Spetsiaalsed molekulaarsed mehhanismid aeglustavad selle liikumist vaid kümneid tuhandeid kordi, võimaldades teistel molekulidel seda energiat osaliselt kasutada raku jaoks kasuliku töö tegemiseks. Kulutamata energia läheb soojuse kujul väliskeskkonda. Tatjana Vasilievna POTAPOVA, N.I. juhtivteadur. A.N. Belozersky, bioloogiateaduste doktor.

Päikese lapsed

Universum on energiaga täidetud, kuid elusorganismidele sobivad vaid vähesed selle liigid. Enamiku meie planeedi bioloogiliste protsesside peamine energiaallikas on päikesevalgus.

Rakk on elu põhiüksus, see töötab pidevalt oma struktuuri säilitamiseks ja vajab seetõttu pidevat vaba energiavarustust. Tehnoloogiliselt pole tal sellist probleemi lihtne lahendada, kuna elusrakk peab kasutama energiat konstantsel (ja pealegi üsna madalal) temperatuuril lahjendatud vesikeskkonnas. Evolutsiooni käigus on sadade miljonite aastate jooksul moodustunud elegantsed ja täiuslikud molekulaarsed mehhanismid, mis võivad töötada ebatavaliselt tõhusalt väga leebetes tingimustes. Selle tulemusena on rakuenergia efektiivsus palju kõrgem kui mis tahes inimese leiutatud inseneriseadmetel.

Raku energiatrafod on bioloogilistesse membraanidesse põimitud spetsiaalsete valkude kompleksid. Sõltumata sellest, kas vaba energia siseneb rakku väljastpoolt otse valguskvantidega (fotosünteesi käigus) või toidusaaduste oksüdeerumise tulemusena atmosfäärihapnikuga (hingamise käigus), käivitab see elektronide liikumise. Selle tulemusena tekivad adenosiintrifosfaadi (ATP) molekulid ja suureneb bioloogiliste membraanide elektrokeemiliste potentsiaalide erinevus.

ATP ja membraanipotentsiaal on kaks suhteliselt statsionaarset energiaallikat igasuguse rakusisese töö jaoks. Tuletage meelde, et adenosiintrifosfaadi molekul on väga väärtuslik evolutsiooniline omandus. Välisest allikast ammutatud energia salvestatakse fosfaatrühmade vahel "kõrge energiaga sidemete" kujul. ATP annetab väga meelsasti oma fosfaatrühmi kas veele või teistele molekulidele, seega on see asendamatu vahendaja keemilise energia ülekandmisel.

elektrilised nähtused

raku energias

ATP loomise mehhanism jäi paljudeks aastateks saladuseks, kuni avastati, et see protsess on põhiliselt elektriline. Mõlemal juhul: nii hingamisahela (valkude kogum, mis teostab substraatide oksüdeerimist hapnikuga) kui ka sarnase fotosünteesikaskaadi jaoks genereeritakse prootonivool läbi membraani, millesse valgud on sukeldatud. Voolud annavad energiat ATP sünteesiks ja toimivad ka teatud tüüpi tööde energiaallikana. Kaasaegses bioenergias on tavaks pidada alternatiivseteks ja vastastikku konverteeritavateks energiavaluutadeks ATP-d ja prootonivoolu (täpsemalt prootonipotentsiaali). Mõned funktsioonid on makstud ühes valuutas, mõned teises valuutas.

XX sajandi keskpaigaks. biokeemikud teadsid kindlalt, et bakterites ja mitokondrites liiguvad elektronid redutseeritavatest substraatidest hapnikku läbi elektronikandjate kaskaadi, mida nimetatakse hingamisahelaks. Mõistatus seisnes selles, kuidas elektronide ülekanne ja ATP süntees on omavahel seotud. Rohkem kui 10 aastat süttis lootus saladust avastada ja kustus uuesti. Otsustavat rolli ei mänginud tehniliste raskuste ületamine, vaid kontseptuaalne areng. Konjugatsioon osutus põhimõtteliselt mitte keemiliseks, vaid elektriliseks. 1961. aastal avaldas inglise teadlane P. Mitchell ajakirjas "Nature" radikaalse idee sajandi biokeemilise mõistatuse lahendamiseks: kemosmootilise hüpoteesi. Mitchelli idee oli tõeliselt revolutsiooniline paradigma muutus, kontseptuaalse raamistiku ümberkujundamine ja oli alguses vastuoluline.

1966. aastal kirjutas Mitchell oma esimese raamatu "Chemiosmotic Coupling in Oxidative and Photosynthetic Phosphorylation". Samal aastal leidsid Vene teadlased, biofüüsik E. Lieberman ja biokeemik V. Skulatšev, kuidas Mitchelli õigsust katseliselt kinnitada. Sünteetiliste ioonide abil, mis tungisid läbi bioloogilise membraani, näitasid nad, et hingamine ja fosforüülimine on tõepoolest seotud prootonipotentsiaali kaudu. Moskva Riikliku Ülikooli bioloogiateaduskonna biofüüsikud A. Bulõtšev, V. Andrianov, G. Kurella ja F. Litvin astusid Mitchelli toetuseks järjekordse tõsise sammu. Mikroelektroodide abil registreerisid nad transmembraanse elektrilise potentsiaali erinevuse teket, kui suured kloroplastid olid valgustatud.

