T: Zasady termodynamiki w organizmach żywych, fotosynteza i przemiany materii w mitochondriach



Pobieranie 13.13 Kb.
Data03.05.2016
Rozmiar13.13 Kb.
Biofizyka, wykład I.

T: Zasady termodynamiki w organizmach żywych, fotosynteza i przemiany materii w mitochondriach.

Jedną z właściwości organizmów żywych jest kierowanie energią poczynając od pierwotnej zamiany energii promieni słonecznych na energię wiązań chemicznych w kom. Roślin zielonych. Zdolność przekształcania energii ma podstawowe znaczenie dla wszystkich komórek ponieważ umożliwia utrzymanie stałości ich środowiska wewnętrznego i integralności ich struktury. Komórki utrzymują swoją złożoną specyficznie uporządkowaną strukturę tylko dzięki stałemu zużyciu energii. Kiedy dopływ energii jest odcięty kompleksowa struktura komórki bądź rozpada się bądź przechodzi w stan dezorganizacji. Wszystkie komórki dla zachowania integralności swej struktury korzystają z przekształcenia energii w pracę chemiczną ponadto zależnie od potrzeb wszystkie rodzaje kom. Zamieniają energię na pracę mechaniczną, elektryczną osmotyczną i inne, które składają się na procesy życiowe organizmu. Jako przykład przemian energetycznych przebiegających w organizmie człowieka można przedstawić przemiany np. w mięśniach i oku. Mięsień stanowi układ, który może przekształcać energię chemiczną na energię mechaniczną oraz ciepło (en. Skurczu i ciepło). Z punktu widzenia przemian energetycznych można uważać oko za transformator energii. Który przekształca energię świetlną w energię cieplną chemiczną i elektryczną. W konsekwencji energia elektryczna przekazywana jest w postaci impulsów prądu wzdłuż nerwów wzrokowych do określonych części mózgu w którym powstają wrażenia wzrokowe. Szczególną rolę w ustrojach żywych we wszystkich przekształceniach energetycznych odgrywa ATP. Jeśli przyjmiemy, że zasadnicze 2 funkcje organizmów żywych to reprodukcja i gromadzenie energii w formie przydatnej do wykorzystania w różnych czynnościach organizmu to możemy je podsumować w postaci znanych skrótów DNA i ATP.

FOTOSYNTEZA światło odgrywa rolę w procesie widzenia fotosyntezy bioluminescencji, lecz jedynie w procesie fotosyntezy energia świetlna jest przekształcana w użyteczne formy energii chemicznej. W roślinach zielonych energia słoneczna o określonej długości fali jest absorbowana przez chlorofil. Zaabsorbowana energia wybija elektron z normalnego poziomu energetycznego na wyższy poziom energetyczny w strukturze wiązań chlorofilu. Zjawisko to określamy jako promieniowanie samorzutne ponieważ wybity wcześniej elektron wraca samorzutnie na poprzednio zajmowaną orbitę. Towarzyszy temu zjawisko fluorescencji. Czysty chlorofil umieszczony w probówce nie magazynuje, nie wyzyskuje energii świetlnej. W komórce natomiast chlorofil jest tak przestrzennie ułożony, w stosunku do innych elementów, że kiedy zostaje wzbudzony przez zaabsorbowane światło, to bogate w energię elektrony nie wracają do swego normalnego położenia. Elektrony te odprowadzane są przez szereg nośników przekształcając przy tym ADP na ATP. Czyli magazynują w ten sposób energię słoneczną, wracając do pierwotnego położenia. Rolę nośników może spełniać wiele witamin: Wit. B, K cytochromy itp. Wiązanie energii słonecznej w postaci ATP przedstawia rys. 1.



Chlorofil jest ułożony w uporządkowane strukturach w chloroplastach w tzw. granach, które są oddzielone od siebie siatką włókien lub błon. Wewnątrz granów płaskie cząsteczki chlorofilu ułożone są w warstwach jak na ryc. 3.



Które porównujemy często do płyty w ogniwach, całość tworzy baterię – chloroplast zawierający wszystkie wyspecjalizowane cząsteczki elektronów, które działają razem z chlorofilem „wyciągają” z pobudzonych elektronów energię potrzebną do syntezy węglowodanów. Proces syntezy węglowodanów przedstawia ryc.2 Jako końcowy produkt fotosyntezy otrzymujemy cząsteczkę glukozy zawierającą znaczną ilość energii słonecznej w swojej konfiguracji cząsteczkowej.



PRZEMIANA ENERGII W MITOCHONDRIACH

Mitochondria to organelle komórkowe o kształcie owalnym lub pałeczkowatym o wymiarach 0,5 mikrona wzdłuż, 0,1-0,5 mikrona wszerz otoczone są one podwójną błoną, przy czym błona wewnętrzna tworzy wypustki określane jako grzebienie mitochondrialne. Przekrój podłużny mitochondriów oraz wymiary błon- ryc. 5.

Na temat lokalizacji enzymów w błonach do dnia dzisiejszego istnieją dość znaczne różnice poglądów. Jedna grupa badaczy podaje że do błony zewnętrznej przyłączane są substraty biorące udział w cyklu Krebsa inni, że cykl Krebsa jest zlokalizowany w przestrzeni wewnętrznej. W błonie wewnętrznej znajdują się cząstki przenoszące elektrony (ETP), które zawierają wszystkie składniki łańcucha oddechowego a więc i wszystkie enzymy fosforylacji oksydacyjnej. Spośród enzymów cyklu Krebsa zawierają one m. in. dehydrogenazę bursztynianową. Mitochondria występują we wszystkich komórkach zarówno zwierzęcych jak i roślinnych również w bakteriach tworzące obecność cząsteczek analogicznych do mitochondriów. Mitochondria określa się jako generatory energii, za ich pomocą komórki heterotroficzne wykorzystują w procesie oddychania energię słoneczną zawartą w konfiguracji cząsteczkowej glukozy zachowując znaczną część w postaci ATP. Uproszczony schemat przebiegu procesów w mitochondriach- ryc. 6.



Cząsteczka glukozy (G) podczas szeregu reakcji katalizowanych przez 9 enzymów rozkłada się na 2 cząsteczki kwasu pirogronowego w procesie zwanym glikolizą. Energia magazynowana jest w 2 cząsteczkach ATP i 2 cząsteczkach NAD ( z procesu glikolizy). W obecności tlenu każda cząsteczka NAD wytwarza w procesie fosforylacji oksydacyjnej 3 cząsteczki ATP to w 1 etapie rozpadu glukozy wytwarza się 8 cząsteczek ATP. Następnie 2 cząsteczki kwasu pirogronowego wnikają do wnętrza mitochondrium i włączają się w cykl Krebsa w którym bierze udział 8 enzymów we wszystkich procesach (od wodorowania) przebiegają przy udziale odpowiednich dehydrogenaz, tworzą się cząsteczki ATP z jednej cząsteczki kwasu pirogronowego przy udziale

dehydrogenazy pirogronowej: 3 ATP dehydrogenazy izocytrynianowej: 3 ATP dehydrogenazy α-ketaglutaranowej: 4 ATP dehydrogenazy bursztynianowej: 2 ATP dehydrogenazy jabłczanowej: 3 ATP

Razem: 15 ATP

Z dwu cząsteczek kwasu pirogronowego powstaje więc w cyklu Krebsa 30 cząsteczek ATP. Doliczając do tego 8 cząsteczek ATP wytworzonych w I etapie rozpadu glukozy, otrzymuje się 38 cząsteczek ATP co odpowiada około 300kcal/mol glukozy. Przy całkowitym spaleniu 1 mola glukozy wydziela się ok. 700kcal/mol przy czym, jeśli reakcja przebiega w organizmie to ok. 40% wyzwolonej energii magazynuje się w 38 wiązaniach bogatych w energię.

Leyko Wanda „Biofizyka dla biologów” PWN



Terlecki J. „Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki i fizyki – podręcznik dla studentów PZWL (1999)




©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna