حيث يتم إنتاج الطاقة الخلوية. تبادل الطاقة في الخلية. طرق الحصول على الطاقة في الخلية

طاقة الخلية الحية

العمليات الرئيسية التي تحدد الفرق بين الطبيعة الحية وغير الحية تحدث على المستوى الخلوي. تلعب حركة الإلكترونات دورًا حاسمًا في تحويل ونقل الطاقة داخل الخلية الحية. لكن الطاقة لا تنشأ بأي حال من الأحوال داخل الخلايا نفسها: فهي تأتي من الخارج. تعمل الآليات الجزيئية الخاصة على إبطاء حركتها عشرات الآلاف من المرات فقط، مما يسمح للجزيئات الأخرى باستخدام هذه الطاقة جزئيًا عند أداء عمل مفيد للخلية. تهرب الطاقة غير المنفقة إلى البيئة الخارجية على شكل حرارة. تاتيانا فاسيليفنا بوتابوفا، باحثة رائدة في معهد أبحاث الفيزياء والبيولوجيا الكيميائية الذي يحمل اسم. أ.ن. بيلوزيرسكي، دكتوراه في العلوم البيولوجية.

أطفال الشمس

الكون مملوء بالطاقة، لكن أنواعًا قليلة منها فقط مناسبة للكائنات الحية. المصدر الرئيسي للطاقة للغالبية العظمى من العمليات البيولوجية على كوكبنا هو ضوء الشمس.

الخلية هي الوحدة الأساسية للحياة، وهي تعمل بشكل مستمر على الحفاظ على بنيتها، ولذلك تحتاج إلى إمداد مستمر بالطاقة الحرة. من الناحية التكنولوجية، ليس من السهل حل مثل هذه المشكلة، لأن الخلية الحية يجب أن تستخدم الطاقة عند درجة حرارة ثابتة (ومنخفضة إلى حد ما) في بيئة مائية مخففة. في سياق التطور، على مدى مئات الملايين من السنين، تم تشكيل آليات جزيئية أنيقة ومثالية يمكنها العمل بفعالية غير عادية في ظل ظروف معتدلة للغاية. ونتيجة لذلك، فإن كفاءة الطاقة الخلوية أعلى بكثير من كفاءة أي أجهزة هندسية اخترعها الإنسان.

محولات الطاقة الخلوية عبارة عن مجمعات من بروتينات خاصة مدمجة في الأغشية البيولوجية. بغض النظر عما إذا كانت الطاقة الحرة تدخل الخلية من الخارج مباشرة مع الكميات الخفيفة (في عملية التمثيل الضوئي) أو نتيجة لأكسدة المنتجات الغذائية مع الأكسجين الجوي (في عملية التنفس)، فإنها تؤدي إلى حركة الإلكترونات. ونتيجة لذلك، يتم إنتاج جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ويزداد فرق الجهد الكهروكيميائي عبر الأغشية البيولوجية.

يعد ATP وإمكانات الغشاء مصدرين ثابتين نسبيًا للطاقة لجميع أنواع العمل داخل الخلايا. دعونا نتذكر أن جزيء الأدينوزين ثلاثي الفوسفات يعد اكتسابًا تطوريًا قيمًا للغاية. يتم تخزين الطاقة المستخرجة من مصدر خارجي على شكل "روابط عالية الطاقة" بين مجموعات الفوسفات. يتبرع ATP بسهولة بمجموعات الفوسفات الخاصة به إما إلى الماء أو إلى جزيئات أخرى، لذلك فهو وسيط لا غنى عنه لنقل الطاقة الكيميائية.

الظواهر الكهربائية

في الطاقة الخلوية

ظلت الآلية التي يتم بها إنشاء ATP لغزا لسنوات عديدة حتى تم اكتشاف أن العملية كانت كهربائية في الأساس. في كلتا الحالتين: بالنسبة للسلسلة التنفسية (مجموعة من البروتينات التي تقوم بأكسدة الركائز بالأكسجين) وبالنسبة لسلسلة التمثيل الضوئي المماثلة، يتم إنشاء تيار بروتوني عبر الغشاء الذي تنغمس فيه البروتينات. توفر التيارات الطاقة اللازمة لتخليق ATP وتعمل أيضًا كمصدر للطاقة لبعض أنواع العمل. في الطاقة الحيوية الحديثة، من الشائع اعتبار ATP وتيار البروتون (بشكل أكثر دقة، إمكانات البروتون) كعملات طاقة بديلة وقابلة للتحويل بشكل متبادل. يتم الدفع مقابل بعض الوظائف بعملة واحدة، والبعض الآخر بعملة أخرى.

© تي في. بوتابوفا

بحلول منتصف القرن العشرين. كان علماء الكيمياء الحيوية على يقين من أن الإلكترونات في البكتيريا والميتوكوندريا تنتقل من الركائز المختزلة إلى الأكسجين عبر سلسلة من حاملات الإلكترون تسمى السلسلة التنفسية. كان اللغز هو كيفية اقتران نقل الإلكترون وتخليق ATP. ولأكثر من 10 سنوات، اندلع الأمل في اكتشاف السر وتلاشى مرة أخرى. ولم يتم لعب الدور الحاسم من خلال التغلب على الصعوبات التقنية، بل من خلال التطوير المفاهيمي. تبين أن الاقتران، من حيث المبدأ، ليس كيميائيًا، بل كهربائيًا. في عام 1961، نشر العالم الإنجليزي ب. ميتشل في مجلة نيتشر فكرة جذرية لحل اللغز الكيميائي الحيوي لهذا القرن: فرضية التناضح الكيميائي. كانت فكرة ميتشل بمثابة نقلة نوعية ثورية حقيقية، وتحول في الإطار المفاهيمي، وأثارت في البداية جدلاً ساخنًا.

في عام 1966، كتب ميتشل كتابه الأول بعنوان "الاقتران الكيميائي في الفسفرة التأكسدية والتمثيل الضوئي". وفي العام نفسه، اكتشف العلماء الروس، عالم الفيزياء الحيوية إي. ليبرمان وعالم الكيمياء الحيوية ف. سكولاتشيف، كيفية تأكيد صحة ميتشل تجريبيًا. باستخدام الأيونات الاصطناعية التي تخترق الغشاء البيولوجي، أظهروا أن التنفس والتفسفر يقترنان بالفعل من خلال إمكانات البروتون. خطوة جادة أخرى لدعم ميتشل اتخذها علماء الفيزياء الحيوية من كلية الأحياء بجامعة موسكو الحكومية أ. بوليتشيف، ف. أندريانوف، ج. كوريلا، ف. ليتفين. وباستخدام الأقطاب الكهربائية الدقيقة، سجلوا تكوين فرق الجهد الكهربائي عبر الغشاء عندما تم إضاءة البلاستيدات الخضراء الكبيرة.

وبعد بضع سنوات أخرى من النقاش والاختبارات الدقيقة في مختبرات مختلفة حول العالم، تم الاعتراف بأفكار ميتشل أخيرًا. تم قبوله في الجمعية الملكية لبريطانيا العظمى (وبالتالي أصبح سيدي)، وحصل على العديد من الجوائز الدولية المرموقة، وفي عام 1978 حصل على جائزة نوبل، والتي، خلافًا للتقاليد، مُنحت هذه المرة ليس لاكتشافه. ظاهرة جديدة، ولكن لتخمين وجودها.

تبين أن سلسلة نقل الإلكترون ليست متصلة فقط بالغشاء، ولكنها منسوجة فيه بطريقة تجعله عندما ينتقل الإلكترون من الركيزة إلى الأكسجين، فإنه

ننتقل من السطح الداخلي إلى الخارج. يشكل الغشاء فقاعة مغلقة لا تسمح للبروتونات بالمرور، ونتيجة لذلك، نتيجة "ضخ" البروتونات، يتولد فرق محتمل عبر الغشاء: سلبية كهربائية في الداخل. وفي الوقت نفسه، يزداد الرقم الهيدروجيني: تصبح البيئة داخل الفقاعة قلوية. تتمتع البروتونات الموجودة في الخارج بإمكانات كهروكيميائية أعلى بكثير مما هي عليه في الداخل، كما لو كانت تحت "ضغط" من كل من الجهد الكهربائي وتدرج الأس الهيدروجيني، مما يدفع البروتونات مرة أخرى عبر الغشاء إلى الحويصلة. تستخدم الخلية الحية طاقة هذه البروتونات لأداء أنواع مختلفة من العمل.

لقد أتاحت التطورات المذهلة في التحليل الهيكلي للبروتينات بالأشعة السينية رؤية الهياكل المكانية الكاملة لمجمعات البروتين الفردية التي تشكل السلسلة التنفسية. بروتينات سلسلة نقل الإلكترون، المترجمة في أغشية الميتوكوندريا، قادرة على تغيير طيف الامتصاص، واستقبال الإلكترونات والتبرع بها. تتيح الطرق الدقيقة الطيفية تتبع تسلسل نقل الإلكترون على طول سلسلة من البروتينات ومعرفة المكان الدقيق الذي يتم فيه استخدام جزء من الطاقة الحرة للإلكترونات لتخليق ATP.

وفقا لفكرة ميتشل، يتم استخدام الطاقة الكهربائية لتصنيع ATP من ADP والفوسفات في أغشية الميتوكوندريا. لذلك، إذا تمت إزالة فرق الجهد عبر الغشاء، فيمكن الافتراض أن عملية التوليف ستتوقف. هذا هو التأثير الذي تم إثباته في التجارب على الأغشية الاصطناعية باستخدام الأيونات المركبة خصيصًا والتي تزيد بشكل حاد من موصلية الأغشية للبروتونات. 1

تم الحصول على بعض الأدلة التجريبية الأولى على صحة فرضية ميتشل في بلادنا في | 1970 تحت قيادة إ. ليبرمان* وف.ب. سكولاشيفا. كمؤشرات لتغيرات المجال الكهربائي على الغشاء I تم استخدام الأيونات الاصطناعية التي تختلف في طبيعتها وإشارة شحنتها ولكنها تتشابه في شيء واحد: | جميعها تخترق غشاء الفسفوليبيد بسهولة وبعد محاولات عديدة = النموذج التجريبي الأنيق التالي ظهرت.

يتم إحضار قطرة من الدهون الفوسفاتية المذابة في مذيب عضوي إلى ثقب صغير في صفيحة تفلون، ويتم إغلاقها على الفور بفيلم ثنائي الجزيئات مسطح - غشاء صناعي. يتم غمر صفيحة تفلون ذات غشاء صناعي في وعاء به محلول إلكتروليت، وتقسيمها إلى جزأين مع قطب قياس خاص بها في كل منهما. كل ما تبقى هو تضمين بروتين قادر على توليد الكهرباء في الغشاء الاصطناعي، وإضافة أيونات مخترقة إلى المنحل بالكهرباء. ومن ثم فإن تشغيل مولد البروتين، الذي يغير فرق الجهد على الغشاء، سيؤدي إلى حركة الأيونات المخترقة عبر طبقة الفسفوليبيد، والتي سيتم تسجيلها كتغير في فرق الجهد بين الحجيرات.

تم تطوير نموذج تجريبي أكثر إقناعًا، يسمح بقياسات مباشرة للتيار الكهربائي الناتج عن العضيات الخلوية والبروتينات الفردية، واستخدمه بنجاح من قبل L.A. دراشيف، أ.أ. كولين وف.ب. سكولاشيف. أُجبرت الجسيمات المولدة للتيار الكهربائي (الميتوكوندريا، أو الكروماتوفور البكتيري، أو الحويصلات الدهنية التي تحتوي على بروتينات فردية) على الالتصاق بغشاء صناعي مسطح. تم بعد ذلك اكتشاف تيار البروتون الناتج عن جزيئات المولد استجابة لوميض الضوء أو إضافة ركائز كيميائية مناسبة مباشرة عن طريق قياس الأقطاب الكهربائية على جانبي الغشاء الاصطناعي.

في عام 1973، U. Stockenius و D. Osterhelt

0 من الولايات المتحدة الأمريكية اكتشف بروتينًا غير عادي يستشعر الضوء في أغشية البنفسج-j: البكتيريا التي تعيش في البحيرات المالحة

1 رخ من صحاري كاليفورنيا. يحتوي هذا البروتين، مثل الصباغ البصري لعين الحيوان - رودوبسين، على مشتق من فيتامين أ - الشبكية، والذي سمي باسم بكتيريا رودوبسين. أظهر العالمان الأمريكيان راكر وستوكينيوس بشكل رائع مشاركة البكتريودوبسين في اقتران الطاقة. "من خلال الجمع بين بروتين استشعار الضوء المكتشف حديثًا للبكتيريا البنفسجية مع سينسيز ATP في نموذج غشاء فسفوليبيد، حصلوا على مجموعة جزيئية قادرة على تصنيع ATP عند تشغيل الضوء.

