Енергетичні процеси в клітині - частина 2, найбільший портал по навчанню

Енергетичні процеси в клітині - частина 2

Енергія, яку треба додатково повідомити хімічної системі, щоб "запустити" реакцію, називається енергією активації для даної реакції і служить свого роду енергетичним гребенем, який треба подолати.

У некаталізіруемих реакціях джерелом енергії активації служать зіткнення між молекулами. Якщо соударяющихся молекули належним чином зорієнтовані, і зіткнення досить сильне, є шанс, що вони вступлять в реакцію.

Зрозуміло, чому хіміки для прискорення реакцій нагрівають колби: при підвищенні температури швидкість теплового руху і частота зіткнень зростають. Але в умовах людського тіла клітки не нагрієш, для неї це неприпустимо. А реакції йдуть, при цьому зі швидкостями, недосяжними при проведенні їх в пробірці. Тут працює ще один винахід природи - ферменти. про які ми згадували раніше.

Як вже говорилося, при хімічних перетвореннях мимовільно можуть протікати ті реакції, в яких енергія, укладена в продуктах реакції менше, ніж у вихідних речовинах. Для інших реакцій необхідний приплив енергії ззовні. Мимовільно реакцію можна порівняти з падаючим вантажем. Спочатку спочивають вантаж прагне падати вниз, знижуючи тим самим свою потенційну енергію.

Так і реакція, будучи ініційована, прагне протікати в бік утворення речовин з меншим запасом енергії. Такий процес, в ході якого може відбуватися робота, називаютспонтанним.

Але якщо певним чином з'єднати два вантажу, то важчий, падаючи, буде піднімати більш легкий. І в хімічних, особливо в біохімічних, процесах реакція, що протікає з виділенням енергії, може викликати протікання пов'язаної з нею реакції, що вимагає припливу енергії ззовні. Такі реакції називають сполученими.

В живих організмах пов'язані реакції дуже поширені, і саме їх протікання обумовлює всі найтонші явища, супутні життя і свідомості. Падаючий "важкий тягар" викликає підняття іншого, більш легкого, але на меншу величину. Харчуючись, ми поглинаємо речовини з високою якістю енергії, обумовленим Сонцем, які потім в організмі розпадаються і, в кінцевому рахунку, виділяються з нього, але при цьому встигають вивільнити енергію в кількості, достатній для забезпечення процесу, званого життям.

У клітці основним енергетичним посередником, тобто "провідним колесом" життя, являетс аденозинтрифосфат (АТФ). Чим цікаво це з'єднання? З біохімічної точки зору АТФ - молекула середніх розмірів, здатна приєднувати або "скидати" кінцеві фосфатні групи, в яких атом фосфору оточений атомами кисню.

Освіта АТФ відбувається з аденозиндифосфату (АДФ) за рахунок енергії, що вивільняється при біологічному окисленні глюкози. З іншого боку, розрив фосфатного зв'язку в АТФ призводить до вивільнення великої кількості енергії. Такий зв'язок називають високоенергетичної або макроергічним. Молекула АТФ містить дві таких зв'язку, при гідролізі яких вивільняється енергія, еквівалентна 12-14 ккал.

Невідомо, чому природа в процесі еволюції "вибрала" АТФ енергетичної валютою клітини, але можна припустити кілька причин. Термодинамічно ця молекула досить нестабільна, про що свідчить велика кількість енергії, що виділяється при її гідролізі.

Але в той же час швидкість гідролізу АТФ в нормальних умовах дуже мала, тобто молекула АТФ має високу хімічну стабільність, забезпечуючи ефективне запасання енергії.

Малі розміри молекули АТФ дозволяють легко дифундувати в різні ділянки клітини, де необхідне підведення енергії для виконання будь-якої роботи. І, нарешті, АТФ займає проміжне положення в шкалі високоенергетичних сполук, що надає йому універсальність, дозволяючи переносити енергію від більш високоенергетичних сполук до низькоенергетичним.

Таким чином АТФ - це основна універсальна форма збереження клітинної енергії, паливо клітини, доступне для використання в будь-який момент. А основним постачальником енергії в клітку, як ми вже згадували, служить глюкоза. одержувана при розщепленні вуглеводів. "Сгорая" в організмі, глюкоза утворює двоокис вуглецю і воду, і цей процес забезпечує реакції клітинного дихання і травлення. Слово "згорає" в даному випадку образ, полум'я всередині організму не виникає, а енергія витягується багатоступінчасто хімічними способами.

На першому етапі, що протікає в цитоплазмі без участі кисню, молекула глюкози розпадається на два фрагмента (дві молекули піровиноградної кислоти), і ця стадія називається гликолизом. При цьому вивільняється 50 ккал / моль енергії (тобто 7% енергії, укладеної в глюкозі), частина якої розсіюється у вигляді тепла, а інша витрачається на освіту двох молекул АТФ.

Подальше вилучення енергії з глюкози відбувається головним чином в мітохондріях - силових станціях клітини, роботу яких можна порівняти з гальванічним елементами. Тут на кожній стадії відщеплюється електрон і іон водню, і в кінцевому рахунку глюкоза розкладається до двоокису вуглецю і води.

У мітохондрії електрони і іони водню вводяться в єдиний ланцюг окислювально-відновних ферментів (дихальна ланцюг), передаючись від посередника до посередника, поки вони не з'єднаються з киснем. І на цьому етапі для окислення використовується не кисень повітря, а кисень води і оцтової кислоти.

Кисень повітря є останнім акцептором водню, завершуючи весь процес клітинного дихання, саме тому він так необхідний для життя. Як відомо, взаємодія газоподібного кисню і водню супроводжується вибухом (миттєвим виділенням великої кількості енергії).

В живих організмах цього не відбувається, так як газоподібного водню не утворюється, і до моменту зв'язування з киснем повітря запас вільної енергії зменшується настільки, що реакція утворення води протікає абсолютно спокійно (дивись малюнок 1).

Малюнок 1. Біологічне окислення - контрольоване вивільнення енергії:
1 - АТФ-синтетаза (фермент);
2 - АТФ - з'єднання, багате енергією;
3 - АДФ - з'єднання з невеликою енергією;

Глюкоза є основним, але не єдиним субстратом для вироблення енергії в клітині. Разом з вуглеводами в наш організм з їжею надходять жири, білки та інші речовини, які після розщеплення також можуть служити джерелами енергії, перетворюючись в речовини, що включаються в біохімічні реакції, що протікають в клітині.

Фундаментальні дослідження в області теорії інформації привели до появи поняття інформаційної енергії (або енергії інформаційного впливу), як різниці між визначеністю і невизначеністю. Тут же хотілося б відзначити, що клітина споживає і витрачає інформаційну енергію на ліквідацію невизначеності в кожен момент свого життєвого циклу. Це призводить до реалізації життєвого циклу без збільшення ентропії.

Порушення процесів енергетичного обміну під впливом різних впливів призводить до збоїв на окремих стадіях і внаслідок цих збоїв до порушення підсистеми життєдіяльності клітини і всього організму в цілому. Якщо кількість і поширеність цих порушень перевищують компенсаторні можливості гомеостатических механізмів в організмі, то система виходить з під управління, клітини перестають працювати синхронно. На рівні організму це проявляється у вигляді різних патологічних станів.

Так, нестача вітаміну B1. бере участь в роботі деяких ферментів, призводить до блокування окислення піровиноградної кислоти, надлишок гормонів щитовидної залози порушує синтез АТФ і т.д. Смертельні результати при інфаркті міокарда, отруєнні чадним газом або ціаністим калієм також пов'язані з блокуванням процесу клітинного дихання через пригнічення або роз'єднання послідовних реакцій. Через подібні механізми опосередковано і дію багатьох бактеріальних токсинів.

Таким чином, функціонування клітини, тканини, органу, системи органів або організму як системи підтримується саморегуляторні механізмами, оптимальне протягом яких, в свою чергу, забезпечується биофизическими, біохімічними, енергетичними та інформаційними процесами.