7.1: Nishati katika Mifumo ya Kuishi

Ujuzi wa Kuendeleza

• Jadili umuhimu wa elektroni katika uhamisho wa nishati katika mifumo ya maisha
• Eleza jinsi ATP inatumiwa na kiini kama chanzo cha nishati

Uzalishaji wa nishati ndani ya seli unahusisha njia nyingi za kemikali zilizoratibiwa. Wengi wa njia hizi ni mchanganyiko wa athari za oxidation na kupunguza. Oxidation na kupunguza hutokea kwa kitovu. Mmenyuko wa oxidation hupiga elektroni kutoka kwa atomi katika kiwanja, na kuongeza kwa elektroni hii kwenye kiwanja kingine ni mmenyuko wa kupunguza. Kwa sababu oxidation na kupunguza kawaida hutokea pamoja, jozi hizi za athari huitwa athari za kupunguza oxidation, au athari za redox.

Electroni na Nishati

Kuondolewa kwa elektroni kutoka kwa molekuli, kuimarisha, husababisha kupungua kwa nishati ya uwezo katika kiwanja kilichooksidishwa. Electroni (wakati mwingine kama sehemu ya atomi ya hidrojeni), haina kubaki bila kuunganishwa, hata hivyo, katika saitoplazimu ya seli. Badala yake, elektroni inabadilishwa kwenye kiwanja cha pili, kupunguza kiwanja cha pili. Kuhama kwa elektroni kutoka kiwanja kimoja hadi nyingine huondoa nishati fulani kutoka kwenye kiwanja cha kwanza (kiwanja kilichooksidishwa) na huongeza nishati ya uwezo wa kiwanja cha pili (kiwanja kilichopunguzwa). Uhamisho wa elektroni kati ya molekuli ni muhimu kwa sababu nishati kubwa iliyohifadhiwa katika atomi na kutumika kwa mafuta ya kazi za seli ni katika mfumo wa elektroni za juu-nishati. Uhamisho wa nishati kwa namna ya elektroni huruhusu kiini kuhamisha na kutumia nishati kwa mtindo unaozidi - katika vifurushi vidogo badala ya kupasuka moja, uharibifu. Sura hii inalenga katika uchimbaji wa nishati kutoka kwa chakula; utaona kwamba unapofuatilia njia ya uhamisho, unafuatilia njia ya elektroni inayohamia kupitia njia za kimetaboliki.

Flygbolag

Katika mifumo ya maisha, darasa ndogo la misombo hufanya kazi kama shuttles za elektroni: Wao hufunga na kubeba elektroni za juu-nishati kati ya misombo katika njia. Flygbolag kuu za elektroni tutazingatia zinatokana na kundi la vitamini B na ni derivatives ya nucleotides. Misombo hii inaweza kupunguzwa kwa urahisi (yaani, hukubali elektroni) au iliyooksidishwa (hupoteza elektroni). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) inatokana na vitamini\(B_3\), niacin. NAD ⁺ ni aina iliyooksidishwa ya molekuli; NADH ni fomu iliyopunguzwa ya molekuli baada ya kukubali elektroni mbili na protoni (ambazo kwa pamoja ni sawa na atomu ya hidrojeni yenye elektroni ya ziada).

NAD ⁺ inaweza kukubali elektroni kutoka molekuli ya kikaboni kulingana na equation ya jumla:

\[ \underset{\text{reducing agent}}{\ce{RH}} + \underset{\text{oxidizing agent}}{\ce{NAD^+}} \rightarrow \underset{\text{reduced}}{\ce{NADH}} + \underset{\text{oxidized}}{\ce{R^+}} \nonumber\]

Wakati elektroni zinaongezwa kwenye kiwanja, zinapunguzwa. Kiwanja kinachopunguza mwingine kinaitwa wakala wa kupunguza. Katika equation hapo juu, RH ni wakala wa kupunguza, na NAD ⁺ imepunguzwa hadi NADH. Wakati elektroni ni kuondolewa kutoka kiwanja, ni oxidized. Kiwanja ambacho huchochea mwingine kinachojulikana kama wakala wa oxidizing. Katika equation hapo juu, NAD ⁺ ni wakala oxidizing, na RH ni oxidized kwa R.

Vile vile, flavin adenine dinucleotide (FAD ⁺) inatokana na vitamini\(B_2\), pia huitwa riboflauini. Fomu yake iliyopunguzwa ni FADH ₂. Tofauti ya pili ya NAD, NADP, ina kundi la ziada la phosphate. Wote NAD ⁺ na FAD ⁺ hutumika sana katika uchimbaji wa nishati kutoka sukari, na NADP ina jukumu muhimu katika athari anabolic na usanisinuru.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Fomu iliyooksidishwa ya carrier wa elektroni (NAD ⁺) inavyoonyeshwa upande wa kushoto na fomu iliyopunguzwa (NADH) inavyoonyeshwa upande wa kulia. Msingi wa nitrojeni katika NADH una ioni moja zaidi ya hidrojeni na elektroni mbili zaidi kuliko katika NAD ⁺.

ATP katika Mifumo ya Hai

Kiini hai hakiwezi kuhifadhi kiasi kikubwa cha nishati ya bure. Nishati ya ziada ya bure ingeweza kusababisha ongezeko la joto katika seli, ambayo ingeweza kusababisha mwendo kupita kiasi mafuta ambayo inaweza kuharibu na kisha kuharibu kiini. Badala yake, kiini lazima kuwa na uwezo wa kushughulikia nishati hiyo kwa njia ambayo inawezesha kiini kuhifadhi nishati salama na kutolewa kwa ajili ya matumizi tu kama inahitajika. Seli za kuishi zinatimiza hili kwa kutumia kiwanja cha adenosini triphosphate (ATP). ATP mara nyingi huitwa “sarafu ya nishati” ya seli, na, kama sarafu, kiwanja hiki kinachofaa kinaweza kutumika kujaza mahitaji yoyote ya nishati ya seli. Jinsi gani? Inafanya kazi sawa na betri inayoweza kutolewa.

Wakati ATP imevunjika, kwa kawaida kwa kuondolewa kwa kundi lake la phosphate la terminal, nishati hutolewa. Nishati hutumiwa kufanya kazi na kiini, kwa kawaida na phosphate iliyotolewa inayofunga kwa molekuli nyingine, kuiamsha. Kwa mfano, katika kazi ya mitambo ya kupinga misuli, ATP hutoa nishati ya kusonga protini za misuli ya mikataba. Kumbuka kazi ya usafiri wa kazi ya pampu ya sodiamu-potasiamu katika membrane za seli. ATP hubadilisha muundo wa protini muhimu ambayo inafanya kazi kama pampu, kubadilisha ushirika wake kwa sodiamu na potasiamu. Kwa njia hii, kiini hufanya kazi, kusukwa ions dhidi ya gradients zao za electrochemical.

ATP Muundo na Kazi

Katika moyo wa ATP ni molekuli ya adenosine monophosphate (AMP), ambayo inajumuisha molekuli ya adenine iliyounganishwa na molekuli ya ribose na kundi moja la phosphate (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Ribose ni sukari ya kaboni tano iliyopatikana katika RNA, na AMP ni moja ya nucleotides katika RNA. Kuongezewa kwa kundi la pili la phosphate kwenye molekuli hii ya msingi husababisha kuundwa kwa adenosine di phosphate (ADP); kuongeza kwa kundi la tatu la phosphate hufanya adenosine tri phosphate (ATP).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): ATP (adenosine triphosphate) ina makundi matatu ya phosphate ambayo yanaweza kuondolewa kwa hidrolisisi ili kuunda ADP (adenosine diphosphate) au AMP (adenosine monophosphate) .Mashtaka hasi kwenye kikundi cha phosphate kawaida hurudiana, wanaohitaji nishati kuwaunganisha pamoja na kutoa nishati wakati vifungo hivi ni kuvunjwa.

Kuongezea kikundi cha phosphate kwa molekuli inahitaji nishati. Makundi ya phosphate yanashtakiwa vibaya na hivyo kurudiana wakati wanapangwa katika mfululizo, kama wao ni katika ADP na ATP. Repulsion hii inafanya ADP na ATP molekuli asili imara. Kuondolewa kwa makundi moja au mawili ya phosphate kutoka ATP, mchakato unaoitwa dephosphorylation, hutoa nishati.

Nishati kutoka ATP

Hydrolisisi ni mchakato wa kuvunja macromolecules tata mbali. Wakati wa hidrolisisi, maji hugawanyika, au lysed, na atomi ya hidrojeni (H ⁺) na kundi la hidrojeni (OH ^-) huongezwa kwenye molekuli kubwa. Hidrolisisi ya ATP inazalisha ADP, pamoja na ioni ya phosphate isiyo na kawaida (P _i), na kutolewa kwa nishati ya bure. Ili kutekeleza michakato ya maisha, ATP inaendelea kuvunjwa ndani ya ADP, na kama betri inayoweza kutolewa, ADP inaendelea kurejeshwa tena katika ATP na reattachment ya kundi la tatu phosphate. Maji, ambayo yalivunjika ndani ya atomi yake ya hidrojeni na kikundi cha hidroksili wakati wa hidrolisisi ya ATP, hurejeshwa wakati phosphate ya tatu inaongezwa kwenye molekuli ya ADP, na kuleta mageuzi ATP.

Kwa wazi, nishati lazima iingizwe ndani ya mfumo wa kurejesha ATP. Nishati hii inatoka wapi? Katika karibu kila kitu kilicho hai duniani, nishati hutoka kwa kimetaboliki ya glucose. Kwa njia hii, ATP ni kiungo cha moja kwa moja kati ya seti ndogo ya njia za exergonic za catabolism ya glucose na wingi wa njia za endergonic ambazo zina nguvu za seli zilizo hai.

phosphorylation

Kumbuka kwamba, katika baadhi ya athari za kemikali, enzymes zinaweza kumfunga kwa substrates kadhaa ambazo huguswa na kila mmoja kwenye enzyme, na kutengeneza tata ya kati. Tata ya kati ni muundo wa muda mfupi, na inaruhusu moja ya substrates (kama vile ATP) na reactants kwa urahisi zaidi kuguswa na kila mmoja; katika athari zinazohusisha ATP, ATP ni moja ya substrates na ADP ni bidhaa. Wakati wa mmenyuko wa kemikali ya endergonic, ATP huunda tata ya kati na substrate na enzyme katika mmenyuko. Tata hii ya kati inaruhusu ATP kuhamisha kundi lake la tatu la phosphate, na nishati yake, kwenye substrate, mchakato unaoitwa phosphorylation. Phosphorylation inahusu kuongeza ya phosphate (~P). Hii inaonyeshwa na majibu yafuatayo ya generic:

\[\text{A} + \text{enzyme} + \text{ATP} \rightarrow \text{[A − enzyme − ∼P]} \rightarrow \text{B} + \text{enzyme} + \text{ADP} + \text{phosphate ion} \nonumber\]

Wakati tata ya kati inapungua, nishati hutumiwa kurekebisha substrate na kuibadilisha kuwa bidhaa ya mmenyuko. Molekuli ya ADP na ion ya bure ya phosphate hutolewa katikati na inapatikana kwa kuchakata kupitia kimetaboliki ya seli.

Substrate phosphorylation

ATP huzalishwa kupitia njia mbili wakati wa kuvunjika kwa glucose. Molekuli chache za ATP zinazalishwa (yaani, kurejeshwa kutoka ADP) kama matokeo ya moja kwa moja ya athari za kemikali zinazotokea katika njia za catabolic. Kundi la phosphate limeondolewa kutoka kwa mmenyuko wa kati katika njia, na nishati ya bure ya mmenyuko hutumiwa kuongeza phosphate ya tatu kwa molekuli ya ADP inapatikana, inayozalisha ATP (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Njia hii ya moja kwa moja ya phosphorylation inaitwa fosforylation ya ngazi ya substrate.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Katika athari za phosphorylation, phosphate ya gamma ya ATP imeunganishwa na protini.

Phosphorylation ya oxidative

Wengi wa ATP yanayotokana wakati wa catabolism ya glucose, hata hivyo, inatokana na mchakato mgumu zaidi, chemiosmosis, ambayo hufanyika katika mitochondria (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) ndani ya seli ya eukaryotic au utando wa plasma wa seli ya prokaryotic. Chemiosmosis, mchakato wa uzalishaji wa ATP katika kimetaboliki ya seli, hutumiwa kuzalisha asilimia 90 ya ATP iliyotengenezwa wakati wa catabolism ya glucose na pia ni njia inayotumiwa katika athari za mwanga wa usanisinuru ili kuunganisha nishati ya jua. Uzalishaji wa ATP kwa kutumia mchakato wa chemiosmosis huitwa phosphorylation oxidative kwa sababu ya ushiriki wa oksijeni katika mchakato.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Katika eukaryotes, phosphorylation oxidative hufanyika katika mitochondria. Katika prokaryotes, mchakato huu unafanyika katika membrane ya plasma. (Mikopo: muundo wa kazi na Mariana Ruiz Villareal)

Uhusiano wa Kazi: Daktari wa Magonjwa ya Mitochondrial

Ni nini kinachotokea wakati athari muhimu za kupumua kwa seli haziendelei kwa usahihi? Magonjwa ya Mitochondrial ni matatizo ya maumbile ya kimetaboliki. Matatizo ya Mitochondrial yanaweza kutokea kutokana na mabadiliko katika DNA ya nyuklia au mitochondrial, na husababisha uzalishaji wa nishati ndogo kuliko ilivyo kawaida katika seli za mwili. Katika kisukari cha aina ya 2, kwa mfano, ufanisi wa oxidation wa NADH umepunguzwa, na kuathiri phosphorylation ya oxidative lakini si hatua nyingine za kupumua. Dalili za magonjwa ya mitochondrial zinaweza kujumuisha udhaifu wa misuli, ukosefu wa uratibu, matukio kama kiharusi, na kupoteza maono na kusikia. Watu wengi walioathirika hupatikana wakati wa utoto, ingawa kuna baadhi ya magonjwa ya watu wazima. Kutambua na kutibu matatizo ya mitochondrial ni uwanja maalumu wa matibabu. Maandalizi ya elimu kwa taaluma hii yanahitaji elimu ya chuo kikuu, ikifuatiwa na shule ya matibabu yenye utaalamu katika maumbile ya kimatibabu. Wataalamu wa maumbile wanaweza kuwa bodi kuthibitishwa na Bodi ya Marekani ya Medical Genetics na kuendelea kuhusishwa na mashirika ya kitaaluma kujitoa kwa utafiti wa magonjwa ya mitochondrial, kama vile Mitochondrial Medicine Society na Society for Urithi Magonjwa Metabolic.

Muhtasari

ATP kazi kama sarafu ya nishati kwa seli. Inaruhusu kiini kuhifadhi nishati kwa ufupi na kusafirisha ndani ya seli ili kusaidia athari za kemikali za endergonic. Mfumo wa ATP ni ule wa nucleotide ya RNA yenye phosphates tatu zilizounganishwa. Kama ATP inatumiwa kwa nishati, kikundi cha phosphate au mbili ni detached, na ama ADP au AMP huzalishwa. Nishati inayotokana na catabolism ya glucose hutumiwa kubadili ADP katika ATP. Wakati ATP inatumiwa katika mmenyuko, phosphate ya tatu inaunganishwa kwa muda mfupi kwenye substrate katika mchakato unaoitwa phosphorylation. Michakato miwili ya kuzaliwa upya kwa ATP ambayo hutumiwa kwa kushirikiana na catabolism ya glucose ni fosforylation ya kiwango cha substrate na phosphorylation oxidative kupitia mchakato wa chemiosmosis.

faharasa

chemiosmosis

mchakato ambao kuna uzalishaji wa adenosine triphosphate (ATP) katika kimetaboliki ya seli kwa ushirikishwaji wa gradient ya proton kwenye membrane

defosforasi

kuondolewa kwa kundi la phosphate kutoka kwa molekuli

oxidative phosphorylation

uzalishaji wa ATP kwa kutumia mchakato wa chemiosmosis na oksijeni

fosforasi

kuongeza ya phosphate ya juu-nishati kwa kiwanja, kwa kawaida kati ya metabolic, protini, au ADP

mmenyuko wa redox

mmenyuko wa kemikali ambayo ina mchanganyiko wa mmenyuko wa oxidation na mmenyuko wa kupunguza

kiwango cha substrate phosphorylation

uzalishaji wa ATP kutoka ADP kwa kutumia nishati ya ziada kutoka kwa mmenyuko wa kemikali na kikundi cha phosphate kutoka kwa reactant