Każdy nasz ruch lub myśl wymaga energii z ciała. Siła ta jest magazynowana przez każdą komórkę ciała i kumuluje ją w biocząsteczkach za pomocą wiązań makroergicznych. To właśnie te cząsteczki baterii zapewniają wszystkie procesy życiowe. Ciągła wymiana energii w komórkach determinuje samo życie. Czym są te biomolekuły z wiązaniami makroergicznymi, skąd się biorą i co dzieje się z ich energią w każdej komórce naszego ciała - to omówiono w artykule.
Mediatorzy biologiczni
W każdym organizmie energia z czynnika wytwarzającego energię do biologicznego konsumenta energii nie przechodzi bezpośrednio. Gdy wiązania wewnątrzcząsteczkowe produktów spożywczych zostają zerwane, uwalniana jest energia potencjalna związków chemicznych, która znacznie przekracza możliwości jej wykorzystania przez wewnątrzkomórkowe układy enzymatyczne. Dlatego w układach biologicznych uwalnianie potencjalnych związków chemicznych następuje stopniowo z ich stopniową przemianą w energię i akumulacją w związkach i wiązaniach makroergicznych. I to właśnie biomolekuły są zdolne do takiej akumulacji energii, którą nazywamy wysokoenergetyczną.
Jakie obligacje nazywane są makroergicznymi?
Poziom energii swobodnej 12,5 kJ/mol, który powstaje podczas tworzenia lub rozpadu wiązania chemicznego, jest uważany za normalny. Kiedy podczas hydrolizy niektórych substancji powstaje energia swobodna większa niż 21 kJ / mol, nazywa się to wiązaniami makroergicznymi. Są one oznaczone symbolem tyldy - ~. W przeciwieństwie do chemii fizycznej, gdzie wiązanie makroergiczne oznacza wiązanie kowalencyjne atomów, w biologii oznaczają one różnicę między energią środków wyjściowych a produktami ich rozpadu. Oznacza to, że energia nie jest zlokalizowana w określonym wiązaniu chemicznym atomów, ale charakteryzuje całą reakcję. W biochemii mówi się o koniugacji chemicznej i tworzeniu związku makroergicznego.
Uniwersalne źródło bioenergii
Wszystkie żywe organizmy na naszej planecie mają jeden uniwersalny element magazynowania energii - jest to wiązanie makroergiczne ATP - ADP - AMP (adenozyno tri, di, kwas monofosforowy). Są to biocząsteczki składające się z zasady adeninowej zawierającej azot, przyłączonej do węglowodanu rybozy i przyłączonych reszt kwasu fosforowego. Pod działaniem wody i enzymu restrykcyjnego cząsteczka trójfosforanu adenozyny (C10H16N5 O 13P3) może rozkładać się na cząsteczkę kwasu adenozynodifosforowego i kwas ortofosforanowy. Reakcji tej towarzyszy uwolnienie energii swobodnej rzędu 30,5 kJ/mol. Wszystkie procesy życiowe w każdej komórce naszego ciała zachodzą, gdy energia jest gromadzona w ATP i wykorzystywana, gdy jest zepsuta.wiązania między resztami kwasu ortofosforowego.
Dawca i przyjmujący
Związki wysokoenergetyczne obejmują również substancje o długich nazwach, które mogą tworzyć cząsteczki ATP w reakcjach hydrolizy (na przykład kwasy pirofosforowy i pirogronowy, koenzymy sukcynylowe, pochodne aminoacylowe kwasów rybonukleinowych). Wszystkie te związki zawierają atomy fosforu (P) i siarki (S), pomiędzy którymi znajdują się wiązania wysokoenergetyczne. To energia uwalniana w momencie zerwania wysokoenergetycznego wiązania w ATP (dawcy) jest absorbowana przez komórkę podczas syntezy własnych związków organicznych. Jednocześnie rezerwy tych wiązań są stale uzupełniane akumulacją energii (akceptorem) uwalnianej podczas hydrolizy makrocząsteczek. W każdej komórce ludzkiego ciała procesy te zachodzą w mitochondriach, a czas trwania ATP wynosi mniej niż 1 minutę. W ciągu dnia nasz organizm syntetyzuje około 40 kilogramów ATP, z których każdy przechodzi nawet 3 tysiące cykli rozpadu. W każdym momencie w naszym organizmie znajduje się około 250 gramów ATP.
Funkcje biocząsteczek wysokoenergetycznych
Oprócz funkcji donora i akceptora energii w procesach rozkładu i syntezy związków wielkocząsteczkowych, cząsteczki ATP odgrywają w komórkach kilka innych bardzo ważnych ról. Energia rozrywania wiązań makroergicznych jest wykorzystywana w procesach wytwarzania ciepła, pracy mechanicznej, akumulacji elektryczności i luminescencji. W tym samym czasie transformacjaenergia wiązań chemicznych na cieplne, elektryczne, mechaniczne jednocześnie służy jako etap wymiany energii z późniejszym magazynowaniem ATP w tych samych wiązaniach makroenergetycznych. Wszystkie te procesy w komórce nazywane są wymianą plastiku i energii (schemat na rysunku). Cząsteczki ATP pełnią również rolę koenzymów, regulując aktywność niektórych enzymów. Ponadto ATP może być również mediatorem, środkiem sygnalizacyjnym w synapsach komórek nerwowych.
Przepływ energii i materii w komórce
Tak więc ATP w komórce zajmuje centralne i główne miejsce w wymianie materii. Reakcji, za pomocą których powstaje i rozkłada się ATP, jest sporo (fosforylacja oksydacyjna i substratowa, hydroliza). Reakcje biochemiczne syntezy tych cząsteczek są odwracalne, w określonych warunkach są one przesunięte w komórkach w kierunku syntezy lub rozpadu. Drogi tych reakcji różnią się liczbą przemian substancji, rodzajem procesów oksydacyjnych oraz sposobami sprzęgania reakcji energochłonnych i energochłonnych. Każdy proces ma wyraźne dostosowania do przetwarzania określonego rodzaju „paliwa” i jego limitów wydajności.
Ocena wydajności
Wskaźniki efektywności konwersji energii w biosystemach są niewielkie i są szacowane w standardowych wartościach współczynnika efektywności (stosunek pracy użytecznej wydanej na pracę do całkowitej zużytej energii). Ale tutaj, aby zapewnić wykonywanie funkcji biologicznych, koszty są bardzo wysokie. Na przykład biegacz, w przeliczeniu na jednostkę masy, wydaje tak dużoenergia, ile i duży liniowiec. Nawet w spoczynku utrzymanie życia organizmu jest ciężką pracą i wydaje się na nią około 8 tysięcy kJ / mol. Jednocześnie około 1,8 tys. kJ/mol jest wydawane na syntezę białek, 1,1 tys. kJ/mol na pracę serca, ale do 3,8 tys. kJ/mol na syntezę ATP.
System komórek adenylanowych
To jest system, który zawiera sumę wszystkich ATP, ADP i AMP w komórce w określonym czasie. Ta wartość i stosunek składników określa stan energetyczny ogniwa. System ocenia się pod względem ładunku energetycznego systemu (stosunek grup fosforanowych do reszty adenozyny). Jeśli w związkach makroergicznych komórki występuje tylko ATP - ma najwyższy status energetyczny (indeks -1), jeśli tylko AMP - status minimalny (indeks - 0). W żywych komórkach zwykle utrzymują się wskaźniki 0,7-0,9. Stabilność stanu energetycznego komórki determinuje szybkość reakcji enzymatycznych i utrzymanie optymalnego poziomu aktywności życiowej.
I trochę o elektrowniach
Jak już wspomniano, synteza ATP zachodzi w wyspecjalizowanych organellach komórkowych – mitochondriach. A dziś wśród biologów toczą się spory o pochodzenie tych niesamowitych struktur. Mitochondria to elektrownie komórki, „paliwem” dla których są białka, tłuszcze, glikogen i elektryczność – cząsteczki ATP, których synteza odbywa się przy udziale tlenu. Można powiedzieć, że oddychamy, aby mitochondria działały. Im więcej pracy do zrobieniakomórki, tym więcej energii potrzebują. Przeczytaj - ATP, co oznacza - mitochondria.
Na przykład zawodowy sportowiec ma około 12% mitochondriów w mięśniach szkieletowych, podczas gdy niesportowiec ma o połowę mniej mitochondriów. Ale w mięśniu sercowym ich wskaźnik wynosi 25%. Nowoczesne metody treningowe dla sportowców, zwłaszcza maratończyków, opierają się na MOC (maksymalne zużycie tlenu), które bezpośrednio zależy od liczby mitochondriów i zdolności mięśni do wykonywania długotrwałych obciążeń. Wiodące programy treningowe dla sportów wyczynowych mają na celu stymulację syntezy mitochondriów w komórkach mięśniowych.
