מפעל אנרגיה בתא חי. טרנספורמציה של אנרגיה בתא. דרכים להשיג אנרגיה בתא

אנרגיית תאים הנובעת מחמצון של חומרים אורגניים

טרנספורמציה אורגני חומריםבכלוב. חומרים אורגניים (פחמימות, שומנים, חלבונים, ויטמינים ועוד) נוצרים בתאי הצמח מפחמן דו חמצני, מים וממלחים מינרלים.

על ידי אכילת צמחים, בעלי חיים משיגים חומרים אורגניים בצורה מוגמרת. האנרגיה האצורה בחומרים אלו עוברת איתם לתאים של אורגניזמים הטרוטרופיים.

בתאים של אורגניזמים הטרוטרופיים, האנרגיה של תרכובות אורגניות במהלך החמצון מומרת ל אֵנֶרְגִיָה ATP. במקרה זה, אורגניזמים הטרוטרופיים משחררים פחמן דו חמצני ומים, המשמשים שוב אורגניזמים אוטוטרופיים לתהליך הפוטוסינתזה.

האנרגיה האצורה ב-ATP מושקעת בשמירה על כל התהליכים החיוניים: ביוסינתזה של חלבונים ותרכובות אורגניות אחרות, תנועה, צמיחה וחלוקה של תאים.

לכל התאים של אורגניזמים חיים יש את היכולת המרת סוג אחד של אנרגיה לאחר. באילו אברונים תאיים מתרחשים תהליכי הפקת האנרגיה האצורה בתרכובות אורגניות? נמצא כי השלב הסופי של פירוק וחמצון מולקולות גלוקוז לפחמן דו חמצני עם שחרור אנרגיה מתרחש במיטוכונדריה.

מדוע משתחררת אנרגיה במהלך חמצון של תרכובות אורגניות? לאלקטרונים במולקולות של תרכובות אורגניות יש אספקה ​​גדולה של אנרגיה, נראה שהם מועלים לרמת אנרגיה גבוהה. אנרגיה משתחררת כאשר אלקטרונים עוברים מרמה גבוהה לרמה נמוכה יותר במולקולה או אטום אחר שמסוגל להיות קולטני אלקטרונים.

חמצן משמש כמקלט אלקטרונים כזה.

זהו תפקידו הביולוגי העיקרי. בשביל זה אנחנו צריכים חמצן מהאוויר.

בעודנו מדברים על פוטוסינתזה, השווינו את האלקטרון של הכלורופיל, הנרגש מאור, עם אבן המורמת לגובה: נופל מגובה, הוא מאבד אנרגיה. השוואה זו מתאימה גם במקרה של חמצון של תרכובות אורגניות.

חמצן, הכרחי לתהליכי חמצון, נכנס לגוף במהלך הנשימה. לכן, תהליך הנשימה קשור ישירות לחמצון ביולוגי. תהליכי החמצון הביולוגי של חומרים אורגניים מתבצעים במיטוכונדריה.

ידוע שכאשר חומרים אורגניים בוערים נוצרים פחמן דו חמצני ומים. במקרה זה, אנרגיה משתחררת בצורה של חום. כך, על ידי הוספת חמצן וחמצון, למשל, שורפים עצי הסקה, נפט וגז (מתאן).

חמצון של חומרים אורגניים מלווה גם ביצירת פחמן דו חמצני ומים. אבל חמצון ביולוגי שונה מהותית מבעירה. תהליכי חמצון ביולוגיים מתרחשים בשלבים, בהשתתפות מספר אנזימים. כאשר חומרים אורגניים נשרפים, כמעט כל האנרגיה משתחררת בצורת חום.

במהלך חמצון ביולוגי, כ-50% מהאנרגיה של חומרים אורגניים מומרת לאנרגיה של ATP, כמו גם מולקולות נושאות אנרגיה אחרות. 50% הנותרים מאנרגיית החמצון מומרים לחום. מאחר ותהליכי חמצון אנזימטיים מתרחשים בשלבים, אנרגיה תרמית משתחררת בהדרגה ויש לה זמן להתפזר בסביבה החיצונית מבלי לפגוע בחלבונים הרגישים לחום ובשאר חומרים בתאים. זהו ההבדל העיקרי בין תהליכי חמצון המתרחשים באורגניזמים חיים לבין בעירה.

כאשר אתה מתוודע ליצירות היסוד של האנושות, אתה תופס את עצמך לעתים קרובות חושב שעם התפתחות המדע, יש יותר שאלות מתשובות. בשנות ה-80 וה-90, הביולוגיה המולקולרית והגנטיקה הרחיבו את ההבנה שלנו לגבי תאים ואינטראקציות בין תאים. זוהתה מחלקה שלמה של גורמים תאיים המווסתים את האינטראקציה הבין-תאית. זה חשוב להבנת תפקוד גוף האדם הרב-תאי ובעיקר תאי מערכת החיסון. אבל מדי שנה מגלים ביולוגים יותר ויותר גורמים בין-תאיים כאלה ונעשה קשה יותר ויותר לשחזר תמונה של אורגניזם שלם. לפיכך, עולות יותר שאלות מאשר תשובות.

