Sayfa 58. § sonrası sorular ve görevler
1. Hücrelerdeki ana enerji kaynakları hangi maddelerdir?
Karbonhidratlar ve yağlar ana enerji malzemesi olarak kullanılır. Örneğin, kompleks karbonhidrat glikojen ve yağlar hücredeki "yakıt" rezervleridir. Vücudun bazı açlık dönemlerinden sonra hücreler tarafından tüketilirler. Örneğin, uykudan sonraki sabah, önce gliserol ve yağ asitlerine ayrılan yağların aktif bir kullanımı vardır. Yemekten sonra hücrelerdeki ana enerji kaynağı besinlerden elde edilen glikozdur.
2. Aşamaların her birini tanımlayın enerji metabolizması.
Enerji değişimi üç aşamada gerçekleşir: hazırlayıcı anoksik, oksijen. hazırlık aşaması vücuttaki karmaşık organik maddelerin monomerlere ayrılmasıyla karakterize edilir. Bütün bu işlemler enzimlerin etkisi altında gerçekleşir. Böylece, gıda ile elde edilen proteinler amino asitlere, karbonhidratlara - glikoza, yağlara - gliserol ve yağ asitlerine ayrılır. Bu durumda açığa çıkan enerji vücutta ısı şeklinde dağılır, dolayısıyla bu durumda oluşan miktarı fazla değildir. Örnek olarak glikoz kullanarak, ikinci aşamayı - anoksik - glikoliz olarak adlandırabiliriz (Yunanca "glikis" - tatlı, "liziz" - bölme). Bu, glikozun parçalanması için karmaşık bir enzimatik süreçtir. Bu işlem hücrelerin sitoplazmasında gerçekleşir. Bir molekül glikozdan (1 mol C6H12O6) iki molekül piruvik asit PVC (2C3H4O3) ve iki molekül ATP (2ATP) oluşur. Ayrıca, hücrede yeterli oksijen yoksa, piruvik asit C3H4O3 başka bir organik asit - laktik C3H4O3'e dönüşür (izomer oldukları için). Bir sonraki aşama - oksijen - hücresel solunum olarak adlandırılır ve hücrelerin mitokondrilerinde (solunum enzimlerinin bulunduğu krista üzerinde) gerçekleşir. Adından sadece oksijenin katılımıyla gittiği açıktır. Bu aşamada piruvik asit moleküler oksijen O2 tarafından karbondioksit ve suya oksitlenir. Bu oksidasyon sırasında açığa çıkan enerji çok verimli kullanılır. Her glikoz molekülü için 36 ATP molekülü üretilir. Böylece 1 molekül (1 mol) glikozun parçalanması sırasında 38 ATP açığa çıkar (ikinci aşamada 2 molekül ve üçüncü aşamada 36 molekül). Bu enerji vücudun ihtiyaç duyduğu maddelerin sentezi için harcanır ve ATP'nin enerjisi enerjiye dönüştürülür. Farklı çeşit enerji - mekanik (kamçı hareketi), elektrik (sinir impulsunun iletimi).
3. Sporcular yoğun antrenman sırasında neden daha hızlı nefes alır ve kas ağrısı yaşar?
Bir kişinin yoğun fiziksel çalışması sırasında, kas dokusu hücreleri oksijen açlığı yaşar, bu durumda, glikozun eksik parçalanmasıyla PVC, laktik aside dönüşür. Fazlalığı kaslarda birikir, bu da kas ağrısına, yorgunluğa, yorgunluğa, nefes darlığına yol açar - bu oksijen eksikliğinin bir işaretidir.
4. Yetersiz havalandırılan seralarda yetiştirilen domateslerin verimi yüksek değildi. Sebebini açıkla.
Seralarda ve seralarda kültür bitkileri yetiştirirken, glikoz oksidasyon sürecinin karbondioksit ve suya gittiği ve yüksek sıcaklıklarda daha yoğun ilerlediği unutulmamalıdır. Ayrıca sadece yeşil bitki hücreleri fotosentez yaparken, bitki solunumu tüm hücrelerde gerçekleşir. Seralarda sıcaklık 400C'ye kadar çıkabilmekte, solunum şiddeti 100 kata kadar çıkmakta ancak fotosentez yoğunluğu artmamaktadır. Bu nedenle organik kütledeki artış önemsizdir ve bu tür bitkilerin verimi düşük olacaktır.
5. "Glikoliz", "hücresel solunum" terimlerinin anlamını açıklayın.
Glikoliz (Yunanca "glikis" - tatlı, "liziz" - bölme) - anoksik ve oksijen olmak üzere iki aşamada meydana gelen karmaşık bir enzimatik glikoz parçalanma sürecidir. Hücresel solunum, oksijen varlığında giden hücrelerin mitokondrilerinde (solunum enzimlerinin bulunduğu cristae üzerinde) gerçekleşen glikoz parçalanmasının son oksijen aşamasıdır.
- Canlı organizmaların beslenme türleri
- Fotosentez
- enerji değişimi
1. Canlılık tüm organizmaların varlığı ancak enerjiye sahip olduklarında mümkündür. Enerji elde etme yöntemine göre, tüm hücreler ve organizmalar iki gruba ayrılır: ototroflar ve heterotroflar.
heterotroflar(Yunan heterolar - farklı, farklı ve trofe - gıda, beslenme) organik bileşikleri inorganik olanlardan kendi başlarına sentezleyemezler, onları almaları gerekir. çevre. Organik maddeler onlar için sadece yiyecek olarak değil, aynı zamanda bir enerji kaynağı olarak da hizmet eder. Heterotroflar, tüm hayvanları, mantarları, çoğu bakteriyi ve ayrıca klorofil içermeyen kara bitkilerini ve algleri içerir.
Heterotrofik organizmalar, yiyecek elde etme biçimlerine göre sınıflandırılır. holozoik(hayvanlar) katı parçacıkları yakalar ve ozmotrofik(mantarlar, bakteriler) çözünmüş maddelerle beslenir.
Çeşitli heterotrofik organizmalar, ototroflar tarafından sentezlenen tüm maddelerin yanı sıra insan üretim faaliyetleri sonucunda sentezlenen mineral maddeleri birlikte parçalayabilmektedir. Heterotrofik organizmalar, ototroflarla birlikte, Dünya üzerinde trofik ilişkilerle birleştirilen tek bir biyolojik sistem oluşturur.
ototroflar- pahasına beslenen (yani enerji alan) organizmalar organik bileşikler bunlar bazı bakteriler ve hepsi yeşil bitkiler. Ototroflar, kemotroflar ve fototroflar olarak ikiye ayrılır.
kemotroflar- redoks reaksiyonları sırasında açığa çıkan enerjiyi kullanan organizmalar. Kemotroflar, nitrifikasyon (azot sabitleyici) bakterileri, sülfürik, hidrojen (metan oluşturan), manganez, demir oluşturan ve karbon monoksit kullanan bakterileri içerir.
fototroflar- sadece yeşil bitkiler. Işık onların enerji kaynağıdır.
2. Fotosentez(Yunanca phos - cins. sonbahar. fotoğraflar - ışık ve sentez - bağlantı) - ışık enerjisinin katılımıyla oluşum organik madde yeşil bitki hücrelerinin yanı sıra bazı bakteriler, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürme süreci. Kloroplastların tilakoidlerinde ve hücre kromatoforlarında pigmentlerin (klorofil ve diğerleri) yardımıyla oluşur. Fotosentez, elektronların bir donör-indirgeyiciden (su, hidrojen, vb.) Bir alıcıya (Latin alıcı - alıcı) - karbon dioksit, indirgenmiş bileşiklerin oluşumu ile asetat - karbonhidratlar ve serbest bırakmaya aktarıldığı redoks reaksiyonlarına dayanır. oksijen, eğer su oksitlenirse.
Su dışında donör kullanan fotosentetik bakteriler oksijen salmaz.
Fotosentezin ışık reaksiyonları(ışıktan kaynaklanan) kloroplastların tilakoidlerinin granasında akış Görünür ışık kuantumları (fotonlar) klorofil molekülleri ile etkileşime girerek onları uyarılmış bir duruma aktarır. Klorofil bileşimindeki bir elektron, belirli bir uzunluktaki bir ışık kuantumunu emer ve adımlar gibi, ADP'yi ATP'ye fosforile etmeye yarayan enerjiyi kaybederek elektron taşıyıcıları zinciri boyunca hareket eder. Bu çok verimli bir süreçtir: Kloroplastlarda aynı bitkilerin mitokondrilerindekinden 30 kat daha fazla ATP üretilir. Bu, aşağıdakiler için gerekli enerjiyi biriktirir - fotosentezin karanlık reaksiyonları. Maddeler elektron taşıyıcı görevi görür: sitokromlar, plastokinon, ferredoksin, flavoprotein, redüktaz, vb. Uyarılmış elektronların bir kısmı NADP +'yı NADPH'ye indirmek için kullanılır. Güneş ışığının kloroplastlardaki etkisi altında su bölünür - fotoliz, bu durumda, klorofil tarafından kayıplarını telafi eden elektronlar oluşur; bir yan ürün olarak, gezegenimizin atmosferine oksijen salınır. Bu, soluduğumuz ve tüm aerobik organizmalar için gerekli olan oksijendir.
Yüksek bitkilerin, alglerin ve siyanobakterilerin kloroplastları, farklı yapı ve bileşime sahip iki fotosistem içerir. Işık kuantumları, fotosistem II'nin pigmentleri (bir reaksiyon merkezi - 680 nm dalga boyuna sahip ışığı emen bir proteine sahip bir klorofil kompleksi - P680) tarafından emildiğinde, elektronlar sudan bir ara alıcıya ve bir taşıyıcı zinciri yoluyla aktarılır. fotosistem I'in reaksiyon merkezine. Ve bu fotosistem, 700 nm - P700 dalga boyuna sahip ışığı emen özel bir protein-KOM ile kombinasyon halinde klorofil molekülünün köpüğünü ortaya çıkaracak bir reaksiyon merkezidir. Klorofil F1 moleküllerinde "delikler" vardır - PLDPH'ye geçen elektronların doldurulmamış yerleri. Bu "delikler", FI'nın çalışması sırasında oluşan elektronlarla doldurulur. Yani fotosistem II, fotosistem I için NADP + ve NADPH'nin indirgenmesi için harcanan elektronları sağlar. Işık tarafından uyarılan fotosistem II elektronlarının hareket yolu boyunca, fotosistem I'in son alıcısı olan klorofile, ADP, enerji açısından zengin ATP'ye fosforile edilir. Böylece, ışığın enerjisi ATP moleküllerinde depolanır ve ayrıca karbonhidratların, proteinlerin, nükleik asitlerin ve bitkilerin diğer hayati işlemlerinin sentezi ve bunlar aracılığıyla bitkilerle beslenen tüm organizmaların hayati faaliyetleri için tüketilir.
Karanlık reaksiyonlar veya karbon fiksasyon reaksiyonları,ışıkla ilişkili olmayan, kloroplastların stromasında gerçekleştirilir. İçlerindeki kilit yer, karbondioksitin sabitlenmesi ve karbonun karbonhidratlara dönüştürülmesi ile işgal edilir. Bu reaksiyonlar doğada döngüseldir, çünkü ara karbonhidratların bir kısmı, döngünün sürekli çalışmasını sağlayan birincil CO2 alıcısı olan ribuloz difosfata yoğunlaşma ve yeniden düzenleme sürecinden geçer. Bu süreç ilk olarak Amerikalı biyokimyacı Melvin Calvin tarafından tanımlanmıştır.
İnorganik bileşik CO2'nin organik bileşiklere dönüşümü - kimyasal bağlarında güneş enerjisinin depolandığı karbonhidratlar, karmaşık bir enzim - ribuloz-1,5-difosfat karboksilaz yardımıyla gerçekleşir. Beş karbonlu ribuloz-1,5-difosfata bir CO2 molekülünün eklenmesini sağlayarak altı karbonlu ara kısa ömürlü bir bileşiğin oluşmasına neden olur. Bu bileşik, hidroliz nedeniyle, ATP ve NADPH kullanılarak üç karbonlu şekerlere (trioz fosfatlar) indirgenen iki üç karbonlu fosfogliserik asit molekülüne ayrışır. Fotosentezin son ürünü olan glikozu oluştururlar.
Yoğunlaşma ve yeniden düzenleme süreçlerinden geçen, önce ribüloz monofosfata ve sonra ribüloz difosfata dönüşen trioz fosfatların bir kısmı, tekrar glikoz molekülleri oluşturma sürekli döngüsüne dahil edilir. Glikoz enzimatik olarak polimerize edilebilir.
nişasta ve selüloz - bitkilerin temel polisakkariti.
Bazı bitkilerin (şeker kamışı, mısır, amaranth) fotosentezinin bir özelliği, karbonun dört karbonlu bileşikler yoluyla ilk dönüşümüdür. Bu tür bitkiler, C4 -bitkiler indeksini ve içlerinde fotosentez karbon metabolizmasını aldı. C 4 -bitkiler, yüksek fotosentetik üretkenlikleri nedeniyle araştırmacıların ilgisini çekmektedir.
Tarım bitkilerinin verimliliğini artırmanın yolları:
Metabolik süreçlerin en iyi seyrini sağlayabilecek yeterli mineral beslenmesi;
Fotofilik ve gölgeye dayanıklı ışık tüketimi dikkate alınarak, belirli bitki ekim oranlarının yardımıyla elde edilebilecek daha eksiksiz aydınlatma;
Havadaki normal karbondioksit miktarı (içeriğindeki artışla, fotosentez ile ilişkili bitki solunum süreci bozulur);
Toprak nemi, iklimsel ve agroteknik koşullara bağlı olarak, bitkilerin nem ihtiyacına karşılık gelir.
Fotosentezin doğadaki önemi.
Yeryüzündeki fotosentez sonucunda yılda 150 milyar ton organik madde oluşmakta ve yaklaşık 200 milyar ton serbest oksijen açığa çıkmaktadır. Fotosentez, yalnızca sakinlerinin yaşamı için gerekli olan Dünya atmosferinin modern bileşimini sağlamak ve sürdürmekle kalmaz, aynı zamanda atmosferdeki CO2 konsantrasyonunun artmasını önleyerek gezegenimizin aşırı ısınmasını önler (sera nedeniyle Efekt). Fotosentez sırasında açığa çıkan oksijen, organizmaların nefes alması ve onları zararlı kısa dalga ultraviyole ışınlarından koruması için gereklidir.
kemosentez(geç Yunan chemeta - kimya ve Yunan sentezi - bağlantı) - klorofil içermeyen bakteriler tarafından organik madde yaratmanın ototrofik bir süreci. Kemosentez, inorganik bileşiklerin oksidasyonu nedeniyle gerçekleştirilir: hidrojen, hidrojen sülfür, amonyak, demir oksit (II), vb. C02'nin asimilasyonu, metan oluşumu hariç, fotosentezde (Calvin döngüsü) olduğu gibi ilerler, homo-asetat bakterileri. Oksidasyondan elde edilen enerji bakterilerde ATP şeklinde depolanır.
Kemosentetik bakteriler biyojeokimyasal döngülerde son derece önemli bir rol oynamaktadır. kimyasal elementler biyosferde. Nitrifikasyon bakterilerinin hayati aktivitesi, toprak verimliliğindeki en önemli faktörlerden biridir. Kemosentetik bakteriler demir, manganez, kükürt vb. bileşikleri oksitler.
Kemosentez, 1887'de Rus mikrobiyolog Sergei Nikolaevich Vinogradsky (1856-1953) tarafından keşfedildi.
3. Enerji değişimi
Hücre ve organizmaların çeşitli kısımlarında özel enzimlerin katılımıyla enerji metabolizmasının üç aşaması gerçekleştirilir.
İlk aşama hazırlıktır- di- ve polisakaritler, yağlar, proteinler, nükleik asitler içeren molekülleri daha küçük moleküllere parçalayan enzimlerin etkisi altında (sindirim organlarındaki hayvanlarda) ilerler: glikoz, gliserol ve yağ asitleri, amino asitler, nükleotitler. Bu, ısı şeklinde dağılan az miktarda enerjiyi serbest bırakır.
İkinci aşama anoksik veya eksik oksidasyondur. Anaerobik solunum (fermantasyon) olarak da adlandırılır veya glikoliz. Glikoliz enzimleri, sitoplazmanın sıvı kısmında lokalizedir - hyaloplazma. Glikoz, her molenin kademeli olarak bölündüğü ve enzimlerin katılımıyla iki üç karbonlu piruvik asit CH3 - CO - COOH molekülüne oksitlendiği, COOH'nin organik asitlerin bir karboksil grubu olduğu bölünmeye maruz kalır.
Glikozun bu dönüşümünde sırayla dokuz enzim yer alır. Glikoliz sürecinde, glikoz molekülleri oksitlenir, yani hidrojen atomları kaybolur. Bu reaksiyonlardaki hidrojen alıcısı (ve elektron) nikotinamid nindinükleotid (NAD+) molekülleridir, bunlar dizi olarak NADP+'a benzer ve sadece riboz molekülünde bir fosforik asit kalıntısının yokluğunda farklılık gösterir. Pirüvik asit, indirgenmiş NAD ile indirgendiğinde, glikolizin son ürünü olan laktik asit üretilir. Fosforik asit ve ATP, glikozun parçalanmasında rol oynar.
Özetle, bu süreç şöyle görünür:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 P0 4 + 2ADP \u003d 2C 3 H 6 0 3 + 2ATP + 2H 2 0.
Maya mantarlarında, oksijenin katılımı olmadan glikoz molekülü etil alkol ve karbondioksite dönüştürülür (alkolik fermantasyon):
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 P0 4 + 2ADP - 2C 2 H b 0H + 2C0 2 + 2ATP + 2H 2 O.
Bazı mikroorganizmalarda, oksijen olmadan glikozun parçalanması, asetik asit, aseton vb. oluşumuna neden olabilir. Her durumda, bir glikoz molekülünün bozulmasına, makroerjik bağlarda %40'ı olan iki ATP molekülünün oluşumu eşlik eder. enerjinin bir kısmı depolanır, kalanı ısı şeklinde dağılır.
Enerji metabolizmasının üçüncü aşaması(oksijen parçalanma aşaması , veya aerobik solunum aşaması) mitokondride gerçekleştirilir. Bu aşama mitokondriyal matris ve iç zar ile ilişkilidir; adı verilen bir enzimatik halka "konveyör" olan enzimler buna dahil olur. Krebs döngüsü, keşfeden bilim adamının adını almıştır. Birçok enzimin bu karmaşık ve uzun çalışma şekline aynı zamanda trikarboksilik asit döngüsü.
Mitokondriye girdikten sonra, piruvik asit (PVA) oksitlenir ve enerji açısından zengin bir maddeye dönüştürülür - asetil koenzim A veya kısaca asetil-CoA. Krebs döngüsünde asetil-CoA molekülleri farklı enerji kaynaklarından gelir. PVA oksidasyonu sürecinde, elektron alıcıları NAD +, NADH'ye indirgenir ve bir başka alıcı türü daha indirgenir - FAD'den FADH 2'ye (FAD, bir flavin adenin dinükleotididir). Bu moleküllerde depolanan enerji, evrensel biyolojik enerji akümülatörü olan ATP'yi sentezlemek için kullanılır. Aerobik solunum aşaması sırasında, NADH ve FADH2'den gelen elektronlar, son elektron alıcısına, moleküler oksijene transferlerinin çok aşamalı bir zinciri boyunca hareket eder. Transferde birkaç elektron taşıyıcı yer alır: koenzim Q, sitokromlar ve en önemlisi oksijen. Elektronlar solunum konveyörünün bir aşamasından diğerine geçtiğinde, ATP sentezi için harcanan enerji açığa çıkar. Mitokondri içinde, H + katyonları, su oluşturmak için O 2 ~ anyonları ile birleşir. Krebs döngüsünde CO2 ve elektron taşıma zincirinde - su oluşur. Aynı zamanda, oksijenin CO 2 ve H 2 0'a erişimi ile tamamen oksitlenen bir glikoz molekülü, 38 ATP molekülünün oluşumuna katkıda bulunur. Yukarıdakilerden, organik maddelerin oksijen bölünmesinin veya aerobik solunumun, hücreye enerji sağlamada ana rolü oynadığını takip eder. Oksijen eksikliği veya tamamen yokluğu ile oksijensiz, anaerobik, organik maddelerin bölünmesi meydana gelir; böyle bir işlemin enerjisi sadece iki ATP molekülü oluşturmak için yeterlidir. Bu sayede canlılar kısa bir süre oksijensiz yaşayabilirler.
Canlı hücre, özünde istikrarsız ve neredeyse olanaksız bir organizasyona sahiptir; hücre, yalnızca sürekli enerji tüketimi nedeniyle kırılgan yapısının karmaşık düzeninde çok özel ve güzel bir şekilde koruyabilir.
Enerji beslemesi durur durmaz hücrenin karmaşık yapısı parçalanır ve düzensiz ve organizasyonsuz bir duruma geçer. sağlamanın yanı sıra kimyasal süreçler hücrenin bütünlüğünü korumak için gerekli, çeşitli hücre tiplerinde, enerjinin dönüştürülmesi nedeniyle, vücudun hayati aktivitesi ile ilgili çeşitli mekanik, elektrik, kimyasal ve ozmotik işlemlerin uygulanması sağlanır.
Nispeten yakın zamanlarda çeşitli cansız kaynaklarda bulunan enerjiyi gerçekleştirmek için çıkarmayı öğrenmiş olmak. çeşitli işler, bir kişi hücrenin ne kadar ustaca ve ne kadar yüksek verimlilikle enerji dönüşümü ürettiğini anlamaya başladı. Canlı bir hücrede enerjinin dönüşümü, hücrede işleyen aynı termodinamik yasalarına uyar. cansız doğa. Termodinamiğin birinci yasasına göre, kapalı bir sistemin toplam enerjisi, herhangi bir fiziksel değişim için daima sabit kalır. İkinci yasaya göre, enerji iki biçimde var olabilir: "serbest" veya yararlı enerji biçiminde ve yararsız dağılmış enerji biçiminde. Aynı yasa, herhangi bir fiziksel değişimde, enerjiyi dağıtma, yani serbest enerji miktarını azaltma ve entropiyi artırma eğilimi olduğunu belirtir. Bu arada, canlı bir hücrenin sürekli bir serbest enerji akışına ihtiyacı vardır.
Mühendis, ihtiyaç duyduğu enerjiyi esas olarak yakıtta bulunan kimyasal bağların enerjisinden alır. Yakıtı yakarak kimyasal enerjiyi termal enerjiye dönüştürür; o zaman kullanabilir Termal enerjiörneğin bir buhar türbinini döndürmek ve böylece elektrik enerjisi elde etmek. Hücreler ayrıca "yakıt"ta bulunan kimyasal bağların enerjisini serbest bırakarak serbest enerji alırlar. Enerji, bu tür yakıt olarak hizmet eden besin maddelerini sentezleyen hücreler tarafından bu bağlantılarda depolanır. Ancak hücreler bu enerjiyi çok özel bir şekilde kullanırlar. Canlı bir hücrenin çalıştığı sıcaklık yaklaşık olarak sabit olduğundan, hücre iş yapmak için termal enerjiyi kullanamaz. Isı enerjisinin çalışabilmesi için, ısının daha sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme aktarılması gerekir. Bir hücrenin yakıtını kömürün yanma sıcaklığında (900°) yakamayacağı çok açıktır; ayrıca aşırı ısıtılmış buhara veya yüksek voltaj akımına maruz kalmaya dayanamaz. Hücre, oldukça sabit ve ayrıca düşük sıcaklık, seyreltik bir iyot ortamı ve hidrojen iyonlarının konsantrasyonunda çok hafif dalgalanmalar olan koşullar altında enerjiyi çıkarmalı ve kullanmalıdır. Yüzyıllar boyunca hücre, enerji alma yeteneğini kazanmak için organik dünya Bu ılıman koşullarda alışılmadık derecede etkili olan harika moleküler mekanizmalarını mükemmelleştirdi.
Hücrenin enerjinin alınmasını sağlayan mekanizmaları iki sınıfa ayrılır ve bu mekanizmalardaki farklılıklara göre tüm hücreler iki ana tipe ayrılabilir. Birinci tip hücrelere heterotrofik denir; insan vücudunun tüm hücrelerini ve tüm yüksek hayvanların hücrelerini içerirler. Bu hücreler, çok karmaşık bir yapıya sahip sürekli bir hazır yakıt kaynağına ihtiyaç duyar. kimyasal bileşim. Karbonhidratlar, proteinler ve yağlar, yani diğer hücre ve dokuların ayrı bileşenleri, onlar için yakıt görevi görür. Heterotrofik hücreler, atmosferin moleküler oksijenini (O 2 ) içeren solunum adı verilen bir süreçte bu karmaşık maddeleri (diğer hücreler tarafından üretilen) yakarak veya oksitleyerek enerji elde eder. Heterotrofik hücreler bu enerjiyi görevlerini yerine getirmek için kullanırlar. biyolojik fonksiyonlar son ürün olarak atmosfere karbondioksit salarken.
İkinci tipe ait hücrelere ototrofik denir. En tipik ototrofik hücreler, yeşil bitkilerin hücreleridir. Fotosentez sürecinde, güneş ışığının enerjisini kendi ihtiyaçları için kullanarak bağlarlar. Ek olarak, atmosferik karbondioksitten karbon çıkarmak için güneş enerjisini kullanırlar ve bunu en basit organik molekül olan glikoz molekülünü oluşturmak için kullanırlar. Glikozdan, yeşil bitkilerin ve diğer organizmaların hücreleri, bileşimlerini oluşturan daha karmaşık moleküller oluşturur. Bunun için gerekli enerjiyi sağlamak için, solunum sürecindeki hücreler, ellerindeki hammaddelerin bir kısmını yakarlar. Hücredeki enerjinin döngüsel dönüşümlerinin bu tanımından, tüm canlı organizmaların nihayetinde güneş ışığından enerji aldığı ve bitki hücrelerinin onu doğrudan güneşten ve hayvanlardan - dolaylı olarak aldığı açıkça ortaya çıkıyor.
Bu makalede ortaya konan ana soruların incelenmesi, hücre tarafından kullanılan enerjinin çıkarılması için birincil mekanizmanın ayrıntılı bir açıklamasına duyulan ihtiyaca dayanmaktadır. Karmaşık solunum ve fotosentez döngülerindeki adımların çoğu zaten keşfedilmiştir. Bu veya bu işlemin hangi belirli hücre organında gerçekleştiği belirlenmiştir. Solunum, hemen hemen tüm hücrelerde çok sayıda bulunan mitokondri tarafından gerçekleştirilir; fotosentez, kloroplastlar - yeşil bitkilerin hücrelerinde bulunan sitoplazmik yapılar tarafından sağlanır. Bu hücre oluşumlarında yer alan, yapılarını oluşturan ve işlevlerinin yerine getirilmesini sağlayan moleküler mekanizmalar, hücrenin incelenmesinde bir sonraki önemli aşamayı temsil eder.
Aynı iyi çalışılmış moleküller - adenozin trifosfat (ATP) molekülleri - besinlerden veya güneş ışığından solunum veya fotosentez merkezlerinden alınan serbest enerjiyi hücrenin tüm bölgelerine aktararak, enerji tüketimi ile meydana gelen tüm işlemlerin uygulanmasını sağlar. ATP ilk olarak yaklaşık 30 yıl önce Loman tarafından kas dokusundan izole edildi. ATP molekülü birbirine bağlı üç fosfat grubu içerir. Bir test tüpünde, uç grup, adenosin difosfat (ADP) ve inorganik fosfat ile sonuçlanan bir hidroliz reaksiyonu ile ATP molekülünden ayrılabilir. Bu reaksiyon sırasında ATP molekülünün serbest enerjisi termal enerjiye dönüştürülür ve termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi artar. Bununla birlikte, hücrede, terminal fosfat grubu hidroliz ile basitçe ayrılmakla kalmaz, alıcı görevi gören özel bir moleküle aktarılır. Aynı zamanda, ATP molekülünün serbest enerjisinin önemli bir kısmı, alıcı molekülün fosforilasyonu nedeniyle korunur, bu da şimdi artan enerji nedeniyle enerji tüketen işlemlere katılma yeteneği kazanır, örneğin, biyosentez veya kas kasılması süreçlerinde. Bu birleşik reaksiyonda bir fosfat grubu parçalandıktan sonra ATP, ADP'ye dönüştürülür. Hücre termodinamiğinde, ATP, enerji taşıyıcısının (adenosin fosfat) enerji açısından zengin veya "yüklü" bir formu ve ADP, enerji açısından zayıf veya "boşaltılmış" bir form olarak düşünülebilir.
Taşıyıcının ikincil "yüklenmesi", elbette, enerjinin çıkarılmasında yer alan iki mekanizmadan biri veya diğeri tarafından gerçekleştirilir. Hayvan hücrelerinin solunum sürecinde, besinlerde bulunan enerji oksidasyon sonucu açığa çıkar ve ADP ve fosfattan ATP yapımına harcanır. Bitki hücrelerinde fotosentez sırasında, güneş ışığının enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve adenosin fosfatın "yüklenmesine", yani ATP oluşumuna harcanır.
Fosforun radyoaktif izotopunu (P 32) kullanan deneyler, inorganik fosfatın ATP'nin terminal fosfat grubuna hızla dahil olduğunu ve onu tekrar terk ettiğini göstermiştir. Böbrek hücresinde terminal fosfat grubunun yenilenmesi o kadar hızlıdır ki yarı ömrü 1 dakikadan azdır; bu, bu organın hücrelerinde son derece yoğun bir enerji alışverişine karşılık gelir. ATP'nin canlı bir hücredeki aktivitesinin hiçbir şekilde kara büyü olmadığını da eklemek gerekir. Kimyacılar, canlı olmayan sistemlerde kimyasal enerjinin aktarıldığı birçok benzer reaksiyona aşinadır. ATP'nin nispeten karmaşık yapısı, en verimli düzenlemeyi sağlamak için yalnızca hücrede ortaya çıkmış gibi görünmektedir. kimyasal reaksiyonlar enerji transferi ile ilişkilidir.
ATP'nin fotosentezdeki rolü ancak son zamanlarda aydınlatılmıştır. Bu keşif, karbonhidrat sentezi sürecinde fotosentetik hücrelerin, tüm canlılar için birincil enerji kaynağı olan güneş enerjisini nasıl bağladığını büyük ölçüde açıklamayı mümkün kıldı.
Güneş ışığının enerjisi fotonlar veya kuantumlar şeklinde iletilir; farklı renklerde ışık veya farklı uzunluklar Farklı enerjilerle karakterize edilen dalgalar. Işık bazı metal yüzeylere düştüğünde ve bu yüzeyler tarafından emildiğinde, fotonlar metal elektronlarıyla çarpışma sonucu enerjilerini onlara aktarır. Bu fotoelektrik etki, elde edilen sonuç nedeniyle ölçülebilir. elektrik akımı. Yeşil bitkilerin hücrelerinde belirli dalga boylarındaki güneş ışığı emilir. yeşil pigment- klorofil. Absorbe edilen enerji, karmaşık bir klorofil molekülündeki elektronları ana enerji seviyesinden daha yüksek olana aktarır. yüksek seviye. Bu tür "uyarılmış" elektronlar, emdikleri enerjiyi vererek, tekrar ana kararlı enerji seviyelerine dönme eğilimindedir. Bir hücreden izole edilen saf bir klorofil preparasyonunda, emilen enerji, diğer fosforlu veya floresan organik ve inorganik bileşiklerde olduğu gibi, görünür ışık şeklinde yeniden yayılır.
Böylece klorofil, bir deney tüpü içinde olduğu için tek başına ışık enerjisini depolayamaz ve kullanamaz; bu enerji, bir kısa devre olmuş gibi hızla dağılır. Ancak hücrede klorofil diğer spesifik moleküllere sterik olarak bağlıdır; bu nedenle, ışık absorpsiyonunun etkisi altında, "sıcak" veya enerji açısından zengin uyarılmış bir duruma geldiğinde, elektronlar normal (uyarılmamış) enerji durumlarına geri dönmezler; bunun yerine elektronlar klorofil molekülünden ayrılır ve elektron taşıyıcı moleküller tarafından taşınır ve bu moleküller onları kapalı bir reaksiyon zinciri içinde birbirlerine iletir. Klorofil molekülünün dışına çıkarak, uyarılmış elektronlar yavaş yavaş enerjilerinden vazgeçerek klorofil molekülündeki orijinal yerlerine dönerler ve daha sonra ikinci fotonu emmeye hazır hale gelirler. Bu arada elektronlar tarafından verilen enerji, ADP ve fosfattan ATP oluşturmak için - başka bir deyişle fotosentetik hücrenin adenosin fosfat sistemini "yüklemek" için kullanılır.
Bu fotosentetik fosforilasyon sürecine aracılık eden elektron taşıyıcıları henüz tam olarak belirlenmemiştir. Bu taşıyıcılardan birinin riboflavin (B2 vitamini) ve K vitamini içerdiği görülüyor. Diğerleri geçici olarak sitokromlar (yer ve yapı olarak klorofilin porfirinine benzeyen porfirin gruplarıyla çevrili demir atomları içeren proteinler) olarak sınıflandırılır. Bu elektron taşıyıcılarından en az ikisi, ADP'den ATP'yi geri kazanmak için enerjilerinin bir kısmını bağlayabilir.
Bu, D. Arnon ve diğer bilim adamları tarafından geliştirilen, ışık enerjisinin ATP fosfat bağlarının enerjisine dönüştürülmesi için temel şemadır.
Ancak fotosentez sürecinde güneş enerjisinin bağlanmasına ek olarak karbonhidratların sentezi de gerçekleşir. Şimdi, uyarılmış klorofil molekülünün bazı "sıcak" elektronlarının, sudan kaynaklanan hidrojen iyonları ile birlikte, elektron taşıyıcılardan birinin - trifosfopiridin nükleotidinin indirgenmesine (yani, ek elektronların veya hidrojen atomlarının üretilmesine) neden olduğuna inanılmaktadır. (TPN, indirgenmiş form TPN-N'de).
Işığın yokluğunda meydana gelebildikleri için bu şekilde adlandırılan bir dizi karanlık reaksiyonda TPN-N, karbondioksitin karbonhidrata indirgenmesine neden olur. Bu reaksiyonlar için gereken enerjinin çoğu ATP'den gelir. Bu karanlık reaksiyonların doğası esas olarak M. Calvin ve çalışma arkadaşları tarafından araştırıldı. ESRD'nin ilk foto-indirgenmesinin yan ürünlerinden biri hidroksil iyonudur (OH-). Henüz elimizde tam bir veri olmamasına rağmen, bu iyonun elektronunu, son ürünü moleküler oksijen olan fotosentetik reaksiyonlar zincirindeki sitokromlardan birine bağışladığı varsayılmaktadır. Elektronlar, taşıyıcı zinciri boyunca hareket ederek ATP oluşumuna enerji katkılarını sağlar ve sonunda tüm fazla enerjilerini harcayarak klorofil molekülüne girerler.
Fotosentez sürecinin kesinlikle düzenli ve sıralı yapısından beklendiği gibi, klorofil molekülleri kloroplastlarda rastgele düzenlenmezler ve tabii ki kloroplastları dolduran sıvı içinde basitçe asılı kalmazlar. Aksine, klorofil molekülleri, kloroplastlarda - grana'da, aralarında liflerin veya onları ayıran zarların birbirine geçtiği düzenli yapılar oluşturur. Her grana içinde, yassı klorofil molekülleri yığınlar halinde bulunur; her molekül, bir elementin ayrı bir plakasına (elektrot), taneler - elementlere ve bir dizi tane (yani, tüm kloroplast) - bir elektrik piline benzer olarak kabul edilebilir.
Kloroplastlar ayrıca, klorofil ile birlikte "sıcak" elektronlardan enerjinin çıkarılmasında ve bu enerjinin karbonhidratları sentezlemek için kullanılmasında rol oynayan tüm özel molekülleri - elektron taşıyıcıları içerir. Hücreden çıkarılan kloroplastlar, tüm karmaşık fotosentez sürecini gerçekleştirebilir.
Bu minyatür güneş enerjisiyle çalışan fabrikaların verimliliği inanılmaz. Laboratuvarda, belirli özel koşullar altında, fotosentez sürecinde bir klorofil molekülüne gelen ışığın %75'ine kadarının kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü gösterilebilir; ancak bu rakam tam olarak doğru kabul edilemez ve bu konuda halen tartışmalar devam etmektedir. Tarlada, yaprakların güneş tarafından eşit olmayan şekilde aydınlatılması ve bir dizi başka nedenden dolayı, güneş enerjisinin kullanım verimliliği çok daha düşüktür - yaklaşık yüzde birkaç.
Bu nedenle fotosentezin son ürünü olan glikoz molekülü, moleküler konfigürasyonunda oldukça önemli miktarda güneş enerjisi içermelidir. Solunum sürecinde, heterotrofik hücreler, yeni oluşan ATP fosfat bağlarında içerdiği enerjiyi "korumak" için glikoz molekülünü kademeli olarak parçalayarak bu enerjiyi çıkarır.
Mevcut farklı şekiller heterotrofik hücreler. Bazı hücreler (örneğin, bazı deniz mikroorganizmaları) oksijensiz yaşayabilir; diğerleri (beyin hücreleri gibi) kesinlikle oksijene ihtiyaç duyar; diğerleri (örneğin kas hücreleri) daha çok yönlüdür ve hem ortamdaki oksijen varlığında hem de yokluğunda işlev görebilir. Ek olarak, çoğu hücre ana yakıt olarak glikoz kullanmayı tercih etse de, bazıları yalnızca amino asitler veya yağ asitleri pahasına var olabilir (sentez için ana hammadde hala aynı glikozdur). Bununla birlikte, karaciğer hücrelerinde bir glikoz molekülünün parçalanması, bildiğimiz çoğu heterotrof için tipik olan bir enerji üretim sürecinin bir örneği olarak kabul edilebilir.
Bir glikoz molekülünde bulunan toplam enerji miktarını belirlemek çok kolaydır. Laboratuarda belirli bir miktarda (numune) glikoz yakılarak, bir glikoz molekülü oksitlendiğinde 6 su molekülü ve 6 karbondioksit molekülünün oluştuğu ve reaksiyona formda enerji salınımının eşlik ettiği gösterilebilir. ısı (1 gram molekül başına yaklaşık 690.000 kalori, yani 180 gram glikoz başına). Isı biçimindeki enerji, neredeyse sabit bir sıcaklıkta çalışan bir hücre için elbette işe yaramaz. Bununla birlikte, solunum sırasında glikozun kademeli oksidasyonu, glikoz molekülünün serbest enerjisinin çoğunun hücre için uygun bir biçimde depolanacağı şekilde gerçekleşir.
Sonuç olarak hücre oksidasyon sırasında açığa çıkan tüm enerjinin %50'sinden fazlasını fosfat bağ enerjisi şeklinde alır. Böyle yüksek bir verimlilik, yakıtın yanmasından elde edilen termal enerjinin üçte birinden fazlasının mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürülmesinin nadiren mümkün olduğu, teknolojide genellikle elde edilen ile olumlu şekilde karşılaştırılır.
Hücrede glikoz oksidasyonu süreci iki ana aşamaya ayrılır. Glikoliz adı verilen ilk veya hazırlık aşamasında, altı karbonlu glikoz molekülü iki üç karbonlu laktik asit molekülüne parçalanır. Bu görünüşte basit süreç, bir değil en az 11 adımdan oluşur ve her adım farklı bir enzim tarafından katalize edilir. Bu işlemin karmaşıklığı, Newton'un "Natura entm simplex esi" ("doğa basittir") özdeyişiyle çelişiyor gibi görünebilir; ancak bu reaksiyonun amacının sadece glikoz molekülünü ikiye bölmek değil, bu molekülün içerdiği enerjiyi izole etmek olduğu unutulmamalıdır. Ara ürünlerin her biri fosfat grupları içerir ve sonuç olarak reaksiyonda iki ADP molekülü ve iki fosfat grubu kullanılır. Nihayetinde, glikozun parçalanmasının bir sonucu olarak, sadece iki laktik asit molekülü değil, ek olarak iki yeni ATP molekülü oluşur.
Bu enerji açısından ne anlama geliyor? Termodinamik denklemler, bir gram glikoz molekülü laktik asit oluşturmak üzere parçalandığında, 56.000 kalorinin salındığını göstermektedir. ATP'nin her gram molekülünü oluşturmak için 10.000 kalori bağlı olduğundan, bu aşamada enerji yakalama sürecinin verimliliği yaklaşık %36'dır - genellikle teknolojide ele alınan konular açısından çok etkileyici bir rakam. Bununla birlikte, fosfat bağ enerjisine dönüştürülen bu 20.000 kalori, bir gram glikoz molekülünün (690.000 kalori) içerdiği toplam enerjinin sadece küçük bir kısmını (yaklaşık %3) temsil eder. Bu arada, pek çok hücre, örneğin anaerobik hücreler veya aktivite halinde olan (ve şu anda nefes alamayan) kas hücreleri, bu ihmal edilebilir enerji kullanımı nedeniyle mevcuttur.
Glikoz laktik aside parçalandıktan sonra, aerobik hücreler kalan enerjilerinin çoğunu solunum yoluyla almaya devam ederler, bu sırada üç karbonlu laktik asit molekülleri bir karbon dioksit moleküllerine parçalanır. Laktik asit veya onun oksitlenmiş formu olan piruvik asit, her biri yine belirli bir enzim sistemi tarafından katalize edilen daha da karmaşık bir dizi reaksiyona girer. İlk olarak, üç karbonlu bileşik, asetik asit (asetil koenzim A) ve karbon dioksitin aktive edilmiş formunu oluşturmak üzere ayrışır. "İki karbonlu parça" (asetil koenzim A) daha sonra dört karbonlu bileşik olan oksaloasetik asit ile birleşir ve altı karbon atomu içeren sitrik asit ile sonuçlanır. Sitrik asit, bir dizi reaksiyon sırasında tekrar oksaloasetik aside dönüştürülür ve bu reaksiyon döngüsünde "hizmet edilen" piruvik asidin üç karbon atomu en sonunda karbon dioksit molekülleri verir. Sadece glikozu değil, daha önce asetik aside parçalanan yağ ve amino asit moleküllerini de "öğüten" (oksitleyen) bu "değirmen", Krebs döngüsü veya sitrik asit döngüsü olarak bilinir.
