scambio di energia- si tratta di una decomposizione graduale di composti organici complessi, procedendo con il rilascio di energia, che viene immagazzinata nei legami macroergici delle molecole di ATP e viene quindi utilizzata nel processo della vita cellulare, anche per la biosintesi, ad es. scambio di plastica.

Gli organismi aerobici producono:

1. Preparatorio- scissione di biopolimeri in monomeri.
2. anossico La glicolisi è la scomposizione del glucosio in acido piruvico.
3. Ossigeno- scissione dell'acido piruvico in anidride carbonica e acqua.

Fase preparatoria

Nella fase preparatoria del metabolismo energetico, i composti organici ricevuti con il cibo vengono scomposti in monomeri più semplici, solitamente. Quindi i carboidrati vengono scomposti in zuccheri, incluso il glucosio; proteine ​​- agli amminoacidi; grassi - a glicerolo e acidi grassi.

Sebbene l'energia venga rilasciata, non viene immagazzinata nell'ATP e quindi non può essere utilizzata in seguito. L'energia viene dissipata sotto forma di calore.

La scomposizione dei polimeri negli animali complessi multicellulari procede nel tratto digestivo sotto l'azione degli enzimi qui secreti dalle ghiandole. Quindi i monomeri formati vengono assorbiti nel sangue principalmente attraverso l'intestino. I nutrienti vengono trasportati attraverso le cellule del sangue.

Tuttavia, non tutte le sostanze si decompongono in monomeri nell'apparato digerente. La scissione di molti avviene direttamente nelle cellule, nei loro lisosomi. Negli organismi unicellulari, le sostanze assorbite entrano nei vacuoli digestivi, dove vengono digerite.

I monomeri risultanti possono essere utilizzati sia per lo scambio di energia che di plastica. Nel primo caso, vengono divisi e nel secondo caso i componenti delle cellule stesse vengono sintetizzati da loro.

Stadio anossico del metabolismo energetico

Lo stadio privo di ossigeno si svolge nel citoplasma delle cellule e, nel caso di organismi aerobici, include solo glicolisi - ossidazione enzimatica multistadio del glucosio e sua scomposizione in acido piruvico, che è anche chiamato piruvato.

La molecola di glucosio contiene sei atomi di carbonio. Durante la glicolisi, viene scomposto in due molecole di piruvato, che comprende tre atomi di carbonio. In questo caso, parte degli atomi di idrogeno viene scissa, che viene trasferita al coenzima NAD, che, a sua volta, parteciperà allo stadio di ossigeno.

Parte dell'energia rilasciata durante la glicolisi viene immagazzinata nelle molecole di ATP. Vengono sintetizzate solo due molecole di ATP per molecola di glucosio.

L'energia rimanente nel piruvato, immagazzinata nel NAD, sarà ulteriormente estratta dagli aerobi nella fase successiva del metabolismo energetico.

In condizioni anaerobiche, quando lo stadio di ossigeno della respirazione cellulare è assente, il piruvato viene “neutralizzato” in acido lattico o subisce la fermentazione. In questo caso, l'energia non viene immagazzinata. Pertanto, qui una produzione di energia utile è fornita solo dalla glicolisi inefficiente.

stadio di ossigeno

La fase dell'ossigeno avviene nei mitocondri. Ha due sottostadi: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. L'ossigeno che entra nelle cellule viene utilizzato solo nel secondo. Il ciclo di Krebs produce e rilascia anidride carbonica.

ciclo di Krebs avviene nella matrice dei mitocondri, è svolto da molti enzimi. Non riceve la stessa molecola dell'acido piruvico (o acido grasso, amminoacido), ma il gruppo acetilico separato da esso con l'aiuto del coenzima-A, che comprende due atomi di carbonio dell'ex piruvato. Durante il ciclo multistadio di Krebs, il gruppo acetile viene diviso in due molecole di CO 2 e atomi di idrogeno. L'idrogeno si combina con NAD e FAD. Si verifica anche la sintesi della molecola del PIL, che porta alla sintesi dell'ATP in seguito.

Ci sono due cicli di Krebs per molecola di glucosio che produce due piruvati. Si formano così due molecole di ATP. Se il metabolismo energetico finisse qui, la scomposizione totale di una molecola di glucosio darebbe 4 molecole di ATP (due dalla glicolisi).

Fosforilazione ossidativa si verifica sulle creste - escrescenze della membrana interna dei mitocondri. È fornito da un convogliatore di enzimi e coenzimi, che formano la cosiddetta catena respiratoria, terminante con l'enzima ATP sintetasi.

Idrogeno ed elettroni vengono trasferiti attraverso la catena respiratoria dai coenzimi NAD e FAD. Il trasferimento viene effettuato in modo tale che i protoni di idrogeno si accumulino sul lato esterno della membrana mitocondriale interna e gli ultimi enzimi nella catena trasferiscano solo elettroni.

Infine, gli elettroni vengono trasferiti a molecole di ossigeno situate all'interno della membrana, in conseguenza delle quali si caricano negativamente. Sorge un livello critico del gradiente di potenziale elettrico, che porta al movimento dei protoni attraverso i canali dell'ATP sintetasi. L'energia del movimento dei protoni di idrogeno viene utilizzata per sintetizzare le molecole di ATP e i protoni stessi si combinano con gli anioni di ossigeno per formare molecole d'acqua.

La produzione di energia del funzionamento della catena respiratoria, espressa in molecole di ATP, è ampia e in totale varia da 32 a 34 molecole di ATP per una molecola di glucosio iniziale.

Ogni corpo ha bisogno di energia per funzionare correttamente. Una persona lo riceve attraverso il metabolismo, il che è possibile a condizione che la quantità necessaria di proteine, grassi e carboidrati sia fornita dall'esterno. Questo processo avviene tutto il tempo. Se l'equilibrio tra l'energia ricevuta e quella spesa non viene disturbato, il metabolismo è in ordine. Il suo fallimento può portare a cattive condizioni di salute, dagli sbalzi d'umore al letto d'ospedale.

Perché il metabolismo è disturbato

Ci sono molte ragioni per uno scarso metabolismo. Per scoprire quello principale, devi analizzare il tuo stile di vita:

• l'alimentazione dovrebbe essere regolare ed equilibrata;
• sonno: forte e pieno;
• movimento: regolare e attivo;
• l'aria è fresca e pulita;
• umore - buono;
• set completo di vitamine e microelementi.

Le persone che praticano sport conoscono l'importanza della dieta e i benefici dell'aria fresca. Questo è il loro modo di vivere. Anche la dieta ha il diritto di esistere. Ma la qualità dei prodotti consumati spesso non soddisfa gli standard. E il volume non può sempre essere calcolato con precisione. Ma è il cibo la principale fonte di elementi utili necessari per il normale funzionamento degli organi umani. A causa di un'alimentazione insufficiente, prematura e squilibrata, si verificano fallimenti nel processo metabolico.

A cosa servono vitamine e minerali?

Sfortunatamente, il corpo umano non è in grado di produrre vitamine. La loro funzione principale è quella di regolare il metabolismo, garantendo il normale corso di vari processi. Ematopoiesi, sistema cardiovascolare, nervoso e digerente, formazione di enzimi, resistenza agli effetti dannosi dell'ambiente: tutto ciò è fornito dal normale livello di vitamine nel corpo. Ognuno di loro è responsabile del proprio territorio.

Come le vitamine, gli oligoelementi (sostanze chimiche) sono necessari all'organismo in piccole quantità, ma la loro carenza influisce notevolmente sul funzionamento di tutti i sistemi vitali. Vengono costantemente espulsi dal corpo, quindi è necessario il loro regolare rifornimento.

Come ricostituire le riserve di vitamine e oligoelementi

Nella vita umana, ci sono periodi speciali di maggiore richiesta di nutrienti. Se escludiamo i beriberi stagionali, allora questo è il momento della crescita e del grande sforzo fisico (cioè tutto il meglio per bambini e atleti). Non sempre è possibile reintegrare lo stock attraverso l'uso naturale di prodotti di alta qualità. I preparati appositamente sviluppati dalle principali aziende farmaceutiche vengono in soccorso. Così, da più di cinquant'anni, l'azienda americana di famiglia NOW Foods li produce: Naturali, Biologici, Salutari, cioè naturali, biologici, salutari.

Se ci sono problemi con il sistema nervoso o cardiovascolare, quando l'immunità è ridotta e il sistema endocrino è interrotto, dovresti prestare attenzione al farmaco in compresse Vitamina B6.

Eventuali integratori non sono medicinali, aiutano solo a prevenire le malattie o ad accelerare il processo di guarigione. Pertanto, non aspettare la malattia. Se ritieni che una quantità insufficiente di vitamina sia fornita con i prodotti, puoi bere un corso profilattico.

Quali sono i benefici delle vitamine del gruppo B

L'importanza di questi elementi per il pieno funzionamento del corpo è difficile da sopravvalutare.

Tiamina (B1) influisce favorevolmente sull'assorbimento del cibo, normalizza il lavoro di tutti i sistemi.

Riboflavina (B2) aiuta in tutti i processi metabolici, un ottimo antiossidante.

Niacina (B3) colpisce principalmente i vasi sanguigni.

Cianocobalamina (B12) in grado di essere sintetizzato nell'intestino, regola il metabolismo dei grassi e dei carboidrati. È uno dei fattori più importanti della normale crescita, serve a prevenire i disturbi nervosi ed è responsabile delle capacità riproduttive negli uomini.

Vitamina B6 (piridossina)- uno dei più popolari in questo gruppo, perché:

• partecipa attivamente al metabolismo e all'assorbimento delle proteine, aiutando a costruire massa muscolare;
• riduce il livello di colesterolo e lipidi nel sangue;
• migliora il lavoro del muscolo cardiaco;
• ha un effetto benefico sul sistema nervoso, in quanto partecipa alla produzione di serotonina;
• normalizza il fegato;
• agisce come antiossidante, rallentando il processo di invecchiamento;
• riduce i crampi e gli spasmi muscolari.

Con uno sforzo fisico intenso, la norma della vitamina B6 dovrebbe essere raddoppiata. In questo caso, le scorte sono più facili da reintegrare artificialmente. È anche incluso in preparazioni complesse.

Ad esempio, Now Foods produce il complesso vitaminico ZMA, che, oltre alla B6, contiene magnesio e zinco, che hanno un effetto benefico su tutti i sistemi umani. Questo integratore alimentare è specificamente progettato per ricostituire la carenza di elementi nel corpo degli atleti. Il magnesio aiuta ad aumentare la forza muscolare modificando i livelli di testosterone. Sfortunatamente, non abbastanza di questa sostanza viene dal cibo. E la sua carenza inibisce la formazione di proteine, rallenta i processi cerebrali e provoca disturbi nel funzionamento del sistema nervoso. Di conseguenza:

• compaiono crampi e spasmi dei muscoli del polpaccio;
• la pressione aumenta;
• il ritmo cardiaco è disturbato;
• compaiono stanchezza e depressione.

Una variazione del volume di magnesio porta ad una diminuzione della quantità di zinco, che è coinvolto nella formazione di aminoacidi nei muscoli, nella produzione di testosterone e dell'ormone della crescita. A causa della sua quantità insufficiente, il sistema immunitario e la sintesi degli ormoni sessuali soffrono. Aumenta il livello di disgregazione dei grassi, prevenendo problemi al fegato.

Tutti i componenti degli integratori alimentari interagiscono perfettamente, contribuendo a un effetto più efficace sul corpo umano. Il complesso ZMA è uno strumento eccellente per la costruzione della massa muscolare.

Come mantenere l'equilibrio di vitamine e minerali

A volte gli enormi carichi di atleti portano a un indebolimento del corpo. La ragione di ciò potrebbe essere la malnutrizione, lo stress e altri fattori che interrompono l'equilibrio delle sostanze necessarie per il normale funzionamento di tutti i sistemi umani. Pertanto, poche persone rifiutano i farmaci compensativi, perché i complessi vitaminici vengono mostrati a una persona fin dall'infanzia e il loro uso corretto dà solo risultati positivi. Non pensare che l'assunzione di dosi più elevate aiuterà a ottenere un effetto migliore. Un eccesso di vitamine e minerali può portare a conseguenze negative, quindi il produttore conduce ricerche approfondite e calcola le dosi ottimali.

Gli integratori alimentari offerti dal negozio online NOW Foods non sono farmaci. Non vale la pena contare sulla cura di forme trascurate di disturbi nel lavoro del corpo. I complessi biologicamente attivi sono un ottimo modo per accelerare il processo di guarigione o prevenire le malattie. Tutti loro sono creati pensando all'assistenza sanitaria.

In che modo esattamente viene immagazzinata l'energia ATP(adenosina trifosfato), e come viene somministrato per fare un lavoro utile? Sembra incredibilmente complicato che una certa energia astratta riceva improvvisamente un vettore materiale sotto forma di una molecola situata all'interno delle cellule viventi, e che possa essere rilasciata non sotto forma di calore (che è più o meno chiaro), ma sotto forma di creando un'altra molecola. Di solito, gli autori dei libri di testo si limitano alla frase "l'energia è immagazzinata sotto forma di un legame ad alta energia tra parti di una molecola e viene ceduta quando questo legame viene rotto, facendo un lavoro utile", ma questo non spiega nulla.

In termini più generali, queste manipolazioni con le molecole e l'energia avvengono come segue: primo. Oppure vengono creati nei cloroplasti in una catena di reazioni simili. Questo spreca l'energia ottenuta dalla combustione controllata dei nutrienti proprio all'interno dei mitocondri o l'energia dei fotoni della luce solare che cadono sulla molecola di clorofilla. Quindi l'ATP viene consegnato nei punti della cella in cui è necessario eseguire del lavoro. E quando uno o due gruppi fosfato vengono scissi da esso, viene rilasciata energia, che fa questo lavoro. Allo stesso tempo, l'ATP si scompone in due molecole: se un solo gruppo fosfato viene scisso, allora l'ATP si trasforma in ADP(adenosina DIfosfato, che differisce dall'adenosina TRIfosfato solo per l'assenza del gruppo fosfato molto distaccato). Se l'ATP rinuncia a due gruppi fosfato contemporaneamente, viene rilasciata più energia e l'adenosina MONOfosfato rimane dall'ATP ( AMF).

Ovviamente, la cellula deve eseguire il processo inverso, convertendo le molecole di ADP o AMP in ATP, in modo che il ciclo possa essere ripetuto. Ma queste molecole "vuote" possono facilmente nuotare accanto ai fosfati che mancano per la conversione in ATP e non unirsi mai a loro, perché una tale reazione di associazione è energeticamente sfavorevole.

Qual è il "beneficio energetico" di una reazione chimica è abbastanza semplice da capire se lo sai secondo principio della termodinamica: nell'universo o in qualsiasi sistema isolato dal resto, il disordine non può che crescere. Cioè, le molecole organizzate in modo complesso che si trovano in una cellula in ordine ordinato, in conformità con questa legge, possono solo essere distrutte, formando molecole più piccole o addirittura rompendosi in singoli atomi, perché allora l'ordine sarà notevolmente inferiore. Per capire questa idea, puoi confrontare una molecola complessa con un aeroplano assemblato da Lego. Quindi le piccole molecole in cui si rompe quella complessa saranno associate alle singole parti di questo velivolo e gli atomi ai singoli blocchi Lego. Osservando un piano ben assemblato e confrontandolo con un miscuglio di parti, diventa chiaro perché le molecole complesse contengono più ordine di quelle piccole.

Tale reazione di decadimento (di molecole, non di un aeroplano) sarà energeticamente favorevole, il che significa che può essere svolta spontaneamente e durante il decadimento verrà rilasciata energia. Anche se, in effetti, la divisione dell'aereo sarà energeticamente vantaggiosa: nonostante il fatto che le parti stesse non si separeranno l'una dall'altra e una forza esterna sotto forma di un bambino che vuole usare queste parti per qualcos'altro dovrà sbuffando sul loro disaccoppiamento, consumerà l'energia guadagnata dal mangiare cibo altamente ordinato per trasformare l'aereo in un caotico mucchio di parti. E più strettamente le parti sono attaccate insieme, più energia verrà spesa, anche rilasciata sotto forma di calore. In conclusione: un pezzo di panino (fonte di energia) e l'aereo vengono trasformati in una massa caotica, le molecole d'aria attorno al bambino vengono riscaldate (e quindi si muovono in modo più casuale) - c'è più caos, cioè dividere l'aereo è energeticamente benefico.

Riassumendo, possiamo formulare le seguenti regole, a partire dal secondo principio della termodinamica:

1. Con una diminuzione della quantità di ordine, l'energia viene rilasciata, si verificano reazioni energeticamente favorevoli

2. Con un aumento della quantità di ordine, l'energia viene assorbita, si verificano reazioni che consumano energia

A prima vista, questo inevitabile passaggio dall'ordine al caos rende impossibile l'inversione di processi, come la costruzione da un solo uovo fecondato e le molecole nutritive assorbite dalla vacca madre, senza dubbio un vitello molto ordinato rispetto all'erba masticata.

Tuttavia, questo accade, e la ragione di ciò è che gli organismi viventi hanno una caratteristica che consente loro di supportare il desiderio dell'Universo per l'entropia e di costruire se stessi e la loro prole: essi combinare due reazioni in un processo, uno dei quali è energeticamente favorevole e l'altro è ad alta intensità energetica. Mediante una tale combinazione di due reazioni, è possibile garantire che l'energia rilasciata durante la prima reazione copra di più i costi energetici della seconda. Nell'esempio con un aeroplano, smontarlo separatamente consuma energia e senza una fonte di energia esterna sotto forma di un panino distrutto dal metabolismo del ragazzo, l'aereo starebbe per sempre.

È come scendere in discesa su una slitta: in primo luogo, una persona, mentre mangia cibo, immagazzina l'energia ottenuta a seguito di processi energeticamente favorevoli di scissione di un pollo altamente ordinato in molecole e atomi nel suo corpo. E poi spende questa energia, trascinando la slitta su per la montagna. Spostare la slitta dal basso verso l'alto è energeticamente sfavorevole, quindi non rotoleranno mai lì spontaneamente, questo richiede una sorta di energia di terze parti. E se l'energia guadagnata mangiando il pollo non è sufficiente per superare la salita, allora il processo di "rotolare giù dalla montagna su una slitta" non avverrà.

Sono le reazioni che consumano energia ( reazione che consuma energia ) aumentare la quantità di ordine assorbendo l'energia rilasciata nella reazione accoppiata. E l'equilibrio tra rilascio e consumo di energia in queste reazioni accoppiate deve essere sempre positivo, cioè la loro combinazione aumenterà la quantità di caos. Un esempio di aumento entropia(disturbo) ( entropia['entrəpɪ]) è il rilascio di calore durante la reazione energetica ( reazione di fornitura di energia): le particelle di una sostanza adiacenti alle molecole reagite ricevono shock energetici da quelle che reagiscono, iniziano a muoversi più velocemente e in modo più caotico, spingendo a loro volta altre molecole e atomi di questa e delle sostanze vicine.

Torniamo a recuperare energia dal cibo: un pezzo di Banoffee Pie è molto più ordinato della massa masticatoria che è entrata nello stomaco. Che a sua volta è costituito da molecole più grandi e più ordinate di quelle in cui l'intestino lo dividerà. E loro, a loro volta, verranno consegnati alle cellule del corpo, dove i singoli atomi e persino gli elettroni verranno strappati via da loro ... E in ogni fase dell'aumento del caos in un unico pezzo di torta, l'energia sarà rilasciato, che gli organi e gli organelli del mangiatore felice cattureranno, immagazzinandolo sotto forma di ATP (energivoro), consentendo la costruzione di nuove molecole necessarie (energivore) o per riscaldare il corpo (anche energetico consumare). Di conseguenza, c'è meno ordine nel sistema "uomo - Torta di Banoffee - Universo" (a causa della distruzione della torta e del rilascio di energia termica da parte degli organelli che la elaborano), ma in un unico corpo umano la felicità ha diventare più ordinato (a causa dell'emergere di nuove molecole, parti di organelli e interi organi cellulari).

Se torniamo alla molecola di ATP, dopo tutta questa digressione termodinamica, diventa chiaro che è necessario spendere energia ricevuta da reazioni energeticamente favorevoli per crearla dalle sue parti costituenti (molecole più piccole). Un modo per crearlo viene descritto in dettaglio, un altro (molto simile) viene utilizzato nei cloroplasti, dove al posto dell'energia del gradiente protonico viene utilizzata l'energia dei fotoni emessi dal Sole.

Ci sono tre gruppi di reazioni che producono ATP (vedi diagramma a destra):

• la scomposizione del glucosio e degli acidi grassi in grandi molecole nel citoplasma consente già di ottenere una certa quantità di ATP (piccolo, per una molecola di glucosio scissa in questa fase si ottengono solo 2 molecole di ATP). Ma l'obiettivo principale di questa fase è creare molecole che vengono utilizzate nella catena respiratoria mitocondriale.
• l'ulteriore scissione delle molecole ottenute nella fase precedente del ciclo di Krebs, che avviene nella matrice mitocondriale, dà una sola molecola di ATP, il suo obiettivo principale è lo stesso del paragrafo precedente.
• infine, le molecole accumulate negli stadi precedenti vengono utilizzate nella catena respiratoria dei mitocondri per la produzione di ATP, e qui viene rilasciato molto di esso (ne parleremo più avanti).

Se descriviamo tutto questo in modo più dettagliato, osservando le stesse reazioni in termini di produzione e dispendio di energia, otteniamo questo:

0. Le molecole di cibo vengono accuratamente bruciate (ossidate) nella scissione primaria che si verifica nel citoplasma della cellula, nonché nella catena di reazioni chimiche chiamata "ciclo di Krebs", che già avviene nella matrice mitocondriale - produzione di energia parte della fase preparatoria.

Come risultato della coniugazione con queste reazioni energeticamente favorevoli di altre reazioni già energeticamente sfavorevoli di creazione di nuove molecole, si formano 2 molecole di ATP e diverse molecole di altre sostanze - consumando energia parte della fase preparatoria. Queste molecole co-formanti sono portatrici di elettroni ad alta energia che verranno utilizzati nella catena respiratoria mitocondriale nella fase successiva.

1. Sulle membrane dei mitocondri, dei batteri e di alcuni archaea, si verifica la scissione energetica di protoni ed elettroni dalle molecole ottenute nella fase precedente (ma non dall'ATP). Il passaggio degli elettroni attraverso i complessi della catena respiratoria (I, III e IV nel diagramma a sinistra) è mostrato da frecce gialle sinuose, il passaggio attraverso questi complessi (e quindi attraverso la membrana mitocondriale interna) dei protoni è mostrato da frecce rosse.

Perché gli elettroni non possono essere semplicemente separati dalla molecola vettore usando un potente agente ossidante, l'ossigeno e l'energia rilasciata può essere utilizzata? Perché trasferirli da un complesso all'altro, perché alla fine arrivano allo stesso ossigeno? Si scopre che maggiore è la differenza nella capacità di attrarre elettroni nella generazione di elettroni ( agente riducente) e raccolta di elettroni ( agente ossidante) molecole coinvolte nella reazione di trasferimento di elettroni, maggiore è l'energia rilasciata durante questa reazione.

La differenza in questa capacità delle molecole di elettrone e di trasporto dell'ossigeno formate nel ciclo di Krebs è tale che l'energia rilasciata in questo caso sarebbe sufficiente per la sintesi di diverse molecole di ATP. Ma a causa di un così forte calo dell'energia del sistema, questa reazione procederebbe con potenza quasi esplosiva, e quasi tutta l'energia verrebbe rilasciata sotto forma di calore non catturato, cioè, di fatto, sprecato.

Le cellule viventi, d'altra parte, dividono questa reazione in diversi piccoli stadi, prima trasferendo elettroni da molecole portatrici debolmente attraenti al primo complesso attrattivo leggermente più forte nella catena respiratoria, da esso al complesso attrattivo ancora leggermente più forte ubichinone(o Coenzima Q10), il cui compito è quello di trascinare gli elettroni al successivo, anche leggermente più forte complesso respiratorio di attrazione, che riceve la sua parte di energia da questa fallita esplosione, facendogli pompare protoni attraverso la membrana.. E così via finché gli elettroni non incontrano finalmente l'ossigeno , attratto da esso, afferrando un paio di protoni e non formano una molecola d'acqua. Tale suddivisione di una potente reazione in piccoli passi consente di indirizzare quasi la metà dell'energia utile a svolgere un lavoro utile: in questo caso, a creare gradiente elettrochimico protonico di cui parleremo nel secondo paragrafo.

In che modo esattamente l'energia degli elettroni trasferiti aiuta la reazione accoppiata che consuma energia di pompare i protoni attraverso la membrana sta appena iniziando a essere capito. Molto probabilmente, la presenza di una particella elettricamente carica (elettrone) influisce sulla configurazione del posto nella proteina incorporata nella membrana in cui si trova: in modo tale che questo cambiamento provochi l'attrazione del protone nella proteina e si muova attraverso il canale proteico nella membrana. È importante, infatti, che l'energia ottenuta come risultato della scissione degli elettroni ad alta energia dalla molecola portante e del loro trasferimento finale all'ossigeno sia immagazzinata sotto forma di gradiente protonico.

2. L'energia dei protoni accumulata a seguito di eventi dal punto 1 sul lato esterno della membrana e tendente ad arrivare al lato interno è costituita da due forze unidirezionali:

• elettrico(la carica positiva dei protoni tende ad andare nel luogo di accumulo delle cariche negative dall'altro lato della membrana) e
• chimico(come nel caso di qualsiasi altra materia, i protoni cercano di disperdersi uniformemente nello spazio, diffondendosi da luoghi ad alta concentrazione di essi a luoghi dove sono pochi)

L'attrazione elettrica dei protoni sul lato caricato negativamente della membrana interna è molto più potente della tendenza dei protoni a spostarsi in un luogo a concentrazione inferiore a causa della differenza di concentrazione di protoni (questo è indicato dalla larghezza delle frecce nella diagramma sopra). L'energia combinata di queste forze motrici è così grande che è sufficiente per spostare i protoni all'interno della membrana e per alimentare la reazione di consumo di energia che la accompagna: la creazione di ATP da ADP e fosfato.

Consideriamo più in dettaglio perché ciò richiede energia e come esattamente l'energia dell'aspirazione del protone viene convertita nell'energia di un legame chimico tra le due parti della molecola di ATP.

La molecola di ADP (nel diagramma a destra) non vuole acquisire un altro gruppo fosfato: l'atomo di ossigeno a cui questo gruppo può attaccarsi è caricato negativamente quanto il fosfato, il che significa che si respingono l'un l'altro. In generale, l'ADP non reagisce, è chimicamente passivo. Il fosfato, a sua volta, ha un proprio atomo di ossigeno attaccato a quell'atomo di fosforo, che potrebbe diventare il sito del legame tra fosfato e ADP durante la creazione di una molecola di ATP, quindi non può nemmeno prendere l'iniziativa.

Pertanto, queste molecole devono essere collegate da un enzima, dispiegato in modo che i legami tra loro e gli atomi "extra" si indeboliscano e si spezzino, per poi portare le due estremità chimicamente attive di queste molecole, su cui gli atomi sperimentano una carenza e un eccesso di elettroni, tra loro.

Gli ioni di fosforo (P+) e ossigeno (O-) che sono caduti nel campo di reciproca portata sono legati da un forte legame covalente dovuto al fatto che prendono congiuntamente possesso di un elettrone che originariamente apparteneva all'ossigeno. Questo enzima di elaborazione della molecola è ATP sintasi, e riceve energia per cambiare sia la sua configurazione che la disposizione reciproca di ADP e fosfato dai protoni che lo attraversano. È energeticamente favorevole che i protoni raggiungano il lato della membrana con carica opposta, dove peraltro ce ne sono pochi, e l'unico modo passa attraverso l'enzima, il "rotore" di cui i protoni ruotano contemporaneamente.

La struttura dell'ATP sintasi è mostrata nel diagramma a destra. Il suo elemento rotante dovuto al passaggio dei protoni è evidenziato in viola, e l'immagine in movimento sottostante mostra un diagramma della sua rotazione e della creazione di molecole di ATP. L'enzima funziona quasi come un motore molecolare, girando elettrochimico energia attuale dei protoni in energia meccanica attrito di due insiemi di proteine ​​l'uno contro l'altro: la "gamba" rotante sfrega contro le proteine ​​immobili del "cappello a fungo", mentre le subunità del "cappello" cambiano forma. Questa deformazione meccanica diventa energia del legame chimico nella sintesi dell'ATP, quando le molecole di ADP e fosfato vengono elaborate e dispiegate nel modo necessario per la formazione di un legame covalente tra di loro.

Ogni ATP sintasi è in grado di sintetizzare fino a 100 molecole di ATP al secondo e per ogni molecola di ATP sintetizzata, circa tre protoni devono passare attraverso la sintetasi. La maggior parte dell'ATP sintetizzato nelle cellule si forma proprio in questo modo, e solo una piccola parte è il risultato del trattamento primario delle molecole alimentari che avviene al di fuori dei mitocondri.

In un dato momento, ci sono circa un miliardo di molecole di ATP in una tipica cellula vivente. In molte cellule, tutto questo ATP viene sostituito (cioè utilizzato e ricreato) ogni 1-2 minuti. La persona media a riposo utilizza una massa di ATP approssimativamente uguale alla propria massa ogni 24 ore.

In generale, quasi la metà dell'energia rilasciata durante l'ossidazione del glucosio o degli acidi grassi in anidride carbonica e acqua viene catturata e utilizzata per la reazione energeticamente sfavorevole della formazione di ATP da ADP e fosfati. Un'efficienza del 50% non è male, ad esempio il motore di un'auto impiega solo il 20% dell'energia contenuta nel carburante in lavoro utile. Allo stesso tempo, il resto dell'energia in entrambi i casi viene dissipato sotto forma di calore e, proprio come alcune automobili, gli animali spendono costantemente questo eccesso (anche se non completamente, ovviamente) per riscaldare il corpo. Nel processo delle reazioni qui menzionate, una molecola di glucosio, scomposta gradualmente in anidride carbonica e acqua, fornisce alla cellula 30 molecole di ATP.

Quindi, con da dove viene l'energia e come esattamente viene immagazzinata nell'ATP, tutto è più o meno chiaro. Resta da capire come esattamente l'energia immagazzinata viene ceduta e cosa succede in questo caso a livello molecolare-atomico.

Viene chiamato il legame covalente formato tra ADP e fosfato alta energia per due motivi:

• Quando si rompe, rilascia molta energia.
• gli elettroni coinvolti nella creazione di questo legame (cioè che ruotano attorno agli atomi di ossigeno e fosforo tra i quali si forma questo legame) sono ad alta energia, cioè si trovano in orbite "alte" attorno ai nuclei degli atomi. E sarebbe energeticamente vantaggioso per loro saltare a un livello più basso, rilasciando l'energia in eccesso, ma finché sono in questo posto, fissando atomi di ossigeno e fosforo, non saranno in grado di "saltare".

Questo desiderio degli elettroni di cadere in un'orbita a bassa energia più conveniente assicura sia la facilità di distruzione del legame ad alta energia che l'energia rilasciata sotto forma di fotone (che è il vettore dell'interazione elettromagnetica). A seconda di quali molecole saranno sostituite da enzimi per la molecola di ATP che collassa, quale molecola assorbirà il fotone emesso dall'elettrone, possono verificarsi diverse varianti di eventi. Ma ogni volta l'energia immagazzinata sotto forma di legame ad alta energia sarà utilizzata per alcune esigenze della cellula:

Scenario 1: il fosfato può essere trasferito a una molecola di un'altra sostanza. In questo caso, gli elettroni ad alta energia formano un nuovo legame, già tra il fosfato e l'atomo estremo di questa molecola ricevente. La condizione perché una tale reazione avvenga è il suo beneficio energetico: in questo nuovo legame, l'elettrone deve avere un'energia leggermente inferiore rispetto a quando faceva parte della molecola di ATP, emettendo parte dell'energia sotto forma di fotone verso l'esterno.

Lo scopo di tale reazione è quello di attivare la molecola ricevente (nel diagramma a sinistra è indicata A-OH): prima dell'aggiunta del fosfato era passivo e non poteva reagire con un'altra molecola passiva MA, ma ora è proprietaria di una riserva di energia sotto forma di un elettrone ad alta energia, il che significa che può spenderla da qualche parte. Ad esempio, per attaccare una molecola a se stessa MA, che senza una tale finta con le orecchie (cioè l'elevata energia dell'elettrone di legame) non può essere attaccata. Il fosfato viene quindi staccato, dopo aver svolto il suo lavoro.

Ciò si traduce in una catena di reazioni:

1. ATP+ molecola passiva A ➡️ ADP+ molecola attiva dovuta al fosfato attaccato V-R

2. molecola attivata V-R+ molecola passiva MA➡️molecole connesse AB+ fosfato separato ( R)

Entrambe queste reazioni sono energeticamente favorevoli: ognuna di esse coinvolge un elettrone di legame ad alta energia, che, quando si rompe un legame e se ne forma un altro, perde parte della sua energia sotto forma di emissione di fotoni. Come risultato di queste reazioni, due molecole passive sono collegate. Se consideriamo la reazione di collegamento diretto di queste molecole (molecola passiva A+ molecola passiva MA➡️molecole connesse AB), allora risulta essere energeticamente costoso e non può aver luogo. Le cellule "fanno l'impossibile" accoppiando questa reazione con la scissione energeticamente favorevole dell'ATP in ADP e fosfato durante le due reazioni sopra descritte. La scissione avviene in due fasi, in ciascuna delle quali parte dell'energia dell'elettrone legante viene spesa per svolgere un lavoro utile, ovvero per creare i legami necessari tra due molecole, da cui si ottiene la terza ( AB) necessari per il funzionamento della cellula.

Scenario 2: il fosfato può essere separato contemporaneamente dalla molecola di ATP e l'energia rilasciata viene catturata dall'enzima o dalla proteina funzionante e spesa per svolgere un lavoro utile.

Come si può cogliere qualcosa di così impercettibile come una perturbazione trascurabile del campo elettromagnetico nel momento in cui un elettrone cade in un'orbita inferiore? Molto semplicemente: con l'aiuto di altri elettroni e con l'aiuto di atomi capaci di assorbire il fotone emesso dall'elettrone.

Gli atomi che compongono le molecole sono tenuti insieme in forti catene e anelli per mezzo di (tale catena è una proteina spiegata nell'immagine a destra). E parti separate di queste molecole sono attratte l'una dall'altra da interazioni elettromagnetiche più deboli (ad esempio, legami a idrogeno o forze di van der Waals), che consentono loro di formare strutture complesse. Alcune di queste configurazioni di atomi sono molto stabili e nessun disturbo del campo elettromagnetico li scuoterà.. non si sposteranno.. in generale, sono stabili. E alcuni sono abbastanza mobili, e un leggero calcio elettromagnetico è sufficiente per cambiare la loro configurazione (di solito questi non sono legami covalenti). E proprio un tale calcio è dato loro dal portatore di fotoni del campo elettromagnetico in arrivo, emesso da un elettrone che è passato a un'orbita inferiore quando il fosfato si è staccato.

I cambiamenti nella configurazione delle proteine ​​a seguito della rottura delle molecole di ATP sono responsabili degli eventi più sorprendenti che si verificano nella cellula. Sicuramente chi è interessato ai processi cellulari almeno a livello di “guarda la loro animazione su youtube” si è imbattuto in un video che mostra una molecola proteica chinesina, letteralmente camminando, riordinando le gambe, lungo il filo dello scheletro cellulare, trascinando il carico ad esso attaccato.

È la scissione del fosfato dall'ATP che fornisce questo stepping, ed ecco come:

Kinesin ( chinesina) si riferisce a un particolare tipo di proteina che tende a modificarla spontaneamente conformazione(posizione reciproca degli atomi in una molecola). Lasciato solo, passa casualmente dalla conformazione 1, in cui è attaccato con una "gamba" al filamento di actina ( filamento di actina) - la formazione del filo più sottile citoscheletro cellule ( citoscheletro), nella conformazione 2, facendo così un passo avanti e reggendosi su due "gambe". Dalla conformazione 2 passerà con uguale probabilità sia alla conformazione 3 (attacca la zampa posteriore a quella anteriore) sia di nuovo alla conformazione 1. Pertanto, la kinesin non si muove in nessuna direzione, semplicemente vaga senza meta.

Ma tutto cambia non appena si combina con una molecola di ATP. Come mostrato nel diagramma a sinistra, l'aggiunta di ATP alla chinesina nella conformazione 1 porta a un cambiamento nella sua posizione spaziale e passa nella conformazione 2. La ragione di ciò è l'influenza elettromagnetica reciproca delle molecole di ATP e chinesina l'una sull'altra . Questa reazione è reversibile perché non è stata spesa energia e se l'ATP si stacca dalla chinesina, semplicemente solleverà la sua "gamba", rimarrà al suo posto e aspetterà la successiva molecola di ATP.

Ma se persiste, a causa dell'attrazione reciproca di queste molecole, il legame che trattiene il fosfato all'interno dell'ATP viene distrutto. L'energia rilasciata contemporaneamente, così come la scomposizione dell'ATP in due molecole (che hanno già un effetto diverso sugli atomi di chinesina con i loro campi elettromagnetici) portano al fatto che la conformazione della chinesina cambia: "tira la zampa posteriore ”. Resta da fare un passo avanti, che avviene quando ADP e fosfato si staccano, riportando la chinesina alla sua conformazione originaria 1.

Come risultato dell'idrolisi dell'ATP, la chinesina si è spostata a destra e non appena la molecola successiva si unirà a essa, farà un altro paio di passaggi, utilizzando l'energia in essa immagazzinata.

È importante che la chinesina, che è in conformazione 3 con ADP e fosfato attaccati, non possa tornare alla conformazione 2 facendo un "passo indietro". Ciò è spiegato dallo stesso principio di conformità con la seconda legge della termoregolazione: il passaggio del sistema “kinesin + ATP” dalla conformazione 2 alla conformazione 3 è accompagnato dal rilascio di energia, il che significa che la transizione inversa sarà energia- consumare. Perché succeda, devi prendere energia da qualche parte per combinare l'ADP con il fosfato, e non c'è nessun posto da cui prenderla in questa situazione. Pertanto, la chinesina collegata all'ATP è aperta solo in una direzione, il che consente di svolgere un lavoro utile trascinando qualcosa da un'estremità all'altra della cella. La chinesina, ad esempio, è coinvolta nel separare i cromosomi di una cellula in divisione durante mitosi(il processo di divisione delle cellule eucariotiche). Una proteina muscolare miosina scorre lungo i filamenti di actina, provocando la contrazione muscolare.

Questo movimento è molto veloce: alcuni il motore(responsabili di varie forme di mobilità cellulare) le proteine ​​coinvolte nella replicazione genica corrono lungo il filamento di DNA a una velocità di migliaia di nucleotidi al secondo.

Si muovono tutti idrolisi ATP (distruzione della molecola con l'aggiunta di atomi prelevati dalla molecola d'acqua alle molecole più piccole risultanti dalla decomposizione. L'idrolisi è mostrata sul lato destro del diagramma dell'interconversione di ATP e ADP). O per idrolisi GTP, che differisce dall'ATP solo per il fatto che contiene un altro nucleotide (guanina).

Scenario 3: la rimozione di due gruppi fosfato contemporaneamente dall'ATP o da un'altra molecola simile contenente un nucleotide porta a un rilascio di energia ancora maggiore rispetto a quando viene rimosso un solo fosfato. Un rilascio così potente ti consente di creare una forte spina dorsale di zucchero-fosfato di molecole di DNA e RNA:

1. affinché i nucleotidi possano unirsi alla catena del DNA o dell'RNA in costruzione, devono essere attivati ​​attaccando due molecole di fosfato. Questa è una reazione che consuma energia eseguita dagli enzimi cellulari.

2. l'enzima DNA o RNA polimerasi (non mostrato nel diagramma sotto) attacca un nucleotide attivato (GTP è mostrato nel diagramma) al polinucleotide in costruzione e catalizza la scissione di due gruppi fosfato. L'energia rilasciata viene utilizzata per creare un legame tra il gruppo fosfato di un nucleotide e il ribosio di un altro. I legami creati di conseguenza non sono ad alta energia, il che significa che non sono facili da distruggere, il che è un vantaggio per la costruzione di una molecola che contiene o trasmette le informazioni ereditarie della cellula.

In natura possono verificarsi spontaneamente solo reazioni energeticamente favorevoli, il che è dovuto al secondo principio della termodinamica

Tuttavia, le cellule viventi possono combinare due reazioni, una delle quali fornisce un po' più di energia di quella che la seconda assorbe, e quindi svolgere reazioni che consumano energia. Le reazioni che consumano energia hanno lo scopo di creare molecole più grandi, organelli cellulari e intere cellule, tessuti, organi ed esseri viventi multicellulari da singole molecole e atomi, oltre a immagazzinare energia per il loro metabolismo

L'accumulo di energia avviene grazie alla distruzione controllata e graduale di molecole organiche (processo di produzione di energia), unita alla creazione di molecole che trasportano energia (processo di consumo energetico). Gli organismi fotosintetici immagazzinano l'energia dei fotoni solari catturati dalla clorofilla in questo modo.

I vettori di energia molecolare sono divisi in due gruppi: immagazzinano energia sotto forma di legame ad alta energia o sotto forma di elettrone ad alta energia attaccato. Tuttavia, nel primo gruppo, l'alta energia è fornita dallo stesso elettrone ad alta energia, quindi possiamo dire che l'energia è immagazzinata in elettroni spinti ad un livello elevato, che fanno parte di diverse molecole

L'energia immagazzinata in questo modo viene anche ceduta in due modi: distruggendo il legame ad alta energia o trasferendo elettroni ad alta energia per ridurre gradualmente la loro energia. In entrambi i casi, l'energia viene rilasciata sotto forma di emissione da un elettrone che passa a un livello energetico inferiore di una particella portatrice di un campo elettromagnetico (fotone) e di calore. Questo fotone viene catturato in modo tale da svolgere un lavoro utile (la formazione di una molecola necessaria per il metabolismo nel primo caso e il pompaggio di protoni attraverso la membrana mitocondriale nel secondo)

L'energia immagazzinata sotto forma di gradiente protonico viene utilizzata per la sintesi dell'ATP, così come per altri processi cellulari che esulano dallo scopo di questo capitolo (penso che nessuno si offenderà, date le sue dimensioni). E l'ATP sintetizzato viene utilizzato come descritto nel paragrafo precedente.

Crescita abbondante di alberi grassi,
che sono radicati sulla sabbia sterile
approvato il suo, lo afferma chiaramente
fogli unti di 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 avvengono nelle fasi chiare e scure della fotosintesi? Come sono correlati i processi di scambio di energia e plastica? Cos'è la chemiosintesi?

Lezione-lezione

La capacità di convertire un tipo di energia in un altro (energia radiante in energia di legami chimici, energia chimica in energia meccanica, ecc.) è una delle proprietà fondamentali degli esseri viventi. Qui considereremo in dettaglio come questi processi si realizzano negli organismi viventi.

ATP - IL PRINCIPALE VETTORE DI ENERGIA NELLA CELLULA. Per l'attuazione di qualsiasi manifestazione dell'attività vitale delle cellule, è necessaria energia. Gli organismi autotrofi ricevono energia iniziale dal Sole durante le reazioni di fotosintesi, mentre gli organismi eterotrofi utilizzano i composti organici del cibo come fonte di energia. L'energia è immagazzinata dalle cellule nei legami chimici delle molecole ATP (adenosina trifosfato), che sono un nucleotide costituito da tre gruppi fosfato, un residuo zuccherino (ribosio) e un residuo base azotato (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. Normalmente, una cellula estrae energia dall'ATP rimuovendo solo il gruppo fosfato terminale. In questo caso si forma ADP (adenosina difosfato), 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, che si tratti della sintesi enzimatica di composti organici, del lavoro delle proteine ​​- motori molecolari o proteine ​​di trasporto della membrana, ecc. La sintesi inversa delle molecole di ATP viene effettuata attaccando un fosfato gruppo ad ADP con assorbimento di energia. L'accumulo di energia sotto forma di ATP da parte della cellula viene effettuato durante le reazioni metabolismo energetico. È strettamente associato a scambio di plastica durante la quale la cellula produce i composti organici necessari al suo funzionamento.

METABOLISMO ED ENERGIA NELLA CELLULA (METABOLISMO). Metabolismo: la totalità di tutte le reazioni del metabolismo plastico ed energetico, interconnesse. Nelle cellule la sintesi di carboidrati, grassi, proteine, acidi nucleici è in continuo movimento. La sintesi dei composti arriva sempre con il dispendio di energia, cioè con l'indispensabile partecipazione dell'ATP. Le fonti di energia per la formazione di ATP sono reazioni enzimatiche di ossidazione di proteine, grassi e carboidrati che entrano nella cellula. Questo processo rilascia energia, che viene immagazzinata in 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, si svolge nel citoplasma delle cellule e non richiede ossigeno. Come risultato di reazioni successive che coinvolgono 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 resa energetica 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), ulteriori trasformazioni possono essere associate a vari tipi fermentazione.

Tutti sanno fermentazione lattica(acidificazione del latte), che si verifica a causa dell'attività di funghi e batteri dell'acido lattico. È simile nel meccanismo alla glicolisi, solo il prodotto finale qui è acido lattico. Questo tipo di ossidazione del glucosio si verifica nelle cellule carenti di ossigeno, come nei muscoli che lavorano sodo. Vicino in chimica alla fermentazione lattica e alcolica. La differenza è che i prodotti della fermentazione alcolica sono alcol etilico 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 legate 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. In varie fasi di questo processo, si formano prodotti intermedi dell'ossidazione della sostanza iniziale con l'eliminazione degli atomi di idrogeno. In questo caso, viene rilasciata 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 scissi che è necessario l'ossigeno. Questa serie di trasformazioni chimiche è piuttosto complessa e si verifica con la partecipazione delle membrane interne dei mitocondri, degli enzimi e delle proteine ​​trasportatrici.

La respirazione cellulare ha un'efficienza molto elevata. C'è una sintesi di 30 molecole di ATP, altre due molecole si formano durante la glicolisi e sei molecole di ATP - come risultato della trasformazione dei prodotti della glicolisi sulle membrane mitocondriali. In totale, a seguito dell'ossidazione di una molecola di glucosio, si formano 38 molecole di ATP:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

Nei mitocondri avvengono le fasi finali dell'ossidazione non solo degli zuccheri, ma anche delle proteine ​​e dei lipidi. Queste sostanze vengono utilizzate dalle cellule, soprattutto quando l'apporto di carboidrati si esaurisce. In primo luogo, viene consumato il grasso, durante l'ossidazione del quale viene rilasciata molta più energia rispetto a un uguale volume di carboidrati e proteine. Pertanto, il grasso negli animali è la principale "riserva strategica" delle risorse energetiche. Nelle piante, l'amido svolge il ruolo di riserva di energia. Una volta immagazzinato, occupa molto più spazio di una quantità di grasso equivalente a un'energia. Per le piante, questo non è un ostacolo, poiché sono immobili e non portano riserve su se stesse, come gli animali. Puoi estrarre energia dai carboidrati molto più velocemente che dai grassi. Le proteine ​​svolgono molte importanti funzioni nell'organismo, quindi sono coinvolte nel metabolismo energetico solo quando le risorse di zuccheri e grassi si esauriscono, ad esempio durante la fame prolungata.

FOTOSINTESI. Fotosintesiè un processo durante il quale l'energia della luce solare viene convertita nell'energia dei legami chimici dei composti organici. Nelle cellule vegetali, i processi legati alla fotosintesi hanno luogo nei cloroplasti. All'interno di questo organello ci sono sistemi di membrane in cui sono incorporati pigmenti che catturano l'energia radiante del Sole. Il pigmento principale della fotosintesi è la clorofilla, che assorbe principalmente i raggi blu e viola dello spettro. La luce verde viene riflessa, quindi la stessa clorofilla e le parti vegetali 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 passa attraverso la catena portante, perde energia, che viene utilizzata per sintetizzare l'ATP. Alcuni degli elettroni eccitati dalla luce vengono utilizzati per ridurre l'NDP (nicotinamide adenin dinucleotifosfato) o NADPH.

Riso. 53. Prodotti delle reazioni delle fasi chiare e oscure della fotosintesi

Sotto l'influenza della luce solare nei cloroplasti, si verifica anche la scissione delle molecole d'acqua - fotolisi; in questo caso sorgono elettroni che compensano la loro perdita da parte della clorofilla; L'ossigeno si forma come sottoprodotto:

Pertanto, il significato funzionale della fase luminosa risiede nella sintesi di ATP e NADP·H convertendo l'energia luminosa in energia chimica.

La fase oscura della fotosintesi non richiede luce. L'essenza dei processi che avvengono qui è che le molecole di ATP e NADP·H ottenute 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 vengono effettuate all'interno dei cloroplasti, e l'ADP e NADP rilasciati durante la "fissazione" dell'anidride carbonica vengono nuovamente utilizzati nelle reazioni della fase chiara per la sintesi di ATP e NADP H.

L'equazione complessiva della fotosintesi è la seguente:

RAPPORTO E UNITA' DEI PROCESSI DI SCAMBIO PLASTICO E ENERGETICO. I processi di sintesi dell'ATP avvengono nel citoplasma (glicolisi), nei mitocondri (respirazione cellulare) e nei cloroplasti (fotosintesi). Tutte le reazioni che avvengono durante questi processi sono reazioni di scambio di energia. L'energia immagazzinata sotto forma di ATP viene spesa nelle 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, scambio plastico e la fase luminosa è energia.

La relazione 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 dell'ATP (metabolismo energetico). Se lo leggi da destra a sinistra, ottieni una descrizione delle reazioni della fase oscura della fotosintesi, quando il glucosio viene sintetizzato dall'acqua e dall'anidride carbonica con la partecipazione dell'ATP (metabolismo plastico).

CHEMOSINTESI. Oltre ai fotoautotrofi, alcuni batteri (batteri dell'idrogeno, nitrificanti, solforati, ecc.) sono anche in grado di sintetizzare sostanze organiche da sostanze inorganiche. Svolgono questa sintesi grazie all'energia rilasciata durante l'ossidazione delle sostanze inorganiche. Si chiamano chemioautotrofi. Questi batteri chemiosintetici svolgono un ruolo importante nella biosfera. Ad esempio, i batteri nitrificanti convertono i sali di ammonio che sono inaccessibili alle piante in sali di acido nitrico, che sono ben assorbiti da loro.

Il metabolismo cellulare è costituito da reazioni di metabolismo energetico e plastico. Nel corso del metabolismo energetico si verifica la formazione di composti organici con legami chimici macroergici - ATP. L'energia necessaria per questo viene dall'ossidazione dei composti organici durante le reazioni anaerobiche (glicolisi, fermentazione) e aerobiche (respirazione cellulare); dai raggi solari, la cui energia viene assorbita nella fase luminosa (fotosintesi); dall'ossidazione di composti inorganici (chemiosintesi). L'energia dell'ATP viene spesa per la sintesi dei composti organici necessari alla cellula nel corso delle reazioni di scambio plastico, che includono le reazioni della fase oscura della fotosintesi.

• Quali sono le differenze tra il metabolismo della plastica e quello 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 planetaria-cosmica?

L'acido lattico (l'accumulo nei muscoli può causare dolore) viene consegnato dal sangue al fegato, dove viene convertito in glucosio durante la gluconeogenesi.

L'alcol si forma nelle cellule di lievito durante la fermentazione alcolica.

acetil-CoA - viene utilizzato per la sintesi di acidi grassi, corpi chetonici, colesterolo, ecc. o viene ossidato nel ciclo di Krebs.

Acqua e anidride carbonica sono inclusi nel metabolismo generale o espulsi dal corpo.

I pentosi sono usati per la sintesi di acidi nucleici, glucosio (gluconeogenesi) e altre sostanze.

NADPH2 è coinvolto nella sintesi di acidi grassi, basi puriniche, ecc. o viene utilizzato per generare energia nel CPE.

• L'energia viene immagazzinata sotto forma di ATP, che viene poi utilizzata nell'organismo per la sintesi di sostanze, il rilascio di calore, le contrazioni muscolari, ecc.

La trasformazione del glucosio nel corpo è un processo piuttosto complesso che si verifica sotto l'azione di vari enzimi. Quindi il percorso dal glucosio all'acido lattico comprende 11 reazioni chimiche, ognuna delle quali è accelerata dal proprio enzima.

Schema numero 8. Glicolisi anaerobica.

Glucosio

ADP esochinasi, ione Mg

Glucosio-6-fosfato

Fosfoglucoisomerasi

Fruttosio 6-fosfato

Fosfofruttochinasi ADP, ioni Mg

Fruttosio 1,6-difosfato

Aldolasi

3-fosfodiossiacetone 3-fosfogliceroaldeide (3-PHA)

NADH+H 3-PHA deidrogenasi

acido 1,3-difosfoglicerico

ATP fosfoglicerato mutasi

acido 2-fosfoglicerico

H2O Enolasi

Acido fosfoenolpiruvico

ATP piruvato chinasi, ioni Mg

PVC acido piruvico

NAD lattato deidrogenasi

Acido lattico.

La glicolisi si verifica nel citoplasma delle cellule e non richiede una catena respiratoria mitocondriale.

Il glucosio è una delle principali fonti di energia per le cellule di tutti gli organi e tessuti, in particolare del sistema nervoso, degli eritrociti, dei reni e dei testicoli.

Il cervello è fornito quasi interamente da glucosio diffuso in ingresso, tk. L'IVH non entra nelle cellule cerebrali. Pertanto, quando la concentrazione di glucosio nel sangue diminuisce, il funzionamento del cervello viene interrotto.

Gluconeogenesi.

In condizioni anaerobiche, il glucosio è l'unica fonte di energia per il lavoro dei muscoli scheletrici. L'acido lattico formato dal glucosio entra quindi nel sangue, nel fegato, dove viene convertito in glucosio, che poi ritorna ai muscoli (ciclo di Cori).

Viene chiamato il processo di conversione di sostanze non carboidratiche in glucosio gluconeogenesi.

Il significato biologico della gluconeogenesi è il seguente:

Mantenere la concentrazione di glucosio a un livello sufficiente in caso di carenza di carboidrati nel corpo, ad esempio durante la fame o il diabete.

Formazione di glucosio da acido lattico, acido piruvico, glicerolo, aminoacidi glicogeni, la maggior parte dei metaboliti intermedi del ciclo di Krebs.

La gluconeogenesi si verifica principalmente nel fegato e nella corteccia renale. Nei muscoli, questo processo non si verifica a causa della mancanza degli enzimi necessari.

La reazione totale della gluconeogenesi:

2PVC + 4ATP + 2GTP + 2NADH + H + 4H2O

glucosio + 2NAD + 4ADP + 2PIL + 6H3PO4

Pertanto, nel processo di gluconeogenesi, vengono consumati fino a 6 composti macroergici e 2NADH + H per ciascuna molecola di glucosio.

Il consumo di grandi quantità di alcol inibisce la gluconeogenesi, che può portare a una diminuzione della funzione cerebrale. Il tasso di gluconeogenesi può aumentare nelle seguenti condizioni:

Quando si digiuna.

Nutrizione proteica potenziata.

Mancanza di carboidrati negli alimenti.

diabete mellito.

Via glucuronica del metabolismo del glucosio.

Questa via è insignificante in termini quantitativi, ma molto importante per la funzione di neutralizzazione: i prodotti metabolici finali e le sostanze estranee, che si legano alla forma attiva dell'acido glucuronico (UDP-acido glucuronico) sotto forma di glucuronidi, vengono facilmente escreti dall'organismo. L'acido glucuronico stesso è un componente necessario dei glicosaminoglicani: acido ialuronico, eparina, ecc. Nell'uomo, a seguito di questa via di scomposizione del glucosio, si forma l'acido UDP-glucuronico.