Veel paar aastat vaidlusi ja põhjalikku kontrolli erinevates laborites üle maailma – ja Mitchelli ideed said lõpuks tunnustatud. Ta võeti vastu Suurbritannia Kuninglikku Seltsi (ja sai sellest tulenevalt härra), pälvis palju mainekaid rahvusvahelisi auhindu ja 1978. aastal anti talle Nobeli preemia, mida vastupidiselt traditsioonile ei antud seekord mitte nn. uus nähtus, kuid selle olemasolu kohta oletamiseks.

Elektronide transpordiahel osutus mitte ainult membraaniga ühendatud, vaid sellesse sisse põimitud nii, et kui elektron liigub substraadilt hapnikku, siis proto-

liigume sisepinnalt väljapoole. Membraan moodustab suletud mulli, mis ei lase prootoneid hästi läbi, seetõttu tekib prootonite "väljapumpamise" tulemusena läbi membraani potentsiaalide erinevus: elektriline negatiivsus sees. Samal ajal tõuseb pH: mulli sees olev keskkond muutub aluseliseks. Väljas olevad prootonid on palju suurema elektrokeemilise potentsiaaliga kui sees, justkui "surve" all nii elektripotentsiaalist kui pH gradiendist, mis suruvad prootonid läbi membraani tagasi mulli. Elusrakk kasutab selliste prootonite energiat erinevat tüüpi tööde tegemiseks.

Märkimisväärsed edusammud valkude röntgendifraktsioonianalüüsis on võimaldanud näha üksikute valgukomplekside terviklikke ruumilisi struktuure, mis moodustavad hingamisahela. Mitokondriaalsetes membraanides lokaliseeritud elektronide transpordiahela valgud on võimelised muutma oma neeldumisspektrit elektrone vastu võttes ja annetades. Mikrospektraalmeetodid võimaldavad jälgida elektronide ülekande järjestust mööda valkude ahelat ja täpselt teada saada, millistes kohtades kasutatakse osa elektronide vabast energiast ATP sünteesiks.

Mitchelli idee kohaselt kasutatakse elektrienergiat ATP sünteesimiseks mitokondriaalsetes membraanides ADP-st ja fosfaadist. Seega, kui membraani potentsiaalide erinevus eemaldada, võib eeldada, et süntees peatub. Täpselt seda efekti demonstreeriti katsete käigus tehismembraanidel, kasutades spetsiaalselt sünteesitud ioone, mis suurendavad järsult membraani juhtivust prootonite jaoks. 1

Üks esimesi eksperimentaalseid tõestusi Mitchelli hüpoteesi õigsuse kohta saadi meie riigis aastal | 1970 E.A. juhtimisel. Lieberman * ja V.P. Skulatšov. I membraani elektrivälja muutuste indikaatoritena kasutati sünteetilisi ioone, mis erinevad oma olemuselt ja laengumärgilt, kuid sarnased ühes asjas: | nad kõik tungisid kergesti läbi fosfolipiidkile. Pärast paljusid katseid = järgmine elegantne eksperimentaal mudel on välja kujunenud.

Orgaanilises lahustis lahustatud fosfolipiidide tilk viiakse teflonplaadi väikesesse auku ja see kaetakse koheselt tasase bimolekulaarse kilega - tehismembraaniga. Tehismembraaniga teflonplaat on sukeldatud elektrolüüdiga anumasse, jagades selle kaheks kambriks, millest kummaski on oma mõõteelektrood. Jääb ehitada tehismembraani valk, mis on võimeline tootma elektrit, ja lisada elektrolüüti läbistavaid ioone. Seejärel viib valgugeneraatori töö, mis muudab potentsiaalide erinevust läbi membraani, läbistavate ioonide liikumise läbi fosfolipiidkile, mis registreeritakse sektsioonide vahelise potentsiaalse erinevuse muutusena.

Veelgi veenvama eksperimentaalse mudeli, mis võimaldab otse mõõta rakuorganellide ja üksikute valkude tekitatud elektrivoolu, töötas välja ja kasutas edukalt L.A. Drachev, A.A. Kaulen ja V.P. Skulatšov. Osakesed, mis tekitavad elektrivoolu (mitokondrid, bakteriaalsed kromatofoorid või lipiidvesiikulid, millesse olid põimitud üksikud valgud) olid sunnitud kleepuma tasasele tehismembraanile. Pärast seda tuvastati generaatorimolekulide tekitatud prootonivool vastuseks valgussähvatusele või sobivate keemiliste substraatide lisamisele otse tehismembraani mõlemal küljel asuvate elektroodide mõõtmisega.

1973. aastal W. Stockenius ja D. Osterhelt

0 USA-st avastas violetse-j membraanidest ebatavalise valgustundliku valgu: soolajärvedes elavad bakterid

1 rah California kõrbetest. See valk, § nagu loomade silma visuaalne pigment - rodopsiin, sisaldas A-vitamiini derivaati - võrkkesta, mille jaoks seda * nimetati bakteriorodopsiiniks. Ameerika teadlased Wrecker ja Stockenius demonstreerisid elegantselt 1 bakteriorho-G dopsiini osalemist energiakonjugatsioonis. Kombineerides äsja avastatud violetsete bakterite valgustundliku valgu =ATP süntaasiga mudelfosfolipiidmembraanis, saadi molekulaarne kogum, mis oli võimeline ATP-d sünteesima, kui valgus oli sisse lülitatud.

1973. aasta lõpus akadeemik Yu.A. Ovtšinnikov korraldas loomade ja bakterite valgustundlike pigmentide võrdleva uuringu projekti "Rhodopsin". Projekti raames V.P. laboris. Skulachev Moskva Riikliku Ülikooli tehismembraanide mudelkatsetes tõestas, et bakteriorodopsiin on elektrivoolu valgugeneraator. sisseehitatud