Döngü ilk olarak 1937'de G. Krebs tarafından tanımlanmıştır. Bu keşif modern biyokimyanın temel taşlarından biridir ve yazarı 1953'te Nobel Ödülü'ne layık görülmüştür.
Krebs döngüsü, laktik asidin karbon dioksite oksidasyonunun izini sürer; ancak bu döngü tek başına laktik asit molekülünde bulunan büyük miktardaki enerjinin canlı bir hücrede kullanıma uygun bir biçimde nasıl ekstrakte edilebileceğini açıklayamaz. Krebs döngüsüne eşlik eden bu enerji çıkarma süreci, son yıllar yoğun olarak incelenmiştir. Genel resim az ya da çok net, ancak keşfedilmeyi bekleyen birçok ayrıntı var. Görünüşe göre, Krebs döngüsü sırasında, enzimlerin katılımıyla, elektronlar ara ürünlerden ayrılır ve solunum zincirinin genel adı altında birleştirilen bir dizi taşıyıcı molekül boyunca aktarılır. Bu enzim molekülleri zinciri, biyolojik oksidasyon süreci sırasında besin moleküllerinden sıyrılan tüm elektronların son ortak yolunu temsil eder. Bu zincirin son halkasında elektronlar sonunda oksijenle birleşerek suyu oluşturur. Bu nedenle, solunum sırasında besinlerin parçalanması, elektronların sudan çıkarılmasının oksijen oluşumuna yol açtığı fotosentezin ters işlemidir. Ayrıca, solunum zincirindeki elektron taşıyıcıları, fotosentez sürecinde yer alan ilgili taşıyıcılara kimyasal olarak çok benzer. Bunlar arasında örneğin kloroplastınkine benzer riboflavin ve sitokrom yapıları bulunur. Bu, Newton'un doğanın basitliği hakkındaki özdeyişini doğrular.
Fotosentezde olduğu gibi, bu zincir boyunca oksijene geçen elektronların enerjisi yakalanır ve ADP ve fosfattan ATP sentezlemek için kullanılır. Aslında solunum zincirinde meydana gelen bu fosforilasyon (oksidatif fosforilasyon), nispeten yakın zamanda keşfedilen fotosentez sırasında meydana gelen fosforilasyondan daha iyi incelenmiştir. Örneğin, solunum zincirinde adenozin fosfatın "yüklü" olduğu, yani ATP'nin oluşturulduğu üç merkez olduğu kesin olarak tespit edilmiştir. Böylece Krebs döngüsü sırasında laktik asitten kopan her elektron çifti için ortalama üç ATP molekülü oluşur.
ATP'nin toplam çıktısına dayanarak, hücrenin glikozun oksidasyonu ile kendisine sağlanan enerjiyi çıkardığı termodinamik verimliliği hesaplamak şu anda mümkündür. Glikozun iki laktik asit molekülüne ön bölünmesi iki molekül ATP verir. Her laktik asit molekülü nihayetinde solunum zincirine altı çift elektron aktarır. Zincirden geçen her bir elektron çifti, üç ADP molekülünün ATP'ye dönüşmesine neden olduğundan, gerçek solunum sürecinde 36 ATP molekülü oluşur. Her bir gram ATP molekülünün oluşumunda, daha önce belirttiğimiz gibi, yaklaşık 10.000 kalori bağlıdır ve bu nedenle, 38 gram ATP molekülü, glikozun orijinal gram molekülünde bulunan 690.000 kalorinin yaklaşık 380.000'ini bağlar. Birleştirilmiş glikoliz ve solunum süreçlerinin verimliliği bu nedenle en az %55'e eşit olarak kabul edilebilir.
Solunum sürecinin aşırı karmaşıklığı, bileşenlerin çözelti içinde basitçe karıştırılması halinde, buna dahil olan enzimatik mekanizmaların işlev göremeyeceğinin bir başka göstergesidir. Tıpkı fotosentezde yer alan moleküler mekanizmaların belirli bir yapısal organizasyon ve kloroplast içine alınırlar, bu nedenle hücrenin solunum organları - mitokondri - aynı yapısal olarak düzenli sistemi temsil eder.
Bir hücrede, tipine ve işlevinin doğasına bağlı olarak, 50 ila 5000 mitokondri bulunabilir (bir karaciğer hücresi, örneğin yaklaşık 1000 mitokondri içerir). Normal bir mikroskopla görülebilecek kadar büyüktürler (3-4 mikron uzunluğunda). Bununla birlikte, mitokondrinin üst yapısı sadece bir elektron mikroskobunda fark edilebilir.
Elektron mikrograflarında, mitokondrinin iki zarı olduğu ve iç zarın mitokondri gövdesine uzanan kıvrımlar oluşturduğu görülebilir. Karaciğer hücrelerinden izole edilen yeni bir mitokondri araştırması, Krebs döngüsünde yer alan enzimlerin moleküllerinin matriste veya mitokondrinin iç içeriğinin çözünür kısmında yer aldığını, solunum zincirinin enzimlerinin ise solunum zincirinin enzimleri şeklinde olduğunu göstermiştir. moleküler "topluluklar" zarlarda bulunur. Zarlar, değişen protein ve lipid (yağ) molekül katmanlarından oluşur; kloroplastların granalarındaki zarlar aynı yapıya sahiptir.
Bu nedenle, hücrenin tüm ömrünün bağlı olduğu bu iki ana "güç istasyonunun" yapısında açık bir benzerlik vardır, çünkü bunlardan biri güneş enerjisini ATP'nin fosfat bağlarında "depolar" ve diğeri onu dönüştürür. besinlerde bulunan enerjiyi ATP enerjisine dönüştürür.
Modern kimya ve fizikteki ilerlemeler, son zamanlarda bazı büyük moleküllerin, örneğin bir dizi proteinin moleküllerinin ve DNA'nın, yani genetik bilgi içeren moleküllerin uzamsal yapısını netleştirmeyi mümkün kılmıştır.
Hücre çalışmasındaki bir sonraki önemli adım, büyük enzim moleküllerinin (bunlar kendileri proteindir) lipitlerle birlikte bulundukları mitokondriyal zarlardaki yerlerini bulmaktır - her katalizör molekülünün uygun oryantasyonunu sağlayan bir düzenleme. ve tüm çalışma mekanizmasının müteakip bağlantısı ile etkileşim olasılığı. Mitokondrinin "bağlantı şeması" zaten açık!
ile ilgili güncel bilgiler enerji santralleri hücreler, sadece klasik enerjiyi değil, aynı zamanda teknolojinin en son, çok daha parlak başarılarını da çok geride bıraktığını gösteriyor.
Elektronik, bilgi işlem cihazlarının kurucu unsurlarının yerleşimi ve boyutunun küçültülmesinde inanılmaz bir başarı elde etti. Ancak tüm bu başarılar, organik evrim sürecinde geliştirilen ve her canlı hücrede bulunan en karmaşık enerji dönüşüm mekanizmalarının kesinlikle inanılmaz minyatürleştirilmesiyle karşılaştırılamaz.
Bir hata bulursanız, lütfen bir metin parçasını vurgulayın ve tıklayın. Ctrl+Enter.
Yağlı ağaçların bol büyümesi,
çorak kuma kök salmış
kendi onayladı, açıkça belirtiyor ki
havadan yağlı yağlı tabakalar
absorbe etmek...
M.V. Lomonosov
Enerji bir hücrede nasıl depolanır? Metabolizma nedir? Glikoliz, fermantasyon ve hücresel solunum süreçlerinin özü nedir? Fotosentezin aydınlık ve karanlık evrelerinde hangi işlemler gerçekleşir? Enerji ve plastik değişim süreçleri nasıl ilişkilidir? kemosentez nedir?
ders-ders
Bir tür enerjiyi diğerine (radyan enerjiyi kimyasal bağların enerjisine, kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye vb.) dönüştürebilme yeteneği, canlıların temel özelliklerinden biridir. Burada bu süreçlerin canlı organizmalarda nasıl gerçekleştiğini ayrıntılı olarak ele alacağız.
ATP - HÜCRE ENERJİNİN ANA TAŞIYICI. Hücrelerin hayati aktivitesinin herhangi bir tezahürünün uygulanması için enerjiye ihtiyaç vardır. Ototrofik organizmalar fotosentez reaksiyonları sırasında ilk enerjiyi Güneş'ten alırken, heterotrofik organizmalar enerji kaynağı olarak gıdalardan gelen organik bileşikleri kullanır. Enerji, hücreler tarafından moleküllerin kimyasal bağlarında depolanır. ATP (adenosin trifosfat)üç fosfat grubu, bir şeker kalıntısı (riboz) ve bir azotlu baz kalıntısı (adenin) içeren bir nükleotit olan (Şekil 52).
Pirinç. 52. ATP molekülü
Fosfat kalıntıları arasındaki bağa makroerjik denir, çünkü kırıldığında büyük miktarda enerji açığa çıkar. Normalde, bir hücre sadece terminal fosfat grubunu çıkararak ATP'den enerji alır. Bu durumda ADP (adenosin difosfat), fosforik asit oluşur ve 40 kJ/mol salınır:
ATP molekülleri, hücrenin evrensel enerji pazarlık çipi rolünü oynar. Organik bileşiklerin enzimatik sentezi, proteinlerin çalışması - moleküler motorlar veya membran taşıma proteinleri vb. olsun, enerji yoğun bir işlemin bulunduğu yere iletilirler. ATP moleküllerinin ters sentezi, bir fosfat eklenerek gerçekleştirilir. grup, enerji emilimi ile ADP'ye dönüştürülür. Enerjinin hücre tarafından ATP şeklinde depolanması reaksiyonlar sırasında gerçekleştirilir. enerji metabolizması. O yakından ilişkilidir plastik değişim Bu sırada hücre, işleyişi için gerekli olan organik bileşikleri üretir.
HÜCRE İÇİ METABOLİZMA VE ENERJİ (METABOLİZMA). Metabolizma - birbirine bağlı tüm plastik ve enerji metabolizması reaksiyonlarının toplamı. Hücrelerde karbonhidratların, yağların, proteinlerin, nükleik asitlerin sentezi sürekli devam eder. Bileşiklerin sentezi her zaman enerji harcamasıyla, yani ATP'nin vazgeçilmez katılımıyla gelir. ATP oluşumu için enerji kaynakları, hücreye giren proteinlerin, yağların ve karbonhidratların oksidasyonunun enzimatik reaksiyonlarıdır. Bu süreç, ATP'de depolanan enerjiyi serbest bırakır. Glikoz oksidasyonu hücre enerji metabolizmasında özel bir rol oynar. Glikoz molekülleri bir dizi ardışık dönüşüme uğrar.
İlk aşama olarak adlandırılan glikoliz, hücrelerin sitoplazmasında yer alır ve oksijen gerektirmez. Enzimleri içeren ardışık reaksiyonların bir sonucu olarak, glikoz iki molekül pirüvik asit halinde parçalanır. Bu durumda iki ATP molekülü tüketilir ve oksidasyon sırasında açığa çıkan enerji dört ATP molekülü oluşturmak için yeterlidir. Sonuç olarak, glikolizin enerji verimi küçüktür ve iki ATP molekülüne tekabül eder:
C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP
Anaerobik koşullar altında (oksijen yokluğunda), daha fazla dönüşüm çeşitli tiplerle ilişkilendirilebilir. fermantasyon.
Herkes biliyor laktik fermantasyon(süt ekşimesi), laktik asit mantarlarının ve bakterilerinin aktivitesi nedeniyle oluşur. Mekanizma olarak glikolize benzer, burada sadece son ürün laktik asittir. Bu tip glikoz oksidasyonu, çalışkan kaslar gibi oksijen eksikliği olan hücrelerde meydana gelir. Kimyada laktik ve alkolik fermantasyona yakın. Fark, alkollü fermantasyon ürünlerinin etil alkol ve karbon dioksit olmasıdır.
Piruvik asidin karbon dioksit ve suya oksitlendiği bir sonraki aşama denir. hücresel solunum. Solunumla ilgili reaksiyonlar, bitki ve hayvan hücrelerinin mitokondrilerinde ve sadece oksijen varlığında gerçekleşir. Bu, nihai ürünün - karbondioksitin oluşumundan önceki bir dizi kimyasal dönüşümdür. Bu sürecin çeşitli aşamalarında, hidrojen atomlarının ortadan kaldırılmasıyla ilk maddenin oksidasyonunun ara ürünleri oluşur. Bu durumda, ATP'nin kimyasal bağlarında "korunan" enerji açığa çıkar ve su molekülleri oluşur. Oksijenin tam olarak ayrılmış hidrojen atomlarını bağlamak için gerekli olduğu açıkça ortaya çıkıyor. Bu kimyasal dönüşüm dizisi oldukça karmaşıktır ve mitokondrilerin, enzimlerin ve taşıyıcı proteinlerin iç zarlarının katılımıyla gerçekleşir.
Hücresel solunum çok yüksek bir verime sahiptir. 30 ATP molekülünün bir sentezi vardır, glikoliz sırasında iki molekül daha oluşur ve glikoliz ürünlerinin mitokondriyal zarlarda dönüştürülmesinin bir sonucu olarak altı ATP molekülü oluşur. Toplamda, bir glikoz molekülünün oksidasyonu sonucunda 38 ATP molekülü oluşur:
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP
Mitokondride sadece şekerlerin değil, proteinlerin ve lipidlerin de oksidasyonunun son aşamaları gerçekleşir. Bu maddeler, esas olarak karbonhidrat arzı sona erdiğinde hücreler tarafından kullanılır. İlk olarak, oksidasyon sırasında eşit miktarda karbonhidrat ve proteinden çok daha fazla enerjinin salındığı yağ tüketilir. Bu nedenle hayvanlardaki yağ, enerji kaynaklarının ana "stratejik rezervidir". Bitkilerde nişasta bir enerji rezervi rolü oynar. Depolandığında, enerji eşdeğeri bir yağ miktarından önemli ölçüde daha fazla yer kaplar. Bitkiler için bu bir engel değildir, çünkü hareketsizdirler ve hayvanlar gibi kendi üzerlerinde rezerv taşımazlar. Karbonhidratlardan yağlardan çok daha hızlı enerji elde edebilirsiniz. Proteinler vücutta birçok önemli işlevi yerine getirir, bu nedenle enerji metabolizmasına yalnızca şeker ve yağ kaynakları tükendiğinde, örneğin uzun süreli açlık sırasında katılırlar.
FOTOSENTEZ. Fotosentez enerjinin olduğu bir süreçtir. Güneş ışınları organik bileşiklerin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülür. Bitki hücrelerinde fotosentez ile ilgili işlemler kloroplastlarda gerçekleşir. Bu organelin içinde, Güneş'in parlak enerjisini yakalayan pigmentlerin gömülü olduğu zar sistemleri vardır. Fotosentezin ana pigmenti, esas olarak mavi ve menekşe ile spektrumun kırmızı ışınlarını emen klorofildir. Yeşil ışık yansıtılır, bu nedenle klorofilin kendisi ve onu içeren bitki kısımları yeşil görünür.
Fotosentezde iki aşama vardır - ışık ve karanlık(Şek. 53). Radyan enerjinin gerçek yakalanması ve dönüştürülmesi, ışık fazı sırasında meydana gelir. Işık kuantumunu emerken, klorofil uyarılmış bir duruma geçer ve bir elektron donörü olur. Elektronları, elektron taşıma zinciri boyunca bir protein kompleksinden diğerine aktarılır. Bu zincirin proteinleri, pigmentler gibi, kloroplastların iç zarında yoğunlaşmıştır. Bir elektron taşıyıcı zincirden geçtiğinde, ATP'yi sentezlemek için kullanılan enerjiyi kaybeder. Işıkla uyarılan elektronların bazıları NDP'yi (nikotinamid adenin dinükleotifosfat) veya NADPH'yi azaltmak için kullanılır.
Pirinç. 53. Fotosentezin açık ve koyu faz reaksiyonlarının ürünleri
Kloroplastlarda güneş ışığının etkisi altında, su moleküllerinin bölünmesi de meydana gelir - fotoliz; bu durumda, klorofil tarafından kayıplarını telafi eden elektronlar ortaya çıkar; Yan ürün olarak oksijen oluşur:
Bu nedenle, ışık fazının işlevsel anlamı, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek ATP ve NADP·H'nin sentezinde yatmaktadır.
Fotosentezin karanlık aşaması ışığa ihtiyaç duymaz. Burada meydana gelen süreçlerin özü, hafif fazda elde edilen ATP ve NADP·H moleküllerinin, karbonhidrat formunda CO2'yi "sabitleyen" bir dizi kimyasal reaksiyonda kullanılmasıdır. Karanlık fazın tüm reaksiyonları kloroplastların içinde gerçekleştirilir ve karbondioksitin "sabitlenmesi" sırasında salınan ADP ve NADP, yine ATP ve NADP H sentezi için hafif fazın reaksiyonlarında kullanılır.
