Miten kasvisolut saavat energiaa. Energian muutos solussa

Luku 4. Monimutkainen solu Kasvitieteilijä on henkilö, joka osaa antaa samoille kasveille samat nimet ja eri nimet eri niille, ja niin, että kaikki ymmärtävät sen”, kirjoitti suuri ruotsalainen taksonomisti Carl Linnaeus ( itse kasvitieteilijä). Tämä määritelmä saattaa yllättää

Luku 2. SOLU-AIHEEET Solun tutkimuksen historia. Soluteoria Solun kemiallinen koostumus Eukaryoottisten ja prokaryoottisten solujen rakenne Perinnöllisen tiedon toteutuminen solussa Virukset Hämmästyttävä ja salaperäinen maailma ympäröi meitä, planeetan asukkaita,

10. Eukaryoottisolu. Sytoplasma. Organellit Muista! Mitkä ovat soluteorian pääsäännöt? Millaisia ​​solutyyppejä erotetaan geneettisen materiaalin sijainnin mukaan? Mitkä ovat sinulle tuttuja soluelimet. Mitä toimintoja ne suorittavat? § 4 olemme jo

12. Prokaryoottisolu Muista! Mitkä ovat perustavanlaatuiset erot prokaryoottisten ja eukaryoottisten solujen rakenteessa? Mikä on bakteerien rooli luonnossa? Prokaryoottien monimuotoisuus. Prokaryoottien valtakuntaa edustavat pääasiassa bakteerit, vanhimmat

Yli miljardi vuotta on kulunut yksisoluisten organismien ilmestymisestä soluytimen "keksimiseen" ja useiden muiden innovaatioiden syntymiseen. Vasta sitten tie avautui ensimmäisille monisoluisille olennoille, jotka synnyttivät kolme eläin-, kasvi- ja sienivaltakuntaa. Eurooppalaiset tutkijat ovat esittäneet tälle muutokselle uuden selityksen, joka on ristiriidassa tähän mennessä vallinneiden ideoiden kanssa.

On yleisesti hyväksyttyä, että prokaryooteista syntyi aluksi täydellisempiä ydinsoluja, jotka nojasivat vanhoihin energiamekanismeihin, ja vasta myöhemmin värvätyt hankkivat mitokondrioita. Jälkimmäisille annettiin tärkeä rooli eukaryoottien jatkokehityksessä, mutta ei kulmakiven roolia, joka on sen perusta.

”Olemme osoittaneet, että ensimmäinen vaihtoehto ei toimi. Solun monimutkaisuuden kehittämiseksi se tarvitsee mitokondrioita ”, Martin selittää. "Hypoteesimme kumoaa perinteisen näkemyksen, jonka mukaan siirtyminen eukaryoottisoluihin vaati vain oikeat mutaatiot", Lane toistaa häntä.

He kehittyivät yhdessä, kun taas endosymbiontti hioi vähitellen yhtä taitoa - ATP:n synteesiä. Sisäsolu pieneni kooltaan ja siirsi osan sekundaarisista geeneistään tumaan. Joten mitokondriot säilyttivät vain sen osan alkuperäisestä DNA:sta, jonka ne tarvitsivat toimiakseen "elävänä voimalaitoksena".

Mitokondriot solun sisällä (fluoresoivat vihreänä). Upotukset: Martin (vas.) ja Lane. Uuden tutkimuksen yksityiskohdat löytyvät Nature-artikkelista ja UCL:n lehdistötiedotteesta (kuvat Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

Mitokondrioiden ulkonäköä energian suhteen voidaan verrata raketin keksimiseen kärryn perässä, koska ydinsolut ovat tilavuudeltaan keskimäärin tuhat kertaa suurempia kuin solut, joissa ei ole ydintä.

Näyttäisi siltä, ​​että jälkimmäinen voi myös kasvaa laitteen koon ja monimutkaisuuden osalta (tässä on yksittäisiä silmiinpistäviä esimerkkejä). Mutta tällä polulla pienillä olennoilla on saalis: kun ne kasvavat geometrisesti, pinta-alan ja tilavuuden suhde pienenee nopeasti.

Samaan aikaan yksinkertaiset solut tuottavat energiaa niitä peittävän kalvon avulla. Joten suuressa prokaryoottisolussa voi olla runsaasti tilaa uusille geeneille, mutta sillä ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi energiaa syntetisoida proteiineja näiden "ohjeiden" mukaan.

Yksinkertainen ulkokalvon laskosten lisäys ei erityisesti pelasta tilannetta (vaikka tällaiset solut tunnetaan). Tällä tehonlisäysmenetelmällä myös energiajärjestelmän toiminnassa esiintyvien virheiden määrä lisääntyy. Soluun kerääntyy ei-toivottuja molekyylejä, jotka voivat tuhota sen.

Mitokondrioiden määrä (näkyy punaisella) yhdessä solussa vaihtelee yhdestä kopiosta (useimmiten yksisoluisissa eukaryooteissa) kahteentuhanteen (esimerkiksi ihmisen maksasoluissa) (kuva Odra Noel).

Mitokondriot ovat loistava luonnon keksintö. Niiden lukumäärää lisäämällä on mahdollista lisätä solun energiapotentiaalia kasvattamatta sen ulkopintaa. Lisäksi jokaisessa mitokondriossa on myös sisäänrakennetut ohjaus- ja korjausmekanismit.

Ja toinen innovaation plus: mitokondrio-DNA on pieni ja erittäin taloudellinen. Sen kopioiminen ei vaadi paljoa resursseja. Mutta lisätäkseen energiakapasiteettiaan bakteerit voivat luoda vain useita kopioita koko genomistaan. Mutta tällainen kehitys johtaa nopeasti energeettiseen umpikujaan.

Eri solujen energian vertailu ja niiden kaaviot. a) - keskimääräinen prokaryootti ( Escherichia), b) on erittäin suuri prokaryootti ( Thiomargarita) ja (c) keskimmäinen eukaryootti ( Euglena).
Kaaviot näyttävät (ylhäältä alas): teho (wattia) solugrammaa kohden (d), teho (femtowattia) geeniä kohti (e) ja teho (pikawattia) haploidista genomia kohti (f) (kuvat Nick Lane, William Martin/Luonto).

Työn kirjoittajat laskivat, että keskimääräinen eukaryoottisolu voisi teoriassa kantaa 200 000 kertaa enemmän geenejä kuin keskimääräinen bakteeri. Eukaryootteja voidaan pitää kirjastona, jossa on suuri määrä hyllyjä - täytä se kirjoilla sydämesi kyllyydestä. No, laajempi genomi on perusta solun rakenteen ja sen aineenvaihdunnan edelleen parantamiselle, uusien säätelypiirien syntymiselle.

Minkä tahansa organismin olemassaolon edellytyksenä on jatkuva ravintoaineiden saanti ja soluissa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden lopputuotteiden jatkuva vapautuminen. Organismit käyttävät ravinteita kemiallisten alkuaineiden (ensisijaisesti hiiliatomien) atomien lähteenä, josta kaikki rakenteet rakennetaan tai uusitaan. Ravinteiden lisäksi elimistö saa myös vettä, happea ja kivennäissuoloja. Orgaaniset aineet, jotka tulevat soluihin (tai syntetisoituvat fotosynteesin aikana), hajotetaan rakennuspalikiksi - monomeereiksi ja lähetetään kaikkiin kehon soluihin. Osa näiden aineiden molekyyleistä kuluu tälle organismille ominaisten tiettyjen orgaanisten aineiden synteesiin. Proteiinit, lykidet, hiilihydraatit, nukleiinihapot ja muut aineet syntetisoidaan soluissa, jotka suorittavat erilaisia ​​​​toimintoja (rakennus, katalyyttinen, säätelevä, suojaava jne.). Toinen osa soluihin joutuvista pienimolekyylisistä orgaanisista yhdisteistä menee ATP:n muodostukseen, jonka molekyylit sisältävät suoraan työntekoon tarkoitettua energiaa. Energiaa tarvitaan kehon kaikkien tiettyjen aineiden synteesiin, sen korkeasti järjestetyn organisaation ylläpitämiseen, aineiden aktiiviseen kuljetukseen solujen sisällä, solusta toiseen, kehon osasta toiseen, hermoimpulssien välittämiseen, eliöiden liikkumiseen ja tasaisen ruumiinlämpötilan ylläpitämiseen (linnuilla ja nisäkkäillä) ja muihin tarkoituksiin. Aineiden muuttuessa soluissa muodostuu aineenvaihdunnan lopputuotteita, jotka voivat olla elimistölle myrkyllisiä ja erittyvät siitä (esim. ammoniakki). Siten kaikki elävät organismit kuluttavat jatkuvasti tiettyjä aineita ympäristöstä, muuntavat niitä ja vapauttavat lopputuotteita ympäristöön. Kehossa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden kokonaisuutta kutsutaan aineenvaihdunnaksi tai aineenvaihdunnaksi. Prosessien yleisestä suunnasta riippuen erotetaan katabolismi ja anabolismi.

Katabolismi (dissimilaatio) on joukko reaktioita, jotka johtavat yksinkertaisten yhdisteiden muodostumiseen monimutkaisemmista yhdisteistä. Katabolisia reaktioita ovat esimerkiksi polymeerien hydrolyysireaktiot monomeereiksi ja jälkimmäisten hajoaminen hiilidioksidiksi, vedeksi, ammoniakiksi eli energia-aineenvaihduntareaktiot, joissa orgaaniset aineet hapetetaan ja ATP syntetisoituu. Anabolia (assimilaatio) on joukko reaktioita monimutkaisten orgaanisten aineiden syntetisoimiseksi yksinkertaisemmista. Näitä ovat esimerkiksi typen kiinnitys ja proteiinien biosynteesi, hiilihydraattien synteesi hiilidioksidista ja vedestä fotosynteesin aikana, polysakkaridien, lipidien, nukleotidien, DNA:n, RNA:n ja muiden aineiden synteesi. Aineiden synteesiä elävien organismien soluissa kutsutaan usein muovinvaihdoksi, ja aineiden hajoamista ja niiden hapettumista, johon liittyy ATP:n synteesi, kutsutaan energia-aineenvaihdunnaksi. Molemmat aineenvaihduntatyypit muodostavat perustan minkä tahansa solun ja siten minkä tahansa organismin elintärkeälle toiminnalle, ja ne liittyvät läheisesti toisiinsa. Anabolismin ja katabolismin prosessit ovat kehossa dynaamisen tasapainon tilassa tai jonkin niistä tilapäisesti vallitsevassa tilassa. Anabolisten prosessien ylivalta katabolisiin nähden johtaa kasvuun, kudosmassan kertymiseen ja katabolisten - kudosrakenteiden osittaiseen tuhoutumiseen, energian vapautumiseen. Anabolismin ja katabolian tasapaino- tai epätasapainosuhde riippuu iästä. Lapsuudessa anabolismiprosessit vallitsevat ja seniili-iässä - katabolismi. Aikuisilla nämä prosessit ovat tasapainossa. Niiden suhde riippuu myös henkilön terveydentilasta, fyysisestä tai psykoemotionaalisesta toiminnasta.

82. Avointen termodynaamisten järjestelmien entropia, Prigoginen yhtälö.

Entropia on vapaan energian häviämisen mitta, joten mikä tahansa avoin t/d-järjestelmä paikallaan olevassa tilassa pyrkii minimoimaan vapaan energian häviämisen. Jos järjestelmä jostain syystä poikkesi stationaarisesta tilasta, niin minimientropiaan pyrkivän järjestelmän johdosta siinä tapahtuu sisäisiä muutoksia, jotka palauttavat sen stationääritilaan. Avoin järjestelmä, termodynaaminen järjestelmä, joka pystyy vaihtamaan ainetta ja energiaa ympäristön kanssa. Avoimessa järjestelmässä lämpöä virtaa sekä järjestelmästä että siihen.

Postulaatti I.R. Prigogine on, että avoimen järjestelmän entropian dS kokonaismuutos voi tapahtua itsenäisesti joko ulkoisen ympäristön kanssa tapahtuvista vaihtoprosesseista (deS) tai sisäisistä palautumattomista prosesseista (diS): dS = des + diS. Prigoginen lause. Kiinteillä ulkoisilla parametreilla olevissa stationääritiloissa entropian tuottonopeus avoimessa järjestelmässä palautumattomien prosessien esiintymisen vuoksi on ajallisesti vakio ja kooltaan minimaalinen. diS / dt min.

Fotosynteesiin kykenemättömät solut (esimerkiksi ihmisillä) saavat energiaa ruoasta, joka on joko fotosynteesin tuloksena syntyneiden kasvien biomassaa tai muiden kasveja syövien elävien olentojen biomassaa tai minkä tahansa elävien organismien jäänteitä.

Ravinteet (proteiinit, rasvat ja hiilihydraatit) muunnetaan eläinsolussa rajoitetuksi joukoksi pienimolekyylisiä yhdisteitä - hiiliatomeista koostuvia orgaanisia happoja, jotka hapetetaan hiilidioksidiksi ja vedeksi erityisillä molekyylimekanismeilla. Tämä vapauttaa energiaa, se kerääntyy sähkökemiallisen potentiaalieron muodossa kalvoille ja sitä käytetään ATP:n syntetisoimiseen tai suoraan tietyntyyppisten töiden suorittamiseen.

Eläinsolun energian muuntamisen ongelmien tutkimisen historia, kuten fotosynteesin historia, ulottuu yli kahden vuosisadan taakse.

Aerobisissa organismeissa orgaanisten happojen hiiliatomien hapettuminen hiilidioksidiksi ja vedeksi tapahtuu hapen avulla, ja sitä kutsutaan solunsisäiseksi hengitykseksi, joka tapahtuu erikoistuneissa hiukkasissa - mitokondrioissa. Hapetusenergian muutoksen suorittavat entsyymit, jotka sijaitsevat tiukassa järjestyksessä mitokondrioiden sisäkalvoissa. Nämä entsyymit muodostavat ns. hengitysketjun ja toimivat generaattoreina luoden eron kalvon sähkökemiallisiin potentiaaliin, minkä ansiosta ATP syntetisoituu, aivan kuten fotosynteesin aikana tapahtuu.

Sekä hengityksen että fotosynteesin päätehtävänä on ylläpitää ATP / ADP-suhdetta tietyllä tasolla, kaukana termodynaamisesta tasapainosta, mikä mahdollistaa ATP:n toimimisen energian luovuttajana ja muuttaa niiden reaktioiden tasapainoa, joihin se osallistuu.

Elävien solujen pääenergia-asemat ovat mitokondriot - solunsisäiset hiukkaset, joiden koko on 0,1-10 μ, peitetty kahdella kalvolla. Mitokondrioissa ruoan hapettumisen vapaa energia muunnetaan ATP:n vapaaksi energiaksi. Kun ATP yhdistyy veteen, vapautuu reaktanttien normaaleissa pitoisuuksissa luokkaa 10 kcal/mol vapaata energiaa.

Epäorgaanisessa luonnossa vedyn ja hapen seosta kutsutaan "räjähdysmäiseksi": pieni kipinä riittää aiheuttamaan räjähdyksen - hetkellisen veden muodostumisen, jossa vapautuu valtavasti energiaa lämmön muodossa. Hengitysketjun entsyymien tehtävänä on tuottaa "räjähdys" niin, että vapautunut energia varastoituu ATP:n synteesiin sopivaan muotoon. Mitä he tekevät: siirtävät elektroneja järjestelmällisesti komponentista toiseen (lopuksi happeen), alentaen vähitellen vedyn potentiaalia ja varastoimalla energiaa.

Seuraavat kuvat osoittavat tämän työn laajuuden. Keskipitkän ja -painoisen aikuisen ihmisen mitokondriot pumppaavat noin 500 g vetyioneja päivässä kalvojensa läpi muodostaen kalvopotentiaalin. Samaan aikaan H + -ATP -syntaasi tuottaa noin 40 kg ATP:tä ADP:stä ja fosfaatista, ja ATP:tä käyttävät prosessit hydrolysoivat koko ATP-massan takaisin ADP:ksi ja fosfaatiksi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että mitokondriokalvo toimii jännitemuuntajana. Jos siirrät substraatin elektronit NADH:sta suoraan hapelle kalvon läpi, potentiaaliero on noin 1 V. Mutta biologiset kalvot - kaksikerroksiset fosfolipidikalvot eivät kestä tällaista eroa - tapahtuu hajoaminen. Lisäksi ATP:n tuottamiseen ADP:stä, fosfaatista ja vedestä tarvitaan vain 0,25 V, mikä tarkoittaa, että tarvitaan jännitemuuntaja. Ja kauan ennen ihmisen tuloa solut "keksivät" tällaisen molekyylilaitteen. Sen avulla voit lisätä virtaa neljä kertaa ja jokaisen substraatista happeen siirretyn elektronin energian vuoksi siirtää neljä protonia kalvon läpi hengitysketjun molekyylikomponenttien välisen tiukasti koordinoidun kemiallisten reaktioiden sarjan vuoksi.

Joten kaksi päätapaa tuottaa ja regeneroida ATP:tä elävissä soluissa: oksidatiivinen fosforylaatio (hengitys) ja fotofosforylaatio (valon absorptio), vaikka niitä tukevat erilaiset ulkoiset energialähteet, molemmat riippuvat kalvoihin upotettujen katalyyttisten entsyymien ketjujen toiminnasta. : mitokondrioiden sisäiset kalvot, kloroplastien tylakoidikalvot tai joidenkin bakteerien plasmakalvot.

ORGAANISTEN AINEIDEN HAPETTUMISESTA SYNTYVÄ SOLUENERGIA

muunnos Luomu aineet häkissä. Orgaaniset aineet (hiilihydraatit, rasvat, proteiinit, vitamiinit jne.) muodostuvat kasvisoluissa hiilidioksidista, vedestä ja kivennäissuoloista.

Syömällä kasveja eläimet saavat orgaanista ainesta valmiissa muodossa. Näihin aineisiin varastoitunut energia kulkee niiden mukana heterotrofisten organismien soluihin.

Heterotrofisten organismien soluissa orgaanisten yhdisteiden energia muuttuu niiden hapettumisen aikana energiaa ATP. Samaan aikaan heterotrofiset organismit vapauttavat hiilidioksidia ja vettä, joita autotrofiset organismit taas käyttävät fotosynteesiprosessiin.

ATP:hen varastoitunut energia kuluu kaikkien elinprosessien ylläpitoon: proteiinien ja muiden orgaanisten yhdisteiden biosynteesiin, liikkumiseen, kasvuun ja solujen jakautumiseen.

Kaikilla elävien organismien soluilla on kyky muuntaa yhtä energiamuotoa toiseksi. Missä soluorganelleissa orgaanisiin yhdisteisiin varastoidun energian uuttamisprosessit suoritetaan? Todettiin, että glukoosimolekyylien hajoamisen ja hapettumisen viimeinen vaihe hiilidioksidiksi energian vapautuessa tapahtuu mitokondrioissa.

Miksi orgaanisten yhdisteiden hapettuessa vapautuu energiaa? Orgaanisten yhdisteiden molekyyleissä olevilla elektroneilla on suuri energiavarasto, ne on ikään kuin nostettu niissä korkealle energiatasolle. Energiaa vapautuu, kun elektronit siirtyvät korkealta tasolta alemmalle tasolle omassa tai toisessa molekyylissä tai atomissa, joka kykenee olemaan elektroninieluja.

Happi toimii tällaisena elektronivastaanottimena.

Tämä on sen tärkein biologinen rooli. Tätä varten tarvitsemme happea ilmassa.

Puhuttaessa fotosynteesistä, vertasimme valon virittämään klorofyllin elektronia korkealle kohotettuun kiveen: putoamalla korkealta, se menettää energiaa. Tällainen vertailu on sopiva myös orgaanisten yhdisteiden hapettumisen tapauksessa.

Hapetusprosesseihin tarvittava happi pääsee kehoon hengityksen aikana. Siksi hengitysprosessi liittyy suoraan biologiseen hapettumiseen. Orgaanisten aineiden biologisen hapettumisen prosessit suoritetaan mitokondrioissa.

Tiedetään, että hiilidioksidia ja vettä muodostuu orgaanisten aineiden palaessa. Tässä tapauksessa energiaa vapautuu lämmön muodossa. Joten lisäämällä happea ja hapettamalla esimerkiksi polttopuuta, öljyä, kaasua (metaani) palaa.

Orgaanisten aineiden hapettumiseen liittyy myös hiilidioksidin ja veden muodostumista. Mutta biologinen hapettuminen eroaa pohjimmiltaan palamisesta. Biologisen hapettumisen prosessit etenevät vaiheittain useiden entsyymien osallistuessa. Orgaanisten aineiden palamisen aikana lähes kaikki energia vapautuu lämmön muodossa.

Biologisen hapettumisen aikana noin 50 % orgaanisten aineiden energiasta muuttuu ATP:n sekä muiden energian kantajamolekyylien energiaksi. Loput 50 % hapetusenergiasta muunnetaan lämmöksi. Koska entsymaattiset hapetusprosessit etenevät vaiheittain, lämpöenergiaa vapautuu vähitellen ja sillä on aikaa haihtua ulkoiseen ympäristöön vahingoittamatta lämpöherkkiä proteiineja ja muita solun aineita. Tämä on tärkein ero elävissä organismeissa tapahtuvien hapettumisprosessien ja palamisen välillä.