חוסר התכלה של גוף האדם והאפשרויות המצומצמות לחקור אותו מביאים למסקנה בדבר הצורך בסדרי עדיפויות מחקריים מיידיים ובהמשך. עדיפות כזו כיום היא האנרגיה של תאי גוף אנושי חי. ידע לא מספיק על הפקת אנרגיה ומטבוליזם אנרגיה של תאים בגוף הופך למכשול בפני מחקר מדעי רציני.

התא הוא היחידה המבנית הבסיסית של הגוף: כל האיברים והרקמות מורכבים מתאי. קשה לצפות להצלחתן של תרופות או שיטות שאינן תרופתיות אם הן מפותחות ללא ידע מספק באנרגטיקה של התא ואינטראקציות אנרגטיות בין-תאיות. יש המון דוגמאות שבהן מוצרים בשימוש נרחב ומומלצים מזיקים לבריאות.

הגישה השלטת בתחום הבריאות היא גישת החומר. חומר הוא חומר. ההיגיון של הריפוי פשוט ביותר: מספקים לגוף את החומרים הדרושים (מים, מזון, ויטמינים, מיקרו-אלמנטים, ובמידת הצורך גם תרופות) ומוציאים מהגוף תוצרים מטבוליים (הפרשות, עודפי שומנים, מלחים, רעלים וכו'. ). התרחבות התרופות ממשיכה לנצח. דורות חדשים של אנשים במדינות רבות הופכים למשתתפים מרצון בניסוי רחב היקף. תעשיית התרופות דורשת מטופלים חדשים. עם זאת, יש פחות ופחות אנשים בריאים.

היוצר של ספר עיון פופולרי על תרופות נשאל פעם כמה תרופות הוא עצמו צריך לנסות. אין - הייתה התשובה. ככל הנראה, לאיש האינטליגנטי הזה היה ידע מבריק בביוכימיה של התא וידע ליישם את הידע הזה בצורה מועילה בחיים.

דמיינו פיסת חומר חי מיניאטורית, בצורת אליפסואיד, דיסק, כדור, בקוטר של כ-8-15 מיקרון (מיקרון), שהיא בו-זמנית מערכת מורכבת של ויסות עצמי. תא חי רגיל נקרא מובחן, כאילו מדגיש שהיסודות הרבים המרכיבים את הרכבו מופרדים בבירור זה לזה. המושג "תא לא מובחן", ככלל, מתייחס לתא שונה, למשל, תא סרטני. תאים מובחנים נבדלים לא רק במבנה ובחילוף החומרים הפנימי, אלא גם בהתמחות, למשל, תאי כליות, כבד ולב.

באופן כללי, תא מורכב משלושה מרכיבים: קרום התא, ציטופלזמה וגרעין. הרכב קרום התא, ככלל, כולל קרום תלת או ארבע שכבות וקליפה חיצונית. שתי שכבות הממברנה מורכבות משומנים (שומנים) שחלקם העיקרי הם שומנים בלתי רוויים - פוספוליפידים. לממברנת התא מבנה מורכב מאוד ותפקודים מגוונים. הפרש הפוטנציאל משני צידי הממברנה יכול להיות כמה מאות מילי-וולט. המשטח החיצוני של הממברנה מכיל מטען חשמלי שלילי.

בדרך כלל, לתא יש גרעין אחד. למרות שיש תאים שיש להם שני גרעינים או יותר. תפקידו של הגרעין הוא לאגור ולהעביר מידע תורשתי, למשל, במהלך חלוקת התא, וכן לשלוט בכל התהליכים הפיזיולוגיים בתא. הגרעין מכיל מולקולות DNA הנושאות את הקוד הגנטי של התא. הליבה סגורה בממברנה דו-שכבתית.

ציטופלזמה מהווה את עיקר התא והיא נוזל תאי עם אברונים ותכלילים הממוקמים בו. אברונים הם מרכיבים קבועים של הציטופלזמה המבצעים פונקציות חשובות ספציפיות. מבין אלה, אנו מתעניינים בעיקר במיטוכונדריה, הנקראות לעתים תחנות הכוח של התא. לכל מיטוכונדריה שתי מערכות ממברנות: חיצונית ופנימית. הממברנה החיצונית חלקה, היא מכילה חלקים שווים של שומנים וחלבונים. הממברנה הפנימית שייכת לסוגים המורכבים ביותר של מערכות הממברנה בגוף האדם. יש לו קפלים רבים הנקראים רכסים (קריסטה), שבגללם משטח הממברנה גדל באופן משמעותי. אתה יכול לדמיין את הממברנה הזו בצורה של זרמים רבים בצורת פטריות המכוונות לחלל הפנימי של המיטוכונדריון. יש 10 עד 4-10 עד 5 יציאות כאלה לכל מיטוכונדריה.

בנוסף, עוד 50-60 אנזימים קיימים בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי, המספר הכולל של מולקולות מסוגים שונים מגיע ל-80. כל זה נחוץ לחמצון כימי ולמטבוליזם אנרגיה. בין המאפיינים הפיזיים של קרום זה, יש לציין התנגדות חשמלית גבוהה, האופיינית למה שנקרא ממברנות הזדווגות, המסוגלות לצבור אנרגיה כמו קבל טוב. הפרש הפוטנציאלים בשני הצדדים של הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית הוא בערך 200-250 mV.

אתה יכול לדמיין כמה מורכב תא אם, למשל, תא כבד, הפטוציט, מכיל כ-2000 מיטוכונדריות. אבל יש הרבה אברונים אחרים בתא, מאות אנזימים, הורמונים וחומרים מורכבים אחרים. לכל אברון יש מערכת חומרים משלו, ותהליכים פיזיקליים, כימיים וביוכימיים מסוימים מתבצעים בו. חומרים במרחב הציטופלזמי נמצאים באותו מצב דינמי הם מתחלפים ללא הרף עם אברונים ועם הסביבה החיצונית של התא דרך הממברנה שלו.

אני מתנצל בפני הקורא - שאינו מומחה - על הפרטים הטכניים, אך רעיונות אלו על התא מועילים לדעת עבור כל אדם שרוצה להיות בריא. עלינו להתפעל מנס הטבע הזה ויחד עם זאת לקחת בחשבון את חולשות התא כאשר אנו עוסקים בטיפול. ראיתי מקרים שבהם אנלגין רגיל הוביל לנפיחות רקמות אצל אדם צעיר ובריא. זה מדהים באיזו קלות אנשים בולעים כדורים בלי לחשוב!

רעיונות לגבי מורכבות התפקוד הסלולרי לא יהיו שלמים אם לא נדבר על אנרגיית התא. אנרגיה בתא מושקעת בביצוע עבודות שונות: מכנית - תנועת נוזל, תנועה של אברונים; כימי - סינתזה של חומרים אורגניים מורכבים; חשמלי - יצירת הבדל בפוטנציאלים חשמליים על ממברנות פלזמה; אוסמוטי - הובלה של חומרים לתא ובחזרה. מבלי להציב לעצמנו את המשימה לרשום את כל התהליכים, נצמצם את עצמנו לאמירה הידועה: ללא אספקת אנרגיה מספקת, לא ניתן להגיע לתפקוד מלא של התא.

מאיפה התא מקבל את האנרגיה הדרושה לו? על פי תיאוריות מדעיות, האנרגיה הכימית של חומרים מזינים (פחמימות, שומנים, חלבונים) מומרת לאנרגיה של קשרים מאקרו-אירגיים (המכילים הרבה אנרגיה) של אדנוזין טריפוספט (ATP). תהליכים אלו מבוצעים במיטוכונדריה של התא בעיקר במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (מחזור קרבס) ובזרחון חמצוני. האנרגיה האצורה ב-ATP משתחררת בקלות כאשר קשרים בעלי אנרגיה גבוהה נשברים, וכתוצאה מכך צריכת אנרגיה בגוף.

עם זאת, רעיונות אלה אינם מאפשרים לנו לתת הערכה אובייקטיבית של המאפיינים הכמותיים והאיכותיים של אספקת אנרגיה וחילופי אנרגיה ברקמות, כמו גם מצב אנרגיית התא והאינטראקציה הבין-תאית. יש לשים לב לשאלה החשובה ביותר (G.N. Petrakovich), שהתיאוריה המסורתית אינה יכולה לענות עליה: בשל אילו גורמים מתבצעת אינטראקציה בין-תאית? אחרי הכל, ATP נוצר ונצרך, משחרר אנרגיה, בתוך המיטוכונדריה.

בינתיים, יש מספיק סיבות לפקפק ברווחה של אספקת אנרגיה לאיברים, רקמות ותאים. אפשר אפילו לומר ישירות שהאדם מאוד לא מושלם בהקשר הזה. מעידה על כך העייפות שרבים חווים מדי יום, ואשר מתחילה לעצבן אדם מילדות.

חישובים מראים שאם האנרגיה בגוף האדם הופקה בתהליכים המצוינים (מחזור קרבס וזרחון חמצוני), אז בעומס נמוך הגירעון באנרגיה יהיה 30-50%, ובעומס כבד - יותר מ-90%. זה מאושש על ידי מחקר של מדענים אמריקאים שהגיעו למסקנה שהמיטוכונדריה אינה מתפקדת מספיק מבחינת אספקת אנרגיה לבני אדם.

שאלות על אנרגיית התאים והרקמות עלולות היו להישאר בצד הדרך במשך זמן רב שלאורכו נעה אט אט הרפואה התיאורטית והמעשית, אם לא היו מתרחשים שני אירועים. אנחנו מדברים על השערת הנשימה החדשה ועל גילוי הנשימה האנדוגנית.

מסלולים נפוצים של קטבוליזם

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

מהו חילוף חומרים?

חילוף חומריםהיא פעילות סלולרית מתואמת וממוקדת ביותר, המובטחת על ידי השתתפותן של מערכות אנזימטיות רבות הקשורות ביניהן, וכוללת שני תהליכים בלתי נפרדים אנבוליזםו יְרִידַת חֳמָרִים.

הוא מבצע שלוש פונקציות מיוחדות:

1. אֵנֶרְגִיָה- לספק לתא אנרגיה כימית,

2. פלסטי- סינתזה של מקרומולקולות כאבני בניין,

3. ספֵּצִיפִי- סינתזה ופירוק של ביומולקולות הנחוצות לביצוע פונקציות תאיות ספציפיות.

אנבוליזם

אנבוליזם הוא ביוסינתזה של חלבונים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין ומקרומולקולות אחרות ממולקולות מבשר קטנות. מכיוון שהוא מלווה במבנה מורכב יותר, הוא דורש הוצאה אנרגטית. המקור לאנרגיה כזו הוא אנרגיית ATP.

מחזור NADP-NADPH

כמו כן, הביוסינתזה של חלק מהחומרים (חומצות שומן, כולסטרול) דורשת אטומי מימן עשירים באנרגיה - המקור שלהם הוא NADPH. מולקולות NADPH נוצרות בתגובות החמצון של גלוקוז-6-פוספט במסלול הפנטוז ואוקסלואצטט על ידי האנזים המאליק. בתגובות אנבוליות, NADPH מעביר את אטומי המימן שלו לתגובות סינתטיות וחומצן ל-NADP. כך הוא נוצר NADP-NADPH-מחזור.

יְרִידַת חֳמָרִים

קטבוליזם הוא פירוק וחמצון של מולקולות אורגניות מורכבות לתוצרים סופיים פשוטים יותר. זה מלווה בשחרור אנרגיה הכלולה במבנה המורכב של חומרים. רוב האנרגיה המשתחררת מתפזרת כחום. חלק קטן יותר מהאנרגיה הזו "מיורט" על ידי קו-אנזימים של תגובות חמצון מֵעַלו תַחבִּיב, חלק כלשהו משמש מיד לסינתזת ATP.

יש לציין כי אטומי מימן המשתחררים בתגובות חמצון של חומרים יכולים לשמש את התא בשני כיוונים בלבד:

· על אנבולייםתגובות בהרכב NADPH.

· על היווצרות ATPבמיטוכונדריה בזמן חמצון NADHו FADN 2.

כל קטבוליזם מחולק בדרך כלל לשלושה שלבים:

מתרחש ב קְרָבַיִם(עיכול מזון) או בליזוזומים בעת פירוק מולקולות מיותרות. במקרה זה, משתחרר כ-1% מהאנרגיה המוכלת במולקולה. הוא מתפזר כחום.

חומרים הנוצרים במהלך הידרוליזה תוך-תאית או חודרים לתא מהדם מומרים בדרך כלל בשלב השני לחומצה פירובית, לקבוצת אצטיל (כחלק מאצטיל-S-CoA) ועוד כמה מולקולות אורגניות קטנות. לוקליזציה של השלב השני - ציטוסולו מיטוכונדריה.

חלק מהאנרגיה מתפזר בצורת חום וכ-13% מהאנרגיה של החומר נספגת, כלומר. מאוחסן בצורה של קשרים עתירי אנרגיה של ATP.

תכנית של מסלולים קטבוליים כלליים וספציפיים

כל התגובות בשלב זה הולכות ל מיטוכונדריה. אצטיל-SCoA נכלל בתגובות של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית והוא מחומצן לפחמן דו חמצני. אטומי המימן המשתחררים מתחברים עם NAD ו-FAD ומפחיתים אותם. לאחר מכן, NADH ו-FADH 2 מעבירים מימן לשרשרת אנזימי הנשימה הממוקמת על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. כאן, כתוצאה מתהליך שנקרא " זרחן חמצוני"נוצרים מים והתוצר העיקרי של חמצון ביולוגי - ATP.

חלק מאנרגיית המולקולה המשתחררת בשלב זה מתפזרת בצורת חום וכ-46% מהאנרגיה של החומר המקורי נספגת, כלומר. מאוחסן בקשרי ATP ו- GTP.

תפקיד ה-ATP

אנרגיה המשתחררת בתגובות יְרִידַת חֳמָרִים, מאוחסן בצורה של חיבורים הנקראים מאקרו-אירגי. המולקולה הבסיסית והאוניברסלית האוגרת אנרגיה ומשחררת אותה בעת הצורך היא ATP.

כל מולקולות ה-ATP בתא משתתפות באופן רציף באיזו תגובה כלשהי, מתפרקות כל הזמן ל-ADP ומתחדשות שוב.

יש שלוש דרכים עיקריות להשתמש ATP

ביוסינתזה של חומרים,

הובלה של חומרים על פני ממברנות,

· שינוי בצורת התא ובתנועה.

תהליכים אלו, יחד עם התהליך חינוך ATP נקרא מחזור ATP:

תחלופה של ATP בחיי התא

מאיפה מגיע ATP בתא?

דרכים להשיג אנרגיה בתא

ישנם ארבעה תהליכים עיקריים בתא המבטיחים שחרור אנרגיה מקשרים כימיים במהלך חמצון החומרים ואגירתם:

1. גליקוליזה (שלב 2 של חמצון ביולוגי) – חמצון של מולקולת גלוקוז לשתי מולקולות של חומצה פירובית, וכתוצאה מכך נוצרות 2 מולקולות ATPו NADH. יתר על כן, חומצה פירובית מומרת לאצטיל-SCoA בתנאים אירוביים, ולחומצה לקטית בתנאים אנאירוביים.

2. β-חמצון חומצות שומן (שלב 2 של חמצון ביולוגי) – חמצון של חומצות שומן לאצטיל-SCoA, נוצרות כאן מולקולות NADHו FADN 2. מולקולות ATP אינן מופיעות "בצורתן הטהורה".

3. מחזור חומצה טריקרבוקסילית (מחזור TCA, שלב 3 של חמצון ביולוגי) – חמצון של קבוצת האצטיל (כחלק מאצטיל-SCoA) או חומצות קטו אחרות לפחמן דו חמצני. תגובות מחזור מלא מלוות ביצירת מולקולה אחת GTF(שווה ערך ל-ATP אחד), 3 מולקולות NADHומולקולה אחת FADN 2.

4. זרחון חמצוני (שלב 3 של חמצון ביולוגי) - NADH ו-FADH 2 המתקבלים בתגובות הקטבוליזם של גלוקוז, חומצות אמינו וחומצות שומן מתחמצנים. במקביל, אנזימים של שרשרת הנשימה על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה מבטיחים את היווצרות גדול יותרחלקים של התא ATP.

שתי דרכים לסנתז ATP

הדרך העיקרית להשיג ATP בתא היא זרחון חמצוני, המתרחש במבנים של הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. במקרה זה, האנרגיה של אטומי המימן של מולקולות NADH ו-FADH 2 הנוצרות בגליקוליזה, מחזור TCA וחמצון חומצות שומן מומרת לאנרגיה של קשרי ATP.

עם זאת, ישנה גם דרך נוספת לזרחן ADP ל-ATP - זרחון מצע. שיטה זו קשורה להעברת אנרגיית פוספט עתירת אנרגיה או אנרגיית קשר עתירת אנרגיה של כל חומר (סובסטרט) ל-ADP. חומרים אלה כוללים מטבוליטים גליקוליטים ( חומצה 1,3-דיפוספוגליצרית, פוספואנולפירובאט), מחזור חומצה טריקרבוקסילית ( succinyl-SCoA) ו קריאטין פוספט. אנרגיית ההידרוליזה של הקשר המקרו-אירגי שלהם גבוהה מ-7.3 קק"ל/מול ב-ATP, ותפקידם של חומרים אלו מצטמצם לשימוש באנרגיה זו כדי לזרחן את מולקולת ה-ADP ל-ATP.

ATP הוא נושא האנרגיה העיקרי בתא.כדי לבצע כל ביטוי של פעילות התא, נדרשת אנרגיה. אורגניזמים אוטוטרופיים מקבלים את האנרגיה הראשונית שלהם מהשמש במהלך תגובות פוטוסינתזה, בעוד שאורגניזמים הטרוטרופיים משתמשים בתרכובות אורגניות המסופקות עם מזון כמקור אנרגיה. אנרגיה מאוחסנת על ידי תאים בקשרים הכימיים של מולקולות ATP ( אדנוזין טרי פוספט), שהם נוקלאוטיד המורכב משלוש קבוצות פוספט, שארית סוכר (ריבוז) ושארית בסיס חנקני (אדנין).

הקשר בין שאריות הפוספט נקרא מאקרואירגי, שכן כאשר הוא נשבר, משתחררת כמות גדולה של אנרגיה. בדרך כלל, התא מחלץ אנרגיה מ-ATP על ידי הסרת קבוצת הפוספט הסופי בלבד. במקרה זה נוצרים ADP (אדנוזין דיפוספט) וחומצה זרחתית ומשתחררים 40 קילו ג'ל/מול.

מולקולות ATP ממלאות את התפקיד של קלף מיקוח האנרגיה האוניברסלי של התא. הם מועברים לאתר של תהליך עתיר אנרגיה, בין אם זה סינתזה אנזימטית של תרכובות אורגניות, עבודה של חלבונים מוטוריים מולקולריים או חלבוני הובלה של ממברנה וכו'. הסינתזה ההפוכה של מולקולות ATP מתבצעת על ידי הצמדת קבוצת פוספט ל ADP עם קליטת אנרגיה. התא אוגר אנרגיה בצורה של ATP במהלך תגובות חילוף החומרים באנרגיה. זה קשור קשר הדוק לחילוף חומרים פלסטי, שבמהלכו התא מייצר את התרכובות האורגניות הנחוצות לתפקודו.

חילוף חומרים של חומרים ואנרגיה בתא (מטבוליזם).

מטבוליזם מתייחס לכלל כל התגובות של חילוף חומרים פלסטי ואנרגיה הקשורים זה בזה. התאים מסנתזים כל הזמן פחמימות, שומנים מורכבים וחומצות גרעין. אחד התהליכים החשובים ביותר במטבוליזם פלסטי הוא ביוסינתזה של חלבון. הסינתזה של תרכובות במהלך תגובות חילופי פלסטיות היא תמיד צורכת אנרגיה ומתרחשת בהשתתפות הכרחית של ATP.

אחד ממקורות האנרגיה ליצירת ATP הוא פירוק אנזימטי של תרכובות אורגניות הנכנסות לתא (חלבונים, שומנים ופחמימות). במהלך תהליך זה, אנרגיה משתחררת ונאגרת ב-ATP. לפירוק הגלוקוז תפקיד מיוחד במטבוליזם האנרגיה של התא. סוכר זה מסונתז כתוצאה מתגובות פוטוסינתזה ויכול להצטבר בתאים בצורה של פוליסכרידים: עמילן וגליקוגן. לפי הצורך, פוליסכרידים מתפרקים, ומולקולות הגלוקוז עוברות סדרה של טרנספורמציות עוקבות.

השלב הראשון, הנקרא גליקוליזה, מתרחש בציטופלזמה של תאים ואינו דורש חמצן. כתוצאה מתגובות עוקבות של אנזימים, גלוקוז מתפרק לשתי מולקולות פירובט. במקרה זה, נעשה שימוש בשתי מולקולות ATP, והאנרגיה המשתחררת במהלך פיצול הקשרים הכימיים מספיקה לייצור ארבע מולקולות ATP. כתוצאה מכך, תפוקת האנרגיה של גליקוליזה קטנה ומסתכמת בשתי מולקולות ATP:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 4 O 3 + 4H + + 2ATP

בתנאים אנאירוביים (בהיעדר חמצן), טרנספורמציות נוספות קשורות לסוגים שונים תְסִיסָה.

כולם יודעים תסיסה של חומצת חלב(החמצת חלב), המתרחשת עקב פעילות של פטריות חומצת חלב וחיידקים. המנגנון דומה לגליקוליזה, רק התוצר הסופי כאן הוא חומצה לקטית. סוג זה של תסיסה מתרחש בתאים כאשר יש מחסור בחמצן, למשל, בשרירים הפועלים באינטנסיביות. קרוב למוצרי חלב ו תסיסה אלכוהולית. ההבדל היחיד הוא שתוצרי התסיסה האלכוהולית הם אלכוהול אתילי ופחמן דו חמצני.

השלב הבא, שבמהלכו חומצה פירובית מתחמצנת לפחמן דו חמצני ומים, נקרא נשימה תאית. תגובות הקשורות לנשימה מתרחשות במיטוכונדריה של תאי צמחים ובעלי חיים ורק בנוכחות חמצן. בסביבה הפנימית של המיטוכונדריה מתרחשת סדרה של טרנספורמציות כימיות עד לתוצר הסופי - פחמן דו חמצני. במקביל, בשלבים שונים של תהליך זה, נוצרים תוצרי ביניים של פירוק החומר המקורי עם חיסול אטומי מימן. אטומי מימן, בתורם, משתתפים במספר תגובות כימיות אחרות, שתוצאתן היא שחרור אנרגיה ו"שימור" שלה בקשרים הכימיים של ATP ויצירת מולקולות מים. מתברר שדווקא על מנת לקשור את אטומי המימן המופרדים יש צורך בחמצן. סדרה זו של טרנספורמציות כימיות היא מורכבת למדי ומתרחשת בהשתתפות הממברנות הפנימיות של המיטוכונדריה, אנזימים וחלבוני נשא.

הנשימה הסלולרית יעילה ביותר. סינתזת האנרגיה של 30 מולקולות ATP מתרחשת, שתי מולקולות נוספות נוצרות במהלך הגליקוליזה, ושש מולקולות ATP נוצרות כתוצאה מתמורות על גבי הממברנות המיטוכונדריות של תוצרי הגליקוליזה. בסך הכל, כתוצאה מחמצון מולקולת גלוקוז אחת, נוצרות 38 מולקולות ATP:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

השלבים האחרונים של חמצון של לא רק סוכרים, אלא גם תרכובות אורגניות אחרות - חלבונים ושומנים - מתרחשים במיטוכונדריה. חומרים אלו משמשים את התאים בעיקר כאשר אספקת הפחמימות מסתיימת. ראשית, צורכים שומן שהחמצון שלו משחרר יותר אנרגיה משמעותית מאשר מנפח שווה של פחמימות וחלבונים. לכן, שומן בבעלי חיים מייצג את "העתודה האסטרטגית" העיקרית של משאבי האנרגיה. בצמחים, עמילן ממלא את התפקיד של מאגר אנרגיה. כאשר הוא מאוחסן, הוא תופס יותר מקום משמעותית מכמות השומן המקבילה לאנרגיה. זה לא מהווה מכשול לצמחים, מכיוון שהם חסרי תנועה ואינם נושאים אספקה ​​על עצמם, כמו בעלי חיים. אתה יכול להפיק אנרגיה מפחמימות הרבה יותר מהר מאשר משומנים. חלבונים ממלאים תפקידים חשובים רבים בגוף, ולכן הם מעורבים בחילוף החומרים האנרגטי רק כאשר משאבי הסוכרים והשומנים מתרוקנים, למשל, במהלך צום ממושך.

פוטוסינתזה.פוטוסינתזה היא תהליך שבמהלכו מומרת אנרגיית אור השמש לאנרגיה של קשרים כימיים של תרכובות אורגניות. בתאי צמחים, תהליכים הקשורים לפוטוסינתזה מתרחשים בכלורופלסטים. בתוך אברון זה ישנן מערכות ממברנות שבהן משובצים פיגמנטים הלוכדים את אנרגיית הקרינה של השמש. הפיגמנט העיקרי של הפוטוסינתזה הוא כלורופיל, הסופג בעיקר כחול וסגול, כמו גם קרניים אדומות של הספקטרום. אור ירוק מוחזר, ולכן הכלורופיל עצמו וחלקי הצמחים המכילים אותו נראים ירוקים.

יש כלורופילים א, ב, ג, ד, שלנוסחאותיהם יש הבדלים קלים. העיקרי שבהם הוא כלורופיל א, בלי זה פוטוסינתזה בלתי אפשרית. הכלורופילים הנותרים, הנקראים עזר, מסוגלים ללכוד אור באורך גל שונה במקצת מזה של כלורופיל א, המרחיב את ספקטרום בליעת האור במהלך הפוטוסינתזה. אותו תפקיד ממלאים קרוטנואידים, אשר קולטים כמויות של אור כחול וירוק. בקבוצות שונות של אורגניזמים צמחיים, התפלגות הכלורופילים הנוספים אינה זהה, המשמשת בטקסונומיה.

הלכידה וההמרה בפועל של אנרגיית קרינה מתרחשת במהלך שלב קל. כאשר סופגים קוונטות אור, הכלורופיל נכנס למצב נרגש והופך לתורם אלקטרונים. האלקטרונים שלו מועברים ממתחם חלבון אחד למשנהו לאורך שרשרת העברת האלקטרונים. החלבונים של שרשרת זו, כמו פיגמנטים, מרוכזים על הממברנה הפנימית של הכלורופלסטים. כאשר אלקטרון נע לאורך שרשרת של נשאים, הוא מאבד אנרגיה, המשמשת לסינתזה של ATP.

בהשפעת אור השמש, מולקולות מים מתפצלות גם בכלורופלסטים - פוטוליזה, המייצרת אלקטרונים המפצים על אובדן על ידי הכלורופיל; כתוצר לוואי, המייצר חמצן.

לפיכך, המשמעות הפונקציונלית של שלב האור היא סינתזה של ATP ו-NADPH על ידי המרת אנרגיית האור לאנרגיה כימית.

מכל הפיגמנטים הלוכדים קוונטות אור, רק כלורופיל אמסוגל להעביר אלקטרונים לשרשרת התחבורה. הפיגמנטים הנותרים מעבירים תחילה את האנרגיה של אלקטרונים מעוררי אור לכלורופיל א, וממנו מתחילה שרשרת התגובות של שלב האור שתואר לעיל.

ליישום שלב חשוךפוטוסינתזה אינה דורשת אור. המהות של התהליכים המתרחשים כאן היא שהמולקולות המתקבלות בשלב האור משמשות בסדרה של תגובות כימיות ה"מקבעות" CO 2 בצורה של פחמימות. כל התגובות של השלב הכהה מתרחשות בתוך הכלורופלסטים, והחומרים המשתחררים במהלך ה"קיבוע" של פחמן דו חמצני משמשים שוב בתגובות הפאזה הקלה.

המשוואה הכוללת לפוטוסינתזה היא:

6СО 2 + 6Н 2 О –→ С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

יחסי גומלין ואחדות של תהליכי חילוף החומרים הפלסטיים והאנרגיה.תהליכי סינתזת ATP מתרחשים בציטופלזמה (גליקוליזה), במיטוכונדריה (נשימה תאית) ובכלורופלסטים (פוטוסינתזה). כל התגובות המתרחשות במהלך תהליכים אלו הן תגובות של חילופי אנרגיה. האנרגיה הנאגרת בצורה של ATP נצרכת בתגובות חילופי פלסטיות לייצור חלבונים, שומנים, פחמימות וחומצות גרעין הנחוצות לחיי התא. שימו לב שהשלב האפל של הפוטוסינתזה הוא שרשרת של תגובות חילופי פלסטיות, והשלב האור הוא חילופי אנרגיה.

