Митохондрия

Митохондриальная ДНК

Основная статья: Митохондриальная ДНК

Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 105 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондриального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с-редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть транспортных РНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.

На этом фоне геном митохондрий растений значительно больше и может достигать 370000 нуклеотидных пар, что примерно в 20 раз больше описанного выше генома митохондрий человека. Количество генов здесь также примерно в 7 раз больше, что сопровождается появлением в митохондриях растений дополнительных путей электронного транспорта, не сопряжённых с синтезом АТФ.

Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, что частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время же клеточного цикла митохондрии делятся надвое путём перетяжки, образование которой начинается с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить то, что в митохондриях животных и грибов нередки отклонения от универсального генетического кода. Так, в митохондриях человека кодон ATA вместо изолейцина в стандартном коде кодирует аминокислоту метионин, кодоны AGA и AGG, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон TGA, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует аминокислоту метионин. Что касается митохондрий растений, то по-видимому, они используют универсальный генетический код. Другой чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК, заключающаяся в том, что одна подобная молекула способна узнавать не один, но сразу три или четыре кодона. Указанная особенность снижает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что митохондрии требуется меньшее разнообразие типов тРНК. При этом достаточным количеством оказываются всего 22 различных тРНК.

Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70S-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

В специализированных (не делящихся) клетках митохондрии обычно не делятся. Обновление пула митохондрий в этом случае происходит путём созревания митохондрий из протомитохондрий, имеющих исходно диаметр 0,1-0,2 микрона. Откуда берутся протомитохондрии неизвестно, но предполагается, что затравкой для них служит ДНК постмитохондрий, высвобождающаяся в цитоплазму. Протомитохондрии обладают высокой скоростью дыхания, но невысоким дыхательным контролем (Векшин Н. Л. и др. 2004—2014).

Митохондрии мышечного волокна

Митохондрии – мембранные органеллы общего назначения, что означает, что эти органеллы имеются в любой клетке. Размер митохондрий составляет 1-2 мкм. Размеры митохондрий соответствуют размерам бактерий. В митохондриях имеется ДНК.

Расположение митохондрий в мышечном волокне

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков саркоплазмы, где возникает потребность в АТФ. По расположению различают субсарколеммные и межфибриллярные митохондрии. Субсарколеммные митохондрии расположены непосредственно под сарколеммой мышечного волокна. Напомним, что в мышечном волокне под сарколеммой расположены многочисленные ядра и рибосомы, в которых происходит синтез белка. В связи с этим, субсарколеммные митохондрии снабжают рибосомы необходимой энергией для синтеза белка. Они составляют 10-15% от общего количества митохондрий. Межфибриллярные митохондрии расположены между миофибриллами. АТФ, выделяемая межфибиллярными митохондриями, необходима сокращения и расслабления мышечного волокна.

Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах «Гипертрофия скелетных мышц человека» и «Биомеханика мышц«

Функции митохондрий

В митохондриях протекает окисление углеводов, жиров и аминокислот до углекислого газа и воды с использованием кислорода воздуха. За счет энергии, выделяющейся в митохондриях при окислении, осуществляется синтез АТФ. Поэтому митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки или органеллами тканевого (клеточного) дыхания.

Строение митохондрий

Митохондрии состоят из двух мембран (внешней (рис.1.1) и внутренней (рис.1.2) и внутреннего содержимого – матрикса. Внутренняя мембрана образует выпячивания внутрь митохондрии – кристы (рис. 1.3). Именно на кристах происходит процесс окисления углеводов, жиров и аминокислот, так как они содержат большое количество различных ферментов.

Рис.1

Гипертрофия и гиперплазия митохондрий

Объем митохондрий мышечных волокон может возрастать, то есть осуществляется их гипертрофия. Также в мышечном волокне может увеличиться количество митохондрий, то есть может иметь место их гиперплазия. Увеличение числа митохондрий может происходить посредством их деления перетяжкой. Также возможна фрагментация исходных крупных митохондрий на более мелкие, которые, в свою очередь, могут расти и снова делиться.

Различия мышечных волокон по содержанию и размерам митохондрий

В мышечных волокнах I типа митохондрий много, и они крупные. В мышечных волокнах II типа митохондрий значительно меньше. Кроме того, они значительно меньше в размерах. Это связано с тем, что в мышечных волокнах I типа протекает тканевое дыхание, а в мышечных волокнах II типа – гликолиз и креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ.

Объемная плотность митохондрий

Митохондрии занимают объем около 5% от объема мышечного волокна взрослого человека. Этот показатель называется объемной плотностью митохондрий. С возрастом этот показатель уменьшается.

При тренировке на выносливость в мышечном волокне возрастает количество и размеры митохондрий, что является проявлением саркоплазматической гипертрофии. У профессиональных велосипедистов объем, занимаемый митохондриями в мышечном волокне (объемная плотность митохондрий), может достигать 10%. У тяжелоатлетов и бодибилдеров объемная плотность митохондрий не превышает 3%.

Структура митохондрии

Митохондрия окружена внутренней и внешней мембранами, составленными из двойного слоя фосфолипидов и белков. Эти две мембраны похожи, но имеют разные свойства. Внешняя мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов, толщиной 7 нм. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, направленные в полость митохондрии, толщиной 7 нм. Через эту двомембранну организацию митохондрия физически разделена на 5 отделов. Это внешняя мембрана, межмембранного пространство (пространство между внешней и внутренней мембранами, 10 нм), внутренняя мембрана, криста (сформирована складками внутренней мембраны) и матрикс (пространство в пределах внутренней мембраны). Митохондрия имеет от 1 до 10 микрон (мкм) по размеру.

Внешняя мембрана

Внешняя митохондриальная мембрана, окружающая всю органеллы, имеет соотношение фосфолипидов к белкам вроде плазматической мембраны эукариот (около 1: 1 по весу). Она содержит многочисленные интегральные белки — окунитесь, которые имеют относительно большой внутренний канал (около 2-3 нм), пропускает все молекул от 5000 Да и меньше. Большие молекулы могут пересечь внешнюю мембрану только с помощью активного транспорта. Внешняя мембрана также содержит ферменты, вовлечен в такие разнообразные активности как удлинение жирных кислот, окисление адреналина и биодеградация триптофана.

Межмембранного пространство

Межмембранного пространство — это пространство между внешней и внутренней мембраной митохондрии. Его толщина составляет около 10-20 нм. Поскольку внешняя мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в периплазматическом пространстве мало отличается от их концентрации в цитоплазме. Для транспортировки крупных белков, наоборот, необходимы специфические сигнальные пептиды; поэтому белковые компоненты периплазматическом пространства и цитоплазмы отличаются. Одним из белков, содержащихся в периплазматическом пространстве, является цитохром c — один из компонентов дыхательной цепи митохондрий.

Внутренняя мембрана

Внутренняя митохондриальная мембрана содержит белки с четырьмя видами функций:

  1. Белки, проводят окислительные реакции респираторного цепочки.
  2. АТФ-синтаза, которая производит в матрице АТФ.
  3. Специфические транспортные белки, которые регулируют прохождение метаболитов между матрицей и цитополазмою.
  4. Системы импорта белков.

Внутренняя мембрана содержит более 100 различных полипептидов и имеет очень высокое соотношение фосфолипидов к белкам (более 3: 1 по весу, то есть примерно 1 белок на 15 молекул фосфолипидов). Дополнительно, внутренняя мембрана богата необычный фосфолипид кардиолипин, который является обычно характеристикой бактериальных плазматических мембран. В отличие от наружной мембраны, внутренняя мембрана не содержит окунитесь и поэтому чрезвычайно непроницаема; почти все ионы и молекулы требуют специальных мембранниих транспортных белков для проникновения в и из матрикса. Кроме того, через внутреннюю мембрану поддерживается мембранный потенциал.

