Metabolismo ed energia nella cellula. L'energia cellulare ha spiegato il mistero dell'emergere di forme di vita complesse. L'ossigeno come necessità vitale

Crescita abbondante di alberi grassi,
che radicano sulla sterile sabbia
approvato, lo afferma chiaramente
fogli di grasso grasso grasso dall'aria
assorbire...
MV Lomonosov

Come viene immagazzinata l'energia in una cellula? Cos'è il metabolismo? Qual è l'essenza dei processi di glicolisi, fermentazione e respirazione cellulare? Quali processi hanno luogo durante le fasi di luce e di buio della fotosintesi? Come sono correlati i processi del metabolismo energetico e plastico? Cos'è la chemiosintesi?

Lezione-lezione

La capacità di convertire un tipo di energia in un altro (l'energia delle radiazioni in energia dei legami chimici, l'energia chimica in energia meccanica, ecc.) è una delle proprietà fondamentali degli esseri viventi. Qui daremo uno sguardo più da vicino a come questi processi vengono implementati negli organismi viventi.

L'ATP È IL PRINCIPALE VETTORE DI ENERGIA NELLA CELLULA. Per eseguire qualsiasi manifestazione dell'attività cellulare, è necessaria energia. Gli organismi autotrofi ricevono la loro energia iniziale dal Sole durante le reazioni di fotosintesi, mentre gli organismi eterotrofi utilizzano i composti organici forniti con il cibo come fonte di energia. L'energia viene immagazzinata dalle cellule nei legami chimici delle molecole ATP (adenosina trifosfato), che sono un nucleotide costituito da tre gruppi fosfato, un residuo di zucchero (ribosio) e un residuo di base azotata (adenina) (Fig. 52).

Riso. 52. Molecola di ATP

Il legame tra i residui di fosfato è detto macroergico, poiché quando si rompe viene rilasciata una grande quantità di energia. Tipicamente, la cellula estrae energia dall'ATP rimuovendo solo il gruppo fosfato terminale. In questo caso si formano ADP (adenosina difosfato) e acido fosforico e vengono rilasciati 40 kJ/mol:

Le molecole di ATP svolgono il ruolo di merce di scambio energetica universale della cellula. Vengono consegnati al sito di un processo ad alta intensità energetica, sia esso la sintesi enzimatica composti organici, il lavoro delle proteine ​​- motori molecolari o proteine ​​di trasporto di membrana, ecc. La sintesi inversa delle molecole di ATP viene effettuata aggiungendo un gruppo fosfato all'ADP con assorbimento di energia. La cellula immagazzina energia sotto forma di ATP durante le reazioni metabolismo energetico. È strettamente correlato a scambio di plastica, durante il quale la cellula produce i composti organici necessari al suo funzionamento.

METABOLISMO ED ENERGIA NELLA CELLULA (METABOLISMO). Il metabolismo è la totalità di tutte le reazioni del metabolismo plastico ed energetico, interconnesse. Le cellule sintetizzano costantemente carboidrati, grassi, proteine, acidi nucleici. La sintesi dei composti avviene sempre con dispendio di energia, cioè con la partecipazione indispensabile di ATP. Le fonti di energia per la formazione di ATP sono reazioni enzimatiche ossidazione di proteine, grassi e carboidrati che entrano nella cellula. Durante questo processo, l'energia viene rilasciata e immagazzinata nell'ATP. L’ossidazione del glucosio svolge un ruolo speciale nel metabolismo energetico cellulare. Le molecole di glucosio subiscono una serie di trasformazioni successive.

La prima fase, chiamata glicolisi, avviene nel citoplasma delle cellule e non richiede ossigeno. Come risultato di reazioni successive che coinvolgono gli enzimi, il glucosio si scompone in due molecole di acido piruvico. In questo caso vengono consumate due molecole di ATP e l'energia rilasciata durante l'ossidazione è sufficiente per formare quattro molecole di ATP. Di conseguenza, la produzione di energia della glicolisi è piccola e ammonta a due molecole di ATP:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

In condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno), possono essere associate ulteriori trasformazioni vari tipi fermentazione.

Tutti sanno fermentazione dell'acido lattico(acidificazione del latte), che si verifica a causa dell'attività di funghi e batteri dell'acido lattico. Il meccanismo è simile alla glicolisi, solo che il prodotto finale qui è l'acido lattico. Questo tipo di ossidazione del glucosio si verifica nelle cellule quando c'è carenza di ossigeno, come nei muscoli che lavorano intensamente. La fermentazione alcolica è chimicamente vicina alla fermentazione dell'acido lattico. La differenza è che i prodotti della fermentazione alcolica lo sono etanolo e anidride carbonica.

Viene chiamata la fase successiva, durante la quale l'acido piruvico viene ossidato in anidride carbonica e acqua respirazione cellulare. Le reazioni associate alla respirazione avvengono nei mitocondri delle cellule vegetali e animali e solo in presenza di ossigeno. Questa è una serie di trasformazioni chimiche prima della formazione del prodotto finale: l'anidride carbonica. Nelle varie fasi di questo processo si formano prodotti intermedi di ossidazione della sostanza di partenza con eliminazione degli atomi di idrogeno. In questo caso si libera energia, che viene “conservata” nei legami chimici dell'ATP, e si formano molecole d'acqua. Diventa chiaro che è proprio per legare gli atomi di idrogeno separati che è necessario l'ossigeno. Questa serie di trasformazioni chimiche è piuttosto complessa e avviene con la partecipazione delle membrane interne dei mitocondri, degli enzimi e delle proteine ​​trasportatrici.

La respirazione cellulare ha una funzione molto alta efficienza. Vengono sintetizzate 30 molecole di ATP, altre due molecole si formano durante la glicolisi e sei molecole di ATP si formano come risultato della trasformazione dei prodotti della glicolisi sulle membrane mitocondriali. In totale, come risultato dell'ossidazione di una molecola di glucosio, si formano 38 molecole di ATP:

C6H12O6 + 6H20 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP

Le fasi finali dell'ossidazione non solo degli zuccheri, ma anche delle proteine ​​e dei lipidi si verificano nei mitocondri. Queste sostanze vengono utilizzate dalle cellule soprattutto quando termina la fornitura di carboidrati. Innanzitutto viene consumato il grasso, la cui ossidazione rilascia molta più energia rispetto a un uguale volume di carboidrati e proteine. Il grasso negli animali rappresenta quindi la principale “riserva strategica” di risorse energetiche. Nelle piante l'amido svolge il ruolo di riserva energetica. Una volta immagazzinato, occupa molto più spazio rispetto alla quantità equivalente di energia del grasso. Questo non è un ostacolo per le piante, poiché sono immobili e non portano con sé provviste, come gli animali. Puoi estrarre energia dai carboidrati molto più velocemente che dai grassi. Le proteine ​​svolgono molte funzioni nel corpo funzioni importanti, quindi, intervengono nel metabolismo energetico solo quando le risorse di zuccheri e grassi sono esaurite, ad esempio durante il digiuno prolungato.

FOTOSINTESI. Fotosintesiè un processo durante il quale l'energia dei raggi solari viene convertita nell'energia dei legami chimici dei composti organici. Nelle cellule vegetali, i processi associati alla fotosintesi si verificano nei cloroplasti. All'interno di questo organello sono presenti sistemi di membrane in cui sono incorporati i pigmenti che catturano l'energia radiante del Sole. Il pigmento principale della fotosintesi è la clorofilla, che assorbe prevalentemente i raggi blu e viola, nonché i raggi rossi dello spettro. La luce verde viene riflessa, quindi la clorofilla stessa e le parti delle piante che la contengono appaiono verdi.

Ci sono due fasi nella fotosintesi: leggero E buio(Fig. 53). L'effettiva cattura e conversione dell'energia radiante avviene durante la fase luminosa. Quando assorbe i quanti di luce, la clorofilla entra in uno stato eccitato e diventa un donatore di elettroni. I suoi elettroni vengono trasferiti da un complesso proteico all'altro lungo la catena di trasporto degli elettroni. Le proteine ​​di questa catena, come i pigmenti, sono concentrate sulla membrana interna dei cloroplasti. Quando un elettrone si muove lungo una catena di trasportatori, perde energia, che viene utilizzata per la sintesi dell'ATP. Alcuni degli elettroni eccitati dalla luce vengono utilizzati per ridurre l’NDP (nicotinammide adenina dinucleotifosfato) o NADPH.

Riso. 53. Prodotti di reazione delle fasi chiara e oscura della fotosintesi

Sotto l'influenza luce del sole La scomposizione delle molecole d'acqua avviene anche nei cloroplasti - fotolisi; in questo caso compaiono elettroni che compensano le loro perdite da parte della clorofilla; Questo produce ossigeno come sottoprodotto:

Pertanto, il significato funzionale della fase luminosa è la sintesi di ATP e NADPH convertendo l'energia luminosa in energia chimica.

La luce non è necessaria affinché si verifichi la fase oscura della fotosintesi. L'essenza dei processi che si svolgono qui è che le molecole di ATP e NADPH prodotte nella fase leggera vengono utilizzate in una serie di reazioni chimiche che “fissano” la CO2 sotto forma di carboidrati. Tutte le reazioni della fase oscura hanno luogo all'interno dei cloroplasti e l'anidride carbonica ADP e NADP rilasciata durante la “fissazione” viene nuovamente utilizzata nelle reazioni della fase chiara per la sintesi di ATP e NADPH.

L’equazione generale per la fotosintesi è la seguente:

RELAZIONE E UNITÀ DEI PROCESSI DI SCAMBIO DELLA PLASTICA E DELL'ENERGIA. I processi di sintesi dell'ATP avvengono nel citoplasma (glicolisi), nei mitocondri (respirazione cellulare) e nei cloroplasti (fotosintesi). Tutte le reazioni che si verificano durante questi processi sono reazioni di scambio energetico. L'energia immagazzinata sotto forma di ATP viene consumata in reazioni di scambio plastico per la produzione di proteine, grassi, carboidrati e acidi nucleici necessari alla vita della cellula. Si noti che la fase oscura della fotosintesi è una catena di reazioni, lo scambio plastico, e la fase luminosa è lo scambio di energia.

L'interrelazione e l'unità dei processi di scambio energetico e plastico è ben illustrata dalla seguente equazione:

Leggendo questa equazione da sinistra a destra, otteniamo il processo di ossidazione del glucosio in anidride carbonica e acqua durante la glicolisi e la respirazione cellulare, associato alla sintesi di ATP (metabolismo energetico). Se lo leggi da destra a sinistra, otterrai una descrizione delle reazioni della fase oscura della fotosintesi, quando il glucosio viene sintetizzato da acqua e anidride carbonica con la partecipazione di ATP (scambio plastico).

CHEMIOSINTESI. Verso la sintesi materia organica Tra quelli inorganici, oltre ai fotoautotrofi, sono capaci anche alcuni batteri (batteri dell'idrogeno, batteri nitrificanti, batteri dello zolfo, ecc.). Eseguono questa sintesi grazie all'energia rilasciata durante l'ossidazione delle sostanze inorganiche. Si chiamano chemioautotrofi. Questi batteri chemiosintetici giocano ruolo importante nella biosfera. Ad esempio, i batteri nitrificanti convertono i sali di ammonio che non sono disponibili per l'assorbimento da parte delle piante in sali di acido nitrico, che vengono da loro ben assorbiti.

Il metabolismo cellulare è costituito da reazioni del metabolismo energetico e plastico. Durante il metabolismo energetico si formano composti organici con legami chimici ad alta energia - ATP. L'energia necessaria a questo scopo proviene dall'ossidazione dei composti organici durante le reazioni anaerobiche (glicolisi, fermentazione) e aerobiche (respirazione cellulare); dalla luce solare, la cui energia viene assorbita nella fase luminosa (fotosintesi); dall'ossidazione di composti inorganici (chemiosintesi). L'energia ATP viene spesa per la sintesi dei composti organici necessari per la cellula durante le reazioni di scambio plastico, che includono le reazioni della fase oscura della fotosintesi.

• Quali sono le differenze tra metabolismo plastico ed energetico?
• Come viene convertita l'energia della luce solare nella fase luminosa della fotosintesi? Quali processi avvengono durante la fase oscura della fotosintesi?
• Perché la fotosintesi è chiamata il processo di riflessione dell'interazione planetario-cosmica?

Vie comuni del catabolismo

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

Cos'è il metabolismo?

Metabolismoè un'attività cellulare altamente coordinata e mirata, assicurata dalla partecipazione di molti sistemi enzimatici interconnessi, e comprende due processi inseparabili anabolismo E catabolismo.

Svolge tre funzioni specializzate:

1. Energia– fornire alla cellula energia chimica,

2. Plastica– sintesi di macromolecole come elementi costitutivi,

3. Specifica– sintesi e scomposizione di biomolecole necessarie per svolgere specifiche funzioni cellulari.

Anabolismo

L'anabolismo è la biosintesi di proteine, polisaccaridi, lipidi, acidi nucleici e altre macromolecole da piccole molecole precursori. Poiché è accompagnato da una struttura più complessa, richiede un dispendio energetico. La fonte di tale energia è l'energia ATP.

Ciclo NADP-NADPH

Anche per la biosintesi di alcune sostanze ( acido grasso, colesterolo) richiedono atomi di idrogeno ricchi di energia - la loro fonte è il NADPH. Le molecole di NADPH si formano nelle reazioni di ossidazione del glucosio-6-fosfato nella via del pentoso e dell'ossalacetato ad opera dell'enzima malico. Nelle reazioni anaboliche, il NADPH trasferisce i suoi atomi di idrogeno alle reazioni sintetiche e viene ossidato a NADP. Ecco come si forma NADP-NADPH- ciclo.

Catabolismo

Il catabolismo è la scomposizione e l'ossidazione di molecole organiche complesse in prodotti finali più semplici. È accompagnato dal rilascio dell'energia contenuta in struttura complessa sostanze. La maggior parte dell'energia rilasciata viene dissipata sotto forma di calore. Una parte minore di questa energia viene “intercettata” dai coenzimi delle reazioni ossidative SOPRA E FAD, una parte viene immediatamente utilizzata per la sintesi di ATP.

Va notato che gli atomi di idrogeno rilasciati nelle reazioni di ossidazione delle sostanze possono essere utilizzati dalla cellula solo in due direzioni:

· SU anabolico reazioni nella composizione NADPH.

· SU Formazione dell'ATP nei mitocondri durante l'ossidazione NADH E RICA 2.

Tutto il catabolismo è convenzionalmente suddiviso in tre fasi:

Si verifica intestini(digestione del cibo) o nei lisosomi quando si scompongono le molecole non necessarie. In questo caso viene rilasciata circa l'1% dell'energia contenuta nella molecola. Viene dissipato sotto forma di calore.

Le sostanze formate durante l'idrolisi intracellulare o che penetrano nella cellula dal sangue vengono solitamente convertite nella seconda fase in acido piruvico, un gruppo acetile (come parte dell'acetil-S-CoA) e alcune altre piccole molecole organiche. Localizzazione della seconda fase – citosol E mitocondri.

Parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore e circa il 13% dell'energia della sostanza viene assorbita, cioè viene immagazzinato sotto forma di legami ad alta energia di ATP.

Schema delle vie cataboliche generali e specifiche

Tutte le reazioni in questa fase vanno a mitocondri. L'acetil-SCoA è incluso nelle reazioni del ciclo dell'acido tricarbossilico e viene ossidato ad anidride carbonica. Gli atomi di idrogeno rilasciati si combinano con NAD e FAD e li riducono. Successivamente, NADH e FADH 2 trasferiscono l'idrogeno alla catena degli enzimi respiratori localizzati sulla membrana interna dei mitocondri. Qui, a seguito di un processo chiamato " fosforilazione ossidativa"L'acqua si forma e prodotto principale ossidazione biologica - ATP.

Parte dell'energia della molecola rilasciata in questa fase viene dissipata sotto forma di calore e circa il 46% dell'energia della sostanza originaria viene assorbita, cioè immagazzinati in obbligazioni ATP e GTP.

Ruolo dell'ATP

Energia liberata nelle reazioni catabolismo, viene memorizzato sotto forma di connessioni chiamate macroergico. La molecola fondamentale e universale che immagazzina energia e la rilascia quando necessario lo è ATP.

Tutte le molecole di ATP nella cellula partecipano continuamente a qualche tipo di reazione, vengono costantemente scomposte in ADP e rigenerate nuovamente.

Ci sono tre modi principali utilizzo ATP

biosintesi delle sostanze,

trasporto di sostanze attraverso le membrane,

· cambiamento nella forma e nel movimento delle cellule.

Questi processi, insieme al processo formazione scolasticaÈ stato nominato l'ATP Ciclo dell'ATP:

Turnover di ATP nella vita cellulare

Da dove viene l’ATP in una cellula?

Modi per ottenere energia in una cellula

Esistono quattro processi principali nella cellula che assicurano il rilascio di energia dai legami chimici durante l'ossidazione delle sostanze e il suo stoccaggio:

1. Glicolisi (fase 2 dell'ossidazione biologica) – ossidazione di una molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico, con conseguente formazione di 2 molecole ATP E NADH. Inoltre, l’acido piruvico viene convertito in acetil-SCoA in condizioni aerobiche e in acido lattico in condizioni anaerobiche.

2. β-ossidazione degli acidi grassi (fase 2 dell'ossidazione biologica) – ossidazione degli acidi grassi in acetil-SCoA, qui si formano le molecole NADH E RICA 2. Molecole di ATP forma pura"non appaiono.

3. Ciclo dell'acido tricarbossilico (ciclo TCA, stadio 3 dell'ossidazione biologica) – ossidazione del gruppo acetile (come parte dell'acetil-SCoA) o di altri chetoacidi in anidride carbonica. Le reazioni a ciclo completo sono accompagnate dalla formazione di 1 molecola GTF(equivalente a un ATP), 3 molecole NADH e 1 molecola RICA 2.

4. Fosforilazione ossidativa (fase 3 dell'ossidazione biologica) – NADH e FADH 2 ottenuti nelle reazioni di catabolismo del glucosio, degli amminoacidi e degli acidi grassi vengono ossidati. Allo stesso tempo, gli enzimi della catena respiratoria sulla membrana interna dei mitocondri ne garantiscono la formazione maggiore parti della cellula ATP.

Due modi per sintetizzare l'ATP

Il modo principale per ottenere ATP nella cellula è la fosforilazione ossidativa, che avviene nelle strutture della membrana interna dei mitocondri. In questo caso, l'energia degli atomi di idrogeno delle molecole NADH e FADH 2 formate nella glicolisi, nel ciclo TCA e nell'ossidazione degli acidi grassi viene convertita nell'energia dei legami ATP.

Tuttavia, esiste anche un altro modo per fosforilare l'ADP in ATP: la fosforilazione del substrato. Questo metodo è associato al trasferimento di fosfato ad alta energia o di energia di legame ad alta energia di qualsiasi sostanza (substrato) all'ADP. Queste sostanze includono metaboliti glicolitici ( acido 1,3-difosfoglicerico, fosfoenolpiruvato), ciclo dell'acido tricarbossilico ( succinil-SCoA) E creatina fosfato. L'energia di idrolisi del loro legame macroergico è superiore a 7,3 kcal/mol nell'ATP e il ruolo di queste sostanze si riduce all'utilizzo di questa energia per fosforilare la molecola di ADP in ATP.

L’ATP è la “valuta” energetica universale della cellula. Una delle "invenzioni" più sorprendenti della natura sono le molecole delle cosiddette sostanze "macroergiche", nella cui struttura chimica sono presenti uno o più legami che fungono da dispositivi di accumulo di energia. In natura sono state trovate diverse molecole simili, ma solo una di queste si trova nel corpo umano: l'acido adenosina trifosforico (ATP). Si tratta di una molecola organica piuttosto complessa alla quale sono attaccati 3 residui inorganici caricati negativamente acido fosforico P.O. Sono questi residui di fosforo che sono collegati alla parte organica della molecola tramite legami “macroergici”, che vengono facilmente distrutti durante varie reazioni intracellulari. Tuttavia, l’energia di questi legami non viene dissipata nello spazio sotto forma di calore, ma viene utilizzata per il movimento o l’interazione chimica di altre molecole. È grazie a questa proprietà che l'ATP svolge nella cellula la funzione di un dispositivo universale di accumulo di energia (accumulatore), nonché di una “valuta” universale. Dopotutto, quasi ogni trasformazione chimica che avviene in una cellula assorbe o rilascia energia. Secondo la legge di conservazione dell'energia, la quantità totale di energia generata a seguito di reazioni ossidative e immagazzinata sotto forma di ATP è pari alla quantità di energia che la cellula può utilizzare per i suoi processi sintetici e per lo svolgimento di qualsiasi funzione . Come “pagamento” per l'opportunità di eseguire questa o quell'azione, la cellula è costretta a consumare la sua scorta di ATP. Va sottolineato in particolare: la molecola di ATP è così grande che non è in grado di passare attraverso la membrana cellulare. Pertanto, l'ATP prodotto in una cellula non può essere utilizzato da un'altra cellula. Ogni cellula del corpo è costretta a sintetizzare ATP per i propri bisogni in modo indipendente nelle quantità in cui è necessaria per svolgere le sue funzioni.

Tre fonti di risintesi di ATP nelle cellule umane. A quanto pare, i lontani antenati delle cellule corpo umano esisteva molti milioni di anni fa circondato da cellule vegetali, che forniva loro carboidrati in abbondanza, mentre l'ossigeno era insufficiente o non ancora disponibile. I carboidrati sono i più utilizzati per la produzione di energia nel corpo. componente nutrienti. E sebbene la maggior parte delle cellule corpo umano ha acquisito la capacità di utilizzare proteine ​​e grassi come materie prime energetiche; alcune cellule (ad esempio, nervose, rosse del sangue, riproduttive maschili) sono in grado di produrre energia solo attraverso l'ossidazione dei carboidrati.

I processi di ossidazione primaria dei carboidrati - o meglio del glucosio, che è, di fatto, il principale substrato di ossidazione nelle cellule - avvengono direttamente nel citoplasma: è lì che si trovano i complessi enzimatici, grazie ai quali la molecola di glucosio è parzialmente distrutto e l'energia rilasciata viene immagazzinata sotto forma di ATP. Questo processo si chiama glicolisi e può avvenire in tutte le cellule del corpo umano senza eccezioni. Come risultato di questa reazione, da una molecola di glucosio a 6 atomi di carbonio si formano due molecole di acido piruvico a 3 atomi di carbonio e due molecole di ATP.

La glicolisi è un processo molto veloce, ma relativamente inefficace. L'acido piruvico, formatosi nella cellula dopo il completamento delle reazioni di glicolisi, si trasforma quasi immediatamente in acido lattico e talvolta (ad esempio durante un lavoro muscolare intenso) viene rilasciato nel sangue in quantità molto grandi, poiché è una piccola molecola che può liberamente passare attraverso la membrana cellulare. Un'uscita così massiccia cibi acidi lo scambio nel sangue interrompe l'omeostasi e il corpo deve attivare speciali meccanismi omeostatici per far fronte alle conseguenze del lavoro muscolare o di altre azioni attive.

L'acido piruvico formatosi a seguito della glicolisi contiene ancora molta energia chimica potenziale e può fungere da substrato per un'ulteriore ossidazione, ma ciò richiede enzimi speciali e ossigeno. Questo processo avviene in molte cellule che contengono organelli speciali: i mitocondri. Superficie interna La membrana mitocondriale è composta da grandi molecole lipidiche e proteiche, tra cui un gran numero di enzimi ossidativi. Le molecole a 3 atomi di carbonio formate nel citoplasma penetrano nei mitocondri: questo di solito accade acido acetico(acetato). Lì sono inclusi in un ciclo di reazioni continuo, durante il quale gli atomi di carbonio e idrogeno vengono alternativamente separati da queste molecole organiche, che, combinandosi con l'ossigeno, vengono convertite in anidride carbonica e acqua. Queste reazioni rilasciano una grande quantità di energia, che viene immagazzinata sotto forma di ATP. Ogni molecola di acido piruvico, dopo aver attraversato un ciclo completo di ossidazione nei mitocondri, consente alla cellula di ottenere 17 molecole di ATP. Pertanto, l'ossidazione completa di 1 molecola di glucosio fornisce alla cellula 2+17x2 = 36 molecole di ATP. È altrettanto importante che il processo di ossidazione mitocondriale possa coinvolgere anche acidi grassi e aminoacidi, cioè componenti di grassi e proteine. Grazie a questa capacità, i mitocondri rendono la cellula relativamente indipendente dagli alimenti che il corpo mangia: in ogni caso importo richiesto verrà estratta energia.

Parte dell'energia viene immagazzinata nella cellula sotto forma di una molecola più piccola e più mobile, la creatina fosfato (CrP), rispetto all'ATP. È questa piccola molecola che può spostarsi rapidamente da un'estremità all'altra della cellula, dove l'energia è più necessaria al momento. KrF non può fornire energia ai processi di sintesi, contrazione muscolare o conduzione impulso nervoso: Ciò richiede ATP. Ma d'altra parte KrP è facilmente e praticamente senza perdite capace di cedere tutta l'energia in esso contenuta alla molecola di adenazina difosfato (ADP), che si trasforma immediatamente in ATP ed è pronta per ulteriori trasformazioni biochimiche.

Pertanto, l'energia spesa durante il funzionamento della cellula, ad es. L'ATP può essere rinnovato a causa di tre processi principali: glicolisi anaerobica (priva di ossigeno), ossidazione mitocondriale aerobica (con la partecipazione di ossigeno) e anche a causa del trasferimento del gruppo fosfato da CrP ad ADP.

La fonte di creatina fosfato è la più potente, poiché la reazione della creatina fosfato con l'ADP avviene molto rapidamente. Tuttavia, la riserva di CrF nella cellula è solitamente piccola: ad esempio, i muscoli possono lavorare con il massimo sforzo a causa del CrF per non più di 6-7 s. Questo di solito è sufficiente per attivare la seconda fonte di energia più potente, quella glicolitica. In questo caso la risorsa nutritiva è molte volte maggiore, ma man mano che il lavoro procede, l'omeostasi diventa sempre più stressata a causa della formazione di acido lattico e, se tale lavoro viene svolto da muscoli grandi, non può durare più di 1,5-2 minuti. Ma durante questo periodo, i mitocondri sono quasi completamente attivati, capaci di bruciare non solo il glucosio, ma anche gli acidi grassi, la cui fornitura nel corpo è quasi inesauribile. Pertanto, una fonte mitocondriale aerobica può funzionare per un tempo molto lungo, sebbene la sua potenza sia relativamente bassa: 2-3 volte inferiore a quella di una fonte glicolitica e 5 volte inferiore alla potenza di una fonte di creatina fosfato.

Caratteristiche dell'organizzazione della produzione di energia in vari tessuti del corpo. Tessuti diversi hanno livelli diversi di mitocondri. Si trovano meno nelle ossa e nel grasso bianco, più nel grasso bruno, nel fegato e nei reni. Ci sono molti mitocondri dentro cellule nervose. I muscoli non hanno alta concentrazione mitocondri, ma a causa del fatto che muscoli scheletrici- il tessuto più massiccio del corpo (circa il 40% del peso corporeo di un adulto), proprio quello che necessita cellule muscolari determinano in gran parte l'intensità e la direzione di tutti i processi del metabolismo energetico. I.A. Arshavsky la definì la “regola energetica dei muscoli scheletrici”.

Con l'età, due componenti importanti del metabolismo energetico cambiano contemporaneamente: cambia il rapporto tra le masse dei tessuti con diverse attività metaboliche, così come il contenuto degli enzimi ossidativi più importanti in questi tessuti. Di conseguenza, il metabolismo energetico subisce cambiamenti piuttosto complessi, ma in generale la sua intensità diminuisce con l’età, e in modo abbastanza significativo.

V. N. Seluyanov, V. A. Rybakov, M. P. Shestakov

Capitolo 1. Modelli di sistemi corporei

1.1.3. Biochimica cellulare (energetica)

I processi di contrazione muscolare, trasmissione degli impulsi nervosi, sintesi proteica, ecc. richiedono un dispendio energetico. Nelle cellule l'energia viene utilizzata solo sotto forma di ATP. Il rilascio dell'energia contenuta nell'ATP avviene grazie all'enzima ATPasi, presente in tutti i punti della cellula dove è richiesta energia. Quando l'energia viene rilasciata, si formano molecole di ADP, P e N. La risintesi di ATP viene effettuata principalmente a causa della riserva di CrP. Quando KrP cede la sua energia per la risintesi dell'ATP, si formano Kr e F. Queste molecole si diffondono nel citoplasma e attivano l'attività enzimatica associata alla sintesi di ATP. Esistono due vie principali per la formazione dell'ATP: anaerobica e aerobica (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988, ecc.).

Via anaerobica O glicolisi anaerobica associato a sistemi enzimatici localizzati sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico e nel sarcoplasma. Quando Kr e F compaiono accanto a questi enzimi, si innesca una catena di reazioni chimiche durante le quali il glicogeno o il glucosio si decompongono in piruvato con la formazione di molecole di ATP. Le molecole di ATP cedono immediatamente la loro energia per la risintesi di CrP, e ADP e P vengono nuovamente utilizzati nella glicolisi per formare una nuova molecola di ATP. Il piruvato ha due possibilità di conversione:

1) Convertire in acetil coenzima A, subire fosforilazione ossidativa nei mitocondri per formare molecole di anidride carbonica, acqua e ATP. Questa via metabolica - glicogeno-piruvato-mitocondrio-anidride carbonica e acqua - si chiama glicolisi aerobica.

2) Utilizzando l'enzima LDH M (lattato deidrogenasi tipo muscolare) il piruvato viene convertito in lattato. Questa via metabolica, glicogeno-piruvato-lattato, è chiamata glicolisi anaerobica ed è accompagnato dalla formazione e dall'accumulo di ioni idrogeno.

Via aerobica, o fosforilazione ossidativa, è associata al sistema mitocondriale. Quando Kr e F compaiono vicino ai mitocondri, la CPKasi mitocondriale viene utilizzata per sintetizzare KrF a causa dell'ATP formato nei mitocondri. L'ADP e il fosforo ritornano nel mitocondrio per formare una nuova molecola di ATP. Esistono due vie metaboliche per la sintesi di ATP:

1) glicolisi aerobica;
2) ossidazione dei lipidi (grassi).

I processi aerobici sono associati all'assorbimento degli ioni idrogeno e nelle fibre muscolari lente (VM del cuore e del diaframma) predomina Enzima LDH H (lattato deidrogenasi tipo cardiaco), che converte più intensamente il lattato in piruvato. Pertanto, durante il funzionamento delle fibre muscolari lente (SMF), c'è soluzione rapida lattato e ioni idrogeno.

Un aumento del lattato e dell'H nel MV porta all'inibizione dell'ossidazione dei grassi e un'intensa ossidazione dei grassi porta all'accumulo di citrato nella cellula e inibisce gli enzimi glicolitici.

introduzione

1.1

Qualsiasi proprietà degli esseri viventi e qualsiasi manifestazione della vita è associata a determinati reazioni chimiche in una gabbia. Queste reazioni avvengono sia con il dispendio che con il rilascio di energia. L'intero insieme di processi di trasformazione delle sostanze in una cellula, così come nel corpo, è chiamato metabolismo.

Anabolismo

Una cellula mantiene la costanza della sua ambiente interno, chiamato omeostasi. Per fare ciò, sintetizza le sostanze in base alle sue informazioni genetiche.

Riso. 1. Schema metabolico.

Questa parte del metabolismo, durante la quale vengono creati composti ad alto peso molecolare caratteristici di una determinata cellula, è chiamata metabolismo plastico (assimilazione, anabolismo).

Le reazioni anaboliche includono:

• sintesi di proteine ​​da aminoacidi;
• formazione di amido dal glucosio;
• fotosintesi;
• sintesi dei grassi da glicerolo e acidi grassi.

Queste reazioni sono possibili solo con il dispendio di energia. Se l'energia esterna (luminosa) viene spesa per la fotosintesi, per il resto: le risorse della cellula.

TOP 4 articoliche stanno leggendo insieme a questo

La quantità di energia spesa per l'assimilazione è maggiore di quella immagazzinata nei legami chimici, poiché parte di essa viene utilizzata per regolare il processo.

Catabolismo

L'altro lato del metabolismo e della trasformazione energetica in una cellula è il metabolismo energetico (dissimilazione, catabolismo).

Le reazioni cataboliche sono accompagnate dal rilascio di energia.
Questo processo include:

• respiro;
• scomposizione dei polisaccaridi in monosaccaridi;
• decomposizione dei grassi in acidi grassi e glicerolo e altre reazioni.

Riso. 2. Processi catabolici nella cellula.

Interrelazione dei processi di scambio

Tutti i processi in una cellula sono strettamente correlati tra loro, così come ai processi in altre cellule e organi. Le trasformazioni delle sostanze organiche dipendono dalla presenza di acidi inorganici, macro e microelementi.

I processi di catabolismo e anabolismo avvengono simultaneamente nella cellula e sono due componenti opposti del metabolismo.

I processi metabolici sono associati a determinate strutture cellulari:

• respiro- con mitocondri;
• sintesi proteica- con ribosomi;
• fotosintesi- con cloroplasti.

Una cellula è caratterizzata non dai singoli processi chimici, ma dall’ordine regolare in cui si verificano. I regolatori del metabolismo sono proteine ​​enzimatiche che dirigono le reazioni e ne modificano l'intensità.

ATP

L'acido adenosina trifosforico (ATP) svolge un ruolo speciale nel metabolismo. È un dispositivo compatto di accumulo di energia chimica utilizzato per le reazioni di fusione.

Riso. 3. Schema della struttura dell'ATP e sua conversione in ADP.

A causa della sua instabilità, l'ATP forma molecole di ADP e AMP (di- e monofosfato) con rilascio grande quantità energia per i processi di assimilazione.