Метаболична енергия: видове, източници, процес на трансформация

Метаболичната енергия е енергията, която всички живи същества получават от химическата енергия, съдържаща се в храната (или хранителните вещества). Тази енергия е еднаква за всички клетки; но начинът за постигането му е много разнообразен.

Храните се образуват от редица биомолекули от различен тип, които имат химическа енергия, съхранявана в техните връзки. По този начин организмите могат да се възползват от енергията, съхранявана в храната, и след това да използват тази енергия в други метаболитни процеси.

Всички живи организми се нуждаят от енергия, за да растат и да се възпроизвеждат, да поддържат своите структури и да отговарят на околната среда. Метаболизмът обхваща химическите процеси, които поддържат живота и позволява на организмите да превръщат химическата енергия в полезна енергия за клетките.

При животните метаболизмът разгражда въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини, за да осигури химическа енергия. От друга страна, растенията превръщат светлинната енергия на Слънцето в химическа енергия, за да синтезират други молекули; те правят това по време на процеса на фотосинтеза.

Видове метаболитни реакции

Метаболизмът се състои от няколко типа реакции, които могат да бъдат групирани в две широки категории: реакциите на разграждане на органични молекули и реакциите на синтез на други биомолекули.

Метаболитните реакции на разграждане представляват клетъчен катаболизъм (или катаболни реакции). Те включват окисляване на богати на енергия молекули, като глюкоза и други захари (въглехидрати). Тъй като тези реакции освобождават енергията, те се наричат ​​ексергоника.

Обратно, реакциите на синтеза представляват клетъчен анаболизъм (или анаболни реакции). Те извършват процеси на редукция на молекули, за да образуват други, богати на натрупана енергия, като гликоген. Тъй като тези реакции консумират енергия, те се наричат ​​ендергонали.

Метаболитни енергийни източници

Основните източници на метаболитна енергия са глюкозните молекули и мастните киселини. Те представляват група от биомолекули, които могат бързо да се окисляват за енергия.

Глюкозните молекули идват най-вече от въглехидрати, погълнати в храната, като ориз, хляб, тестени изделия, както и други производни на скорбяла. Когато в кръвта има малко глюкоза, тя може да бъде получена и от молекулите на гликоген, съхранявани в черния дроб.

По време на продължителното бързо или в процесите, които изискват допълнителен разход на енергия, е необходимо да се получи тази енергия от мастните киселини, които се мобилизират от мастната тъкан.

Тези мастни киселини преминават през редица метаболитни реакции, които ги активират и позволяват транспортирането им до вътрешността на митохондриите, където те ще бъдат окислени. Този процес се нарича β-окисление на мастни киселини и осигурява до 80% допълнителна енергия при тези условия.

Протеините и мазнините са последният резерв за синтез на нови глюкозни молекули, особено в случаи на екстремни гладуване. Тази реакция е от анаболен тип и е известна като глюконеогенеза.

Процес на превръщане на химическата енергия в метаболитна енергия

Сложните молекули на храни като захари, мазнини и протеини са богати източници на енергия за клетките, защото голяма част от енергията, използвана за образуването на тези молекули, се съхранява буквално в химическите връзки, които ги задържат заедно.

Учените могат да измерват количеството енергия, съхранено в храната, чрез устройство, наречено калориметрична помпа. С тази техника храната се поставя вътре в калориметъра и се нагрява до изгаряне. Излишната топлина, отделена от реакцията, е право пропорционална на количеството енергия, съдържаща се в храната.

Реалността е, че клетките не работят като калориметри. Вместо да изгарят енергията в голяма реакция, клетките освобождават бавно енергията, съхранявана в техните хранителни молекули, чрез поредица от окислителни реакции.

окисляване

Окисляването описва вид химическа реакция, при която електрони се прехвърлят от една молекула в друга, променяйки състава и енергийното съдържание на донорните и акцепторните молекули. Хранителни молекули действат като електронни донори.

По време на всяка окислителна реакция, участваща в разлагането на храната, продуктът от реакцията има по-ниско енергийно съдържание от донорната молекула, която го предшества по пътя.

В същото време, акцепторните молекули на електрона улавят част от енергията, която се губи от молекулата на храната по време на всяка окислителна реакция и я съхраняват за по-късна употреба.

В крайна сметка, когато въглеродните атоми на сложна органична молекула са напълно окислени (в края на реакционната верига), те се освобождават под формата на въглероден диоксид.

Клетките не използват енергията на окислителните реакции веднага щом се освободят. Това, което се случва, е, че те го превръщат в малки, енергийно богати молекули като АТР и NADH, които могат да се използват в клетката за стимулиране на метаболизма и изграждане на нови клетъчни компоненти.

Резервна енергия

Когато енергията е изобилна, еукариотните клетки създават по-големи, енергийно богати молекули, за да съхранят тази излишна енергия.

Получените захари и мазнини се съхраняват в отлагания в клетките, някои от които са достатъчно големи, за да се виждат в електронните микрографии.

Животните клетки могат също да синтезират разклонени полимери на глюкоза (гликоген), които от своя страна се агрегират в частици, които могат да се наблюдават чрез електронна микроскопия. Клетката може бързо да мобилизира тези частици, когато се нуждае от бърза енергия.

Въпреки това, при нормални обстоятелства хората съхраняват достатъчно гликоген, за да осигурят енергиен ден. Растителните клетки не произвеждат гликоген, но правят различни глюкозни полимери, известни като нишестета, които се съхраняват в гранули.

Освен това, както растителните клетки, така и животните съхраняват енергия чрез получаване на глюкоза в пътищата на синтеза на мазнини. Един грам мазнина съдържа почти шест пъти повече енергия от същото количество гликоген, но енергията на мазнините е по-малко достъпна от тази на гликоген.

Все пак, всеки механизъм за съхранение е важен, защото клетките се нуждаят от краткосрочни и дългосрочни енергийни депозити.

Мазнините се съхраняват в капчици в цитоплазмата на клетките. Хората обикновено съхраняват достатъчно мазнини, за да снабдяват клетките си с енергия в продължение на няколко седмици.