Внутренняя мембрана разделяется на многочисленные кристи, которые расширяют внешнюю область внутренней митохондриальной мембраны, увеличивая ее способность производить АТФ. В типичной митохондрии печени, например, внешняя область, в частности кристи — примерно в пять раз превышает площадь наружной мембраны. Митохондрии клеток которые имеют более высокие потребности в АТФ, например, мышечные клетки, содержащие более крист, чем типичная митохондрия печени.

Митохондриальный матрикс

Матрикс — пространство, ограниченное внутренней мембраной. Матрикс содержит чрезвычайно сконцентрированную смесь сотен ферментов, в дополнение к специальным митохондриальных рибосом, тРНК и нескольких копий митохондриальной ДНК. Главные функции ферментов включают окисления пирувата и жирных кислот, и цикл трикарбоновых кислот.

Митохондрии имеют свой собственный генетический материал и системы для производства собственной РНК и белков. Эта Нехромосомная ДНК кодирует немногочисленные митохондриальные пептиды (13 у человека), используемые во внутренней митохондриальной мембране вместе с белками кодируемых генами клеточного ядра.

Особенности строения

Митохондрии относятся к двухмембранным органеллам, имеют внешнюю и внутреннюю оболочки, межмембранное пространство между ними и матрикс.

Внешняя мембрана. Она гладкая, не имеет складок, отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы. Ширина ее равна 7нм, в составе находятся липиды и белки. Важную роль выполняет порин — белок, образующий каналы во внешней мембране. Они обеспечивают ионный и молекулярный обмен.

Межмембранное пространство. Величина межмембранного пространства около 20нм. Вещество, заполняющее его по составу сходно с цитоплазмой, за исключением крупных молекул, которые могут сюда проникнуть только путем активного транспорта.

Внутренняя мембрана. Построена в основном из белка, только треть отводится на липидные вещества. Большое количество белков являются транспортными, так как внутренняя мембрана лишена свободно проходимых пор. Она формирует много выростов – крист, которые выглядят, как приплюснутые гребни. Окисление органических соединений до CO2 в митохондриях происходит на мембранах крист. Этот процесс кислородзависимый и осуществляется под действием АТФ-синтетазы. Высвобожденная энергия сохраняется в виде молекул АТФ и используется по мере необходимости.

Матрикс – внутренняя среда митохондрий, имеет зернистую однородную структуру. В электронном микроскопе можно увидеть гранулы и нити в клубках, которые свободно лежат между кристами. В матриксе находится полуавтономная система синтеза белка – здесь расположены ДНК, все виды РНК, рибосомы. Но все же большая часть белков поставляется с ядра, поэтому митохондрии называют полуавтономными органеллами.

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организацииМуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммыОтчетыпо упоминаниямДокументная базаЦенные бумагиПоложенияФинансовые документыПостановленияРубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датамРегламентыТерминыНаучная терминологияФинансоваяЭкономическаяВремяДаты2015 год2016 годДокументы в финансовой сферев инвестиционной

Каким образом энергия водорода преобразуется в энергию атф? Механизм окислительного фосфорилирования

На основании
строения и функций компонентов дыхательной
цепи предложен механизм окислительного
фосфорилирования:

1. Ферменты
дыхательной цепи расположены в строго
определенной последовательности:
каждый последующий белок обладает
большим сродством к электронам, чем
предыдущий (он более электроположителен,
т.е. обладает более положительным
окислительно-восстановительным
потенциалом). Это
обеспечивает однонаправленное движение
электронов.

Все атомы водорода,
отщепленные дегидрогеназами от субстратов
в аэробных условиях, достигают внутренней
мембраны митохондрий в составе НАДН
или
ФАДН2.

НАД
никотинамид
аденин динуклеотид

водорастворимый
переносчик электронов. Окислительное
фософорилирование начинается с
поступления электронов в дыхательную
цепь. Поставщиками электронов для НАД
(НАДФ) служат различные дегидрогеназы
цитозоля
или митохондрий. У субстрата забираются
два атома водорода. Один связывается с
НАД, другой выходит в окружающую среду.

Реакция выглядит
следующим образом:

Восстановленный
субстрат + NAD = окисленный субстрат + НАДН
+ Н*

Внутренняя мембрана
митохондрий непроницаема для НАДН,
поэтому электроны передаются с него
непосредственно на акцепторы первого
комплекса ЦПЭ
.

ФАД
– флавин аденин динуклеотид
.
Флавопротеины обычно очень тесно
(ковалентно) связаны с флавиновыми
нуклеотидами (ФМН, ФАД), которые часто
являются коферментами
активного центра. Окисленный получает
два электрона и образуется ФАДН2
или ФМНН2.
В цепь они их могут отдавать по одному
электрону.

Митохондриальная
дыхательная цепь

состоит из серии согласованно работающих
переносчиков
электронов
,
большинство из которых представлены
интегральными белками, простетические
группы которых способны получать и
отдавать один или два электрона. Есть
три
типа переносчиков
:

  1. прямой перенос
    электронов путём восстановления Fe3+
    вFe2+;

  2. перенос в виде
    атома водорода Н+
    + е
    ;

  3. перенос в виде
    иона
    водорода

    :Н-,
    который несёт два электрона.

Кроме НАД и
флавопротеинов переносчиками электронов
служат:

гидрофобная
молекула хинона
(убихинон,
коэнзим
Q,
коэнзим Q10).
Это жирорастворимый бензохинон с
длинной боковой изопреноидной цепью
(у человека – 10 едениц). Наподобие
флавопротеинов служит связующим звеном
между двухэлектронными донорами и
одноэлектронными акцепторами электронов.

и два различных
типа железосодержащих белков:

цитохромы;
Митохондрии имеют три вида цитохромов
а,
в
и с.
Цитохромы
а
и в
нековалентно связаны с белком, который
встроен во внутреннюю мембрану
митхондрий, а с
– ковалентно связан с цистеином
цитохромов. Цитохром
С
исключительный – растворимый белок
цепи, который электростатически связан
с внешней поверхностью внутренней
мембраны.

железо-серные
белки
(Fe-S).
Атом железа связан с гемом, а с
неорганической серой или серой в
составе цистеина белка.

Здесь атомы водорода
(от НАДН и ФАДН2)
передают свои электроны
в
дыхательную ферментативную цепь, по
которой электроны движутся (50-200 шт/сек)
к своему конечному акцептору – кислороду.
В результате образуется вода.

Поступающие в
дыхательную цепь электроны
имеют высокий энергетический уровень.
По мере их продвижения по цепи они теряют
энергию.

Энергетические
соотношения в дыхательной цепи митохондрий
и участки переноса ионов Н+
через мембрану.

Часть энергии
электронов используется I, III, IV комплексами
дыхательных ферментов для перемещения
ионов
водорода
через мембрану в межмембранное
пространство. Другая часть рассеивается
в виде тепла.

Перенос ионов
водорода через мембрану формируется
градиент ионов водорода между внутренней
и наружной поверхностями внутренней
митохондриальной мембраны. Такой
градиент обладает
потенциальной энергией.

Нобелевский лауреат
П. Митчел предложил хемиосмотическую
модель.
Электрохимическая
энергия рождается из-за разности
концентрации
протонов

и разности
заряда

вокруг внутренней мембраны митохондрии.

Градиент (Δμ,
«дельта мю») получил название
электрохимический
градиент
или протонный
градиент.
Он имеет две составляющие – электрическую
(ΔΨ, «дельта пси») и концентрационную
(ΔрН):

Δμ = ΔΨ + ΔрН

Как завершение
всех предыдущих событий и необходимый
их результат происходит наработка АТФ:
ионы H+
теряют свою энергию, проходя через
АТФ-синтазу
(Н+-транспортирующая
АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии
тратится на синтез
АТФ.
Другая часть рассеивается в виде тепла:

Не все клетки одинаковые

Клетка может представлять из себя как «кирпичик» многоклеточного организма, так и целый организм. За небольшим исключением, почти все клетки содержат генетический материал (ДНК и РНК), который регулирует метаболизм и синтез белков. Однако не у всех живых организмов клетки организованы одинаково. Поэтому на основании различий в клеточной организации выделяют две группы: эукариоты и прокариоты.

Растения, животные и грибы являются эукариотами и имеют высокоупорядоченные клетки. Их генетический материал упакован в центральное ядро, которое окружено специализированными клеточными компонентами, называемыми органеллами. Органеллы, такие как митохондрии, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, работают как хорошо отлаженный конвейер. Одни производят энергию, другие синтезируют и упаковывают белки, третьи транспортируют их в различные части клетки и за ее пределы. Ядро, как и большинство эукариотических органелл, связано мембранами, которые регулируют вход и выход белков, ферментов и другого клеточного материала в органеллу и из нее.

Прокариоты, с другой стороны, являются одноклеточными организмами, такими как бактерии и археи. Прокариотические клетки менее структурированы, чем эукариотические. У них нет ядра. Вместо этого их генетический материал свободно плавает в клетке. У них нет многих мембраносвязанных органелл, обнаруженных в эукариотических клетках, в том числе нет митохондрий.

Процессы

Цикл лимонной кислоты

После гликолиза цикл лимонной кислоты активируется путем производства ацетил-КоА. Окисление пирувата пируватдегидрогеназой в матрице дает CO 2 , ацетил-CoA и NADH. Бета-окисление жирных кислот служит альтернативным катаболическим путем, который производит ацетил-КоА, НАДН и ФАДН 2 . Производство ацетил-КоА запускает цикл лимонной кислоты, в то время как произведенные коферменты используются в цепи переноса электронов .

Синтез АТФ с точки зрения матрицы. Условия, создаваемые взаимоотношениями между катаболическими путями (цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование) и структурным составом (липидный бислой и цепь переноса электронов) матрицы, способствуют синтезу АТФ.

Все ферменты цикла лимонной кислоты находятся в матрице (например, цитратсинтаза , изоцитратдегидрогеназа , α-кетоглутаратдегидрогеназа , фумараза и малатдегидрогеназа ), за исключением сукцинатдегидрогеназы, которая находится на внутренней мембране и является частью белкового комплекса II в цепь переноса электронов . Цикл производит коферменты НАДН и ФАДН 2 за счет окисления углерода в двух циклах. Окисление NADH и FADH 2 дает GTP из сукцинил-CoA синтетазы.

Окислительного фосфорилирования

НАДН и ФАДН 2 продуцируются в матрице или транспортируются через порин и транспортные белки, чтобы подвергнуться окислению посредством окислительного фосфорилирования. НАДН и ФАДН 2 подвергаются окислению в цепи переноса электронов, передавая электроны для регенерации НАД + и ФАД . Протоны втягиваются в межмембранное пространство за счет энергии электронов, проходящих через цепь переноса электронов. Наконец, четыре электрона принимаются кислородом в матрице, чтобы завершить цепочку переноса электронов. Протоны возвращаются в матрицу митохондрий через белок АТФ-синтазу . Энергия используется для вращения АТФ-синтазы, которая облегчает прохождение протона, производящего АТФ. Разница pH между матрицей и межмембранным пространством создает электрохимический градиент, с помощью которого АТФ-синтаза может благоприятно передавать протон в матрицу.

Цикл мочевины

Первые две стадии цикла мочевины происходят в митохондриальном матриксе клеток печени и почек. На первом этапе аммиак превращается в карбамоилфосфат за счет двух молекул АТФ. Этот шаг облегчается карбамоил фосфат синтетазы I . Второй этап, которому способствует орнитин-транскарбамилаза, превращает карбамоилфосфат и орнитин в цитруллин . После этих начальных шагов цикл мочевины продолжается во внутреннем пространстве мембраны до тех пор, пока орнитин снова не войдет в матрицу через транспортный канал, чтобы продолжить первые шаги внутри матрицы.

Трансаминирование

α-Кетоглутарат и оксалоацетат могут быть преобразованы в аминокислоты в матрице в процессе трансаминирования . Эти реакции облегчаются трансаминазами, чтобы производить аспартат и аспарагин из оксалоацетата. Трансаминирование α-кетоглутарата производит глутамат , пролин и аргинин . Эти аминокислоты затем используются либо внутри матрикса, либо транспортируются в цитозоль для производства белков.

Регулирование

Регуляция в матрице в первую очередь контролируется концентрацией ионов, концентрацией метаболитов и энергетическим зарядом. Наличие ионов, таких как Ca 2+, регулирует различные функции цикла лимонной кислоты. в матрице активирует пируватдегидрогеназу , изоцитратдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу, что увеличивает скорость реакции в цикле. Концентрация промежуточных продуктов и коферментов в матрице также увеличивает или снижает скорость производства АТФ из-за анаплеротических и катаплеротических эффектов. НАДН может выступать в качестве ингибитора для -кетоглутарата , изоцитратдегидрогеназы , цитрат — синтазы , и пируват — дегидрогеназы. Концентрация оксалоацетата, в частности, поддерживается на низком уровне, поэтому любые колебания в этой концентрации служат для продвижения цикла лимонной кислоты вперед. Производство АТФ также служит средством регулирования, действуя как ингибитор изоцитратдегидрогеназы, пируватдегидрогеназы, белковых комплексов цепи переноса электронов и АТФ-синтазы. АДФ действует как активатор .

Синтез белка

Митохондрии содержат собственный набор ДНК, используемый для производства белков, входящих в цепь переноса электронов. Митохондриальная ДНК кодирует только около тринадцати белков, которые используются для обработки митохондриальных транскриптов, рибосомных белков , рибосомной РНК , транспортной РНК и белковых субъединиц , входящих в состав белковых комплексов электронно-транспортной цепи.

Синтез АТФ в организме

АТФ чаще всего производится в митохондрии, в основном в результате расщепления глюкозы и жирных кислот в процессе, называемом окислительным фосфорилированием; разложение 1 молекулы глюкозы в митохондрии высвобождает 36 молекул АТФ. Также АТФ синтезируется в хлоропластах, при фотосинтезе в процессе фотосинтетического фосфорилирования.

Использование АТФ в клетке

АТФ не может храниться в качестве резерва, поэтому он расходуется после его синтеза путем дефосфорилирования с помощью фермента АТФазы. Две конечные фосфорные группы связаны богатыми энергией ковалентными связями. Когда эти связи разрушаются, высвобождается относительно большое количество энергии. Если от АТФ освободить один конец ФГ, то образуется аденозин дифосфат (АДФ), освободить другой — получится аденозинмонофосфат (АМФ).

Фосфорная группа, высвобождаемая из АТФ или АДФ, богата энергией и, связываясь с соединением, обогащает ее энергией (процесс, называемый фосфорилированием). Таким образом, энергия от АТФ используется в процессах анаболизма.

АТФ создается в качестве основного энергетического продукта процесса разложения пищевых ингредиентов в процессе окисления. Часть энергии, выделяемой в этих процессах, сохраняется в форме АТФ, а остальная часть используется в форме тепла. Полученный таким образом АТФ используется для взаимодействия со всеми типами клеток. Только около 1/3 АТФ расходуется на реакции анаболизма. Остальная энергия расходуется на движение, сокращение мышц, транспортировку вещества через клеточную мембрану и т. д.

Фосфорилирование, регенерация АТФ.

Восстановление (синтез) АТФ реализуется путем связывания ФГ сначала с АМФ, что приводит к АДФ, а затем из АТФ под контролем фермента АТФ-синтазы. Это возможно благодаря тепловым реакциям, в которых энергоемкие (анаболические) реакции связаны с энерговыделительными (катаболическими) реакциями. Энергия, выделяемая при катаболизме, используется для повторного синтеза АТФ из АДФ. Следовательно, система АТФ / АДФ служит универсальным способом обмена энергией, который балансирует между выделяемыми и потребляющими энергию реакциями.

Функциональные характеристики АТФ.

Химическая связь, представляющая собой сумму сил, которые удерживают вместе атомы в молекуле, является стабильной конфигурацией, и для разрыва старой связи и образования новой требуется энергия. Ферменты значительно снижают потребность в активации большого количества энергии, но для того, чтобы химические реакции происходили в живых организмах, необходимо, чтобы энергия связи в продуктах реакции всегда была меньше энергии связи реагентов.

Энергия, выделяемая при удалении фосфатных групп, не только возникает из высокоэнергетических связей, но также является результатом перераспределения орбит в молекулах АТФ или АДФ. Каждая фосфатная группа несет отрицательный заряд и поэтому имеет тенденцию отталкиваться от другой такой группы. Когда фосфатная группа удаляется, происходит изменение конфигурации электронов, в результате чего получается структура с меньшей энергией.

В живых системах АТФ также гидролизуется до АДФ. Гидролиз АТФ является, например, быстрым способом выработки тепла у животных, которые просыпаются от зимней спячки. Однако обычно конечный продукт не просто удаляется, а переносится через фермент (киназу) в другую молекулу (фосфорилирование). Эта реакция также передает часть энергии от высокоэнергетической связи фосфорилированному соединению, которое, таким образом, обогащается энергией при реакции.

Энергия, выделяемая в реакциях клеточного метаболизма, таких как расщепление глюкозы, используется для повторного синтеза АТФ из молекул АДФ. Основными механизмами синтеза АТФ в клетке являются окислительное фосфорилирование в процессе клеточного дыхания (на внутренней стороне митохондриальной мембраны) и фосфорилирование в процессе фотосинтеза.

Стадии грибкового дыхания

Для проведения процесса дыхания у грибов проводится поэтапный или циклический процесс..

гликолиз

Первый этап — процесс гликолиза. Это ответственно за окисление глюкозы с целью получения энергии. Десять ферментативных реакций, которые превращают глюкозу в молекулы пирувата.

На первом этапе гликолиза молекула глюкозы превращается в две молекулы глицеральдегида, используя две АТФ. Использование двух молекул АТФ на этом этапе позволяет удвоить получение энергии на следующем этапе..

На втором этапе глицеральдегид, полученный на первом этапе, превращается в высокоэнергетическое соединение. В результате гидролиза этого соединения образуется молекула АТФ.

Поскольку мы получили две молекулы глицеральдегида на первом этапе, теперь у нас есть две АТФ. Происходящая связь образует две другие молекулы пирувата, поэтому на этом этапе мы наконец получаем 4 молекулы АТФ.

Цикл Кребса

Когда стадия гликолиза заканчивается, мы переходим к циклу Кребса или циклу лимонной кислоты. Это метаболический путь, где происходит ряд химических реакций, которые высвобождают энергию, произведенную в процессе окисления..

Это та часть, которая выполняет окисление углеводов, жирных кислот и аминокислот для производства CO2, чтобы высвободить энергию для использования клеткой..

Многие ферменты регулируются отрицательной обратной связью, аллостерическим связыванием АТФ.

Эти ферменты включают комплекс пируватдегидрогеназы, который синтезирует ацетил-КоА, необходимый для первой реакции цикла из пирувата из гликолиза..

Также ферменты цитрат-синтаза, изоцитрат-дегидрогеназа и α-кетоглутарат-дегидрогеназа, которые катализируют первые три реакции цикла Кребса, ингибируются высокими концентрациями АТФ. Это регулирование замедляет этот цикл деградации, когда уровень энергии клетки хороший.

Некоторые ферменты также негативно регулируются, когда уровень восстановительной способности клетки высок. Таким образом, комплексы пируватдегидрогеназы и цитратсинтазы регулируются, среди прочего..

