МЕТАБОЛІЧНА ЕНЕРГІЯ: ВИДИ, ДЖЕРЕЛА ТА ПЕРЕТВОРЕННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Метаболічна енергія є енергія , що всі живі істоти , отримані з хімічної енергії , що міститься в їжі (або поживних речовин). Ця енергія в основному однакова для всіх клітин; однак спосіб її отримання дуже різноманітний.

Їжа складається з ряду біомолекул різних типів, у яких хімічна енергія зберігається у своїх зв’язках. Таким чином організми можуть скористатися енергією, що зберігається в їжі, а потім використовувати цю енергію в інших обмінних процесах.

Усі живі організми потребують енергії для росту та відтворення, підтримання своїх структур та реагування на навколишнє середовище. Метаболізм охоплює хімічні процеси, що підтримують життя, і що дозволяють організмам перетворювати хімічну енергію в корисну для клітин енергію.

У тварин метаболізм розщеплює вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти для забезпечення хімічної енергії. Рослини, зі свого боку, перетворюють світлову енергію від Сонця в хімічну енергію для синтезу інших молекул; вони роблять це під час процесу фотосинтезу.

Види метаболічних реакцій

Метаболізм включає кілька типів реакцій, які можна об'єднати у дві широкі категорії: реакції деградації органічних молекул та реакції синтезу інших біомолекул.

Реакції метаболічної деградації складають клітинний катаболізм (або катаболічні реакції). Вони включають окислення молекул, багатих енергією, таких як глюкоза та інші цукру (вуглеводи). Оскільки ці реакції вивільняють енергію, їх називають ергонічними.

На противагу цьому реакції синтезу складають клітинний анаболізм (або анаболічні реакції). Вони здійснюють процеси відновлення молекул, утворюючи інші, багаті накопиченою енергією, наприклад, глікоген. Оскільки ці реакції споживають енергію, їх називають ендергонічними.

Джерела метаболічної енергії

Основними джерелами метаболічної енергії є молекули глюкози та жирні кислоти. Вони складають групу біомолекул, які можуть швидко окислюватися для отримання енергії.

Молекули глюкози надходять переважно з вуглеводів, що потрапляють у раціон, таких як рис, хліб, макарони, серед інших похідних овочів, багатих крохмалем. Коли в крові мало глюкози, її також можна отримати з молекул глікогену, що зберігаються в печінці.

Під час тривалого голодування або в процесах, які потребують додаткової витрати енергії, необхідно отримувати цю енергію з жирних кислот, які мобілізуються з жирової тканини.

Ці жирні кислоти проходять ряд метаболічних реакцій, які їх активують, і дозволяють їх транспортувати до внутрішніх мітохондрій, де вони будуть окислюватися. Цей процес називається β-окисленням жирних кислот і забезпечує до 80% додаткової енергії в цих умовах.

Білки та жири - останній резерв для синтезу нових молекул глюкози, особливо у випадках крайнього голодування. Ця реакція має анаболічний тип і відома як глюконеогенез.

Процес перетворення хімічної енергії в метаболічну енергію

Складні молекули їжі, такі як цукри, жири та білки, є багатими джерелами енергії для клітин, оскільки значна частина енергії, яка використовується для виготовлення цих молекул, буквально зберігається в межах хімічних зв’язків, що їх утримують разом.

Вчені можуть виміряти кількість енергії, що зберігається в їжі, використовуючи прилад, який називається калориметром бомби. За допомогою цієї методики їжу поміщають всередину калориметра і нагрівають, поки вона не згорить. Надлишок тепла, що виділяється реакцією, прямо пропорційний кількості енергії, що міститься в їжі.

Реальність така, що клітини не функціонують як калориметри. Замість того, щоб спалити енергію в одній великій реакції, клітини повільно вивільняють енергію, що зберігається в їх молекулах їжі, через низку реакцій окислення.

Окислення

Окислення описує тип хімічної реакції, при якій електрони переносяться з однієї молекули в іншу, змінюючи склад і енергетичний вміст молекул донора та акцептора. Молекули в їжі виконують роль донорів електронів.

Під час кожної реакції окислення, що бере участь у розкладанні їжі, продукт реакції має менший вміст енергії, ніж молекула донора, яка передувала їй на шляху.

У той же час молекули акцепторів електронів захоплюють частину енергії, яка втрачається з молекули їжі під час кожної реакції окислення, і зберігають її для подальшого використання.

Зрештою, коли атоми вуглецю у складній органічній молекулі повністю окислюються (наприкінці реакційного ланцюга), вони виділяються у вигляді вуглекислого газу.

Клітини не використовують енергію від реакцій окислення, як тільки вони вивільняються. Що відбувається, це те, що вони перетворюють його в невеликі, багаті енергією молекули, такі як АТФ і НАДГ, які можуть використовуватися у всій клітині для посилення обміну речовин та побудови нових клітинних компонентів.

Потужність у режимі очікування

Коли енергії багато, еукаріотичні клітини створюють більші, багаті енергією молекули, щоб зберігати цю зайву енергію.

Отримані цукру та жири утримуються у відкладеннях всередині клітин, деякі з яких досить великі, щоб їх було видно на електронних мікрографах.

Клітини тварин також можуть синтезувати розгалужені полімери глюкози (глікоген), які в свою чергу агрегуються у частинки, які можна спостерігати за допомогою електронної мікроскопії. Клітина може швидко мобілізувати ці частинки, коли вона потребує швидкої енергії.

Однак, за звичайних обставин, люди зберігають достатню кількість глікогену, щоб забезпечити витрату енергії за день. Клітини рослин не виробляють глікоген, а натомість роблять різні полімери глюкози, відомі як крохмалі, які зберігаються в гранулах.

Крім того, рослинні і тваринні клітини економлять енергію, перенаправляючи глюкозу в шляхи синтезу жиру. Один грам жиру містить майже в шість разів більше енергії тієї ж кількості глікогену, але енергія жиру є менш доступною, ніж витрата глікогену.

Але кожен механізм зберігання важливий, оскільки клітини потребують як короткострокових, так і довгострокових запасів енергії.

Жири зберігаються крапельки в цитоплазмі клітин. Люди, як правило, зберігають достатню кількість жиру для живлення своїх клітин протягом декількох тижнів.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна біологія клітини (6-е видання). Гарленд Наука.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Біохімія (8-е видання). WH Freeman and Company
3. Кемпбелл, Н. та Різ, Дж. (2005). Біологія (2-е видання) Пірсонова освіта.
4. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, К., Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., Амон, А. і Мартін, К. (2016). Молекулярна клітинна біологія (8-е видання). WH Freeman and Company.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Життя: наука про біологію (7-е видання). Sinauer Associates та WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Біологія (7-е вид.) Навчання за участю.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи біохімії: життя на молекулярному рівні (5-е видання). Вілі.