6.1: Енергія та обмін речовин

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1744

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Поясніть, що таке метаболічні шляхи, і опишіть два основні типи метаболічних шляхів
Обговоріть, як хімічні реакції відіграють роль у передачі енергії

Вчені використовують термін біоенергетика для обговорення поняття потоку енергії (рис.\(\PageIndex{1}\)) через живі системи, такі як клітини. Клітинні процеси, такі як побудова та руйнування складних молекул, відбуваються за допомогою ступеневих хімічних реакцій. Деякі з цих хімічних реакцій є спонтанними і вивільняють енергію, тоді як інші вимагають енергії для продовження. Подібно до того, як живі істоти повинні постійно споживати їжу, щоб поповнити те, що було використано, клітини повинні постійно виробляти більше енергії для поповнення того, що використовується багатьма енергійними хімічними реакціями, які постійно відбуваються. Всі хімічні реакції, що відбуваються всередині клітин, включаючи ті, що використовують енергію, і ті, що виділяють енергію, є метаболізмом клітини.

На цій діаграмі показано, що енергія від сонця передається виробникам, таким як рослини, а також виділяє тепло. Виробники в свою чергу передають енергію споживачам і розкладачам, які виділяють тепло. Тварини також передають енергію розкладачам. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Більшість форм життя на землі отримують свою енергію від сонця. Рослини використовують фотосинтез для захоплення сонячного світла, а травоїдні їдять ці рослини для отримання енергії. М'ясоїдні харчуються травоїдними тваринами, а розкладачі перетравлюють рослинні і тваринні речовини.

Метаболізм вуглеводів

Метаболізм цукру (простий вуглевод) є класичним прикладом багатьох клітинних процесів, які використовують і виробляють енергію. Живі істоти споживають цукор як основне джерело енергії, оскільки молекули цукру мають велику кількість енергії, що зберігається в їх зв'язках. Розпад глюкози, простого цукру, описується рівнянням:

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

Вуглеводи, які споживаються, мають своє походження в фотосинтезуючих організмах, подібних рослинам (рис. 6.1.2). Під час фотосинтезу рослини використовують енергію сонячного світла для перетворення вуглекислого газу (CO ₂) в молекули цукру, як глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆). Оскільки цей процес включає синтез більшої, що накопичує енергію молекули, він вимагає введення енергії, щоб продовжити. Синтез глюкози описується цим рівнянням (зверніть увагу, що воно є зворотним від попереднього рівняння):

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

Під час хімічних реакцій фотосинтезу енергія забезпечується у вигляді дуже високоенергетичної молекули під назвою АТФ, або аденозинтрифосфат, який є первинною енергетичною валютою всіх клітин. Подібно до того, як долар використовується як валюта для покупки товарів, клітини використовують молекули АТФ як енергетичну валюту для виконання негайної роботи. Цукор (глюкоза) зберігається у вигляді крохмалю або глікогену. Такі енергозберігаючі полімери розщеплюються на глюкозу для постачання молекул АТФ.

Сонячна енергія потрібна для синтезу молекули глюкози під час реакцій фотосинтезу. При фотосинтезі світлова енергія від сонця спочатку перетворюється в хімічну енергію, яка тимчасово зберігається в молекулах енергоносія АТФ і НАДПГ (нікотинамід-аденіндинуклеотидфосфат). Збережена енергія в АТФ і НАДПГ потім використовується пізніше в фотосинтезі для побудови однієї молекули глюкози з шести молекул CO ₂. Цей процес аналогічний сніданку вранці, щоб придбати енергію для вашого тіла, яку можна використовувати пізніше дня. В ідеальних умовах енергія від 18 молекул АТФ потрібна для синтезу однієї молекули глюкози під час реакцій фотосинтезу. Молекули глюкози також можуть поєднуватися з іншими типами цукрів і перетворюватися в них. При споживанні цукрів молекули глюкози в кінцевому підсумку пробиваються в кожну живу клітину організму. Усередині клітини кожна молекула цукру розщеплюється за допомогою складного ряду хімічних реакцій. Мета цих реакцій - зібрати енергію, що зберігається всередині молекул цукру. Зібрана енергія використовується для створення високоенергетичних молекул АТФ, які можуть бути використані для виконання роботи, що забезпечує багато хімічних реакцій в клітині. Кількість енергії, необхідної для виготовлення однієї молекули глюкози з шести молекул вуглекислого газу, становить 18 молекул АТФ і 12 молекул НАДПГ (кожна з яких енергетично еквівалентна трьом молекулам АТФ), або всього 54 молекули еквівалента, необхідних для синтезу однієї молекули глюкози. Цей процес є основним і ефективним способом для клітин генерувати молекулярну енергію, яка їм потрібна.

На фото зліва зображені жолуді, що ростуть на дубі. На фото праворуч зображена білка, що їсть. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Рослини, як цей дуб і жолудь, використовують енергію сонячного світла для отримання цукру та інших органічних молекул. І рослини, і тварини (як ця білка) використовують клітинне дихання для отримання енергії з органічних молекул, спочатку вироблених рослинами. (Кредит «жолудь»: модифікація роботи Ноеля Рейнольдса; кредит «білка»: модифікація роботи Дон Гучек)

Метаболічні шляхи

Процеси виготовлення і розщеплення молекул цукру ілюструють два типи метаболічних шляхів. Метаболічний шлях - це серія взаємопов'язаних біохімічних реакцій, які перетворюють молекулу субстрату або молекули, крок за кроком, через ряд метаболічних проміжних продуктів, в кінцевому підсумку отримуючи кінцевий продукт або продукти. У випадку метаболізму цукру перший метаболічний шлях синтезував цукор з менших молекул, а інший шлях розбив цукор на менші молекули. Ці два протилежні процеси - перший вимагає енергії, а другий виробляє енергію - називаються анаболічними (будівля) та катаболічними (руйнування) шляхами відповідно. Отже, метаболізм складається з будівництва (анаболізм) та деградації (катаболізм).

Еволюційний зв'язок: еволюція метаболічних шляхів

В основі еволюційного дерева лежить прокаріотичний предок. Цей предок породив архебактерії, еубактерії та протести, які, в свою чергу, породили рослини, гриби та тварини. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Це дерево показує еволюцію різних гілок життя. Вертикальний вимір - це час. Ранні форми життя, в синьому кольорі, використовували анаеробний обмін речовин для отримання енергії з оточення.

Існує більше складності метаболізму, ніж розуміння метаболічних шляхів поодинці. Метаболічна складність варіюється від організму до організму. Фотосинтез є основним шляхом, при якому фотосинтезуючі організми, такі як рослини (більшість глобального синтезу здійснюється планктонними водоростями) збирають енергію сонця і перетворюють її в вуглеводи. Побічним продуктом фотосинтезу є кисень, необхідний деяким клітинам для здійснення клітинного дихання. Під час клітинного дихання кисень сприяє катаболічному розщепленню вуглецевих сполук, таких як вуглеводи. Серед продуктів цього катаболізму - СО2 і АТФ. Крім того, деякі еукаріоти виконують катаболічні процеси без кисню (бродіння); тобто виконують або використовують анаеробний обмін.

Організми, ймовірно, еволюціонували анаеробний метаболізм, щоб вижити (живі організми з'явилися близько 3,8 мільярда років тому, коли в атмосфері не вистачало кисню). Незважаючи на відмінності між організмами і складність метаболізму, дослідники виявили, що всі гілки життя поділяють деякі однакові метаболічні шляхи, припускаючи, що всі організми еволюціонували від одного і того ж давнього спільного предка (рис.\(\PageIndex{3}\)). Докази вказують на те, що з часом шляхи розійшлися, додаючи спеціалізовані ферменти, що дозволяють організмам краще адаптуватися до свого середовища, тим самим збільшуючи їх шанс вижити. Однак основним принципом залишається те, що всі організми повинні збирати енергію зі свого середовища та перетворювати її в АТФ для виконання клітинних функцій.

Анаболічні та катаболічні шляхи

Анаболічні шляхи вимагають введення енергії для синтезу складних молекул з більш простих. Синтезування цукру з СО ₂ - один із прикладів. Іншими прикладами є синтез великих білків з амінокислотних будівельних блоків та синтез нових ниток ДНК з будівельних блоків нуклеїнових кислот. Ці біосинтетичні процеси мають вирішальне значення для життя клітини, відбуваються постійно і вимагають енергії, що забезпечується АТФ та іншими високоенергетичними молекулами, такими як NADH (нікотинамід аденіндинуклеотид) та NADPH (рис.\(\PageIndex{4}\)).

АТФ є важливою молекулою для клітин, щоб мати достатній запас у будь-який час. Розпад цукрів ілюструє, як одна молекула глюкози може зберігати достатньо енергії, щоб зробити велику кількість АТФ, від 36 до 38 молекул. Це катаболічний шлях. Катаболічні шляхи передбачають деградацію (або розпад) складних молекул на більш прості. Молекулярна енергія, що зберігається в зв'язках складних молекул, вивільняється катаболічними шляхами і збирається таким чином, що її можна використовувати для отримання АТФ. Інші енергозберігаючі молекули, такі як жири, також розщеплюються за допомогою подібних катаболічних реакцій, щоб вивільнити енергію та зробити АТФ (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Важливо знати, що хімічні реакції метаболічних шляхів не відбуваються спонтанно. Кожен етап реакції полегшується або каталізується білком, який називається ферментом. Ферменти важливі для каталізації всіх видів біологічних реакцій - тих, які потребують енергії, а також тих, які виділяють енергію.

Показані анаболічні та катаболічні шляхи. У анаболічному шляху (зверху) чотири малі молекули мають енергію, додану до них, щоб зробити одну велику молекулу. У катаболічному шляху (дні) одна велика молекула розщеплюється на дві складові: чотири малі молекули плюс енергія. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Анаболічні шляхи - це ті, які вимагають енергії для синтезу більших молекул. Катаболічні шляхи - це ті, які генерують енергію шляхом руйнування більших молекул. Обидва типи шляхів необхідні для підтримки енергетичного балансу клітини.

Резюме

Клітини виконують функції життєдіяльності за допомогою різних хімічних реакцій. Метаболізм клітини відноситься до хімічних реакцій, які відбуваються всередині неї. Існують метаболічні реакції, які передбачають розщеплення складних хімічних речовин на більш прості, такі як розпад великих макромолекул. Цей процес називають катаболізмом, і такі реакції пов'язані з виділенням енергії. На іншому кінці спектра анаболізм відноситься до обмінних процесів, які будують складні молекули з більш простих, таких як синтез макромолекул. Анаболічні процеси вимагають енергії. Синтез глюкози та розпад глюкози є прикладами анаболічних та катаболічних шляхів відповідно.

Глосарій

анаболічні: (також, анаболізм) шляхи, які вимагають введення енергії для синтезу складних молекул з більш простих

біоенергетика: вивчення енергії, що протікає через живі системи

катаболічних: (також катаболізм) шляхи, в яких складні молекули розщеплюються на більш прості

метаболізм: всі хімічні реакції, що відбуваються всередині клітин, включаючи анаболізм і катаболізм