Vyanzo vya nishati katika seli ya mmea. Michakato ya bioenergetic kwenye seli (Nishati ya nyuklia ya seli)

Sura ya 4. Seli tata Mtaalamu wa mimea ni yule anayejua jinsi ya kutoa majina sawa mimea inayofanana na majina tofauti tofauti, na kwa njia ambayo kila mtu anaweza kuielewa,” akaandika mwanataaluma mkuu wa Uswidi Carl Linnaeus (yeye mwenyewe mtaalamu wa mimea). Ufafanuzi huu unaweza kuwa wa kushangaza.

Sura ya 2. MADA za Kiini Historia ya utafiti wa seli. Nadharia ya seli Muundo wa kemikali wa seli Muundo wa seli za yukariyoti na prokaryotic Utekelezaji habari za urithi katika ngome Virusi Ulimwengu wa kushangaza na wa ajabu unatuzunguka, wenyeji wa sayari hii,

10. Kiini cha Eukaryotic. Cytoplasm. Je! ni aina gani za seli zinazotofautishwa kulingana na eneo la nyenzo za urithi. Je, wanafanya kazi gani katika § 4 sisi tayari

12. Seli ya Prokaryotic Kumbuka Je! ni tofauti gani za kimsingi katika muundo wa seli za prokaryotic na yukariyoti ni nini? Ufalme wa prokaryotes unawakilishwa hasa na bakteria, ya kale zaidi

Seli hai ina shirika lisilo na msimamo na karibu lisilowezekana; Kiini kinaweza kudumisha mpangilio maalum na mzuri sana wa muundo wake dhaifu tu kwa sababu ya matumizi endelevu ya nishati.

Mara tu ugavi wa nishati unapoacha, muundo tata wa seli hutengana na huenda katika hali isiyofaa na isiyopangwa. Mbali na kutoa michakato ya kemikali muhimu ili kudumisha uadilifu wa seli, aina mbalimbali seli, kutokana na mabadiliko ya nishati, huhakikisha utekelezaji wa aina mbalimbali za michakato ya mitambo, umeme, kemikali na osmotic inayohusishwa na maisha ya mwili.

Baada ya kujifunza katika siku za hivi karibuni kiasi cha kuchota nishati iliyo katika vyanzo mbalimbali visivyo hai ili kufanya kazi mbalimbali, mwanadamu alianza kuelewa jinsi chembe hiyo inavyobadilisha nishati kwa ustadi na kwa ufanisi gani wa hali ya juu. Mabadiliko ya nishati katika seli hai iko chini ya sheria sawa za thermodynamics zinazofanya kazi katika asili isiyo hai. Kwa mujibu wa sheria ya kwanza ya thermodynamics, nishati ya jumla ya mfumo wa kufungwa na mabadiliko yoyote ya kimwili daima hubakia mara kwa mara. Kwa mujibu wa sheria ya pili, nishati inaweza kuwepo kwa aina mbili: aina ya "bure" au nishati muhimu na aina ya nishati isiyo na maana. Sheria hiyo hiyo inasema kwamba kwa mabadiliko yoyote ya kimwili kuna tabia ya kuondokana na nishati, yaani, kupunguza kiasi cha nishati ya bure na kuongeza entropy. Wakati huo huo, seli hai inahitaji ugavi wa mara kwa mara wa nishati ya bure.

Mhandisi hupata nishati anayohitaji hasa kutoka kwa nishati ya vifungo vya kemikali vilivyomo kwenye mafuta. Kwa kuchoma mafuta, hubadilisha nishati ya kemikali kuwa nishati ya joto; basi anaweza kutumia nishati ya joto kuzunguka, kwa mfano, turbine ya mvuke na hivyo kupata nishati ya umeme. Seli pia hupokea nishati ya bure kwa kutoa nishati ya vifungo vya kemikali vilivyomo katika "mafuta". Nishati huhifadhiwa katika miunganisho hii na seli hizo ambazo huunganisha virutubisho vinavyotumika kama mafuta. Hata hivyo, seli hutumia nishati hii kwa njia maalum sana. Kwa sababu halijoto ambayo chembe hai hufanya kazi ni takriban mara kwa mara, seli haiwezi kutumia nishati ya joto kufanya kazi. Ili kazi ifanyike kutokana na nishati ya joto, joto lazima liondoke kutoka kwa mwili wenye joto zaidi hadi kwenye joto kidogo. Ni wazi kabisa kwamba kiini hawezi kuchoma mafuta yake kwa joto la mwako wa makaa ya mawe (900 °); Wala haiwezi kustahimili mfiduo wa mvuke yenye joto kali au mkondo wa voltage ya juu. Kiini kinapaswa kutoa na kutumia nishati chini ya hali ya kawaida na, zaidi ya hayo, joto la chini, mazingira ya iodini ya kuondokana na kushuka kwa thamani kidogo katika mkusanyiko wa ioni za hidrojeni. Ili kupata uwezo wa kupata nishati, seli, kwa karne nyingi za mageuzi ya ulimwengu wa kikaboni, imeboresha mifumo yake ya ajabu ya molekuli, ambayo inafanya kazi kwa ufanisi katika hali hizi kali.

Taratibu za seli za kuchimba nishati zimegawanywa katika madarasa mawili, na kulingana na tofauti za mifumo hii, seli zote zinaweza kugawanywa katika aina mbili kuu. Seli za aina ya kwanza huitwa heterotrophic; Hizi ni pamoja na seli zote za mwili wa binadamu na seli za wanyama wote wa juu. Seli hizi zinahitaji ugavi wa mara kwa mara wa mafuta yaliyotengenezwa tayari, magumu sana. muundo wa kemikali. Mafuta hayo ni wanga, protini na mafuta, yaani, vipengele vya mtu binafsi vya seli nyingine na tishu. Seli za heterotrofiki hupata nishati kwa kuchoma au kuongeza vioksidishaji vitu hivi changamano (vinavyotolewa na seli nyingine) katika mchakato unaoitwa kupumua, unaohusisha oksijeni ya molekuli (O2) kutoka angahewa. Seli za Heterotrofiki hutumia nishati hii kutekeleza kazi zao za kibaolojia, ikitoa kaboni dioksidi kwenye angahewa kama bidhaa ya mwisho.

Seli za aina ya pili zinaitwa autotrophic. Seli za kawaida za autotrophic ni seli za mimea ya kijani. Katika mchakato wa photosynthesis, hufunga nishati ya jua, kuitumia kwa mahitaji yao. Kwa kuongezea, hutumia nishati ya jua kutoa kaboni kutoka kwa kaboni dioksidi ya anga na kuitumia kuunda molekuli rahisi zaidi ya kikaboni - molekuli ya glukosi. Kutoka kwa glucose, seli za mimea ya kijani na viumbe vingine huunda molekuli ngumu zaidi zinazounda muundo wao. Ili kutoa nishati muhimu kwa hili, seli huchoma sehemu ya malighafi wakati wa kupumua. Kutokana na maelezo haya ya mabadiliko ya mzunguko wa nishati katika seli, inakuwa wazi kwamba viumbe vyote hai hatimaye hupokea nishati kutoka kwa jua, na seli za mimea hupokea moja kwa moja kutoka kwa jua, na wanyama kwa njia isiyo ya moja kwa moja.

Utafiti wa maswali kuu yaliyotolewa katika nakala hii inategemea hitaji maelezo ya kina utaratibu wa msingi wa kutoa nishati unaotumiwa na seli. Hatua nyingi katika mizunguko tata ya kupumua na photosynthesis tayari zimesomwa. Imeanzishwa katika chombo gani cha seli hii au mchakato huo hutokea. Kupumua kunafanywa na mitochondria, ambayo iko kwa idadi kubwa karibu na seli zote; photosynthesis inahakikishwa na kloroplasts - miundo ya cytoplasmic iliyo katika seli za mimea ya kijani. Mifumo ya molekuli ambayo hukaa ndani ya miundo hii ya seli, ikitunga muundo wao na kuwezesha kazi zao, inawakilisha hatua inayofuata muhimu katika utafiti wa seli.

Molekuli sawa zilizosomwa vizuri - molekuli za adenosine trifosfati (ATP) - huhamisha nishati ya bure iliyopatikana kutoka kwa virutubisho au jua kutoka kwa vituo vya kupumua au photosynthesis hadi sehemu zote za seli, kuhakikisha utekelezaji wa taratibu zote zinazohitaji matumizi ya nishati. ATP ilitengwa kwanza kutoka tishu za misuli Loman kama miaka 30 iliyopita. Molekuli ya ATP ina vikundi vitatu vya phosphate vilivyounganishwa. Katika bomba la majaribio, kikundi cha mwisho kinaweza kutenganishwa na molekuli ya ATP kwa mmenyuko wa hidrolisisi ambao huzalisha adenosine diphosphate (ADP) na fosfati isokaboni. Wakati wa mmenyuko huu, nishati ya bure ya molekuli ya ATP inabadilishwa kuwa nishati ya joto, na entropy huongezeka kwa mujibu wa sheria ya pili ya thermodynamics. Katika seli, hata hivyo, kikundi cha phosphate cha mwisho hakitenganishwi tu wakati wa hidrolisisi, lakini huhamishiwa kwenye molekuli maalum ambayo hutumika kama kipokezi. Sehemu kubwa ya nishati ya bure ya molekuli ya ATP huhifadhiwa kwa sababu ya phosphorylation ya molekuli inayokubali, ambayo sasa, kwa sababu ya kuongezeka kwa nishati, inapata uwezo wa kushiriki katika michakato inayohitaji matumizi ya nishati, kwa mfano, katika michakato ya biosynthesis au mkazo wa misuli. Baada ya kuondolewa kwa kikundi kimoja cha phosphate katika mmenyuko huu wa pamoja, ATP inabadilishwa kuwa ADP. Katika thermodynamics ya seli, ATP inaweza kufikiriwa kama aina ya nishati nyingi, au "iliyochajiwa" ya kibebea nishati (adenosine fosfati), na ADP kama fomu isiyo na nishati, au "iliyoondolewa".

"Kuchaji" kwa sekondari ya carrier, bila shaka, hufanywa na moja au nyingine ya taratibu mbili zinazohusika katika uchimbaji wa nishati. Katika mchakato wa kupumua kwa seli za wanyama, nishati iliyomo ndani virutubisho, hutolewa kutokana na oxidation na hutumiwa kujenga ATP kutoka kwa ADP na phosphate. Wakati wa photosynthesis katika seli za mimea, nishati ya jua hubadilishwa kuwa nishati ya kemikali na hutumiwa "kumshutumu" adenosine phosphate, yaani, juu ya malezi ya ATP.

Majaribio ya kutumia isotopu ya fosforasi ya mionzi (P 32) yalionyesha kuwa fosfati isokaboni huingizwa ndani na nje ya kundi la mwisho la fosfeti la ATP kwa kiwango cha juu. Katika seli ya figo, mauzo ya kikundi cha phosphate ya mwisho hutokea haraka sana kwamba nusu ya maisha yake huchukua chini ya dakika 1; hii inalingana na ubadilishanaji mkubwa wa nishati katika seli za chombo hiki. Inapaswa kuongezwa kuwa shughuli ya ATP katika seli hai sio uchawi mweusi. Wanakemia wanajua athari nyingi zinazofanana ambazo nishati ya kemikali huhamishwa katika mifumo isiyo hai. Muundo tata wa ATP inaonekana uliibuka tu kwenye seli - ili kuhakikisha udhibiti mzuri zaidi athari za kemikali kuhusiana na uhamisho wa nishati.

Jukumu la ATP katika usanisinuru limefafanuliwa hivi karibuni. Ugunduzi huu ulifanya iwezekane kuelezea kwa kiasi kikubwa jinsi seli za photosynthetic, katika mchakato wa usanisi wa kabohaidreti, hufunga nishati ya jua - chanzo kikuu cha nishati kwa viumbe vyote vilivyo hai.

Nishati kutoka kwa mwanga wa jua hupitishwa kwa njia ya fotoni, au quanta; Mwanga wa rangi tofauti, au urefu tofauti wa wavelengths, una sifa ya nishati tofauti. Wakati mwanga unapoanguka kwenye nyuso fulani za chuma na kufyonzwa na nyuso hizi, fotoni, kama matokeo ya migongano na elektroni za chuma, huhamisha nishati yao kwao. Athari hii ya picha ya umeme inaweza kupimwa kwa sababu ya matokeo mkondo wa umeme. Katika seli za mimea ya kijani, mwanga wa jua na wavelengths fulani huingizwa na rangi ya kijani - klorophyll. Nishati iliyofyonzwa huhamisha elektroni katika molekuli changamano ya klorofili kutoka kiwango kikuu cha nishati hadi cha juu zaidi. kiwango cha juu. Elektroni kama hizo "zinazosisimka" huwa zinarudi kwenye kiwango chao kikuu cha nishati, ikitoa nishati iliyonyonya. Katika utayarishaji safi wa klorofili iliyotengwa na seli, nishati inayofyonzwa hutolewa tena kwa njia ya mwanga unaoonekana, sawa na kile kinachotokea katika kesi ya misombo ya kikaboni ya fosforasi au fluorescent na isokaboni.

Kwa hiyo, klorofili, kuwa katika tube ya mtihani, yenyewe haiwezi kuhifadhi au kutumia nishati ya mwanga; nishati hii hupotea haraka, kana kwamba mzunguko mfupi umetokea. Hata hivyo, katika seli, klorofili hufungamana na molekuli nyingine maalum; kwa hiyo, wakati, chini ya ushawishi wa ngozi ya mwanga, inakuja katika hali ya msisimko, "moto", au matajiri katika nishati, elektroni hazirudi kwenye hali yao ya kawaida ya nishati (isiyo na msisimko); Badala yake, elektroni huchanwa kutoka kwa molekuli ya klorofili na kubebwa na molekuli za kubeba elektroni, ambazo huzihamisha kwa kila mmoja katika mlolongo uliofungwa wa athari. Kutengeneza njia hii nje ya molekuli ya klorofili, elektroni zenye msisimko huacha nguvu zao polepole na kurudi kwenye sehemu zao za asili katika molekuli ya klorofili, ambayo huwa tayari kunyonya fotoni ya pili. Wakati huo huo, nishati iliyotolewa na elektroni hutumiwa kuunda ATP kutoka kwa ADP na fosfeti - kwa maneno mengine, "kuchaji" mfumo wa adenosine phosphate wa seli ya photosynthetic.

Wabebaji wa elektroni ambao hupatanisha mchakato huu wa fosforasi ya usanisinuru bado hawajatambuliwa kikamilifu. Mojawapo ya vibebaji hivi inaonekana kuwa na riboflauini (vitamini B2) na vitamini K. Nyingine zimeainishwa kimatibabu kuwa saitokromu (protini zenye atomi za chuma ambazo zimezungukwa na vikundi vya porfirini, ambavyo katika eneo na muundo vinafanana na porfirini ya klorofili yenyewe). Angalau wawili wa wabebaji hawa wa elektroni wana uwezo wa kufunga sehemu ya nishati wanayobeba ili kurejesha ATP kutoka kwa ADP.

Huu ni mpango wa msingi wa kubadilisha nishati ya mwanga katika nishati ya vifungo vya phosphate vya ATP, iliyoandaliwa na D. Arnon na wanasayansi wengine.

Hata hivyo, katika mchakato wa photosynthesis, pamoja na kumfunga kwa nishati ya jua, awali ya wanga pia hutokea. Sasa inaaminika kuwa baadhi ya elektroni "moto" za molekuli ya klorofili iliyosisimka, pamoja na ioni za hidrojeni zinazotoka kwa maji, husababisha kupunguzwa (yaani, upatikanaji wa elektroni za ziada au atomi za hidrojeni) ya mojawapo ya wabebaji wa elektroni - triphosphopyridine nucleotide. (TPN, katika fomu iliyopunguzwa TPN-N).

Katika mfululizo wa athari za giza, zinazoitwa hivyo kwa sababu zinaweza kutokea kwa kukosekana kwa mwanga, TPH-H husababisha kupungua kwa dioksidi kaboni hadi wanga. Nishati nyingi zinazohitajika kwa athari hizi hutolewa na ATP. Asili ya athari hizi za giza ilisomwa hasa na M. Calvin na wenzake. Moja ya kwa-bidhaa Picha ya awali ya TPN ni ioni ya hidroksili (OH -). Ingawa bado hatuna data kamili, inadhaniwa kwamba ioni hii hutoa elektroni yake kwa moja ya saitokromu katika msururu wa athari za usanisinuru, bidhaa ya mwisho ambayo ni oksijeni ya molekuli. Elektroni husogea kando ya mlolongo wa wabebaji, wakitoa mchango wao wa nguvu katika malezi ya ATP, na, mwishowe, baada ya kutumia nishati yao yote ya ziada, huingia kwenye molekuli ya chlorophyll.

Kama vile mtu angetarajia kwa kuzingatia asili ya kawaida na ya mfuatano ya mchakato wa usanisinuru, molekuli za klorofili haziko katika kloroplasti kwa nasibu na, bila shaka, haziahirishwi tu kwenye kioevu kinachojaza kloroplasti. Kinyume chake, molekuli za klorofili huunda miundo iliyoagizwa katika kloroplasts - grana, kati ya ambayo kuna interlacing ya nyuzi au utando kuwatenganisha. Ndani ya kila grana, molekuli tambarare za klorofili ziko kwenye mrundikano; kila molekuli inaweza kuchukuliwa kuwa sawa na sahani tofauti (electrode) ya kipengele, grana - kwa vipengele, na jumla ya grana (yaani kloroplast nzima) - kwa betri ya umeme.

Kloroplast pia huwa na molekuli zote maalum za kubeba elektroni ambazo, pamoja na klorofili, zinahusika katika kutoa nishati kutoka kwa elektroni "moto" na kutumia nishati hii kuunganisha wanga. Kloroplasti zinazotolewa kutoka kwenye seli zinaweza kutekeleza mchakato mzima mgumu wa usanisinuru.

Ufanisi wa viwanda hivi vidogo vinavyotumia nishati ya jua ni ajabu. Katika maabara, chini ya hali fulani maalum, inaweza kuonyeshwa kuwa wakati wa mchakato wa photosynthesis, hadi 75% ya mwanga unaoanguka kwenye molekuli ya chlorophyll inabadilishwa kuwa nishati ya kemikali; Hata hivyo, takwimu hii haiwezi kuchukuliwa kuwa sahihi kabisa, na bado kuna mjadala kuhusu hili. Katika shamba, kutokana na mwanga usio na usawa wa majani na jua, na pia kwa sababu nyingine kadhaa, ufanisi wa matumizi ya nishati ya jua ni chini sana - kwa utaratibu wa asilimia kadhaa.

Hivyo, molekuli ya glucose, ambayo ni bidhaa ya mwisho photosynthesis, lazima iwe na kabisa kiasi kikubwa nishati ya jua zilizomo katika usanidi wake wa Masi. Wakati wa mchakato wa kupumua, seli za heterotrofiki hutoa nishati hii kwa kuvunja polepole molekuli ya glukosi ili "kuhifadhi" nishati iliyo ndani ya vifungo vipya vya phosphate vya ATP.

Wapo aina tofauti seli za heterotrophic. Baadhi ya seli (kwa mfano, baadhi ya microorganisms baharini) wanaweza kuishi bila oksijeni; wengine (kwa mfano, seli za ubongo) zinahitaji kabisa oksijeni; wengine (kwa mfano, seli za misuli) ni nyingi zaidi na zina uwezo wa kufanya kazi mbele ya oksijeni katika mazingira na bila kutokuwepo. Kwa kuongezea, ingawa seli nyingi hupendelea kutumia glukosi kama mafuta yao kuu, baadhi yao yanaweza kuwepo tu kwenye asidi ya amino au asidi ya mafuta (malighafi kuu ya usanisi ambayo ni glukosi sawa). Walakini, kuvunjika kwa molekuli ya glukosi katika seli za ini kunaweza kuchukuliwa kuwa mfano wa mchakato wa uzalishaji wa nishati mfano wa heterotrofu nyingi zinazojulikana kwetu.

Jumla ya nishati iliyo katika molekuli ya glucose ni rahisi sana kuamua. Kwa kuchoma kiasi fulani (sampuli) ya glucose katika maabara, inaweza kuonyeshwa kuwa oxidation ya molekuli ya glucose hutoa molekuli 6 za maji na molekuli 6 za dioksidi kaboni, na majibu yanafuatana na kutolewa kwa nishati katika fomu. ya joto (takriban kalori 690,000 kwa molekuli ya gramu 1, yaani kwa gramu 180 za glucose). Nishati katika mfumo wa joto bila shaka haina maana kwa seli, ambayo inafanya kazi kwa joto la kawaida. Oxidation ya taratibu ya glucose wakati wa kupumua hutokea, hata hivyo, kwa njia ambayo nishati nyingi za bure za molekuli ya glucose huhifadhiwa kwa fomu inayofaa kwa seli.

Matokeo yake, kiini hupokea zaidi ya 50% ya nishati yote iliyotolewa wakati wa oxidation kwa namna ya nishati ya dhamana ya phosphate. Ufanisi huo wa juu unalinganishwa vyema na ule unaopatikana kwa kawaida katika teknolojia, ambapo ni mara chache iwezekanavyo kubadili zaidi ya theluthi moja ya nishati ya joto inayopatikana kutokana na mwako wa mafuta kwenye nishati ya mitambo au ya umeme.

Mchakato wa oxidation ya glukosi kwenye seli umegawanywa katika awamu mbili kuu. Wakati wa awamu ya kwanza, au ya maandalizi, inayoitwa glycolysis, molekuli sita ya kaboni ya glukosi hugawanywa katika molekuli mbili za kaboni tatu za asidi ya lactic. Mchakato huu unaoonekana kuwa rahisi hauna moja, lakini angalau hatua 11, na kila hatua ikichochewa na kimeng'enya chake maalum. Utata wa oparesheni hii unaweza kuonekana kupingana na aphorism ya Newton “Natura entm simplex esi” (“asili ni rahisi”); Hata hivyo, ni lazima ikumbukwe kwamba madhumuni ya mmenyuko huu sio tu kugawanya molekuli ya glucose katika nusu, lakini kutolewa kwa nishati iliyo ndani yake kutoka kwa molekuli hii. Kila moja ya viunzi vina vikundi vya fosfeti, na majibu huishia kutumia molekuli mbili za ADP na vikundi viwili vya fosforasi. Mwishowe, kama matokeo ya kuvunjika kwa sukari, sio molekuli mbili tu za asidi ya lactic huundwa, lakini, kwa kuongeza, molekuli mbili mpya za ATP huundwa.

Hii inasababisha nini katika suala la nishati? Milinganyo ya hali ya joto huonyesha kwamba gramu moja ya glukosi inapovunjwa na kuunda asidi ya lactic, kalori 56,000 hutolewa. Kwa kuwa uundaji wa kila molekuli ya gramu ya ATP hufunga kalori 10,000, ufanisi wa mchakato wa kukamata nishati katika hatua hii ni karibu 36% - takwimu ya kuvutia sana, kulingana na kile tunachopaswa kushughulika nacho katika teknolojia. Hata hivyo, kalori hizi 20,000 zinazobadilishwa kuwa nishati ya bondi ya fosfati huwakilisha sehemu ndogo tu (karibu 3%) ya jumla ya nishati iliyo katika molekuli ya gramu ya glukosi (kalori 690,000). Wakati huo huo, seli nyingi, kwa mfano, seli za anaerobic au seli za misuli, ambazo ziko katika hali ya shughuli (na kwa wakati huu haziwezi kupumua), zipo kutokana na matumizi haya yasiyo ya maana ya nishati.

Baada ya glukosi kugawanywa katika asidi ya lactic, seli za aerobic zinaendelea kutoa wengi wa nishati iliyobaki wakati wa mchakato wa kupumua, wakati ambapo molekuli tatu za asidi ya lactic asidi hugawanywa katika molekuli moja ya kaboni dioksidi kaboni. Asidi ya Lactic, au tuseme fomu yake iliyooksidishwa, asidi ya pyruvic, hupitia safu ngumu zaidi ya athari, kila moja ya athari hizi tena ikichochewa na mfumo maalum wa enzyme. Kwanza, kiwanja cha kaboni tatu huvunjika na kuunda fomu iliyoamilishwa ya asidi asetiki (acetyl coenzyme A) na dioksidi kaboni. "Kiwango cha kaboni mbili" (asetili coenzyme A) kisha huchanganyika na kiwanja cha kaboni nne, asidi oxaloasetiki, kutoa asidi ya citric, ambayo ina atomi sita za kaboni. Asidi ya citric, kupitia mfululizo wa athari, inabadilishwa tena kuwa asidi ya oxaloacetic, na atomi tatu za kaboni za asidi ya pyruvic zinazoingizwa katika mzunguko huu wa athari hatimaye hutoa molekuli za dioksidi kaboni. "Kinu" hiki, ambacho "husaga" (huongeza oksidi) sio tu sukari, lakini pia molekuli za mafuta na amino, ambazo hapo awali zilivunjwa kuwa asidi ya asetiki, inajulikana kama mzunguko wa Krebs au mzunguko wa asidi ya citric.

Mzunguko huo ulielezewa kwa mara ya kwanza na G. Krebs mwaka wa 1937. Ugunduzi huu unawakilisha mojawapo ya msingi wa biokemia ya kisasa, na mwandishi wake alipewa Tuzo ya Nobel mwaka wa 1953.

Mzunguko wa Krebs hufuatilia oxidation ya asidi lactic kwa dioksidi kaboni; Hata hivyo, mzunguko huu pekee hauwezi kueleza jinsi kiasi kikubwa cha nishati kilicho katika molekuli ya asidi ya lactic kinaweza kutolewa katika fomu inayofaa kutumika katika seli hai. Mchakato huu wa uchimbaji wa nishati unaoambatana na mzunguko wa Krebs miaka ya hivi karibuni inasomwa kwa umakini. Picha ya jumla iko wazi zaidi au kidogo, lakini maelezo mengi yanasalia kuchunguzwa. Inavyoonekana, wakati wa mzunguko wa Krebs, elektroni, pamoja na ushiriki wa enzymes, hukatwa kutoka kwa bidhaa za kati na kuhamishwa pamoja na idadi ya molekuli za carrier, zimeunganishwa chini. jina la kawaida mnyororo wa kupumua. Mlolongo huu wa molekuli za kimeng'enya unawakilisha njia ya mwisho ya kawaida ya elektroni zote zinazoondolewa kutoka kwa molekuli za virutubisho katika mchakato wa uoksidishaji wa kibiolojia. Katika kiungo cha mwisho cha mnyororo huu, elektroni hatimaye huchanganyika na oksijeni na kuunda maji. Kwa hivyo, uharibifu wa virutubisho kwa njia ya kupumua ni mchakato wa reverse wa photosynthesis, ambayo kuondolewa kwa elektroni kutoka kwa maji hutoa oksijeni. Zaidi ya hayo, wabebaji wa elektroni katika mnyororo wa upumuaji ni sawa na kemikali na wabebaji wanaohusika katika mchakato wa photosynthesis. Miongoni mwao kuna, kwa mfano, riboflauini na miundo ya cytochrome, sawa na yale ya kloroplast. Hii inathibitisha aphorism ya Newton kuhusu unyenyekevu wa asili.

Kama ilivyo katika usanisinuru, nishati ya elektroni zinazopita kwenye mnyororo huu hadi oksijeni hunaswa na kutumika kuunganisha ATP kutoka kwa ADP na fosfeti. Kwa kweli, fosforasi hii inayotokea kwenye mnyororo wa kupumua (phosphorylation ya oksidi) imesomwa vizuri zaidi kuliko fosforasi inayotokea wakati wa usanisinuru, ambayo iligunduliwa hivi karibuni. Imeanzishwa kwa uthabiti, kwa mfano, kwamba kuna vituo vitatu katika mlolongo wa kupumua ambayo "malipo" ya phosphate ya adenosine hutokea, yaani, malezi ya ATP. Kwa hivyo, kwa kila jozi ya elektroni zilizoondolewa kutoka kwa asidi ya lactic wakati wa mzunguko wa Krebs, wastani wa molekuli tatu za ATP huundwa.

Kulingana na jumla ya mavuno ya ATP, sasa inawezekana kukokotoa ufanisi wa thermodynamic ambayo seli huchota nishati inayopatikana kwake kwa oksidi ya glukosi. Mgawanyiko wa awali wa sukari katika molekuli mbili za asidi ya lactic hutoa molekuli mbili za ATP. Kila molekuli ya asidi ya lactic hatimaye huhamisha jozi sita za elektroni kwenye mnyororo wa kupumua. Kwa kuwa kila jozi ya elektroni zinazopita kwenye mnyororo husababisha ubadilishaji wa molekuli tatu za ADP kuwa ATP, molekuli 36 za ATP hutolewa wakati wa mchakato wa kupumua yenyewe. Wakati kila molekuli ya gramu ya ATP inapoundwa, takriban kalori 10,000 hufungwa, kama tulivyokwishaonyesha, na, kwa hiyo, molekuli za gramu 38 za ATP hufunga takriban 380,000 ya kalori 690,000 zilizomo katika molekuli ya awali ya gramu ya glucose. Ufanisi wa michakato ya pamoja ya glycolysis na kupumua inaweza kuzingatiwa kuwa angalau 55%.

Utata uliokithiri wa mchakato wa kupumua ni dalili nyingine kwamba mifumo ya enzymatic inayohusika haikuweza kufanya kazi ikiwa sehemu kuu zilichanganywa tu katika suluhisho. Kama vile mifumo ya molekuli inayohusishwa na usanisinuru ina maalum shirika la muundo na zimefungwa katika kloroplast, viungo vya kupumua vya seli - mitochondria - vinawakilisha mfumo sawa wa muundo.

Seli, kulingana na aina yake na asili ya kazi yake, inaweza kuwa na mitochondria 50 hadi 5000 (seli ya ini ina, kwa mfano, kuhusu mitochondria 1000). Wana ukubwa wa kutosha (urefu wa microns 3-4) kuonekana na darubini ya kawaida. Walakini, muundo wa mitochondria unaonekana tu chini ya darubini ya elektroni.

Katika maikrografu ya elektroni mtu anaweza kuona kwamba mitochondrion ina utando mbili, na utando wa ndani ukitengeneza mikunjo inayoenea ndani ya mwili wa mitochondrion. Utafiti wa hivi karibuni wa mitochondria iliyotengwa na seli za ini ulionyesha kuwa molekuli za enzyme zinazohusika katika mzunguko wa Krebs ziko kwenye tumbo, au sehemu ya mumunyifu ya yaliyomo ya ndani ya mitochondria, wakati vimeng'enya vya mnyororo wa kupumua, katika mfumo wa molekuli " makusanyiko,” ziko kwenye utando. Utando unajumuisha tabaka zinazobadilishana za molekuli za protini na lipid (mafuta); Utando katika grana ya kloroplasts una muundo sawa.

Kwa hivyo, kuna kufanana wazi katika muundo wa "vituo vya nguvu" viwili kuu, ambavyo shughuli zote muhimu za seli hutegemea, kwa sababu mmoja wao "huhifadhi" nishati ya jua katika vifungo vya phosphate vya ATP, na wengine hubadilisha. nishati iliyomo katika virutubisho katika nishati ya ATP.

Maendeleo katika kemia ya kisasa na fizikia hivi karibuni yamewezesha kufafanua muundo wa anga wa molekuli kubwa, kwa mfano, molekuli za idadi ya protini na DNA, i.e. molekuli zilizo na habari za urithi.

Hatua inayofuata muhimu katika kusoma seli ni kujua eneo la molekuli kubwa za kimeng'enya (ambazo zenyewe ni protini) kwenye utando wa mitochondrial, ambapo ziko pamoja na lipids - mpangilio ambao unahakikisha mwelekeo sahihi wa kila molekuli ya kichocheo na uwezekano wa mwingiliano wake na kiungo kinachofuata cha utaratibu mzima wa kufanya kazi. "Mchoro wa wiring" wa mitochondria tayari ni wazi!

Habari ya kisasa kuhusu mimea ya nguvu ya seli inaonyesha kuwa inaacha nyuma sio tu nishati ya kitamaduni, lakini pia mafanikio mapya zaidi, mazuri zaidi ya teknolojia.

Umeme imepata mafanikio ya ajabu katika mpangilio na kupunguza ukubwa wa vipengele vya vifaa vya kompyuta. Walakini, mafanikio haya yote hayawezi kulinganishwa na uboreshaji mdogo wa ajabu wa mifumo ngumu zaidi ya ubadilishaji wa nishati iliyotengenezwa katika mchakato wa mageuzi ya kikaboni na sasa katika kila seli hai.

Zaidi ya miaka bilioni moja imepita kutoka kwa kuonekana kwa viumbe vyenye seli moja hadi "uvumbuzi" wa kiini cha seli na kuzaliwa kwa idadi ya ubunifu mwingine. Hapo ndipo barabara ilifunguliwa kwa viumbe vya kwanza vya seli nyingi, ambazo zilitoa falme tatu za wanyama, mimea na kuvu. Wanasayansi wa Ulaya wametoa ufafanuzi mpya wa mabadiliko haya, ambayo yanapingana na mawazo yaliyopo hapo awali.

Inakubaliwa kwa ujumla kwamba kwanza, seli za nyuklia za juu zaidi zilizaliwa kutoka kwa prokariyoti, kutegemea mifumo ya zamani ya nishati, na baadaye tu waajiri wapya walipata mitochondria. Wafuatao walipewa jukumu muhimu katika mageuzi zaidi ya yukariyoti, lakini sio jukumu la msingi wa msingi wake.

"Tumeonyesha kuwa chaguo la kwanza halitafanya kazi. Ili seli kukuza utata, inahitaji mitochondria,” Martin anaelezea. "Nadharia yetu inakanusha mtazamo wa kimapokeo kwamba mpito hadi seli za yukariyoti ulihitaji tu mabadiliko yanayofaa," anasisitiza Lane.

Waliendeleza pamoja, wakati endosymbiont polepole iliboresha ustadi mmoja - usanisi wa ATP. Seli ya ndani ilipungua kwa ukubwa na kuhamisha baadhi ya jeni zake ndogo kwenye kiini. Kwa hiyo mitochondria ilibakiza sehemu hiyo tu ya DNA ya awali ambayo walihitaji kufanya kazi kama “kiwanda hai cha nishati.”

Mitochondria ndani ya seli (fluoresce kijani). Ndani: Martin (kushoto) na Lane. Maelezo ya utafiti mpya yanaweza kupatikana katika makala ya Nature na taarifa ya vyombo vya habari ya UCL (picha na Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

Kuonekana kwa mitochondria kwa suala la nishati inaweza kulinganishwa na uvumbuzi wa roketi baada ya mkokoteni, kwa sababu seli za nyuklia kwa wastani ni kubwa mara elfu kwa kiasi kuliko seli zisizo na kiini.

Ya mwisho, inaweza kuonekana, inaweza pia kukua kwa ukubwa na utata wa kifaa (kuna mifano michache ya kushangaza hapa). Lakini kwenye njia hii, viumbe vidogo vinakabiliwa na kukamata: wanapokua kijiometri, uwiano wa eneo la uso kwa kiasi hupungua haraka.

Wakati huo huo, seli rahisi hutoa nishati kwa kutumia utando unaozifunika. Kwa hivyo chembe kubwa ya prokaryotic inaweza kuwa na nafasi nyingi kwa jeni mpya, lakini haina nishati ya kutosha kuunganisha protini kulingana na "maagizo" haya.

Kuongeza tu mikunjo ya utando wa nje haisaidii hali hiyo (ingawa seli kama hizo zinajulikana). Kwa njia hii ya kuongeza nguvu, idadi ya makosa katika operesheni pia huongezeka. mfumo wa nishati. Molekuli zisizohitajika hujilimbikiza kwenye seli na zinaweza kuiharibu.

Idadi ya mitochondria (iliyoonyeshwa kwa rangi nyekundu) katika seli moja inatofautiana kutoka nakala moja (hasa katika yukariyoti yenye seli moja) hadi elfu mbili (kwa mfano, katika seli za ini la binadamu) (kielelezo cha Odra Noel).

Mitochondria ni uvumbuzi mzuri wa asili. Kwa kuongeza idadi yao, inawezekana kuongeza uwezo wa nishati ya seli bila kukua. uso wa nje. Zaidi ya hayo, kila mitochondria pia ina mifumo ya udhibiti na ukarabati iliyojengwa.

Na mwingine pamoja na innovation: DNA mitochondrial ni ndogo na kiuchumi sana. Kuiga haihitaji rasilimali nyingi. Lakini bakteria, ili kuongeza uwezo wao wa nishati, wanaweza tu kuunda nakala nyingi za genome zao zote. Lakini maendeleo kama haya haraka husababisha mwisho wa nishati.

Ulinganisho wa nishati ya seli tofauti na mzunguko wao. a) - wastani wa prokariyoti ( Escherichia), b) - prokariyoti kubwa sana ( Thiomargarita) na (c) wastani wa yukariyoti ( Euglena).
Michoro inaonyesha (kutoka juu hadi chini): nguvu (wati) kwa kila gramu ya seli (d), nguvu (femtowati) kwa kila jeni (e), na nguvu (picowatts) kwa kila jenomu ya haploidi (f) (vielelezo vya Nick Lane, William Martin/Nature).

Waandishi wa kazi hiyo walihesabu kuwa seli ya wastani ya yukariyoti inaweza kinadharia kubeba jeni mara elfu 200 zaidi ya bakteria ya wastani. Eukaryoti inaweza kuzingatiwa kama maktaba iliyo na idadi kubwa rafu - zijaze na vitabu kwa maudhui ya moyo wako. Kweli, genome iliyopanuliwa zaidi ni msingi wa uboreshaji zaidi wa muundo wa seli na kimetaboliki yake, kuibuka kwa minyororo mpya ya udhibiti.