6.1: Nishati na Kimetaboliki

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza njia gani za kimetaboliki na kuelezea aina mbili kuu za njia za kimetaboliki
• Jadili jinsi athari za kemikali zina jukumu katika uhamisho wa nishati

Wanasayansi hutumia bioenergetics neno kujadili dhana ya mtiririko wa nishati (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) kupitia mifumo ya maisha, kama vile seli. Michakato ya seli kama vile kujenga na kuvunjika kwa molekuli tata hutokea kwa njia ya athari za kemikali za hatua kwa hatua. Baadhi ya athari hizi za kemikali ni za kutosha na kutolewa nishati, wakati wengine wanahitaji nishati kuendelea. Kama vile vitu vilivyo hai vinapaswa kuendelea kula chakula ili kujaza kile kilichotumiwa, seli lazima ziendelee kuzalisha nishati zaidi ili kujaza ile inayotumiwa na athari nyingi za kemikali zinazohitaji nishati ambazo zinaendelea kutokea. Athari zote za kemikali zinazotokea ndani ya seli, ikiwa ni pamoja na zile zinazotumia nishati na zile zinazotoa nishati, ni kimetaboliki ya seli.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Aina nyingi za maisha duniani hupata nishati zao kutoka jua. Mimea hutumia usanisinuru kukamata jua, na mimea hula mimea hiyo ili kupata nishati. Carnivores kula herbivores, na decomposers kuchimba mimea na wanyama jambo.

Kimetaboliki ya Wanga

Kimetaboliki ya sukari (kabohaidreti rahisi) ni mfano wa classic wa michakato mingi ya seli ambayo hutumia na kuzalisha nishati. Mambo hai hutumia sukari kama chanzo kikubwa cha nishati, kwa sababu molekuli za sukari zina nishati kubwa iliyohifadhiwa ndani ya vifungo vyao. Kuvunjika kwa glucose, sukari rahisi, inaelezwa na equation:

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

Karodi zinazotumiwa zina asili yao katika viumbe vya photosynthesizing kama mimea (Kielelezo 6.1.2). Wakati wa usanisinuru, mimea hutumia nishati ya jua kubadilisha gesi ya dioksidi kaboni (CO ₂) kuwa molekuli za sukari, kama glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆). Kwa sababu mchakato huu unahusisha kuunganisha molekuli kubwa, ya kuhifadhi nishati, inahitaji pembejeo ya nishati kuendelea. Awali ya glucose inaelezwa na equation hii (tazama kwamba ni kinyume cha equation uliopita):

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

Wakati wa athari za kemikali za usanisinuru, nishati hutolewa kwa njia ya molekuli ya juu sana ya nishati inayoitwa ATP, au adenosine triphosphate, ambayo ni sarafu ya msingi ya nishati ya seli zote. Kama vile dola inatumiwa kama sarafu ya kununua bidhaa, seli hutumia molekuli za ATP kama sarafu ya nishati kufanya kazi ya haraka. Sukari (glucose) huhifadhiwa kama wanga au glycogen. Polima za kuhifadhi nishati kama hizi zinavunjika kuwa glucose ili kusambaza molekuli za ATP.

Nishati ya jua inahitajika kuunganisha molekuli ya glucose wakati wa athari za photosynthesis. Katika usanisinuru, nishati ya mwanga kutoka jua inabadilishwa kuwa nishati ya kemikali ambayo huhifadhiwa kwa muda mfupi katika molekuli za carrier za nishati ATP na NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Nishati iliyohifadhiwa katika ATP na NADPH hutumiwa baadaye katika usanisinuru kujenga molekuli moja ya glucose kutoka molekuli sita za CO ₂. Utaratibu huu ni sawa na kula kifungua kinywa asubuhi ili kupata nishati kwa mwili wako ambayo inaweza kutumika baadaye siku. Chini ya hali nzuri, nishati kutoka molekuli 18 za ATP inahitajika kuunganisha molekuli moja ya glucose wakati wa athari za photosynthesis. Molekuli ya glucose pia inaweza kuunganishwa na na kubadilishwa kuwa aina nyingine za sukari. Wakati sukari zinatumiwa, molekuli ya glucose hatimaye hufanya njia yao katika kila seli hai ya viumbe. Ndani ya seli, kila molekuli ya sukari imevunjika kupitia mfululizo tata wa athari za kemikali. Lengo la athari hizi ni kuvuna nishati iliyohifadhiwa ndani ya molekuli za sukari. Nishati ya kuvuna hutumiwa kufanya molekuli za ATP za juu, ambazo zinaweza kutumika kufanya kazi, na kuimarisha athari nyingi za kemikali katika seli. Kiasi cha nishati kinachohitajika kufanya molekuli moja ya glucose kutoka molekuli sita za dioksidi kaboni ni molekuli 18 za ATP na molekuli 12 za NADPH (kila moja ambayo ni energetically sawa na molekuli tatu za ATP), au jumla ya 54 molekuli equivalents zinazohitajika kwa ajili ya awali ya molekuli moja ya glucose. Utaratibu huu ni njia ya msingi na yenye ufanisi kwa seli kuzalisha nishati ya Masi ambayo yanahitaji.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mimea, kama mti huu wa mwaloni na acorn, tumia nishati kutoka jua ili kufanya sukari na molekuli nyingine za kikaboni. Mimea na wanyama wote (kama squirrel hii) hutumia kupumua kwa seli ili kupata nishati kutoka kwa molekuli za kikaboni zilizozalishwa awali na mimea. (mikopo “Acorn”: mabadiliko ya kazi na Noel Reynolds; mikopo “squirrel”: mabadiliko ya kazi na Dawn Huczek)

Metabolic Njia

Michakato ya kufanya na kuvunja molekuli ya sukari inaonyesha aina mbili za njia za kimetaboliki. Njia ya metabolic ni mfululizo wa athari zinazohusiana biochemical zinazobadilisha molekuli ya substrate au molekuli, hatua kwa hatua, kupitia mfululizo wa intermediates metabolic, hatimaye kutoa bidhaa ya mwisho au bidhaa. Katika kesi ya kimetaboliki sukari, njia ya kwanza metabolic synthesized sukari kutoka molekuli ndogo, na njia nyingine kuvunja sukari chini katika molekuli ndogo. Hizi mbili michakato kinyume - kwanza wanaohitaji nishati na pili kuzalisha nishati-ni inajulikana kama anabolic (jengo) na catabolic (kuvunja chini) pathways, kwa mtiririko huo. Kwa hiyo, kimetaboliki inajumuisha kujenga (anabolism) na uharibifu (catabolism).

Uhusiano wa Mageuzi: Mageuzi ya Njia za Metabolic

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Mti huu unaonyesha mageuzi ya matawi mbalimbali ya maisha. Mwelekeo wa wima ni wakati. Aina ya maisha ya mapema, katika bluu, ilitumia kimetaboliki ya anaerobic ili kupata nishati kutoka kwa mazingira yao.

Kuna zaidi ya utata wa kimetaboliki kuliko kuelewa njia za kimetaboliki pekee. Ugumu wa metabolic hutofautiana kutoka kwa viumbe hadi viumbe. Usanisinuru ni njia ya msingi ambayo viumbe vya usanisinuru kama mimea (wengi wa usanisi wa kimataifa hufanywa na mwani wa planktoniki) huvuna nishati ya jua na kuibadilisha kuwa wanga. Bidhaa ya photosynthesis ni oksijeni, inahitajika na seli zingine kufanya kupumua kwa seli. Wakati wa kupumua kwa seli, misaada ya oksijeni katika kuvunjika kwa catabolic ya misombo ya kaboni, kama wanga. Miongoni mwa bidhaa za catabolism hii ni CO2 na ATP. Aidha, baadhi ya eukaryotes hufanya michakato ya catabolic bila oksijeni (fermentation); yaani, hufanya au kutumia kimetaboliki ya anaerobic.

Viumbe pengine vimebadilika kimetaboliki ya anaerobic ili kuishi (viumbe hai vilikuwepo miaka bilioni 3.8 iliyopita, wakati anga ilikosa oksijeni). Licha ya tofauti kati ya viumbe na utata wa kimetaboliki, watafiti wamegundua kwamba matawi yote ya maisha kushiriki baadhi ya njia sawa metabolic, na kupendekeza kwamba viumbe wote tolewa kutoka huo kale babu ya kawaida (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Ushahidi unaonyesha kwamba baada ya muda, njia hizo zilijitenga, na kuongeza enzymes maalumu ili kuruhusu viumbe viweze kukabiliana vizuri na mazingira yao, hivyo kuongeza nafasi yao ya kuishi. Hata hivyo, kanuni ya msingi inabakia kuwa viumbe vyote vinapaswa kuvuna nishati kutoka mazingira yao na kuibadilisha kuwa ATP kutekeleza kazi za mkononi.

Anabolic na catabolic pathways

Njia za anabolic zinahitaji pembejeo ya nishati ili kuunganisha molekuli tata kutoka kwa rahisi. Kuunganisha sukari kutoka CO ₂ ni mfano mmoja. Mifano mingine ni awali ya protini kubwa kutoka vitalu vya ujenzi wa amino asidi, na awali ya DNA mpya hupanda kutoka vitalu vya ujenzi wa asidi ya nucleic. Michakato hii biosynthetic ni muhimu kwa maisha ya seli, hufanyika mara kwa mara, na mahitaji ya nishati zinazotolewa na ATP na molekuli nyingine high-nishati kama NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) na NADPH (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

ATP ni molekuli muhimu kwa seli kuwa na ugavi wa kutosha wakati wote. Uharibifu wa sukari unaonyesha jinsi molekuli moja ya glucose inaweza kuhifadhi nishati ya kutosha ili kufanya mpango mkubwa wa ATP, molekuli 36 hadi 38. Hii ni njia ya catabolic. Njia za kataboliki zinahusisha uharibifu (au kuvunjika) kwa molekuli tata kuwa rahisi. Nishati ya molekuli iliyohifadhiwa katika vifungo vya molekuli tata inatolewa katika njia za kataboliki na kuvuna kwa namna ambayo inaweza kutumika kuzalisha ATP. Molekuli nyingine za kuhifadhi nishati, kama vile mafuta, pia huvunjika kupitia athari sawa za catabolic ili kutolewa nishati na kufanya ATP (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Ni muhimu kujua kwamba athari za kemikali za njia za kimetaboliki hazifanyike kwa hiari. Kila hatua ya majibu huwezeshwa, au kuchochewa, na protini inayoitwa enzyme. Enzymes ni muhimu kwa kuchochea kila aina ya athari za kibiolojia-zile zinazohitaji nishati pamoja na zile zinazotoa nishati.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Anabolic pathways ni wale ambao wanahitaji nishati ya kuunganisha molekuli kubwa. Catabolic pathways ni wale kuzalisha nishati kwa kuvunja chini molekuli kubwa. Aina zote mbili za njia zinahitajika ili kudumisha usawa wa nishati ya seli.

Muhtasari

Viini hufanya kazi za maisha kupitia athari mbalimbali za kemikali. Kimetaboliki ya kiini inahusu athari za kemikali zinazofanyika ndani yake. Kuna athari za kimetaboliki zinazohusisha kuvunjika kwa kemikali tata kuwa rahisi, kama vile kuvunjika kwa macromolecules kubwa. Utaratibu huu unajulikana kama catabolism, na athari hizo zinahusishwa na kutolewa kwa nishati. Kwa upande mwingine wa wigo, anabolism inahusu michakato ya metabolic ambayo hujenga molekuli tata kutoka kwa rahisi, kama vile awali ya macromolecules. Michakato ya anabolic inahitaji nishati. Glucose awali na glucose kuvunjika ni mifano ya njia anabolic na catabolic, kwa mtiririko huo.

faharasa

anaboli

(pia, anabolism) njia ambazo zinahitaji pembejeo ya nishati kuunganisha molekuli tata kutoka kwa rahisi

bioenergetics

utafiti wa nishati inapita kupitia mifumo ya maisha

ya ukataboli

(pia, catabolism) njia ambazo molekuli tata zinavunjika kuwa rahisi

kimetaboliki

athari zote za kemikali zinazofanyika ndani ya seli, ikiwa ni pamoja na anabolism na catabolism