Энергия в клетке. Использование и хранение

Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо ). 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.
Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы . Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

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. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

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.

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.

А если серьезно, то:

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. Прошу ревностных биологов меня простить.

Теги: Добавить метки

Один из наиболее сложных вопросов - образование, накопление и распределение энергии в клетке.

Как же клетка вырабатывает энергию? Ведь в ней нет ни атомного реактора, ни электростанции, ни парового котла, хотя бы самого маленького. Температура внутри клетки постоянна и очень невысока - не более 40°. И несмотря на это, клетки перерабатывают такое количество веществ и так быстро, что им позавидовал бы любой современный комбинат.

Как это происходит? Почему полученная энергия остается в клетке, а не выделяется в виде тепла? Как клетка запасает энергию? Прежде чем ответить на эти вопросы, нужно сказать, что энергия, поступающая в клетку, - это не механическая и не электрическая, а химическая энергия, заключенная в органических веществах. На этом этапе вступают в силу законы термодинамики. Если энергия заключена в химических соединениях, то выделяться она должна путем их сгорания, и для общего теплового баланса неважно, сгорят они сразу или постепенно. Клетка выбирает второй путь.

Для простоты уподобим клетку «электростанции». Специально для инженеров добавим, что «электростанция» клетки - тепловая. Теперь вызовем представителей энергетики на соревнование: кто больше получит энергии из топлива и экономичнее ее израсходует - клетка или любая, самая экономичная, тепловая электростанция?

В процессе эволюции клетка создавала и совершенствовала свою «электростанцию». Природа позаботилась обо всех ее частях. В клетке есть «топливо», «мотор-генератор», «регуляторы его мощности», «трансформаторные подстанции» и «линии высоковольтных передач». Посмотрим, как все это выглядит.

Основное «топливо», сжигаемое клеткой, - углеводы. Самые простые из них - глюкоза и фруктоза.

Из повседневной медицинской практики известно, что глюкоза - важнейшее питательное вещество. Сильно истощенным больным ее вводят внутривенно, непосредственно в кровь.

Более сложные сахара также используются как источники энергии. Например, обычный сахар, имеющий научное название «сахароза» и состоящий из 1 молекулы глюкозы и 1 молекулы фруктозы, может служить таким материалом. У животных топливом является гликоген - полимер, состоящий из связанных в цепочку молекул глюкозы. В растениях есть вещество, аналогичное гликогену, - это всем известный крахмал. И гликоген и крахмал - запасные вещества. Оба они откладываются на «черный день». Крахмал обычно содержится в подземных частях растения, например клубнях, как у картофеля. Много крахмала и в клетках мякоти листьев растений (под микроскопом зерна крахмала сверкают как мелкие кусочки льда).

Гликоген накапливается у животных в печени и оттуда расходуется по мере необходимости.

Все более сложные, чем глюкоза, сахара до расходования должны распадаться на свои исходные «кирпичики» - молекулы глюкозы. Существуют специальные ферменты, которые разрезают, как ножницы, длинные цепи крахмала и гликогена до отдельных мономеров - глюкозы и фруктозы.

При недостатке углеводов растения могут использовать в своей «топке» органические кислоты - лимонную, яблочную и др.

В прорастающих масличных семенах расходуется жир, который сначала расщепляется, а потом превращается в сахар. Это видно из того, что по мере расходования жира в семенах увеличивается содержание сахаров.

Итак, виды топлива перечислены. Но сжигать его сразу клетке невыгодно.

Сахара сжигаются в клетке химическим путем. Обычное горение - это соединение горючего с кислородом, окисление его. Но для окисления вещество не обязательно должно соединяться с кислородом - оно окисляется, когда от него отнимают электроны в виде водородных атомов. Такое окисление называется дегидрированием («гидрос» - водород). Сахара содержат много атомов водорода, и они отщепляются не все сразу, а по очереди. Окисление в клетке осуществляется набором специальных ферментов, ускоряющих и направляющих процессы окисления. Этот набор ферментов и строгая очередность их работы составляют основу клеточного генератора энергии.

Процесс окисления у живых организмов называется дыханием, поэтому далее мы будем пользоваться этим более понятным выражением. Внутриклеточное дыхание, названное так по аналогии с физиологическим процессом дыхания, связано с ним очень тесно. Подробнее о процессах дыхания мы расскажем дальше.

Продолжим сравнение клетки с электростанцией. Теперь нам необходимо найти в ней те части электростанции, без которых она будет работать вхолостую. Понятно, что полученную от сжигания углеводов и жиров энергию необходимо подавать потребителю. Значит, нужна клеточная, ««высоковольтная линия передачи». Для обычной электростанции это сравнительно просто - провода высокого напряжения протягивают над тайгой, степями, реками, и по ним энергия поступает к заводам и фабрикам.

Клетка тоже имеет свой, универсальный «провод высокого напряжения». Только в ней энергия передается химическим путем, и «проводами», естественно, служит химическое соединение. Чтобы понять принцип его действия, введем в работу электростанции маленькое осложнение. Предположим, что энергию от высоковольтной линии нельзя подать к потребителю по проводам. В таком случае, проще всего будет зарядить от высоковольтной линии электрические аккумуляторы, транспортировать их к потребителю, обратно транспортировать использованные аккумуляторы и т. д. В энергетике это, конечно, невыгодно. А клетке аналогичный способ очень выгоден.

В качестве аккумулятора в клетке используется соединение, универсальное почти для всех организмов - аденозинтрифосфорная кислота (о нем мы уже говорили).

В отличие от энергии других фосфоэфирных связей (2- 3 килокалории) энергия связи концевых (особенно крайнего) фосфатных остатков в АТФ очень велика (до 16 килокалорий); поэтому такая связь называется «макроэргической ».

АТФ в организме обнаруживают всюду, где требуется энергия. Синтез различных соединений, работа мышц, движение жгутиков у простейших - везде энергию несет АТФ.

«Зарядка» АТФ в клетке происходит так. К месту выделения энергии подходит аденозиндифосфорная кислота - АДФ (АТФ без 1 атома фосфора). Когда энергия может быть связана, АДФ соединяется с находящимся в большом количестве в клетке фосфором и в эту связь «замуровывает» энергию. Вот теперь уже необходимо транспортное обеспечение. Оно состоит из специальных ферментов - фосфофераз («фера» - несу), которые по первому требованию «хватают» АТФ и переносят ее к месту действия. Далее подходит очередь последнего, завершающего «агрегата электростанции» - понижающих трансформаторов. Они должны понизить напряжение и дать уже безопасный ток потребителю. Эту роль выполняют те же фосфоферазы. Передача энергии с АТФ на другое вещество осуществляется в несколько стадий. Сначала АТФ соединяется с этим веществом, затем происходит внутренняя перестановка атомов фосфора и, наконец, комплекс распадается - отделяется АДФ, а богатый энергией фосфор остается «висеть»» на новом веществе. Новое вещество оказывается гораздо неустойчивее из-за избыточности энергии и способно к различным реакциям.

АТФ - универсальная энергетическая «валюта» клетки. Одно из наиболее удивительных «изобретений» природы - это молекулы так называемых «макроэргических» веществ, в химической структуре которых имеется одна или несколько связей, которые выполняют функцию накопителей энергии. В живой природе найдено несколько подобных молекул, но в организме человека встречается только одна из них - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это довольно сложная органическая молекула, к которой присоединены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фосфорной кислоты PO . Именно эти фосфорные остатки связаны с органической частью молекулы «макроэргическими» связями, легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных реакциях. Однако энергия этих связей не рассеивается в пространстве в виде тепла, а используется на движение или химическое взаимодействие других молекул. Именно благодаря этому свойству АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопителя (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты». Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию. Согласно закону сохранения энергии, общее количество энергии, образованное в результате окислительных реакций и запасенное в виде АТФ, равно количеству энергии, которое может использовать клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ. При этом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что она не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому АТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована Другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ Для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека. По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма существовали много миллионов лет назад в окружении растительных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем кислорода было недостаточно или не было еще вовсе. Именно углеводы - наиболее употребимая для производства энергии в организме составная часть питательных веществ. И хотя большинство клеток человеческого тела приобрело способность использовать в качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые (например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клетки способны производить энергию только за счет окисления углеводов.

Процессы первичного окисления углеводов - вернее, глюкозы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисления в клетках, - происходят непосредственно в цитоплазме: именно там расположены ферментные комплексы, благодаря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энергия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он может проходить во всех без исключения клетках организма человека. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз - весьма быстрый, но сравнительно малоэффективный процесс. Образовавшаяся в клетке после завершения реакций гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышечной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так как это небольшая молекула, способная свободно проходить через клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму приходится включать специальные гомеостатические механизмы, чтобы справиться с последствиями мышечной работы или другого активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота содержит в себе еще много потенциальной химической энергии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот процесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специальные органеллы - митохондрии. Внутренняя поверхность мембран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых молекул, среди которых большое количество окислительных ферментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цитоплазме 3-углеродные молекулы - обычно это бывает уксусная кислота (ацетат). Там они включаются в непрерывно идущий цикл реакций, в процессе которых от этих органических молекул поочередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, соединяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду. В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая запасается в виде АТФ. Каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисление 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2+17x2 = 36 молекулами АТФ. Не менее важно, что в процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокислоты, т. е. составляющие жиров и белков. Благодаря этой способности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от того, какими продуктами питается организм: в любом случае необходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мелкой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ). Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из одного конца клетки в другой - туда, где в данный момент более всего нужна энергия. КрФ не может сам отдавать энергию на процессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного импульса: для этого требуется АТФ. Но зато КрФ легко и практически без потерь способен отдать всю заключенную в нем энергию молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же превращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превращениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки энергия, т.е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробного (с участием кислорода) митохондриального окисления, а также благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Креатинфосфатный источник - самый мощный, поскольку реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в клетке обычно невелик - например, мышцы могут с максимальным усилием работать за счет КрФ не более 6-7 с. Этого обычно достаточно, чтобы запустить второй по мощности - гликолитический - источник энергии. В этом случае ресурс питательных веществ во много раз больше, но по мере работы происходит все большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кислоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не может продолжаться более 1,5-2 мин. Зато за это время почти полностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в организме почти неисчерпаем. Поэтому аэробный митохондриальный источник может работать очень долго, правда, мощность его сравнительно невелика - в 2-3 раза меньше, чем гликолитического источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях организма. Разные ткани обладают различной насыщенностью митохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего - в буром жире, печени и почках. Довольно много митохондрий в нервных клетках. Мышцы не обладают высокой концентрацией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы - самая массивная ткань организма (около 40 % от массы тела взрослого человека), именно потребности мышечных клеток во многом определяют интенсивность и направленность всех процессов энергетического обмена. И.А.Аршавский называл это «энергетическим правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных составляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс тканей, обладающих разной метаболической активностью, а также содержание в этих тканях важнейших окислительных ферментов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

Как клетка получает и использует энергию

Чтобы жить, надо работать. Эта житейская истина вполне приложима к любым живым существам. Все организмы: от одноклеточных микробов до высших животных и человека - непрерывно совершают различные типы работы. Таковы движение, то есть механическая работа при сокращении мышц животного или вращении жгутика бактерии; синтезы сложных химических соединений в клетках, то есть химическая работа; создание разности потенциалов между протоплазмой и внешней средой, то есть электрическая работа; перенос веществ из внешней среды, где их мало, внутрь клетки, где тех же веществ больше, то есть осмотическая работа. Помимо перечисленных четырех основных типов работы, можно упомянуть образование тепла теплокровными животными в ответ на понижение температуры окружающей среды, а также образование света светящимися организмами.

Что такое энергетический обмен

Все это требует затрат энергии, которая черпается из тех или иных внешних энергетических ресурсов. Первичным источником энергии для биосферы служит солнечный свет, усваиваемый фотосинтезирующими живыми существами: зелеными растениями и некоторыми бактериями. Создаваемые этими организмами биополимеры (углеводы, жиры и белки) могут затем использоваться в качестве «топлива» всеми остальными - гетеротрофными - формами жизни, к которым относятся животные, грибы и большинство видов бактерий.

Биополимеры пищи могут быть весьма разнообразны: это сотни различных белков, жиров и полисахаридов. В организме происходит распад этого «топлива». Прежде всего полимерные молекулы распадаются на составляющие их мономеры: белки расщепляются на аминокислоты, жиры - на жирные кислоты и глицерин, полисахариды - на моносахариды. Общее количество различных типов мономеров измеряется уже не сотнями, а десятками.

В дальнейшем мономеры превращаются в небольшие по величине моно-, ди- и трикарбоновые кислоты с числом углеродных атомов от 2 до 6. Этих кислот всего десять. Их превращение замкнуто в цикл, названный циклом Кребса в честь его первооткрывателя,

В цикле Кребса происходит окисление карбоновых кислот кислородом до углекислого газа и воды. Именно образование воды в результате реакции молекулярного кислорода с водородом, отщепленным от карбоновых кислот, сопровождается наибольшим выделением энергии, в то время как предшествующие процессы служат главным образом лишь подготовкой «топлива». Окисление водорода кислородом, то есть реакция гремучего газа (О2+2Н2 = 2Н20), в клетке разбито на несколько стадий, так что освобождающаяся при этом энергия выделяется не сразу, а порциями.

Так же порциями происходит освобождение энергии, поступающей в виде кванта света, в клетках организмов-фотосинтетиков.

Итак, в одной и той же клетке существует, во-первых, несколько реакций освобождения энергии и, во-вторых, множество процессов, идущих с поглощением энергии. Посредником этих двух систем, совокупность которых называется энергетическим обменом, служит особое вещество - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).