«Человеческая электростанция»: как работают молекулярные станки в клетках
СМИ о насРИА Новости
Каждая наша клетка представляет собой цех, наполненный станками. Станки вмонтированы в мембраны митохондрий — микроскопических энергетических центров. Они служат для производства АТФ (аденозинтрифосфат) — это «человеческий бензин», на котором работает весь наш организм. Сотни триллионов митохондрий ежесекундно «гудят» от «рева» проворачивающихся робототехнических устройств на протонной тяге. В маленькую дырочку попадает фосфат, который проваливается в контейнер, за счет электрического тока протонов приобретает там новые химические свойства, а потом вываливается в шланг, по которому поступает внутрь митохондрии для присоединения к другим фосфатам для образования молекулы АТФ.
Неужели эта промышленная картина может быть частью нашего организма? И откуда в наших клетках эти «станки»? И как там оказываются протоны? И неужели устройства, напоминающие круговые двери в супермаркетах, могут в количестве миллионов штук «населять» нас изнутри?
Все эти вопросы, а также ответы на них родились у микробиологов и биофизиков, которые хотели понять, как разнообразная еда, поглощаемая человеком, превращается в вещество, снабжающее энергией каждую нашу мышцу.
Оказывается, цикл превращений так сложен, что изложение его в подробностях может составить текст солидной книги. Но вкратце это можно представить так: после того как пища пережевана и проглочена, она попадает в желудок, где подвергается различным видоизменениям, позволяющим дальнейшее всасывание. Процесс пищеварения продолжается в тонком кишечнике под воздействием различных пищевых ферментов. Там происходит превращение углеводов в глюкозу, расщепление липидов и белков.
Потом глюкоза попадает в клетку. Там она распадается пополам на две составляющие — и в таком виде (это называется пируват) попадает в митохондрию.
Митохондрии — это обязательная часть клеток большинства живых организмов — животных, растений, грибов. По одной из версий, митохондрии когда-то были самостоятельными организмами и жили отдельно от нас, поэтому до сих пор сохранили свой геном (митохондриальный). То есть в каждой клеточке любого человека сидит существо со своим геномом! Но в какой-то момент, еще в древности, они слились с нашими клетками, обеспечивая им переработку пищи в энергию.
Итак, попадая в митохондрию, пируваты — части глюкозы (в цикле Кребса) последовательно окисляются.
Неподалеку в митохондрии плавает никотинамидадениндинуклеотид (NAD), у которого энергия окисления при переходе на эту молекулу вызывает отщепление протона.
Вот! Наконец-то в сложной схеме превращений возник тот самый протон, который необходим для синтеза молекулы АТФ. На нашей главной иллюстрации эти протоны носятся в быстром темпе над мембраной митохондрии, прежде чем попасть в «станок». На самом деле, до последнего времени не было понятно, как именно они туда попадают. Ведь эти протоны могут уплывать куда им вздумается! Однако почему-то они держатся около мембраны, «кучкуясь» прямо у входа в круговые ворота «станка». Российские ученые НИТУ «МИСиС» в кооперации с австрийскими коллегами из Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Линц), проведя филигранные эксперименты, теперь знают, почему же так получается.
Поясняет сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Сергей Акимов: «Протоны, двигаясь внутри митохондрии, пребывают в воде. Известно, что молекула воды (h3O) состоит из двух атомов водорода (h2) и одного атома кислорода (O16). Помимо химической связи внутри одной молекулы воды, эти атомы могут образовывать слабые связи с соседними молекулами воды, называемые водородными связями. Вблизи поверхности мембраны эти связи в молекуле воды образуются особым образом, поскольку с одной стороны находится вода, с другой — „стенка“. Водородные связи вблизи мембраны другие, у них другое число, другая структура. Именно их протон и использует в качестве „рельсов“ для продвижения вперед вдоль мембраны. Наше исследование показало, что ему „нравится“ эта структура, он не уплывает вглубь митохондрии, а аномально быстро носится вдоль мембраны».
Так происходит «захват» протонов для образования самой главной энергетической молекулы нашего тела — АТФ.
Они используются для любого нашего движения, поддержания температуры тела и так далее. АТФ представляет собой универсальный «аккумулятор», поставляющий энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. Таким образом обеспечивается синтез белков, углеводов, жиров, движение жгутиков и ресничек, транспорт веществ, избавление клетки от отходов. При расщеплении АТФ — разрядке «аккумулятора» — выделяется нужная нам энергия.
Полученные результаты фундаментального исследования приближают ученых к пониманию глобальных механизмов генерации энергии в клетках, а также открывают перспективы перед фармакологией. Результаты работы могут быть использованы для разработки препаратов, нейтрализующих действие разобщительных ядов, а также для профилактики заболеваний, связанных с гиперфункцией щитовидной железы. При этих патологиях в митохондриях накапливаются так называемые вещества-разобщители — слабые жирорастворимые кислоты, которые эффективно связывают протоны, что приводит к общему снижению синтеза АТФ.
Новые знания, полученные российскими учеными, позволяют понимать, что нужно сделать для того, чтобы восстановить энергию человека на уровне каждой клетки.
Поделиться
- Эксперт: фестиваль Maker Faire разбудит в москвичах дремлющих «кулибиных»
- Дороже платины: мировые цены на промышленные металлы достигли максимальных значений за 10 лет
- «Человеческая электростанция»: как работают молекулярные станки в клетках
- НИТУ «МИСиС» на выставке EAIE
Новости
16 июня
НИТУ МИСИС: проект как диплом
Читать все новости
Что такое АТФ? Прояснение источника энергии ваших клеток
Каждая отдельная функция и движение тела требует энергии. Энергетическая валюта тела (и всех живых организмов) — это молекула-носитель энергии, известная как аденозинтрифосфат или сокращенно АТФ.
Хотя некоторые люди, возможно, помнят, что слышали об АТФ еще со школьных уроков биологии, особенности того, как АТФ функционирует и как она образуется, остаются для большинства людей неясными.
Итак, что такое АТФ? Как производится АТФ ? Из чего состоит АТФ? Где производится АТФ? Самое главное, что делает ATP ?
В этой статье мы вернемся к некоторым понятиям школьной биологии в полезном виде для повседневных упражнений и результатов, обсудив, что такое АТФ, как АТФ производится и как АТФ функционирует в организме.
Мы рассмотрим:
- Что такое АТФ?
- Как работает АТФ?
- Как производится АТФ?
- Почему важна АТФ?
Давайте прыгать!
Что такое АТФ?
АТФ, что означает аденозинтрифосфат, представляет собой большую биомолекулу, состоящую из азотистого основания (аденина) и молекулы сахара (рибозы), которые вместе создают аденозин.
Компонент трифосфата относится к трем молекулам фосфата, связанным с аденозином.
Молекула АТФ была впервые обнаружена в 1929 году немецким химиком Карлом Ломанном, который выделил молекулу при изучении мышечных сокращений.
Однако для полного понимания АТФ потребовалось еще десятилетие. В 1939 году Фриц Липманн получил Нобелевскую премию за установление того, что АТФ имеет «богатые энергией фосфатные связи» и что является универсальным переносчиком энергии во всех живых клетках.
Как работает АТФ?
Молекула АТФ хранит энергию в фосфатных связях. Когда молекулы фосфата отщепляются, высвобождается полезная энергия.
Когда один фосфат удален, молекула известна как аденозиндифосфат (АДФ), а затем, когда другой фосфат удален, молекула становится аденозинмонофосфатом (АМФ).
Высшая энергетическая конфигурация — АТФ; по мере удаления фосфатов высвобождается энергия, и молекула несет меньше запасенной энергии.
АТФ и АДФ постоянно находятся в циклическом движении между более высоким энергетическим состоянием АТФ и низкоэнергетическим состоянием молекулы АДФ, поскольку молекула фосфата либо отщепляется, либо снова добавляется.
Таким образом, молекулу АТФ/АДФ можно рассматривать как перезаряжаемую батарею в том смысле, что, когда батарея «полная», молекула находится в своем трифосфатном состоянии как АТФ с тремя молекулами фосфата, несущими максимальное количество энергии. молекула может удерживать для клеточной работы.
Поскольку клетке требуется энергия, одна молекула фосфата удаляется, таким образом, молекула «истощает» часть своего заряда батареи. В дифосфатном состоянии две молекулы фосфата, аденозиндифосфат, АДФ, представляют собой низкоэнергетическую форму молекулы.
