Энергия в клетке. Использование и хранение / Хабр

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.

P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности.

Прошу ревностных биологов меня простить.

Глюкоза – главный источник энергии

  • Главная >
  • О клинике >
  • Публикации >
  • Как правильно поддерживать уровень глюкозы

Глюкоза – главный источник энергии для клеток, это — топливо для нормальной работы всех органов и систем человеческого организма. Содержание глюкозы в крови — достаточно лабильный показатель, однако в организме здоровых людей этот показатель поддерживается в довольно узком диапазоне и редко снижается менее 2,5ммоль/л и повышается выше 8ммоль/л (даже сразу после приема пищи). Поддерживает необходимый уровень глюкозы в крови особый гормональный механизм.


Глюкоза попадает в организм с пищей. Продукты питания расщепляются в желудочно-кишечном тракте, после чего глюкоза всасывается в кровь. Для того, чтобы глюкоза попала в клетку, нужен инсулин. Этот гормон вырабатывается в специальных клетках поджелудочной железы и увеличивает проницаемость клеточных мембран для глюкозы. Если клетки поджелудочной железы не вырабатывают достаточное количество инсулина или клетки организма перестают воспринимать инсулин, то глюкоза остается в крови. Клетки органов и тканей в этом случае не получают энергии и «голодают».

Если глюкоза поступает в организм в избыточном количестве, она трансформируется в запасы энергии. Глюкоза превращается в гликоген — мобильный запас углеводов в организме, который содержится в печени и мышцах. Печень взрослых людей содержит
запас глюкозы в виде гликогена, достаточный для поддержания нормального уровня глюкозы в крови в течение 24 ч после последнего приема пищи. У детей дошкольного возраста гликогена хватает на 12 ч и менее. Если же запасы гликогена и так достаточно велики, тогда глюкоза начинает превращаться в жир.

При полном отсутствии углеводов в пище (при голодании или безуглеводных диетах) глюкоза образуется в организме из жиров, белков и при расщеплении гликогена. Повышение уровня глюкозы в крови возникает под действием нескольких гормонов: глюкагона, продуцируемого клетками поджелудочной железы; гормонов надпочечников; гормонов роста гипофиза и гормонов щитовидной железы.

Колебания концентрации глюкозы в крови, отличные от нормальных значений, воспринимаются рецепторами гипоталамуса (область мозга, которая регулирует постоянство внутренней среды организма). Благодаря влиянию гипоталамуса на вегетативную нервную систему, происходит срочное повышение или снижение выработки инсулина, глюкагона и других гормонов.

5 советов о правильном усвоении глюкозы

  1. Принимайте пищу 4-6 раз в день. Если нет времени на полноценный прием пищи, сделайте перекус. Перекусить «на ходу» можно фруктами, жидкими кисломолочными продуктами, очищенными семечками, орехами, хлебцами и др.
  2. Употребляйте свежие овощи и фрукты не менее 400-500 г в день.
  3. Если Вы сладкоежка, отдавайте предпочтение сладостям с низким гликемическим индексом: горький шоколад ≥75% какао, кэроб, урбеч без сахара.
  4. Перейдите на натуральные растительные сахарозаменители: стевию, сиропы топинамбура и агавы, кэроб.
  5. Регулярно гуляйте на свежем воздухе и занимайтесь спортом.

  Информацию для Вас подготовила:

Гречкина Алла Павловна, врач-эндокринолог. Ведет прием в корпусе клиники на Озерковской.



Возврат к списку публикаций

Услуги

  • Анализы на гормоны
  • Болезни надпочечников
  • Гестационный сахарный диабет
  • Гиперпаратиреоз: причины, формы, лечение заболевания
  • Заболевания паращитовидных желез
  • Заболевания щитовидной железы
  • Исследования фосфорно-кальциевого обмена
  • Лечение диабета
  • Лечение нарушений обмена веществ
  • Нарушения работы гипофиза
  • Обследование щитовидной железы
  • Остеопороз: симптомы, диагностика и лечение
  • Помощь эндокринолога в похудении
  • Причины и лечение сахарного диабета 2 типа
  • Сахарный диабет 1 типа: симптомы и лечение
  • Эндокринные заболевания при беременности: причины, диагностика и лечение

наверх

Основное хранилище углеводов в организме человека | Здоровое питание

Дерек Брайан Обновлено 14 декабря 2018 г.

Углеводы, содержащиеся в таких продуктах, как зерновые, фрукты и овощи, составляют основной источник энергии для организма. Каждой клетке тела для функционирования требуется энергия, поэтому у вас должен быть постоянный источник энергии, даже если углеводы не доступны сразу. Чтобы обеспечить эту постоянную энергию, организм запасает любые излишки углеводов, обычно в виде соединения, называемого гликогеном.

Образование гликогена

Углеводы существуют в виде простых углеводов, известных как сахара или моносахариды, или сложных углеводов, известных как полисахариды. Когда организм переваривает сложные углеводы, он расщепляет эти соединения на сахар, известный как глюкоза, который организм усваивает для получения энергии. Любая глюкоза в кровотоке, остающаяся после неотложных потребностей в энергии, становится составным гликогеном, длинной цепью связанных молекул глюкозы, которую организм может позже снова расщепить для получения энергии.

Хранение гликогена

Печень и скелетные мышцы тела в основном хранят гликоген. На долю гликогена приходится примерно 10 процентов веса печени и два процента веса мышц. Поскольку общая масса мышц в организме больше, чем общая масса печени, мышцы запасают большую часть гликогена.

Использование гликогена

Когда организм не может удовлетворить свои энергетические потребности за счет количества глюкозы, циркулирующей в организме, он использует гликоген. В этих условиях организм расщепляет накопленный гликоген, чтобы удовлетворить эти потребности. Гликоген, хранящийся в мышечной ткани, обеспечивает энергию для этой конкретной мышцы; например, запасенный в ногах гликоген может обеспечить энергию для бега. Гликоген, хранящийся в печени, регулирует количество глюкозы в крови в целом, гарантируя, что все клетки организма удовлетворят свои потребности в энергии.

Другое Хранение углеводов

Если организм удовлетворил свои неотложные энергетические потребности и все запасы гликогена в организме заполнены, он преобразует любую оставшуюся глюкозу в кровотоке в жир. Жир является гораздо менее эффективным источником топлива, чем гликоген, потому что гликоген легко доступен для мышц и легко расщепляется на глюкозу. Организм может расщеплять жир и превращать его обратно в глюкозу для получения энергии, но только в условиях, когда гликоген недоступен.

Ссылки
  • Университет штата Айова: Углеводы
  • Биохимия, 5-е издание: Метаболизм гликогена
  • Колледж Элмхерст: Гликоген
  • Медицинская школа Мичиганского университета: Время решает все: почему важна продолжительность и порядок выполнения упражнений
Writer Bio

Базируется в Кливленд, Дерек Брайан профессионально пишет с 2009 года. Сосредоточив внимание на питании, здоровье и фитнесе, Брайан был представлен на нескольких известных веб-сайтах, связанных со здоровьем, включая CAMCommons.com. Брайан получил степень по английскому языку в Университете штата Огайо по специальности риторика и композиция.

2.6.1: Метаболизм углеводов — Биология LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    8806
    • Boundless (теперь LumenLearning)
    • Безграничный
    Цели обучения
    • Анализ важности углеводного обмена для производства энергии

    Метаболизм углеводов

    Углеводы являются одной из основных форм энергии для животных и растений. Растения строят углеводы, используя световую энергию солнца (в процессе фотосинтеза), а животные поедают растения или других животных для получения углеводов. Растения хранят углеводы в длинных цепочках полисахаридов, называемых крахмалом, а животные хранят углеводы в виде молекулы гликогена. Эти большие полисахариды содержат много химических связей и поэтому хранят много химической энергии. Когда эти молекулы разрушаются во время метаболизма, энергия химических связей высвобождается и может быть использована для клеточных процессов.

    Рисунок: Все живые существа используют углеводы в качестве источника энергии. : Растения, такие как этот дуб и желудь, используют энергию солнечного света для производства сахара и других органических молекул. И растения, и животные (например, эта белка) используют клеточное дыхание для получения энергии из органических молекул, первоначально произведенных растениями

    Производство энергии из углеводов (клеточное дыхание)

    Метаболизм любого моносахарида (простой сахар) может производить энергию для использовать. Избыточные углеводы откладываются в виде крахмала у растений и в виде гликогена у животных, готовых к обмену веществ, если потребность организма в энергии внезапно возрастет. Когда эти потребности в энергии увеличиваются, углеводы расщепляются на составляющие моносахариды, которые затем распределяются по всем живым клеткам организма. Глюкоза (С 6 H 12 O 6 ) является распространенным примером моносахаридов, используемых для производства энергии.

    Внутри клетки каждая молекула сахара расщепляется в ходе сложной серии химических реакций. Поскольку химическая энергия высвобождается из связей в моносахаридах, она используется для синтеза высокоэнергетических молекул аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является основной энергетической валютой всех клеток. Точно так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ для выполнения непосредственной работы и обеспечения химических реакций.

    Расщепление глюкозы в процессе метаболизма называется клеточным дыханием и может быть описано уравнением: другие типы организмов производят углеводы в процессе, называемом фотосинтезом. Во время фотосинтеза растения преобразуют энергию света в химическую энергию, превращая молекулы углекислого газа (CO 2 ) в молекулы сахара, такие как глюкоза. Поскольку этот процесс включает в себя создание связей для синтеза большой молекулы, для его продолжения требуется затрата энергии (света). Синтез глюкозы в результате фотосинтеза описывается этим уравнением (обратите внимание на то, что оно является обратным предыдущему уравнению):

    \[\ce{6CO2 + 6h3O + энергия → C6h22O6 + 6O2}\]

    В рамках химических процессов растений молекулы глюкозы могут соединяться с другими типами сахаров и превращаться в них. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала, который может расщепляться обратно на глюкозу посредством клеточного дыхания для обеспечения АТФ.

    Ключевые моменты

    • Распад глюкозы, используемой живыми организмами для производства энергии, описывается уравнением: \[\ce{C6h22O6 + 6O2 → 6CO2 + 6h3O + энергия} \nonumber\]
    • Процесс фотосинтеза, используемый растениями для синтеза глюкозы, описывается уравнением: \[\ce{6CO2 + 6h3O + энергия → C6h22O6 + 6O2} \nonumber\]
    • Потребляемая глюкоза используется для производства энергии в форме АТФ, которая используется для выполнения работы и запуска химических реакций в клетке.