Принципы получения энергии в живых объектах.

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции.

По способу получения энергии все живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофные организмы необходимый им углерод получают из СО2 атмосферы, из которого строят все углеродсодержащие компоненты. Источником энергии служит солнечный свет, который улавливается в процессе фотосинтеза, поглощается специальными светочувствительными белками (хлорофилл зелёных растений). К автотрофным организмам относятся: зелёные растения, сине-зелёные водоросли, зелёные и пурпурные бактерии.

Автотрофные организмы также используют различные способы получения энергии. По используемому источнику энергии автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы получают энергию для восстановления углекислого газа до органических соединений в виде света (растения и некоторые группы бактерий, прежде всего, цианобактерии). Эти организмы являются основным источником органического вещества в биосфере.

Другая группа автотрофов использует для своей жизнедеятельности энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Их называют хемотрофами. Представителями этой группы являются только бактерии. Каждый вид таких бактерий способен использовать только один источник энергии. Используемые ими вещества должны в достаточных количествах присутствовать в окружающей среде.

Открытие бактериального хемосинтеза принадлежит С.Н. Виноградскому. Он впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых организмов - серо-, железо- и нитрифицирующих бактерий и описал сущность процесса хемосинтеза.

Известны также бактерии-хемосинтетики, способные окислять метан, окись углерода, водород.

Гетеротрофные организмы получают углерод в виде сложных соединений (белков, углеводов, липидов и др.), которые содержатся в пищевых продуктах. Энергию гетеротрофы получают в экзэргонических реакциях, которые происходят в митохондриях. К гетеротрофным организмам относятся животные организмы, в том числе человек. Среди гетеротрофов есть такие, которые нуждаются лишь в одном или нескольких простых органических веществах. Например, пекарские дрожжи могут жить, получая только глюкозу и минеральные соли, а кишечная палочка — только ацетат натрия (соль уксусной кислоты). Другие гетеротрофы не могут образовывать целый ряд необходимых им органических веществ. Например, млекопитающие нуждаются в 10 незаменимых аминокислотах (фен, мет, лей, тре, три, иле, вал, лиз, арг, гис), ряде ненасыщенных жирных кислот и витаминов. В настоящее время гетеротрофы подразделяются на:

- органоавтотрофов (употребляющие органические вещества как источники энергии),

- литогетеротрофов (использующие органические вещества как источники углерода),

- органогетеротрофов (органические вещества служат для них источниками энергии и источниками углерода).

Энергетический обмен также различен у разных групп организмов. Гетеротрофные организмы получают энергию за счет окисления органических веществ, поступающих извне. Хорошим окислителем является молекулярный кислород, при кислородном окислении выделяется много энергии. Однако кислород в силу своей реакционной способности повреждает важные вещества клетки (белки, липиды, ДНК) и поэтому токсичен. По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на:

1. Анаэробы. Они способны жить в отсутствие кислорода, осуществляя реакции внутримолекулярного окисления и восстановления или используя в качестве окислителей другие вещества среды, например нитраты (так называемое нитратное дыхание).

2. Аэробы — большинство ныне живущих гетеротрофных организмов, которые осуществляют энергетический обмен, окисляя органические вещества молекулярным кислородом. В клетках таких организмов обязательно существуют системы защиты от окисления клеточных структур кислородом. Это, во-первых, ферменты, разрушающие активные формы кислорода (супероксиддисмутаза, каталаза), а во-вторых, антиоксиданты — молекулы, которые сами окисляются, нейтрализуя свободные радикалы.

Носители энергии

Макроэргические соединения – это вещества, содержащие богатые энергией связи. Макроэргическая связь обозначается символом ~ (знак «тильда»). Понятие макроэргическая связь довольно условно и применяется для обозначения тех связей, которые гидролизуются в водной среде с выделением значительной энергии. Так, гидролиз концевой фосфоангидридной связи АТФ (АТФ + Н₂О → АДФ + Ф_н), ведет к освобождению 34,5 кДж/моль энергии). Однако, если реакция протекает в неводной среде (например, в липидном слое мембран), то образование и разрушение АТФ протекает без больших затрат энергии.

Вещества, гидролиз которых, приводит к высвобождению более 21 кДж/моль (>5ккал) энергии относят к высокоэнергетическим (макроэргам), а вещества освобождающие меньшие количества энергии - к низкоэнергетическим. К макроэргам относят: АТФ, другие трифосфаты нуклеозидов (ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ), аргининфосфат, креатинфосфат, ацетилфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват и др. К группе высокоэнергетических соединений относятся также тиоэфиры. В то время как высокоэнергетические фосфорные соединения являются, в основном, промежуточными продуктами углеводного обмена, то тиоэфиры — это промежуточные продукты обмена жирных кислот. В природе основным тиосодержащим соединением является кофермент А (HS-CoA).

К низкоэнергетическим - глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат, глицерофосфат и другие (см. таблицу). Уникальная роль АТФ состоит в том, что она имеет промежуточное значение энергии гидролиза и выполняет роль связующего звена (разменной монеты) между высоко- и низкоэнергетическими соединениями.

АТФ с точки зрения химического строения представляет собой адениловый нуклеозид, связанный с тремя остатками фосфорной кислоты. Первый из них (α-остаток) связан сложноэфирной связью с пятым углеродным атомом пентозы. Это обычная связь. Изменение свободной энергии реакции ΔG^о′ не превышает 12,5 кДж/моль, как и у большинства связей в органических соединениях. Второй фосфатный остаток (β) и третий (γ) связаны с α-остатком и друг с другом фосфоангидридными связями, у которых ΔG^о′ (при рН 7, температуре 37^о, концентрации реагентов 1М и избытке Mg²⁺) составляет (-30,6) кДж/моль (макроэргические связи).

Они легко гидролизуются с выделением энергии. В клетке никогда не происходит прямого переноса фосфатных групп от высокоэнергетического к низкоэнергетическому соединению, а также от высокоэнергетического донора фосфатной группы к высокоэнергетическому акцептору или от низкоэнергетического к низкоэнергетическому. Почти все реакции переноса фосфатных групп идут с участием АТФ ↔ АДФ. Таким образом, функция системы АТФ↔АДФ состоит именно в том, что она служит посредником–переносчиком фосфатных групп от высокоэнергетических к низкоэнергетическим фосфатам по схеме:

Фосфоенолпируват +АДФ → АТФ + пируват (фермент - пируваткиназа)

Глюкоза + АТФ → АДФ + глюкозо-6-фосфат (фермент – гексокиназа или глюкокиназа).

Процесс синтеза АТФ из АДФ называется фосфорилированием. Выделяют субстратное и окислительное фосфорилирование. При субстратном фосфорилировании для синтеза АТФ используется энергия непосредственно от окисляемого субстрата (например, отдельные реакции гликолиза). Если на синтез АТФ используется энергия, выделяемая при транспорте е^- в дыхательной (электрон-транспортной) цепи, то такое фосфорилирование называется окислительным.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: