Главная » Хабрахабр » Энергия в клетке. Использование и хранение

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.  

Да из всего! Из чего можно получать энергию? Некоторые бактерии тоже. Растения используют световую энергию. + Есть хемотрофы. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. веществ. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. Мы — гетеротрофы. А есть мы с вами. Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. Кто это такие? Мы берем готовую органику (съедаем). То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген. Обожаю углеводы!

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.

Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
У этих источников энергии разное назначение. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Тут нам и нужен гликоген.

Гликоген связывает много воды. Есть еще одно важное различие. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы воды же поляризованы. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). 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.

А что с ней происходит дальше? Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. Превратили ее в энергию. Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Что это значит?
Сделаем небольшое отступление.

000. В клетке происходит порядка 1. 000 реакций каждую секунду. 000. Что при этом происходит с его внутренней энергией? При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Организм обычно совмещает такие реакции. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.

В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов. Теперь можно вернуться к глюкозе.

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.

Моторный белок. Знакомьтесь, это миозин. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую. Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг.

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.

Запасается энергия в жирах и углеводах. Подитожу. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Однако не единственное. По сути, бери и используй. Но об этом позже.

S. P. Прошу ревностных биологов меня простить. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

[recovery mode] .NET гуру Дино Эспозито: «Не будь пассажиром поезда, идущего под откос»

Дино приезжал в Минск лишь однажды, и нам удалось пообщаться с ним между лекциями, которые он давал для .Net-чиков. Мы решили не быть банальными и поговорили с Дино не только о работе, но и о книгах, о будущем и о ...

Рассылай и властвуй: инструменты для создания и тестирования рассылки

Верстать и тестировать адаптивные письма с интерактивом (например, с формами и слайдерами) — боль в квадрате. Верстать электронные письма — это боль. В статье расскажу об email-фреймворках — MJML и Foundation for Emails — и моих любимых ресурсах для тестирования ...