Organismele vii sunt în interacțiune constantă cu mediul. Una dintre manifestările acestei interacțiuni este absorbția substanțelor din mediu și a energiei conținute în acestea. Substanțele rezultate, după procesare, celulele le folosesc pentru a-și construi propriile structuri. Energia eliberată în timpul acestei procesări este necesară pentru îndeplinirea funcțiilor celulare.

hârtiei

În ciuda diferențelor imense de structuri și funcții ale speciilor, organismele primesc energie din mediu sub doar două forme principale. Unele - autotrofe/fotosintetice/organisme, primesc energie sub formă de lumină. Altele - organisme heterotrofe, folosesc energia legăturilor chimice ale compușilor organici gata preparați/glucide, lipide, proteine ​​/, pe care le iau din mediu ca hrană.

Se obișnuiește să se măsoare cantitatea de energie în calorii/cal/sau în jouli/J /. O calorie/4,18 J/este egală cu energia necesară pentru a crește temperatura la 1 cc/1 g/apă cu 1 grad.

Energia care intră în celulă este utilizată numai după conversie și stocare temporară într-o formă convenabilă. Multe procese celulare au loc cu absorbția de energie, adică. sunt dependente de energie. Pot folosi energia eliberată direct din nutrienți, deoarece tipul său nu este adecvat și nu este dozat cantitativ. Pentru ca energia să fie utilizată, este necesar ca aceasta să fie pre-transformată și stocată temporar într-o singură formă, convenabilă pentru toate procesele celulare. În toate tipurile de celule (cu câteva excepții) energia este transformată și încorporată în moleculele unui compus special - energie - adenozin trifosfat/ATP /, unde este stocată temporar.

ATP este purtătorul universal de energie din toate celulele, „moneda” de schimb a celulei.

ATP are o moleculă mică și aparține grupului de nucleotide. Rolul bazei de azot în acesta este îndeplinit de adenină. Adenina, împreună cu molecula de riboză monozaharidă cu 5 atomi de carbon, formează un compus numit adenozină. Adenozina poate fi fosforilată, i. pentru a se lega de un reziduu de acid fosforic pentru a forma nucleotida adenozin monofosfat (AMP).

AMP poate fi fosforilat de o a doua moleculă de acid fosforic, care este transformat în adenozin difosfat (ADP). Adăugarea unui al treilea reziduu de fosfat duce la producerea de adenozin trifosfat - ATP (Fig. 1). Legăturile chimice formate prin legarea celui de-al doilea și al treilea reziduu de fosfat sunt capabile să absoarbă de câteva ori mai multă energie decât legăturile covalente obișnuite. Prin urmare, ele sunt numite macroergice, adică. conexiuni bogate în energie. Pentru a le distinge de legăturile chimice obișnuite, acestea sunt scrise cu simbolul tilde/˜ /.

Celulele vii folosesc doar energie care a fost pre-transformată în legăturile macroergice ale ATP. Ruperea acestor legături are ca rezultat eliberarea de energie care poate fi utilizată pentru a efectua reacții dependente de energie în celulă. Legătura dintre al doilea și al treilea reziduu de acid fosforic este cel mai adesea rupt, producând ADP și fosfat și eliberând energie.

ATP ↔ ADP + Fn + energie

Adenozină-FFF ↔ Adenozină-FF + Fn + energie

/ ecuație de bază în bioenergetica celulară /

Reziduul de acid fosforic separat de molecula organică a ATP este un compus anorganic și este marcat cu Fn (fosfat anorganic).

Toate procesele celulare dependente de energie (transferul substanțelor prin membrană prin transport activ, contracție musculară, secreție, sinteza moleculelor etc.) utilizează energia eliberată în timpul descompunerii ATP în ADP.

ATP nu este o formă de rezervă de energie, ci o formă de energie folosită de corp. Nu toată energia eliberată în timpul proceselor catabolice este transformată în energie ATP. În unele etape metabolice, energia eliberată în timpul proceselor de descompunere se pierde în organism sub formă de căldură. Organismele vii nu pot folosi energia termică.

ATP este sintetizat invers - ADP este fosforilat/se leagă de fosfat anorganic/folosind energie.

Adenozină-FF + Fn + energie ↔ Adenozină-FFF

ADP + Fn + energie ↔ ATP

Energia necesară pentru fosforilare este eliberată în celulă în timpul descompunerii substanțelor nutritive provenite din exterior. Cantitatea principală de ATP din celulă este sintetizată în mitocondrii cu participarea oxigenului, ca urmare a descompunerii complete a substanțelor în dioxid de carbon și apă. O cantitate mică de ATP se formează în citosol în timpul degradării substanțelor fără oxigen. În celulele vegetale, ATP este sintetizat și în cloroplaste, folosind energia luminii solare.

Fosforilarea ADP în ATP (sinteza ATP) și procesul de degradare a ATP sunt corelate și au loc continuu în celulă. Ca urmare, energia eliberată în reacțiile catabolice este utilizată pentru a îndeplini funcții celulare care sunt dependente de energie. Procesul de sinteză a ATP, precum și degradarea acestuia, sunt extrem de intense și depind de activitatea funcțională a corpului. Un corp masculin sănătos, cu o greutate de 70 kg, sintetizează și folosește aproximativ 40 kg de ATP în 24 de ore. În timpul activității fizice grele, corpul uman poate folosi până la 0,5 kg de ATP pe minut.

