Что такое энергия в биологии

Энергетика живой клетки

Преобразование энергии в животной клетке

Неспособные к фотосинтезу клетки (например, человека) получают энергию из пищи, которой служит или биомасса растений, созданная в результате фотосинтеза, или биомасса других живых существ, питающихся растениями, или останки любых живых организмов.

Питательные вещества (белки, жиры и углеводы) преобразуются животной клеткой в ограниченный набор низкомолекулярных соединений – органических кислот, построенных из атомов углерода, которые с помощью специальных молекулярных механизмов окисляются до углекислоты и воды. При этом освобождается энергия, она аккумулируется в форме электрохимической разности потенциалов на мембранах и используется для синтеза АТФ или напрямую для совершения определенных видов работы.

История изучения проблем преобразования энергии в животной клетке, как и история фотосинтеза, насчитывает более двух веков.

У аэробных организмов окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды протекает с помощью кислорода и называется внутриклеточным дыханием, которое происходит в специализированных частицах – митохондриях. Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке во внутренних мембранах митохондрий. Эти ферменты составляют так называемую дыхательную цепь и работают как генераторы, создавая разность электрохимических потенциалов на мембране, за счет которой синтезируется АТФ, подобно тому, как это происходит при фотосинтезе.

Основная задача и дыхания и фотосинтеза — поддерживать соотношение АТФ/АДФ на определенном уровне, далеком от термодинамического равновесия, что и позволяет АТФ служить донором энергии, смещая равновесие тех реакций, в которых он участвует.

Основными энергетическими станциями живых клеток служат митохондрии — внутриклеточные частицы размером 0,1–10μ, покрытые двумя мембранами. В митохондриях свободная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ. Когда АТФ соединяется с водой, при нормальных концентрациях реагирующих веществ, выделяется свободная энергия порядка 10 ккал/моль.

Источник

Энергия в клетке. Использование и хранение

Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.

Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.

Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.

При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.

Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.

Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.

Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Превратили ее в энергию. Что это значит?
Сделаем небольшое отступление.

Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.

Разберем на примере.

Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).

Выглядит примерно так.

В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.

Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.

То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.

Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.

Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.

А если серьезно, то:

Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.

Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.

Источник

Энергия живой клетки. Энергия-путешественница.

Любая энергетическая система, любое устройство, совершающее ту или иную работу, всегда разделяется на три основных части: источник энергии, передающее устройство и исполняющие механизмы. В соответствии с этим можно выделить три различных, но взаимно связанных процесса: выработка или освобождение энергии, передача ее на расстояние и потребление. В живой клетке существуют свои особые приемы и способы хранения, передачи и переработки энергии.

Один из основных сводится к тому, что клетка всегда сторонится тепловой формы энергии. Она умудряется энергию химических связей непосредственно превращать в механическую энергию в мышце, в электрическую — в нерве и нервной клетке, в работу фильтрации жидкостей в почках и т. д.

Организм человека и животных обходится без обязательного в технике промежуточного превращения химической энергии в тепло, в энергию беспорядочного хаотического движения молекул. А ведь нельзя забывать, что именно этот тепловой этап является ахиллесовой пятой современных двигателей, благодаря чему и растрачивается впустую, на ветер 70—90 процентов энергии.

Это достигается в частности тем, что потенциальная энергия, заключенная в химических связях, переходя на белковые полимеры, из которых состоят мышцы нашего тела, способна быстро изменять их свойства: более компактно упаковывать составные части молекул мышечного волокна. Изменения конфигурации полимеров, образующих наши мышцы, сопровождается потреблением энергии и приводит к укорочению мышц. А укорочение мышцы, то есть ее сокращение, — это и есть совершение механической работы: поднятие гири рукой, движение человека при ходьбе и т. д.

Обеспечивают живую клетку энергией — доступной, всегда пригодной для употребления — сложные фосфорные эфиры. Старинное изречение «без фосфора нет мысли» можно было бы даже расширить: без фосфора нет движения, работы, нет жизни. Дело в том, что фосфор способен образовывать богатые энергией или, как их еще называют, макроэргические связи. Образно говоря, эту химическую связь можно уподобить сильно закрученной часовой пружине. Стоит разрушить эту связь — а она легко и быстро может быть разрушена в нужный момент — как пружина энергично раскручивается и совершает работу.

В одном случае она толкнет соседнюю молекулу с такой силой, что та перелетит через неприступный ранее для нее барьер. В другом, как при сокращении мышц нашего тела, она вызовет натяжение, сокращение расстояний между соседними молекулами. В третьем случае разогнанные молекулы столкнутся друг с другом так сильно, что совершится необходимая химическая реакция.

Таким путем организм человека и животных обходится без обязательного превращения химической энергии в тепло. Одновременно макроэргические связи фосфора являются средством транспортировки энергии по жидкой части клетки. Энергия путешествует в молекулах аденозинтрофосфорной кислоты, как в комфортабельных океанских пароходах. Передвигаясь по воде под влиянием диффузии и внутриклеточных токов жидкости, так сказать океанических течений, молекулы этих веществ доставляют энергию ко всем «уголкам» клетки.

Однако у этого способа передачи энергии на расстояние есть и свой существенный изъян — его медлительность. Жди-пожди, когда-то «приплывет» энергия, необходимая немедленно, сию же секунду. В этих случаях на помощь приходит другой, открытый буквально за последние годы механизм передачи энергии на расстояние — миграция энергии. Этот вид передачи энергии на расстояние в живой материи осуществляется практически мгновенно, при этом энергия переправляется по внутриклеточным образованиям, состоящим из белка.

Совсем недавно ученые узнали, что белок — это полупроводник. Известно, что ракета — искусственный член солнечной системы, созданный руками человека,— не испытывает сопротивления движению при полете в разреженном космическом пространстве и будет обращаться по своей орбите практически вечно, сохраняя в неприкосновенности запас кинетической и потенциальной энергии, полученной ею при запуске. Нечто подобное наблюдается и в молекуле белка.

В белке формируется так называемая зона проводимости, по которой свободные электроны могут двигаться почти беспрепятственно. Образуется она за счет строгого упорядочения в пространстве химических связей, плотно сшивающих между собой составные части белков — аминокислоты.

Белок, состоящий из сшитых концами аминокислот, не просто вытянут в виде цепочки. Если бы он был устроен таким способом, то длина одной его молекулы достигала бы десятых долей миллиметра!

На самом же деле длина белковых молекул не превышает обычно сотых долей микрона, причем любопытно то, что белковые молекулы слона не крупнее подобных молекул блохи или даже микробной клетки. Такое уменьшение длины белковой молекулы обеспечивается ее скручиванием. Белок можно сравнить с плотным клубком из спиральки электрической плитки. Иными словами, молекула белка закручена дважды: один раз в виде спирали, а другой раз уже сама спираль свернута в клубок.

Если бы в наших руках оказался вдруг немыслимо крохотный молоточек, то после удара по молекуле белка он отскочил бы от нее, как от эбонитового шара: такова упругость молекул белка, из которых в основном построены наши глаза, губы, нос, сердце, мозг. Вот эта-то плотная «упаковка» молекул и обеспечивает полупроводниковые свойства белка. В туго закрученной спирали белка происходит пространственное сближение соседних групп атомов СО. Между ними как бы перекидывается водородный мостик, который, если подкинуть на него электрон, позволяет электрону беспрепятственно, без всякого сопротивления перемещаться в пределах всей сложной молекулы белка.

Этот блуждающий общий и одновременно ничей электрон-космополит в состоянии поднимать на свои плечи порцию энергии и, не расходуя ее по дороге, переносить по назначению на большие расстояния. Так осуществляется миграция энергии. От известных в технике полупроводников белок отличается своим крайне капризным характером: его полупроводниковые свойства проявляются только при благоприятных условиях. Нагревание, высушивание, даже действие сильно разведанных щелочей и кислот ослабляет полупроводниковые свойства белков…

Источник

Биологическая энергия — источник топлива

Биологическая энергия один из источников способный совершать работу. Ископаемые виды топлива сейчас поставляют более чем 80% энергии в мире. Но поскольку существуют энергетические кризисы и появление проблемы парникового эффекта, ведется поиск альтернативных источников.

Кроме того его сгорание производит только воду.

Каталитическая химия уже позволяет выделить устойчивый водород, используя воду в качестве исходного сырья, платину и иридий в качестве активных материалов. Поскольку такие элементы являются дорогими эта технология не может применяться в глобальном масштабе.

Чтобы преодолеть это препятствие, химики начали искать у природы так называемый катализатор преобразования протонов молекулярного водорода с производительностью сопоставимой с применением платины. Предложено применить ферменты непосредственно в производстве. Тем не менее, их высокая эффективность стимулировала поиск сопоставимых молекулярных комплексов для производства водорода с высокой производительностью.

Энергия биологических систем

Биотехнология может предоставить способ для использования водорода в качестве источника экологически чистой энергии. Одним из возможных вариантов получения водорода является использование ферментов, называемых трансгидрогеназы, которые естественно возникают у различных микроорганизмов, живущих в анаэробных экосистемах.

