Способы получения энергии эукариотов
Вопрос 1. В чем заключается сущность гипотезы возникновения эукариот путем симбиогенеза?
Гипотеза симбиогенеза заключается в том, что вероятнее всего основной базой для возникновения эукариотической клетки была гетеротрофная амебовидная клетка, пищей которой служили более мелкие клетки. Среди них были и аэробные бактерии, которые могли продолжать функционировать в клетке-хозяине. Те амебовидные клетки, в теле которых аэробные бактерии продолжали функционировать, оказались в более выгодном положении, чем клетки, продолжавшие получать энергию анаэробным путем. В дальнейшем аэробные бактерии-симбиоиты превратились в митохондрии, а к поверхности клетки-хозяина прикрепилась другая группа симбионтов — жгутиковые бактерии. Они дали начало органеллам движения — жгутикам (ресничкам). Так возникли предшественники ныне живущих жгутиковых простейших.
Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими прокариотами дали начало водорослям, а в дальнейшем и высшим растениям.
Вопрос 2. Какими способами первые эукариотические клетки получали энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности?
Первые эукариотические клетки обладали гетеротрофным типом питания и, по-видимому, являлись анаэробами (бескислородный тип энергетического обмена), получая энергию за счет брожения. Так продолжалось до тех пор, пока в результате симбиоза в аукариотических клетках не появились митохондрии, основой для формирования которых послужили аэробные бактерии, позволившие эукариотическим организмам перейти на аэробный тип обмена. Другая группа эукариот приобрела пластиды и перешла к автотрофному типу питания.
Вопрос 3. У каких организмов впервые в процессе эволюции появился половой процесс?
Половой процесс в ходе эволюции возник у одноклеточных эукариот, обладавших диплоидным набором хромосом, что сделало возможным обмен копиями генов между разными особями одного вида. Так, например, у инфузорий половой процесс называется конъюгацией и заключается в обмене Гаплоидными ядрами (содержащими одинарный набор хромосом) между двумя организмами.
Вопрос 4. Опешите сущность гипотезы И.И. Мечникова о возникновении многоклеточных организмов.
Основу современных представлений о возникновении многоклеточных организмов составляет гипотеза фагоцителлы, разработанная И. И. Мечниковым.
В соответствии с этой гипотезой многоклеточные организмы произошли от колониальных простейших-жгутиконосцев. Среди клеток такой колонии существовали движущие клетки, снабженные жгутиками, и питающие — фагоцитирующие добычу и уносящие ее в глубь колонии. Впоследствии и3 наружного слоя клеток, выполнявшего покровную и двигательную функции, образовалась эктодерма — покровная ткань, а из клеток, занимавшихся пищеварением, — энтодерма. Часть клеток, которая специализировалась па функции размножения, стали половыми клетками. Подтверждением данной гипотезы является существование фагоцителлоподобного организма — трихоплакса.
Источник
Пути получения энергии у прокариотов
Для синтеза структурных компонентов микробной клетки и поддержания процессов жизнедеятельности наряду с питательными веществами требуется достаточное количество энергии.
Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма
| Источник энергии | Название группы бактерий или процесса | ||
| Солнечный свет | Фототрофы | ||
| Химические (окислительно-восстановительные) реакции с синтезом АТФ | Хемотрофы | ||
| Донор электронов | Неорганические соединения | Литотрофы | |
| Органические соединения | Органотрофы | ||
| Акцептор электронов | Внешний (окисление) | О2 | Аэробное дыхание |
| Не О2 (нитрат, фумарат) | Анаэробное дыхание | ||
| Внутренний – органические молекулы клетки (ферментация) | Брожение |
В зависимости от источника энергии и механизма преобразования энергии в доступную для клетки биохимическую форму (АТФ), микроорганизмы подразделяют на 2 группы (табл. 20):
1. Фототрофы (фотосинтезируюшие) — получают энергию путем фотосинтеза (солнечную энергию они превращают в химическую); имеют циклический транспорт электронов, в результате которого образуется АТФ.