Genel fotosentez denklemi aşağıdaki gibidir:
PLASTİK VE ENERJİ DEĞİŞİMİ SÜREÇLERİNİN İLİŞKİ VE BİRLİĞİ. ATP sentezi süreçleri sitoplazmada (glikoliz), mitokondride (hücresel solunum) ve kloroplastlarda (fotosentez) meydana gelir. Bu süreçler sırasında meydana gelen tüm reaksiyonlar, enerji alışverişi reaksiyonlarıdır. ATP formunda depolanan enerji, hücrenin yaşamı için gerekli proteinlerin, yağların, karbonhidratların ve nükleik asitlerin üretimi için plastik değişim reaksiyonlarında harcanır. Fotosentezin karanlık fazının bir reaksiyonlar zinciri, plastik değişim ve ışık fazının enerji olduğuna dikkat edin.
Enerji ve plastik değişim süreçlerinin ilişkisi ve birliği, aşağıdaki denklemle iyi bir şekilde gösterilmiştir:
Bu denklemi soldan sağa okuyarak, ATP sentezi (enerji metabolizması) ile ilişkili glikoliz ve hücresel solunum sırasında glikozun karbondioksit ve suya oksidasyon sürecini elde ederiz. Sağdan sola okursanız, ATP'nin (plastik metabolizma) katılımıyla glikoz su ve karbondioksitten sentezlendiğinde fotosentezin karanlık fazının reaksiyonlarının bir tanımını alırsınız.
KEMOSENTEZ. Fotoototroflara ek olarak, bazı bakteriler (hidrojen, nitrifikasyon, kükürt bakterileri vb.) de inorganik maddelerden organik maddeleri sentezleyebilir. Bu sentezi inorganik maddelerin oksidasyonu sırasında açığa çıkan enerji nedeniyle gerçekleştirirler. Bunlara kemoototroflar denir. Bu kemosentetik bakteriler, önemli rol biyosferde. Örneğin, nitrifikasyon bakterileri, bitkilerin erişemeyeceği amonyum tuzlarını tuzlara dönüştürür. Nitrik asit onlar tarafından iyi emilir.
Hücresel metabolizma, enerji ve plastik metabolizma reaksiyonlarından oluşur. Enerji metabolizması sırasında makroerjik organik bileşiklerin oluşumu Kimyasal bağlar- ATP. Bunun için gerekli enerji, anaerobik (glikoliz, fermantasyon) ve aerobik (hücresel solunum) reaksiyonlar sırasında organik bileşiklerin oksidasyonundan gelir; enerjisi ışık fazında emilen güneş ışınlarından (fotosentez); inorganik bileşiklerin oksidasyonundan (kemosentez). ATP'nin enerjisi, fotosentezin karanlık fazının reaksiyonlarını içeren plastik değişim reaksiyonları sırasında hücre için gerekli organik bileşiklerin sentezine harcanır.
- Plastik ve enerji metabolizması arasındaki farklar nelerdir?
- Güneş ışığının enerjisi fotosentezin ışık aşamasına nasıl dönüştürülür? Fotosentezin karanlık aşamasında hangi süreçler gerçekleşir?
- Fotosentez neden gezegen-kozmik etkileşimin yansıma süreci olarak adlandırılır?
Yeşil bitkilerin temel özelliği fotosentez yapabilme yeteneğidir.Bitkiler, tüm canlı organizmalar gibi, yemek, nefes almak, gereksiz maddeleri uzaklaştırmak, büyümek, çoğalmak, çevresel değişikliklere cevap vermek. Bütün bunlar, vücudun ilgili organlarının çalışmasıyla sağlanır. Normal olarak, organlar organ sistemlerini oluştururlar. ortak çalışma canlı bir organizmanın belirli bir işlevinin performansını sağlamak. Böylece, canlı bir organizma bir biyosistem olarak temsil edilebilir. Canlı bir bitkideki her organ belirli bir görevi yerine getirir. Kök minerallerle topraktan suyu emer ve topraktaki bitkiyi güçlendirir. Gövde yaprakları ışığa doğru taşır. Su, gövdenin yanı sıra mineral ve organik maddeler boyunca hareket eder. Yaprağın kloroplastlarında, ışıkta beslendikleri inorganik maddelerden organik maddeler oluşur. hücreler tüm bedenler bitkiler. Yapraklar suyu buharlaştırır.
Vücudun herhangi bir organının çalışması bozulursa, bu diğer organların ve tüm organizmanın çalışmasında bozulmaya neden olabilir. Örneğin, kökten su akışı durursa, tüm bitki ölebilir. Bitki yapraklarda yeterli klorofil üretmezse, hayati aktivitesi için yeterli miktarda organik madde sentezleyemez.
Böylece, organizmanın hayati aktivitesi, tüm organ sistemlerinin birbirine bağlı çalışmasıyla sağlanır. Canlılık, vücutta gerçekleşen tüm süreçlerdir.
Beslenme yoluyla vücut yaşar ve büyür. Beslenme sürecinde gerekli maddeler çevreden emilir. Daha sonra vücuda emilirler. Bitkiler topraktan su ve mineralleri emer. Bitkilerin yer üstü yeşil organları havadaki karbondioksiti emer. Su ve karbondioksit, bitkiler tarafından vücut hücrelerini yenilemek, büyümek ve gelişmek için kullanılan organik maddeleri sentezlemek için kullanılır.
Solunum sırasında gaz değişimi gerçekleşir. Oksijen çevreden emilir ve vücuttan karbondioksit ve su buharı salınır. Oksijen, tüm canlı hücrelerin enerji üretmesi için gereklidir.
Metabolizma sürecinde, çevreye salınan vücut için gereksiz maddeler oluşur.
Bir bitki belirli bir büyüklüğe ve türü için gerekli yaşa ulaştığında, yeterince uygun çevre koşullarında ise üremeye başlar. Üreme sonucunda birey sayısı artar.
Hayvanların büyük çoğunluğunun aksine, bitkiler yaşamları boyunca büyürler.
Organizmalar tarafından yeni özellikler edinilmesine gelişme denir.
Beslenme, solunum, metabolizma, büyüme ve gelişme ile üreme, bitkinin çevresel koşullarından etkilenir. Yeterince elverişli değillerse, bitki kötü büyüyebilir ve gelişebilir, hayati süreçleri bastırılacaktır. Bu nedenle, bitkilerin hayati aktivitesi çevreye bağlıdır.
Soru 3_Hücre zarı, işlevleri, bileşimi, yapısı. Birincil ve ikincil kabuk.
Herhangi bir organizmanın hücresi, ayrılmaz bir canlı sistemdir. Ayrılmaz şekilde birbirine bağlı üç bölümden oluşur: zar, sitoplazma ve çekirdek. Hücrenin kabuğu ile doğrudan etkileşime girer. dış ortam ve komşu hücrelerle etkileşim (çok hücreli organizmalarda). hücre zarı. Hücre duvarı vardır karmaşık yapı. Bir dış katman ve bunun altında bulunan bir plazma zarından oluşur.Bitkilerde olduğu kadar bakterilerde, mavi-yeşil alglerde ve mantarlarda, hücrelerin yüzeyinde yoğun bir zar veya hücre duvarı bulunur. Çoğu bitkide liflerden oluşur. Hücre duvarı son derece önemli bir rol oynar: bir dış çerçevedir, koruyucu bir kabuktur, bitki hücrelerinin turgorunu sağlar: su, tuzlar, birçok organik maddenin molekülleri hücre duvarından geçer.
Hücre çeperi veya duvar - hücrenin dışında bulunan sert bir kabuk Sitoplazmik membran ve yapısal, koruyucu ve taşıma işlevlerini yerine getirmek. Çoğu bakteri, arke, mantar ve bitkide bulunur. Hayvanlar ve birçok protozoanın hücre duvarı yoktur.
Fonksiyonlar hücre çeperi:
1. Taşıma işlevi, hücre ile dış ortam arasındaki metabolizmanın seçici olarak düzenlenmesini, maddelerin hücreye girmesini (membranın yarı geçirgenliği nedeniyle) ve ayrıca hücrenin su dengesinin düzenlenmesini sağlar.
1.1. Transmembran taşıma (yani membran boyunca):
- Difüzyon
- Pasif taşıma = kolaylaştırılmış difüzyon
- Aktif = seçici taşıma (ATP ve enzimlerin katılımıyla).
1.2. Membran ambalajda taşıma:
- Ekzositoz - maddelerin hücreden salınması
- Endositoz (fago- ve pinositoz) - maddelerin hücre tarafından emilmesi
2) alıcı işlevi.
3) Destek ("iskelet")- Hücrenin şeklini korur, güç verir. Bu esas olarak hücre duvarının bir işlevidir.
4) hücre izolasyonu(canlı içeriği) çevreden.
5) koruyucu işlev.
6) komşu hücrelerle temas. Hücrelerin dokulara bağlanması.