Забезпечення клітин енергією. Джерела енергії

З клітин складаються всі живі організми, крім вірусів. Вони забезпечують всі необхідні для життя рослини чи тварини процеси. Клітина і сама може бути окремим організмом. І хіба може така складна структура жити без енергії? Звичайно, немає. Так як же відбувається забезпечення клітин енергією? Воно базується на процесах, які ми розглянемо нижче.

Забезпечення клітин енергією: як це відбувається?

Деякі клітини отримують енергію ззовні, вони виробляють її самі. Эукариотические клітини володіють своєрідними “станціями”. І джерелом енергії в клітині є мітохондрія — органоид, який її виробляє. У ньому відбувається процес клітинного дихання. За рахунок нього і відбувається забезпечення клітин енергією. Однак присутні вони тільки у рослин, тварин і грибів. У клітинах бактерій мітохондрії відсутні. Тому у них забезпечення клітин енергією відбувається в основному за рахунок процесів бродіння, а не дихання.

Будова мітохондрії

Це двумембранный органоид, який з’явився в эукариотической клітці в процесі еволюції в результаті поглинання нею більш дрібної прокариотической клітини. Цим можна пояснити те, що в мітохондріях присутня власна ДНК і РНК, а також мітохондріальні рибосоми, що виробляють потрібні органоидам білки.

Внутрішня мембрана має виростами, які називаються крісти, або гребені. На кристах і відбувається процес клітинного дихання.

Те, що знаходиться всередині двох мембран, називається матрикс. В ньому розташовані білки, ферменти, необхідні для прискорення хімічних реакцій, а також молекули РНК, ДНК і рибосоми.

Клітинне дихання — основа життя

Воно проходить у три етапи. Давайте розглянемо кожен з них більш докладно.

Перший етап — підготовчий

Під час цієї стадії складні органічні сполуки розщеплюються на більш прості. Так, білки розпадаються до амінокислот, жири — до карбонових кислот та гліцерину, нуклеїнові кислоти до нуклеотидів, а вуглеводи — до глюкози.

Гліколіз

Це безкисневий етап. Він полягає в тому, що речовини, отримані під час першого етапу, розщеплюються далі. Головні джерела енергії, які використовує клітка на даному етапі, — молекули глюкози. Кожна з них у процесі гліколізу розпадається до двох молекул пірувату. Це відбувається під час десяти послідовних хімічних реакцій. Внаслідок перших п’яти глюкоза фосфорилюється, а потім розщеплюється на дві фосфотриозы. При наступних п’яти реакціях утворюється дві молекули АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти) і дві молекули ПВК (піровиноградної кислоти). Енергія клітини і запасається саме у вигляді АТФ.

Весь процес гліколізу можна спрощено зобразити таким чином:

2НАД+ 2АДФ + 2Н₃РО₄ + С₆Н₁₂О₆ ? 2Н₂О + 2НАД^.Н₂ +2С₃Н₄О₃ + 2АТФ

Таким чином, використовуючи одну молекулу глюкози, дві молекули АДФ і дві фосфорної кислоти, клітина отримує дві молекули АТФ (енергія) і дві молекули піровиноградної кислоти, яку вона буде використовувати на наступному етапі.

Третій етап — окислення

Ця стадія відбувається тільки при наявності кисню. Хімічні реакції цього етапу відбуваються в мітохондріях. Саме це і є основна частина клітинного дихання, під час якої вивільняється більше енергії. На цьому етапі піровиноградна кислота, вступаючи в реакцію з киснем, розщеплюється до води і вуглекислого газу. Крім того, при цьому утворюється 36 молекул АТФ. Отже, можна зробити висновок, що головні джерела енергії в клітині — глюкоза і піровиноградна кислота.

Підсумовуючи все хімічні реакції і опускаючи подробиці, можна висловити весь процес клітинного дихання одним спрощеним рівнянням:

6О₂ + С₆Н₁₂О₆ + 38АДФ + 38Н₃РО₄ ? 6СО₂ + 6Н 2 О + 38АТФ.

Таким чином, в ході дихання з однієї молекули глюкози, шести молекул кисню, тридцяти восьми молекул АДФ і такої ж кількості фосфорної кислоти клітина отримує 38 молекул АТФ, у вигляді якої і запасається енергія.

Різноманітність ферментів мітохондрій

Енергію для життєдіяльності клітина отримує за рахунок дихання — окислення глюкози, а потім піровиноградної кислоти. Всі ці хімічні реакції не могли б проходити без ферментів — біологічних каталізаторів. Давайте розглянемо ті з них, які знаходяться в мітохондріях — органоидах, що відповідають за клітинне дихання. Всі вони називаються оксидоредуктазами, тому що потрібні для забезпечення протікання окислювально-відновних реакцій.

Всі оксидоредуктазы можна розділити на дві групи:

• оксидази;
• дегідрогенази;

Дегідрогенази, в свою чергу, поділяються на аеробні та анаеробні. Аеробні містять у своєму складі кофермент рибофлавін, який організм отримує з вітаміну В2. Аеробні дегідрогенази містять в якості коферментів молекули НАД і НАДФ.

Оксидази більш різноманітні. В першу чергу вони поділяються на дві групи:

• ті, які містять мідь;
• ті, у складі яких є залізо.

До перших належать поліфенолоксидази, аскорбатоксидаза, до других — каталаза, пероксидаза, цитохромы. Останні, в свою чергу, поділяються на чотири групи:

• цитохромы a;
• цитохромы b;
• цитохромы c;
• цитохромы d.

Цитохромы а містять у своєму складі железоформилпорфирин, цитохромы b — железопротопорфирин, c — замещенный железомезопорфирин, d — железодигидропорфирин.

Чи можливі інші шляхи отримання енергії?

Незважаючи на те, що більшість клітин отримують її в результаті клітинного дихання, існують також анаеробні бактерії, для існування яких не потрібен кисень. Вони виробляють необхідну енергію шляхом бродіння. Це процес, в ході якого за допомогою ферментів вуглеводи розщеплюються без участі кисню, внаслідок чого клітина і отримує енергію. Розрізняють кілька видів бродіння в залежності від кінцевого продукту хімічних реакцій. Воно буває молочнокисле, спиртове, маслянокислое, ацетон-бутанова, лимоннокислое.

Для прикладу розглянемо спиртове бродіння. Його можна виразити таким рівнянням:

З₆Н₁₂О₆ ? С₂Н₅ОН + 2СО₂

Тобто одну молекулу глюкози бактерія розщеплює до однієї молекули етилового спирту і двох молекул оксиду (IV) карбону.