К фототрофам относятся сапрофитные микроорганизмы, которые в зависимости от природы доноров электронов подразделяются на 2 группы:
– фотолитотрофы (фотоавтотрофы) — осуществляют кислородный фотосинтез, получают химическую энергию в хроматофорах с помощью хлорофилла (аэробные зеленые и пурпурные серобактерии, цианобактерии, водоросли и зеленые растения);
– фотоорганотрофы (фотогетеротрофы) — осуществляют бескислородный фотосинтез (анаэробные несерные пурпурные бактерии).
2. Хемотрофы (хемосинтезирующие) — получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. В зависимости от природы доноров электроновхемотрофы подразделяются на 2 группы:
– хемолитотрофы (хемоавтотрофы) — донором электронов являются неорганические соединения (сера, сероводород, сернистая кислота, соли железа, метана, водорода). Напр., железобактерии получают энергию при окислении железа; бактерии, метаболизирующие серу, обеспечивают себя энергией за счет окисления серосодержащих соединений. Некоторые хемолитотрофыспособны к гетеротрофному метаболизму, если органические соединения доступны для питания (нитрифицирующие бактерии, переводящие аммоний в нитраты и принимающие участие в круговороте азота);
– хемоорганотрофы (хемогетеротрофы) — донором электронов являются органические соединения (табл. 21); к ним относятся животные и основная масса микроорганизмов, в т. ч. патогенные.
Источник
Пути получения энергии у прокариотов
Для синтеза структурных компонентов микробной клетки и поддержания процессов жизнедеятельности наряду с питательными веществами требуется достаточное количество энергии.
Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма
Название группы бактерий или процесса
Химические (окислительно-восстановительные) реакции с синтезом АТФ
Внутренний – органические молекулы клетки (ферментация)
В зависимости от источника энергии и механизма преобразования энергии в доступную для клетки биохимическую форму (АТФ), микроорганизмы подразделяют на 2 группы (табл. 20):
1. Фототрофы (фотосинтезируюшие) — получают энергию путем фотосинтеза (солнечную энергию они превращают в химическую); имеют циклический транспорт электронов, в результате которого образуется АТФ.
К фототрофам относятся сапрофитные микроорганизмы, которые в зависимости от природы доноров электронов подразделяются на 2 группы:
фотолитотрофы (фотоавтотрофы) — осуществляют кислородный фотосинтез, получают химическую энергию в хроматофорах с помощью хлорофилла (аэробные зеленые и пурпурные серобактерии, цианобактерии, водоросли и зеленые растения);
фотоорганотрофы (фотогетеротрофы) — осуществляют бескислородный фотосинтез (анаэробные несерные пурпурные бактерии).
2. Хемотрофы (хемосинтезирующие) — получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. В зависимости от природы доноров электронов хемотрофы подразделяются на 2 группы:
хемолитотрофы (хемоавтотрофы) — донором электронов являются неорганические соединения (сера, сероводород, сернистая кислота, соли железа, метана, водорода). Напр., железобактерии получают энергию при окислении железа; бактерии, метаболизирующие серу, обеспечивают себя энергией за счет окисления серосодержащих соединений. Некоторые хемолитотрофы способны к гетеротрофному метаболизму, если органические соединения доступны для питания (нитрифицирующие бактерии, переводящие аммоний в нитраты и принимающие участие в круговороте азота);
хемоорганотрофы (хемогетеротрофы) — донором электронов являются органические соединения (табл. 21); к ним относятся животные и основная масса микроорганизмов, в т. ч. патогенные.
Сравнительная эффективность различных способов получения энергии у гетеротрофов
Гликолиз,использует большинство микроорганизмов, основной способ у анаэробов
Лимонно-кислый (цикл трикарбоновых кислот),широко используется
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.
В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.
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
