Министерство образования
и науки РФ
Государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Волгоградский Государственный
Технический Университет
(ВолгГТУ)
Кафедра ПЭБЖ
Реферат по микробиологии
за
VI семестр
Внутриклеточный
поток энергии. Образование и роль АТФ
Выполнил:
студент гр. ХТ-345
Шепельков С.Г.
Проверил:
проф. Самыгин В. М.
Волгоград, 2013
Содержание
Введение...................................................................................................................3
1 Общая характеристика энергетических
процессов...........................................4
2 АТФ и механизм его образования
.....................................................................6
3 Роль АТФ как химического источника
энергии клетки.................................10
Заключение.............................................................................................................12
Список использованной литературы...................................................................13
Введение
Энергетические процессы прокариот
по своему объему (масштабности) значительно
превосходят процессы биосинтетические,
и протекание их приводит к существенным
изменениям в окружающей среде. Разнообразны
и необычны в этом отношении возможности
прокариот, способы их энергетического
существования. Все это вместе взятое
сосредоточило внимание исследователей
в первую очередь на изучении энергетического
метаболизма прокариот. Поэтому актуальность
выбранной темы во многом определяется
необходимостью знания о различных внутриклеточных
потоках энергии, в частности АТФ. Цель
написания реферата заключается в рассмотрении
внутриклеточного потока энергии. Для
достижения цели в реферате поставлены
следующие задачи:
1) рассмотреть общую характеристику
энергетических процессов;
2) выяснить и рассмотреть
механизм образования АТФ;
3) показать, что АТФ является
одним из наиболее важных источников
энергии в клетке.
1 Общая характеристика
энергетических процессов
Организмы могут использовать
не все виды энергии, существующей в природе.
Недоступными для них являются ядерная,
механическая, тепловая виды энергии.
Чтобы теплота могла служить источником
энергии, необходим большой перепад температур,
который в живых организмах невозможен.
Доступными для живых систем внешними
источниками энергии (энергетическими
ресурсами) являются электромагнитная
(физическая) энергия (свет определенной
длины волны) и химическая (восстановленные
химические соединения). Способностью
использовать энергию света обладает
большая группа фотосинтезирующих организмов,
в том числе и прокариот, имеющих фоторецепторные
молекулы нескольких типов (хлорофиллы,
каротиноиды, фикобилипротеины). Для всех
остальных организмов источниками энергии
служат процессы окисления химических
соединений [1]. На рисунке 1 представлена
схема потока энергии в клетке[4].
Рис. 1 Поток энергии
в клетке
Часто энергетическими ресурсами
служат биополимеры, находящиеся в окружающей
среде (полисахариды, белки, нуклеиновые
кислоты), а также липиды. Прежде чем быть
использованными, биополимеры должны
быть гидролизованы до составляющих их
мономерных единиц. Этот этап весьма важен
по следующим причинам. Белки и нуклеиновые
кислоты отличаются исключительным разнообразием.
Количество видов белков исчисляется
тысячами, после гидролиза же образуется
только 20 аминокислот. Все разнообразие
нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) после гидролиза
сводится к 5 видам нуклеотидов. Поэтому
расщепление полимеров до мономерных
единиц резко сокращает набор химических
молекул, которые могут быть использованы
организмом.
Таким образом, внешние доступные
организмам источники энергии (свет, химические
соединения) должны быть трансформированы
в клетке в определенную форму, чтобы обеспечить
внутриклеточные потребности в энергии.
В самом общем виде процессы,
способные служить источником энергии
для прокариот, можно представить следующим
образом [1]:
А В + е–.
У прокариот известны три способа
получения энергии: разные виды брожения,
дыхания и фотосинтеза.
В процессах брожения в определенных
окислительно-восстановительных реакциях
образуются нестабильные молекулы, фосфатная
группа которых содержит много свободной
энергии [2]. Эта группа с помощью соответствующего
фермента переносится на молекулу АДФ,
что приводит к образованию АТФ. Нередко
в процессах брожения окислительные и
восстановительные преобразования могут
происходить внутримолекулярно, т. е. одна
часть образуемой молекулы подвергается
восстановлению, другая — окислению. В
ряде брожений восстановительное и окислительное
превращение связано с разными образующимися
продуктами брожения, т. е. происходит
межмолекулярно.
Многие прокариоты получают
энергию в процессе дыхания. Они окисляют
восстановленные вещества с относительно
низким окислительно-восстановительным
потенциалом (E0), возникающие
в реакциях промежуточного метаболизма
или являющиеся исходными субстратами. E0 может
быть измерен экспериментально для любой
окислительно-восстановительной системы.
Окисление происходит в результате переноса
электронов через локализованную в мембране
дыхательную электронтранспортную цепь
[1]. Поэтому, в процессе дыхания молекулы
одних веществ окисляются, других — восстанавливаются,
т.е. окислительно-восстановительные процессы
в этом случае всегда межмолекулярны.
В процессах дыхания и фотосинтеза
освобождающаяся при переносе электронов
энергия запасается первоначально в форме
электрохимического трансмембранного
градиента ионов водорода
, т. е. имеет место превращение химической
и электромагнитной энергии в электрохимическую.
Последняя затем может быть использована
для синтеза АТФ.
Существуют две универсальные
формы энергии, которые могут быть использованы
в клетке для выполнения разного рода
работы: энергия высокоэнергетических
химических соединений (химическая) и
энергия трансмембранного потенциала
ионов водорода (электрохимическая). Первую
рассмотрим более подробно.
2 АТФ и механизм его образования
У прокариот существует несколько
типов богатых энергией химических соединений.
Самую большую группу составляют соединения
с высокоэнергетической фосфатной связью:
ацилфосфаты, фосфорные эфиры енолов (фосфоенолпируват),
нуклеотидди- и трифосфаты, аденозинфосфосульфат.
Эти соединения характеризуются тем, что
по крайней мере одна из входящих в состав
молекулы групп имеет высокий энергетический
потенциал. При переносе этой группы происходит
разрыв связи, соединяющей ее с молекулой,
что приводит к резкому уменьшению свободной
энергии, заключенной в молекуле химического
соединения. Такие связи называются высоко-энергетическими,
или макроэргическими. Присоединение
группы с высоким энергетическим потенциалом
к молекуле-акцептору повышает уровень
ее свободной энергии, переводя, таким
образом молекулу в активированную форму,
в которой это соединение может участвовать
в биосинтетических реакциях.
Центральное место в процессах
переноса химической энергии принадлежит
системе АТФ.
АТФ – это нуклеотид, состоящий
из трёх фосфатных групп, остатка сахара
(рибозы) и остатка азотистого основания
(аденина). При разрыве каждой из двух связей,
обозначенных волнистыми линиями, выделяется
много энергии. Чаще всего при использовании
энергии АТФ для осуществления каких-нибудь
ферментативных реакций разрывается только
одна такая связь –та, к которой присоединена
концевая фосфатная группа [3].
В молекуле АТФ имеются две
высокоэнергетические фосфатные связи,
которые обозначены волнистыми линиями
на рисунке выше. Во время их разрыва высвобождается
гораздо больше энергии, чем при разрыве
любых других ковалентных связей. Обычно
клетка извлекает энергию из АТФ, отщепляя
от его молекулы только одну концевую
фосфатную группу. При этом образуется
АДФ (аденозиндифосфат) и свободный неорганический
фосфат (ФН): АТФ АДФ
+ ФН + Энергия
Для того, чтобы снова образовался АТФ,
АДФ и ФН должны вновь
соединиться. Это требует большого количества
энергии, нежели выделилось при отщеплении
фосфатной группы. Для образования АТФ
из АДФ и ФН требуется
энергия. В дальнейшем, при распаде АТФ,
эта энергия высвобождается и может быть
использована для выполнения работы в
клетке.
На рисунке 2 показан один из
способов образования АТФ в клетке заключается
в переносе высокоэнергетической фосфатной
группы от какой-нибудь другой молекулы
на АДФ.
Рисунок 2 - Один из путей образования
АТФ.
Фермент переносит на АДФ фосфатную
группу (буква Р в кружке) от какой-нибудь
другой молекулы, в результате чего образуется
АТФ. Однако большая часть клеточного
АТФ образуется в результате процесса,
открытого в шестидесятых годах и получившего
название химио-осмоса. Химио-осмос протекает
в хлоропластах во время фотосинтеза и
в митохондриях во время клеточного дыхания
[3]. В нём можно выделить 2 этапа: накопление
энергии и использование этой энергии
для синтеза АТФ. Энергия, используемая
при химио-осмосе – это электрохимическая
энергия, зависящая от присутствия ионов,
т.е частиц, которые несут электрические
заряды. Противоположно заряженные частицы
притягивают друг друга и потому движутся
навстречу друг другу. Электрохимическая
энергия будет накапливаться, если эти
частицы разделены барьером, который не
даёт им сойтись. Эту электрохимическую
энергию можно заставить производить
работу, дав возможность частицам проходить
сквозь барьер. Так в общих чертах осуществляется
химио-осмос, механизм которого представлен
на рисунке 3. Барьером в хлоропластах
и митохондриях служит мембрана, находящаяся
внутри органеллы. Роль «горючего» выполняют
атомы водорода, разделившиеся на два
вида заряженных частиц: ионы водорода
(H+) и электроны
(е-). Ряд находящихся
в мембране молекул, составляющих так
называемую цепь переноса электронов,
или электронтранспортную
цепь, переносит электроны на другую
сторону мембраны, не давая им вновь соединиться
с ионами H+.
Рисунок 3 - Химио-осмос в хлоропласте.
А. H+ -резервуар,
который используется для обеспечения
энергией синтеза АТФ.
Б. Поток ионов H+ через канал
служит источником энергии, которая необходима
ферменту для того, чтобы синтезировать
АТФ из АДФ и ФН.
Реальный запас энергии определяется
запасом кислого (Н+) раствора,
который заключен в мембране, или «Н+ - резервуаром».
Мембрана непроницаема для ионов H+, но в ней
имеются каналы, по которым эти ионы могут
проходить. С каналами связаны аденозинтрифосфатазы (АТФазы)- ферменты, катализирующие
синтез АТФ. АТФазам для синтеза АТФ требуется
энергия, и они получают эту необходимую
им энергию (пока, правда, не вполне ясно,
каким путем) именно вследствие утечки
ионов H+ из H+ -резервуара
через упомянутые каналы [3]. Главное назначение
митохондрий и хлоропластов состоит в
пополнении H+ -резервуара
за счет разделения атомов водорода на
ионы H+ и электроны.
АТФ также образуется в реакциях
субстратного и мембранзависимого фосфорилирования.
При субстратном фосфорилировании источником
образования АТФ служат реакции двух типов:
I. Субстрат ~ Ф + АДФ
субстрат + АТФ;
II. Субстрат ~ X + АДФ + ФН
субстрат + Х + АТФ.
Символ "~", введенный американским
биохимиком Ф. Липманом, служит для обозначения
макроэргической связи [1]. При фотосинтезе
происходит улавливание и запасание солнечной
энергии в молекулах органических (питательных)
веществ, а при дыхании - расщепление молекул
питательных веществ с высвобождением
заключенной в них энергии. В конечном
итоге значение этих двух процессов определяется
тем, что они поставляют энергию для синтеза
АТФ-соединения, с участием которого в
клетке выполняется большая часть работы
[3].
АТФ образуется также за счет
энергии
в процессе мембранзависимого фосфорилирования.
3 Роль АТФ как химического источника
энергии клетки
Роль, которую играет АТФ в обмене энергии
в клетке, можно сравнить с ролью денег
в нашем хозяйстве. Клетка нуждается в
АТФ точно так же, как мы с вами нуждаемся
в наличных деньгах, чтобы расплатиться
за все, что нам необходимо. Многие ферменты
используют энергию АТФ для осуществления
тех или иных химических реакций. С помощью
АТФ клетка движется, вырабатывает тепло,
избавляется от отходов, осуществляет
активный транспорт, синтезирует новые
белковые молекулы и делает многое другое.
Располагая достаточным количеством АТФ,
клетка может даже синтезировать питательные
вещества, представляющие собой одну из
форм запасенной энергии, своего рода
сбережения, которые можно при необходимости
вновь пустить в ход, превратив их в «разменную
монету», т.е. в АТФ. И в самом деле, превращение
энергии солнечного света в химическую
энергию, запасенную в форме АТФ, является
важным промежуточным этапом в процессе
образования питательных веществ при
фотосинтезе [3]. АТФ, таким образом, занимает
центральное положение в экономике живого,
что можно представить в следующем виде: