Энергетика клетки

5. Срок действия договора: _______________ ___________________________________

6. Другие условия: __________________________________________________________

 

Юридические адреса сторон:

Университета: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, тел.: (343) 2 54-62-92,

факс: 254- 62- 25

 

Предприятия: _______________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

 

ПОДПИСИ, ПЕЧАТИ:

 

ОТ УНИВЕРСИТЕТА: ОТ ПРЕДПРИЯТИЯ:

 

Проректор

по учебной работе

 

 

Введение

Клетка — основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Для более эффективного существования клетке нужно запасать свободную энергию в каких-то аккумуляторах. Такие аккумуляторы известны - это макроэргические молекулы. Собственно - это такие молекулы, образование которых происходит за счёт энергии какого-то внешнего источника, а дальнейший распад в определённом месте приводит к выделению энергии, которую можно использовать в нужных процессах. Живой клетке постоянно нужна энергия. Большинство из важнейших внутриклеточных химических реакций связаны с энергетикой. Вопросом Энергетики клетки занимался Владимир Петрович Скулачев (1935), президент Российского биохимического общества, директор Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ.

Энергетика клетки

Откуда клетка получает необходимую ей энергию?

 

Основным источником энергии для всех живых существ, населяющих нашу планету, служит энергия солнечного света, которую используют непосредственно только клетки зеленых растений. АТФ и мембранный потенциал — два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы. Самый элементарный источник энергии в организме человека - это вещество, называемое аденозино трифосфат (АТФ). Как свидетельствует из самого названия, трифосфатная часть АТФ состоит из трех фосфатных групп. Когда одна из этих фосфатных групп отщепляется от АТФ, высвобождается энергия, и вещество становится аденозина дифосфатом (АДФ). Эти процессы осуществляются в митохондриях клеток преимущественно в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и при окислительном фосфорилировании. Высвобождение энергии (30, 5 кДж/моль). Трансформация этой энергии происходит на молекулярном уровне с помощью многочисленных ферментов, локализованных в специализированных структурах и прежде всего в биологических мембранах. Тем не менее, запасы АТФ в организме довольно ограничены - около 90г. Этого достаточно для снабжения человека энергией в течение не более 10с.

В то же время гораздо чаще встречаются случаи, когда живая клетка располагает несколькими источниками энергии. Так, животные и некоторые виды бактерий могут использовать для энергообеспечения, как дыхание, так и гликолиз. Глюкоза — один из основных источников энергии для всех клеток. Из глюкозы построены молекулы полисахаридов крахмала (в клетках растений) и гликогена (в клетках животных). При недостаточном поступлении органических веществ в клетки крахмал и гликоген расщепляются ферментами до глюкозы, которая окисляется далее и служит источником энергии. Ферментативное расщепление и окисление глюкозы называют гликолизом. Условно процесс гликолиза можно разбить на три этапа:

1) первый этап проходит в цитоплазме, на внешних мембранах митохондрий. На этом этапе одна шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), и в итоге образуются две молекулы АТФ.

2)второй этап окисления происходит на кристах митохондрий. В результате последовательных ферментативных реакций молекулы ПВК окисляются до CO2 образуются новые молекулы, богатые энергией, а водород переходит в особые молекулы — акцепторы водорода и электронов и носители энергии (это пиридиннуклеотиды НАД, НАДФ).

3)третий этап также протекает на внутренних мембранах митохондрий.

Структуры, обеспечивающие прохождение третьего этапа, называют цепью переноса электронов. Электроны от молекул — носителей энергии с помощью ферментов перемещаются по звеньям цепи с более высокого энергетического уровня на менее высокий. Освобождающаяся при этом энергия аккумулируется в 36 молекулах АТФ. Электроны в конце концов соединяются с кислородом. В цепи переноса электронов кислород — их конечный преемник. Кислород при этом соединяется с водородом и образуется вода.

Аэробный и анаэробный гликолиз. Аэробный гликолиз идет при участии кислорода и проходит все выше названные этапы. За счет выделяемой при этом энергии из одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, коэффициент полезного действия энергетических систем клетки превышает 50%. При анаэробном (бескислородном) гликолизе молекула глюкозы также расщепляется на две молекулы ПВК, однако они в дальнейшем окисляются лишь частично. За счет выделяемой при этом энергии образуются только две молекулы АТФ. КПД анаэробного гликолиза только 5%. Анаэробный гликолиз позволяет клетке и организму выжить в условиях острого дефицита кислорода. Всего в процессе расщепления глюкозы до СО2 и Н2О, синтезируется 38 молекул АТФ. Таким образом, в потенциальную энергию АТФ переходит 1520 кдж (380 ккал). Всего при расщеплении глюкозы (в бескислродную и кислородную стадии) освобождается 2800 кдж (700 ккал). Следовательно, почти 55% всей энергии, освобождаемой при расщеплении глюкозы, сберегается клеткой в форме АТФ. Остальная часть (45%) рассеивается в виде тепла.

Биоэнергетика - научная дисциплина, исследующая энергетические процессы в клетках. В основе биоэнергетики организмов лежат законы термодинамики, одинаковые для живых и неживых систем. Количественной мерой энергетического состояния системы в процессе функционирования служит изменение так называемой свободной энергии. В физико-химических системах это выражается через изменение электрохимического потенциала представляющего собой сумму химической, осмотической и электрической энергии данного типа молекул или ионов в расчете на 1 моль:

, где — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж․моль-¹․К^-1; — число Фарадея. Химическая энергия выражается в виде химического потенциала до реакции и после. Электрическая энергия высвобождается при переносе ионов из области с более высоким потенциалом в область с более низким потенциалом в количестве, равном где — валентность, е — заряд электрона, равный 1,6․10-19 Кл. Проведенные расчеты показывают, что если бы энергия в человеческом организме производилась за счет указанных процессов (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование), то при малой нагрузке энергетический дефицит составлял бы 30-50%, а при большой нагрузке - более 90%. Все биохимические процессы, особенно биохимические процессы в клетке происходят с определенной частотой. Так цикл Кребса - это процесс потребления клеткой кислорода, имеет частоту 450 Гц. Производство АТФ - 104 Гц. Если на клетку воздействовать звуком этих частот, то энергетика клетки повышается. Известно, что все живые клетки, в том числе и человеческий организм, являются источниками электрических и магнитных колебаний в диапазоне частот от долей герца до 10 в 18 степени герц, причем, чем более сложнее строение многоклеточного и многотканевого организма, тем более высок спектр частот электромагнитных полей, излучаемых и воспринимаемых этим организмом.

 

Заключение

АТФ и мембранный потенциал — два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы.

Организму требуется клеточная энергия для обеспечения таких важнейших реакций, как синтез гликогена и протеина внутри мышц, а также многочисленных других биохимических восстановительных реакций.

Каждая живая клетка должна постоянно добывать энергию. Энергия нужна ей, чтобы вырабатывать тепло и создавать жизненно необходимые ей химические вещества, прежде всего белки. Энергия нужна клетке, чтобы выполнять самые разнообразные функции: совершать движение, обеспечивать связь с другими клетками, переносить кислород и многие другие функции, благодаря которым все живые организмы существуют.

Энергетические процессы в клетке находятся под контролем нервной системы, гормонов и других гуморальных факторов. Энергетика клетки - опорные точки влияния нейрогуморальных факторов на ее деятельность. Усиливая, ослабляя, изменяя энергетические превращения, факторы регуляции приспосабливают функции клетки к общим задачам всего организма. Нарушения регуляции этой стороны клеточного обмена нередко становятся причиной ряда грубых нарушений в организме. С возрастом изменяется нейрогуморальная регуляция энергетических процессов.