для чего клеткам нужна энергия откуда они ее берут
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 spidgorny). 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.
Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.
Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.
При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.
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.
По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.
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.
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.
В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.
Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.
То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.
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.
Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.
А если серьезно, то:
Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.
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.
Энергетика живой клетки
Преобразование энергии в животной клетке
Неспособные к фотосинтезу клетки (например, человека) получают энергию из пищи, которой служит или биомасса растений, созданная в результате фотосинтеза, или биомасса других живых существ, питающихся растениями, или останки любых живых организмов.
Питательные вещества (белки, жиры и углеводы) преобразуются животной клеткой в ограниченный набор низкомолекулярных соединений – органических кислот, построенных из атомов углерода, которые с помощью специальных молекулярных механизмов окисляются до углекислоты и воды. При этом освобождается энергия, она аккумулируется в форме электрохимической разности потенциалов на мембранах и используется для синтеза АТФ или напрямую для совершения определенных видов работы.
История изучения проблем преобразования энергии в животной клетке, как и история фотосинтеза, насчитывает более двух веков.
У аэробных организмов окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды протекает с помощью кислорода и называется внутриклеточным дыханием, которое происходит в специализированных частицах – митохондриях. Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке во внутренних мембранах митохондрий. Эти ферменты составляют так называемую дыхательную цепь и работают как генераторы, создавая разность электрохимических потенциалов на мембране, за счет которой синтезируется АТФ, подобно тому, как это происходит при фотосинтезе.
Основная задача и дыхания и фотосинтеза — поддерживать соотношение АТФ/АДФ на определенном уровне, далеком от термодинамического равновесия, что и позволяет АТФ служить донором энергии, смещая равновесие тех реакций, в которых он участвует.
Основными энергетическими станциями живых клеток служат митохондрии — внутриклеточные частицы размером 0,1–10μ, покрытые двумя мембранами. В митохондриях свободная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ. Когда АТФ соединяется с водой, при нормальных концентрациях реагирующих веществ, выделяется свободная энергия порядка 10 ккал/моль.
Для чего клеткам нужна энергия откуда они ее берут
Подробное решение параграф § 27 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Пасечник В.В., Каменский А.А., Рубцов A.M. Углубленный уровень 2019
Вопрос 1. Почему биологические системы называют открытыми?
Открытые биологические системы — это системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды и выделения их обратно в окружающую среду.
Зелёные растения используют солнечную энергию для синтеза органических веществ, из которых строится их тело. Другие организмы получают энергию в результате распада сложных органических веществ пищи на более простые. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия (солнечная или химическая) и питательные вещества извне.
Вопрос 2. Какие вещества обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки энергией? Какие из них можно назвать универсальными источниками?
В качестве основного энергетического материала используются углеводы и жиры. Например, сложный углевод гликоген и жиры — это резервы «топлива» в клетке.
Вопрос 3. Почему эукариоты представляют собой открытые системы?
Потому что эукариоты, как и все живые организмы, имеющие клеточное строение, постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.
Вопрос 4. Для чего клеткам нужна энергия? Откуда они её берут?
Энергия необходима клеткам дня синтеза сложных органических веществ и выполнения разных видов работы: движения, выведения продуктов обмена и т. д. Для её получения организмы разлагают и окисляют различные химические соединения — как правило, это органические вещества, получаемые с пищей.
Вопрос 5. Какие процессы называют энергетическим обменом, а какие — пластическим обменом?
Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ на более простые, сопровождающихся выделением энергии, а также запасанием её в форме химических связей универсального соединения — энергоносителя АТФ, получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции).
Совокупность биохимических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии, называют пластическим обменом (анаболизмом, или ассимиляцией).
Вопрос 6. Чем аэробы отличаются от анаэробов?
Аэробы использует кислород как окислитель, содержащийся в воздухе или воде. А анаэробам кислород не только не нужен, но даже вреден и для кого — то из них является смертельным ядом.
Вопрос 7. Можно ли окисление веществ в живом организме назвать горением? Почему?
Исходные и конечные продукты при окислении и горении одни и те же (в печке сгорает топливо, для организма топливом служит пища; и в организме и в печке углеродистые вещества сгорают, превращаясь в углекислоту и в воду). НО… Разница состоит в том, что в печке горение происходит при высокой температуре, а в живом организме — при низкой и значительно медленнее. Поэтому окисление проходит не так как горение, а это значит, что окисление веществ в живом организме назвать горением нельзя.
Вопрос 8. Прочитайте статью в рубрике «Это интересно», предложите схему, отражающую биологическое окисление в клетке.
Вопрос 9. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), показывающей суть обмена веществ в клетке.
Основное жизненное свойство клетки — обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза (пластического обмена) — это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. Большинство реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. В результате обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества образуются, а другие разрушаются.
Тогда строится такая ментальная карта.