في نهاية عام 1973، الأكاديمي يو. نظم أوفتشينيكوف مشروع رودوبسين لإجراء دراسة مقارنة للأصباغ الحساسة للضوء لدى الحيوانات والبكتيريا. كجزء من المشروع في مختبر V.P. Skulachev في جامعة موسكو الحكومية، في تجارب نموذجية على الأغشية الاصطناعية، ثبت أن البكتيريا رودوبسين هي مولد بروتين للتيار الكهربائي. مدمج

الشرط الأساسي لوجود أي كائن حي هو التدفق المستمر للعناصر الغذائية والإفراج المستمر عن المنتجات النهائية للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا. تستخدم الكائنات الحية العناصر الغذائية كمصدر لذرات العناصر الكيميائية (ذرات الكربون في المقام الأول)، والتي يتم بناء أو تجديد جميع الهياكل منها. بالإضافة إلى العناصر الغذائية، يتلقى الجسم أيضًا الماء والأكسجين والأملاح المعدنية. يتم تقسيم المواد العضوية التي تدخل الخلايا (أو يتم تصنيعها أثناء عملية التمثيل الضوئي) إلى وحدات بناء - مونومرات وإرسالها إلى جميع خلايا الجسم. يتم إنفاق بعض جزيئات هذه المواد على تخليق مواد عضوية محددة متأصلة في كائن معين. تقوم الخلايا بتصنيع البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية وغيرها من المواد التي تؤدي وظائف مختلفة (البناء، والتحفيز، والتنظيم، والحماية، وما إلى ذلك). جزء آخر من المركبات العضوية منخفضة الجزيئات التي تدخل الخلايا يذهب إلى تكوين ATP، والتي تحتوي جزيئاتها على طاقة مخصصة مباشرة لأداء العمل. الطاقة ضرورية لتخليق جميع المواد المحددة في الجسم، والحفاظ على تنظيمه المنظم للغاية، والنقل النشط للمواد داخل الخلايا، من خلية إلى أخرى، من جزء من الجسم إلى آخر، لنقل النبضات العصبية، حركة الكائنات الحية، والحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة (في الطيور والثدييات) ولأغراض أخرى. أثناء تحويل المواد في الخلايا، يتم تشكيل المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي، والتي يمكن أن تكون سامة للجسم ويتم إزالتها منه (على سبيل المثال، الأمونيا). وهكذا، فإن جميع الكائنات الحية تستهلك باستمرار مواد معينة من البيئة، وتحولها وتطلق المنتجات النهائية في البيئة. تسمى مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الجسم بعملية التمثيل الغذائي أو التمثيل الغذائي. اعتمادا على الاتجاه العام للعمليات، يتم التمييز بين الهدم والابتنائية.

الهدم (الاستبعاد) هو مجموعة من التفاعلات التي تؤدي إلى تكوين مركبات بسيطة من مركبات أكثر تعقيدًا. تشمل التفاعلات التقويضية، على سبيل المثال، تفاعلات التحلل المائي للبوليمرات إلى المونومرات وتحلل الأخير إلى ثاني أكسيد الكربون والماء والأمونيا، أي تفاعلات تبادل الطاقة التي يحدث خلالها أكسدة المواد العضوية وتخليق ATP. الابتنائية (الاستيعاب) هي مجموعة من التفاعلات لتخليق المواد العضوية المعقدة من المواد الأبسط. وهذا يشمل، على سبيل المثال، تثبيت النيتروجين والتخليق الحيوي للبروتين، وتخليق الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون والماء أثناء عملية التمثيل الضوئي، وتخليق السكريات والدهون والنيوكليوتيدات والحمض النووي والحمض النووي الريبي (RNA) ومواد أخرى. غالبًا ما يشار إلى تخليق المواد في خلايا الكائنات الحية باسم استقلاب البلاستيك، ويسمى تحلل المواد وأكسدتها، المصحوب بتخليق ATP، باستقلاب الطاقة. يشكل كلا النوعين من التمثيل الغذائي أساس النشاط الحيوي لأي خلية، وبالتالي أي كائن حي، ويرتبطان ارتباطًا وثيقًا ببعضهما البعض. تكون عمليتا الابتنائية والتقويض في الجسم في حالة توازن ديناميكي أو هيمنة مؤقتة لأحدهما. تؤدي غلبة العمليات الابتنائية على العمليات التقويضية إلى نمو وتراكم كتلة الأنسجة، وتؤدي العمليات التقويضية إلى تدمير جزئي لهياكل الأنسجة وإطلاق الطاقة. حالة التوازن أو نسبة عدم التوازن في الابتنائية والتقويض تعتمد على العمر. في مرحلة الطفولة، تسود عمليات الابتنائية، وفي الشيخوخة - تقويض. عند البالغين، تكون هذه العمليات متوازنة. وتعتمد نسبتهم أيضًا على الحالة الصحية والأنشطة الجسدية أو النفسية والعاطفية التي يقوم بها الشخص.

82. إنتروبيا الأنظمة الديناميكية الحرارية المفتوحة، معادلة بريجوجين.

الإنتروبيا هي مقياس لتبديد الطاقة الحرة، وبالتالي فإن أي نظام t/d مفتوح في حالة ثابتة يميل إلى تقليل تبديد الطاقة الحرة. إذا انحرف النظام عن الحالة الثابتة لأسباب ما، فنتيجة لرغبة النظام في الحد الأدنى من الإنتروبيا، تنشأ تغييرات داخلية فيه، مما يعيده إلى الحالة الثابتة. نظام مفتوح، ديناميكي حراري. نظام قادر على تبادل المادة والطاقة مع بيئته. في النظام المفتوح، من الممكن أن تتدفق الحرارة من وإلى النظام.

مسلمة I.R. Prigogine هو أن التغيير الشامل في الإنتروبيا dS لنظام مفتوح يمكن أن يحدث بشكل مستقل إما بسبب عمليات التبادل مع البيئة الخارجية (deS) أو بسبب العمليات الداخلية التي لا رجعة فيها (diS): dS = deS + diS. نظرية بريجوجين. في الحالات الثابتة ذات المعلمات الخارجية الثابتة، يتم تحديد معدل إنتاج الإنتروبيا في نظام مفتوح من خلال حدوث عمليات لا رجعة فيها، ويكون ثابتًا بمرور الوقت وقيمته ضئيلة. diS / dt  دقيقة.

في التفاعلات الكيميائية، عندما تتشكل الروابط بين الجزيئات البسيطة، يتم استهلاك الطاقة، وعندما يتم كسرها، يتم إطلاق الطاقة.

أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء، تتحول طاقة ضوء الشمس إلى طاقة الروابط الكيميائية التي تنشأ بين جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء. يتكون جزيء الجلوكوز: CO 2 + H 2 O + Q (الطاقة) = C 6 H 12 O 6.

الجلوكوز هو المصدر الرئيسي للطاقة للإنسان ومعظم الحيوانات.

وتسمى عملية استيعاب هذه الطاقة "الفسفرة التأكسدية". يتم استخدام الطاقة (Q) المنطلقة أثناء الأكسدة على الفور في فسفرة حمض الأدينوزين ثنائي فوسفوريك (ADP):

ADP+P+Q (الطاقة)=ATP

اتضح أن "عملة الطاقة العالمية" للخلية هي حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP). يمكن استخدامه في أي وقت لأي عمل مفيد للجسم أو للإحماء.

ATP®ADP+P+Q (الطاقة)

تحدث عملية أكسدة الجلوكوز على مرحلتين.

1. تحدث الأكسدة اللاهوائية (الخالية من الأكسجين)، أو تحلل السكر، على الشبكة الإندوبلازمية الملساء للخلية. نتيجة لذلك، ينقسم الجلوكوز إلى جزأين، وتكون الطاقة المنطلقة كافية لتجميع جزيئين من ATP.

2. الأكسدة الهوائية (الأكسجين). يستمر جزأين من الجلوكوز (جزيئين من حمض البيروفيك) في وجود الأكسجين في سلسلة من التفاعلات المؤكسدة. تحدث هذه المرحلة في الميتوكوندريا وتؤدي إلى مزيد من انهيار الجزيئات وإطلاق الطاقة.

نتيجة المرحلة الثانية من أكسدة جزيء الجلوكوز الواحد هو تكوين 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون و 6 جزيئات من الماء والطاقة، وهو ما يكفي لتخليق 36 جزيء من ATP.

ليس فقط الجزيئات التي يتم الحصول عليها من الجلوكوز، ولكن أيضًا الجزيئات التي يتم الحصول عليها نتيجة أكسدة الدهون والبروتينات والكحوليات وغيرها من المركبات كثيفة الاستهلاك للطاقة يمكن استخدامها كركائز للأكسدة في المرحلة الثانية.

الشكل النشط لحمض الأسيتيك - A-CoA (أسيتيل أنزيم أ، أو أنزيم أسيتيل أ) هو منتج وسيط لأكسدة كل هذه المواد (الجلوكوز والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية وغيرها).

A-CoA هي نقطة التقاطع بين استقلاب الكربوهيدرات والبروتين والدهون.

مع وجود فائض من الجلوكوز والركائز الأخرى الحاملة للطاقة، يبدأ الجسم في إيداعها. في هذه الحالة، يتأكسد الجلوكوز على طول المسار المعتاد إلى حمض اللاكتيك والبيروفيك، ثم إلى A-CoA. علاوة على ذلك، يصبح A-CoA الأساس لتخليق جزيئات الأحماض الدهنية والدهون، التي تترسب في الأنسجة الدهنية تحت الجلد. على العكس من ذلك، عندما يكون هناك نقص في الجلوكوز، يتم تصنيعه من البروتينات والدهون من خلال A-CoA (تكوين السكر).

إذا لزم الأمر، يمكن تجديد احتياطيات الأحماض الأمينية غير الأساسية لبناء بروتينات معينة.

تحصل الخلايا غير القادرة على عملية التمثيل الضوئي (على سبيل المثال، البشر) على الطاقة من الغذاء، وهو إما الكتلة الحيوية النباتية التي تم إنشاؤها نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، أو الكتلة الحيوية للكائنات الحية الأخرى التي تتغذى على النباتات، أو بقايا أي كائنات حية.

يتم تحويل العناصر الغذائية (البروتينات والدهون والكربوهيدرات) بواسطة الخلية الحيوانية إلى مجموعة محدودة من المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض - وهي أحماض عضوية مبنية من ذرات الكربون، والتي تتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام آليات جزيئية خاصة. في هذه الحالة، يتم إطلاق الطاقة، وتتراكم في شكل فرق جهد كهروكيميائي على الأغشية وتستخدم لتخليق ATP أو مباشرة لأداء أنواع معينة من العمل.

إن تاريخ دراسة مشاكل تحويل الطاقة في الخلية الحيوانية، مثل تاريخ عملية البناء الضوئي، يعود إلى أكثر من قرنين من الزمن.

في الكائنات الهوائية، تحدث أكسدة ذرات الكربون من الأحماض العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء بمساعدة الأكسجين وتسمى التنفس داخل الخلايا، والذي يحدث في جزيئات متخصصة - الميتوكوندريا. يتم تحويل طاقة الأكسدة بواسطة إنزيمات موجودة بترتيب صارم في الأغشية الداخلية للميتوكوندريا. تشكل هذه الإنزيمات ما يسمى بالسلسلة التنفسية وتعمل كمولدات، مما يخلق فرق جهد كهروكيميائي عبر الغشاء، والذي يتم من خلاله تصنيع ATP، على غرار ما يحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي.

تتمثل المهمة الرئيسية لكل من التنفس والتمثيل الضوئي في الحفاظ على نسبة ATP/ADP عند مستوى معين، بعيدًا عن التوازن الديناميكي الحراري، مما يسمح لـ ATP بالعمل كمتبرع للطاقة، مما يؤدي إلى تغيير توازن التفاعلات التي يشارك فيها.

محطات الطاقة الرئيسية للخلايا الحية هي الميتوكوندريا - جزيئات داخل الخلايا بحجم 0.1-10μ، مغطاة بغشاءين. في الميتوكوندريا، يتم تحويل الطاقة الحرة الناتجة عن أكسدة الطعام إلى طاقة حرة من ATP. عندما يتحد ATP مع الماء، عند التركيزات الطبيعية للمواد المتفاعلة، يتم إطلاق طاقة حرة تبلغ حوالي 10 كيلو كالوري/مول.

في الطبيعة غير العضوية، يُطلق على خليط الهيدروجين والأكسجين اسم "المتفجرة": شرارة صغيرة تكفي لإحداث انفجار - التكوين الفوري للمياه مع إطلاق كميات كبيرة من الطاقة على شكل حرارة. المهمة التي تؤديها إنزيمات السلسلة التنفسية هي إنتاج "انفجار" بحيث يتم تخزين الطاقة المنطلقة في شكل مناسب لتخليق ATP. ما يفعلونه هو نقل الإلكترونات بطريقة منظمة من مكون إلى آخر (في النهاية إلى الأكسجين)، مما يؤدي تدريجياً إلى خفض إمكانات الهيدروجين وتخزين الطاقة.

وتشير الأشكال التالية إلى حجم هذا العمل. تضخ الميتوكوندريا لدى شخص بالغ متوسط ​​الطول والوزن حوالي 500 جرام من أيونات الهيدروجين يوميًا عبر أغشيتها، مما يشكل جهدًا غشائيًا. خلال نفس الوقت، ينتج سينسيز H + -ATP حوالي 40 كجم من ATP من ADP والفوسفات، وتقوم العمليات التي تستخدم ATP بتحليل كتلة ATP بأكملها مرة أخرى إلى ADP والفوسفات.

أظهرت الأبحاث أن غشاء الميتوكوندريا يعمل كمحول للجهد. إذا تم نقل إلكترونات الركيزة من NADH مباشرة إلى الأكسجين عبر الغشاء، فسينشأ فرق محتمل يبلغ حوالي 1 فولت، لكن الأغشية البيولوجية - أفلام الفوسفوليبيد ثنائية الطبقة لا يمكنها تحمل مثل هذا الاختلاف - يحدث الانهيار. بالإضافة إلى ذلك، لإنتاج ATP من ADP والفوسفات والماء، لا يلزم سوى 0.25 فولت، مما يعني أن هناك حاجة إلى محول جهد. وقبل وقت طويل من ظهور الإنسان، "اخترعت" الخلايا مثل هذا الجهاز الجزيئي. إنه يسمح بمضاعفة التيار أربع مرات، وبسبب طاقة كل إلكترون يتم نقله من الركيزة إلى الأكسجين، لنقل أربعة بروتونات عبر الغشاء بسبب تسلسل منسق بدقة من التفاعلات الكيميائية بين المكونات الجزيئية للسلسلة التنفسية.

لذلك، فإن المسارين الرئيسيين لتوليد وتجديد ATP في الخلايا الحية: الفسفرة التأكسدية (التنفس) والفسفرة الضوئية (امتصاص الضوء) - على الرغم من دعمهما بمصادر طاقة خارجية مختلفة، إلا أن كلاهما يعتمد على عمل سلاسل الإنزيمات الحفزية المغمورة في الأغشية. : الأغشية الداخلية للميتوكوندريا أو أغشية الثايلاكويد للبلاستيدات الخضراء أو الأغشية البلازمية لبعض البكتيريا.

من المستحيل أن نفهم كيف يتم بناء جسم الإنسان و"عمله" دون فهم كيفية حدوث عملية التمثيل الغذائي في الخلية. كل خلية حيةيجب أن تنتج الطاقة باستمرار. فهو يحتاج إلى الطاقة لتوليد الحرارة وتصنيع (إنشاء) بعض المواد الكيميائية الحيوية، مثل البروتينات أو المواد الوراثية. طاقةالخلية تحتاج إليها للتحرك. خلايا الجسم، قادرة على القيام بحركات تسمى العضلات. يمكنهم الانكماش. يؤدي هذا إلى تحريك أذرعنا وأرجلنا وقلبنا وأمعائنا. وأخيرًا، هناك حاجة إلى الطاقة لتوليد تيار كهربائي: فبفضلها، "تتواصل" بعض أجزاء الجسم مع أجزاء أخرى. ويتم الاتصال بينهما في المقام الأول عن طريق الخلايا العصبية.

من أين تحصل الخلايا على الطاقة؟ الجواب هو: يساعدهم اعبي التنس المحترفين. دعني أشرح. تحرق الخلايا العناصر الغذائية، وفي هذه العملية يتم إطلاق كمية معينة من الطاقة. يستخدمونها لتصنيع مادة كيميائية خاصة تخزن الطاقة التي يحتاجون إليها كثيرًا. تسمى هذه المادة أدينوسين ثلاثي الفوسفات(مختصر بـ ATP). عندما يتم تكسير جزيء ATP الموجود في الخلية، يتم تحرير الطاقة المخزنة فيه. وبفضل هذه الطاقة، يمكن للخلية إنتاج الحرارة، أو التيار الكهربائي، أو تصنيع المواد الكيميائية، أو القيام بالحركات. باختصار، اعبي التنس المحترفينينشط "آلية" الخلية بأكملها.

هذا ما تبدو عليه دائرة رقيقة ملونة من الأنسجة المأخوذة تحت المجهر. الغدة النخامية- زائدة دماغية بحجم حبة البازلاء. توجد بقع حمراء وصفراء وزرقاء وأرجوانية وكذلك بقع بلون اللحم الخلايا ذات النوى. يفرز كل نوع من الخلايا النخامية واحدًا أو أكثر من الهرمونات الحيوية.

الآن دعونا نتحدث بمزيد من التفاصيل حول كيفية حصول الخلايا على ATP. نحن نعرف الجواب بالفعل. الخلاياحرق العناصر الغذائية. يمكنهم القيام بذلك بطريقتين. أولا، حرق الكربوهيدرات، وخاصة الجلوكوز، في غياب الأكسجين. وينتج عن ذلك مادة يسميها الكيميائيون حمض البيروفيك، وتسمى عملية تحلل الكربوهيدرات نفسها بتحلل السكر. نتيجة لتحلل السكر، يتم إنتاج كمية قليلة جدًا من الـ ATP: يصاحب انهيار جزيء واحد من الجلوكوز تكوين جزيئين من الـ ATP فقط. إن تحلل السكر غير فعال - فهو أقدم شكل من أشكال استخراج الطاقة. تذكر أن الحياة نشأت في الماء، أي في بيئة يوجد فيها القليل جدًا من الأكسجين.

ثانيًا، خلايا الجسمحرق حمض البيروفيك والدهون والبروتينات في وجود الأكسجين. وجميع هذه المواد تحتوي على الكربون والهيدروجين. في هذه الحالة، يحدث الاحتراق على مرحلتين. أولاً، تستخرج الخلية الهيدروجين، ثم تبدأ على الفور في تحليل إطار الكربون المتبقي والتخلص من ثاني أكسيد الكربون - حيث تطلقه عبر غشاء الخلية. وفي المرحلة الثانية يتم حرق (أكسدة) الهيدروجين المستخرج من العناصر الغذائية. يتكون الماء ويتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. تحتوي الخلايا على ما يكفي منه لتصنيع العديد من جزيئات ATP (على سبيل المثال، أكسدة جزيئين من حمض اللاكتيك، نتيجة اختزال حمض البيروفيك، تنتج 36 جزيء ATP).

يبدو هذا الوصف جافًا ومجردًا. في الواقع، لقد رأى كل واحد منا كيف تحدث عملية توليد الطاقة. تذكر التقارير التلفزيونية من المطارات الفضائية حول إطلاق الصواريخ؟ إنها ترتفع إلى أعلى بسبب الكمية الهائلة من الطاقة المنبعثة أثناء... أكسدة الهيدروجين، أي عند احتراقه في الأكسجين.

تندفع الصواريخ الفضائية التي يبلغ ارتفاعها برجًا نحو السماء بسبب الطاقة الهائلة التي تنطلق عند احتراق الهيدروجين في الأكسجين النقي. نفس هذه الطاقة تحافظ على الحياة في خلايا جسمنا. فقط فيها يتم تفاعل الأكسدة على مراحل. بالإضافة إلى ذلك، بدلاً من الطاقة الحرارية والحركية، تقوم خلايانا أولاً بتكوين الوقود الخلوي" - اعبي التنس المحترفين.

تمتلئ خزانات الوقود الخاصة بهم بالهيدروجين السائل والأكسجين. عندما تعمل المحركات، يبدأ الهيدروجين في الأكسدة ويطير الصاروخ الضخم بسرعة في السماء. ربما يبدو هذا أمرًا لا يصدق، ومع ذلك: نفس الطاقة التي تحمل صاروخًا فضائيًا نحو السماء تدعم أيضًا الحياة في خلايا أجسامنا.

إلا أنه لا يحدث انفجار في الخلايا ولا يخرج منها حزمة من اللهب. وتحدث الأكسدة على مراحل، وبالتالي تتشكل جزيئات ATP بدلًا من الطاقة الحرارية والحركية.