ЕНЕРГИЯ НА ЖИВА КЛЕТКА - темата на научна статия за енергията от списание - Energy Economics,
Цена:
Автори на произведението:
ТАТЯНА ПОТАПОВА
Научно списание:
Година на издаване:
Научна работа на тема "ЕНЕРГИЯ НА ЖИВА КЛЕТКА"
ЕНЕРГИЯ НА ЖИВА КЛЕТКА
Вселената е изпълнена с енергия, но само няколко вида от нея са подходящи за живите организми. Основният източник на енергия за по-голямата част от биологичните процеси на нашата планета е слънчевата светлина.
Клетката е основната единица на живота, тя непрекъснато работи, за да поддържа структурата си и следователно се нуждае от постоянно снабдяване с безплатна енергия. Технологично за нея не е лесно да реши такъв проблем, тъй като жива клетка трябва да използва енергия при постоянна (и освен това доста ниска) температура в разредена водна среда. В хода на еволюцията, в продължение на стотици милиони години, са се образували елегантни и съвършени молекулярни механизми, които могат да работят с необичайна ефективност при много меки условия. В резултат на това ефективността на клетъчната енергия е много по-висока от тази на всички инженерни устройства, изобретени от човека.
Клетъчните енергийни трансформатори са комплекси от специални протеини, вградени в биологични мембрани. Независимо дали свободната енергия влиза в клетката отвън директно със светлинни кванти (по време на фотосинтеза) или в резултат на окисляване на хранителни продукти с атмосферен кислород (по време на дишане), тя започва движението на електрони. В резултат на това се произвеждат молекули на аденозин трифосфат (АТФ) и разликата в електрохимичните потенциали между биологичните мембрани се увеличава.
АТФ и мембранният потенциал са два относително стационарни източника на енергия за всички видове вътреклетъчна работа. Спомнете си, че молекулата на аденозинтрифосфата е много ценна еволюционна придобивка.Енергията, извлечена от външен източник, се съхранява под формата на "високоенергийни връзки" между фосфатните групи. АТФ много охотно дарява своите фосфатни групи или на вода, или на други молекули, така че е незаменим посредник за преноса на химическа енергия.
в клетъчната енергия
Механизмът за създаване на АТФ остава загадка в продължение на много години, докато не се установи, че този процес е по същество електрически. И в двата случая: както за дихателната верига (набор от протеини, които извършват окисляването на субстратите с кислород), така и за подобна фотосинтетична каскада, се генерира протонен ток през мембраната, в която са потопени протеините. Теченията осигуряват енергия за синтеза на АТФ, а също така служат като източник на енергия за някои видове работа. В съвременната биоенергетика е обичайно АТФ и протонният ток (по-точно протонният потенциал) да се разглеждат като алтернативни и взаимно конвертируеми енергийни валути. Някои функции се заплащат в една валута, други в друга.
През 1966 г. Мичъл написва първата си книга, Chemiosmotic Coupling in Oxidative and Photosynthetic Phosphorylation. През същата година българските учени биофизикът Е. Либерман и биохимикът В. Скулачев измислят как експериментално да потвърдят правотата на Мичъл. С помощта на синтетични йони, проникващи в биологичната мембрана, те показаха, че дишането и фосфорилирането наистина са свързани чрез протонния потенциал. Още една сериозна стъпка в подкрепа на Мичъл направиха биофизиците от Биологическия факултет на Московския държавен университет А. Буличев, В. Андрианов, Г. Курела и Ф. Литвин. Използвайки микроелектроди, те регистрираха образуването на трансмембранна електрическа потенциална разлика, когато големи хлоропласти бяха осветени.
Още няколко години на спорове и щателни проверки в различни лаборатории по света - иИдеите на Мичъл най-накрая бяха признати. Той е приет в Кралското общество на Великобритания (и съответно става сър), получава много престижни международни награди, а през 1978 г. е удостоен с Нобелова награда, която, противно на традицията, този път се присъжда не за откриване на нов феномен, а за предположение за неговото съществуване.
Оказа се, че веригата за пренос на електрони е не само свързана с мембраната, но и вплетена в нея по такъв начин, че когато един електрон се движи от субстрата към кислорода, прото-
преминаваме от вътрешната повърхност към външната. Мембраната образува затворен балон, който не пропуска добре протоните, следователно, в резултат на "изпомпване" на протони, през мембраната се генерира потенциална разлика: електрическа отрицателност вътре. В същото време pH се повишава: средата вътре в мехурчето става алкална. Протоните отвън са с много по-висок електрохимичен потенциал, отколкото вътре, сякаш са под „натиск“ както от електрическия потенциал, така и от рН градиента, които изтласкват протоните обратно през мембраната в мехурчето. Живата клетка използва енергията на такива протони за извършване на различни видове работа.
Забележителният напредък в рентгеновия дифракционен анализ на протеини направи възможно да се видят пълните пространствени структури на отделните протеинови комплекси, които изграждат дихателната верига. Протеините на електронната транспортна верига, локализирани в митохондриалните мембрани, са в състояние да променят своя абсорбционен спектър чрез получаване и даряване на електрони. Микроспектралните методи позволяват да се проследи последователността на преноса на електрони по протежение на верига от протеини и да се установи точно на кои места част от свободната енергия на електроните се използва за синтеза на АТФ.
Според идеята на Мичъл, за синтеза на АТФ от АДФ и фосфат в митохондриалните мембрани, електрическоенергия. Следователно, ако потенциалната разлика през мембраната бъде премахната, може да се предположи, че синтезът ще спре. Именно този ефект беше демонстриран в хода на експерименти върху изкуствени мембрани с помощта на специално синтезирани йони, които рязко повишават проводимостта на мембраната за протони. 1
Едно от първите експериментални доказателства за правилността на хипотезата на Мичъл е получено у нас през 1970 г. под ръководството на Е.А. Либерман * и В.П. Скулачев. Синтетичните йони бяха използвани като индикатори за промени в електрическото поле на мембраната I, различни по своята природа и знак на заряд, но сходни в едно нещо: всички те лесно проникваха през фосфолипидния филм.
Капка фосфолипиди, разтворени в органичен разтворител, се поставят в малък отвор в тефлонова плоча и моментално се покриват с плосък бимолекулен филм - изкуствена мембрана. Тефлонова плоча с изкуствена мембрана се потапя в съд с електролит, като се разделя на две отделения със собствен измервателен електрод във всяко. Остава да се изгради протеин, способен да генерира електричество в изкуствената мембрана, и да се добавят проникващи йони към електролита. Тогава работата на протеиновия генератор, който променя потенциалната разлика през мембраната, ще доведе до движение на проникващи йони през фосфолипидния филм, което ще бъде записано като промяна в потенциалната разлика между отделенията.
Още по-убедителен експериментален модел, който позволява директни измервания на електрическия ток, генериран от клетъчни органели и отделни протеини, е разработен и успешно използван от L.A. Драчев, А.А. Каулен и В.П.Скулачев. Частици, които генерират електрически ток (митохондрии, бактериални хроматофори или липидни везикули с индивидуални протеини, вградени в тях), бяха принудени да се придържат към плоска изкуствена мембрана. След това протонният ток, създаден от молекулите на генератора в отговор на проблясък на светлина или добавяне на подходящи химически субстрати, беше открит директно чрез измервателни електроди от двете страни на изкуствената мембрана.
През 1973 г. W. Stockenius и D. Osterhelt
0 от САЩ откри необичаен светлочувствителен протеин в мембраните на violet-j: бактерии, живеещи в солени езера
1 ра от калифорнийските пустини. Този протеин, подобно на зрителния пигмент на окото на животните - родопсин, съдържа производно на витамин А - ретинал, поради което е * наречен бактериородопсин. Американските учени Wrecker и Stockenius елегантно 1 демонстрираха участието на bacteriorho-G допсин в енергийната конюгация. Чрез комбиниране на новооткрития светлочувствителен протеин I на виолетови бактерии с = ATP синтаза в моделна фосфолипидна мембрана, те получават молекулярен ансамбъл, способен да синтезира ATP, когато светлината е включена.
В края на 1973 г. академик Ю.А. Овчинников организира проекта "Родопсин" за сравнително изследване на животински и бактериални фоточувствителни пигменти. В рамките на проекта в лабораторията на В.П. Скулачев от Московския държавен университет в моделни експерименти върху изкуствени мембрани беше доказано, че бактериородопсинът е протеинов генератор на електрически ток. вградена
За по-нататъшно четене на статията трябва да закупите пълния текст. Артикулите се изпращат във форматPDFна пощата, посочена при плащането. Времето за доставка епо-малко от 10 минути. Цената на една статия е150 рубли.
Свързани научни трудове по темата"Енергия"
Сидоров М.А. — 2007 г
МУРАВЬОВА ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА, РУДИШИНА ТАТЯНА ВАЛЕРЕВНА - 2008г.