МЕТАБОЛИТНА ЕНЕРГИЯ: ВИДОВЕ, ИЗТОЧНИЦИ И ТРАНСФОРМАЦИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В метаболитна енергия е енергията, която всички живи същества, получени от химическата енергия, съдържащи се в храната (или вещества). Тази енергия е еднаква за всички клетки; начинът за получаването му обаче е много разнообразен.

Храната се състои от серия биомолекули от различни видове, които имат химическа енергия, съхранявана в техните връзки. По този начин организмите могат да се възползват от енергията, съхранявана в храната, и след това да използват тази енергия в други метаболитни процеси.

Всички живи организми се нуждаят от енергия, за да растат и да се възпроизвеждат, да поддържат своите структури и да реагират на околната среда. Метаболизмът обхваща химичните процеси, които поддържат живота и позволяват на организмите да трансформират химическата енергия в полезна енергия за клетките.

При животните метаболизмът разгражда въглехидратите, липидите, протеините и нуклеиновите киселини, за да осигури химическа енергия. Растенията от своя страна преобразуват светлинната енергия от Слънцето в химическа енергия, за да синтезират други молекули; те правят това по време на процеса на фотосинтеза.

Видове метаболитни реакции

Метаболизмът включва няколко типа реакции, които могат да бъдат групирани в две широки категории: реакции на разграждане на органични молекули и реакции на синтез на други биомолекули.

Реакциите на метаболитна деградация представляват клетъчен катаболизъм (или катаболни реакции). Те включват окисляване на богати на енергия молекули, като глюкоза и други захари (въглехидрати). Тъй като тези реакции освобождават енергия, те се наричат ​​ергонични.

За разлика от тях, синтезните реакции съставят клетъчен анаболизъм (или анаболни реакции). Те осъществяват процеси на редукция на молекулите, за да образуват други, богати на съхранена енергия, като гликоген. Тъй като тези реакции консумират енергия, те се наричат ​​ендергонични.

Източници на метаболитна енергия

Основните източници на метаболитна енергия са глюкозните молекули и мастните киселини. Те представляват група биомолекули, които могат бързо да се окисляват за енергия.

Молекулите на глюкозата идват най-вече от въглехидратите, погълнати в диетата, като ориз, хляб, тестени изделия, сред други производни на зеленчуци, богати на нишесте. Когато има малко глюкоза в кръвта, тя може да бъде получена и от молекули гликоген, съхранявани в черния дроб.

По време на продължително гладуване или в процеси, които изискват допълнителен разход на енергия, е необходимо тази енергия да се получава от мастни киселини, които се мобилизират от мастната тъкан.

Тези мастни киселини преминават серия от метаболитни реакции, които ги активират и позволяват транспортирането им до вътрешността на митохондриите, където ще бъдат окислени. Този процес се нарича β-окисляване на мастни киселини и осигурява до 80% допълнителна енергия при тези условия.

Протеините и мазнините са последният резерв за синтезиране на нови глюкозни молекули, особено в случаите на изключително гладно. Тази реакция е от анаболен тип и е известна като глюконеогенеза.

Процес на трансформация на химическата енергия в метаболитна енергия

Сложните хранителни молекули като захари, мазнини и протеини са богати източници на енергия за клетките, тъй като голяма част от енергията, използвана за направата на тези молекули, се съхранява буквално в химическите връзки, които ги държат заедно.

Учените могат да измерват количеството енергия, съхранявана в храната, като използват устройство, наречено калориметър за бомба. С тази техника храната се поставя вътре в калориметъра и се загрява, докато не изгори. Излишната топлина, отделена от реакцията, е пряко пропорционална на количеството енергия, съдържащо се в храната.

Реалността е, че клетките не функционират като калориметри. Вместо да изгарят енергия в една голяма реакция, клетките освобождават енергията, съхранявана в хранителните им молекули, бавно чрез поредица от реакции на окисляване.

окисляване

Окисляването описва вид химическа реакция, при която електрони се прехвърлят от една молекула в друга, променяйки състава и енергийното съдържание на молекулите донор и акцептор. Молекулите в храната действат като донори на електрон.

По време на всяка окислителна реакция, участваща в разграждането на храната, продуктът от реакцията има по-ниско енергийно съдържание от молекулата на донора, която я е предхождала по пътя.

В същото време молекулите за приемане на електрони улавят част от енергията, която се губи от молекулата на храната по време на всяка реакция на окисляване и я съхраняват за по-късна употреба.

В крайна сметка, когато въглеродните атоми в сложна органична молекула са напълно окислени (в края на реакционната верига), те се отделят като въглероден диоксид.

Клетките не използват енергията от окислителни реакции веднага след като се освободят. Това, което се случва е, че те го превръщат в малки, богати на енергия молекули, като ATP и NADH, които могат да бъдат използвани в цялата клетка за засилване на метаболизма и изграждане на нови клетъчни компоненти.

Мощност в режим на готовност

Когато енергията е в изобилие, еукариотните клетки създават по-големи, богати на енергия молекули, за да съхраняват тази излишна енергия.

Получените захари и мазнини се съхраняват в отлагания в клетките, някои от които са достатъчно големи, за да бъдат видими на електронни микрографии.

Животинските клетки също могат да синтезират разклонени полимери на глюкоза (гликоген), които от своя страна се агрегират в частици, които могат да бъдат наблюдавани чрез електронна микроскопия. Клетката може бързо да мобилизира тези частици винаги, когато се нуждае от бърза енергия.

Въпреки това, при нормални обстоятелства хората съхраняват достатъчно гликоген, за да осигурят енергия за ден. Растителните клетки не произвеждат гликоген, а вместо това правят различни глюкозни полимери, известни като нишестета, които се съхраняват в гранули.

В допълнение, както растителните, така и животинските клетки спестяват енергия чрез отклоняване на глюкозата в пътищата за синтез на мазнини. Един грам мазнини съдържа почти шест пъти по-голяма от енергията на същото количество гликоген, но енергията от мазнините е по-малко на разположение, отколкото тази от гликогена.

Все пак всеки механизъм за съхранение е важен, тъй като клетките се нуждаят както от краткосрочни, така и от дългосрочни запаси от енергия.

Мазнините се съхраняват на капки в цитоплазмата на клетките. Обикновено хората съхраняват достатъчно мазнини, за да захранват клетките си в продължение на няколко седмици.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна биология на клетката (6-то изд.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Биохимия (8-мо изд.). WH Freeman и компания
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Биология (2-ро изд.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Молекулярна клетъчна биология (8-мо изд.). WH Freeman и компания.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Животът: науката за биологията (7-мо изд.). Sinauer Associates и WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Биология (7-мо изд.) Учебно обучение.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи на биохимията: живот на молекулярно ниво (5-то изд.). Уайли.