Затем, после того, как пища съедена, организм может преобразовывать энергию пищи в накопленные энергетические фосфатные связи.
Другой фосфат можно добавить в состояние «разряженной батареи» DP и преобразовать молекулу обратно в полностью заряженную АТФ.
Одна молекула АДФ/АТФ может пройти этот цикл потери и приобретения молекулы фосфата или, по существу, заряжаться и разряжаться бесчисленное количество раз в течение своего жизненного цикла.
Как производится АТФ?
Итак, как производится АТФ?
Организм вырабатывает молекулы АТФ посредством процесса, известного как гидролиз.
Энергия, получаемая из молекул углеводов, белков и жиров в продуктах и напитках, которые мы потребляем, может быть использована для образования переносящей энергию молекулы АТФ.
Основным источником пищи, используемым для производства АТФ, являются углеводы, потому что глюкоза, простой сахар, на который расщепляются молекулы углеводов, является основным источником топлива для митохондрий в наших клетках.
Митохондрии — это органеллы или небольшие клеточные компоненты, которые преобразуют калории пищи в клеточную энергию, или АТФ, посредством процесса, называемого клеточным дыханием.
По сути, митохондрии способны извлекать калории пищи, содержащиеся в связях молекул сахара, и преобразовывать их в полезную энергию для клеток, которая, опять же, является молекулой АТФ.
Существуют различные типы клеточного дыхания, то есть процесса, посредством которого происходит это преобразование энергии. Когда клеточное дыхание происходит в присутствии кислорода, оно известно как аэробное дыхание.
Аэробное дыхание происходит посредством пути, известного как цикл Кребса или цикл лимонной кислоты, и цепи переноса электронов.
При недостатке кислорода, например, во время высокоинтенсивных упражнений, клеточное дыхание все еще может происходить, но оно использует другие пути, называемые анаэробным метаболизмом, или, более конкретно, гликолизом и системой АТФ/ФХ.
Молекулы глюкозы начинают преобразовываться в АТФ с гликолиза, серии химических реакций, которые в конечном итоге расщепляют молекулы глюкозы на более мелкие молекулы, известные как пируват и четыре молекулы АТФ.
Пока гликолиз происходит в присутствии кислорода, молекулы пирувата вступают в цикл Кребса или цикл лимонной кислоты, который далее расщепляет оставшуюся часть молекул сахара на переносчики электронов.
Переносчики электронов — это особые молекулы, которые подпитывают синтез АТФ.
Они входят в цепь переноса электронов (ЭТЦ), которая является еще одним путем аэробного клеточного дыхания. Этот путь перекачивает положительно заряженные протоны через внутреннюю мембрану митохондрий, что в конечном итоге приводит к относительно большому количеству производства АТФ по сравнению с более ранними стадиями и фазами процесса клеточного дыхания.
Хотя большая часть АТФ, вырабатываемой в организме человека, производится в митохондриях с помощью аэробного дыхания, АТФ также может вырабатываться анаэробно, без кислорода, как в организме, так и в других живых организмах, таких как животные, растения и даже некоторые бактерии .
Например, в человеческом организме во время интенсивной тренировки может не хватать кислорода для аэробного производства энергии. В этих случаях происходит анаэробный гликолиз, а это означает, что вместо пирувата конечным продуктом всех химических реакций, составляющих цикл гликолиза, является лактат.
Молочнокислое брожение затем производит АТФ анаэробно. Однако цикл Кребса и цепь переноса электронов не могут происходить без достаточного количества кислорода, поэтому потенциальный выход АТФ на каждую расщепленную молекулу глюкозы значительно снижается.
Кроме того, анаэробный путь гликолиза вырабатывает ионы водорода, которые являются кислыми и снижают pH в мышечной ткани. Более низкий pH может вызвать чувство жжения, которое может быть связано с высокоинтенсивными упражнениями, такими как бег на короткие дистанции или тренировки HIIT.
Согласно исследованиям, когда синтез АТФ происходит посредством аэробного клеточного дыхания в митохондриях, на одну окисляемую молекулу глюкозы вырабатывается примерно 32 молекулы АТФ.
Обычно считается, что организм зависит от гидролиза от 100 до 150 моля АТФ в день для поддержки всех различных функций. Поскольку один моль равен 6,022 × 102³ молекул, это представляет собой огромную потребность организма в АТФ в день.
Хотя большая часть АТФ вырабатывается через пути клеточного дыхания, АТФ также может вырабатываться посредством бета-окисления (при котором молекулы жира расщепляются для получения энергии) и кетоза (при котором кетоны сжигаются для получения энергии).
Кроме того, растения, водоросли и некоторые бактерии могут производить АТФ путем преобразования солнечной энергии, а не энергии пищи, в клеточную энергию (АТФ) посредством фотосинтеза.
У этих организмов нет даже митохондрий. Они используют хлоропласты для выполнения функции клеточного дыхания.
Почему важна АТФ?
АТФ жизненно необходим для поддержания жизни любого организма, в том числе человеческого. Без АТФ клетки не могли бы выполнять свои функции, мышцы не могли бы сокращаться, пищеварение не происходило, сердце не билось и т. д.
АТФ необходим для использования энергии, содержащейся в продуктах питания. что мы едим, поэтому без АТФ, даже если бы вы ели, вы не смогли бы использовать потенциальную энергию, содержащуюся в потребляемых углеводах, белках и жировых калориях.
АТФ можно приравнять к бензину в машине или к заряду аккумулятора вашего смартфона. Если ваш уровень заряда до нуля и нет бензина или заряда батареи, автомобиль не заведется, и ваш телефон будет непригоден для использования.
Важно отметить, что для производства АТФ необходимы не только калорийные макроэлементы (углеводы, белки и жиры), но и микроэлементы, такие как витамины группы В, и минералы, такие как медь, магний, марганец и фосфор.
Пока вы соблюдаете хорошо сбалансированную диету с достаточным количеством калорий для физической активности, которую вы выполняете, достаточно пьете и достаточно отдыхаете, ваше тело должно иметь все необходимые ресурсы, необходимые для производства АТФ и Поддерживайте постоянный цикл рециркуляции АТФ/АДФ, чтобы поддерживать ваши основные жизненные функции, а также вашу добровольную физическую активность и упражнения.
Чтобы понять суточную потребность вашего организма в калориях, вы можете обратиться к нашей статье Что такое TDEE? Общий расход энергии, объяснение.
- Поделиться
- Твит
| Галерея цифровых изображений для микроскопии в поляризованном светеАденозинтрифосфат (АТФ) Аденозинтрифосфат, часто называемый просто АТФ, представляет собой нуклеотид, обнаруженный в клетках всех живых организмов. Молекула АТФ состоит из пентозного сахара рибозы, пуринового основания аденина и трех фосфатных групп, связанных вместе в цепочку. Энергия, доступная АТФ, запасается в виде химических связей между фосфатными группами. Когда связи разрываются в процессе гидролиза, энергия высвобождается и может свободно передаваться туда, где это необходимо для облегчения движения, обмена веществ или других видов деятельности организма. Тем не менее, АТФ не является запасной молекулой в том смысле, в каком углеводы и жиры являются запасными молекулами. Действительно, когда клетке требуется энергия, энергия, накопленная в углеводах и жирах, превращается в АТФ. Клетки постоянно расщепляют АТФ, но никогда не заканчиваются важные нуклеотиды. ВЕРНУТЬСЯ В ГАЛЕРЕЮ ХИМИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ НАЗАД В ГАЛЕРЕЮ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.© 1998-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Вам так же может понравиться... | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gif»>
Органическое соединение в основном отвечает за генерацию и передачу химической энергии, необходимой для выполнения различных биохимических процессов, факт, открытый Фрицем Альбертом Липманном и Германом Калькаром в 1941 году.
Это связано с тем, что АТФ также непрерывно синтезируется посредством клеточного дыхания или фотосинтеза, в зависимости от того, является ли рассматриваемый организм растением или животным. Во время обоих этих процессов молекулы аденозиндифосфата ( ADP ) могут захватывать дополнительную фосфатную группу, в результате чего образуется АТФ. В дополнение к своей роли в энергетическом обмене АТФ играет важную роль в синтезе нуклеиновых кислот и может функционировать как нейротрансмиттер вне клеток.