Hvordan får planteceller energi. Energitransformation i cellen

Kapitel 4. En kompleks celle En botaniker er en, der ved, hvordan man giver de samme navne til de samme planter og forskellige navne til forskellige, og på en sådan måde, at alle kan finde ud af det,” skrev den store svenske taksonom Carl Linnaeus ( selv botaniker). Denne definition kan overraske

Kapitel 2. CELLEEMNERNE Historien om studiet af cellen. Celleteori Cellens kemiske sammensætning Strukturen af ​​eukaryote og prokaryote celler Implementering af arvelig information i cellen Virusser En fantastisk og mystisk verden omgiver os, planetens indbyggere,

10. Eukaryot celle. Cytoplasma. Organeller Husk! Hvad er de vigtigste bestemmelser i celleteorien? Hvilke typer celler skelnes afhængigt af placeringen af ​​det genetiske materiale? Hvilke celleorganeller kender du. Hvilke funktioner udfører de?I § 4 har vi allerede

12. Prokaryote celler Husk!Hvad er de grundlæggende forskelle i strukturen af ​​prokaryote og eukaryote celler?Hvad er bakteriernes rolle i naturen?Sort af prokaryoter. Kongeriget af prokaryoter er hovedsageligt repræsenteret af bakterier, de ældste

Mere end en milliard år er gået fra fremkomsten af ​​encellede organismer til "opfindelsen" af cellekernen og fødslen af ​​en række andre innovationer. Først da åbnede vejen sig for de første flercellede væsener, som gav anledning til de tre riger af dyr, planter og svampe. Europæiske videnskabsmænd har fremsat en ny forklaring på denne transformation, som er i modstrid med de ideer, der har eksisteret hidtil.

Det er almindeligt accepteret, at til at begynde med blev mere perfekte kerneceller født fra prokaryoter, afhængige af de gamle energimekanismer, og først senere erhvervede rekrutter mitokondrier. Sidstnævnte blev tildelt en vigtig rolle i den videre udvikling af eukaryoter, men ikke rollen som hjørnestenen, der ligger i selve dens fundament.

"Vi har vist, at den første mulighed ikke vil fungere. For at udvikle cellens kompleksitet har den brug for mitokondrier,” forklarer Martin. "Vores hypotese afviser den traditionelle opfattelse, at overgangen til eukaryote celler kun krævede de rigtige mutationer," gentager Lane ham.

De udviklede sig sammen, mens endosymbiont gradvist finpudsede én færdighed - syntesen af ​​ATP. Den indre celle faldt i størrelse og overførte nogle af dens sekundære gener til kernen. Så mitokondrierne beholdt kun den del af det oprindelige DNA, som de havde brug for for at fungere som et "levende kraftværk".

Mitokondrier inde i cellen (fluorescerende grøn). Indsæt: Martin (venstre) og Lane. Detaljer om den nye undersøgelse kan findes i Nature-artiklen og UCL-pressemeddelelsen (fotos af Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

Udseendet af mitokondrier energimæssigt kan sammenlignes med opfindelsen af ​​en raket efter en vogn, fordi kerneceller i gennemsnit er tusind gange større i volumen end celler uden kerne.

Sidstnævnte, ser det ud til, kan også vokse i størrelse og kompleksitet af enheden (der er isolerede slående eksempler her). Men på denne vej har små væsner en fangst: Når de vokser geometrisk, falder forholdet mellem overfladeareal og volumen hurtigt.

I mellemtiden genererer simple celler energi ved hjælp af en membran, der dækker dem. Så i en stor prokaryot celle kan der være masser af plads til nye gener, men den har simpelthen ikke nok energi til at syntetisere proteiner efter disse "instruktioner".

En simpel stigning i folderne i den ydre membran redder ikke situationen specielt (selvom sådanne celler er kendte). Med denne metode til at øge effekten øges også antallet af fejl i driften af ​​energisystemet. Uønskede molekyler ophobes i cellen, som kan ødelægge den.

Antallet af mitokondrier (vist med rødt) i en celle varierer fra en enkelt kopi (for det meste i encellede eukaryoter) til to tusinde (for eksempel i humane leverceller) (illustration af Odra Noel).

Mitokondrier er en genial opfindelse af naturen. Ved at øge deres antal er det muligt at øge cellens energipotentiale uden at vokse dens ydre overflade. Desuden har hver mitokondrie også indbyggede kontrol- og reparationsmekanismer.

Og et andet plus ved innovation: mitokondrielt DNA er lille og meget økonomisk. Det kræver ikke mange ressourcer at kopiere det. Men bakterier, for at øge deres energikapacitet, kan kun skabe mange kopier af hele deres genom. Men sådan en udvikling fører hurtigt til et energisk dødvande.

Sammenligning af forskellige cellers energi og deres skemaer. a) - gennemsnitlig prokaryot ( Escherichia), b) er en meget stor prokaryot ( Thiomargarita) og (c) mellemeukaryot ( Euglena).
Diagrammerne viser (fra top til bund): effekt (watt) pr. gram celle (d), effekt (femtowatt) pr. gen (e) og effekt (picowatt) pr. haploid genom (f) (illustrationer af Nick Lane, William Martin/Naturen).

Forfatterne til værket beregnede, at den gennemsnitlige eukaryote celle teoretisk kunne bære 200.000 gange flere gener end den gennemsnitlige bakterie. Eukaryoter kan opfattes som et bibliotek med et stort antal hylder – fyld det med bøger efter hjertens lyst. Nå, et mere udvidet genom er grundlaget for yderligere forbedring af cellens struktur og dens stofskifte, fremkomsten af ​​nye regulatoriske kredsløb.

En forudsætning for eksistensen af ​​enhver organisme er en konstant tilførsel af næringsstoffer og en konstant frigivelse af slutprodukterne af kemiske reaktioner, der forekommer i celler. Næringsstoffer bruges af organismer som en kilde til atomer af kemiske elementer (primært kulstofatomer), hvorfra alle strukturer er bygget eller fornyet. Udover næringsstoffer modtager kroppen også vand, ilt og mineralsalte. Organiske stoffer, der kommer ind i cellerne (eller syntetiseres under fotosyntesen), nedbrydes til byggesten - monomerer og sendes til alle kroppens celler. En del af disse stoffers molekyler bruges på syntesen af ​​specifikke organiske stoffer, der er iboende i denne organisme. Proteiner, lychider, kulhydrater, nukleinsyrer og andre stoffer syntetiseres i celler, der udfører forskellige funktioner (opbyggende, katalytisk, regulerende, beskyttende osv.). En anden del af de lavmolekylære organiske forbindelser, der kommer ind i cellerne, går til dannelsen af ​​ATP, hvis molekyler indeholder energi beregnet direkte til at udføre arbejde. Energi er nødvendig for syntesen af ​​alle kroppens specifikke stoffer, opretholdelse af dens højt ordnede organisering, aktiv transport af stoffer i celler, fra en celle til en anden, fra en del af kroppen til en anden, for overførsel af nerveimpulser, bevægelse af organismer, og opretholdelse af en konstant kropstemperatur (hos fugle og pattedyr) og til andre formål. I løbet af omdannelsen af ​​stoffer i celler dannes slutprodukter af metabolisme, som kan være giftige for kroppen og udskilles fra den (for eksempel ammoniak). Således forbruger alle levende organismer konstant visse stoffer fra miljøet, omdanner dem og frigiver slutprodukter til miljøet. Helheden af ​​kemiske reaktioner, der forekommer i kroppen, kaldes metabolisme eller stofskifte. Afhængig af den generelle retning af processerne skelnes katabolisme og anabolisme.

Katabolisme (dissimilation) er et sæt reaktioner, der fører til dannelsen af ​​simple forbindelser fra mere komplekse. Kataboliske reaktioner omfatter for eksempel reaktionerne af hydrolyse af polymerer til monomerer og nedbrydning af sidstnævnte til kuldioxid, vand, ammoniak, dvs. energimetabolismereaktioner, hvorunder organiske stoffer oxideres og ATP syntetiseres. Anabolisme (assimilering) er et sæt reaktioner til syntese af komplekse organiske stoffer fra simplere. Disse omfatter for eksempel nitrogenfiksering og proteinbiosyntese, syntese af kulhydrater fra kuldioxid og vand under fotosyntese, syntese af polysaccharider, lipider, nukleotider, DNA, RNA og andre stoffer. Syntesen af ​​stoffer i levende organismers celler omtales ofte som plastisk udveksling, og nedbrydningen af ​​stoffer og deres oxidation, ledsaget af syntesen af ​​ATP, kaldes energimetabolisme. Begge typer af metabolisme danner grundlaget for den vitale aktivitet af enhver celle, og følgelig af enhver organisme, og er tæt beslægtet med hinanden. Processerne med anabolisme og katabolisme er i kroppen i en tilstand af dynamisk ligevægt eller midlertidig forekomst af en af ​​dem. Overvægten af ​​anabolske processer over kataboliske fører til vækst, akkumulering af vævsmasse og kataboliske processer - til delvis ødelæggelse af vævsstrukturer, energifrigivelse. Ligevægtstilstanden eller ikke-ligevægtsforholdet mellem anabolisme og katabolisme afhænger af alder. I barndommen dominerer processerne af anabolisme, og i senil alder - katabolisme. Hos voksne er disse processer i balance. Deres forhold afhænger også af sundhedstilstanden, fysisk eller psyko-emotionel aktivitet udført af en person.

82. Entropi af åbne termodynamiske systemer, Prigogines ligning.

Entropi er et mål for spredningen af ​​fri energi, derfor har ethvert åbent t/d-system i stationær tilstand en tendens til den minimale spredning af fri energi. Hvis systemet af en eller anden grund afveg fra den stationære tilstand, som et resultat af, at systemet tenderer til den minimale entropi, sker der interne ændringer i det, hvilket returnerer det til den stationære tilstand. Åbent system, termodynamisk et system, der er i stand til at udveksle stof og energi med miljøet. I et åbent system strømmer varme både fra systemet og ind i det.

Postulat I.R. Prigogine er, at den totale ændring i entropien dS af et åbent system kan forekomme uafhængigt enten på grund af udvekslingsprocesser med det eksterne miljø (deS) eller på grund af interne irreversible processer (diS): dS = deS + diS. Prigogines teorem. I stationære tilstande med faste eksterne parametre er hastigheden af ​​entropiproduktion i et åbent system på grund af forekomsten af ​​irreversible processer konstant i tid og minimal i størrelse. diS / dt min.

Celler, der ikke er i stand til fotosyntese (for eksempel hos mennesker) modtager energi fra mad, som enten er biomassen af ​​planter, der er skabt som et resultat af fotosyntesen, eller biomassen fra andre levende væsener, der spiser planter, eller resterne af levende organismer.

Næringsstoffer (proteiner, fedtstoffer og kulhydrater) omdannes af en dyrecelle til et begrænset sæt af lavmolekylære forbindelser - organiske syrer bygget af kulstofatomer, som oxideres til kuldioxid og vand ved hjælp af specielle molekylære mekanismer. Dette frigiver energi, det akkumuleres i form af en elektrokemisk potentialforskel på membranerne og bruges til at syntetisere ATP eller direkte til at udføre visse typer arbejde.

Historien om at studere problemerne med energiomdannelse i en dyrecelle, ligesom fotosyntesens historie, går mere end to århundreder tilbage.

I aerobe organismer foregår oxidationen af ​​kulstofatomer af organiske syrer til kuldioxid og vand ved hjælp af ilt og kaldes intracellulær respiration, som forekommer i specialiserede partikler - mitokondrier. Omdannelsen af ​​oxidationsenergi udføres af enzymer placeret i en streng rækkefølge i de indre membraner af mitokondrier. Disse enzymer udgør den såkaldte åndedrætskæde og fungerer som generatorer, hvilket skaber en forskel i elektrokemiske potentialer på membranen, på grund af hvilke ATP syntetiseres, ligesom det sker under fotosyntesen.

Hovedopgaven for både respiration og fotosyntese er at opretholde ATP / ADP-forholdet på et vist niveau, langt fra termodynamisk ligevægt, hvilket gør det muligt for ATP at tjene som en energidonor, og ændre balancen mellem de reaktioner, den deltager i.

De vigtigste energistationer i levende celler er mitokondrier - intracellulære partikler 0,1-10μ i størrelse, dækket med to membraner. I mitokondrier omdannes den frie energi fra fødevareoxidation til den frie energi af ATP. Når ATP kombineres med vand, ved normale koncentrationer af reaktanter, frigives en fri energi i størrelsesordenen 10 kcal/mol.

I uorganisk natur kaldes en blanding af brint og ilt "eksplosiv": en lille gnist er nok til at forårsage en eksplosion - den øjeblikkelige dannelse af vand med en enorm frigivelse af energi i form af varme. Den opgave, som respirationskædens enzymer udfører, er at frembringe en "eksplosion", så den frigivne energi opbevares i en form, der er egnet til syntese af ATP. Hvad de gør: overføre elektroner på en velordnet måde fra en komponent til en anden (i sidste ende til oxygen), gradvist sænke potentialet for brint og lagre energi.

De følgende figurer viser omfanget af dette arbejde. Mitokondrierne fra et voksent menneske med gennemsnitlig højde og vægt pumper omkring 500 g brintioner om dagen gennem deres membraner og danner et membranpotentiale. I løbet af samme tid producerer H + -ATP-syntase omkring 40 kg ATP fra ADP og fosfat, og ATP-brugende processer hydrolyserer hele massen af ​​ATP tilbage til ADP og fosfat.

Forskning har vist, at mitokondriemembranen fungerer som en spændingstransformator. Hvis substratets elektroner overføres fra NADH direkte til oxygen gennem membranen, vil der være en potentialforskel på omkring 1 V. Men biologiske membraner - tolags fosfolipidfilm kan ikke modstå en sådan forskel - der sker et nedbrydning. Derudover kræves der kun 0,25 V for at producere ATP fra ADP, fosfat og vand, hvilket betyder, at der er behov for en spændingstransformator. Og længe før menneskets fremkomst "opfandt" celler en sådan molekylær enhed. Det giver dig mulighed for at øge strømmen fire gange og på grund af energien fra hver elektron, der overføres fra substratet til oxygen, at overføre fire protoner gennem membranen på grund af en strengt koordineret sekvens af kemiske reaktioner mellem de molekylære komponenter i åndedrætskæden.

Så de to vigtigste måder at generere og regenerere ATP i levende celler: oxidativ phosphorylering (respiration) og fotophosphorylering (lysabsorption), selvom de understøttes af forskellige eksterne energikilder, afhænger begge af arbejdet i kæder af katalytiske enzymer nedsænket i membraner : indre membraner af mitokondrier, thylakoidmembraner af kloroplaster eller plasmamembraner af nogle bakterier.

CELLENENERGI OPSTÅET PÅ GRUND AF OXIDATION AF ORGANISKE STOFFER

transformation økologisk stoffer i et bur. Organiske stoffer (kulhydrater, fedtstoffer, proteiner, vitaminer osv.) dannes i planteceller fra kuldioxid, vand og mineralsalte.

Ved at spise planter modtager dyr organisk stof i færdig form. Den energi, der er lagret i disse stoffer, passerer med dem ind i cellerne i heterotrofe organismer.

I cellerne i heterotrofe organismer omdannes energien af ​​organiske forbindelser under deres oxidation til energi ATP. Samtidig frigiver heterotrofe organismer kuldioxid og vand, som igen bruges af autotrofe organismer til fotosynteseprocessen.

Den energi, der er lagret i ATP, bruges på at opretholde alle livsprocesser: biosyntese af proteiner og andre organiske forbindelser, bevægelse, vækst og celledeling.

Alle celler i levende organismer har evnen til at omdanne en form for energi til en anden. I hvilke cellulære organeller udføres processerne med udvinding af energi lagret i organiske forbindelser? Det blev fundet, at det sidste trin af nedbrydningen og oxidationen af ​​glukosemolekyler til kuldioxid med frigivelse af energi sker i mitokondrier.

Hvorfor frigives energi, når organiske forbindelser oxideres? Elektronerne i organiske forbindelsers molekyler har en stor reserve af energi, de er så at sige hævet i dem til et højt energiniveau. Energi frigives, når elektroner bevæger sig fra et højt niveau til et lavere niveau i deres eget eller et andet molekyle eller atom, der er i stand til at være elektrondræn.

Ilt tjener som sådan en elektronmodtager.

Dette er dens vigtigste biologiske rolle. Til dette har vi brug for ilt i luften.

Når vi taler om fotosyntese, sammenlignede vi klorofylens elektron, ophidset af lys, med en sten hævet til en højde: falder fra en højde, mister den energi. En sådan sammenligning er også passende i tilfælde af oxidation af organiske forbindelser.

Ilt, der er nødvendigt for oxidationsprocesser, kommer ind i kroppen under respiration. Derfor er respirationsprocessen direkte relateret til biologisk oxidation. Processerne med biologisk oxidation af organiske stoffer udføres i mitokondrier.

Det er kendt, at der dannes kuldioxid og vand ved forbrænding af organiske stoffer. I dette tilfælde frigives energi i form af varme. Så tilføjelse af ilt og oxidering, for eksempel brænde, olie, gas (metan) brænder.

Oxidation af organiske stoffer er også ledsaget af dannelse af kuldioxid og vand. Men biologisk oxidation er fundamentalt forskellig fra forbrænding. Processerne med biologisk oxidation forløber trinvist med deltagelse af en række enzymer. Ved forbrænding af organiske stoffer frigives næsten al energien i form af varme.

Under biologisk oxidation omdannes omkring 50 % af energien fra organiske stoffer til energien fra ATP, såvel som andre energibærermolekyler. De resterende 50 % af oxidationsenergien omdannes til varme. Da enzymatiske oxidationsprocesser forløber i trin, frigives termisk energi gradvist og har tid til at forsvinde i det ydre miljø uden at beskadige varmefølsomme proteiner og andre cellestoffer. Dette er hovedforskellen mellem de oxidationsprocesser, der forekommer i levende organismer og forbrænding.