אי אפשר להבין איך גוף האדם בנוי ו"עובד" מבלי להבין כיצד מתרחש חילוף החומרים בתא. כל אחד תא חיחייב לייצר כל הזמן אנרגיה. היא זקוקה לאנרגיה כדי לייצר חום ולסנתז (ליצור) כמה כימיקלים חיוניים, כמו חלבונים או חומרים תורשתיים. אֵנֶרְגִיָההתא צריך את זה כדי לזוז. תאי גוף, המסוגל לבצע תנועות נקראות שרירי. הם יכולים להתכווץ. זה מניע את הידיים, הרגליים, הלב והמעיים שלנו. לבסוף, יש צורך באנרגיה ליצירת זרם חשמלי: הודות לה, חלקים מסוימים בגוף "מתקשרים" עם אחרים. והקשר ביניהם מסופק בעיקר על ידי תאי עצב.

מאיפה התאים מקבלים אנרגיה? התשובה היא: זה עוזר להם ATP. הרשה לי להסביר. תאים שורפים חומרים מזינים, ותוך כדי כך משתחררת כמות מסוימת של אנרגיה. הם משתמשים בו כדי לסנתז כימיקל מיוחד שאוגר את האנרגיה שהם צריכים כל כך הרבה. חומר זה נקרא אדנוזין טרי פוספט(בקיצור ATP). כאשר מולקולת ATP הכלולה בתא מתפרקת, האנרגיה האצורה בה משתחררת. הודות לאנרגיה זו, התא יכול לייצר חום, זרם חשמלי, לסנתז כימיקלים או לבצע תנועות. בקצרה, ATPמפעיל את כל ה"מנגנון" של התא.

כך נראה עיגול דק וצבע של רקמה שנלקח מ... מתחת למיקרוסקופ. בלוטת יותרת המוח- תוספת מוחי בגודל אפונה. כתמים אדומים, צהובים, כחולים, סגולים, כמו גם כתמים בצבע בשר תאים עם גרעינים. כל סוג של תא יותרת המוח מפריש הורמון חיוני אחד או יותר.

עכשיו בואו נדבר בפירוט רב יותר על האופן שבו תאים משיגים ATP. אנחנו כבר יודעים את התשובה. תאיםלשרוף חומרים מזינים. הם יכולים לעשות זאת בשתי דרכים. ראשית, לשרוף פחמימות, בעיקר גלוקוז, בהיעדר חמצן. זה מייצר חומר שהכימאים מכנים חומצה פירובית, ותהליך פירוק הפחמימות עצמו נקרא גליקוליזה. כתוצאה מגליקוליזה נוצר מעט מדי ATP: פירוק מולקולת גלוקוז אחת מלווה ביצירת שתי מולקולות ATP בלבד. הגליקוליזה אינה יעילה - זוהי הצורה העתיקה ביותר של מיצוי אנרגיה. זכרו שמקורם של החיים במים, כלומר בסביבה שבה היה מעט מאוד חמצן.

שנית, תאי הגוףלשרוף חומצה פירובית, שומנים וחלבונים בנוכחות חמצן. כל החומרים הללו מכילים פחמן ומימן. במקרה זה, בעירה מתרחשת בשני שלבים. ראשית, התא שואב מימן, ואז מתחיל מיד לפרק את מסגרת הפחמן שנותרה ונפטר מפחמן דו חמצני - הוא משחרר אותו החוצה דרך קרום התא. בשלב השני שורפים (מחמצנים) את המימן המופק מחומרי המזון. נוצרים מים ומשתחררת כמות גדולה של אנרגיה. לתאים יש מספיק ממנו כדי לסנתז מולקולות ATP רבות (החמצון של, למשל, שתי מולקולות של חומצת חלב, תוצר של הפחתת חומצה פירובית, מייצרת 36 מולקולות ATP).

תיאור זה נראה יבש ומופשט. למעשה, כל אחד מאיתנו ראה כיצד מתרחש תהליך ייצור האנרגיה. זוכרים דיווחים בטלוויזיה מנמלי חלל על שיגורי רקטות? הם ממראים כלפי מעלה בשל כמות האנרגיה המדהימה המשתחררת במהלך חמצון המימן, כלומר כאשר הוא נשרף בחמצן.

רקטות החלל בגובה של מגדל ממהרות לשמיים בשל האנרגיה העצומה המשתחררת כאשר מימן נשרף בחמצן טהור. אותה אנרגיה שומרת על החיים בתאי הגוף שלנו. רק אצלם תגובת החמצון ממשיכה בשלבים. בנוסף, במקום אנרגיה תרמית וקינטית, התאים שלנו יוצרים תחילה דלק סלולרי" - ATP.

מיכלי הדלק שלהם מלאים במימן נוזלי וחמצן. כשהמנועים מתחילים, מימן מתחיל להתחמצן והטיל הענק מתעופף במהירות לשמיים. אולי זה נראה מדהים, ובכל זאת: אותה אנרגיה הנושאת רקטת חלל לשמיים תומכת גם בחיים בתאי הגוף שלנו.

אלא שלא מתרחש פיצוץ בתאים ואלומת להבה לא פורצת מתוכם. החמצון מתרחש בשלבים, ולכן נוצרות מולקולות ATP במקום אנרגיה תרמית וקינטית.