Трансгидрогеназы катализируют (ускоряют) преобразование протонов молекул водорода (H₂) с высвобождением энергии, которая может быть использована, например, в топливных элементах и поэтому может быть частью биотехнических устройств. Активным катализатором служат металлические ионы (железо и никель). Железо является активным веществом для производства молекул водорода. Сложной проблемой для того, чтобы использовать трансгидрогеназы в биотехнологических приложениях является то, что при аэробных условиях биореактора (под нормальным давлением) молекулярный кислород ухудшает активность получения энергии. Понимание механизма процесса влияния имеет важное значение для разработки водорода на основе природных топливных элементов.

Кислород подавляет трансгидрогеназы, группу ферментов, которые могут производить и разделять водород. Это влияние является фатальным для возможных биотехнологических применений ферментов при производстве экологически чистой биологической энергии.

Чтобы решить эту проблему команда исследователей провела эксперименты молекулярного моделирования и теоретические расчеты. С помощью электрохимических методов, точно измеряется различная реакция кислорода на фермент.

Исследование позволяет однозначно охарактеризовать сложные реакции, которые происходят в крупных биологических макромолекулах с использованием инновационного сочетания вычислительных и экспериментальных подходов. Хотя важные проблемы для промышленного применения остаются впереди, исследование открывает новые возможности для эффективного использования ферментов из живых систем для производства экологически чистой биологической энергии.

За последнее десятилетие многочисленные синтетические комплексы структурно и функционально имитировали активные ферменты. Большинство из этих синтетических соединений показывают серьезные недостатки, такие как низкая эффективность и стабильность с требованием наличия органических растворителей.

Сейчас исследователи института молекулярных наук разрабатывают новый катализатор с низкой стоимостью для крупномасштабного производства водорода из биологических источников энергии.

Биологическая энергия в виде производства водорода перспективное направление.

Источник

Зачем живым организмам энергия? Откуда они это берут и как

Клетки не могут выжить сами по себе. Им нужна сила, чтобы остаться в живых. Им нужна энергия для выполнения таких функций, как рост, поддержание баланса, восстановление, размножение, движение и защита. Это означает, что все живые организмы должны получать и использовать энергию для жизни.

Хотя солнце является отличным источником энергии, не все формы жизни могут напрямую использовать солнечную энергию. В этом уроке рассказывается, как растения преобразуют солнечную энергию в потенциальную энергию, хранящуюся в сахаре, как живые организмы используют энергию сахара для выполнения работы и как взаимосвязь между фотосинтезом и клеточным дыханием необходима для жизни.

Энергия и жизнь

Организмы используют сахар как источник энергии для работы.

Сахар — это энергия

Все живые существа нуждаются в энергии для работы, необходимой для выживания и воспроизводства. Это верно для бактерий, растений и животных. Энергия — это просто способность выполнять работу, когда работа выполняется, когда сила перемещает объект. Давайте на мгновение рассмотрим ваши собственные потребности. Вам нужна энергия, чтобы включить и выключить компьютер. Вам нужна энергия, чтобы встать с постели по утрам. Вам даже нужна энергия, чтобы послушать этот урок и подумать о том, о чем он говорит. И да, вам нужна энергия для воспроизводства.

На Земле энергия в конечном итоге исходит от Солнца. Растения используют энергию солнца для производства сахара. Организмы, в свою очередь, используют сахар как источник энергии для работы.

Растения используют энергию солнечного света для производства сахара и кислорода из углекислого газа и воды. Процесс, при котором углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород с помощью солнечного света, называется фотосинтезом. Это эндергоническая реакция, то есть для реакции требуется энергия. В частности, для соединения двуокиси углерода и молекул воды с образованием сахара требуется энергия. Солнце обеспечивает энергию, необходимую для фотосинтеза, и часть энергии, используемой для производства сахара, хранится в молекуле сахара.

Солнце дает энергию, необходимую для фотосинтеза

Организмы расщепляют сахар, чтобы высвободить накопленную энергию. Энергия, выделяющаяся при расщеплении сахара, используется клетками для производства другого химического вещества, которое мы называем аденозинтрифосфатом или просто сокращенно АТФ. Синтез АТФ клетками называется клеточным дыханием. Это экзэргоническая реакция, поскольку в результате реакции выделяется энергия. Энергия высвобождается, когда сахар распадается на более мелкие части: углекислый газ и воду. Как вы можете видеть на экране, сахар и кислород являются реагентами, а углекислый газ и вода — продуктами клеточного дыхания.

Так и должно быть, потому что клеточное дыхание — это просто обратный процесс фотосинтеза. Фотосинтез и клеточное дыхание связаны, поскольку продукты одного становятся реагентами для другого. Фактически, клеточное дыхание и фотосинтез зависят друг от друга.

Источник