Principala parte a energiei utilizate de celulele organismelor aerobe este eliberată în mitocondrii ca urmare a transferului de electroni de la NAD.H2 la oxidantul final - oxigen. Organizarea specială a lanțului electronic de transport - un număr de transportatori redox, permite eliberarea de energie în porțiuni mici. Astfel, poate fi capturat, convertit și stocat temporar în legăturile macroergice ale ATP. Energia necesară pentru sinteza ATP (legarea ADP la fosfatul anorganic) este eliberată în reacțiile oxidative care au loc în lanțul respirator al mitocondriilor. Acesta este motivul pentru care procesul se numește fosforilare oxidativă.

Fosforilarea oxidativă este un proces în care energia eliberată în timpul oxidării în lanțul respirator este utilizată pentru fosforilarea ADP în ATP. Astfel, celula stochează temporar energia într-o formă convenabilă de utilizat.

Una dintre problemele principale în biologie este mecanismul de conversie a energiei eliberate în timpul transferului de electroni în lanțul respirator. Principalele etape ale procesului sunt bine cunoscute.

Membrana mitocondrială interioară joacă un rol central în conversia energiei în lanțul respirator și în sinteza ATP. Sistemele redox ale lanțului respirator sunt încorporate în această membrană. Locația lor specială determină transferul de electroni către matricea mitocondriilor. În același timp, energia eliberată este utilizată pentru a transporta ionii de hidrogen din matrice în spațiul intermembranar. Deoarece membrana interioară este impermeabilă la protoni, se creează un exces de sarcini pozitive în spațiul intermembranar și un exces de sarcini negative apare în interiorul mitocondriilor. Membrana exterioară exterioară este încărcată pozitiv, iar partea din matrice este încărcată negativ. Astfel, transferul de electroni/oxidarea NAD.H2/conduce la conversia energiei eliberate în circuitul respirator în energia membranei încărcate.

Energia membranei încărcate este utilizată pentru sinteza ATP din ADP și fosfat anorganic. Sinteza este realizată de un complex proteic complex numit ATP - sintetază. O parte a acestui complex este încorporată în membrana interioară a mitocondriilor, iar alta este în afara acesteia. La microscopul electronic, această parte poate fi văzută pe suprafața membranei interioare. Arată ca o structură spongioasă îndreptată spre matrice.

Complexul ATP sintetază transportă protonii în direcția opusă - de la spațiul intermembranar la matricea mitocondrială. Trecerea protonilor prin ATP - complex sintetază/interacțiunea sarcinilor „plus” cu sarcini „minus”/conduce la eliberarea de energie care este utilizată pentru sinteza ATP.

Cea mai mare parte a cantității totale de ATP din celulă este sintetizată în mitocondrii (fosforilarea oxidativă) sau în cloroplaste (fotofosforilarea). O cantitate mică de ATP se formează în stadiul anaerob inițial de degradare a glucozei în lanțul glicolitic. Conversia gliceraldehid fosfatului în acid piruvic implică mai multe reacții secvențiale, dintre care două sunt foarte oxidante și energia eliberată este utilizată pentru a fosforila ADP în ATP. În acest caz, energia eliberată în reacția chimică se acumulează direct în legăturile macroergice ale ATP, adică. energia nu trece de la o formă la alta. Această sinteză a ATP se numește fosforilarea substratului.

În fosforilarea și fotofosforilarea oxidativă, sinteza ATP este asociată cu transferul de energie de la o formă la alta. Inițial, energia fluxului de electroni este transformată în energie a membranei încărcate. Apoi, energia membranei încărcate este convertită în energie a legăturilor chimice ale ATP/formă chimică /.

În celulele organismelor heterotrofe aerobe și celulele ne-fotosintetice ale plantelor, sinteza ATP în lanțul glicolitic joacă un rol de susținere. Dar pentru celulele organismelor anaerobe, aceasta este singura modalitate de a furniza ATP.

Figura 1. Adenozin trifosfat (ATP)

ROLUL ADENOSINTRIFOSFATULUI/ATP/ÎN ENERGIA CELULARĂ. FOSFORORILAȚIE OXIDATIVĂ

1. Introducere - metabolism și energie între celule și mediu.

2. Forme de energie disponibile organismelor vii:

- autotrofe - energie luminoasă;

- heterotrofe - energia legăturilor chimice ale alimentelor;

- unități de energie;

- conversia și stocarea energiei în celulă - cum ar fi ATP.

3. Structura ATP:

- reziduu de fosfat - AMP, ADP, ATP;

4. Recuperarea ATP:

- fosforilarea ADP - ecuație;

- localizarea procesului în celulă - în catabolism, în mitocondrii, citosoli, cloroplaste;

- legătură între sinteza ATP și degradare.

5. Fosforilarea oxidativă:

- rolul membranei mitocondriale interioare - energia lanțului respirator este convertită în energie a membranei încărcate;

- Complex ATP-sintetaza - structură și funcționare.

6. Tipuri de fosforilare:

- oxidativ - în mitocondrii;

- fotofosforilare - în cloroplaste/membrană tilacoidă /;

- substrat - în citosol/glicoliză /.

7. Concluzie - prevalența celor trei tipuri de fosforilare în diferite celule și organisme.

Biologie și educație pentru sănătate - ZP, manual pentru clasa a IX-a, Ognyan Dimitrov și coautori, 2001-2003, ed. Bulvest 2000, Sofia