Выделение энергии на этапах переноса электронов

Регуляция активности ферментов по принципу обратной связи — Мегаобучалка

Во многих строго биосинтетических реакциях основным типом регуляции скорости многоступенчатого ферментативного процесса является ингибирование по принципу обратной связи, когда конечный продукт биосинтетической цепи подавляет активность фермента, катализирующего первую стадию.

Предположим, что в клетках осуществляется многоступенчатый биосинтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собственным ферментом:

Скорость подобной суммарной последовательности реакций в значительной степени определяется концентрацией конечного продукта (Р), накопление которого выше допустимого уровня оказывает мощное ингибирующее действие на первую стадию процесса, соответственно на фермент E1.

Регуляция активности ферментов по принципу прямой связи

Активность Ф. регулируется за счет синтеза изначального метаболита или за счет субстрата.

Пепсиноген – профермент, зимоген пепсина. Без достаточной концентрации 1-го не будет активации 2-го.

Билет 13

Классификация ферментов (характеристика классов, примеры химических реакций, катализируемых ферментами каждого класса)

Выделяют шесть классов ферментов:

1. Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие перенос протонов и электронов (т.е.окислительно-восстановительные реакции)
2. Феразы (трансферазы) – ферменты, переносящие группы от одной молекулы на другую или из одного положения в другое в пределах одной молекулы.
3. Гидролазы – ферменты, расщепляющие субстрат при участии молекул воды.
4. Лиазы – ферменты, расщепляющие молекулы субстрата без участия воды, при этом часто образуются низкомолекулярные продукты – СО₂, NH₃, Н₂О.
5. Изомеразы – ферменты, вызывающие в молекуле изомерные превращения.
6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие синтез крупных молекул из более мелких.

I. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Оксидоредуктазы называют также дегидрогеназами или редуктазами. Оксидоредуктазы переносят протоны и электроны.

Оксидоредуктазы окисляют следующие функциональные группы:

-ОН, -С=О, -NH₂

Коферменты дегидрогеназ присоединяют протоны и электроны.

1. НАД-зависимые дегидрогенизы окисляют следующие функциональные группы: спиртовый гидроксил (ОН), альдегидную группу (СОН), аминогруппу (NH₂).

2. ФАД – зависимые дегидрогеназы окисляют (дегидрируют) следующие функциональные группы: отщепление водорода от групп –СН₂- СН₂- с образованием двойной связи.

II. Трансферазы – ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп от одного субстрата к другому.

Подклассы трансфераз:

1. Аминотрансферазы осуществляют перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Катализируют реакцию трансаминирования.
2. Метилтрансферазы катализируют перенос метильных групп (СН3-).
3. Фосфотрансферазы катализируют перенос остатка фосфорной кислоты. В подкласс фосфотрансфераз входят киназы, которые используют АТФ в качестве донора фосфатного остатка.

III. Гидролазы – класс ферментов, катализирующий гидролиз ковалентной связи. Общий вид реакции, катализируемой гидролазой выглядит следующим образом:

A–B + H₂O → A–OH + B–H

IV. Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв С-О, С-С, С-N и других связей, а также обратимые реакции образования и разрыва двойных связей, сопровождающиеся отщеплением или присоединением групп атомов по её месту, а также образованием циклических структур.

V. Изомеразы – ферменты, катализирующие превращение в пределах одной молекулы. Катализируют реакции изомеризации.

Подклассы: мутазы, таутомеразы, рацемазы, эпимеразы, изомеразы.

VI. Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие соединение двух молекул с использованием энергии фосфатной связи АТФ.

Билет 14

Биологическое окисление (определение, виды). Цепь переноса электронов (локализация в клетке, состав, строение, движущая сила переноса, выделение энергии на этапах переноса электронов)

Биологическое окисление (Тканевое дыхание) – ОВР, протекающие в клетках организма, в результате которых сложные органические вещества окисляются при участии специфических ферментов кислородом, доставляемым кровью. Конечными продуктами биологического окисления являются вода и двуокись углерода.

Виды биологического окисления:

1. Тканевое дыхание
2. Субстратное окисление

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород. В процессе тканевого дыхания участвуют ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду. Локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.
2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.
3. Коэнзим Q или убихинон.
4. Цитохромы b, c, a, a₃.

Цитохромы – сложные железосодержащие белки, простетическая (небелковая) группа которых представлена гемом (гемопротеиды). В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается два протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов (редукция - восстановление и оксидация – окисление).

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействуя с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.

При переносе пары электронов происходит изменение свободной энергии и эта энергия используется по двум путям:

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

При переносе пары электронов по дыхательной цепи происходит изменение свободной энергии, равная 52,6 ккал. Этой энергии достаточно для синтеза 3 молекул АТФ.

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Фосфорилирование:

1. Окислительное фосфорилирование связано с мембранами митохондрий
2. Субстратное фосфорилирование не связано с мембранами митохондрий

Окислительное фосфорилирование – это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Pi, сопряженный с тканевым дыханием.

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

При окисления НАД-зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД-зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 2АТФ

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Билет 15

Глава 11 - Реакции переноса электрона и электрохимия

Введение

11.1 Электронный перенос или окислительно-восстановительные реакции

Введение

Предварительные требования

Цели

• •

  Опишите реакцию переноса электрона.

• •

  Дайте определение окислению и восстановлению.

• •

  Определите окислитель и восстановитель.

• •

  Укажите, может ли вещество действовать как окислитель или как восстановитель, или и то, и другое.

• •

  Определите окислители и восстановители в окислительно-восстановительной реакции.

• •

  Определите количество переданных электронов в сбалансированном химическом уравнении для реакции переноса электрона.

• •

  Определите донорные и акцепторные орбитали в простой окислительно-восстановительной реакции.

• •

  Объясните влияние орбитальной энергии на перенос электронов.

• •

  Определите фактор, ответственный за окислительную и восстанавливающую силы.

• •

  Опишите редокс-пару и напишите аббревиатуру для данной пары.

11.1-1. Введение в электронный перенос

• Просмотр видео

• •

  Просмотрите видео в этом окне, нажав кнопку воспроизведения.

• •

  Используйте элементы управления видео для просмотра видео в полноэкранном режиме.

• •

  Просмотрите видео в текстовом формате, прокрутив вниз.

11.1-2. Электронный перенос

Электроны переходят от одного вида к другому в реакциях электронного переноса.

Таблица 11.1: Реакция переноса электрона

• 1

  Глубокий синий цвет раствора CuSO ₄ , обусловленный присутствием ионов Cu ²⁺ , теряется.

• 2

  Образуется коричневое твердое вещество.Анализ показывает, что твердое тело представляет собой металлическую медь.

• 3

  Металлическая вата распадается по мере исчезновения атомов Fe.

• 4

  Анализ показывает, что в растворе образуются ионы Fe ²⁺ .

• 1

  Cu ²⁺ преобразован в Cu.

• 2

  Fe было преобразовано в Fe ²⁺ .

11.1-3. Окисление и восстановление

Восстановление - это получение электронов, окисление - это потеря электронов, а реакции переноса электронов также называются окислительно-восстановительными реакциями.

11.1-4. Окислители и восстановители

Окисляющие реагенты (окислители) восстанавливаются при окислении восстановителей.

Идеальная валюта энергии для клетки

Введение

Критически важный макромолекула - возможно, «вторая по важности после ДНК »- ATP . АТФ представляет собой сложную наномашину который служит основной энергетической валютой клетки (Trefil, 1992, стр.93). Наномашина - это сложное прецизионное устройство микроскопических размеров. машина, которая соответствует стандартному определению машины. АТФ «наиболее широко распространенное высокоэнергетическое соединение в человеческое тело »(Риттер, 1996, с. 301). Эта вездесущая молекула «используется для создания сложных молекул, сокращения мышц, генерации электричество в нервах и светлячки. Все источники топлива Природа, все продукты питания живых существ, производят АТФ, который в Turn приводит в действие практически любую активность клетки и организма. Представьте себе метаболическую путаницу, если бы это было не так: каждый из различные продукты питания будут генерировать разные валюты энергии и каждая из множества клеточных функций будет иметь торговать в своей уникальной валюте »(Корнберг, 1989, с.62).

ATP - аббревиатура для аденозинтрифосфата , сложной молекулы, содержащей нуклеозид , аденозин и хвост, состоящий из трех фосфаты. (См. Рисунок 1 для простой структурной формулы и модель АТФ, заполненная пространством.) Насколько известно, все организмы из самые простые бактерии для человека используют АТФ в качестве основной энергии валюта. Уровень энергии, который он несет, как раз нужное количество для большинства биологических реакций. Питательные вещества содержат энергию с низким содержанием энергии ковалентные связи, которые не очень полезны для большинства видов работают в камерах.

Эти низкоэнергетические связи должны быть переведены в высокоэнергетические связи, и это роль АТФ. Постоянный запас АТФ настолько важен, что яд, который атакует любой из белков, используемых в производстве АТФ, убивает организм в считанные минуты. Например, некоторые цианидные соединения ядовиты. потому что они связываются с атомом меди в цитохромоксидазе. Этот связывание блокирует систему транспорта электронов в митохондриях где происходит производство АТФ (Goodsell, 1996, стр.74).

Как ATP передает энергию

Энергия обычно высвобождается из молекулы АТФ для работы в клетке в результате реакции который удаляет одну из фосфатно-кислородных групп, оставляя аденозин ди фосфат (АДФ).Когда ATP преобразуется в ADP, ATP считается, что израсходовано . Тогда ADP обычно сразу перерабатывается в митохондриях, где перезаряжается и выходит наружу снова как СПС. По словам Trefil (1992, стр. 93), «зацепление и отсоединение последнего фосфата [от АТФ] - вот что держит весь мир работает ».

Огромная сумма активности, происходящей внутри каждого из примерно ста триллион человеческих клеток показывает тот факт, что в любой момент каждая клетка содержит около миллиарда молекул АТФ.Этот количества достаточно для нужд этой клетки только для нескольких минут и должны быть быстро переработаны. Учитывая сто триллионов клеток в среднем мужчины, около 10 ²³ или один секстиллион молекулы АТФ в норме существуют в теле. Конечный фосфат каждого АТФ равен добавлял и удалял 3 раза каждую минуту »(Корнберг, 1989, стр. 65).

Всего человек содержание в организме АТФ составляет всего около 50 грамм, что необходимо постоянно перерабатывается каждый день. Лучший источник энергии для строительства АТФ - это еда; АТФ - это просто носитель и регулирование-хранение единица энергии.Среднее ежедневное потребление пищи 2500 калорий. означает оборот в 180 кг (400 фунтов) АТФ (Корнберг, 1989, с. 65).

Структура ATP

ATP содержит пуриновое основание , аденин и сахар , рибоза , которые вместе образуют нуклеозид , аденозин . Основные строительные блоки для построения АТФ используются углерод, водород, азот, кислород, и фосфор, которые собраны в комплекс, содержащий количество субатомных частей, эквивалентное более 500 водороду атомы.Одна фосфатно-эфирная связь и две фосфатно-ангидридные связи удерживают вместе три фосфата (PO ₄ ) и рибозу. Конструкция также содержит гликозидную связь b-N, удерживающую рибозу и аденин вместе.

Фосфаты хорошо известные молекулы с высокой энергией, что означает, что относительно высокие уровни энергии высвобождаются при удалении фосфатных групп.На самом деле, высокое энергосодержание не является результатом простого фосфатная связь, но полное взаимодействие всех атомов внутри молекулы АТФ.

Потому что сумма энергии, выделяемой при разрыве фосфатной связи, очень близко к тому, что требуется для типичной биологической реакции, мало энергии потрачено впустую. Как правило, АТФ связан с другой реакцией - a процесс называется сцеплением , что означает, что происходят две реакции в то же время и в том же месте, обычно используя тот же ферментный комплекс.Высвобождение фосфата из АТФ экзотермично. (реакция, которая выделяет тепло) и реакция связана to является эндотермическим (для возникновения требуется подводимая энергия). В концевую фосфатную группу затем переносят гидролизом на другое соединение, процесс, называемый фосфорилированием , производящий АДФ, фосфат (P _и ) и энергия.

Саморегулирование Система АТФ была описана следующим образом:

Высокоэнергетический облигации АТФ на самом деле являются весьма нестабильными облигациями.Потому что они нестабильны, энергия АТФ легко высвобождается, когда АТФ гидролизуется в клеточных реакциях. Обратите внимание, что АТФ представляет собой энергетическую связь . агент и , а не топливо. Это не кладезь энергии отложить на будущее. Скорее производится одним комплектом реакций и почти сразу поглощается другим. АТФ образуется по мере необходимости, в первую очередь за счет окислительных процессов в митохондрии. Кислород не потребляется, если только АДФ и фосфат молекулы доступны, и они не станут доступными, пока АТФ гидролизуется с помощью энергоемкого процесса. Энергия метаболизм поэтому в основном саморегулирующийся (Hickman, Roberts, и Ларсон, 1997, стр.43). [Курсив мой]

АТФ не слишком нестабилен, но устроен так, что его гидролиз идет медленно в отсутствие катализатора. Это гарантирует, что накопленная энергия «высвобождается только в присутствии соответствующего фермента» (Макмерри и Кастеллион, 1996, с. 601).

Функция ATP

Используется АТФ для многих функций ячейки, включая транспортных работ перемещаемых вещества через клеточные мембраны.Он также используется для механических работа , обеспечивая энергию, необходимую для сокращения мышц. Поставляет энергию не только в сердечную мышцу (для кровообращения) и скелетные мышцы (например, для грубых движений тела), но также хромосомам и жгутикам, чтобы они могли выполнять свои много функций. Основная роль АТФ в химических работах , поставляя необходимую энергию для синтеза многотысячных типов макромолекул, которые необходимы клетке для существования.

АТФ также используется как двухпозиционный переключатель для управления химическими реакциями и для отправлять сообщения.Форма белковых цепей, производящих строительные блоки и другие конструкции, используемые в жизни, в основном определяются слабыми химическими связями, которые легко разрываются и восстанавливаются. Эти цепи могут укорачиваться, удлиняться и менять форму в ответ на ввод или вывод энергии. Изменения в цепях меняются форма белка, а также может изменить его функцию или вызвать он становится активным или неактивным.

ATP молекула может связываться с одной частью молекулы белка, вызывая другую часть той же молекулы скользит или слегка перемещается, что вызывает он изменит свою конформацию, инактивируя молекулу.Последующие удаление АТФ заставляет белок возвращаться к своей исходной форме, и, таким образом, он снова работает. Цикл можно повторять до тех пор, пока молекула перерабатывается, эффективно выполняя функцию включения и выключения переключатель (Hoagland and Dodson, 1995, стр.104). Оба добавляют фосфор (фосфорилирование) и удаление фосфора из белка (дефосфорилирование) может служить в качестве переключателя включения или выключения.

Как производится АТФ?

АТФ изготовлено в результате нескольких клеточных процессов, включая ферментацию, дыхание и фотосинтез.Чаще всего клетки используют АДФ в качестве молекулы-предшественника, а затем добавить к ней фосфор. У эукариот это может происходить либо в растворимой части цитоплазмы (цитозоль) или в специальных энергопроизводящих структурах, называемых митохондриями. Зарядка АДФ для образования АТФ в митохондриях называется хемиосмотической . фосфорилирование . Этот процесс происходит в специально сконструированных камеры, расположенные во внутренних мембранах митохондрий.

Митохондрия сам функционирует, чтобы произвести электрический химический градиент - отчасти как батарея - аккумулируя ионы водорода в космосе между внутренней и внешней мембраной.Эта энергия исходит от приблизительно 10 000 ферментных цепей в мембранных мешках на митохондриальные стенки. Большая часть пищевой энергии для большинства организмов производится цепью переноса электронов. Клеточное окисление в цикле Кребса вызывает накопление электронов, которое используется для толкать ионы H ⁺ наружу через внутренняя митохондриальная мембрана (Hickman et al., 1997, стр. 71).

В качестве заряда накапливается, он обеспечивает электрический потенциал, который высвобождает его энергия, вызывая поток ионов водорода через внутреннюю мембрану во внутреннюю камеру.Энергия вызывает прикрепление фермента к АДФ, который катализирует добавление третьего фосфора с образованием АТФ. Таким же образом растения могут производить АТФ в своих митохондриях. но растения также могут производить АТФ, используя энергию солнечного света. в хлоропластах, как обсуждается позже. В случае эукариотических животные энергия поступает из пищи, которая превращается в пируват а затем к ацетилкоферменту A (ацетил-КоА). Ацетил КоА затем входит в цикл Кребса, который высвобождает энергию, в результате в превращении АДФ обратно в АТФ.

Как это разность потенциалов служит для повторного присоединения фосфатов к молекулам АДФ? Чем больше протонов в области, тем сильнее они отталкиваются. Другие. Когда отталкивание достигает определенного уровня, водород ионы вытесняются из вращающейся двери, установленной на на внутренней мембране митохондрий называется АТФ-синтаза комплексы. Этот фермент выполняет функцию повторного присоединения фосфатов к молекулы АДФ, снова образуя АТФ.

АТФ-синтаза вращающаяся дверь напоминает молекулярное водяное колесо, которое поток ионов водорода, чтобы построить молекулы АТФ.Каждый на оборот колеса требуется около девяти водородных энергий. ионы, возвращающиеся во внутреннюю камеру митохондрий (Goodsell, 1996, с.74). На АТФ-синтазе расположены три активных сайта: каждый из которых преобразует ADP в ATP с каждым поворотом колеса. В максимальных условиях колесо АТФ-синтазы вращается со скоростью до 200 оборотов в секунду, производя 600 АТФ во время в ту секунду.

АТФ используется в соединение с ферментами, чтобы заставить определенные молекулы связываться вместе.Правильная молекула сначала стыкуется с активным центром фермента вместе с молекулой АТФ. Затем фермент катализирует перенос одного из фосфатов АТФ в молекулу, тем самым передавая к этой молекуле энергия, запасенная в молекуле АТФ. Далее вторая молекула стыкуется поблизости на -секундном активном сайте на ферменте. В фосфат затем передается ему, обеспечивая необходимую энергию чтобы связать две молекулы, теперь прикрепленные к ферменту. Однажды они связаны, новая молекула высвобождается.Эта операция аналогична использовать механическое приспособление для правильного позиционирования двух металлических частей которые затем свариваются. После сварки они выпускаются как единое целое, и затем процесс может начаться снова.

А Двойной энергетический пакет

Хотя АТФ содержит количество энергии, необходимое для большинства реакций, в разы больше требуется энергия. Решение для ATP - выпустить два фосфаты вместо одного, производя монофосфат аденозина (АМФ) плюс цепь из двух фосфатов, называемая пирофосфатом .То, как аденозинмонофосфат превращается в АТФ, снова иллюстрирует: точность и сложность энергетической системы клетки. В ферменты, используемые в гликолизе, цикле лимонной кислоты и электроне транспортная система, все настолько точны, что заменят только фосфат одиночный . Они не могут добавить два новых фосфатов к молекуле AMP с образованием АТФ.

Решение сложный фермент под названием аденилаткиназа , который передает одиночный фосфат от АТФ до AMP, производя два Молекулы АДФ.Затем две молекулы АДФ могут войти в нормальный Цикл Кребса предназначен для преобразования АДФ в АТФ. Аденилаткиназа требуется атом магния - и это одна из причин почему так важно достаточное количество диетического магния.

Аденилаткиназа представляет собой высокоорганизованный, но компактный фермент с активным центром расположен глубоко внутри молекулы. Требуется глубокий активный сайт потому что реакции, которые он катализирует, чувствительны к воде. Если молекулы воды застряли между АТФ и АМФ, затем фосфат может расщепить АТФ на АДФ и свободный фосфат вместо передачи фосфат от АТФ до АМФ с образованием АДФ.

Чтобы предотвратить это, аденилаткиназа устроена так, что активный центр находится на конец канала глубоко в конструкции, который закрывается вокруг АМФ и АТФ, защищая реакцию от воды. Многие другие ферменты которые используют АТФ, полагаются на эту систему, чтобы защитить свой активный сайт для предотвращения нежелательных реакций. Эта система гарантирует, что единственные отходы, которые возникают, - это нормальный износ, ремонт и замена клеточных органелл.

Пирофосфаты и пирофосфорная кислота, обе неорганические формы фосфора, должны также должны быть разбиты, чтобы их можно было переработать.Этот фосфатный распад осуществляется неорганическим ферментом пирофосфатазой который расщепляет пирофосфат с образованием двух свободных фосфатов, которые может использоваться для зарядки АТФ (Goodsell, 1996, стр.79). Эта система настолько эффективен, что практически не производит отходов, что поразительно, учитывая его чрезвычайно подробную структуру. Goodsell (1996, стр. 79) добавляет, что «наше оборудование для производства энергии предназначен для производства АТФ: быстро, эффективно и в большом количестве ».

Основная энергия носителем, который использует организм, является АТФ, но другие активированные нуклеотиды также используются, такие как тимин, гуанин, урацил и цитозин для изготовления РНК и ДНК.Цикл Кребса заряжает только ADP, но энергия, содержащаяся в АТФ, может быть передана одному из других нуклеозиды с помощью фермента, называемого дифосфатом нуклеозидов киназа . Этот фермент переносит фосфат из нуклеозида. трифосфат, обычно АТФ, до нуклеозиддифосфата, такого как гуанозиндифосфат (GDP) с образованием гуанозинтрифосфата (GTP).

Нуклеозид дифосфаткиназа работает за счет связывания одного из шести активных сайтов нуклеозидтрифосфат и высвобождение связанного фосфата к гистидину.Затем нуклеозидтрифосфат, который сейчас высвобождается дифосфат и другой дифосфат нуклеозидов связывается с тем же сайтом, и в результате фосфат, который связывается с ферментом, передается, образуя новый трифосфат. Множество других ферментов существуют для того, чтобы АТФ передавал свои энергия в различные места, где она необходима. Каждый фермент должен быть специально разработанным для выполнения своей уникальной функции, и большинство этих ферментов имеют решающее значение для здоровья и жизни.

Тело делает содержат некоторую гибкость, и иногда жизнь возможна, когда один из этих ферментов неисправен, но человек часто инвалид.Кроме того, иногда существуют резервные механизмы, чтобы тело может достичь тех же целей с помощью альтернативных биохимических маршрут. Эти несколько простых примеров красноречиво иллюстрируют концепцию чрезмерного дизайна, встроенного в корпус. Они также доказывают огромную сложность тела и его биохимия.

Послание молекулы

Без АТФ, жизнь как мы понимаем, этого не могло быть. Это идеально продуманный, сложная молекула, которая играет важную роль в обеспечении энергетический пакет надлежащего размера для десятков тысяч классов реакции, которые происходят во всех формах жизни.Даже вирусы полагаются на молекула АТФ, идентичная той, что используется у людей. Энергия АТФ система быстрая, высокоэффективная, производит быстрый оборот АТФ и может быстро реагировать на изменения спроса на энергию (Goodsell, 1996, с.79).

Кроме того, Молекула АТФ настолько сложна, что мы только начинаем чтобы понять, как это работает. Каждая молекула АТФ состоит из более чем 500 атомных атомов. единицы массы (500 АМЕ). С производственной точки зрения молекула АТФ машина с уровнем организации порядка исследования микроскоп или стандартный телевизор (Дарнелл, Лодиш и Балтимор, 1996).

Среди вопросов эволюционисты должны ответить следующим образом: «Каким образом жизнь существовала до АТФ? » «Как могла жизнь выжить без АТФ, поскольку ни одна из известных нам сегодня форм жизни не может этого сделать? » и «Как мог развиться АТФ и где многие переходные формы, необходимые для развития сложной молекулы АТФ? » Нет возможности кандидаты существуют, и ни один не может существовать, потому что только идеальный ATP молекула может правильно выполнять свою роль в клетке.

Кроме того, потенциальная молекула-кандидат АТФ не будет выбрана эволюции, пока он не стал функциональным, и жизнь не могла существовать без АТФ или подобная молекула, выполняющая ту же функцию.АТФ представляет собой пример молекулы, которая демонстрирует неприводимой сложности которые нельзя упростить, но они все еще функционируют (Behe, 1996). АТФ мог быть создан только как единое целое для немедленного функционирования в жизни, и то же самое верно в отношении других сложных молекул энергии используется в быту типа GTP.

Хотя другие молекулы энергии могут быть использованы для определенных функций клетки, ни один может даже приблизиться к удовлетворительной замене всех многих функций АТФ. Более 100000 других детализированных молекул, таких как АТФ, также был разработан, чтобы позволить людям жить, и все те же проблемы связанные с их происхождением существуют для всех.Многие макромолекулы которые имеют более подробную информацию, чем существуют АТФ, как и некоторые из них менее организованны, и для того, чтобы жизнь существовала, все они должны работать вместе как единое целое.

Контраст между прокариотами и эукариотами
ATP Производство

Огромный разрыв существует между клетками прокариот (бактерий и цианобактерий) и эукариотические (простейшие, растения и животные) тип клеток:

... прокариоты и эукариоты сильно отличаются друг от друга и явно представляют собой заметную дихотомию в эволюции жизни.. . В организационная сложность эукариот намного больше чем у прокариот, которые трудно визуализировать как эукариот мог возникнуть из любого известного прокариота (Хикман et al., 1997, стр. 39).

Некоторые отличия в том, что у прокариот отсутствуют органеллы, цитоскелет и большинство других структур, присутствующих в эукариотических клетках. Как следствие, функции большинства органелл и других ультраструктурных клеток части должны выполняться у бактерий клеточной мембраной и ее складки, называемые мезосомами.

Четыре основных метода производства ATP

Решающее отличие между прокариотами и эукариотами - это средства, которые они используют для производства АТФ. Вся жизнь производит АТФ только тремя основными химическими методами: окислительное фосфорилирование, фотофосфорилирование и уровень субстрата фосфорилирование (Лим, 1998, с. 149). В прокариотах вырабатывается АТФ. как в клеточной стенке, так и в цитозоле за счет гликолиза. У эукариот большая часть АТФ производится в хлоропластах (для растений) или в митохондриях (как для растений, так и для животных).Не существует средств производства АТФ это промежуточное звено между этими четырьмя основными методами и никакое переходное когда-либо были найдены формы, которые ликвидируют разрыв между этими четырьмя различные формы продукции АТФ. Оборудование, необходимое для производства АТФ настолько сложен, что вирусы не могут создавать свои собственные АТФ. Им нужны клетки для его производства, а вирусы не имеют источник энергии помимо клеток.

В прокариотах клеточная мембрана заботится не только о преобразовании энергии клетки потребности, но и переработка питательных веществ, синтез структурных макромолекулы и секреция многих ферментов, необходимых для жизни (Таларо и Таларо, 1993, стр.77). Клеточная мембрана должна по этой причине можно сравнить с целую эукариотическую клетку ультраструктура, которая выполняет все эти функции. Не просто способы производства АТФ известны, а прокариоты не являются значит просто. Они содержат более 5000 различных видов молекул. и может использовать солнечный свет, органические соединения, такие как углеводы, и неорганические соединения как источники энергии для производства АТФ.

Другой пример клеточной мембраны прокариот, принимая на себя функцию Ультраструктура эукариотических клеток выглядит следующим образом: их ДНК физически прикрепляется к мембране бактериальной клетки, и репликация ДНК может быть инициированным изменениями в мембране.Эти мембранные изменения в свою очередь связаны с ростом бактерий. Далее мезосома, по-видимому, направляет дублированные тела хроматина в две дочерние клетки во время деления клеток (Таларо и Таларо, 1993).

У эукариот митохондрии производят большую часть клеточного АТФ (анаэробный гликолиз также производит некоторые), а у растений хлоропласты также может обслуживать эту функцию. Митохондрии производят АТФ в их внутренняя мембранная система называется кристами. Поскольку бактерии отсутствуют митохондрии, а также внутренняя мембранная система, они должны продуцировать АТФ в своей клеточной мембране, что происходит с помощью двух основных шаги.Мембрана бактериальной клетки имеет уникальную структуру. разработан для производства АТФ, сопоставимая структура не обнаружена в любая эукариотическая клетка (Jensen, Wright, and Robinson, 1997).

У бактерий АТФаза и электронная транспортная цепь расположены внутри . цитоплазматическая мембрана между гидрофобными хвостами фосфолипидная мембрана внутренняя и внешняя стенки. Распад сахара и другая еда вызывает положительно заряженные протоны на за пределами мембраны накапливаться до гораздо более высокой концентрации, чем они на мембране внутри .Это создает избыток положительный заряд на внешней стороне мембраны и относительно отрицательный заряд внутри.

Результат эта разность зарядов представляет собой диссоциацию молекул H ₂ O на ионы H ⁺ и OH ^-. Образующиеся ионы H ⁺ затем транспортируются вне клетки и ионы OH ^- остаются внутри. Это результаты в градиенте потенциальной энергии, подобном тому, который создается при зарядке аккумулятор фонарика.Сила градиента потенциальной энергии производит, называется движущей силой протона , которая может выполнять различные клеточные задачи, включая преобразование АДФ в АТФ.

У некоторых бактерий например, Halobacterium , эта система модифицирована за счет использования бактериородопсин , белок, похожий на сенсорный пигмент родопсин используется в сетчатке позвоночных (Lim, 1998, стр. 166). Освещение заставляет пигмент поглощать световую энергию, временно изменяя родопсин из формы trans в форму cis .Транс превращение в цис вызывает депротонирование и перенос протонов через плазматическую мембрану в периплазму.

Протонный градиент результаты используются для управления синтезом АТФ с помощью АТФазы сложный. Эта модификация позволяет бактериям жить в условиях низкого содержания кислорода. но богатые светлые регионы. Эта анаэробная система производства АТФ, который является уникальным для прокариот, использует химическое соединение, другое чем кислород в качестве концевого акцептора электронов (Lim, 1998, стр. 168). Расположение производящей АТФ системы - лишь одно из многих контрасты, существующие между мембранами бактериальных клеток и митохондриями.

Хлоропласты

Хлоропласты двухмембранные органеллы, продуцирующие АТФ, встречаются только у растений. Внутри их внешней мембраны находится набор тонких мембран, организованных в уплощенные мешочки, сложенные, как монеты, называемые тилакоидами (По-гречески thylac или мешок, а oid означает подобное). В диски содержат пигменты хлорофилла, поглощающие солнечную энергию, которая является основным источником энергии для всех нужд завода включая производство углеводов из диоксида углерода и вода (Мадер, 1996, стр.75). Хлоропласты сначала преобразуют солнечная энергия в запасенную энергию АТФ, которая затем используется для производства запасные углеводы, которые можно преобразовать обратно в АТФ при нужна энергия.

Хлоропласты также обладают системой транспорта электронов для производства АТФ. В электроны, попадающие в систему, забираются из воды. Во время фотосинтеза углекислый газ восстанавливается до углеводов за счет полученной энергии из ATP (Мадер, 1996, с. 12). Фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии) используйте еще одну систему.Цианобактерии не производят хлоропластов но использовать хлорофилл, связанный с цитоплазматическими тилакоидами. Снова правдоподобных переходных форм, которые могли бы связать эта форма производства АТФ в системе фотосинтеза хлоропластов.

Два самых распространенных эволюционные теории происхождения митохондрий-хлоропластов Система продукции АТФ - это 1) эндосимбиоз митохондрий и хлоропласты из бактериальной мембранной системы и 2) постепенное эволюция мембранной системы прокариотных клеток продукции АТФ в системы митохондрий и хлоропластов.Верующие в эндосимбиоз учат, что митохондрии когда-то были свободноживущими бактериями, и что «На ранних этапах эволюции предковые эукариотические клетки просто ели их будущие партнеры »(Vogel, 1998, p. 1633). И постепенное теория конверсии и эндосимбиоза требует многих переходных формы, каждая новая, которая должна обеспечивать животному конкурентоспособность преимущество по сравнению с неизмененными животными.

Много контрастов между прокариотическими и эукариотическими средствами производства АТФ, некоторые из них, упомянутые выше, являются вескими доказательствами против теория эндосимбиоза.Нет промежуточных звеньев для соединения этих двух систем когда-либо были найдены и аргументы выдвинуты в поддержка все очень спекулятивны. Эти и другие проблемы имеют в последнее время стали более очевидными в результате недавних серьезных проблем к стандартной теории эндосимбиоза. Стандартная теория в последнее время подвергались атакам с нескольких фронтов, и некоторые исследователи сейчас отстаивают новую теорию:

Ученые размышляют как образовалась первая сложная клетка говорят, что новая идея могла решить некоторые насущные проблемы с преобладающей теорией... «[ новая теория] ... изящно аргументирована », - говорит Майкл Грей о Университет Далуизи в Галифаксе, Новая Шотландия, но «там Ужасно много вещей, которые гипотеза не учитывает за." В стандартной картине эволюции эукариот митохондриям повезло. Во-первых, предковая клетка - вероятно архебактерии, как показывают недавние генетические исследования, приобретенные способность поглощать и переваривать сложные молекулы. Он начал охотиться на его микробных компаньонах. Однако в какой-то момент этот хищный клетка не полностью переваривала свою добычу, и даже более успешный ячейка возникла, когда предполагаемая еда заняла постоянное место жительства и стал митохондрией.В течение многих лет ученые думали у них были примеры прямых потомков тех примитивных эукариоты: некоторые протисты, у которых отсутствуют митохондрии. Но недавний анализ генов этих организмов показывает, что они тоже когда-то нес митохондрии, но позже потерял их ( Science , 12 сентября 1997 г., стр. 1604). Эти данные указывают на то, что эукариоты могли каким-то образом приобрести свои митохондрии до того, как развила способность поглощать и переваривать другие клетки (Vogel, 1998, п. 1633).