Электронная транспортная цепь

Как только цикл Кребса закончен, у грибковых клеток есть ряд электронных механизмов, которые обнаруживаются в плазматической мембране, которые посредством реакций восстановления-окисления производят клетки АТФ.

Миссия этой цепочки заключается в создании конвейерной цепочки электрохимического градиента, которая используется для синтеза АТФ.

Клетки, имеющие цепь переноса электронов для синтеза АТФ без необходимости использования солнечной энергии в качестве источника энергии, известны как хейотрофы..

Они могут использовать неорганические соединения в качестве субстрата для получения энергии, которая будет использоваться в дыхательном обмене..

ссылки

  1. КЭМПБЕЛЛ, Нил А., и др. Основные биологии.
  2. ALBERTS, Bruce, et al. Молекулярная биология клетки. Garland Publishing Inc., 1994.
  3. ДЭВИС, Леонард. Основные методы в молекулярной биологии. Elsevier, 2012.
  4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПРОКАРИОТАМИ, Принципы. РАЗДЕЛ I ПРИНЦИПЫ МИКРОБИОЛОГИИ. 1947.
  5. HERRERA, TeófiloUlloa и др. Королевство грибов: базовая и прикладная микология. Мексика, MX: Национальный автономный университет Мексики, 1998.
  6. ВИЛЛА, Клод А.; ZARZA, Роберто Эспиноза; И КАНО, Геронимо Кано. Биология. Макгроу-Хилл, 1996.
  7. Трабулси, Луис Рашид; ALTERTHUM, Flavio.Микробиология. Афины, 2004.

Энергетическая машина

Энергетическая машина производит энергию по следующей схеме:

  1. Человек ест пищу, которая растворяется в кишечнике до молекул.

    На фото: Степан Никонов есть картофель фри

  2. Молекулы проходят через стенки кишечника и попадают в кровь.

Клетки, выстилающие кишечник идеально подходят для абсорбции, потому что они имеют пальцеобразные выступы, которые увеличивают площадь поверхности для поглощения питательных веществ и других молекул через мембраны кишечника.

Чтобы быть поглощенными, молекулы пищи движутся через эпителиальные клетки, через интерстициальное пространство и в капилляры.

На рисунке: молекулы пищи всасываются в кровоток, они пересекают два вида клеток: эпителиальные, выстилающие кишечник, и эндотелиальные, которые образуют капилляры.

Большие молекулы, которые не могут диффундировать через клеточную мембрану, проникают в клетку с помощью специальных белков, вставленных в мембрану. Если движение с градиентом концентрации, это называется облегченной диффузией; если это против градиента концентрации, это требует энергии (активный транспорт). Глюкоза движется активным транспортом через клеточные мембраны.

Кишечник обернут сетью капилляров. Молекулы пищи пересекают интерстициальное пространство между кишечником и окружающими капиллярами, и легко проходят через стенку мембраны эндотелиальных клеток в капилляр, попадая в венозную кровь.

Венозная кровь проходит через печень. В печеночных клетках происходит превращение ядовитых молекул в не ядовитые. Например, аммиак, является ингибитором (ядом) дляработы митохондрий.

  1. Из крови, молекулы попадают в мышечную клетку, в которой проходят определенные химические реакции, соединяясь друг с другом.

  2. Соединенные молекулы доходят до митохондрии, в которой вступают в связь с кислородом. Т.е. в митохондрии происходит окислительная химическая реакция, результат которой преобразование молекул из пищи в богатую энергией молекулу АТФ.

В сутки в организме человека генерируется АТФ, весом равная весу самого человека.

Когда появилась на Земле митохондрия и как она попала в клетку? Не будь в наших клетках митохондрий, мы бы не смогли жить в атмосфере, в которой есть кислород. Без кислорода жизнь существует, но только в виде бактерий и находиться глубоко под водой, в близи от действующих вулканов.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий