Jeśli sparafrazujemy dobrze znane wyrażenie „ruch jest życiem”, staje się jasne, że wszystkie przejawy żywej materii – wzrost, reprodukcja, procesy syntezy składników odżywczych, oddychanie – są w rzeczywistości ruchem atomów i molekuły tworzące komórkę. Czy te procesy są możliwe bez udziału energii? Oczywiście, że nie.
Gdzie żywe organizmy, od gigantycznych organizmów, takich jak płetwal błękitny czy amerykańska sekwoja, po ultramikroskopowe bakterie, czerpią swoje zapasy?
Biochemia znalazła odpowiedź na to pytanie. Kwas adenozynotrifosforowy to uniwersalna substancja stosowana przez wszystkich mieszkańców naszej planety. W tym artykule rozważymy budowę i funkcje ATP w różnych grupach organizmów żywych. Dodatkowo ustalimy, które organelle są odpowiedzialne za jej syntezę w komórkach roślinnych i zwierzęcych.
Historia odkryć
Na początku XX wieku w laboratorium Harvard Medical School kilku naukowców, a mianowicie Subbaris, Loman i Friske, odkryło związek zbliżony strukturą do adenylunukleotyd kwasu rybonukleinowego. Zawierała ona jednak nie jedną, a aż trzy reszty kwasu fosforanowego połączone z rybozą monosacharydową. Dwie dekady później F. Lipman, badając funkcje ATP, potwierdził naukowe założenie, że związek ten przenosi energię. Od tego momentu biochemicy mieli świetną okazję do szczegółowego zapoznania się ze złożonym mechanizmem syntezy tej substancji zachodzącej w komórce. Później odkryto kluczowy związek: enzym – syntazę ATP, który odpowiada za tworzenie cząsteczek kwasu w mitochondriach. Aby określić, jaką funkcję pełni ATP, dowiedzmy się, jakich procesów zachodzących w organizmach żywych nie można przeprowadzić bez udziału tej substancji.
Formy istnienia energii w układach biologicznych
Różnorodne reakcje zachodzące w żywych organizmach wymagają różnych rodzajów energii, które mogą się w siebie przekształcać. Należą do nich procesy mechaniczne (ruch bakterii i pierwotniaków, skurcz miofibryli w tkance mięśniowej), synteza biochemiczna. Ta lista obejmuje również impulsy elektryczne, które leżą u podstaw pobudzenia i zahamowania, reakcje termiczne, które utrzymują stałą temperaturę ciała u stałocieplnych zwierząt i ludzi. Luminescencyjny blask planktonu morskiego, niektórych owadów i ryb głębinowych jest również rodzajem energii wytwarzanej przez żywe organizmy.
Wszystkie powyższe zjawiska zachodzące w układach biologicznych są niemożliwe bez cząsteczek ATP, których funkcją jest przechowywanieenergia w postaci wiązań makroergicznych. Występują między nukleozydem adenylowym a resztami kwasu fosforanowego.
Skąd pochodzi energia komórkowa?
Zgodnie z prawami termodynamiki pojawianie się i zanikanie energii następuje z pewnych powodów. Rozpad związków organicznych wchodzących w skład pożywienia: białek, węglowodanów, a zwłaszcza lipidów, prowadzi do uwolnienia energii. Pierwotne procesy hydrolizy zachodzą w przewodzie pokarmowym, gdzie makrocząsteczki związków organicznych poddawane są działaniu enzymów. Część otrzymanej energii jest rozpraszana w postaci ciepła lub wykorzystywana do utrzymania optymalnej temperatury zawartości wewnętrznej ogniwa. Pozostała część gromadzi się w postaci w mitochondriach – elektrowniach komórki. To główna funkcja cząsteczki ATP – dostarczanie i uzupełnianie potrzeb energetycznych organizmu.
Jaka jest rola reakcji katabolicznych
Podstawowa jednostka żywej materii - komórka, może funkcjonować tylko wtedy, gdy energia jest stale aktualizowana w swoim cyklu życia. Aby spełnić ten warunek w metabolizmie komórkowym, istnieje kierunek zwany dyssymilacją, katabolizmem lub metabolizmem energetycznym. W fazie beztlenowej, która jest najprostszym sposobem tworzenia i przechowywania energii, z każdej cząsteczki glukozy, przy braku tlenu, syntetyzowane są 2 cząsteczki substancji energochłonnej, która zapewnia główne funkcje ATP w komórce - zaopatrując go w energię. Większość reakcji etapu beztlenowego zachodzi w cytoplazmie.
W zależności od struktury komórki może przebiegać na różne sposoby, na przykład w postaci glikolizy, fermentacji alkoholowej lub kwasu mlekowego. Jednak biochemiczne cechy tych procesów metabolicznych nie wpływają na funkcję ATP w komórce. Jest uniwersalny: aby zachować zapasy energii komórki.
Jak struktura cząsteczki jest powiązana z jej funkcjami
Wcześniej ustaliliśmy, że kwas adenozynotrifosforowy zawiera trzy reszty fosforanowe połączone z zasadą azotanową – adeniną i monosacharydem – rybozą. Ponieważ prawie wszystkie reakcje w cytoplazmie komórki zachodzą w środowisku wodnym, cząsteczki kwasu pod wpływem enzymów hydrolitycznych rozrywają wiązania kowalencyjne, tworząc najpierw kwas adenozynodifosforowy, a następnie AMP. Reakcje odwrotne prowadzące do syntezy kwasu adenozynotrifosforowego zachodzą w obecności enzymu fosfotransferazy. Ponieważ ATP pełni funkcję uniwersalnego źródła żywotnej aktywności komórkowej, zawiera dwa wiązania makroergiczne. Przy kolejnym zerwaniu każdego z nich uwalniane jest 42 kJ. Zasób ten jest wykorzystywany w metabolizmie komórkowym, w procesach wzrostu i reprodukcji.
Wartość syntazy ATP
W organellach o znaczeniu ogólnym - mitochondriach, zlokalizowanych w komórkach roślinnych i zwierzęcych, występuje układ enzymatyczny - łańcuch oddechowy. Zawiera enzym syntazę ATP. Cząsteczki biokatalizatora, które mają postać heksameru składającego się z kuleczek białkowych, są zanurzone zarówno w błonie, jak i wpodścielisko mitochondriów. Dzięki działaniu enzymu z ADP i pozostałości nieorganicznego kwasu fosforanowego syntetyzowana jest substancja energetyczna komórki. Powstałe cząsteczki ATP pełnią funkcję gromadzenia energii niezbędnej do jego życiowej aktywności. Cechą charakterystyczną biokatalizatora jest to, że w przypadku nadmiernego stężenia związków energetycznych zachowuje się on jak enzym hydrolityczny, rozszczepiając ich cząsteczki.
Cechy syntezy kwasu adenozynotrifosforowego
Rośliny mają poważną cechę metaboliczną, która radykalnie odróżnia je od zwierząt. Jest to związane z autotroficznym trybem odżywiania i zdolnością do przetwarzania fotosyntezy. Tworzenie cząsteczek zawierających wiązania makroergiczne zachodzi w roślinach w organellach komórkowych - chloroplastach. Znany nam już enzym syntaza ATP jest częścią ich tylakoidów i zrębu chloroplastów. Funkcje ATP w komórce to magazynowanie energii zarówno w organizmach autotroficznych, jak i heterotroficznych, w tym u ludzi.
Związki z wiązaniami makroergicznymi są syntetyzowane w saprotrofach i heterotrofach w reakcjach fosforylacji oksydacyjnej zachodzących na grzebieniach mitochondrialnych. Jak widać, w procesie ewolucji różne grupy organizmów żywych wytworzyły doskonały mechanizm syntezy takiego związku jak ATP, którego funkcją jest dostarczanie komórkom energii.
