Энергетические затраты клетки

Б. Активный транспорт. Процесс активного транспорта отличается от диффузии тем, что он сопровождается смещением состояния системы от термодинамического равновесия и, следовательно, требует энергетических затрат. Источником энергии могут быть гидролиз АТР, процесс переноса электронов или свет. Поддержание электрохимических градиентов играет столь большую роль в биологических системах, что на него затрачивается около 30— 40% всей потребляемой клеткой энергии. [c.141]

В печени гликоген играет роль буфера глюкозы, циркулирующей в крови и являющейся главным энергетическим ресурсом всех клеток организма. Концентрация глюкозы Б плазме крови должна поддерживаться постоянной падение ее ниже нормы приводит к голоданию клеток и оказывается гибельным для тех из них, которые неспособны создавать собственные энергетические резервы (каковы, например, клетки головного мозга), а превышение ведет к резким биохимическим сдвигам в клетках, и также особенно опасно для клеток мозга. Между тем и расходование глюкозы плазмы, и ее поступление подвержены резким колебаниям, Например, при переходе от покоя к активной деятельности убыль глюкозы скачкообразно возрастает, а при переваривании пищи, особенно углеводной, в кровь быстро поступают значительные количества глюкозы. Таким образом, понятно, что организм должен располагать быстродействующими и легко управляемыми механизмами биосинтеза гликогена (депонирование избыточной глюкозы плазмы) и его расщепления (компенсация энергетических затрат). На примере расщепления гликогена удобно проследить связь его структуры с выполняемой функцией. [c.143]

Энергетические затраты клетки [c.106]

В условиях активного роста энергия, используемая в процессах обновления, составляет лишь небольшую часть общих энергетических расходов клетки. В состоянии покоя общие энергетические затраты клетки значительно понижаются, и на этом фоне [c.107]

Таким образом, митохондрии регулируют скорость гликолиза в зависимости от того, насколько осуществляемое ими дыхательное фосфорилирование покрывает энергетические затраты клетки. Приводимые ниже опыты, как нам кажется, подтверждают правильность этой гипотезы. [c.108]

Физиологический эффект реакции Пастера легко понять, если учесть, что при аэробном выключении процесса образования молочной кислоты распад углево ,ов происходит до конца, т. е. с выделением углекислого газа и воды. Клетки и ткани способны покрыть свои энергетические затраты при аэробном распаде углеводов за счет значительно меньшего количества глюкозы, чем при анаэробном распаде. Отсюда понятно, что аэробный распад сберегает в клетках и тканях запас углеводов. [c.298]

В типичном эксперименте с мечеными соединениями в биологическую систему вводится некое постороннее (экзогенное) вещество. При этом предполагается, что его молекулы будут вступать в те же самые реакции, что и некоторое продуцируемое системой (эндогенное) вещество, участвующее в биосинтезе исследуемого соединения. Для этого эндогенный и экзогенный субстраты должны стать биологически идентичными, причем это требование относится как к природе, так и к количеству меченого соединения. Например, к культуре плесени добавляют следовые количества ацетата натрия ацетат-ион (или уксусная кислота) должен быть усвоен клетками без заметного нарушения связанных с энергетическими затратами механизмов транспорта через клеточные мембраны и далее превращен внутри клетки в ацетил-кофермент А без значительных изменений концентраций веществ, требующихся для осуществления этих реакций (АТР, кофермент А), или продуктов превращений (ADP, ацетилкофермент А). Наконец, получившийся таким образом ацетилкофермент А должен полностью перемешаться с ацетилкоферментом А, образовавшимся в клетке несколькими совершенно другими путями, с тем чтобы степень его участия в биосинтезе поликетидов была пропорциональна его доле в общем фонде ацетил-КоА. Кроме того, должен быть метод, позволяющий отличить меченый компонент от эндогенного продукта биосинтеза, например, путем измерения уровня радиоактивности, если экзогенный ацетат частично содержал С или Н. В конечном счете одни нз перечисленных выше требований несовместимы с другими результаты эксперимента можно интерпретировать только при допущении, что свойства возмущенной системы идентичны свойствам ее невозмущенного состояния. При этом еще предполагается, что наблюдатель способен фиксировать изменение свойств биологической системы точнее, чем сама эта система. [c.466]

Помимо энергетических затрат на биосинтетические процессы, связанные с ростом, определенная часть клеточной энергии всегда тратится на процессы, не связанные непосредственно с ростом. Последние получили название процессов поддержания жизнедеятельности. К специфическим функциям поддержания жизнедеятельности относятся обновление клеточного материала, осмотическая работа, обеспечивающая поддержание концентрационных градиентов между клеткой и внешней средой, подвижность клетки и др. Энергию, расходующуюся на осуществление перечисленных функций, обозначают как энергию поддержания жизнедеятельности. [c.107]

Итак, произошло образование 3-ФГК. Теперь можно подвести некоторые итоги. Клетка на этом этапе вернула свои энергетические затраты 2 молекулы АТФ были затрачены и 2 молекулы АТФ синтезировались на 1 молекулу глюкозы. На этом же этапе в реакции окисления 3-ФГА до 1,3-ФГК и образования АТФ имеет место первое субстратное фосфорилирование. Энергия освобождается и запасается в макроэргических фосфатных связях АТФ в процессе перестройки сбраживаемого субстрата при участии ферментов. Реакция, ведущая к субстратному фосфорилированию, может быть проведена в пробирке. Все необходимые для этого компоненты известны и получены в чистом виде. Возможность осуществления реакции в пробирке указывает на то, что фермент, катализирующий ее, не связан с клеточными структурами. Первое субстратное фосфорилирование носит еще название фосфорилирования на уровне 3-ФГА. [c.213]

Важным фактором при культивировании микроорганизмов на углеводородных субстратах в аэробных условиях является подача кислорода. Кислород требуется не только для построения биомассы, но и для окисления углерода и для удовлетворения энергетических потребностей обмена веществ в дрожжевых клетках [84]. Общая потребность в кислороде при выращивании дрожжей на углеводородах в 2—4 раза выше, чем при использовании углеводных субстратов, так как в последнем случае кислород необходим только для покрытия энергетических затрат роста и клеткой не фиксируется. Необходимый микроорганизмам кислород должен быть растворен в водной среде. Предел роста клеток определяется диффузией кислорода воздуха в среду. [c.79]

Непрямые затраты на синтез белка. Наряду с непосредственными энергетическими затратами на синтез белка, рассмотренными в предыдущем вопросе, клетка производит и непрямые затраты энергии, связанные с образованием требуемых для синтеза белка биокатализаторов. Сопоставьте факторы, определяющие непрямые расходы, которые приходится нести эукариотической клетке при синтезе линейных а(1 -> 4)-цепей гликогена и при биосинтезе полипептидов. [c.963]

Так, важнейшим механизмом регулирования является механизм, связывающий концентрации АТФ и АДФ и неорганического фосфата. АТФ расходуется на покрытие всех энергетических затрат организма и клетки мышечная работа, осмотическая работа, химические процессы, например синтез белка, образование фосфатов глюкозы и фруктозы, окисление НАД-Н требуют АТФ и являются источником образования АДФ и Ф. [c.186]

Расходуется сахар прежде всего в мышечной ткани, где он служит источником энергии для производства механической (мышечной) работы, клетки других органов также потребляют его для покрытия своих энергетических затрат. Кроме того, сахар выводится из организма почками. [c.155]

Образование АТФ можно считать главной целью дыхания. Образуется он путем присоединения к уже имеющемуся в клетке АДФ третьей молекулы фосфорной кислоты — фосфорилирование АДФ до АТФ. А так как это фосфорилирование протекает с участием кислорода, то оно носит название окислительного фосфорилирования. Митохондрии обоих типов— с трубочками и с кристами — служат пунктами окислительного фосфорилирования, они поставляют, клетке АТФ, который используется для всевозможных процессов, идущих с затратой энергии. Митохондрии можно с полным правом назвать энергетическими станциями клетки. [c.224]

Из приведенного уравнения следует, что если будет равно Т , работа не будет производиться. Так как температура тела теплокровных животных постоянна, то освобождающееся тепло не может быть использовано для работы, не может трансформироваться в энергию механическую. В организме живых существ энергия, освобождающаяся при окислении органических веществ аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфорной кислоты, а затем используется при синтезах различных веществ, для работы мышц, сердца и иных органов. Аккумулирование энергии, освобождающейся при окислении органических веществ, в макроэргических связях аденозинтрифосфорной кислоты является процессом, имеющим общебиологическое значение. Клетки и ткани организма приспособлены к использованию именно этого вида химической энергии для покрытия своих энергетических затрат. [c.239]

Как мы уже говорили, некоторые вещества, например газы, могут проникать в клетку за счет трансмембранной диффузии по электрохимическому градиенту при этом никаких энергетических затрат не требуется. Скорость простой диффузии через мембрану растворенных веществ определяется тепловым движением перемещающихся молекул, трансмембранным концентрационным градиентом вещества и его растворимостью (коэффициентом проницаемости рис. 42.6) в гидрофобном слое мембраны. Растворимость обратно пропорциональна числу водородных связей, которые должны быть разорваны, чтобы растворенное в водной среде вещество оказалось включенным в гидрофобный слой. Электролиты, слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы На+, например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К +. Следовательно, гидратированный Na+ имеет больший размер, чем К +, и его скорость пассивной диффузии ниже. [c.138]

По другой получившей распространение в последние годы гипотезе скользящее движение связано с особенностями строения клеточной стенки подвижных безжгутиковых форм — наличием белкового слоя, состоящего из упорядоченно расположенных фибрилл. По этим представлениям, фибриллы аналогичны нитям жгутиков с той разницей, что находятся внутри клеточной стенки. У некоторых скользящих бактерий описаны структуры, весьма напоминающие базальные тела жгутиковых форм. Вращательное движение фибрилл, запускаемое этими структурами, приводит к появлению на поверхности клетки так называемой бегущей волны , т. е. движущихся микроскопических выпуклостей клеточной стенки, в результате чего клетка отталкивается от твердого или вязкого субстрата. На скольжение расходуется около 5% энергии от общего объема клеточных энергетических затрат. По имеющимся данным, скользящее движение в разных группах бактерий обеспечивается энергией в форме АТФ или Ар ,н-Ь. [c.37]

Мы рассматривали до сих пор явленпя проппцаемостп оболочки клеток. Однако активный перенос имеет не меньшее значение для процессов, протекающих внутри клетки. В последнее время высказывается мнение о том, что транспорт веществ между структурными элементами клетки представляет собой один пз механизмов автоматического регулирования внутриклеточных процессов обмена веществ. Именно через активный транспорт происходит взаимодействие структурных элементов клетки между собой. В этом смысле более всего изучены митохондрии. В митохондриях сосредоточена ферментативная система, генерирующая АТФ за счет энергии дыхания и представляющая собою цепь ферментов дыхания и цепь ферментов сопряженного дыхательного фосфорилирования. Тело митохондрий построено нз мембран, заполненных внутри жидкой фазой. Само пх вещество, состоящее из линонротеидов является разделительной мембраной, через которую осуществляется активный перенос субстратов дыхания, АТФ и других веществ. Продуктом окислительного фосфорилирования, вырабатываемым внутри митохондрий для покрытия энергетических затрат клетки является АТФ. [c.183]

Биолог. Есть, Это митохондрии - как бы миниатюрные энергетические станции клетки. Они производят аденозинтрифосфат (АТФ) - соединение, богатое энергией, которое, превращаясь в аденозиндифосфат (АДФ), отдает ее процессам, требующим затрат энергии. Затем АДФ в митохондриях снова превращается в АТФ, и так непрерьшно обеспечиваются энергией все процессы метаболизма в клетках организма.,. [c.36]

Биологические виды энергии. Энергетические превращения в живой клетке подразделяют на две группы локализованные в мембранах и протекающие в цитоплазме. В каждом случае для оплаты энергетических затрат используется своя валюта в мембране это ДцН или ДцМа, а в цитоплазме—АТФ, креатинфосфат и другие макроэргические соединения. Непосредственным источником АТФ являются процессы субстратного и окислительного фосфорилирования. Процессы субстратного фосфорилирования наблюдаются при гликолизе и на одной из стадий цикла трикарбоновых кислот (реакция сукцинил-КоА —> сукцинат см. главу 10). Генерация А(1Н и А(1Ка, используемых для окислительного фосфорилирования, осуществляется в процессе транспорта электронов в дыхательной цепи энергосопрягающих мембран. [c.305]

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фосфатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а три-фосфатная — две ангидридные связи, называемые макроэргиче-скими, поскольку они обладают большим запасом энергии. Необходимые для образования такой связи энергетические затраты покрываются за счет энергии, выделяющейся в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи Р 0 (обозначаемой волнистой линией) выделяется 32 кДж/ моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как поставщика энергии во всех живых клетках. [c.448]

Известен механизм транспорта, получивший название облегченной диффузии, требующий для переноса веществ через мембрану участия транслоказ. Перенос веществ в этом случае происходит по градиенту их концентрации и не требует энергетических затрат. Этот механизм транспорта не получил широкого распространения у прокариот. Основным механизмом избирательного переноса веществ через ЦПМ прокариот является активный транспорт, позволяющий накачивать в клетку молекулы и ионы против их концентрационных и электрических градиентов. Этот процесс, так же как и облегченная диффузия, протекает при участии локализованных в ЦПМ переносчиков белковой природы с высокой специфичностью к субстрату, но в отличие от облегченной диффузии для движения против электрохимического градиента требует затрат метаболической энергии. Транспорт такого рода должен быть поэтому сопряжен с реакциями, продуцирующими энергию в химической или электрохимической форме. [c.51]

Все формы обмена между клеткой и внешней средой, за исключением явлений пинаиитоза. предполагают пересечение окружающей клетку мембраны это остается в силе и для любых других замкнутых мембранных структур, находящихся в клетке (ядро, митохондрии, лизосомы и т. п.). Для подавляющего большинства веществ и ионов биологические (и искусственные) мембраны представляют диффузионный барьер, и в таком случае перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат. В то же время вода и некоторые низкомолекулярные соединения проникают через мембрану с поразительной легкостью, вероятно, за счет использования дефектов жидкокристаллической решетки липидного бислоя. Высокая проницаемость клеток для воды — важный биологический фактор, обеспечивающий осмотическое равновесие. [c.590]

Две первые реакции схемы символизируют биохимический процесс очистки сточной воды от исходных загрязнений (состава СжНуОгМ), который происходит в биофильтрах и аэротенках. Первая реакция — окисление вещества на энергетические потребности клетки, вторая— на синтез клеточного вещества СзНгЫОг- Затраты кислорода на эти две реакции составляют полную БПК (БПКполн). [c.143]

Реакции (4.140) и (4.141) символизируют биологический процесс очистки от исходных загрязнений состава СжИуОгК. Первая реакция — окисление вещества на энергетические потребности клетки, вторая — на синтез биомассы состава 5H7N02. Затраты кислорода на эти две реакции соответствуют БПК ПОЛН сточной воды. [c.331]

В то время как дыхательная система, генерирующая АТФ, сосредоточена в митохондриях, другая энзиматическая система — система гликолитического фосфорилирования, также генерирующая АТФ, сосредоточена в гиалоплазме. Гликолитический распад углевода дает меньший выход АТФ по сравнению с окислительным распадом. Поэтому энергетически гликолиз менее выгоден, чем дыхание. В соответствии с этим, поксящаяся клетка черпает энергию только за счет дыхания, и гликолиз в ней отсутствует. Это явление называется эффектом Пастера. Но при напряженной работе клетки дыхательное фосфорилирование уже не покрывает энергетических затрат и тогда включается дополнительный генератор энергии — гликолиз. Таким образом, в клетке существует регуляция этих двух энергетических процессов. Было предложено много гипотез для объяснения механизма этой регуляции, но все эти гипотезы оказались недостатонными они не учитывали функции структурных элементов клетки. [c.184]

С началом синтеза БТШ синтез других белков в клетке замедляется или останавливается. Это может быть связано со следующими особенностями как правило, у гена БТШ интроны отсутствуют, что резко сокращает временные и энергетические затраты на процессинг матрицы БТШ имеют преимущество перед мРНК других белков при образовании полисомы. Это связано со строением их лидирующей последовательности и З -конца. [c.360]

При спиртовом брожении в процессе расщепления одной молекулы глюкозы образуется четыре молекулы АТФ (50 ккал, или 210 кдж). Из них две расходуются на функциональную деятельность и синтез. По расчетам некоторых авторов, при гликолизе и гликогенолизе в богатых энергией фосфорных связях аккумулируется 35—40 /о всей освобождающейся свободной энергни, остальные 60—65% рассеиваются в виде теплоты. Коэффициент полезного действия клеток, органов, работающих в анаэробных условиях, не превышает 0,4 (в аэробных 0,5). Эти расчеты основаны главны.м образом на данных, полученных на мышечных экстрактах и дрожжевом соке. В условиях живого организма мышечные клетки, органы и ткани утилизируют энергию, вероятно, значительно больше. С физиологической точки зрения процесс гликогенолиза и гликолиза имеет исключительно важное значение, особенно когда жизненные процессы осуществляются в условиях недостатка кислорода. Папример, при энергичной работе мышц, особенно в первой фазе деятельности, всегда наблюдается разрыв между доставкой кислорода в мышцы и его потребностью. В этом случае начальные энергетические затраты покрываются в значительной степени за счет гликогенолиза. Аналогичные явления наблюдаются при различных патологических состоя иях (гипоксия мозгз, сердца и т. п.). Кроме того, потенциальная энергия, заключенная в молочной кислоте, в конечном счете не теряется для высокоорганизованного организма. Образующаяся молочная кислота быстро пере.ходит из мышц в кровь и далее доставляется в печень, где снова превращается в гликоген. Анаэробный распад углеводов с образованием молочной кислоты очень распространен в природе он наблюдается не только в мышцах, но и в других тканях животного организма. [c.334]

Установлено, что при полном сгорании грамм-молекулы глюкозы с образованием углекислого газа и воды изменение свободной энергии (—А/ )До-стигает 686 000 калорий. При сбраживании же грамм-молекулы глюкозы уменьшение свободной энергии составляет всего около 50 000 калорий. Легко сосчитать, что прн сбраживании глюкозы в дрожжевой клетке максимально может быть использовано только примерно 7 о всей энергии глю-К031.1. Дрожжевые клетки покрывают свои энергетические затраты за счет [c.286]

Энергетика живой клетки характеризуется использованием энергии, аккумулированной в некоторых богатых энергией мак-роэргических соединениях, среди которых особенно большую роль играет аденозинтрифосфорная кислота, называемая сокращенно АТФ. Реакция АТФ с водой (гидролитическое отщепление молекулы фосфорной кислоты) сопровождается выделением 8000 калЫоль теплоты. Эта энергия в результате сложных процессов сопряжения может быть использована для покрытия всех энергетических расходов клетки. Идет ли речь о синтезе белков, требующем затраты энергии, о движении протоплазмы, переносе вещества через мембраны против градиента концентрации или о мышечной (механической) работе — во всех случаях источником энергии в конечном счете оказывается гидролиз АТФ. Однако вскрытие всех тех промежуточных реакций, которые делают возможным сопряжение одного процесса со множеством других представляет собой необычайно трудную задачу. Ее решение известно лишь для относительно простых систем. Уже реакция окисления хромовой кислотой иодистого водорода [c.391]

Однако выход биомассы в пересчете на 1 моль АТР довольно широко варьирует для разных бактерий, если рост не лимитируется энергетическим субстратом, а скорость роста культуры значительно ниже максимальной. Источники углерода и энергии могут использоваться не только для роста клеток, но и для образования продукта. Кроме того, энергетические субстраты расходуются на поддержание жизнеспособности клеток. Поскольку клетки могут использовать энергетические субстраты для дыхания в отсутствие роста, энергетические затраты на поддержание жизнеспособности бактерий будут вносить свой вклад в потребление этих субстратов без сопутствующего увеличения биомассы. Эндогенный метаболизм практически не оказывает влияния на расчеты выхода клеток, если скорость роста культуры близка к максимальной и энергетический субстрат является лимитирующим питательным компонентом. Однако потребление энергетических субстратов для поддержания жизнеспособности клеток может значительно возрасти при скоростях роста ниже максимальной или в экстремальных биофизических условиях среды. Поскольку надежные расчеты выхода биомассы требуют осторожного и тщательного контроля условий культивирования, лучше всего их проводить для хемостатных систем. Именно в этих условиях лимитирующий рост субстрат и удельная скорость роста ц, могут регулироваться. [c.433]

Анализ термодинамики микроорганизмов был проведен Р. Тау-эром2. При этом энзиматический механизм получения энергии — биоэнергетика клетки — остается за рамками общей картины, однако важен конечный результат — образование АТФ. Формально можно представить энергетический обмен организмов как образование и потребление водорода в окислительно-восстановительной реакции, где Н+ - акцептор, а Нг - донор электрона. Синтез АТФ из АДФ требует 32 кДж на моль при стандартных условиях. В клетке содержание АТФ и фосфата около 10 мМ, АДФ - около 1 мМ, и физиологический синтез требует 49 кДж. Необратимые затраты составляют 20 кДж. Следовательно, суммарные затраты составляют примерно 70 кДж/моль и даже при понижении энергетического заряда клетки не становятся ниже 60 кДж. На синтез 1 АТФ требуется перенос трех зарядов через клеточную мембрану. Отсюда предположение, что наименьшим используемым квантом энергии в катабо- [c.40]

В бедной кислородом атмосфере реакции присоединения кислорода, требуюп ие от клетки больших энергетических затрат, будут прежде всего использоваться не для синтеза коллагена, а для жизненно важных процессов энергетического обмена. Поэтому в условиях бедной кислородом атмосферы коллаген будет синтезироваться только в тех случаях, когда он совершенно необходим организму скажем, для укрепления целома, мускулатуры, для развития сегментации. Только при повышении содержания кислорода в атмосфере могут появиться раковины, кутикулы и панцири. Конечно, их роль весьма существенна, но вое же их нельзя считать органами первостепенной важности, без которых немыслимо само существование животных. Это скорее физиологическая роскошь . [c.361]

Продукты микробного синтеза для того, чтобы стать объектом рентабельного промьпнленного производства, должны выделяться микробной клеткой в питательную среду и накапливаться в среде в количествах, которые оправдывали бы сырьевые и энергетические затраты на культивирование микроорганизма и выделение продукта в необходимой для дальнейшего использования форме. В большинстве случаев выбор микробиологического способа получения того или иного вещества обусловлен полным отсутствием или весьма ограниченной возможностью получения его другими способами, в первую очередь путем химического синтеза. Многие антибиотики, ферменты, биологически активные изомеры ряда аминокислот, пуриновые нуклеотиды, токсины, факторы роста растений в настоящее время возможно или по крайней мере гораздо проще получать с помощью микроорганизмов из доступного и дешевого сырья, чем осуществлять сложный, многоэтапный химический синтез, или даже один-два этапа ферментативного синтеза, но иа основе сложного и часто малодоступного сырья. [c.77]

Подобные особенности структуры клеток нервной системы объясняют причины значительных энергетических затрат на транспортные нужды клетки. В первую очередь необходимо упомянуть трансмембранный перенос субстратов, медиаторов, различных предшественников с помощью специфических транс-локаз или в результате конформационных перестроек мембран, большинство из которых сопровождаются фосфорилировани-ем-дефосфорилированием мембранах белков. Например, установлено, что не более 5% важнейшего энергетического с трата [c.188]