Vsak naš gib ali misel zahteva energijo iz telesa. To silo shrani vsaka celica telesa in jo s pomočjo makroergičnih vezi kopiči v biomolekulah. Prav te molekule baterije zagotavljajo vse življenjske procese. Nenehna izmenjava energije znotraj celic določa življenje samo. Kaj so te biomolekule z makroergičnimi vezmi, od kod prihajajo in kaj se dogaja z njihovo energijo v vsaki celici našega telesa - o tem razpravljamo v članku.
biološki mediatorji
V nobenem organizmu energija iz sredstva, ki ustvarja energijo, do porabnika biološke energije ne prehaja neposredno. Ko se intramolekularne vezi živilskih izdelkov prekinejo, se sprosti potencialna energija kemičnih spojin, ki daleč presega zmožnost znotrajceličnih encimskih sistemov, da jo uporabijo. Zato v bioloških sistemih sproščanje potencialnih kemikalij poteka postopoma z njihovo postopno transformacijo v energijo in kopičenjem v makroergičnih spojinah in vezi. In prav biomolekule, ki so sposobne takšnega kopičenja energije, se imenujejo visokoenergijske.
Katere vezi se imenujejo makroergične?
Stopnja proste energije 12,5 kJ/mol, ki nastane med nastankom ali razpadom kemične vezi, velja za normalno. Ko med hidrolizo določenih snovi nastane prosta energija več kot 21 kJ / mol, se to imenuje makroergične vezi. Označeni so s simbolom tilde - ~. V nasprotju s fizikalno kemijo, kjer makroergična vez pomeni kovalentno vez atomov, v biologiji pomenijo razliko med energijo začetnih učinkovin in njihovimi razpadnimi produkti. To pomeni, da energija ni lokalizirana v določeni kemični vezi atomov, ampak označuje celotno reakcijo. V biokemiji govorijo o kemični konjugaciji in nastanku makroergične spojine.
Univerzalni vir bioenergije
Vsi živi organizmi na našem planetu imajo en univerzalni element za shranjevanje energije - to je makroergična vez ATP - ADP - AMP (adenozin tri, di, monofosforna kislina). To so biomolekule, ki so sestavljene iz adeninske baze, ki vsebuje dušik, vezane na ogljikov hidrat riboze in pritrjenih ostankov fosforne kisline. Pod delovanjem vode in restrikcijskega encima nastane molekula adenozin trifosfata (C10H16N5 O 13P3) se lahko razgradi v molekulo adenozin difosforne kisline in ortofosfatno kislino. To reakcijo spremlja sproščanje proste energije reda 30,5 kJ/mol. Vsi življenjski procesi v vsaki celici našega telesa nastanejo, ko se energija nabira v ATP in se uporablja, ko je pokvarjena.vezi med ostanki ortofosforne kisline.
Darovalec in prejemnik
Visokoenergijske spojine vključujejo tudi snovi z dolgimi imeni, ki lahko tvorijo molekule ATP v reakcijah hidrolize (na primer pirofosforne in pirovične kisline, sukcinil koencimi, aminoacilni derivati ribonukleinskih kislin). Vse te spojine vsebujejo atome fosforja (P) in žvepla (S), med katerima so visokoenergijske vezi. To je energija, ki se sprosti pri prekinitvi visokoenergijske vezi v ATP (donorju), ki jo celica absorbira med sintezo lastnih organskih spojin. Hkrati se zaloge teh vezi nenehno dopolnjujejo s kopičenjem energije (akceptorja), ki se sprosti med hidrolizo makromolekul. V vsaki celici človeškega telesa se ti procesi odvijajo v mitohondrijih, medtem ko je trajanje obstoja ATP manj kot 1 minuto. Čez dan naše telo sintetizira približno 40 kilogramov ATP, ki gre vsak skozi do 3 tisoč ciklov razpada. In v vsakem trenutku je v našem telesu prisotnih približno 250 gramov ATP.
Funkcije visokoenergetskih biomolekul
Poleg funkcije darovalca in akceptorja energije v procesih razgradnje in sinteze makromolekularnih spojin imajo molekule ATP še več drugih zelo pomembnih vlog v celicah. Energija prekinitve makroergičnih vezi se uporablja v procesih nastajanja toplote, mehanskega dela, kopičenja električne energije in luminiscence. Hkrati pa preobrazbaenergija kemičnih vezi v toplotno, električno, mehansko hkrati služi kot faza izmenjave energije z naknadnim shranjevanjem ATP v istih makroenergetskih vezi. Vse te procese v celici imenujemo plastične in energijske izmenjave (diagram na sliki). Molekule ATP delujejo tudi kot koencimi, ki uravnavajo aktivnost določenih encimov. Poleg tega je ATP lahko tudi posrednik, signalno sredstvo v sinapsah živčnih celic.
Pretok energije in snovi v celici
Tako ATP v celici zavzema osrednje in glavno mesto v izmenjavi snovi. Reakcij, s katerimi nastane in razgradi ATP (oksidativna in substratna fosforilacija, hidroliza) je kar nekaj reakcij. Biokemične reakcije sinteze teh molekul so reverzibilne, pod določenimi pogoji se v celicah premaknejo v smeri sinteze ali razpada. Poti teh reakcij se razlikujejo po številu transformacij snovi, vrsti oksidativnih procesov ter po načinih konjugacije energijskih in energijsko porabnih reakcij. Vsak proces ima jasne prilagoditve za obdelavo določene vrste "goriva" in njegove omejitve učinkovitosti.
Ocena uspešnosti
Indikatorji učinkovitosti pretvorbe energije v biosistemih so majhni in so ocenjeni v standardnih vrednostih faktorja učinkovitosti (razmerje med koristnim delom, porabljenim za delo, in celotno porabljeno energijo). Toda tukaj, da se zagotovi izvajanje bioloških funkcij, so stroški zelo visoki. Na primer, tekač, glede na enoto mase, porabi tolikoenergije, koliko in velika oceanska ladja. Tudi v mirovanju je vzdrževanje življenja organizma težko delo in za to se porabi približno 8 tisoč kJ / mol. Hkrati se približno 1,8 tisoč kJ / mol porabi za sintezo beljakovin, 1,1 tisoč kJ / mol za delo srca, vendar do 3,8 tisoč kJ / mol za sintezo ATP.
adenilatni celični sistem
To je sistem, ki vključuje vsoto vseh ATP, ADP in AMP v celici v določenem časovnem obdobju. Ta vrednost in razmerje komponent določata energijsko stanje celice. Sistem ocenjujemo glede na energijski naboj sistema (razmerje med fosfatnimi skupinami in ostankom adenozina). Če je v celičnih makroergičnih spojinah prisoten samo ATP - ima najvišje energijsko stanje (indeks -1), če je samo AMP - minimalno stanje (indeks - 0). V živih celicah se običajno ohranjajo kazalniki 0,7-0,9. Stabilnost energijskega stanja celice določa hitrost encimskih reakcij in vzdrževanje optimalne ravni vitalne aktivnosti.
In nekaj o elektrarnah
Kot smo že omenili, sinteza ATP poteka v specializiranih celičnih organelah – mitohondrijih. In danes med biologi obstajajo spori o izvoru teh neverjetnih struktur. Mitohondriji so elektrarne celice, "gorivo" za katere so beljakovine, maščobe, glikogen in elektrika - molekule ATP, katerih sinteza poteka s sodelovanjem kisika. Lahko rečemo, da dihamo, da bi mitohondriji delovali. Več dela je treba opraviticelice, več energije potrebujejo. Preberite - ATP, kar pomeni - mitohondriji.
Profesionalni športnik ima na primer približno 12 % mitohondrijev v svojih skeletnih mišicah, medtem ko ima nešportni laik polovico manj. Toda v srčni mišici je njihova stopnja 25%. Sodobne metode treninga športnikov, predvsem maratoncev, temeljijo na MOC (maksimalni porabi kisika), ki je neposredno odvisna od števila mitohondrijev in sposobnosti mišic za dolgotrajne obremenitve. Vodilni programi usposabljanja za profesionalni šport so usmerjeni v spodbujanje sinteze mitohondrijev v mišičnih celicah.