Резюме

ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА

1. Электронная трубка зависит от своего воздействия на поток электронов, которые действуют как носители тока. Для создания этого потока электронов в каждой трубке есть специальный металлический электрод (катод). Но при обычных комнатных температурах свободные электроны катода не могут покинуть его поверхность из-за определенных сдерживающих сил, которые действуют как барьер. Эти притягивающие поверхностные силы стремятся удерживать электроны внутри катодного вещества, за исключением небольшой части, которая имеет достаточную кинетическую энергию (энергию движения), чтобы пробить барьер.Большинство электронов движутся слишком медленно, чтобы это произошло.

2. Чтобы покинуть поверхность материала, электроны должны совершить определенную работу, чтобы преодолеть сдерживающие поверхностные силы. Для выполнения этой работы электроны должны иметь достаточную энергию, сообщаемую им от какого-либо внешнего источника энергии, поскольку их собственная кинетическая энергия недостаточна. Существует четыре основных метода получения электронной эмиссии с поверхности материала: термоэлектронная эмиссия, фотоэлектрическая эмиссия, автоэлектронная эмиссия и вторичная эмиссия.

3. Термоэлектронная эмиссия. Это самый важный и наиболее часто используемый в электронных лампах. В этом методе металл нагревается, что приводит к увеличению тепловой или кинетической энергии несвязанных электронов. Таким образом, большее количество электронов достигнет достаточной скорости и энергии, чтобы покинуть поверхность эмиттера. Количество электронов, высвобождаемых на единицу площади излучающей поверхности, связано с абсолютной температурой катода и количеством работы, которую электрон должен совершить, покидая излучающую поверхность.

4. Термоэлектронная эмиссия достигается за счет электрического нагрева катода. Это может быть получено двумя способами: 1) с помощью электронов, испускаемых нагревательной спиралью для проведения тока (прямой нагрев), или 2) путем размещения нагревательной спирали в никелевом цилиндре, покрытом оксидом бария, который излучает электроны (косвенный нагрев). обогрев). Обычно используется метод непрямого нагрева.

5. Фотоэлектрическая эмиссия. В этом процессе энергия светового излучения, падающего на поверхность металла, передается свободным электронам внутри металла и ускоряет их в достаточной степени, чтобы они могли покинуть поверхность.

6. Автоэлектронная эмиссия или эмиссия с холодным катодом. Приложение сильного электрического поля (то есть высокого положительного напряжения вне поверхности катода) буквально вытягивает электроны с поверхности материала из-за притяжения положительного поля. Чем сильнее поле, тем больше автоэлектронная эмиссия с холодной поверхности эмиттера.

7. Вторичная эмиссия. Когда высокоскоростные электроны внезапно ударяются о металлическую поверхность, они отдают свою кинетическую энергию электронам и атомам, на которые они ударяются.Некоторые из бомбардирующих электронов сталкиваются непосредственно со свободными электронами на поверхности металла и могут выбить их с поверхности. Электроны, освобожденные таким образом, известны как вторичные электроны эмиссии, поскольку первичные электроны из какого-то другого источника должны быть доступны для бомбардировки вторичной электронно-излучающей поверхности.

УПРАЖНЕНИЯ:

1. Контрольные вопросы:

1. От чего зависит действие электронной лампы? 2.Что присутствует в каждой трубке для создания потока электронов? 3. При каких температурах свободные электроны не могут покинуть поверхность катода? 4. Какие силы удерживают электроны внутри катодного вещества? 5. Что должны сделать электроны, чтобы убежать? 6. Что должны иметь электроны, чтобы преодолеть сдерживающие поверхностные силы? 7. Сколько существует методов получения электронной эмиссии? 8. Какие они? 9. Что сообщает внешнюю энергию электронам при термоэлектронной эмиссии? 10. Какая энергия используется для образования свободных электронов при фотоэмиссии? 11.Что такое автоэлектронная эмиссия?

12. Как получается вторичная эмиссия? 13. Какое излучение чаще всего используется в электронике?

2. Переводите международные слова без словаря.

катод, эмиттер, материал, цилиндр, часть, энергия, излучение, температура, тепловой, адекватный, абсолютный, специальный, эмиссия, электрон, обычно

3. Определите, к каким частям речи принадлежат эти слова, и переведите их :

реализовывать, выравнивать, электрифицировать, классифицировать, создавать, усиливать, расширять, увеличивать, расширять, аналогично, иначе, вперед, к, вверх, наружу, вниз

Текст 5 Прочтите и переведите текст.

ДИОДЫ

1. Простейшей комбинацией элементов, составляющих электронную лампу, является диод. Он состоит из катода, который служит для испускания электронов, и пластины или анода, окружающей катод, который действует как коллектор электронов. Оба электрода заключены в герметичную оболочку из стекла или металла. Если катод нагревается косвенно, должна быть спираль или нагреватель. Размер диодных трубок варьируется от крошечных металлических трубок до выпрямителей большого размера.Пластина обычно представляет собой полый металлический цилиндр из никеля, молибденового графита, тантала или железа.

2. Основной закон электричества гласит, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, а разные заряды притягиваются друг к другу. Электроны, испускаемые катодом электронной лампы, являются отрицательными электрическими зарядами. Эти заряды могут либо притягиваться, либо отталкиваться от пластины диодной лампы, в зависимости от того, заряжена пластина положительно или отрицательно.

3.Фактически, при приложении разности потенциалов (напряжения) от батареи или другого источника между пластиной и катодом диода внутри трубки создается электрическое поле. Силовые линии этого поля всегда проходят от отрицательно заряженного элемента к положительно заряженному. Электроны, будучи отрицательными электрическими зарядами, следуют направлению силовых линий в электрическом поле.

4. Установив электрическое поле правильной полярности между катодом и пластиной и «сформировав» силовые линии этого поля на определенных траекториях, ¹ можно управлять движением электронов по желанию.Батарея подключается между пластиной и катодом диода, чтобы сделать пластину положительной по отношению к катоду, при этом силовые линии электрического поля проходят в направлении от катода к пластине.

5. И снова, приложение напряжения нагревателя приводит к эмиссии электронов с катода. Электроны следуют по силовым линиям к положительной пластине и ударяют по ней с высокой скоростью. Поскольку движущиеся заряды содержат электрический ток, поток электронов к пластине представляет собой электрический ток, называемый током пластины.

6. Достигнув пластины, электронный ток продолжает течь по внешней цепи, состоящей из соединительных проводов и батареи. Поступающие электроны поглощаются положительной клеммой батареи, и такое же количество электронов вытекает из отрицательной клеммы батареи и возвращается на катод, таким образом восполняя запас электронов, потерянных при эмиссии.

7. Пока катод трубки поддерживается при температурах излучения, а пластина остается положительной, ток пластины будет продолжать течь от катода к пластине внутри трубки и от пластины обратно к катоду через внешнюю цепь.

8. Теперь подключение батареи поменялось местами, чтобы сделать пластину отрицательной по отношению к катоду. Когда на нагреватель подается напряжение, катод испускает поток электронов. Однако эти электроны сильно отталкиваются от отрицательно заряженной пластины и стремятся заполнить межэлектродное пространство между катодом и пластиной. Поскольку электроны фактически не достигают пластины, трубка действует как разомкнутая цепь.

9. Общее количество электронов, испускаемых катодом диода, всегда одинаково при данной рабочей температуре.Напряжение на пластине (напряжение между пластиной и катодом) не влияет, следовательно, на количество электронов, испускаемых катодом. Однако достигают ли эти электроны пластины на самом деле, определяется напряжением между пластиной и катодом ² , а также явлением, известным как пространственный заряд.

10. Термин пространственный заряд применяется к облаку электронов, которое образуется в межэлектродном пространстве между катодом и пластиной. Поскольку оно состоит из электронов, это облако представляет собой отрицательный заряд в межэлектродном пространстве, который оказывает отталкивающее действие на электроны, испускаемые катодом.Следовательно, эффект одного только этого отрицательного объемного заряда заключается в том, чтобы заставить значительную часть испускаемых электронов вернуться обратно в катод и не дать другим достичь пластины.

11. Объемный заряд, однако, действует не сам по себе. Ему противодействует электрическое поле от положительной пластины, которое проникает сквозь объемный заряд, притягивая электроны и таким образом частично преодолевая его эффекты. При низких положительных напряжениях на пластине только ближайшие к пластине электроны притягиваются к ней и образуют небольшой ток пластины.Тогда объемный заряд оказывает сильное влияние на ограничение количества электронов, достигающих пластины.

12. По мере увеличения напряжения на пластине большее количество электронов притягивается к пластине через отрицательный пространственный заряд и, соответственно, меньшее количество электронов отталкивается обратно на катод. Если напряжение на пластине сделать достаточно высоким, в конечном итоге достигается точка, в которой все электроны, испускаемые катодом, притягиваются к пластине, и влияние объемного заряда полностью преодолевается.Дальнейшее увеличение напряжения на пластине не может увеличить ток пластины через трубку, а эмиссия с катода ограничивает максимальный ток.

Дата: 02.07.2015; вид: 1273;

2 Фотосинтез: искусственный фотосинтез: химические и биологические системы для преобразования света в электричество и топливо | Наука на рубеже

Квантовая физика дает наводящее на размышления, хотя и неполное, объяснение того, почему электрон не переносится все быстрее, чем больше энергии прилагается. МакЛендон объяснил, что когда электрон теряется из одной молекулы (донор) и приобретается другой (акцептор), длина связей в каждой молекуле изменяется, как пружина растяжения.Энергия для этого растяжения, называемая «энергией реорганизации», - сказал МакЛендон, - «обеспечивается избыточной [свободной] энергией реакции. Самый быстрый темп происходит, когда свободная энергия реакции точно равна энергии реорганизации. Если доступно меньше энергии, связи не могут быть растянуты настолько, чтобы могла произойти реакция ». И наоборот, продолжал МакЛендон, «если доступно слишком много энергии, система должна ждать, пока эта дополнительная энергия не« стечет », поскольку в момент передачи энергии исходных материалов и продуктов должны быть равны по закону сохранения энергии.«

МакЛендон привел пример: «Рассмотрим систему, содержащую только ионы двухвалентного железа (дипозитивные заряженные ионные молекулы) и трехвалентные ионы трехвалентного железа. Когда электрон движется, одно двухвалентное железо становится трехвалентным, и наоборот. Очевидно, что система в целом , остается неизменным. Однако в каждом случае связи молекул изменились на , длина - железные связи стали короче. Если это изменение длины произошло через после перемещения электрона , энергия будет высвобождаться. раствор стал бы теплее, и не было бы [так называемого] энергетического кризиса.Очевидно, - продолжил МакЛендон, - природа не работает таким образом. Вместо этого сначала от системы забирается тепло, чтобы растянуть связи. Затем электрон прыгает. Наконец, связи расслабляются, и тепло возвращается обратно. В целом тепло не меняется, а энергия сохраняется. Однако медленный шаг - это получение начальной энергии для растяжения связей. Если это может быть обеспечено энергией реакции, скорость реакции увеличивается ». Зависимость скорости разделения от энергии является приблизительно экспоненциальной, уменьшаясь от пикового значения при более низких или более высоких энергиях.Теоретическое предсказание Маркуса этого явления, по мнению его коллег, было пророческим, и он продолжал влиять на развитие исследований реорганизационной энергии (Marcus and Sutin, 1985).