Или такая (более общая).
Вопрос 10. Установите соответствие между признаками обмена веществ у человека и его этапами.
ПРИЗНАКИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
A) вещества окисляются; Б) вещества синтезируются; B) энергия запасается в молекулах АТФ; Г) энергия расходуется; Д) в процессе участвуют рибосомы; Е) в процессе участвуют митохондрии
1) Пластический обмен
2) Энергетический обмен
Ответ: 1). Б, Г, Д. 2). А, В, Е.
Вопрос 11. Обсудите в классе, возможны ли случаи переноса протонов водорода через плазматическую мембрану против градиента концентрации. Аргументируйте свой ответ.
Возможны. Так Н+ — АТФаза использует энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ для того, чтобы переносить через клеточную мембрану ионы водорода, против градиента концентрации. Это обстоятельство позволило рассматривать Н+ — АТФазу как активную транспортную систему, то есть своеобразную молекулярную машину.
Особая роль Н+ — АТФазы заключается в том, что, выкачивая протоны из клетки наружу, она не только поддерживает рН цитоплазмы близкий к нейтральному (что очень важно для протекания многих ферментативных процессов), но и создает на мембране разность потенциалов, во многом определяя электрические свойства высших растений.
Также, при клеточном дыхании (при окислительном фосфорелировании) «отбираемые» от НАДН электроны передаются в дыхательной цепи от переносчика к переносчику, теряя при этом свой восстановительный потенциал. Часть выделяемой при этом энергии рассеивается в виде тепла, но, кроме того, часть энергии тратится на создание на внутренней мембране митохондрий разности концентраций протонов (электрохимического потенциала) за счёт их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.
Эта разность концентраций протонов возникает в результате того, что перенос электронов от НАДН к кислороду сопровождается «перекачиванием» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство против градиента концентрации.
Вопрос 12. Почему молекулы НАД+ и ФАД называют универсальными акцепторами водорода?
Если АТФ — универсальный источник энергии, то кофакторы НАД+ и ФАД — универсальные акцепторы, а их восстановленные формы — НАДН и ФАДН2 — универсальные доноры восстановительных эквивалентов.
Входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты атом азота четырехвалентен и несет положительный заряд (НАД+). Это азотистое основание легко присоединяет два электрона и один протон (т.е. восстанавливается) в тех реакциях, в которых при участии ферментов дегидрогеназ от субстрата отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор). В обратных реакциях ферменты, окисляя НАДН или НАДФН, восстанавливают субстраты, присоединяя к ним атомы водорода (второй протон приходит из раствора).
ФАД — флавинадениндинуклеотид — производное витамина В2 (рибофлавина) также является кофактором дегидрогеназ, но ФАД присоединяет два протона и два электрона, восстанавливаясь до ФАДН2.
Зачем живым организмам энергия? Откуда они это берут и как
Клетки не могут выжить сами по себе. Им нужна сила, чтобы остаться в живых. Им нужна энергия для выполнения таких функций, как рост, поддержание баланса, восстановление, размножение, движение и защита. Это означает, что все живые организмы должны получать и использовать энергию для жизни.
Хотя солнце является отличным источником энергии, не все формы жизни могут напрямую использовать солнечную энергию. В этом уроке рассказывается, как растения преобразуют солнечную энергию в потенциальную энергию, хранящуюся в сахаре, как живые организмы используют энергию сахара для выполнения работы и как взаимосвязь между фотосинтезом и клеточным дыханием необходима для жизни.
Энергия и жизнь
Организмы используют сахар как источник энергии для работы.
Сахар — это энергия
Все живые существа нуждаются в энергии для работы, необходимой для выживания и воспроизводства. Это верно для бактерий, растений и животных. Энергия — это просто способность выполнять работу, когда работа выполняется, когда сила перемещает объект. Давайте на мгновение рассмотрим ваши собственные потребности. Вам нужна энергия, чтобы включить и выключить компьютер. Вам нужна энергия, чтобы встать с постели по утрам. Вам даже нужна энергия, чтобы послушать этот урок и подумать о том, о чем он говорит. И да, вам нужна энергия для воспроизводства.
На Земле энергия в конечном итоге исходит от Солнца. Растения используют энергию солнца для производства сахара. Организмы, в свою очередь, используют сахар как источник энергии для работы.
Растения используют энергию солнечного света для производства сахара и кислорода из углекислого газа и воды. Процесс, при котором углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород с помощью солнечного света, называется фотосинтезом. Это эндергоническая реакция, то есть для реакции требуется энергия. В частности, для соединения двуокиси углерода и молекул воды с образованием сахара требуется энергия. Солнце обеспечивает энергию, необходимую для фотосинтеза, и часть энергии, используемой для производства сахара, хранится в молекуле сахара.
Солнце дает энергию, необходимую для фотосинтеза
Организмы расщепляют сахар, чтобы высвободить накопленную энергию. Энергия, выделяющаяся при расщеплении сахара, используется клетками для производства другого химического вещества, которое мы называем аденозинтрифосфатом или просто сокращенно АТФ. Синтез АТФ клетками называется клеточным дыханием. Это экзэргоническая реакция, поскольку в результате реакции выделяется энергия. Энергия высвобождается, когда сахар распадается на более мелкие части: углекислый газ и воду. Как вы можете видеть на экране, сахар и кислород являются реагентами, а углекислый газ и вода — продуктами клеточного дыхания.
Так и должно быть, потому что клеточное дыхание — это просто обратный процесс фотосинтеза. Фотосинтез и клеточное дыхание связаны, поскольку продукты одного становятся реагентами для другого. Фактически, клеточное дыхание и фотосинтез зависят друг от друга.
Как клетка получает и использует энергию
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
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).
Читайте также
5.1. Главная ячейка жизни — клетка
5.1. Главная ячейка жизни — клетка Определение жизни с позиций функционального подхода (метаболизм, размножение, расселение в пространстве) можно дать в следующей форме [Печуркин, 1982]: это открытая система, развивающаяся на основе матричного автокатализа под влиянием
Зачем клетка обменивает натрий на калий?
Зачем клетка обменивает натрий на калий? Мысль о двух формах конвертируемой энергии я высказал в 1975 году. Спустя два года эта точка зрения была поддержана Митчелом. А в группе А. Глаголева тем временем начались опыты по проверке одного из предсказаний этой новой
Бактериальная клетка в цифрах
Бактериальная клетка в цифрах Благодаря биофизике — одной из отраслей науки, с которой мы уже познакомились в начале этой главы, — были получены весьма интересные данные. Возьмем, например, шаровидную бактериальную клетку диаметром 0,5 мкм. Поверхность такой клетки
Клетка — элементарная частица жизни
Клетка — элементарная частица жизни Эти беглые замечания о способах выработки энергии в клетках многоклеточного организма и в бактериальных клетках акцентируют весьма существенные различия в важнейших аспектах их жизнедеятельности. Несходны эти два класса клеток и
ГРУДНАЯ КЛЕТКА
ГРУДНАЯ КЛЕТКА Форма грудной клетки изменяется в зависимости от конституционального типа собаки, степени ее развития и возраста. Грудная клетка, вмещающая дыхательные органы, сердце и главнейшие кровеносные сосуды, должна быть объемистой. Объем груди обусловлен длиной,
Глава 4. Сложная клетка
Клетка-ловушка
Клетка-ловушка Тебе понадобятся: клетка-ловушка, приманка (зерна, сыр, хлеб, колбаса), доска или черепицаДлительность опыта: 1–2 дня.Время проведения: поздняя осень — ранняя весна. Твои действия:• Купи клетку-ловушку любого типа или сделай ее сам. Для этого возьми
Глава 10. Ирак получает американские «семена демократии»
Глава 10. Ирак получает американские «семена демократии» «Мы в Ираке, чтобы сеять семена демократии, чтобы они там процветали и распространялись на весь регион авторитаризма». Джордж Буш–младший Экономическая шоковая терапия в американском стиле Когда Джордж
Наука получает богатый улов кракенов
Наука получает богатый улов кракенов Три ньюфаундлендских рыбака ловили рыбу недалеко от берега. На отмели они увидели какое-то большое животное, которое прочно «село на мель».Рыбаки подплыли ближе. Огромная и странная «рыба» делала отчаянные попытки уйти с мелкого
5.2. Кишечная клетка
5.2. Кишечная клетка Схема кишечной клетки представлена на рис. 26. Известно, что численность кишечных клеток составляет 1010, а соматических клеток взрослого человека— 10 15. Следовательно, одна кишечная клетка обеспечивает питание около 100 000 других клеток. Такая
Глава 2. Клетка
Глава 2. Клетка ТЕМЫ• История изучения клетки. Клеточная теория• Химический состав клетки• Строение эукариотической и прокариотической клеток• Реализация наследственной информации в клетке• ВирусыУдивительный и загадочный мир окружает нас, жителей планеты,
10. Эукариотическая клетка. Цитоплазма. Органоиды
10. Эукариотическая клетка. Цитоплазма. Органоиды Вспомните!Каковы основные положения клеточной теории?Какие выделяют типы клеток в зависимости от расположения генетического материала?Назовите известные вам органоиды клетки. Какие функции они выполняют?В § 4 мы уже
12. Прокариотическая клетка
12. Прокариотическая клетка Вспомните!В чём заключаются принципиальные отличия в строении прокариотических и эукариотических клеток?Какова роль бактерий в природе?Разнообразие прокариот. Царство прокариот в основном представлено бактериями, наиболее древними