Энергия в клетке. Использование и хранение / Хабр
Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.
Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.
Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.
При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует.
Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.
Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена.
По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.
Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена.
Превратили ее в энергию. Что это значит?
Сделаем небольшое отступление.
В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.
Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.
Разберем на примере.
Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).
Выглядит примерно так.
В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.
Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой.
Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.
То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.
Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.
Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку.
Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.
А если серьезно, то:
Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.
Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.
P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности.
Биологи доказали, что митохондрии могут производить энергию за счет тока ионов калия, а не протонов
1503
Добавить в закладки
Митохондрии — энергетические станции клетки — производят энергию только за счет переноса протонов через АТФ-синтазный комплекс, по крайней мере, так считалось ранее. Биологи МГУ вместе с коллегами из США, Испании и Израиля показали, что вместо протонов органеллы могут использовать ионы калия, причем такое производство энергии почти втрое эффективнее. Кроме того, именно раскрытый механизм может лежать в основе работы ряда антиишемических препаратов. Результаты работы опубликованы на страницах журнала Function.
До настоящего времени центральным принципом биоэнергетики было представление, что синтез АТФ в митохондриях происходит исключительно за счет переноса ионов водорода (протонов) через АТФ-синтазный комплекс.
Ученые МГУ совместно с зарубежными коллегами показали, что митохондриальная АТФ-синтаза может функционировать за счет переноса не только протонов, но и ионов калия. Сама идея основана на том, что в клетке концентрация ионов калия (1,5×10-1М) в миллионы раз больше, чем концентрация протонов (4×10-8 М), хотя и АТФ-синтазная система «настроена» на предпочтительный транспорт протона.
«Эту неимоверно сложную работу удалось сделать на нескольких системах. Мы доказали наличие калиевой энергетики на одиночных молекулах АТФ-синтазы, на искусственных фосфолипидных мембранах и везикулах со встроенными молекулами комплекса, на выделенных митохондриях и кардиомиоцитах. Калиевая энергетика не только сосуществует с протонной, но она почти в три раза более эффективна по части образования АТФ
Н. Белозерского МГУ.Оказалось, что в отличие от протонов ионы калия осмотически активны и их перенос в митохондрии приводит к сопряженному переносу воды. При этом органелла увеличивается в размере, что ведет за собой активацию дыхания и дополнительный синтез АТФ.
Авторы также предложили решение давней проблемы идентификации так называемого АТФ-зависимого калиевого канала митохондрий. Про последний было лишь известно, что он существует, и есть целый ряд его фармакологических «открывателей», обладающих антиишемической активностью. Ученые считают, что именно АТФ-синтаза является таким каналом, и это делает ее перспективной мишенью для разработки нового класса антиишемических препаратов.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: ria.ru
Разместила Ирина Усик
МГУ ионы калия митохондрии
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
В России разработана уникальная космическая смазка
18:30 / Физика
Мембраны для водородных двигателей будут производить в России
18:00 / Энергетика
Ученые МГУ и РАН меняют представление о древнейшей истории Центральной Азии
17:30 / Археология, География, История
Завершена экспедиция по сооружению нейтринного телескопа на Байкале
16:30 / Астрономия, Астрофизика, Физика
Превращать воду в нефть: ученые Пермского Политеха запатентовали новый способ проведения гидроразрыва пласта
15:30 / Новые технологии
В Томске начались клинические исследования более доступного препарата для радионуклидной диагностики рака простаты
14:30 / Медицина
Химики МГУ узнали, почему чукотские киты плохо пахнут
13:30 / Биология, Химия
Основы ускорения. Интервью с физиком С.
А. Гавриловым из Института ядерных исследований РАН
13:00 / Астрофизика, Физика
Жюри XXXIII Менделеевского конкурса студентов-химиков объявило победителей
12:30 / Химия
Деревья могли защищать себя от инфекций уже 360 миллионов лет назад
12:10 / Палеонтология
«Сергей Петрович Капица был голосом науки для миллионов людей». Академик К.В. Анохин о программе «Очевидное — невероятное»
24.02.2023
«Его передача до сих пор остается непревзойденным стандартом». Академик Валерий Тишков к юбилею «Очевидного — невероятного»
24.02.2023
«Подобно комете на усыпанном звездами небе». Академик А.Л. Асеев о программе «Очевидное — невероятное»
24.02.2023
Татьяна Черниговская: «Нам всем повезло, что мы знали Сергея Петровича Капицу как просветителя»
24.02.2023
Ректор РосНОУ Владимир Зернов: «Очевидное — невероятное» — это квинтэссенция человеческого интеллекта
24.02.2023
Леопольд Лобковский: «Сергей Капица — человек самого высокого уровня, с которым было просто общаться»
24.
02.2023
Смотреть все
АТФ — Энергетическая валюта клетки
Все живые существа, включая растения, животных, птиц, насекомых, людей нуждаются в энергии для правильного функционирования клеток, тканей и других систем органов. Как мы знаем, зеленые растения получают свою энергию от солнечного света, а животные получают свою энергию, питаясь этими растениями. Энергия выступает в качестве источника топлива. Мы, люди, получаем энергию из пищи, которую едим, но как эта энергия вырабатывается и хранится в нашем теле?
Содержание
Что такое АТФ-аденозинтрифосфат?
Структура молекулы АТФ
Как энергия вырабатывается молекулами АТФ?
Функции АТФ
Значение молекулы АТФ в метаболизме
Что такое АТФ-аденозинтрифосфат?
АТФ – аденозинтрифосфат называют энергетической валютой клетки.
Это органическое соединение, состоящее из фосфатных групп, аденина и сахарной рибозы.
Эти молекулы обеспечивают энергию для различных биохимических процессов в организме. Поэтому его называют «энергетической валютой клетки». Эти молекулы АТФ синтезируются митохондриями, поэтому их называют электростанцией клетки.
Молекула АТФ была открыта в 1929 году немецким химиком Карлом Ломаном. Позднее, в 1948 году, шотландский биохимик Александр Тодд первым синтезировал молекулу АТФ.
АТФ – молекулы, несущие энергию, находятся в клетках всех живых существ. Эти органические молекулы улавливают химическую энергию, полученную от переваренных молекул пищи, и затем высвобождают ее для различных клеточных процессов.
Узнать больше: Жизненные процессы
Структура молекулы АТФ
АТФ – Аденозинтрифосфат представляет собой нуклеотид, который в основном состоит из молекулы аденозина и трех фосфатных групп. Он растворим в воде и имеет высокое содержание энергии, что в первую очередь связано с наличием двух фосфоангидридных связей, связанных с тремя фосфатными группами.
Трифосфатный хвост АТФ является фактическим источником энергии, к которому подключается клетка. Доступная энергия содержится в связях между фосфатами и высвобождается при их разрыве или расщеплении на молекулы. Это происходит за счет добавления молекулы воды (гидролиз). Обычно для получения энергии из АТФ удаляется только внешняя фосфатная группа; когда это происходит, АТФ – аденозинтрифосфат превращается в АДФ – аденозиндифосфат, это форма нуклеотида, имеющая только два фосфата.
МолекулыАТФ в основном состоят из трех основных компонентов.
- Молекула пентозного сахара, т.е. сахар рибозы.
- Азотистое основание — аденин, присоединенный к первому углероду этой молекулы сахара.
- Три фосфатные группы, которые соединены в цепь с 5-м атомом углерода пентозного сахара. Фосфорильные группы, начиная с группы, ближайшей к рибозному сахару, называются альфа-, бета- и гамма-фосфатами. Эти фосфаты играют важную роль в активности АТФ.
Как энергия вырабатывается молекулами АТФ?
Три фосфатные группы, присутствующие в этой молекуле АТФ, называются высокоэнергетическими связями, так как при их разрыве высвобождается огромное количество энергии.
Эта молекула обеспечивает энергией различные жизненные процессы, без которых жизнь не может существовать.
Используется различными ферментами и структурными белками в клеточных процессах, таких как биосинтетические реакции, деление клеток и т. д. Эта «энергетическая валюта клетки» вырабатывается в течение клеточное дыхание где используется переваренная простая молекула пищи.
После того, как энергия произведена молекулами АТФ, они сохраняются в ее связях, которые позже используются клетками, разрывая связи, когда это необходимо
См. также: Митохондрии
Функции АТФ
АТФ используется для различных клеточных функций, включая транспортировку различных молекул через клеточные мембраны.
Другие функции АТФ включают поставку энергии, необходимой для сокращения мышц, циркуляции крови, передвижения и различных движений тела .
Значительная роль АТФ, помимо производства энергии, включает: синтез нескольких тысяч типов макромолекул, которые необходимы клетке для выживания.
Молекула АТФ также используется в качестве переключателя для управления химическими реакциями и для отправки сообщений.
См. также: Передвижение человека
Значение молекулы АТФ в метаболизме
- Эти молекулы АТФ можно использовать повторно после каждой реакции.
- Молекула АТФ обеспечивает энергию как для экзергонических, так и для эндергонических процессов.
- АТФ служит внеклеточной сигнальной молекулой и действует как нейротрансмиттер как в центральной, так и в периферической нервной системе.
- Это единственная энергия, которая может быть непосредственно использована для различных метаболических процессов. Другие формы химической энергии необходимо преобразовать в АТФ, прежде чем их можно будет использовать.
- Он играет важную роль в метаболизме – поддерживающих жизнь химических реакциях, включая клеточное деление, ферментацию, фотосинтез, фотофосфорилирование, аэробное дыхание, синтез белка, экзоцитоз, эндоцитоз и подвижность.
Узнайте больше: Метаболизм и метаболические пути
Оставайтесь на связи с BYJU’S, чтобы узнать больше об энергетической валюте клетки — молекулах АТФ, ее структуре, функциях, значении и других связанных с этим [email protected] BYJU’S Biology
Что такое АТФ в биологии?
Основные понятия
В этом руководстве мы ответим на вопрос «Что такое АТФ в биологии?» Здесь вы узнаете о том, что такое АТФ в биологии , а также о его структуре и производственном цикле. Вы также узнаете о том, как ATP высвобождает энергию.
Темы, освещенные в других статьях
- Сворачивание белков
- Рецептор, связанный с GPCR-G
- Белки и аминокислоты
- Фотосинтез
Что такое АТФ в биологии?
АТФ в биологии — это молекула, которая переносит энергию внутри клеток. Также известный как аденозинтрифосфат, биохимики обычно называют АТФ «энергетической валютой» клетки, поскольку он служит основной единицей клеточной энергии.
Многие метаболические процессы включают АТФ, который вы можете найти в списке ниже:
- Аэробное дыхание
- Ферментация
- Клеточное деление
- Фотофосфорилирование
- Подвижность
- Эндоцитоз и экзоцитоз
- Фотосинтез
- Синтез белка
В дополнение к этим метаболическим функциям АТФ участвует в путях передачи сигналов, включающих клеточную коммуникацию, и включается в ДНК во время синтеза ДНК.
Почему АТФ играет важную роль в метаболических процессах?
АТФ — единственный источник энергии в нашем теле, который мы можем использовать напрямую. Любая форма потребления пищи в организме преобразуется в АТФ, прежде чем ее можно будет использовать для других функций. АТФ является не только источником энергии, но и отвечает за выполнение многих других жизненно важных функций, таких как транспортировка макромолекул в клетку и из нее, а также за то, что она является внеклеточной или внутриклеточной сигнальной молекулой.
Каким образом АТФ производится биологически?
Существует много процессов, которые могут производить АТФ в организме. Производство АТФ может происходить в присутствии кислорода или в анаэробных условиях. Мы рассмотрим два основных процесса, ответственных за производство АТФ, клеточное дыхание и анаэробное дыхание.
Клеточное дыхание
Клеточное дыхание — это процесс, при котором глюкоза превращается в АТФ. Глюкоза катаболизируется до ацетил-КоА, который производит переносчики электронов, которые окисляются во время окислительного фосфорилирования.
Путь клеточного дыхания с продуктами Во время гликолиза расщепление глюкозы приводит к образованию двух АТФ путем фосфорилирования субстрата. Однако клетка производит АТФ на многих других этапах клеточного дыхания. Например, АТФ образуется во время цикла лимонной кислоты, который дает один эквивалент АТФ. Митохондрии производят больше всего АТФ позже в клеточном дыхании, от протонов, движущихся по электрохимическому градиенту, до мощности АТФ-синтазы.
Общее количество АТФ варьируется в зависимости от переносчиков электронов. Одна молекула НАДН производит два с половиной АТФ, а одна молекула ФАДН 9.0165 2 молекула производит полуторную молекулу АТФ.
Анаэробное дыхание
Анаэробное дыхание возникает, когда кислород недоступен во время клеточного дыхания. Этот процесс дает только две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Это связано с тем, что недостаток кислорода заставляет клеточное дыхание подвергаться ферментации молочной кислоты, где молекулы НАДН окисляются, чтобы реакция продолжалась.
Пути анаэробного дыхания с продуктамиСтруктура АТФ
Молекула АТФ в биологии состоит из аденозина и трех фосфатных групп. Чтобы объяснить далее, аденозин включает в себя пуриновое основание и сахар рибозу. Пуриновое основание присоединяется к 1′-атому углерода рибозы, а три фосфатные группы присоединяются к 5′-атому углерода рибозы. Молекула ниже изображает структуру аденозинтрифосфата.
Структура АТФ (синие фосфатные группы, зеленый сахар рибозы, желтое пуриновое основание) Благодаря своей структуре аденозинтрифосфата он растворим в воде и имеет высокое содержание энергии благодаря двум фосфоангидридным связям, соединяющим три фосфатные группы.
Как высвобождается энергия в АТФ?
АТФ можно назвать «энергетической валютой» клетки, поскольку он обеспечивает высвобождение энергии в связи между второй и третьей фосфатными группами, вызывая экзотермическую реакцию.
Красный кружок показывает связь в АТФ, которая разрывается с выделением энергии.Эти связи между фосфатными группами обладают высокой энергией, поскольку их электроотрицательные заряды отталкиваются друг от друга. В ходе метаболических процессов потеря фосфатной группы гидролизует АТФ до АДФ. Механизмы обратной связи контролируют эти реакции, чтобы поддерживать постоянный уровень АТФ в клетке.
Что такое энергия АТФ?
Биохимики называют энергию, вырабатываемую в клетках аденозинтрифосфатом, «энергией АТФ». Эта энергия необходима для многих процессов в биологии, таких как сокращение мышц и нервные импульсы. В биологии АТФ генерирует энергию за счет расщепления высококалорийной пищи внутри клеток, а также путем преобразования АТФ в АДФ.
Цикл АТФ
Благодаря тому, что два внешних фосфата АТФ имеют высокоэнергетические фосфоангидридные связи, их связи легко переносятся. Поскольку концевой фосфат может гидролизоваться с образованием АТФ в АДФ, это создает цикл АТФ. В свою очередь ферменты могут фосфорилировать АДФ с образованием АТФ.
Цикл АТФФункции АТФ в биологии
Гидролиз АТФ обеспечивает энергию, необходимую для многих процессов в организмах и клетках. Некоторые функции включают внутриклеточную передачу сигналов, синтез ДНК и РНК (включая молекулярное клонирование и ПЦР), синаптическую передачу сигналов, активный транспорт и сокращение мышц.
АТФ во внутриклеточной передаче сигналов
Любая форма передачи сигнала зависит от АТФ. АТФ служит субстратом для киназ (АТФ-связывающих белков). Ионы магния, находящиеся в клетке в комплексе с АТФ, регулируют эти киназы. Магний связывается с фосфатно-кислородными центрами. В дополнение к помощи в регулировании активности киназы, АТФ действует как триггер высвобождения внутриклеточного мессенджера.
Эти мессенджеры включают гормоны, ферменты и нейротрансмиттеры, и это лишь некоторые из них.
АТФ в синтезе ДНК и РНК
Для синтеза ДНК и РНК требуется АТФ. АТФ является одним из четырех нуклеотид-трифосфатных мономеров, необходимых для синтеза РНК. В синтезе ДНК требуется аналогичный механизм, за исключением того, что АТФ должен сначала потерять атом кислорода из сахара, чтобы произвести дезоксирибонуклеотид, дАТФ.
АТФ в нейротрансмиссии
Мозг потребляет больше АТФ, чем где-либо еще в организме, из-за большого количества энергии, необходимой для поддержания концентрации ионов для нейронной передачи сигналов и синаптической передачи. На пресинаптическом окончании нейрону требуется АТФ для установления ионных градиентов, чтобы поместить нейротрансмиттеры в везикулы. Это важно, потому что передача сигналов нейронами зависит от способности потенциалов действия достигать пресинаптических окончаний, чтобы сигнализировать о высвобождении загруженных везикул.
